低温下厌氧MBBR不同填料挂膜启动特性研究

解清杰，王 帆，阿 琼，熊新港，常铖炜，姜 姗

(1.江苏大学 环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013；2.西藏自治区环境科学研究所，西藏 拉萨 850000)

恶劣的自然环境和落后的经济水平，导致高寒缺氧地区的农村生活污水处理率远低于其他地区，其中低温和缺氧是制约污水处理的主要技术因素[1]。低温导致设备故障增多、微生物活性[2-4]和传质条件变差[5]；缺氧降低了人工曝气效率[6]，共同致使该地区生活污水处理成本高、效果差。生物膜的结构为微生物提供了较为稳定的生活环境[7-8]，相较于活性污泥而言，更能适应不利环境[9]，并且生物膜工艺更耐受低温环境[10-11]、微生物种类丰富[12-13]且易于固液分离[14]，运行成本更低[15]。移动床生物膜反应器(moving-bed biofilm reactor，MBBR)是在生物膜工艺基础上，设计特定密度的轻质填料，通过机械搅拌、曝气等手段令负载生物膜的填料在反应器内不断流动，使之与污水充分混合[16]，具有传质阻力小、生物膜更新速率快、微生物的活性高等优点，从而对污染物有着更高的去除速率。近年来，学者发现MBBR工艺在低温下具有良好的运行效果[17-20]，而厌氧工艺因其产泥量低、无需曝气、运行成本较低，并且可以克服缺氧的影响，因此更能适应高寒缺氧地区生活污水的特殊水质和处理需求。

低温挂膜是整个工艺的启动阶段，生物载体的性能决定了厌氧MBBR反应器的启动速率和运行效果[21]，因此根据水质选择合适的填料是必要的。学者往往根据不同填料对污染物的去除效果、微生物增殖速率来间接评估填料的生化性能，而呼吸图谱能够直观地描述填料上微生物的活性，直接表征填料的优越性，在工程上常用来评估好氧工艺生物活性和种群结构，但学术界缺乏对厌氧工艺和生物膜工艺微生物呼吸图谱的研究。基于此，本文不仅比较了3种不同填料生物膜形态的变化、对污染物的去除效果和微生物的增殖速率，还根据厌氧产气的现象，设计一种测定厌氧生物膜比呼吸速率的方法，并通过比较3种填料的总比呼吸速率和内源呼吸速率来说明填料的优劣和低温厌氧反应器的启动机制，以期为实际工程提供经验。

1 材料与方法

1.1 实验装置

反应器材质为有机玻璃，内径14 cm，高85 cm，有效容积12 L，污水下进上出，外壁缠有透明水管，使用5～6 ℃的循环冷水对反应器进行保温，反应器内水温为8～14 ℃，水管外覆盖保温材料，以模拟低温环境。反应器为了保持厌氧环境，采用搅拌器进行搅拌使填料流动，使用高位水箱连续供水，采用液体流量计控制水量大小。装置如图1所示。

1-高位水箱;2-进水取样口;3-阀门;4-浮子流量计;5-保温棉;6-冷水管;7-悬浮填料;8-搅拌器;9-搅拌棒;10-冷水箱;11-水泵;12-冷水机

3组反应器由同一个高位水箱供水，连续并联运行120 d，分别投加普通聚氨酯海绵填料、负载活性炭粉末的Levapor海绵填料和聚乙烯K3填料，填充比均为60%，水力停留时间8 h，反应器内溶解氧保持在0～0.5 mg/L，搅拌速率为150～250 r/min，填料性能如表1。

表1 填料的物理性能

使用葡萄糖、氯化铵和磷酸二氢钾配置COD为5 000 mg/L、氨氮为330 mg/L、总磷为22 mg/L的全营养液；用氯化铵和磷酸二氢钾配置氨氮为330 mg/L、总磷为22 mg/L的无碳源营养液；微量元素溶液配方同文献[22]，储备液浓度为原文献浓度的1 000倍，使用时稀释到文献中的浓度。

