生物膜耦合工藝在污水處理中的應用

蔣維卿，么興榮，王 帆，孫雪健，劉松林，劉軒彤,邊德軍

(1. 長春工程學院水利與環境工程學院，吉林長春 130012；2. 吉林省城市污水處理重點實驗室，吉林長春 130012)

隨著污水成分的日益復雜以及污水處理排放標準的日趨嚴格，傳統單一處理工藝的處理效果難以達到排放要求，人們開始對現有工藝進行改造或將不同的工藝進行組合聯用來提高處理效率。生物膜法是一種較為常見的生物處理法，運行管理簡單、占地面積小、出水水質好，在污水處理中得到越來越廣泛的應用[1]。生物膜耦合工藝是將生物膜與其他污水處理工藝組合，在同一反應空間內完成污水處理過程，可以在現有的工藝上通過投加填料載體或直接接種特異性菌種形成生物膜的方法進行改造，無需增建反應池，具有操作方便靈活、基建費用較低等優勢，在傳統污水處理工藝升級改造中得到了越來越多的應用。

生物膜-活性污泥耦合工藝是在同一反應器中實現生物膜與活性污泥的共存，與傳統的生物接觸氧化法不同，耦合工藝通常設有污泥回流裝置。一般在傳統活性污泥工藝曝氣池中投加填料作為微生物附著的載體，也有少數會研究在厭氧區投加填料載體的處理效果[2]。生物膜-電極法(BER)是將生物膜直接固定在電極表面，或在兩塊電極板之間投加生物膜載體構成耦合系統，結合了生物膜法固著微生物進行生物降解和電化學法較高的氧化還原能力，達到對有機污染物的協同降解作用[3]。生物膜-膜處理耦合工藝根據膜功能形式的不同主要分為3種：(1)在傳統的微濾或超濾膜處理系統中投加載體使生物膜附著，實現生物膜與膜過濾技術的耦合；(2)膜曝氣生物反應器(MABR)，其中，氣體分離膜同時作為載體和曝氣裝置為微生物提供附著場所和氧源[4]；(3)萃取膜生物反應器(EMBR)，萃取膜隔離廢水與微生物，形成污水循環和生物處理兩部分，在生物處理一側，微生物附著在萃取膜上形成生物膜。萃取膜提取特定的污染物進行處理，對微生物有害的物理、化學因素被萃取膜隔離，不會影響到生物降解[5]。

本文綜述了以上3種研究應用較多的生物膜耦合工藝的優點和不足之處，以及其在污水處理中的研究應用現狀，并對生物膜耦合工藝未來的發展方向進行探討，以期可以為該工藝的研究和推廣應用提供一定的參考。

1 生物膜-活性污泥耦合工藝

1.1 優勢

相比于傳統的活性污泥法或生物膜法，填料的投加顯著提高了耦合系統中的生物量，生物群落結構也更為復雜，使耦合工藝具有較好的去除效果和較強的抗沖擊負荷能力。生物膜和活性污泥可以實現不同的污泥齡(SRT)，滿足脫氮除磷的不同需求，進而實現同步脫氮除磷，同時豐富了脫氮除磷形式[6]。在受到有機負荷沖擊時，系統中用于去除污染物的優勢菌屬可以在生物膜中附著生長，不易更替，菌群演變過程比較穩定[7]。此外，耦合工藝比活性污泥法污泥容積指數(SVI)明顯降低，污泥沉降性能得到提高[8]。

相比單一的生物膜法，生物膜-活性污泥耦合工藝對化學需氧量(COD)的去除率從75%提升到80%以上，氨氮的去除率始終保持在90%以上[9]。陳月芳等[10]提高耦合工藝的水力沖擊負荷，出水CODCr穩定在30 mg/L以下，平均去除率達到92%，出水氨氮和總氮(TN)也分別穩定在5 mg/L和15 mg/L以下。在對傳統污水處理工藝脫氮升級改造中，相比同等規模的活性污泥工藝，采用耦合工藝達到硝化污泥齡所需的容器體積要小得多。在布魯姆菲爾德廢水回收設施的脫氮升級改造中，采用固定生物膜-活性污泥反應器(IFAS)改造的成本約為900元/m3，與采用間歇曝氣、生物膜法以及潛水生物濾池(SBF)等改造方案相比成本最低[11]。

