MBBR填料研究與應(yīng)用進(jìn)展

吳桐，凌宇，王海燕,2*，常洋，董偉羊，閆國(guó)凱

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心 2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

填料在移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(moving bed biofilm reactor，MBBR)工藝中起著重要作用，能在一定程度上節(jié)省時(shí)間和能耗；運(yùn)行過(guò)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掛膜；填料的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)會(huì)影響整個(gè)生物膜的形成和厚度，進(jìn)而影響氣液傳質(zhì)和處理效能。目前國(guó)內(nèi)外使用的MBBR填料種類較多，按材質(zhì)分主要有塑料、聚氨酯(PU)、陶粒和其他新型材質(zhì)填料；按構(gòu)型分主要有圓柱體、立方體、球狀、短管狀填料等。不同材質(zhì)的填料特性差異較大，同材質(zhì)不同構(gòu)型的填料在各項(xiàng)參數(shù)上也存在差異，因此不同填料MBBR的水處理效能各不相同。MBBR已被廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、醫(yī)用廢水等的處理，填料很大程度上決定MBBR的處理效果，因此對(duì)填料的研究至關(guān)重要。筆者綜述了不同材質(zhì)和構(gòu)型MBBR填料的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，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中最常用的填料材質(zhì)之一，其密度一般為0.96～1.00 kgm3，具有比表面積大、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際污水處理廠中，并取得了良好的處理效果。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的商品化塑料填料主要有聚乙烯(polyethylene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)和其他類型塑料填料，構(gòu)型通常呈圓柱狀、球狀和短管狀等。

1.1.1PE填料

PE填料作為MBBR中最常見(jiàn)的填料之一，已被用廣泛用于處理生活污水[1]、餐飲廢水[2]、工業(yè)廢水[3]和垃圾滲濾液[4]等，以PE為填料的MBBR對(duì)污廢水中的色度、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮總氮(TN)、硝氮總有機(jī)碳(TOC)、Mn2+和揮發(fā)性酚類等物質(zhì)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]等也可以作為填料應(yīng)用于MBBR中。如沈陽(yáng)市南小河污水處理廠采用PVC圓柱形填料MBBR處理食品加工區(qū)市政污水，在FR為25%～30%、HRT為4.4 h時(shí)，COD、懸浮顆粒物(SS)去除率均達(dá)90%以上[15]。Goswami等[16]采用φ12.5×15 mm的PVC環(huán)作為MBBR填料處理制革廢水，填料上的生物量呈穩(wěn)定增長(zhǎng)狀態(tài)，COD去除率可達(dá)85%～90%。王廣智等[17]采用FR為20%的PVDF為好氧MBBR填料處理含吲哚廢水，在HRT為8 h時(shí)，吲哚去除率達(dá)100%，COD去除率達(dá)89.65%；曝氣量為0.10～0.12 mLmin時(shí)，COD和去除率分別為88.88%～92.95%和65.00%～66.83%。

PE填料因具有經(jīng)濟(jì)效益高、處理效果好、在反應(yīng)器內(nèi)易處于懸浮狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中；多數(shù)PP填料因材質(zhì)密度較輕、材料脆、使用壽命短等問(wèn)題，在實(shí)際工程中應(yīng)用較少；PVC和PVDF填料雖對(duì)一些污染物有較好的去除效能，但與PE相比成本較高，因此多用于工業(yè)廢水的處理中。

1.2 聚氨酯(PU)泡沫填料

聚氨酯(polyurethane，PU)泡沫填料具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和較高的孔隙率，可為微生物提供較大的附著面積，使其快速、穩(wěn)定地生長(zhǎng)，能有效去除污廢水中有機(jī)污染物和各種營(yíng)養(yǎng)物，其價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，能降低水處理成本，是一種很有前景的MBBR水處理填料。

