低溫下移動床生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)工藝運(yùn)行與應(yīng)用研究進(jìn)展

關(guān)鍵詞移動床生物膜反應(yīng)器；低溫；微生物活性；載體強(qiáng)化；工藝改良中圖分類號X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1007-7731（2025）15-0114-05DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.15.027

Research progress on process operation and application of moving bed biofilm reactorsystem atlowtemperature

WU Tianqi ^{1，2，3} KONG Yu1LING Hong1CHANG Wenjie1ZHU Xiaoxiao1NIE Huijun ¹

（1Jiangsu Environmental Engineering Technology Co.，Ltd.，Nanjing 21oo19， China; 2Jiangsu Environmental Protection Group Co.，Ltd.， Nanjing 21Oo36， China; 3Jiangsu Province Engineering Research Center of Synergistic Control of Pollution and Carbon Emissions in Key Industries，Nanjing 210019， China）

AbstractThe research onthe operation and application of the moving bed biofilm reactor （MBBR）process system underlow temperatureconditionswas systematicallyelaborated from theaspectsof microbial community，carrier enhancement technology，and process combinationandregulation.Low temperaturewas found toinhibittheactivityof nitrifying bacteria，affcting the nitrogen removal eficiency of wastewater treatment.The MBBR systemwas demonstrated to enrich nitrifying bacteria through biofilm formation.Cold-adaptedmicrobial acclimation technology wasshown toenhance microbialactivityunder low temperatureconditions，effectively improving the operational effciency and stabilityof thissystem.Theselection of cariers was proven to influence processperformance.Magnetic cariers，hydrophilicmodifications，and porous structures （e.g.，PVA gel） were found to enhance biofilm formation， increase the enrichment of nitrifying bacteria，and improve the treatment efficiencyof low temperature wastewater. Optimizationof the MBBR process requiredregulationof aeration，carbon-to-nitrogen ratio （C/N），and hydraulic retention time （HRT）.Under low temperatures，intermitent aeration，low C/N，and extended HRT wereshown to enhance nitrification eficiency.Process combinations such as A/O-MBBR were demonstrated to strengthen the system's resistance to shock loads.This study provides a reference for further research and application of the MBBR process.

eywordsmoving bed biofilm reactor;low temperature; microbial activity; carier enhancement; process improvel

移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）工藝是現(xiàn)階段應(yīng)用較多的生物膜廢水處理技術(shù)之一[1-2]。相較于常規(guī)活性污泥法工藝，MBBR具有出水效果好、抗沖擊能力強(qiáng)、無需污泥回流或反沖洗等優(yōu)點(diǎn)。在冬季低溫期，尤其是北方以及西南高原等地區(qū)，氣溫易降至5℃以下、水溫易降至 15^°C 以下，低溫可能導(dǎo)致MBBR系統(tǒng)出水化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總氮等指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。生物膜脫氮包括好氧硝化和缺氧反硝化，溫度是影響硝化和反硝化過程的關(guān)鍵因素之一。隨著溫度的降低，活性污泥系統(tǒng)的細(xì)菌硝化速率逐步下降，當(dāng)溫度低于8℃時其硝化能力明顯下降。本文從微生物群落、載體強(qiáng)化技術(shù)、工藝組合與調(diào)控等方面對低溫條件下MBBR工藝運(yùn)行研究展開系統(tǒng)闡述，為其進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

1低溫MBBR系統(tǒng)微生物群落研究

目前，污水處理廠的核心工藝為生物處理工藝，冬季低溫（ ≤15^°C 會抑制生物反應(yīng)器內(nèi)硝化菌的活性，影響硝化過程并限制系統(tǒng)的脫氮量。硝化細(xì)菌屬于自養(yǎng)菌，世代周期較長，對溫度變化較為敏感，其適宜的生長溫度在 20～35^°C 。