1.2 技術難點

生物膜-活性污泥耦合工藝不是將生物膜法與活性污泥法的簡單疊加，因此，其去除機理較為復雜，關于生物膜的強化效果還存在爭議。汪君暉等[12]在研究中發現，生物膜對硝化作用的貢獻僅占5.5%。而欒志翔等[13]研究發現，懸浮載體上硝化菌群豐度是活性污泥的14倍。因此，耦合工藝的強化效果可能是反應器的結構、運行參數、填料形式、填充率等多種因素共同影響的結果。此外，關于該工藝的設計運行無成熟的規范用于參考，由于處理水質、研究性質不同，關于運行參數的研究等無一般性結論，很難應用于工程實際中，只有通過工程試驗和實際的工程應用來驗證選用的參數是否合理。如劉良軍等[14]在試驗運行時采用分批掛膜投加的方式，根據實際流化效果確定最終填充率。

1.3 研究及應用現狀

生物膜-活性污泥耦合工藝多用于城市污水處理廠提標改造以及難降解污水處理，旨在解決傳統工藝存在的問題，提高處理效果。工程應用實例表明，生物膜-活性污泥耦合工藝具有多種形式，且可以應用于不同形式的活性污泥工藝的提標改造(表1～表2)。

表1 生物膜-活性污泥耦合工藝提標改造應用概述Tab.1 Overview of Application of Biofilm-Activated Sludge Coupling Process in Upgrading and Reconstruction

表2 生物膜-活性污泥耦合工藝在難降解污水處理中的應用概述Tab.2 Overview of Application of Biofilm-Activated Sludge Coupling Process in Non-Degradable Wastewater Treatment

目前，更多研究關注載體的材質，親水性能好、孔隙率高、比表面積大、密度接近于水的載體更有利于耦合工藝的運行。隨著工業技術的發展，新型材質載體層出不窮，如新型斜發沸石載體[22]、飲用水處理中的沉淀污泥制成的陶粒載體[23]、椰子纖維載體[24]等，其各自特有的性質促進了生物膜中微生物的生長，提高了處理效果。

2 BER

2.1 優勢

BER在處理難生物降解或電解不完全的污廢水方面顯示了一定的優勢。李天成等[25]在試驗中發現，BER對鉻離子(Cr3+)去除率為97%，較電化學法和生物膜法均提高了15%。通過比較電化學法、生物法和BER對2,4-二氯苯酚的降解，發現耦合工藝在48 h內對2,4-二氯苯酚的去除率為100%，遠高于使用純電化學和純生物工藝的62%和42%[26]。當投加的載體為活性炭時，活性炭具有吸附作用，同時還可以作為第三電極，提高了電流效率，活性炭吸附、微生物降解、電化學降解的協同作用進一步提高了系統對污染物的去除[27]。

2.2 技術難點

目前，BER尚有許多技術難點有待研究和解決。尋找合適的電極材料及快速有效的掛膜方法是該工藝能夠穩定運行需首要解決的問題。電極板同時作為導電材料和生物膜的載體，需要導電性良好、耐腐蝕、適合掛膜、廉價易得。為了不影響微生物的活性，電解電壓必須較低，同時，生物膜覆蓋在電極上在一定程度影響到電極上發生的反應[30]。研究發現，生物膜的組成、形態、物理性質和厚度對生物電的產生有著顯著的影響[31]。目前，還沒有關于反應器電壓和生物膜厚度的確定范圍，如何培養處理適應性強的生物菌種等也需要進一步的研究。且BER對成分復雜、濃度高、毒性大的實際工業廢水的處理存在一定局限性[3]。

