編者按：在污水處理廠提標改造驅動下，急需因地限制的原位改造技術。在此方面，顆粒生物膜（好氧顆粒污泥）突顯優勢。然而，顆粒生物膜技術工藝條件較為嚴格，顆粒形成不易、顆粒保持更難。對此，另一種形式的生物膜——介質生物膜則顯得工藝條件簡單、生物膜易形成且不易脫落或破碎。縱觀介質生物膜工藝發展歷程，這種最古老的污水處理形式如果能與時俱進則可能重現新的生命力，其作用與顆粒污泥旗鼓相當。介質生物膜之載體應繼續向微細化方向發展，但應選擇或合成那些密度略大于水的有機、耐降解材料。介質微細化可致生物膜量大為增加，無需絮狀污泥再行參與，完全可借助沉淀選擇而淘汰絮狀污泥，形成以生物膜為核心的單污泥工藝。介質微細化后很容易讓介質生物膜動態懸浮或循環，可形成間歇式（SBR）或連續式同步脫氮除磷工藝。這一點介質生物膜與顆粒污泥有著異曲同工之妙，且更容易形成生物膜并維持穩定。文章將于5月17日發表于《中國給水排水》。

一、前言

出水排放標準不斷提升致污水處理升級、擴容不斷。擴容升級因用地和資金限制往往難以實現。因此，在既有曝氣池通過原位提高生物量的做法已成為目前主要的技術選項。其中，向曝氣池投加掛膜介質的方法較為常見，大到厘米級的塑料載體（如，MBBR工藝）、小到毫米級的無機載體（如，美國的MOB工藝和中國的HPB工藝）均已開始應用。

事實上，介質生長生物膜法基于土壤自然凈化過程原理，相對于基于水體自凈原理的活性污泥法具有更加緊密和多樣化的微生物結構，容易聚集較高濃度生物量，可有效減少處理工藝占地、或增加處理負荷。介質生物膜基本特性（如，粗糙度、表面物理/化學性質、孔隙結構、比表面積等）很大程度會影響生物膜形成效果，其密度懸浮時又影響工藝能耗。

在顆粒生物膜（好氧顆粒污泥/AGS）技術已逐漸開始應用的今天，介質生物膜技術似乎受到了沖擊。然而，顆粒生物膜形成與保持需要嚴格的工藝篩選與控制條件，且易受進水負荷與基質變化的影響。在這一敏感問題上，介質生物膜則顯示出易形成性和附著穩定性。因此，有必要在橫向對比顆粒生物膜內、外在特點的基礎上重新審視介質生物膜技術的未來，以期獲得與顆粒污泥相同生物量效果和運行效果，并充分利用其運行與控制方面易操作性之特點。

本文沿介質生物膜技術發展歷程，簡述介質生物膜技術基本原理與特點，描述它的研發與應用歷程，繼而提出介質生物膜技術的未來發展方向。

二、介質生物膜發展歷程

2.1 生物濾池

介質生物膜形式伴隨著介質材料升級與生物膜法工藝迭代不斷發展。1893年，英國人科貝特（Corbett）通過模仿土壤自凈過程創造了最早形式的生物膜法——滴濾池。此技術通過將污水噴灑至固定粗質濾料表面，利用濾料攔截顆粒污染物的同時，借助濾料表面微生物定殖形成的生物膜轉化流經污水中有機物及氮、磷等營養物質，以此達到凈化污水之目的。

早期的生物濾池通常采用卵石、碎石、爐渣等低比表面積天然無機材料作為介質。這類介質雖具有較高凈化效果，但生物附著量有限，處理負荷低，導致工藝占地面積大，處理效率低。然而固定床反應器固易堵塞、需定期反沖洗使其在使用上受到一定限制。為此研究人員通過處理水回流措施，在稀釋進水負荷的同時清洗堵塞并不斷更新生物膜，逐步發展出高負荷生物濾池等改良工藝。至20世紀60年代，隨著高分子合成物理和化學理論、加工技術的發展，質輕、高強、耐蝕有機合成介質大量生產并廣泛使用，介質生物膜法重獲新機，并逐步衍生出生物轉盤、生物接觸氧化、移動床生物膜反應器等新工藝。

