MBBR填料研究与应用进展

吴桐，凌宇，王海燕,2*，常洋，董伟羊，闫国凯

1.中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院

填料在移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor，MBBR)工艺中起着重要作用，能在一定程度上节省时间和能耗；运行过程中填料相互碰撞、摩擦，有助于提高生物活性，填料的多孔性有利于生物挂膜；填料的材质和结构会影响整个生物膜的形成和厚度，进而影响气液传质和处理效能。目前国内外使用的MBBR填料种类较多，按材质分主要有塑料、聚氨酯(PU)、陶粒和其他新型材质填料；按构型分主要有圆柱体、立方体、球状、短管状填料等。不同材质的填料特性差异较大，同材质不同构型的填料在各项参数上也存在差异，因此不同填料MBBR的水处理效能各不相同。MBBR已被广泛应用于生活污水、工业废水、垃圾渗滤液、医用废水等的处理，填料很大程度上决定MBBR的处理效果，因此对填料的研究至关重要。笔者综述了不同材质和构型MBBR填料的研究及应用现状，分析了不同填料上的微生物群落特征。

1 MBBR常用填料

1.1 塑料填料

塑料填料是MBBR中最常用的填料材质之一，其密度一般为0.96～1.00 kgm3，具有比表面积大、强度高、寿命长和经济适用性强等优点，已被广泛应用于实际污水处理厂中，并取得了良好的处理效果。目前，市场上常见的商品化塑料填料主要有聚乙烯(polyethylene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)和其他类型塑料填料，构型通常呈圆柱状、球状和短管状等。

1.1.1PE填料

PE填料作为MBBR中最常见的填料之一，已被用广泛用于处理生活污水[1]、餐饮废水[2]、工业废水[3]和垃圾渗滤液[4]等，以PE为填料的MBBR对污废水中的色度、化学需氧量(COD)、氨氮总氮(TN)、硝氮总有机碳(TOC)、Mn2+和挥发性酚类等物质具有良好的去除效果。

1.1.2PP填料

1.1.3其他塑料填料

聚氯乙烯(PVC)[15-16]、聚偏氟乙烯(PVDF)[17]等也可以作为填料应用于MBBR中。如沈阳市南小河污水处理厂采用PVC圆柱形填料MBBR处理食品加工区市政污水，在FR为25%～30%、HRT为4.4 h时，COD、悬浮颗粒物(SS)去除率均达90%以上[15]。Goswami等[16]采用φ12.5×15 mm的PVC环作为MBBR填料处理制革废水，填料上的生物量呈稳定增长状态，COD去除率可达85%～90%。王广智等[17]采用FR为20%的PVDF为好氧MBBR填料处理含吲哚废水，在HRT为8 h时，吲哚去除率达100%，COD去除率达89.65%；曝气量为0.10～0.12 mLmin时，COD和去除率分别为88.88%～92.95%和65.00%～66.83%。

PE填料因具有经济效益高、处理效果好、在反应器内易处于悬浮状态等优点，已被广泛应用于实际工程中；多数PP填料因材质密度较轻、材料脆、使用寿命短等问题，在实际工程中应用较少；PVC和PVDF填料虽对一些污染物有较好的去除效能，但与PE相比成本较高，因此多用于工业废水的处理中。

1.2 聚氨酯(PU)泡沫填料

聚氨酯(polyurethane，PU)泡沫填料具有良好的机械强度和较高的孔隙率，可为微生物提供较大的附着面积，使其快速、稳定地生长，能有效去除污废水中有机污染物和各种营养物，其价格经济实惠，能降低水处理成本，是一种很有前景的MBBR水处理填料。

