悬浮填料与生物膜工艺研究现状与进展

田 青 ，鲍晓博 ，吴 端

（1.天津港保税区水处理新技术产业化基地，天津 300191；2.首创爱华（天津）市政环境工程有限公司，天津 300191）

0 引言

我国的城市化进程处于不断的增速过程中，水体污染与藻类爆发等问题日渐突出。我国污水处理厂目前广泛采用的还是常规的二级生化处理工艺，没有独立的脱氮除磷单元，对污水中氮磷等污染物质的去除率不能满足日益发展的水资源供给和水环境需求，因此，脱氮除磷工艺的研究与开发已成为水体污染控制与治理领域的研发热点。悬浮填料生物膜工艺（suspended carrier biofilm process，SCBP）又称移动床生物膜反应器（moving bed biofilm reactor,MBBR），作为新型的水处理工艺，其目的是在原有活性污泥处理系统的基础上提高负荷率、增加脱氮除磷的能力［1，2，3］，其理论研究和水处理领域的应用均取得了快速发展，成为当今水处理领域的热点。

1 悬浮填料与生物膜工艺

在污水生化处理中，活性污泥法和生物膜法是两大主要的技术归趋，基本上全部的污水生化处理工艺过程都可以归结为活性污泥法或/和生物膜法的具体应用形式。生物膜法主要类别有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。悬浮填料生物膜工艺指在水处理构筑物中直接投加密度与水相近的轻质填料，利用附着生物量或者生物膜与活性污泥联合作用。填料在池内曝气时随水流动，自由流化。其本质上属于生物膜法，但是在运动特性、运行方式以及生物膜状况等方面具有独特的性质和特点。生物膜法的构成关键即是微生物群体得以挂膜的填料或载体。为提高生物膜的处理能力，科研开发主要集中在微生物菌种筛选、生物膜反应器设计、生物填料/载体3个方面，其技术核心之一就是填料/载体。填料起着固结微生物的作用，生物膜在填料上的附着性能，直接制约着生物膜法水处理工艺的启动和运行效果。

悬浮填料的研发着力于几个方面：（1）提高机械强度和刚性，避免在填料反冲洗过程中的形变，降低使用磨损率。同时，避免填料发生破碎。（2）提高填料的化学稳定性，避免其发生化学腐蚀。（3）提高填料的外形设计水平和制造能力，提供大比表面和高孔隙率，增加生物附着量。（4）进行填料表面改性，提高填料表面能和传质效率，提高其在气液反冲洗过程中的再生性能，延长填料使用寿命。

20世纪90年代中期发展起来的悬浮填料，具有良好的孔结构和很高的孔隙率，比表面积大，水力阻力小，在反应器中的流化能耗低。内部具有大量网状并相互连通的孔道，不仅对微生物的附着性能好，气液传质速率高，而且还可以有效地避免微生物受水流剪切和冲击的影响［4，5］。此外，从表面向内，随着溶解氧传输率的不断降低，载体内外依次形成了适于厌氧和好氧微生物生长的微环境，为增加生物多样性提供了基础条件［6］。这类填料形成的复合生物反应器、移动床生物膜反应器等形式的悬浮填料生物膜法工艺，吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者的优点，成为一种新型高效的污水处理技术［5，7］。生长了生物膜的悬浮填料因密度与水接近，填料依靠曝气和/或搅拌作用，处于流化状态，并随水流移动，生化池曝气过程中，不仅使污水与填料上的生物膜广泛而频繁地接触，而且填料在流化过程中可切割分散气泡，使布气趋于均匀，增大了固—液—气三相之间的充分接触混合和碰撞，显著提高了生化反应池中氧的转移利用效率［8，9］。悬浮填料的开发研制，也成为目前填料研究开发的重点。使用的填料的规格一般为直径20~150 mm，形状分类主要有球形和圆柱形2种，填料的比表面积为50~500 m2/m3。

针对市政污水升级改造项目，尤其是一级B升级一级A工程，使用悬浮填料的生物接触氧化工艺在国内外已经取得了很多业绩，且用户反映良好。但生物接触氧化工艺的投资造价制约其在新建项目上的应用。没有行业或国家的正式设计标准或规范，也是在新建污水处理厂推广的主要困难之一，要大力推行，必须优先推出行业的设计标准。现阶段生物接触氧化工艺比较适合中、大型污水处理厂一级A的升级改造项目，尤其是大型污水厂，在原有污水厂征地困难的情况下，生物接触氧化工艺具有节约用地、构造简单的特点，是生物接触氧化工艺今后主要的市场发展方向。

2 悬浮填料生物膜工艺原理

悬浮填料生物膜工艺是通过投放密度近似1.0g/cm3的分散性填料于生化反应池中，使之作为微生物附着生长的基质，形成稳定的生物膜结构,并通过流化,加强与污水中有机物的接触作用，使填料生物膜的微生物群落连续摄取污水中有机污染物,降低污水中COD含量，并取得一定的脱氮效果［10，11］。该工艺既可在好氧环境下运行，也可在缺氧和厌氧条件下运行。在好氧环境下,填料依靠曝气和水流的提升作用,在反应器内自由流动；在缺氧和厌氧环境下,通过机械搅拌即可使填料呈现流化状［12，13］。填料表面的生物膜结构，由内向外依次形成厌氧、兼性厌氧和好氧微生物群落，生物膜结构稳定，细菌世代时间长，为在活性污泥中较难繁殖的硝化细菌提供了较好的生境，从而提高了生化处理过程的好氧硝化性能［12-21］。挂膜成熟的悬浮填料单位面积硝化速率可以达到1.0gNH3—N/m2填料·d，最多可以达到 1.4～1.6gNH3—N/m2填料·d［4，20］。

