介质生物膜技术之历史、现状与未来
编者按：在污水处理厂提标改造驱动下，急需因地限制的原位改造技术。在此方面，颗粒生物膜（好氧颗粒污泥）突显优势。然而，颗粒生物膜技术工艺条件较为严格，颗粒形成不易、颗粒保持更难。对此，另一种形式的生物膜——介质生物膜则显得工艺条件简单、生物膜易形成且不易脱落或破碎。纵观介质生物膜工艺发展历程，这种最古老的污水处理形式如果能与时俱进则可能重现新的生命力，其作用与颗粒污泥旗鼓相当。介质生物膜之载体应继续向微细化方向发展，但应选择或合成那些密度略大于水的有机、耐降解材料。介质微细化可致生物膜量大为增加，无需絮状污泥再行参与，完全可借助沉淀选择而淘汰絮状污泥，形成以生物膜为核心的单污泥工艺。介质微细化后很容易让介质生物膜动态悬浮或循环，可形成间歇式（SBR）或连续式同步脱氮除磷工艺。这一点介质生物膜与颗粒污泥有着异曲同工之妙，且更容易形成生物膜并维持稳定。文章将于5月17日发表于《中国给水排水》。
文章亮点
1、介质生物膜与颗粒生物膜（好氧颗粒污泥）在结构、净化效果上具有异曲同工之妙，但介质生物膜技术更易形成结构稳定、不易解体或脱落的生物膜；
2、介质大小呈微细化可使生物膜量大为增加，可借助沉淀选择而淘汰絮状污泥，形成以生物膜为核心的单污泥工艺；
3、介质材料应避免大密度的无机材料，要选择那密度略比水大的天然或合成有机、耐降解材料。
1.前言
出水排放标准不断提升致污水处理升级、扩容不断。扩容升级因用地和资金限制往往难以实现。因此，在既有曝气池通过原位提高生物量的做法已成为目前主要的技术选项。其中，向曝气池投加挂膜介质的方法较为常见，大到厘米级的塑料载体（如，MBBR工艺）、小到毫米级的无机载体（如，美国的MOB工艺和中国的HPB工艺）均已开始应用。
事实上，介质生长生物膜法基于土壤自然净化过程原理，相对于基于水体自净原理的活性污泥法具有更加紧密和多样化的微生物结构，容易聚集较高浓度生物量，可有效减少处理工艺占地、或增加处理负荷。介质生物膜基本特性（如，粗糙度、表面物理/化学性质、孔隙结构、比表面积等）很大程度会影响生物膜形成效果，其密度悬浮时又影响工艺能耗。
在颗粒生物膜（好氧颗粒污泥/AGS）技术已逐渐开始应用的今天，介质生物膜技术似乎受到了冲击。然而，颗粒生物膜形成与保持需要严格的工艺筛选与控制条件，且易受进水负荷与基质变化的影响。在这一敏感问题上，介质生物膜则显示出易形成性和附着稳定性。因此，有必要在横向对比颗粒生物膜内、外在特点的基础上重新审视介质生物膜技术的未来，以期获得与颗粒污泥相同生物量效果和运行效果，并充分利用其运行与控制方面易操作性之特点。
本文沿介质生物膜技术发展历程，简述介质生物膜技术基本原理与特点，描述它的研发与应用历程，继而提出介质生物膜技术的未来发展方向。
2.介质生物膜发展历程
2.1 生物滤池
介质生物膜形式伴随着介质材料升级与生物膜法工艺迭代不断发展。1893年，英国人科贝特（Corbett）通过模仿土壤自净过程创造了最早形式的生物膜法——滴滤池。此技术通过将污水喷洒至固定粗质滤料表面，利用滤料拦截颗粒污染物的同时，借助滤料表面微生物定殖形成的生物膜转化流经污水中有机物及氮、磷等营养物质，以此达到净化污水之目的。