1.3 陶粒填料

陶粒是以黏土为主要生产原料的生物载体，其表观多为圆形或椭圆形球体、不规则碎石状，其表面粗糙呈蜂窝状，可为微生物提供适宜附着、固定和生长的环境，能吸附水体中的有害元素、细菌和矿化水质，多于用生物滤池中，但应用于MBBR的报道较少，已有报道集中在处理模拟生活污水、生产和医院废水的研究。如周艾文等[22]采用规格为8～10 mm、孔隙率为40%～44%、密度为600～700 kgm3的生物陶粒MBBR处理模拟生活污水，发现最适溶解氧(DO)浓度为3 mgL左右时，和TN去除率可达81.45%和60.35%；当进水最佳CN为10左右时，和TN去除率可达81.65%和63.60%。Shokoohi等[23]采用FR为50%的轻质陶粒作为MBBR填料处理医院废水，在HRT为42 h，混合液悬浮固体浓度(MLSS)为5 000 mgL时，系统的COD去除率达83%。Kavoosi等[24]采用轻质陶粒MBBR处理甜菜厂生产废水，当进水COD为800～3 200 mgL，HRT为12.16～24.00 h，负荷为1.766 kgm2(以COD计)时，可去除82%的可溶性COD。但陶粒的密度与水相差较大[25]，作为MBBR填料存在一定的缺陷，如易漂浮在MBBR混合液表面，很难在MBBR中处于悬浮状态，影响微生物的附着生长。

1.4 其他材质填料

除各种塑料、PU泡沫填料、陶粒填料外，近年来出现了许多新型MBBR填料，如可生物降解聚合物[26]、自制无机活性多孔物质[27-28]、纤维合成材料[29]、芦竹[30]、丝瓜络[31]等，均取得了良好的处理效果。可生物降解聚合物不仅是微生物的附着载体，同时也能充当碳源。如Chu等[26]采用可生物降解聚合物聚己内酯(PCL)作为MBBR填料，当HRT为18.5 h时，TN平均去除率为74.6%，且在低CN条件下实现了同步硝化和反硝化。如郑兰香等[27]将珍珠岩焙烧制成新型多孔无机填料用在MBBR中，生物膜上降解速率可达32.1 mg(g·h)。

混有无机活性粒子的PE也可作为MBBR填料，如赵冬霞[28]采用该填料用厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)-缺氧好氧MBBR-O3氧化-好氧MBBR组合工艺处理食品酵母发酵废水，稳定运行后，系统COD去除率为80%左右。也有将2种材质填料组合在一起的报道，如徐斌等[29]采用软性纤维和弹性立体纤维制成捆绑式填料MBBR预处理黄浦江微污染水，在温度为24.9 ℃，进水浓度为3 mgL,HRT为l h时，去除率可达77.6%。Li等[30]采用芦竹作为小试MBBR填料和碳源处理城市污水再生厂的反渗透浓水，FR为30%，系统运行稳定后，去除率为平均去除速率为(8.10±3.45)g(m3·d)。刘晗[31]将丝瓜络制成填料，投加到MBBR小试工艺中，经生物挂膜培养，生物量达0.49 gg，在HRT为4 h时，和TP去除率分别达82.95%、74.19%和65.78%。

1.5 不同材质填料的比较研究

不同材质MBBR填料对微生物的附着能力不同，许多学者比较了不同类型填料以筛选适用于不同污废水的填料。如苑泉等[25]考察填料类型(φ25×10 mm的PE、φ25 mm的球形PP、10 mm×10 mm×15 mm的PU泡沫、φ5×10 mm的陶粒)对反硝化MBBR处理城市污水厂尾水脱氮及有机物去除的影响，筛选出φ25×10 mm的PE效果最好。丁晶静[32]采用MBBR和A2O组合工艺处理受污染的太湖水，PE填料(φ25×12 mm，孔隙率为85%，密度为0.90～0.95 mgL)对污染物的去除效果低于立方体PU泡沫填料(长、宽、高均为20 mm，孔隙率为65%，密度为0.70～0.75 mgL)。Maurer等[33]分别比较以PU和PE为填料的MBBR的效能，结果表明2个反应器在反硝化效能、最大COD和氮去除率等方面差异不大，但PU能储存更多的基质。Chu等[19]在低CN下比较以PU和可生物降解的高分子材料PCL颗粒为填料的MBBR对生活污水中有机物和氮的去除效能，发现当HRT为14 h时，以PU为填料的MBBR的TOC和氨氮去除率(90%、65%)高于以PCL为填料的MBBR(72%、56%)，二者最高TN去除率分别为42.60%和60.15%，以PCL为填料的MBBR的TN去除性能较优。

