生物膜耦合工艺在污水处理中的应用

蒋维卿，么兴荣，王 帆，孙雪健，刘松林，刘轩彤,边德军

(1. 长春工程学院水利与环境工程学院，吉林长春 130012；2. 吉林省城市污水处理重点实验室，吉林长春 130012)

随着污水成分的日益复杂以及污水处理排放标准的日趋严格，传统单一处理工艺的处理效果难以达到排放要求，人们开始对现有工艺进行改造或将不同的工艺进行组合联用来提高处理效率。生物膜法是一种较为常见的生物处理法，运行管理简单、占地面积小、出水水质好，在污水处理中得到越来越广泛的应用[1]。生物膜耦合工艺是将生物膜与其他污水处理工艺组合，在同一反应空间内完成污水处理过程，可以在现有的工艺上通过投加填料载体或直接接种特异性菌种形成生物膜的方法进行改造，无需增建反应池，具有操作方便灵活、基建费用较低等优势，在传统污水处理工艺升级改造中得到了越来越多的应用。

生物膜-活性污泥耦合工艺是在同一反应器中实现生物膜与活性污泥的共存，与传统的生物接触氧化法不同，耦合工艺通常设有污泥回流装置。一般在传统活性污泥工艺曝气池中投加填料作为微生物附着的载体，也有少数会研究在厌氧区投加填料载体的处理效果[2]。生物膜-电极法(BER)是将生物膜直接固定在电极表面，或在两块电极板之间投加生物膜载体构成耦合系统，结合了生物膜法固着微生物进行生物降解和电化学法较高的氧化还原能力，达到对有机污染物的协同降解作用[3]。生物膜-膜处理耦合工艺根据膜功能形式的不同主要分为3种：(1)在传统的微滤或超滤膜处理系统中投加载体使生物膜附着，实现生物膜与膜过滤技术的耦合；(2)膜曝气生物反应器(MABR)，其中，气体分离膜同时作为载体和曝气装置为微生物提供附着场所和氧源[4]；(3)萃取膜生物反应器(EMBR)，萃取膜隔离废水与微生物，形成污水循环和生物处理两部分，在生物处理一侧，微生物附着在萃取膜上形成生物膜。萃取膜提取特定的污染物进行处理，对微生物有害的物理、化学因素被萃取膜隔离，不会影响到生物降解[5]。

本文综述了以上3种研究应用较多的生物膜耦合工艺的优点和不足之处，以及其在污水处理中的研究应用现状，并对生物膜耦合工艺未来的发展方向进行探讨，以期可以为该工艺的研究和推广应用提供一定的参考。

1 生物膜-活性污泥耦合工艺

1.1 优势

相比于传统的活性污泥法或生物膜法，填料的投加显著提高了耦合系统中的生物量，生物群落结构也更为复杂，使耦合工艺具有较好的去除效果和较强的抗冲击负荷能力。生物膜和活性污泥可以实现不同的污泥龄(SRT)，满足脱氮除磷的不同需求，进而实现同步脱氮除磷，同时丰富了脱氮除磷形式[6]。在受到有机负荷冲击时，系统中用于去除污染物的优势菌属可以在生物膜中附着生长，不易更替，菌群演变过程比较稳定[7]。此外，耦合工艺比活性污泥法污泥容积指数(SVI)明显降低，污泥沉降性能得到提高[8]。

相比单一的生物膜法，生物膜-活性污泥耦合工艺对化学需氧量(COD)的去除率从75%提升到80%以上，氨氮的去除率始终保持在90%以上[9]。陈月芳等[10]提高耦合工艺的水力冲击负荷，出水CODCr稳定在30 mg/L以下，平均去除率达到92%，出水氨氮和总氮(TN)也分别稳定在5 mg/L和15 mg/L以下。在对传统污水处理工艺脱氮升级改造中，相比同等规模的活性污泥工艺，采用耦合工艺达到硝化污泥龄所需的容器体积要小得多。在布鲁姆菲尔德废水回收设施的脱氮升级改造中，采用固定生物膜-活性污泥反应器(IFAS)改造的成本约为900元/m3，与采用间歇曝气、生物膜法以及潜水生物滤池(SBF)等改造方案相比成本最低[11]。