1.2 实验试剂和仪器

过硫酸钾(适用于HJ636-2012)、纳氏试剂(阿拉丁试剂(上海)有限公司)；其余试剂购自国药集团化学试剂有限公司。所用试剂均为分析纯。

DRB200型快速消解器、HQ30d型溶解氧仪(哈希水质分析仪器(上海)有限公司)；UV-1200紫外/可见光分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)；BSA224S分析天平(赛多利斯(上海)贸易有限公司)；KQ-250DE超声清洗器(昆山市超声仪器有限公司)。

1.3 废水来源与挂膜方式

启动阶段采用稀释后的实际生活废水进行连续自然挂膜，生活废水取自江苏大学东山操场东侧污水井，主要为食堂和学生宿舍生活废水。根据西藏拉萨市典型农村生活废水水质[23]，对生活废水的COD和TP进行稀释，并投加氯化铵补充氨氮，具体水质如表2。

表2 进水水质

1.4 分析方法

1.4.1 取样方式

每隔3 d取样测进出水质，每隔7 d测定一次生物膜参数和呼吸速率。反应器的进出水样均取9 h混合样，即每隔1 h取5 mL水样，共取10次，混合后测定水质参数。生物膜固体浓度、生物膜挥发性固体浓度和呼吸速率均取2～4个填料进行测定。

1.4.2 分析方法

常规水质参数、生物膜量的检测方法如表3。

表3 分析方法及所用仪器

1.使用0.1 mol/L 氢氧化钠溶液60 ℃下浸泡填料2～4 h后，超声剥离生物膜[24]。

总比呼吸速率(SOURT)由自养微生物比呼吸速率(SOURA)、异养微生物比呼吸速率(SOURH)和内源比呼吸速率(SOURen)组成[25]。厌氧反应产生甲烷、硫化氢、氨和硫化铵等，导致棕色瓶内压强增大，因此本实验采用压差法[22]测定以上呼吸速率，使用HACH BOD Trak©Ⅱ进行测定，操作如下：

1)对棕色瓶、转子和蒸馏水进行高温消毒；

2)测定蒸馏水的溶解氧浓度，并根据溶解氧浓度加入2倍理论量的亚硝酸钠去除水中溶解氧，待溶解氧降至1 mg/L 以下后，根据加入的亚硝酸钠量加入定量氯化钡，以消除硫化氢积累对厌氧微生物的抑制影响，取浑浊液作为实验用水；

3)各取2个填料冲洗后放入棕色瓶内，分别加入45 mL全营养液、0.4 mL微量元素溶液，为消除瓶中氧气的影响，加入440 mL实验用水后放入转子，以不加填料为空白，此时测得的数据为SOURT；

4)将步骤3)中全营养液改为无碳源营养液，其余同3)，此时测得的数据为SOURA；

5)将步骤3)中全营养液改为去除溶解氧的实验用水，其余同3)，此时测得的数据为SOURen；

6)打开HACH BOD Trak©Ⅱ，设置BOD 范围为0～350 mg/L，时间默认为5 d，开始测定。

由于仪器导管中有空气，因此待仪器读数开始降低或上升速率低于空白样时，开始记录全营养液瓶中的数据，而测定内源比呼吸速率的样品瓶在8～12 h时与空白读数差值最大，记录此期间的数据。

厌氧生物膜的比呼吸速率计算公式为

(1)

式中：SSOUR,i为第i个样品的比呼吸速率，mg/(h·g)；ρBOD,0为空白样BOD5读数，mg/L；ρBOD,i为第i个样品的BOD5读数，mg/L；V为仪器设置的溶液总体积，与选择的BOD5范围有关，0～35 mg/L时为0.42 L，稀释倍数为1.14；n为棕色瓶中加入的填料个数，个；t为反应时间，h；mi为第i个样品的混合液挥发性悬浮固体质量，g。

