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悬浮填料生物膜工艺的研究与进展secret
悬浮填料生物膜工艺的研究进展
摘要悬浮填料生物膜工艺又称为移动床生物膜反应器工艺，是上世纪九十年代初发展起来的一种新型水处理工艺，发展十分迅猛。
它既可以作为独立的生物处理系统，也能够与活性污泥法组合以增加后者的处理效能，还可以作为中高浓度工业废水的生物预处理手段。
本文总结了悬浮填料生物膜工艺的流体力学、生化动力学规律、悬浮填料的开发现状，探讨了工艺在市政生活污水、工业废水、低污染物浓度的水处理领域的研究和应用进展。
进一步开发高效、廉价的功能型悬浮填料，提高填料的有效比表面积，优化与确定工艺和运行参数将推动悬浮填料生物膜工艺在我国的全面应用。
关键词悬浮填料生物膜生物处理生活污水工业废水
ProgressoftheStudyonSuspendedCarrierBiofilmProcess
Abstract
Suspendedcarrierbiofilmprocess（SCBP）,alsonamedasmovingbedbiofilmreactor（MBBR）,developedveryfastsinceitisinventedinearlyyearsof1990s,whichcannotonlybeanindependentbiologicaltreatmentsystem,orcombinedwithactivatedsludgeprocess（ASP）toincreasethecapacityandefficienciesofASP,butalsobeusedasabiologicalpretreatmentunitofmoderate-orhigh-strengthindustrialwastewater.Inthisarticle,thecharacteristicsofthehydromechanicsandbiochemicaldynamicsofSCBParesummarized,thedevelopmentofsuspendedcarrier,studyandapplicationofSCBPtreatingdifferentkindsofwastewaterarediscussedindetail.TobroadentheapplicationofSCBP,itisnecessarytodeveloplargeeffectivespecificsurfacearea,high-efficientandcheapfunctionalsuspendedcarrier，optimizethedesignandoperationparameters.
Keywords:
SuspendedCarrier,biofilm,biologicaltreatment,municipalwastewater,industrialwastewater.
悬浮填料生物膜工艺（suspendedcarrierbiofilmprocess，SCBP）又称移动床生物膜反应器（movingbedbiofilmreactor,MBBR），由挪威KaldnesMijecpteknogi公司与
SINTEF研究所共同开发，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]。
经过十多年的发展，悬浮填料生物膜处理工艺无论是理论研究还是在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。
本文从技术原理、动力学、填料开发以及不同水处理领域的研究与应用等方面探讨工艺的特点与发展趋势。
1、工艺原理
悬浮填料生物膜工艺是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共同除污染。
填料在池内能够停留于任何位置，曝气时随水流动或自由流化，这种现象又称为“移动的生物膜”。
悬浮填料生物膜工艺本质上仍属于生物膜法，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。
1.1运动特性
悬浮填料生物处理池的构筑物与曝气池相同，曝气方式以穿孔管曝气或微孔曝气为主，仅在出水端设置筛网或栅栏防止填料流失。
池内一定范围内水、气、固之间混合充分[4,5]：
在曝气管的周围，水、气和悬浮填料呈现漩流状态，出气孔的上方的空气推动填料和水快速上升，并将上方的填料推向周围区域，随着填料体积的增多，部分填料被推向池底，参与第二轮循环。