1.3 陶粒填料

陶粒是以黏土為主要生產(chǎn)原料的生物載體，其表觀多為圓形或橢圓形球體、不規(guī)則碎石狀，其表面粗糙呈蜂窩狀，可為微生物提供適宜附著、固定和生長(zhǎng)的環(huán)境，能吸附水體中的有害元素、細(xì)菌和礦化水質(zhì)，多于用生物濾池中，但應(yīng)用于MBBR的報(bào)道較少，已有報(bào)道集中在處理模擬生活污水、生產(chǎn)和醫(yī)院廢水的研究。如周艾文等[22]采用規(guī)格為8～10 mm、孔隙率為40%～44%、密度為600～700 kgm3的生物陶粒MBBR處理模擬生活污水，發(fā)現(xiàn)最適溶解氧(DO)濃度為3 mgL左右時(shí)，和TN去除率可達(dá)81.45%和60.35%；當(dāng)進(jìn)水最佳CN為10左右時(shí)，和TN去除率可達(dá)81.65%和63.60%。Shokoohi等[23]采用FR為50%的輕質(zhì)陶粒作為MBBR填料處理醫(yī)院廢水，在HRT為42 h，混合液懸浮固體濃度(MLSS)為5 000 mgL時(shí)，系統(tǒng)的COD去除率達(dá)83%。Kavoosi等[24]采用輕質(zhì)陶粒MBBR處理甜菜廠生產(chǎn)廢水，當(dāng)進(jìn)水COD為800～3 200 mgL，HRT為12.16～24.00 h，負(fù)荷為1.766 kgm2(以COD計(jì))時(shí)，可去除82%的可溶性COD。但陶粒的密度與水相差較大[25]，作為MBBR填料存在一定的缺陷，如易漂浮在MBBR混合液表面，很難在MBBR中處于懸浮狀態(tài)，影響微生物的附著生長(zhǎng)。

1.4 其他材質(zhì)填料

除各種塑料、PU泡沫填料、陶粒填料外，近年來(lái)出現(xiàn)了許多新型MBBR填料，如可生物降解聚合物[26]、自制無(wú)機(jī)活性多孔物質(zhì)[27-28]、纖維合成材料[29]、蘆竹[30]、絲瓜絡(luò)[31]等，均取得了良好的處理效果。可生物降解聚合物不僅是微生物的附著載體，同時(shí)也能充當(dāng)碳源。如Chu等[26]采用可生物降解聚合物聚己內(nèi)酯(PCL)作為MBBR填料，當(dāng)HRT為18.5 h時(shí)，TN平均去除率為74.6%，且在低CN條件下實(shí)現(xiàn)了同步硝化和反硝化。如鄭蘭香等[27]將珍珠巖焙燒制成新型多孔無(wú)機(jī)填料用在MBBR中，生物膜上降解速率可達(dá)32.1 mg(g·h)。

混有無(wú)機(jī)活性粒子的PE也可作為MBBR填料，如趙冬霞[28]采用該填料用厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)-缺氧好氧MBBR-O3氧化-好氧MBBR組合工藝處理食品酵母發(fā)酵廢水，穩(wěn)定運(yùn)行后，系統(tǒng)COD去除率為80%左右。也有將2種材質(zhì)填料組合在一起的報(bào)道，如徐斌等[29]采用軟性纖維和彈性立體纖維制成捆綁式填料MBBR預(yù)處理黃浦江微污染水，在溫度為24.9 ℃，進(jìn)水濃度為3 mgL,HRT為l h時(shí)，去除率可達(dá)77.6%。Li等[30]采用蘆竹作為小試MBBR填料和碳源處理城市污水再生廠的反滲透濃水，F(xiàn)R為30%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，去除率為平均去除速率為(8.10±3.45)g(m3·d)。劉晗[31]將絲瓜絡(luò)制成填料，投加到MBBR小試工藝中，經(jīng)生物掛膜培養(yǎng)，生物量達(dá)0.49 gg，在HRT為4 h時(shí)，和TP去除率分別達(dá)82.95%、74.19%和65.78%。

1.5 不同材質(zhì)填料的比較研究

不同材質(zhì)MBBR填料對(duì)微生物的附著能力不同，許多學(xué)者比較了不同類型填料以篩選適用于不同污廢水的填料。如苑泉等[25]考察填料類型(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)對(duì)反硝化MBBR處理城市污水廠尾水脫氮及有機(jī)物去除的影響，篩選出φ25×10 mm的PE效果最好。丁晶靜[32]采用MBBR和A2O組合工藝處理受污染的太湖水，PE填料(φ25×12 mm，孔隙率為85%，密度為0.90～0.95 mgL)對(duì)污染物的去除效果低于立方體PU泡沫填料(長(zhǎng)、寬、高均為20 mm，孔隙率為65%，密度為0.70～0.75 mgL)。Maurer等[33]分別比較以PU和PE為填料的MBBR的效能，結(jié)果表明2個(gè)反應(yīng)器在反硝化效能、最大COD和氮去除率等方面差異不大，但PU能儲(chǔ)存更多的基質(zhì)。Chu等[19]在低CN下比較以PU和可生物降解的高分子材料PCL顆粒為填料的MBBR對(duì)生活污水中有機(jī)物和氮的去除效能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)HRT為14 h時(shí)，以PU為填料的MBBR的TOC和氨氮去除率(90%、65%)高于以PCL為填料的MBBR(72%、56%)，二者最高TN去除率分別為42.60%和60.15%，以PCL為填料的MBBR的TN去除性能較優(yōu)。