2 结果与分析

2.1 填料上的生物膜形态

厌氧微生物世代时间比好氧微生物更长，并且本实验用水为低温、低营养的生活废水和自然挂膜的启动方式，也就需要更长的挂膜时间，120 d的运行也未能令生物膜覆盖整个填料，因此本实验期间，低温厌氧生物膜挂膜并未结束。

通过对填料挂膜情况的持续观察发现，生物膜在不同流化填料上具有不同的生长方式，对于环状K3填料，生物膜首先出现在填料内壁，这是因为K3填料的外壁与反应器和其他填料之间摩擦频繁，不利于附着，因此内壁先出现生物膜，而随着反应器运行时间的增加，微生物膜的颜色由微黄色变为黑褐色，厌氧菌逐渐成为优势菌种。对于多孔材料而言，孔洞增大了比表面积并为微生物提供了相对稳定的环境，但也阻碍了内部物质的交换，因此外壁生物膜的生长速度更快。

对于厌氧MBBR而言，为了保持反应器内的厌氧环境，一般采用机械搅拌的方式推动填料流动，反应器内的碰撞强度更高，因此对填料的机械强度要求更高。在反应器运行期间，方形的多孔填料均出现不同程度的损坏，Levapor填料的表面出现拉丝，边角破损消失，负载的活性炭也大量脱落，而普通聚氨酯海绵填料破碎严重，边角完全消失，与之对比，环状的聚乙烯填料只发生了轻微变形，可见材质和形状决定了填料的使用寿命。

2.2 3种填料对污染物的去除效果

3种填料对COD去除效果见图2。实验结果表明，厌氧MBBR反应器低温挂膜期间，反应器的出水COD浓度与进水COD浓度呈现正相关，在反应器运行0～12 d期间，由于初端污水溶解氧浓度较高，并且反应器内微生物数量和活性无法完全消耗系统内增加的溶解氧，因此3个反应器内溶解氧浓度均大于2 mg/L，属于好氧水平，因此有机物去除率较高[26]；而在12 d之后，3个反应器内溶解氧浓度均低于1 mg/L，已经达到厌氧水平，此时有机物的去除率降低。在12～33 d期间，3种填料对COD的去除率从大到小顺序为:Levapor海绵填料、聚氨酯海绵填料、K3填料，这是因为多孔材料吸水性和亲水性好、沉底快，因此机械搅拌能令填料与污水充分接触，对污染物的去除效果更好，在2种多孔填料中，由于Levapor填料上负载了一定的活性炭粉末，对污染物和微生物代谢产物具有吸附作用[27]，因此去除效率最高。K3填料亲水性差，在挂膜前期无法沉底，填料由于浮力堆积在一起，不利于流化，因此去除效果相对较差。反应器运行30 d左右，多孔填料受机械碰撞开始发生破损，Levapor海绵填料负载的活性炭发生脱落，但破损的填料和活性炭未排出反应器，因此在33～72 d，多孔填料对COD的去除率上升不明显，但仍然高于K3填料。72 d之后，聚氨酯海绵填料的残体和Levapor填料脱落的活性炭随出水流失严重，因此去除率保持不变，依靠反应器内以悬浮态微生物对污染物进行去除，因此2种多孔填料的去除率趋于相同，保持在20%左右，而在这一阶段，K3填料对COD的去除率稳定上升，并逐渐超过2种多孔填料，但由于低温生物膜增殖速度变慢和较短的水力停留时间，反应器启动120 d之后，COD的去除率只有30%～35%。