1.2 技术难点

生物膜-活性污泥耦合工艺不是将生物膜法与活性污泥法的简单叠加，因此，其去除机理较为复杂，关于生物膜的强化效果还存在争议。汪君晖等[12]在研究中发现，生物膜对硝化作用的贡献仅占5.5%。而栾志翔等[13]研究发现，悬浮载体上硝化菌群丰度是活性污泥的14倍。因此，耦合工艺的强化效果可能是反应器的结构、运行参数、填料形式、填充率等多种因素共同影响的结果。此外，关于该工艺的设计运行无成熟的规范用于参考，由于处理水质、研究性质不同，关于运行参数的研究等无一般性结论，很难应用于工程实际中，只有通过工程试验和实际的工程应用来验证选用的参数是否合理。如刘良军等[14]在试验运行时采用分批挂膜投加的方式，根据实际流化效果确定最终填充率。

1.3 研究及应用现状

生物膜-活性污泥耦合工艺多用于城市污水处理厂提标改造以及难降解污水处理，旨在解决传统工艺存在的问题，提高处理效果。工程应用实例表明，生物膜-活性污泥耦合工艺具有多种形式，且可以应用于不同形式的活性污泥工艺的提标改造(表1～表2)。

表1 生物膜-活性污泥耦合工艺提标改造应用概述Tab.1 Overview of Application of Biofilm-Activated Sludge Coupling Process in Upgrading and Reconstruction

表2 生物膜-活性污泥耦合工艺在难降解污水处理中的应用概述Tab.2 Overview of Application of Biofilm-Activated Sludge Coupling Process in Non-Degradable Wastewater Treatment

目前，更多研究关注载体的材质，亲水性能好、孔隙率高、比表面积大、密度接近于水的载体更有利于耦合工艺的运行。随着工业技术的发展，新型材质载体层出不穷，如新型斜发沸石载体[22]、饮用水处理中的沉淀污泥制成的陶粒载体[23]、椰子纤维载体[24]等，其各自特有的性质促进了生物膜中微生物的生长，提高了处理效果。

2 BER

2.1 优势

BER在处理难生物降解或电解不完全的污废水方面显示了一定的优势。李天成等[25]在试验中发现，BER对铬离子(Cr3+)去除率为97%，较电化学法和生物膜法均提高了15%。通过比较电化学法、生物法和BER对2,4-二氯苯酚的降解，发现耦合工艺在48 h内对2,4-二氯苯酚的去除率为100%，远高于使用纯电化学和纯生物工艺的62%和42%[26]。当投加的载体为活性炭时，活性炭具有吸附作用，同时还可以作为第三电极，提高了电流效率，活性炭吸附、微生物降解、电化学降解的协同作用进一步提高了系统对污染物的去除[27]。

2.2 技术难点

目前，BER尚有许多技术难点有待研究和解决。寻找合适的电极材料及快速有效的挂膜方法是该工艺能够稳定运行需首要解决的问题。电极板同时作为导电材料和生物膜的载体，需要导电性良好、耐腐蚀、适合挂膜、廉价易得。为了不影响微生物的活性，电解电压必须较低，同时，生物膜覆盖在电极上在一定程度影响到电极上发生的反应[30]。研究发现，生物膜的组成、形态、物理性质和厚度对生物电的产生有着显著的影响[31]。目前，还没有关于反应器电压和生物膜厚度的确定范围，如何培养处理适应性强的生物菌种等也需要进一步的研究。且BER对成分复杂、浓度高、毒性大的实际工业废水的处理存在一定局限性[3]。