1.1 微生物活性

MBBR反應(yīng)器中的生物膜附著生長在載體表面，可滿足世代周期較長微生物的生長，從而提高系統(tǒng)內(nèi)硝化菌的含量，相較于活性污泥法工藝，其在低溫下具有更強(qiáng)的硝化性能，因此被廣泛應(yīng)用于低溫污水處理中。低溫是影響該反應(yīng)器硝化性能的重要環(huán)境因素之一，溫度降低會引起細(xì)胞膜流動性和酶催化性減弱，物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝速率降低，從而影響核酸二級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，抑制DNA復(fù)制、mRNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯；當(dāng)溫度低于細(xì)胞質(zhì)冰點(diǎn)時，會使細(xì)胞形成冰晶體，對其結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞3。邱天等4研究表明，MBBR生物膜在 10^°C 的氨氧化活性和亞硝酸鹽氧化活性分別為 20°C 時的 55% 和56% 。鄭志佳等測試了污水處理廠內(nèi)活性污泥在夏季（ 20°C ）和冬季（ 8^°C 的硝化速率，發(fā)現(xiàn) 8^°C 條件下的氨氮硝化速率是 20°C 時的 48.5% 。低溫對生化池硝化能力的影響包括兩個部分，一是低溫影響硝化菌群的活性，二是長期的低溫導(dǎo)致活性污泥內(nèi)硝化菌群數(shù)量減少。

1.2微生物群落競爭

由于硝化菌屬于自養(yǎng)菌，其他微生物菌群對于硝化菌群的硝化過程有較大影響，并與之產(chǎn)生較強(qiáng)的競爭關(guān)系。Houweling等開展MBBR工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明，在 4^°C 下，MBBR具有一定的硝化潛力，但系統(tǒng)內(nèi)異養(yǎng)微生物過度生長在一定程度上降低了硝化速率。邵曙海等研究表明，一段式MBBR脫氮效果不理想，原因是存在硝化菌與異養(yǎng)菌之間的競爭。韓文杰等研究了采用MBBR泥膜復(fù)合工藝的污水處理廠在低溫季節(jié)的微生物群落變化與生物分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)懸浮載體生物膜工藝微生物物種數(shù)低于同系統(tǒng)活性污泥，且物種分布較不均勻。懸浮載體的投加可提升系統(tǒng)微生物多樣性，同時進(jìn)水及運(yùn)行方式對系統(tǒng)微生物群落組成具有一定選擇性。吳涵等模擬以生活污水為處理對象，運(yùn)行了3個不同填料類型的序批式MBBR反應(yīng)器，通過逐步降溫（25、20、15、10、6和 5°C ）培養(yǎng)馴化處理低溫污水的生物膜，運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，3個反應(yīng)器內(nèi)不同微生物各具優(yōu)勢，高通量測序結(jié)果顯示， 5°C 時，3個反應(yīng)器中均以降解有機(jī)物的微生物為主；其中1個反應(yīng)器中馴化富集出了嗜冷硝化菌，其他2個反應(yīng)器中，不利于脫氮的類固氮菌豐度較高。

1.3適冷性微生物馴化

低溫優(yōu)勢菌群馴化與富集強(qiáng)化技術(shù)是提高低溫條件下MBBR運(yùn)行效率與穩(wěn)定性的有效方法。通過遞進(jìn)誘導(dǎo)優(yōu)化培養(yǎng)，篩選出優(yōu)勢種群后加以應(yīng)用，利用菌群自身的強(qiáng)耐受能力減少低溫的影響，具有長期穩(wěn)定的潛力。王丹等研究發(fā)現(xiàn)，在冬季低溫條件下，通過投加含耐冷菌群的活性污泥實(shí)現(xiàn)活性污泥一生物膜共生復(fù)合式生物反應(yīng)器具有速度快、掛膜迅速、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。Delatolla等研究發(fā)現(xiàn)， 1^°C 條件下對系統(tǒng)進(jìn)行脫碳處理，硝化活性生物量增加，生物膜變厚，有效增加了低溫操作期間有效存活細(xì)胞的數(shù)量，提升了該系統(tǒng)的硝化性能。另外， NO、N₂H₄、NH₂OH 等是刺激厭氧氨氧化過程并減輕 NO₂ 對厭氧氨氧化細(xì)菌抑制作用的關(guān)鍵中間體之一。Zekker等[12在MBBR系統(tǒng)處理高濃度（氨氮濃度 740mg/L ）廢水的研究中發(fā)現(xiàn)，添加NO對厭氧氨氧化過程有明顯的加速作用，系統(tǒng)運(yùn)行期間，氨氧化細(xì)菌的豐度成比例增加。