其流态和流场的变化可用N-S二维方程来解析，数值模拟与实测结果基本吻合[6]。
池内的漩流区域大小以及填料的流化程度与曝气强度、填料的投配率（即填料的投加体积占池体有效容积的比例）、池体结构和曝气管的间距均有密切关系。
朱文亭认为反应器的长深比为0.5有利于填料的流化[5]。
对于填料粒径不大于15mm的小型悬浮填料，投配率受曝气方式、曝气管间距以及曝气强度的影响较小，只要不超过70％则易于流化；随着填料粒径增大，曝气管的间距、曝气强度以及填料的形状对流化的影响也愈大。
孙华[7]研究了Ф50×50mm的圆柱状填料的投配率对流化和充氧的影响，填料的投配率达到60％时流化就存在困难，充氧效率反而不如投配率为50％。
笔者同样采用Ф50×50mm的圆柱状悬浮填料试验发现，穿孔曝气管的间距为40cm时填料无法流化；管间距达到60cm，即使曝气强度仅有2.80m3/m2.h，填料就开始移动。
悬浮填料合理的投配率和曝气管间距，能够仅根据微生物代谢所需要的空气量来确定曝气强度，而不需要额外的空气量维持填料的流化。
可见,与生物流化床相比，在达到同样传质的条件下悬浮填料生物膜工艺能大大降低能耗。
1.2曝气和充氧
池内投加悬浮填料后，空气泡上升过程中被填料切割、穿刺和分散，而且由于填料的流
态变化，增大了固、液、气之间的掺混和传质效果，使氧的利用率有显著的增加。
金冬霞[8]利用自制的Ф11mm×11mm中空圆筒状悬浮填料试验，发现投配率达到30％的氧利用效率最高。
课题组[7,9]利用Ф50mm柱状悬浮填料研究穿孔管曝气不同投配率的充氧效率，当投配率为50％时充氧效率最高，达到了9.7％，比不加任何填料提高了1倍多。
朱文亭[5]利用ф25mm的球齿状填料，投配率达到55％时微孔曝气的充氧效率可达到13.65％。
穿孔管曝气能够以较低的气水比实现填料流化，但对填料冲刷力度大，填料的碰撞和摩擦剧烈，不利于填料外层生长生物膜；微孔管曝气的气泡直径小，对填料的冲刷和碰撞相对温和，但是微孔曝气盘容易堵塞，而且检修困难，生产应用中采用哪种曝气方式需要根据废水的性质和曝气量等因素综合考虑。
1.3生化动力学
悬浮填料生物膜工艺的生化动力学以生物处理池填料投加后附着生物量作为探讨对象，分别从有机物去除和生物硝化两方面来阐述。
1.3.1有机物
悬浮填料的总生物量与填料的比表面积和投配率有关，有机物降解动力学具有复杂性。
当以附着生物量为主运行时，有机去除负荷率（OLR）随着生物膜量的增加而上升，生物量相对稳定时，有机去除负荷率与进水的负荷率在一定范围内呈线性关系[10,11]。
进一步研究溶解性COD（CODs）的去除机理发现，CODs的去除负荷率与进水的CODs呈线性关系，但去除率与出水的CODs相关性不大；颗粒状COD的去除则是生物吸附和解吸附的净效应[12,13]。
曹斌等人利用人工配制的废水研究有机物的降解速率与生物膜量的关系，两者仍可以用Monod公式来拟合[11]。
研究者在不同比表面积条件下得出有机物降解速率的K值与μmax不尽相同。
笔者认为这是由于曝气强度和废水的性质不同，因而悬浮填料上的异养细菌数量处于动态变化中，以比表面积来表征悬浮填料的有机物降解速率有待进一步研究。
1.3.2生物硝化
悬浮填料是硝化细菌生长的理想场所，这为SCBP或MBBR工艺研究硝化动力学提供了有效手段。
硝化细菌的生长速度慢，在同一工况条件下细菌的数量相对稳定，以单位面积来表征
硝化速率是可行的，国内外在这方面的研究很多[12～21]。
硝化速率与悬浮填料的生物膜量、温度、碱度、DO、进水的氨氮浓度以及有机负荷率等均密切相关。
G.Pastorelli[12]研究表明，如果MBBR反应器的溶解性COD负荷率达到3～4gCOD/m2填料.d、且DO小于2～3mg/L，则生物硝化不易出现。
AnetteAesØy利用纯氧曝气研究MBBR工艺DO与硝化速率的关系，如果DO大于12mg/L，则NH4-N的去除负荷率与进水负荷率完全正相关，硝化速率呈零级反应，最大比硝化速率可以达到55kgNH3-N/kgO2.d；而当DO浓度在5～12mg/L的范围内，呈现典型的一级反应模式。
见图1（15）。
图1硝化速率与溶解氧（DO）的关系
Fig1,correlationbetweenDoandnitrifyingrate
有研究者指出，KMT型悬浮填料的硝化速率与进水NH3-N浓度的关系介于零级和一级之间，可表示为：
RNH3-N＝0.21C0.59，R的单位是kgNH3-N/m3.d。