早期的生物滤池通常采用卵石、碎石、炉渣等低比表面积天然无机材料作为介质。这类介质虽具有较高净化效果，但生物附着量有限，处理负荷低，导致工艺占地面积大，处理效率低。然而固定床反应器固易堵塞、需定期反冲洗使其在使用上受到一定限制。为此研究人员通过处理水回流措施，在稀释进水负荷的同时清洗堵塞并不断更新生物膜，逐步发展出高负荷生物滤池等改良工艺。至20世纪60年代，随着高分子合成物理和化学理论、加工技术的发展，质轻、高强、耐蚀有机合成介质大量生产并广泛使用，介质生物膜法重获新机，并逐步衍生出生物转盘、生物接触氧化、移动床生物膜反应器等新工艺。
2.2 生物转盘
生物转盘起源于20世纪60年代原联邦德国。它是一种通过不断旋转半浸没于污水中的盘片，使其交替与污水和空气接触并借助表面附着生物膜净化污水的生物膜法工艺。其中，作为生物膜介质的盘片通常采用聚氯乙烯平板盘面、聚酯玻璃钢波纹板等形式，直径一般为1~4 m。相较于传统生物滤池与活性污泥法，生物转盘加强了生物膜、污水与空气间传质，并省去了曝气及污泥回流之能耗，使其可聚集较多生物量并提升处理负荷及处理效果。然而，大尺寸盘面及其运行模式意味着生物转盘存在低比表面积及低空间效率之技术缺陷。这使得该技术需依靠多组盘片与更大设备占地来实现高生物量与良好处理效果。
2.3 生物接触氧化法
生物接触氧化法由生物滤池和活性污泥曝气结合演变而来。至20世纪70年代，大孔径、高比表面积蜂窝直管填料与立体波纹塑料填料出现使其得到大范围应用。该技术实质上是利用为污水曝气充氧以搅拌混合体系中各相的同时，增强生物膜氧传质及污染物去除效果。处理过程中，作为生物膜介质的填料完全浸没于流动的充氧污水中，逐步富集生长生物膜并净化污水。换而言之，生物接触氧化法相当于在传统活性污泥曝气池中填充固定介质以供微生物栖息及作用，属于双污泥（生物膜+活性污泥）范畴。但由于反应体系中缺乏适宜剪切作用，介质生物膜难以自行脱落并及时更新老化生物膜。这导致生物接触氧化法存在易堵塞而需要定期清洗介质之问题。
2.4 生物流化床
20世纪70年代初，为进一步提高处理设备单位容积生物量和强化传质作用，应用于化工领域的流化床被引入污水生物处理领域，以填充介质充当生物膜载而开展研究与应用；其工艺原理在于利用气流或液流等动力使流化床内介质呈流化状态，使附着并包裹介质的生物膜能够与污水充分接触而降解其中的污染物，从而达到良好的污水净化效果。生物流化床多以小粒径（一般为0.25~1.2 mm）、大比表面积重质材料作为生物膜介质，如，石英砂、生物陶粒、沸石等。正因如此，生物流化床相间传质及微生物量相较于其他生物膜法均有极大程度提升，而且，悬浮介质之间相互碰撞与剪切能够保证生物膜不断更新并维持适宜厚度以维持较高的生物膜活性。
2.5 移动床生物膜反应器
移动床生物膜反应器（MBBR）诞生于20世纪80年代中，旨在解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使介质流化、生物接触氧化法堵塞需清洗滤料和更换曝气器等复杂操作等问题。该技术实质在于构建双污泥处理体系，即，向反应池中投加可自由移动的悬浮介质富集生长生物膜的同时也保留体系内悬浮生长的活性污泥絮体，不仅增加生物量亦同时发挥各自优势。这一工艺原理与当前我国城镇污水处理厂提标或扩容改造需求有些接近，故在我国广泛应用。MBBR填充介质多以聚乙烯、聚丙烯等轻质有机合成材料为主体，密度略小于水，尺寸一般为5~25 mm。因介质材料成型的易塑性，MBBR介质比表面积通常能达到200~400 m²/m³，可为生物膜附着提供足量位点。需要意识到的问题是，这种双污泥系统因介质间相对运动会导致活性污泥絮状体不断受剪切作用，会导致污泥细化而难以在沉淀池沉淀。此外，悬浮、流化的塑料介质一般只呆在反应池内，不能随絮状污泥一道循环。