2 MBBR改性填料

MBBR填料多由有機(jī)高分子制成，其親水性和生物親和性影響微生物的附著和水處理效能，因此，對(duì)MBBR填料進(jìn)行改性，提高其親水性和生物親和性成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)填料的改性研究多集中在親水改性、表面帶電改性、磁效應(yīng)和超聲波改性[34]等方面。常用的方法有表面化學(xué)改性、等離子體表面處理法、表面物理包覆、表面接枝改性和機(jī)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改性主要分為物理改性和化學(xué)改性。其中，物理改性是在PP基體中加入其他無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料、塑料橡膠或具有特殊功能的添加劑等，可分為填充改性、增強(qiáng)改性、共混改性和功能性改性；化學(xué)改性是指通過(guò)交聯(lián)劑等進(jìn)行交聯(lián)，或通過(guò)接枝共聚，在PP大分子鏈中引入其他組分，常用的化學(xué)改性手段有共聚改性、交聯(lián)改性和接枝改性。為提高改性效果，通常將物理和化學(xué)2種方法結(jié)合起來(lái)對(duì)PP進(jìn)行改性。如杜慷慨[44]利用超聲波促進(jìn)丙烯酸接枝PP，當(dāng)超聲波作用時(shí)間為30 min、反應(yīng)溫度為110 ℃、過(guò)氨甲苯酰及丙烯酸的用量分別為4%和15%時(shí)，超聲波能有效促進(jìn)丙烯酸對(duì)PP固相接枝反應(yīng)的進(jìn)行且接枝率達(dá)到6%。

2.4 其他改性填料

其他改性方法多為在基體中加入無(wú)機(jī)或有機(jī)組分，以增加填料表面粗糙度，提高掛膜量和水處理效能。如Zhao等[45]在10.5 L的MBBR反應(yīng)器中同時(shí)投加密度為0.95～0.99 gcm3、比表面積為400～500 m2m3的球狀PE填料和140 g經(jīng)聚合氯化鋁或聚合氯化鐵改性的硅藻土(比表面積為50～60 m2g，粒徑為50～100 μm)共同作為MBBR填料處理市政污水，在HRT為2.5 h時(shí)，系統(tǒng)的和濁度最高去除率可達(dá)88.5%、83.0%、92.3%和96.7%。Dong等[46]采用經(jīng)海泡石改性的陶粒作為MBBR填料處理油田廢水，運(yùn)行190 d后，出水可滿足GB 4287—92《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

3 MBBR填料微生物群落特征

3.1 填料微生物群落特征

污水的生物處理主要依靠微生物新陳代謝作用降解水中污染物，在MBBR工藝中，填料為微生物生長(zhǎng)提供了良好的載體，因此，分析填料上微生物特征，有助于深入判斷工藝運(yùn)行情況，采取相應(yīng)措施提高水處理效能。眾多研究表明，變形桿菌在填料上普遍存在，與好氧反應(yīng)器相比，缺氧反應(yīng)器中填料上微生物豐富度較低，多為反硝化菌、厭氧氨氧化菌和一些異養(yǎng)菌，好氧反應(yīng)器中則多存在氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌、硝化細(xì)菌和其他自養(yǎng)菌。如齊勇等[47]在某污水處理廠原有A2O工藝基礎(chǔ)上，投加30% PE填料，穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月，出水均能穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；掃描電鏡觀察到整個(gè)工藝沿污水流程形成不同的優(yōu)勢(shì)菌種(圖1)，其中缺氧池中填料上主要為小球菌和變形桿菌，好氧池中填料上除附著有各種異養(yǎng)菌(如氨化細(xì)菌、碳細(xì)菌)外，還有鐘蟲(chóng)、線蟲(chóng)、草履蟲(chóng)等原生動(dòng)物。Bassin等[48]采用缺氧-好氧兩級(jí)MBBR處理農(nóng)藥生產(chǎn)廢水，采用Kaldnes?K1作為填料，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，缺氧、好氧反應(yīng)器中主導(dǎo)菌屬均為變形桿菌，在缺氧MBBR中物種多樣性較低，以絲孢菌屬(占21%)為主；好氧MBBR以甲醇桿菌屬(占13%)為主，其次為硫桿菌屬。Gustavsson等[49]采用以Kaldnes?K1為填料的短程硝化-厭氧氨氧化MBBR處理市政污水，穩(wěn)定運(yùn)行后，生物膜上厭氧氨氧化菌豐富度最高，為10%～30%，主要由布羅卡德氏菌(Brocadiasp.)和一些亞硝化單胞菌(Nitrosomonassp.)構(gòu)成；Song等[50]采用PU為MBBR填料處理制藥廢水時(shí)，發(fā)現(xiàn)變形桿菌門(Proteobacteria)在生物膜上最為豐富，氨氧化菌(AOB)中含量最多的屬為亞硝化單胞菌，其次為陶厄氏菌(Thauera)。Gao等[51]采用經(jīng)硝化細(xì)菌固定化的立方體凝膠聚合物(IMG)作為MBBR填料，處理循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，當(dāng)鹽度從接近0升到35.0 gL時(shí)，亞硝酸鹽氧化菌(NOB)在IMG中的微生物活性下降86.32%。亞硝化單胞菌和硝化螺旋菌(Nitrospirasp.)分別為AOB和NOB的主要菌屬。Li等[30]采用蘆竹作為反硝化MBBR填料處理反滲透濃水，填料上排名前三的菌門為變形桿菌門、擬桿菌門(Bacteroidetes)和厚壁菌門(Firmicutes)。姚美辰等[52]采用變形梯度凝膠電泳(DGGE)分析MBBR生物膜微生物種群組成及多樣性變化，結(jié)果顯示，填料上優(yōu)勢(shì)菌種分別為變形菌門的陶厄氏菌、約氏不動(dòng)桿菌。