Lars.J.Hem（16）利用人工配制污水和中试系统研究悬浮填料的生物硝化过程，当进水的碱度充足、有机负荷率低时，进水的NH3-N浓度与DO成为硝化反应的限制因素；当池内的DO与NH3-N的比例小于2时，DO成为限制因子，如果池内的DO达到4.5mg/L左右，硝化速率可以达到0.7～1.6gNH3-N/m2.d；硝化速率与进水NH3-N的浓度符合一级反应动力学模式；当有机负荷率达到5gBOD7/m2填料.d以后，硝化过程受到抑制。
徐斌（16,17）分析了悬浮填料处理微污染源水的生物硝化动力学，指出当池内的DO达到7.5mg/L以上，则进水NH3-N成为限制因子，硝化反应动力学呈近似一级反应，硝化速率常数为0.72/h。
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）。
U.Welander指出，生物硝化的NH3-N去除负荷率与填料比表面积呈比例关系，但过高的比表面积也有不利之处（18,19）。
液膜扩散系数对悬浮填料生物膜工艺的生物硝化也有一定影响。
如果液膜传质无障碍，
生物膜系统的基质反应速率常为半级，但由于生物膜生长于悬浮填料的内壁，这些微区域不可能形成强烈的紊流和极薄的液膜层，因此，实际运行时液膜扩散系数仍是较重要的参数，反应级数n＝0.7（4）。
有研究者认为（4,20），温度对悬浮填料生物膜工艺的生物硝化影响不明显。
U.Welander研究表明，即使在5℃低温条件下，悬浮填料的硝化去除负荷率仍可以达到20℃的77％左右，传质速率而不是酶活性在低温时起主导作用；B.Rusten也发现，7～18℃的范围内，温度的差异性不突出，低温条件下DO浓度高，可以部分抵低温效应。
实际上，研究者均采用有效比表面积大于300m2/m3的小粒径填料得出了上述结论。
由于试验系统的HRT足够长、室温下填料的去除负荷率远未达到饱和值，温度降低后，这部分容量被释放出来，因此温度的影响不明显。
而从已有的许多试验来看，如果室温条件下的硝化负荷率已经接近最大值，则温度降低后去除效率的变化将十分明显。
2、悬浮填料
悬浮填料是工艺的核心，在固定式填料和粒状硬质填料的基础上发展而来。
固定式填料和硬质填料在水处理中均存在缺陷，20世纪90年代初，新型轻质可自由移动的悬浮填料开发成功，揭开了一个新的水处理方向。
悬浮填料的材质以聚乙烯、聚丙烯为主（21），适当添加辅助成分，密度一般控制为1.0g/cm3左右。
也有采用多孔塑料材料或者聚氨酯泡沫材料（22,23）。
根据形状与大小的差异，悬浮填料可分为几类：
（1）、多孔泡沫填料：
以德国LINDE公司所开发的多孔泡沫块悬浮填料为代表。
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，填料呈多孔状，表面和内部均长满微生物，既可以生物膜法为主独立运行，也可投加到活性污泥处理池以提高处理效率。
（2）、Kaldnes填料：
由挪威KaldnesMijecptek-nogi公司与SINTEF研究所联合开发，其中KMT型系列填料应用最多和最广。
大小不超过11mm，呈外棘轮状，内壁由十字筋连接，
图2KaldnesKMT型悬浮填料
Fig2,KaldnesKMTsuspendedcarrier
图3球状或柱状悬浮填料
Fig3,Sphere-,cylinder-typesuspendedcarrier
见图2。
由于填料碰撞和摩擦剧烈，微生物主要生长于填料的内侧。
为防止填料流失，需要在出水端利用筛网或者做成楔形出水挡墙。
目前，国内开发的部分种类的悬浮填料均由此演化而来（5,6,8,21）。
（3）、大型球状或柱状悬浮填料：
由课题组90年代中期开发成功，现已在水处理工程中应用（24）。
填料形状为球状或圆柱状，粒径由25mm、50mm和100mm等，见图3。
由翼板和套环组成，密度为0.95～0.98g/cm3，比表面积为100～440m2/m3。
在处理池的出水端设置栅栏就可以防止填料流失。
此外，还有其它类型的填料（25,26）。
悬浮填料的投加方式非常灵活，在池内几乎没有水头损失，无需反冲洗，维护简单，投配率根据所处理水的水质或工艺而定。
以KMT型悬浮填料为例，最高投配率可以达到有效池容的70％；课题组开发的大粒径悬浮填料，最佳投配率为50％（9,27）。
悬浮填料的有效比表面积是常规固定式填料的数倍，附着生物量大且微生物的活性高，因而能够在较短的时间内将污染物去除。
悬浮填料的挂膜速度较快。
金冬霞（21）采用非织造布开发出的悬浮填料6天就可以全部挂膜，表面有一层薄薄的黄色生物膜。