2.6 新兴介质工艺
近年来聚焦于生物膜法，向曝气池中添加类似流化床微细介质的新工艺开始出现，如，美国的轻质合成介质（MOB）工艺与中国的粉末介质（HPB）工艺。其中，美国的MOB介质尺寸1 mm、密度略大于水，而中国的HPB介质以硅藻土负载硫铁矿为载体，平均粒径为28 μm、密度应大大超过水。从运行模式上看，这两种工艺与MBBR工艺原理一样，只不过介质颗粒微细化，使介质比表面积更大、可聚集生物膜更多而已，但仍然构建的是双污泥系统。这种工艺与MBBR不同的是需要载体与活性污泥絮体一同循环、回流。因此，需在二沉池回流线路上设置载体与生物膜分离装置，如，HPB工艺借助旋流分离器实现介质与生物膜的分离并回收。
3.介质生物膜工艺特点
3.1 生物膜结构
虽然介质生物膜技术发展历程漫长，但作用原理基本一致，都是利用介质作为支撑载体来生长生物膜。介质生物膜厚度随着微生物增殖而不断增加，从外向里因氧传质受限而出现如图1所示的分层结构，最外形成是好氧层、中间乃缺氧层、最里层甚至因O₂和NO₃⁻无法扩散到达而可能出现厌氧层。生物膜本身是亲水的，因此在其最最外好氧层外会存在一浮动（附着）水层，作为流动污水与生物膜之间的传质中介（图1）。污染物通过附着水层进入生物膜后，有机物降解及硝化作用主要发生在外部好氧层，反硝化则发生在中部缺氧层（无O₂但NO₃⁻进入）。间歇式（SBR）或微细载体连续循环流工艺条件下，载体生物膜因时间或空间上的顺序厌氧好氧/缺氧交替动态循环而会富集聚磷菌（PAOs/DPB），从而实现载体生物膜的同步脱氮除磷。
图1 普通介质生物膜平面结构与物质转移
3.2 工艺特点
因介质生物膜中微生物密度高、菌种丰富、泥龄较长，这就使其较活性污泥法具有更良好的沉降性能与处理效能。介质生物膜技术替工艺特点如下。
3.2.1 污泥产量低
介质生物膜为微生物提供天然庇护条件，且隐含不同含氧微环境，这就比活性污泥具有更多样菌种及较长的食物链。进言之，固着于介质之上的生物膜可较长时间停留于载体之上，这使得世代时间较长、比增殖速度较低细菌能够生长其中，如，硝化细菌等。同时此条件下亦可使以细菌等为食的高层次营养水平原生动物、后生动物乃至昆虫存在，使得食物链变长，最终产生比活性污泥处理系统较少的生物量（约1/4）。
3.2.2 污染物同步去除
介质生物膜中能够存在不同含氧微环境，这使其具有同时去除多种污染物之潜力。当其处于适当含氧环境中时能够发生除碳、同步硝化反硝化，甚至同步脱氮除磷过程。
3.2.3 系统稳定性高
与絮状活性污泥相比，介质生物膜具更长且多样的食物链，这使其当面临水质或水量冲击负荷时具有较高缓冲能力与系统韧性。同时，具有特殊构造的介质能够为微生物生长繁殖形成庇护，使其免受曝气、水流或是介质之间剪切与摩擦作用，促进生物膜形成，进一步提高其本身与系统稳定性与抗冲击能力。
3.2.4 泥水分离效果良好