圖1 掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡下的微生物相[47]Fig.1 Microbial phase under scanning electron microscope and optical microscope

3.2 不同類型填料微生物群落特征比較研究

不同類型填料上微生物種類一般存在差別，但均以反硝化菌、亞硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化菌等為主，形態(tài)呈球狀、桿狀、絲狀，部分填料上附著螺旋狀細(xì)菌，改性填料上功能細(xì)菌數(shù)量和豐富度普遍高于未改性填料。如Chu等[19]采用PU和PCL作為MBBR填料處理模擬生活污水，SEM觀察顯示，PCL生物膜主要由球菌和桿菌組成，而PU生物膜上短桿狀細(xì)菌和真菌較為豐富。苑泉等[25]采用PE、PP、PU泡沫體和陶粒作為MBBR填料處理城市污水廠尾水，穩(wěn)定運(yùn)行后，4種填料上附著的微生物均以球菌、桿菌和絲狀菌為主，PE填料上的球菌最多；PP填料上球菌、桿菌和絲狀菌共生；PU泡沫體填料上生物膜相對(duì)稀疏；陶粒上微生物較為分散，且黏性物質(zhì)較多；PP上的微生物最為豐富和致密。李亞峰等[36]采用新型高分子改性的PE和改性PU作為AA-MBBR填料處理生活污水，采用高通量分析生物膜結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)各反應(yīng)池中微生物群落主要以硝化螺旋菌門、變形菌門為主，改性PE上存在亞硝化單胞菌。Lü等[53]在PP外表面附著一定比例的沸石和聚氨酯泡沫制成新型填料，將其與PP分別作為短程硝化-厭氧氨氧化MBBR填料處理低濃度生活污水，16S RNA分析顯示，2個(gè)反應(yīng)器中優(yōu)勢(shì)菌門均為變形桿菌門和浮霉菌門，優(yōu)勢(shì)菌屬均為亞硝化單胞菌和厭氧氨氧化菌，但新型填料上AOB和厭氧氨氧化菌更多。

4 結(jié)論與展望

在諸多類型的填料中，PE填料應(yīng)用最廣且效能最好，今后可將研究重點(diǎn)放在提高PE親水性和生物親和性上，可以通過(guò)添加微量物質(zhì)，提高生物量和反應(yīng)速率，進(jìn)而提高M(jìn)BBR工藝處理效率。另外，在處理低CN廢水時(shí)，需要外加碳源確保反硝化微生物必要的電子供體，未來(lái)研究應(yīng)注重于開(kāi)發(fā)既可作為生物載體又可以釋放碳源的填料，簡(jiǎn)化操作流程，在一定程度上節(jié)約處理成本。

國(guó)內(nèi)外眾多研究表明，采用常見(jiàn)填料的MBBR處理生活污水、工業(yè)廢水、城市污水廠尾水等，均能取得良好的去除效果，但多數(shù)研究采用的是模擬污廢水，未來(lái)應(yīng)盡量多采用實(shí)際污廢水作為處理對(duì)象，從而為實(shí)際工程提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。