课题组试验表明，经过3～4周生物膜培养成熟。
3、悬浮填料生物膜工艺的研究与应用
悬浮填料生物膜工艺开发成功以后，逐渐在市政生活污水、工业废水、低污染浓度水的处理等领域得到研究与应用,具体介绍如下。
3.1市政污水处理
悬浮填料生物膜工艺用于市政生活污水处理，能够在很短的时间内实现去除有机物和生物硝化，负荷率高，具有稳定和良好的出水水质。
刘霞（28）研究了悬浮填料高投配率（75％）处理市政污水的效率，水力停留时间（tHRT）仅1h，出水就可以达到二级排放要求，BOD5的负荷率达到了5.5kg/m3.d。
季民（29）利用自主开发的悬浮填料处理生活污水，尽管tHRT只有2～4h，
但CODCr去除率达到70～80％，出水的CODCr小于60mg/L。
H.Ødegaard、B.Rusten（1,2,64）以MBBR结合化学除磷处理小型社区污水，出水的COD、TP、TN均达到欧盟排放标准，装置运行非常稳定，已在挪威等国家推广应用。
杨殿海（30）对生活污水采用化学——生物联合絮凝处理后再经过悬浮填料生物硝化除NH3-N，tHRT为2.2h，NH3-N从21mg/L降低到8.5mg/L。
研究表明（4,18,31），MBBR用于生活污水的前置和后置反硝化，能够在低温下保持良好的反硝化能力，悬浮填料可富集和培养大量的耐寒微生物，即使温度低至3.5℃，仍具有可观的反硝化能力；15℃、tHRT为1.5h的反硝化率达到了2.7gNOX-N/m2填料.d。
G.Andreottola（32）对比了MBBR和活性污泥工艺处理市政污水的差异性，发现两者具有相近的除污染效率，但MBBR没有污泥膨胀和流失的现象。
利用悬浮填料生物膜工艺除磷是生物法除磷的新尝试。
H.Helness（33）和G.Pastorelli（34）将MBBR按照SBR方式运行，当总的COD负荷率足够多以维持生物量的净增长、厌氧时段释磷充分和有机碳吸收量充足时，生物膜法除磷才能实现；投加外碳源如乙酸，生物膜的吸磷能力可以达到7.5gTP/100gTSS。
目前，关于生物膜法除磷还有许多技术细节需要深入研究，但该领域的探索为生物除磷提供了新的思路。
在常规二级处理活性污泥系统中直接投加悬浮填料，不仅可以增加装置的处理容量、提高装置的运行稳定性，而且世代时间长的硝化细菌等能够在填料上大量生长，实现硝化、反硝化（7,11,36）。
E.V.Münch（26）在常规二级污水处理厂的曝气池投加悬浮填料以提高硝化细菌数量，同时将池的前1/3改造成缺氧区，出水的TN降低到2.0mg/L，二沉池的SVI值大幅度降低，污泥的沉降性能非常好。
活性污泥系统投加悬浮填料后强化了脱氮能力，冬季低温条件下提高DO还可以保证系统稳定的硝化效果（37）。
D.S.Parker（38）在MBBR的基础上开发出BASIN工艺，利用悬浮填料选择性生长异养细菌以去除有机物，tHRT仅为1.4h；后续活性污泥处理的容积减少了一半，硝化负荷率高达38.1mg/gMLSS.h，远超过普通活性污泥系统1.9mgNH3-N/gMLSS.h的水平。
现有污水处理系统直接改造为MBBR工艺，不仅可以提高处理能力和效率，而且投资费用省，占地面积减少。
挪威FREVAR污水厂由常规二级处理进一步改造为具有脱氮功能的中试研究表明，10℃的硝化负荷率达到了190gTKN/m3.d，即使每年有3个月水温只有4～5℃，但是TN的去除率仍达到了70％以上。
另一个污水处理厂改造后增加MBBR作为后反硝化池，设计反硝化负荷率为1.2gNO3-N/m2填料.d（10℃），一年多运行结果表明，总出水的TN不超过10mg/L（39）。
笔者课题组在城市污水脱氮除磷的研究中将悬浮填料投加到处理池的后段，总投配率不超过20％，硝化细菌聚集于填料而聚磷细菌主要分布在活性污泥，解决了活性污泥系统短的水力停留时间和固体停留时间下脱氮除磷的泥龄矛盾，TN、TP都达到了排放要求（40）。
3.2工业废水
工业废水不仅水量和水质波动大，而且一些废水的营养物质缺乏或含有毒或有害物质，对废水处理工艺的要求高。
研究者或以悬浮填料生物膜工艺为主体处理单元，或作为生物预处理手段，分别在纸浆废水、有机中高浓度污水、化工、制药、油田等行业的水处理领域获得试验或应用成功。
有关的研究结果见表1。
表1悬浮填料生物膜工艺在工业废水处理领域的研究与应用
table1,studyandappicatonofsuspendedcarrierbiofilmprocessinthefieldofindustrialwastewater
研究者
规模（m3/d）
填料种类
/投配率
废水
来源
水温
℃