因介质生物膜具有致密结构与较大密度，这使其具有良好的沉降性能与泥水分离效果。即使是老化剥落的生物膜碎片，其沉降性能依旧能达到普通活性污泥的1~3倍。
3.2.5 无污泥膨胀之虞
与絮状活性污泥不同，介质生物膜即使因环境条件滋生丝状细菌也不会导致污泥膨胀现象，丝状细菌会被严实地包裹在生物膜之中，难以致密实的生物膜结构变蓬松状态。
4.介质生物膜技术的未来
纵观如图2总结的介质生物膜技术发展历程，不难发现，介质生物膜工艺主要依托于介质材料及其形式革新而迭代，应用工艺表现为介质细化、浮动至动态循环，但目前污泥组成还是以介质生物膜辅助絮状活性污泥的双污泥系统为主。
图2 介质生物膜技术发展历程
介质生物膜技术的未来仍然应该朝着微细化（1 mm）载体方向发展，但介质密度确定应该是一个关键。另一方面，双污泥系统应向以介质生物膜为核心的单污泥系统转变，因为微细介质生物量富集程度足以满足生物处理的需要，不再需要絮状污泥有限而又可能被剪切细化的生物量，使之与颗粒污泥一样的运行效果，而又能避免颗粒污泥形成的苛刻布水与曝气工艺条件以及遇不利环境条件易解体之弊端。
从介质材料本身讲，高密度材料不应作为首选对象，特别是无机材料。这是因为介质密度大会导致使介质悬浮的曝气量过大，导致能耗过高。另一方面，一旦无机载体进入剩余污泥会导致污泥有机成分降低，后续污泥处理无论是传统厌氧消化还是未来污泥焚烧都会因此受限。因此，介质填料应向密度略比水大的有机、耐降解材料方向发展，即使进入剩余污泥也可通过干化焚烧解决。
早期固定介质单污泥生物膜（如，生物滤）工艺中，生物膜无法移动或动态循环，因此，生物膜生化作用仅限有机物（COD）去除以及硝化和有限反硝化与生物除磷（合成之需）。好氧颗粒污泥作为一种新的生物膜形式之所以可以获得同步脱氮除磷效果是因为在运行时间上依次可以实现厌氧好氧/缺氧动态循环。所以，微细化介质单污泥生物膜工艺完全可以藉颗粒污泥一样的运行方式实现同步脱氮除磷。当然，介质生物膜亦可实现连续流运行，通过缩短二沉池沉淀时间冲刷掉絮状污泥，并使载体污泥（部分需脱膜处理）回流，则可实现同步脱氮除磷。
事实上，介质生物膜确实与颗粒生物膜具有异曲同工之处，其结构与生物膜分层结构如图3所示。两者不同之处在于一个有“核”（介质生物膜）而另一个无核（颗粒生物膜）。介质生物膜可利用自身结构特性促使细菌分泌更多EPS，从而改变生物膜的疏水性，增大细胞间凝聚力，促使污泥聚集形成生物膜，这会使得依附于介质生物膜比颗粒生物膜易形成且更加稳定。
图3 介质生物膜立体结构与分层生化作用
5.总结与展望
通过总结介质生物膜技术发展历程，结合介质生物膜工艺原理与特点，从而对未来介质生物膜技术发展方向做出预见向判断：
1）介质生物膜技术正向微细化介质方向演变，但目前仍以生物膜辅助絮状污泥的双污泥工艺为主；
2）介质生物膜技术作为最古老的污水处理工艺今后仍具可持续生命力，但需与时俱进；
3）未来介质生物膜技术向微细化介质方向发展无误，但介质材料应避免大密度的无机材料，应选择密度比水略大的有机、耐降解材料；
4）介质微细化可大大增加载体的比表面积，增大生物膜量，因此无需再作为絮状污泥的辅助措施，完全可以实现以生物膜为核心的单污泥系统，以避免絮状污泥因介质运行剪切而细化难沉淀之问题；
5）介质生物膜与颗粒生物膜（好氧颗粒污泥）结构与净化作用具有异曲同工之妙，但比颗粒生物膜更易形成结构稳定，不易解体或脱落的生物膜。