2低溫下MBBR載體強(qiáng)化技術(shù)研究

懸浮性MBBR填料的選擇是該工藝處理污水的核心技術(shù)之一，也是影響工藝效果和工程成本的關(guān)鍵因素。目前普遍應(yīng)用的填料類型有蜂窩填料、半軟性填料及復(fù)合填料等，實(shí)際應(yīng)用中可能存在填料堵塞、結(jié)團(tuán)及老化等問題。低溫條件下，MBBR工藝中的填料掛膜速度較慢，可能導(dǎo)致設(shè)備啟動周期延長，不利于工藝正常運(yùn)行，抗沖擊能力差，處理效果無法達(dá)到預(yù)期[13]。工業(yè)使用的MBBR懸浮載體大小和形狀各異，均由高密度聚乙烯（HDPE）聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）等高分子聚合物通過熔融擠出或造粒等方法制作而成。隨著該工藝的大規(guī)模工程化應(yīng)用，商業(yè)化載體的種類逐漸增多，載體的設(shè)計加工可針對水質(zhì)及微生物生長特性而存在差異，可通過載體針對性優(yōu)化改良實(shí)現(xiàn)低溫條件下MBBR生物膜系統(tǒng)的強(qiáng)化。在實(shí)際應(yīng)用中，對載體的改性主要集中在改進(jìn)其比表面積、親水和生物親和性、磁性等方面，以提高載體的傳質(zhì)、掛膜及廢水處理性能[14]。

2.1磁性加載

目前已有研究通過磁場來優(yōu)化MBBR在低溫條件下處理廢水的能力，一定強(qiáng)度的磁場可以強(qiáng)化生物處理工藝的污染物去除效果。有機(jī)污染物在弱磁場作用下，通過磁力、洛倫茲力和磁致膠體效應(yīng)等作用，經(jīng)磁聚、吸附等方式富集到磁性生物載體表面。在合適的強(qiáng)度范圍內(nèi)，磁場能提高微生物對氧的利用率、提高微生物的生長代謝及其酶活性，增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性[15]。敬雙怡等[1研究了MBBR反應(yīng)器投加磁性載體[聚乙烯、釹鐵硼磁粉（ （Nd₂Fe₁₄B 和聚季銨鹽-10（PQAS-10）等]和商用載體的對比效果，結(jié)果表明，低溫條件下磁性載體的投加明顯提高了生物膜硝化活性，并促進(jìn)了胞外聚合物（EPS）分泌，維持和改善了生物膜的形貌結(jié)構(gòu)；磁性載體富集了較多的硝化菌屬，其氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的相對豐度較商用載體分別提高了1.82倍和1.05倍，并且馴化富集了兩種特有的硝化菌屬。