HRT
（h）
主要污染物去除效果
备注
S.T.Jahren（41）
小试
Kaldnes
/58%
TMP造纸废水
55
17.9
COD进水2022mg/L,去除率62％，去除负荷率1.5～2.4kg/m3.d;TN44mg/L，去除率56.8％
B.Rusten（42,43）
200
Kaldnes
/70%
奶酪废水
中温
16
COD进水3070mg/L，去除率96.7％；去除负荷率2.5kg/m3.d
B.Rusten（44）
280
Kaldnes
/70%
家禽加工
废水
常温
15.4-14
COD进水1180～3740mg/L，出水140～240mg/L，去除负荷率为30-45kg/m3.d
工程运行结果
I.C.Ambriz,
U.Welander（19,45）
中试
Natrix/60%
污泥发酵
上清液
常温
96
COD进水3162mg/L，去除率40％;进水NH3-N242.0mg/L，去除率99％
与SBR对比
J.Suvilampi（46）
小试
KMT/50%
糖蜜废水
高温
12-18
CODf：
1900mg/L，去除率62±7％
对比研究ASP
N.Kandl（47）
中试
KMT/67％
Natrix/50％
造纸废水
-
-
COD的去除率50％左右，容积去除负荷率10～16kgCOD/m3.d
作为预处理
李锋,龚云华（48,49）
中试
悬浮填料,
/50％
化工区混合废水
常温
13.4-17
COD去除率74～81％；污泥负荷率0.17～0.77kgBOD5/kgMLSS.d
陈卫东（50）
中试
外棘轮式填料/50％
再生纸厂废水
常温
6-12
COD去除率75～87％
殷渝强（25）
中试
生产
梅花形
填料/50%
PTA废水
常温
18.4-23
COD进水4500-600mg/L，去除70％，负荷率5.6～10.0kgCOD/m3.d；工程的COD去除率37～53％。
预处理
孙华（51）
中试
小试
悬浮填料
/50％
染料
废水
常温
16-32
COD进水1009mg/L，去除率69.5％；NH3-N92mg/L，去除率39.1％。
王学江,
夏四清（27,52,53）
中试
悬浮填料/50%
石化混合
废水
常温
6-12
COD进水245.5～695.7mg/L，去除率80％以上;NH3-N8.3～53.2mg/L，去除率55.5～95.6％
杨二辉（54）
中试
悬浮填料
/40％
含油废水
高温
6
COD进水253-362mg/L,去除率60.6％;NH3-N30～42mg/L,去除率98％以上;油去除率83.4%
魏瑞霞（55）
小试
TX型填料
/40－50％
制药废水
常温
8
COD进水800-2500mg/L，去除率83－86％。
按SBR运行
由表可见，悬浮填料生物膜工艺作为生物处理主体，除污染效率和负荷率均显著优于普通活性污泥法。
李锋、龚云华在上海桃浦工业区处理化工废水的中试结果说明，相同工况的悬浮填料生物膜工艺对有机物的去除能力优于SBR，且出水的水质稳定，抗冲击性能优异。
孙华以MBBR工艺处理染料化工废水，tHRT为16h的CODCr、BOD5和NH3-N去除效率与活性污泥法HRT为32h的结果相近，而抗冲击性能更优。
MBBR处理石化废水的对比研究结果也反映出，tHRT为10h的效果与原活性污泥处理池tHRT为23h的结果相近，但是NH3-N的去除效果更好（27,52,53）。
悬浮填料生物膜工艺用于高含盐和高水温的油田采出水、中高浓度化工废水、纸浆白水、以及低温处理含较高浓度酚和甲酚废水，均取得了试验成功（41,54,56,57）。
此外，MBBR工艺在高含氮污泥发酵上清液、垃圾渗滤液的硝化反硝化以及原尿高NH3-N浓度的硝化稳定等方面也表现出良好的性能，最大反硝化负荷率达到了55gN/m3.h的效果（19,20,45）。
可见，MBBR所需的HRT很低，大大了节省了处理构筑物的面积；工艺的适应范围广，能够胜任高含盐、高温或低温条件的工业废水生物处理。
悬浮填料生物膜工艺作为中高浓度工业废水的预处理手段或与其它工艺组合应用的研究表明（43,44,47,50,55）,工艺可快速降解溶解性有机物污染物，有机负荷率高达30～45kgCOD/m3.d，单位填料的面积负荷率达到了53g/m2填料.d。
预处理的最短tHRT仅有6h。
废水经过预处理后大大降低了后续处理的难度，提高了污泥的沉降性能，出水的水质优于传统方法。
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