2.3 研究及應用現狀

目前，BER多用于處理含重金屬離子或難生物降解等有毒有害污染物的污水(表3)。電場的存在促進生物膜中微生物菌群對有機物的降解，且可有效降低生物膜吸附重金屬離子的負荷。隨著BER越來越多的應用，掛膜方法和電極材料也不斷研發。同時，耦合工藝的形式結構也在不斷改善以更好地發揮該工藝的優勢。

表3 BER工藝的應用概述Tab.3 Overview of Application of BER

3 生物膜-膜處理耦合工藝

3.1 優勢

生物膜與傳統的微濾、超濾等膜過濾技術耦合，使系統的處理效果和污泥理化特性有所提高。填料流動對膜表面的沖刷[37]，以及填料的投加引起的細胞外聚合物中可溶性微生物產物(SMP)含量的降低[38]，有效減輕了膜處理工藝普遍存在的膜污染問題。Mousaab等[39]投加生物載體在超濾膜反應器中，COD、總懸浮固體(TSS)、揮發性懸浮固體(VSS)和TN的去除效率分別從87.9%、99.6%、97.5%和91.1%提高到93.2%、100%、99.9%和91.3%。相比于單一的膜處理工藝，耦合工藝的膜過濾操作時間幾乎延長了1.5倍，隨著載體對膜的沖刷，膜過濾操作時間進一步延長至8倍[37]。膜的定期化學清潔可以延長到大約6個月[40]。

MABR的主要優勢是節省能源成本、運行穩定安全、去除效率高。與傳統的鼓風曝氣相比，MABR的無泡曝氣和生物膜的結合顯著提高了溶解氧(DO)的轉移和利用效率[41]，在處理含易揮發性物質或表面活性劑污水時不會造成二次污染[42]。 Nerenberg[43]通過試驗獲得中試規模的數據和模型數據表明，MABR的能源利用效率比傳統的活性污泥高出86%。不存在氣泡擾動刮擦和機械攪拌等外部作用，生物膜可穩定快速形成且結構較為致密[42]。此外，由于DO和污染物從相反的面擴散到生物膜上實現異向傳質，致使生物膜產生功能性分層，使MABR可以同時高效去除COD和N[44]。

EMBR可以提取需要去除的目標污染物進行生物降解，對污水中的揮發、半揮發性有機污染物有較高的去除效率。同時，萃取膜隔離揮發性有機化合物和充氣氣體，使二者不會直接接觸從而避免環境污染。EMBR中廢水循環單元和生物降解單元相互獨立，微生物與廢水有效分離，生物代謝產物不會產生二次污染，操作管理方便，處理效果穩定[45]。Livingston等[46]試驗發現，在廢水與反應器的接觸時間少于30 min的情況下，EMBR可去除99%以上的有毒有機污染物。

3.2 技術難點

生物膜-膜處理耦合工藝的技術難點在于膜污染的解決、膜的研發、生物膜的研究。關于投加填料是否減輕膜污染存在爭議，Lee等[47]認為，在膜生物反應器中加裝固定彈性填料會加速、加重膜污染。絲狀菌存在于生物膜上，由生物膜形成的濾餅層厚且致密，絲狀菌對膜上的污垢有固定作用，從而加重膜污染[48]。是否能減輕膜污染可能與填料的種類、安裝形式有關。

MABR運行中存在膜污染、膜造價過高等問題[49]。MABR中生物膜厚度的增加會導致傳質阻力增加，降低處理效果[50]。關于MABR的研究主要集中在處理污水的性能上，生物膜的物理分層或不同污水特性和操作條件下硝化細菌的變化、微生物群落的整體多樣性尚不清楚[41]。

萃取膜價格高昂，膜較厚會導致阻力大,使滲透通量小，而具有高選擇性的膜通常顯示出較低的滲透通量，因此，很難找到對特定污染物具有高選擇性且價格合適的膜。此外，污染物的反向滲透、膜的溶脹等問題會降低膜裝置的壽命，以上均影響了EMBR的商業應用[5,45,51]。因為DO和有機碳的擴散受到生物膜厚度和結構的影響，而生物膜過厚會大大降低有機化合物穿過膜的通量，運行中也需要控制生物膜的生長[52-53]。