2.3 研究及应用现状

目前，BER多用于处理含重金属离子或难生物降解等有毒有害污染物的污水(表3)。电场的存在促进生物膜中微生物菌群对有机物的降解，且可有效降低生物膜吸附重金属离子的负荷。随着BER越来越多的应用，挂膜方法和电极材料也不断研发。同时，耦合工艺的形式结构也在不断改善以更好地发挥该工艺的优势。

表3 BER工艺的应用概述Tab.3 Overview of Application of BER

3 生物膜-膜处理耦合工艺

3.1 优势

生物膜与传统的微滤、超滤等膜过滤技术耦合，使系统的处理效果和污泥理化特性有所提高。填料流动对膜表面的冲刷[37]，以及填料的投加引起的细胞外聚合物中可溶性微生物产物(SMP)含量的降低[38]，有效减轻了膜处理工艺普遍存在的膜污染问题。Mousaab等[39]投加生物载体在超滤膜反应器中，COD、总悬浮固体(TSS)、挥发性悬浮固体(VSS)和TN的去除效率分别从87.9%、99.6%、97.5%和91.1%提高到93.2%、100%、99.9%和91.3%。相比于单一的膜处理工艺，耦合工艺的膜过滤操作时间几乎延长了1.5倍，随着载体对膜的冲刷，膜过滤操作时间进一步延长至8倍[37]。膜的定期化学清洁可以延长到大约6个月[40]。

MABR的主要优势是节省能源成本、运行稳定安全、去除效率高。与传统的鼓风曝气相比，MABR的无泡曝气和生物膜的结合显著提高了溶解氧(DO)的转移和利用效率[41]，在处理含易挥发性物质或表面活性剂污水时不会造成二次污染[42]。 Nerenberg[43]通过试验获得中试规模的数据和模型数据表明，MABR的能源利用效率比传统的活性污泥高出86%。不存在气泡扰动刮擦和机械搅拌等外部作用，生物膜可稳定快速形成且结构较为致密[42]。此外，由于DO和污染物从相反的面扩散到生物膜上实现异向传质，致使生物膜产生功能性分层，使MABR可以同时高效去除COD和N[44]。

EMBR可以提取需要去除的目标污染物进行生物降解，对污水中的挥发、半挥发性有机污染物有较高的去除效率。同时，萃取膜隔离挥发性有机化合物和充气气体，使二者不会直接接触从而避免环境污染。EMBR中废水循环单元和生物降解单元相互独立，微生物与废水有效分离，生物代谢产物不会产生二次污染，操作管理方便，处理效果稳定[45]。Livingston等[46]试验发现，在废水与反应器的接触时间少于30 min的情况下，EMBR可去除99%以上的有毒有机污染物。

3.2 技术难点

生物膜-膜处理耦合工艺的技术难点在于膜污染的解决、膜的研发、生物膜的研究。关于投加填料是否减轻膜污染存在争议，Lee等[47]认为，在膜生物反应器中加装固定弹性填料会加速、加重膜污染。丝状菌存在于生物膜上，由生物膜形成的滤饼层厚且致密，丝状菌对膜上的污垢有固定作用，从而加重膜污染[48]。是否能减轻膜污染可能与填料的种类、安装形式有关。

MABR运行中存在膜污染、膜造价过高等问题[49]。MABR中生物膜厚度的增加会导致传质阻力增加，降低处理效果[50]。关于MABR的研究主要集中在处理污水的性能上，生物膜的物理分层或不同污水特性和操作条件下硝化细菌的变化、微生物群落的整体多样性尚不清楚[41]。

萃取膜价格高昂，膜较厚会导致阻力大,使渗透通量小，而具有高选择性的膜通常显示出较低的渗透通量，因此，很难找到对特定污染物具有高选择性且价格合适的膜。此外，污染物的反向渗透、膜的溶胀等问题会降低膜装置的寿命，以上均影响了EMBR的商业应用[5,45,51]。因为DO和有机碳的扩散受到生物膜厚度和结构的影响，而生物膜过厚会大大降低有机化合物穿过膜的通量，运行中也需要控制生物膜的生长[52-53]。