2.2 載體改性

除了磁性加載外，對聚乙烯等傳統(tǒng)載體材料進(jìn)行親和改性也是提升填料掛膜性能的重要方式。孫博等[17利用新型納米懸浮填料處理低溫生活污水，在 1 0～1 2℃ 條件下，納米填料的掛膜周期小于其他填料，在 18d 左右，系統(tǒng)的COD去除率穩(wěn)定在 75% 左右，具有較好的推廣價值。任彥強(qiáng)等[18采用高親水、高分子合金材料制備的蜂窩狀懸浮填料在低溫條件下處理某污水處理廠初沉池出水，結(jié)果表明，使用該懸浮填料可有效提高其表面活性微生物的附著能力，有助于提高M(jìn)BBR工藝的處理效果。韓曉云等[19采用孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的軟性聚氨酯泡沫作為固定化載體，對活性污泥中分離得到的高效耐冷菌群進(jìn)行固定，將該填料投加至反應(yīng)器后，污染物處理效果顯著提升，低溫條件下的COD去除率為 82% ，生化需氧量（BOD）去除率為 92% 。Chen等[20]利用接種了HN-AD細(xì)菌的聚乙烯醇（PVA）凝膠填料的MBBR工藝代替活性污泥法處理畜禽養(yǎng)殖廢水，在不同的碳氮比（C/N）下，不同載體性能表現(xiàn)差異較大，PVA凝膠的多孔結(jié)構(gòu)給細(xì)菌提供了保護(hù)，使其具有更穩(wěn)定的性能；微生物分析顯示，PVA凝膠載體的MBBR工藝有利于自養(yǎng)細(xì)菌和HN-AD細(xì)菌（副球菌和不動桿菌）的生長。

3低溫下MBBR工藝組合與調(diào)控

該系統(tǒng)具有獨(dú)特的填料表面掛膜需求，體現(xiàn)出其工藝組合與調(diào)控的重要性。通過工藝參數(shù)和比例調(diào)控、比例控制可以實(shí)現(xiàn)MBBR中的穩(wěn)定硝化，通過更強(qiáng)的限制條件來補(bǔ)償?shù)蜏氐挠绊懯禽^直接有效的方式。

3.1曝氣

MBBR工藝目前主要以好氧環(huán)境應(yīng)用為主，反應(yīng)器內(nèi)曝氣量的大小和曝氣方式的不同直接影響系統(tǒng)中溶解氧（DO）的含量和生物膜掛膜特性，進(jìn)而影響其對污染物的降解水平。陳龍等21在處理工業(yè)廢水過程中，采用悶曝等措施有效解決了掛膜困難的問題，COD去除率為 95.5% ，氨氮去除率為 91% 。Persson等[22]在 10^°C 下使用MBBR處理厭氧預(yù)處理的廚房廢物與黑水的混合廢水，采取間歇曝氣實(shí)現(xiàn)了完全硝化。Bian等23研究發(fā)現(xiàn)，控制DO和總氨氮濃度之間的恒定比率，可優(yōu)化低溫出水效果；在控制比率不超過0.17時，可使溫度 6°C 條件下硝化過程保持穩(wěn)定。

3.2 碳氮比（C/N）

硝化菌和異養(yǎng)菌存在明顯的菌群競爭關(guān)系，因此C/N的調(diào)控成為影響系統(tǒng)有機(jī)物和氮降解間平衡的重要參數(shù)。Chen等20研究表明，在MBBR系統(tǒng)中，當(dāng)C/N在4～15時，C0D去除率在 90% 以上，當(dāng)C/N降低至1時COD去除率大幅下滑，系統(tǒng)對于氨氮的去除效率隨著C/N的降低呈先升后降的趨勢。Chen等[24探討C/N對A/O-MBBR反應(yīng)器處理海水養(yǎng)殖廢水性能的影響，結(jié)果表明，降低C/N有利于提高其COD和氨氮的去除效率。