2 MBBR改性填料

MBBR填料多由有机高分子制成，其亲水性和生物亲和性影响微生物的附着和水处理效能，因此，对MBBR填料进行改性，提高其亲水性和生物亲和性成为近年来研究的热点。国内外诸多学者对填料的改性研究多集中在亲水改性、表面带电改性、磁效应和超声波改性[34]等方面。常用的方法有表面化学改性、等离子体表面处理法、表面物理包覆、表面接枝改性和机械改性等。

2.1 PE改性填料

2.2 PU泡沫改性填料

2.3 PP改性填料

PP改性主要分为物理改性和化学改性。其中，物理改性是在PP基体中加入其他无机材料、有机材料、塑料橡胶或具有特殊功能的添加剂等，可分为填充改性、增强改性、共混改性和功能性改性；化学改性是指通过交联剂等进行交联，或通过接枝共聚，在PP大分子链中引入其他组分，常用的化学改性手段有共聚改性、交联改性和接枝改性。为提高改性效果，通常将物理和化学2种方法结合起来对PP进行改性。如杜慷慨[44]利用超声波促进丙烯酸接枝PP，当超声波作用时间为30 min、反应温度为110 ℃、过氨甲苯酰及丙烯酸的用量分别为4%和15%时，超声波能有效促进丙烯酸对PP固相接枝反应的进行且接枝率达到6%。

2.4 其他改性填料

其他改性方法多为在基体中加入无机或有机组分，以增加填料表面粗糙度，提高挂膜量和水处理效能。如Zhao等[45]在10.5 L的MBBR反应器中同时投加密度为0.95～0.99 gcm3、比表面积为400～500 m2m3的球状PE填料和140 g经聚合氯化铝或聚合氯化铁改性的硅藻土(比表面积为50～60 m2g，粒径为50～100 μm)共同作为MBBR填料处理市政污水，在HRT为2.5 h时，系统的和浊度最高去除率可达88.5%、83.0%、92.3%和96.7%。Dong等[46]采用经海泡石改性的陶粒作为MBBR填料处理油田废水，运行190 d后，出水可满足GB 4287—92《纺织染整工业水污染物排放标准》。

3 MBBR填料微生物群落特征

3.1 填料微生物群落特征

污水的生物处理主要依靠微生物新陈代谢作用降解水中污染物，在MBBR工艺中，填料为微生物生长提供了良好的载体，因此，分析填料上微生物特征，有助于深入判断工艺运行情况，采取相应措施提高水处理效能。众多研究表明，变形杆菌在填料上普遍存在，与好氧反应器相比，缺氧反应器中填料上微生物丰富度较低，多为反硝化菌、厌氧氨氧化菌和一些异养菌，好氧反应器中则多存在氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、硝化细菌和其他自养菌。如齐勇等[47]在某污水处理厂原有A2O工艺基础上，投加30% PE填料，稳定运行6个月，出水均能稳定达到GB 18918—2002一级A标准；扫描电镜观察到整个工艺沿污水流程形成不同的优势菌种(图1)，其中缺氧池中填料上主要为小球菌和变形杆菌，好氧池中填料上除附着有各种异养菌(如氨化细菌、碳细菌)外，还有钟虫、线虫、草履虫等原生动物。Bassin等[48]采用缺氧-好氧两级MBBR处理农药生产废水，采用Kaldnes®K1作为填料，经分析发现，缺氧、好氧反应器中主导菌属均为变形杆菌，在缺氧MBBR中物种多样性较低，以丝孢菌属(占21%)为主；好氧MBBR以甲醇杆菌属(占13%)为主，其次为硫杆菌属。Gustavsson等[49]采用以Kaldnes®K1为填料的短程硝化-厌氧氨氧化MBBR处理市政污水，稳定运行后，生物膜上厌氧氨氧化菌丰富度最高，为10%～30%，主要由布罗卡德氏菌(Brocadiasp.)和一些亚硝化单胞菌(Nitrosomonassp.)构成；Song等[50]采用PU为MBBR填料处理制药废水时，发现变形杆菌门(Proteobacteria)在生物膜上最为丰富，氨氧化菌(AOB)中含量最多的属为亚硝化单胞菌，其次为陶厄氏菌(Thauera)。Gao等[51]采用经硝化细菌固定化的立方体凝胶聚合物(IMG)作为MBBR填料，处理循环水产养殖废水，当盐度从接近0升到35.0 gL时，亚硝酸盐氧化菌(NOB)在IMG中的微生物活性下降86.32%。亚硝化单胞菌和硝化螺旋菌(Nitrospirasp.)分别为AOB和NOB的主要菌属。Li等[30]采用芦竹作为反硝化MBBR填料处理反渗透浓水，填料上排名前三的菌门为变形杆菌门、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)。姚美辰等[52]采用变形梯度凝胶电泳(DGGE)分析MBBR生物膜微生物种群组成及多样性变化，结果显示，填料上优势菌种分别为变形菌门的陶厄氏菌、约氏不动杆菌。