3.3 研究及应用现状

生物膜-膜处理耦合工艺在处理难生物降解以及含有有毒有害污染物的污水时表现出较好的去除效果(表4)。

表4 生物膜-膜处理耦合工艺的应用概述Tab.4 Overview of Application of Biofilm-Membrane Treatment Coupling Process

随着工业的进步，对膜材质的研究也得到了不断的发展，耦合工艺的形式也不断改进。采用改性尼龙丝代替传统MABR中的聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)中空纤维膜，降低成本，提高机械强度和亲水性，不易堵塞[59]。将热塑性聚氨酯(TPU)与电纺聚二甲基硅氧烷/聚甲基丙烯酸甲酯(PDMS/PMMA)混合以制造新型电纺TPU/PDMS/PMMA膜用于EMBR，可以在不损害膜性能的情况下改善机械性能[60]。Ren等[61]提出，通过PDMS涂覆的方法制取电纺PDMS膜，制备简单、分离效率高、性能稳定，并且解决了EMBR在处理酚盐废水中的低机械性能、低传质和盐漏的问题。EMBR中生物膜过厚会降低传质能力，处理受苯酚污染的盐水时，生物膜过厚会导致苯酚传质减少42%，通过降低无机负载率和采用水下鼓泡充气配置进行膜洗涤，可以将苯酚传质减少限制在13%以内[62]。

4 总结与展望

关于生物膜耦合工艺在污水处理中的研究与应用已取得一定成果，但在我国的应用时间较短，技术水平有待提高，存在许多需要改进之处。随着人们对环境质量要求的提高，生物膜耦合工艺在我国有很大的发展空间。关于国内外生物膜耦合工艺的研究应用的总结和对未来研究的展望可以归结于以下几点。

(1)生物膜-活性污泥耦合工艺具有强化脱氮除磷、提高抗冲击负荷等优点，在城市污水处理厂的升级改造中得到了较多的应用，投资成本少，应用于处理难降解污水也取得了较好的处理效果。关于生物膜对耦合工艺的强化效果还存在争议，未来可以更多的关注在其去除机理、微生物特性和运行参数等方面的深入研究，致力于制定相应的规范和研发充分发挥耦合工艺优势的反应装置。此外，耦合工艺中生物膜、活性污泥特性也有待于进一步研究。

(2)BER结合了生物膜的微生物附着特性和电解法的氧化还原能力，对含重金属离子或农药、氯化物等有害污染物的污水有较好的去除效果。该工艺也存在一些局限性，寻找有效的电极材料、有效的挂膜方式是亟需解决的问题。目前的研究多从电化学方面考虑，未来对生物膜特性的更深入的了解和对BER中生物膜去除机理的认识可能会进一步改善BER的性能。

(3)生物膜-膜处理耦合工艺结合了生物降解与膜分离技术，有效改善了污泥沉降性和膜结垢方面的问题。MABR、EMBR对含挥发、半挥发性污染物的污水有很好的处理效果，避免了二次污染，在节省能耗方面也有一定的优势。该工艺在现有膜处理工艺升级改造中应用效果良好,但关于减轻膜污染方面还存在争议，同时，膜性能等问题也影响了更广泛的商业应用。未来可以更多关注生物膜的挂膜与生长管理，以及生物膜生物特性的研究，以促进生物膜与不同形式的膜处理工艺更好的耦合。同时，对于膜材料的研发也是重中之重。

(4)生物膜法用于传统污水处理改造中，操作简单方便，节省改造费用，提高处理效果。关于生物膜耦合工艺的研究应用不仅以上3种，如生物膜法与人工湿地处理系统、生态浮床的耦合等也取得了一定的成果。未来对现有污水处理工艺的升级改造可以更多地考虑生物膜耦合工艺的应用。