2.2 生物轉盤

生物轉盤起源于20世紀60年代原聯邦德國。它是一種通過不斷旋轉半浸沒于污水中的盤片，使其交替與污水和空氣接觸并借助表面附著生物膜凈化污水的生物膜法工藝。其中，作為生物膜介質的盤片通常采用聚氯乙烯平板盤面、聚酯玻璃鋼波紋板等形式，直徑一般為1~4 m。相較于傳統生物濾池與活性污泥法，生物轉盤加強了生物膜、污水與空氣間傳質，并省去了曝氣及污泥回流之能耗，使其可聚集較多生物量并提升處理負荷及處理效果。然而，大尺寸盤面及其運行模式意味著生物轉盤存在低比表面積及低空間效率之技術缺陷。這使得該技術需依靠多組盤片與更大設備占地來實現高生物量與良好處理效果。

2.3 生物接觸氧化法

生物接觸氧化法由生物濾池和活性污泥曝氣結合演變而來。至20世紀70年代，大孔徑、高比表面積蜂窩直管填料與立體波紋塑料填料出現使其得到大范圍應用。該技術實質上是利用為污水曝氣充氧以攪拌混合體系中各相的同時，增強生物膜氧傳質及污染物去除效果。處理過程中，作為生物膜介質的填料完全浸沒于流動的充氧污水中，逐步富集生長生物膜并凈化污水。換而言之，生物接觸氧化法相當于在傳統活性污泥曝氣池中填充固定介質以供微生物棲息及作用，屬于雙污泥（生物膜+活性污泥）范疇。但由于反應體系中缺乏適宜剪切作用，介質生物膜難以自行脫落并及時更新老化生物膜。這導致生物接觸氧化法存在易堵塞而需要定期清洗介質之問題。

2.4 生物流化床

20世紀70年代初，為進一步提高處理設備單位容積生物量和強化傳質作用，應用于化工領域的流化床被引入污水生物處理領域，以填充介質充當生物膜載而開展研究與應用；其工藝原理在于利用氣流或液流等動力使流化床內介質呈流化狀態，使附著并包裹介質的生物膜能夠與污水充分接觸而降解其中的污染物，從而達到良好的污水凈化效果。生物流化床多以小粒徑（一般為0.25~1.2 mm）、大比表面積重質材料作為生物膜介質，如，石英砂、生物陶粒、沸石等。正因如此，生物流化床相間傳質及微生物量相較于其他生物膜法均有極大程度提升，而且，懸浮介質之間相互碰撞與剪切能夠保證生物膜不斷更新并維持適宜厚度以維持較高的生物膜活性。

2.5 移動床生物膜反應器

移動床生物膜反應器（MBBR）誕生于20世紀80年代中，旨在解決固定床反應器需定期反沖洗、流化床需使介質流化、生物接觸氧化法堵塞需清洗濾料和更換曝氣器等復雜操作等問題。該技術實質在于構建雙污泥處理體系，即，向反應池中投加可自由移動的懸浮介質富集生長生物膜的同時也保留體系內懸浮生長的活性污泥絮體，不僅增加生物量亦同時發揮各自優勢。這一工藝原理與當前我國城鎮污水處理廠提標或擴容改造需求有些接近，故在我國廣泛應用。MBBR填充介質多以聚乙烯、聚丙烯等輕質有機合成材料為主體，密度略小于水，尺寸一般為5~25 mm。因介質材料成型的易塑性，MBBR介質比表面積通常能達到200~400 m2/m3，可為生物膜附著提供足量位點。需要意識到的問題是，這種雙污泥系統因介質間相對運動會導致活性污泥絮狀體不斷受剪切作用，會導致污泥細化而難以在沉淀池沉淀。此外，懸浮、流化的塑料介質一般只呆在反應池內，不能隨絮狀污泥一道循環。