3.3 研究及應用現狀

生物膜-膜處理耦合工藝在處理難生物降解以及含有有毒有害污染物的污水時表現出較好的去除效果(表4)。

表4 生物膜-膜處理耦合工藝的應用概述Tab.4 Overview of Application of Biofilm-Membrane Treatment Coupling Process

隨著工業的進步，對膜材質的研究也得到了不斷的發展，耦合工藝的形式也不斷改進。采用改性尼龍絲代替傳統MABR中的聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)中空纖維膜，降低成本，提高機械強度和親水性，不易堵塞[59]。將熱塑性聚氨酯(TPU)與電紡聚二甲基硅氧烷/聚甲基丙烯酸甲酯(PDMS/PMMA)混合以制造新型電紡TPU/PDMS/PMMA膜用于EMBR，可以在不損害膜性能的情況下改善機械性能[60]。Ren等[61]提出，通過PDMS涂覆的方法制取電紡PDMS膜，制備簡單、分離效率高、性能穩定，并且解決了EMBR在處理酚鹽廢水中的低機械性能、低傳質和鹽漏的問題。EMBR中生物膜過厚會降低傳質能力，處理受苯酚污染的鹽水時，生物膜過厚會導致苯酚傳質減少42%，通過降低無機負載率和采用水下鼓泡充氣配置進行膜洗滌，可以將苯酚傳質減少限制在13%以內[62]。

4 總結與展望

關于生物膜耦合工藝在污水處理中的研究與應用已取得一定成果，但在我國的應用時間較短，技術水平有待提高，存在許多需要改進之處。隨著人們對環境質量要求的提高，生物膜耦合工藝在我國有很大的發展空間。關于國內外生物膜耦合工藝的研究應用的總結和對未來研究的展望可以歸結于以下幾點。

(1)生物膜-活性污泥耦合工藝具有強化脫氮除磷、提高抗沖擊負荷等優點，在城市污水處理廠的升級改造中得到了較多的應用，投資成本少，應用于處理難降解污水也取得了較好的處理效果。關于生物膜對耦合工藝的強化效果還存在爭議，未來可以更多的關注在其去除機理、微生物特性和運行參數等方面的深入研究，致力于制定相應的規范和研發充分發揮耦合工藝優勢的反應裝置。此外，耦合工藝中生物膜、活性污泥特性也有待于進一步研究。

(2)BER結合了生物膜的微生物附著特性和電解法的氧化還原能力，對含重金屬離子或農藥、氯化物等有害污染物的污水有較好的去除效果。該工藝也存在一些局限性，尋找有效的電極材料、有效的掛膜方式是亟需解決的問題。目前的研究多從電化學方面考慮，未來對生物膜特性的更深入的了解和對BER中生物膜去除機理的認識可能會進一步改善BER的性能。

(3)生物膜-膜處理耦合工藝結合了生物降解與膜分離技術，有效改善了污泥沉降性和膜結垢方面的問題。MABR、EMBR對含揮發、半揮發性污染物的污水有很好的處理效果，避免了二次污染，在節省能耗方面也有一定的優勢。該工藝在現有膜處理工藝升級改造中應用效果良好,但關于減輕膜污染方面還存在爭議，同時，膜性能等問題也影響了更廣泛的商業應用。未來可以更多關注生物膜的掛膜與生長管理，以及生物膜生物特性的研究，以促進生物膜與不同形式的膜處理工藝更好的耦合。同時，對于膜材料的研發也是重中之重。

(4)生物膜法用于傳統污水處理改造中，操作簡單方便，節省改造費用，提高處理效果。關于生物膜耦合工藝的研究應用不僅以上3種，如生物膜法與人工濕地處理系統、生態浮床的耦合等也取得了一定的成果。未來對現有污水處理工藝的升級改造可以更多地考慮生物膜耦合工藝的應用。