3.3 水力停留時間

水力停留時間（HRT）決定了反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)活性污泥負(fù)荷，過高或過低均會影響MBBR系統(tǒng)的處理效能和建設(shè)運(yùn)行成本，選擇合理的HRT對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。Van等25將MBBR用于低溫下的農(nóng)業(yè)面源污染治理，研究表明，在 5°C 下，隨著HRT的降低，污染物去除效率明顯下滑， 8h 是保障硝酸鹽反硝化為氮?dú)獾淖钚⊥Ａ魰r間。汪傳新等[26]以缺氧/好氧生物膜系統(tǒng)處理生活污水，重點(diǎn)考察低溫下MBBR內(nèi)同步硝化反硝化特性，結(jié)果表明，系統(tǒng)通過延長HRT較好地適應(yīng)了季節(jié)性降溫，使出水COD和氨氮濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。Shitu[選用一種新型海綿填料作為MBBR生物膜載體，在不同的HRT下對其水處理效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，水處理效果在HRT6h時表現(xiàn)最佳。趙文斌等2研究表明，MBBR系統(tǒng)在低溫條件下處理廢水中污染物的最佳HRT為 24h 。韓磊等29在對DE氧化溝 + MBBR組合工藝中研究了HRT由 15.4h 降低至 11.0h 時的污染物去除率，結(jié)果表明，隨著HRT縮短污染物去除效率逐漸降低，其出水水質(zhì)能夠滿足水質(zhì)目標(biāo)要求，由此反映出MBBR系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

3.4 工藝組合

鄧睿等[30研究了兩級A/O-MBBR工藝處理城市污水，在低水溫、低進(jìn)水濃度的情況下，該組合工藝體現(xiàn)出抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、溫度適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定、操作便利，在污水處理方面具有較好的應(yīng)用前景。Luostarinen等31研究了低溫下MBBR工藝對經(jīng)厭氧預(yù)處理的乳品店廢水的處理效果，結(jié)果表明，該工藝可去除 40%～70% 的COD、 50%～60% 的氮，上流式厭氧污泥床（UASB）和MBBR的組合可去除92% 的COD、 99% 的BOD和 65%～70% 的氮。茹春等[32]采用改良Bardenpho-MBBR + 磁加載沉淀處理工藝對某污水處理廠進(jìn)行改造，通過調(diào)整碳源投加點(diǎn)以及系統(tǒng)多點(diǎn)進(jìn)水、多點(diǎn)回流等方式，實(shí)現(xiàn)了外投碳源的高效利用，保障了在 8.7^°C 條件下系統(tǒng)的硝化和反硝化效果，出水水質(zhì)穩(wěn)定且優(yōu)于排放標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)語

低溫條件下，MBBR系統(tǒng)內(nèi)微生物活性降低，同時處理有機(jī)物的異養(yǎng)型微生物與處理氨氮的自養(yǎng)型微生物之間存在明顯的競爭關(guān)系，因此應(yīng)根據(jù)原水污染物構(gòu)成、出水指標(biāo)要求，充分考慮合適的C/N，并針對關(guān)鍵指標(biāo)開展低溫優(yōu)勢菌種改良與馴化、定向富集措施，提高載體上的優(yōu)勢種群豐度，保障出水水質(zhì)。

載體強(qiáng)化是改良MBBR系統(tǒng)耐低溫能力，提高工藝降解效能的重要手段，具體措施主要包括對載體進(jìn)行磁性加載和結(jié)構(gòu)性處理。磁性加載可強(qiáng)化低溫下硝化細(xì)菌附著，增強(qiáng)EPS分泌過程，提高細(xì)菌活性；優(yōu)化載體架構(gòu)與表面性質(zhì)，可加快污染物傳質(zhì)效率，提高其對微生物菌群的固化和保護(hù)能力，維持系統(tǒng)更穩(wěn)定的性能。

MBBR工藝本身具備一定的耐低溫特性，但隨著對污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，低溫條件下MBBR工況調(diào)整及其工藝組合成為其工藝突破的重要研究內(nèi)容。針對不同類型的污廢水，最優(yōu)工況條件應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定；同時，合理的工藝組合可有效提升MBBR系統(tǒng)對污染物的抗沖擊負(fù)荷能力、溫度適應(yīng)性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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