2.6 新興介質工藝

近年來聚焦于生物膜法，向曝氣池中添加類似流化床微細介質的新工藝開始出現，如，美國的輕質合成介質（MOB）工藝與中國的粉末介質（HPB）工藝。其中，美國的MOB介質尺寸1 mm、密度略大于水，而中國的HPB介質以硅藻土負載硫鐵礦為載體，平均粒徑為28 μm、密度應大大超過水。從運行模式上看，這兩種工藝與MBBR工藝原理一樣，只不過介質顆粒微細化，使介質比表面積更大、可聚集生物膜更多而已，但仍然構建的是雙污泥系統。這種工藝與MBBR不同的是需要載體與活性污泥絮體一同循環、回流。因此，需在二沉池回流線路上設置載體與生物膜分離裝置，如，HPB工藝借助旋流分離器實現介質與生物膜的分離并回收。

三、介質生物膜工藝特點

3.1 生物膜結構

雖然介質生物膜技術發展歷程漫長，但作用原理基本一致，都是利用介質作為支撐載體來生長生物膜。介質生物膜厚度隨著微生物增殖而不斷增加，從外向里因氧傳質受限而出現如圖1所示的分層結構，最外形成是好氧層、中間乃缺氧層、最里層甚至因O?和NO??無法擴散到達而可能出現厭氧層。生物膜本身是親水的，因此在其最最外好氧層外會存在一浮動（附著）水層，作為流動污水與生物膜之間的傳質中介（圖1）。污染物通過附著水層進入生物膜后，有機物降解及硝化作用主要發生在外部好氧層，反硝化則發生在中部缺氧層（無O?但NO??進入）。間歇式（SBR）或微細載體連續循環流工藝條件下，載體生物膜因時間或空間上的順序厭氧好氧/缺氧交替動態循環而會富集聚磷菌（PAOs/DPB），從而實現載體生物膜的同步脫氮除磷。

圖1  普通介質生物膜平面結構與物質轉移

3.2 工藝特點

因介質生物膜中微生物密度高、菌種豐富、泥齡較長，這就使其較活性污泥法具有更良好的沉降性能與處理效能。介質生物膜技術替工藝特點如下。

3.2.1 污泥產量低

介質生物膜為微生物提供天然庇護條件，且隱含不同含氧微環境，這就比活性污泥具有更多樣菌種及較長的食物鏈。進言之，固著于介質之上的生物膜可較長時間停留于載體之上，這使得世代時間較長、比增殖速度較低細菌能夠生長其中，如，硝化細菌等。同時此條件下亦可使以細菌等為食的高層次營養水平原生動物、后生動物乃至昆蟲存在，使得食物鏈變長，最終產生比活性污泥處理系統較少的生物量（約1/4）。

3.2.2 污染物同步去除

介質生物膜中能夠存在不同含氧微環境，這使其具有同時去除多種污染物之潛力。當其處于適當含氧環境中時能夠發生除碳、同步硝化反硝化，甚至同步脫氮除磷過程。

3.2.3 系統穩定性高

與絮狀活性污泥相比，介質生物膜具更長且多樣的食物鏈，這使其當面臨水質或水量沖擊負荷時具有較高緩沖能力與系統韌性。同時，具有特殊構造的介質能夠為微生物生長繁殖形成庇護，使其免受曝氣、水流或是介質之間剪切與摩擦作用，促進生物膜形成，進一步提高其本身與系統穩定性與抗沖擊能力。