图1 扫描电镜和光学显微镜下的微生物相[47]Fig.1 Microbial phase under scanning electron microscope and optical microscope

3.2 不同类型填料微生物群落特征比较研究

不同类型填料上微生物种类一般存在差别，但均以反硝化菌、亚硝化细菌和厌氧氨氧化菌等为主，形态呈球状、杆状、丝状，部分填料上附着螺旋状细菌，改性填料上功能细菌数量和丰富度普遍高于未改性填料。如Chu等[19]采用PU和PCL作为MBBR填料处理模拟生活污水，SEM观察显示，PCL生物膜主要由球菌和杆菌组成，而PU生物膜上短杆状细菌和真菌较为丰富。苑泉等[25]采用PE、PP、PU泡沫体和陶粒作为MBBR填料处理城市污水厂尾水，稳定运行后，4种填料上附着的微生物均以球菌、杆菌和丝状菌为主，PE填料上的球菌最多；PP填料上球菌、杆菌和丝状菌共生；PU泡沫体填料上生物膜相对稀疏；陶粒上微生物较为分散，且黏性物质较多；PP上的微生物最为丰富和致密。李亚峰等[36]采用新型高分子改性的PE和改性PU作为AA-MBBR填料处理生活污水，采用高通量分析生物膜结构，发现各反应池中微生物群落主要以硝化螺旋菌门、变形菌门为主，改性PE上存在亚硝化单胞菌。Lü等[53]在PP外表面附着一定比例的沸石和聚氨酯泡沫制成新型填料，将其与PP分别作为短程硝化-厌氧氨氧化MBBR填料处理低浓度生活污水，16S RNA分析显示，2个反应器中优势菌门均为变形杆菌门和浮霉菌门，优势菌属均为亚硝化单胞菌和厌氧氨氧化菌，但新型填料上AOB和厌氧氨氧化菌更多。

4 结论与展望

在诸多类型的填料中，PE填料应用最广且效能最好，今后可将研究重点放在提高PE亲水性和生物亲和性上，可以通过添加微量物质，提高生物量和反应速率，进而提高MBBR工艺处理效率。另外，在处理低CN废水时，需要外加碳源确保反硝化微生物必要的电子供体，未来研究应注重于开发既可作为生物载体又可以释放碳源的填料，简化操作流程，在一定程度上节约处理成本。

国内外众多研究表明，采用常见填料的MBBR处理生活污水、工业废水、城市污水厂尾水等，均能取得良好的去除效果，但多数研究采用的是模拟污废水，未来应尽量多采用实际污废水作为处理对象，从而为实际工程提供理论依据和技术支撑。