3 悬浮填料的主要分类

目前常用的悬浮填料可归结于以下类别［21-23］：

（1）多孔泡沫填料：材质多为聚氨酯泡沫块，密度小于水，形状为小方块，大小不超过15mm，工艺中载体投配率为1%~3%，可极大提高生物量，浓度可达5~8 Gmlss/l，呈多孔状，表面和内部均可生长微生物以提高生化处理效果。填料比重与水接近，可以悬浮于水中流动。可分为分别针对含碳、含氮有机物的硝化和同步反硝化工艺的不同品类。

（2）KMT型悬浮填料（见图1）：由挪威Kaldnes公司所研发的该系列填料，是目前市场上应用最广范的悬浮填料类型。该填料为圆柱状，以聚乙烯塑料为主要材质，外观呈外棘轮状，填料内壁具有十字筋加强结构，填料直径约10mm，高度为10mm，密度为0.92~0.96g/cm3，总体投加比可达到70%，比表面积可达350 m2/m3，生物量浓度可达3~4 Gmlss/l。国内诸多厂家以该填料为原型，开发出结构类似的系列悬浮填料产品［5，6，8，21］，有效比表面积已可提高到 800 m2/m3，发挥了显著的强化脱氮生化反应能力。

（3）大型球状或柱状悬浮填料：该类填料源于国内填料生产厂家在20世纪90年代中期的自主研发，现已在国内不少污水和工业废水处理工程中得到了实践验证［24］，填料规格已基本定型为粒径25mm，50mm，80mm和100mm等规格的高分子聚合物注塑而成的多孔圆球状或圆柱状骨架（见图2），填料内部设计一定的翼板和/或套环结构，填料密度约为0.95～0.98 g/cm3，比表面积已可达到 400 m2/m3［25-27］。

图1 Kaldnes KMT型悬浮填料

图2 球状或柱状悬浮填料

悬浮填料具有良好的几何构型，微生物生长状态良好，有机物降解效率更高。水中氧气和污染物可顺利穿过填料，增加生物膜与氧气和有机污染物的接触，提高传质效率和生物降解性能。填料比表面积大，生物附着量多，适合硝化菌生长，硝化脱氮效果明显。悬浮填料的密度适中，易流化，水力搅拌能耗不高。填料附着的结构良好的微生物菌群也可获得较强的含碳有机物降解能力，COD容积负荷可达到6 kgCOD/m3·d以上。由于生物膜技术不存在传统活性污泥法的污泥膨胀、污泥上浮以及污泥流失等常见问题，污水处理厂的日常运行管理更加便捷。通过填料的增加可以在不增加污水处理厂池容的条件下获得污水处理负荷的提升,可满足污水处理厂提标升级改造的产业需求。

4 小结与展望

悬浮填料生物膜工艺虽距今只有10多年的历史，但其发展十分迅猛，因建造简单和操作方便，可在不增加反应器容积的条件下改造现有的常规污水处理厂，使之提高对有机物的去除率和达到脱氮除磷的目的。如张家口主城区污水处理厂规模为10万t/d，该污水处理厂原出水水质为国家二级排放标准，运用悬浮填料生物膜工艺对其原有的工艺进行升级改造，达到一级A排放标准。无锡芦村污水处理厂规模为20万t/d，采用A2O活性污泥工艺，污水处理厂的排放标准进一步提高需要进行升级改造，改造内容将生物池改造为生物膜-活性污泥复合工艺，出水稳定达到一级A排放标准。悬浮填料生物膜工艺适应了污水厂排放标准日益严格的趋势，可以相对方便地实现老旧污水厂的升级改造，具有一定的技术优势。该工艺必将在我国得到更加广泛的应用。国产悬浮填料的主要研发方向如下：

（1）推进填料生物膜工艺反应动力学研究：通过工程实践和实验室研究，充分积累填料生物膜工艺数据，完成反应动力学参数的测定，建立二级生化反应动力学表达式，为填料生物膜工艺系统的设计和运行提供技术支持。

（2）改进悬浮填料的流态：试验优化填料的最佳投配率、气水比等，使悬浮填料的流动更均匀和快速，有利于避免反应死区和提高传质效果。

（3）提高填料的比重均一性：使挂膜后的悬浮填料密度更接近于水的密度而且均一，仅需更小的曝气量和机械搅拌即具有良好的流动性，减少能耗。

（4）加强悬浮填料的挂膜能力：通过对填料表面提高粗糙度和进行亲水改性，缩短悬浮填料挂膜时间，提高填料生物膜中硝化菌群数量，增强脱氮处理效果。

（5)开展填料亲水性改性：进行填料聚乙烯等基质材料表面的亲水性改性处理，引入亲水性官能基团，更好地满足该有机填料在水相体系中的使用要求。

悬浮填料是填料生物膜工艺的核心，其水力特性、生物膜附着性、空间形状及比表面积、机械强度和延展性、化学和生物稳定性等方向是进一步研究开发的重点。开发高效、廉价的功能性悬浮填料、提高有效比表面积以及工艺和运行参数优化等领域的研究将推动悬浮填料生物处理工艺的快速发展。

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