3.2.4 泥水分離效果良好

因介質生物膜具有致密結構與較大密度，這使其具有良好的沉降性能與泥水分離效果。即使是老化剝落的生物膜碎片，其沉降性能依舊能達到普通活性污泥的1~3倍。

3.2.5 無污泥膨脹之虞

與絮狀活性污泥不同，介質生物膜即使因環境條件滋生絲狀細菌也不會導致污泥膨脹現象，絲狀細菌會被嚴實地包裹在生物膜之中，難以致密實的生物膜結構變蓬松狀態。

四、介質生物膜技術的未來

縱觀如圖2總結的介質生物膜技術發展歷程，不難發現，介質生物膜工藝主要依托于介質材料及其形式革新而迭代，應用工藝表現為介質細化、浮動至動態循環，但目前污泥組成還是以介質生物膜輔助絮狀活性污泥的雙污泥系統為主。

圖2  介質生物膜技術發展歷程

介質生物膜技術的未來仍然應該朝著微細化（1 mm）載體方向發展，但介質密度確定應該是一個關鍵。另一方面，雙污泥系統應向以介質生物膜為核心的單污泥系統轉變，因為微細介質生物量富集程度足以滿足生物處理的需要，不再需要絮狀污泥有限而又可能被剪切細化的生物量，使之與顆粒污泥一樣的運行效果，而又能避免顆粒污泥形成的苛刻布水與曝氣工藝條件以及遇不利環境條件易解體之弊端。

從介質材料本身講，高密度材料不應作為首選對象，特別是無機材料。這是因為介質密度大會導致使介質懸浮的曝氣量過大，導致能耗過高。另一方面，一旦無機載體進入剩余污泥會導致污泥有機成分降低，后續污泥處理無論是傳統厭氧消化還是未來污泥焚燒都會因此受限。因此，介質填料應向密度略比水大的有機、耐降解材料方向發展，即使進入剩余污泥也可通過干化焚燒解決。

早期固定介質單污泥生物膜（如，生物濾）工藝中，生物膜無法移動或動態循環，因此，生物膜生化作用僅限有機物（COD）去除以及硝化和有限反硝化與生物除磷（合成之需）。好氧顆粒污泥作為一種新的生物膜形式之所以可以獲得同步脫氮除磷效果是因為在運行時間上依次可以實現厭氧好氧/缺氧動態循環。所以，微細化介質單污泥生物膜工藝完全可以藉顆粒污泥一樣的運行方式實現同步脫氮除磷。當然，介質生物膜亦可實現連續流運行，通過縮短二沉池沉淀時間沖刷掉絮狀污泥，并使載體污泥（部分需脫膜處理）回流，則可實現同步脫氮除磷。

事實上，介質生物膜確實與顆粒生物膜具有異曲同工之處，其結構與生物膜分層結構如圖3所示。兩者不同之處在于一個有“核”（介質生物膜）而另一個無核（顆粒生物膜）。介質生物膜可利用自身結構特性促使細菌分泌更多EPS，從而改變生物膜的疏水性，增大細胞間凝聚力，促使污泥聚集形成生物膜，這會使得依附于介質生物膜比顆粒生物膜易形成且更加穩定。

圖3  介質生物膜立體結構與分層生化作用

五、總結與展望

通過總結介質生物膜技術發展歷程，結合介質生物膜工藝原理與特點，從而對未來介質生物膜技術發展方向做出預見向判斷：

1）介質生物膜技術正向微細化介質方向演變，但目前仍以生物膜輔助絮狀污泥的雙污泥工藝為主；

2）介質生物膜技術作為最古老的污水處理工藝今后仍具可持續生命力，但需與時俱進；

3）未來介質生物膜技術向微細化介質方向發展無誤，但介質材料應避免大密度的無機材料，應選擇密度比水略大的有機、耐降解材料；

4）介質微細化可大大增加載體的比表面積，增大生物膜量，因此無需再作為絮狀污泥的輔助措施，完全可以實現以生物膜為核心的單污泥系統，以避免絮狀污泥因介質運行剪切而細化難沉淀之問題；

5）介質生物膜與顆粒生物膜（好氧顆粒污泥）結構與凈化作用具有異曲同工之妙，但比顆粒生物膜更易形成結構穩定，不易解體或脫落的生物膜。

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