图2 3种填料对COD去除效果

3种填料对氨氮去除效果见图3。实验结果表明，大多数情况下，3种填料的出水氨氮浓度均不同程度地高于进水，这是因为实验污水主要来自食堂和宿舍，有机氮较多，在厌氧条件下，经氨化微生物[28]作用，有机氮变为氨氮，提高了反应器内氨氮的浓度[29]，又由于低温导致生物活性下降，因此增加幅度不大。氨氮的去除效果与溶解氧密切相关，在0～12 d期间，反应器内为好氧状态，因此氨氮去除率较高[30]，能达到20%左右，12～120 d期间，由于实验并未在特殊的条件下运行，因此反应器内的氨氮主要通过微生物的同化作用被合成为蛋白质等生物分子[31]，利用率较低，因此去除率仅为10%～15%。Levapor海绵填料负载了一定的活性炭粉末，生物亲和性好，并且对氨氮有一定的吸附效果，因此在反应前期去除效果最高，随着2种多孔填料破损的加重，原本挂载的氨化微生物发生了脱落、流失，因此其反应器的出水氨氮浓度逐渐接近进水；K3填料对氨氮的去除效果略有变化，在挂膜后期，K3填料对氨氮去除率的绝对值变大，证明K3填料上氨化微生物在缓慢增殖。厌氧MBBR反应器对氨氮的去除效果不佳，甚至会产生氨氮，说明单厌氧的反应器具有局限性，应和好氧反应器进行耦合才能增强脱氮效果。

图3 3种填料对氨氮去除效果

3种填料对TP去除效果见图4。同氨氮结果一样，低温厌氧MBBR反应器对污水中总磷的去除效果不佳，0～12 d期间，由于反应器内为好氧条件，根据典型的污水除磷原理，聚磷菌超量吸收水中的磷元素，因此总磷的去除率可达30%左右，而在12～24 d期间，反应器内初步达到厌氧条件，微生物分解细胞内储存的聚磷酸盐，合成β-羟基丁酸(PHB)等有机物，释放出磷元素[32]，在此期间反应器出水总磷上升幅度较大。随着实验的进行，污水中的总磷通过生物膜的吸附和同化作用从污水中去除，又通过微生物细胞的裂解和生物膜的脱落回到污水中，随出水从体系中脱离。填料表面的生物膜更新速率越快，出水中总磷含量越高，因此在24～54 d期间，由于多孔填料生物膜更新速率较慢，Levapor海绵填料和聚氨酯海绵填料对总磷的去除效果优于K3填料，并且活性炭粉末对总磷有一定的吸附作用[33]，Levapor海绵填料对总磷的去除率最高，可达10%左右，后续因为多孔填料发生破损，活性炭和生物膜大量脱落，导致出水总磷升高。由于剩余污泥随出水排出是总磷脱离反应器体系的唯一途径，所以K3填料反应器的出水总磷浓度较高并不一定是坏事，随着反应器的运行，最终K3填料能去除5%左右的总磷，且波动比多孔填料更大，说明K3填料生物膜更新频次更高，与合适的物理沉降工艺组合，可以达到较好的除磷效果。实验结果表明，厌氧MBBR反应器对总磷的去除效果不佳，仍需要配合其他工艺方可达到较好的去除效果。

图4 3种填料对TP去除效果

2.3 3种填料的生物量变化

填料上微生物膜的增殖速率代表了填料的生物亲和程度，从实验结果来看(见图5和图6)，多孔材料挂膜速度更快，并且生物膜的浓度更大，但由于其强度不如K3填料，后期发生的破碎和损坏，导致生物膜脱落严重，聚氨酯海绵填料生物膜脱落严重，生物膜固体浓度从1.4 g/L降低到0.4 g/L；Levapor海绵填料生物膜的浓度也发生了下降，但由于破损不如聚氨酯海绵严重，并且负载的活性炭粉末会使得实验结果偏大，因此生物膜的变化小于聚氨酯海绵填料；K3填料的生物膜直接与流动的污水接触，摩擦更大，因此挂膜速度较慢。总体而言，低温下厌氧生物膜反应器生物增殖速度较慢，生物膜有机成分占比较活性污泥更高，并且随着挂膜的进行，有机组分的占比略有下降。这是因为初端污水悬浮物质较少，并且只有随着生物膜的增殖，具备了一定的生物膜厚度，才具有吸附无机组分的条件，因此生物膜工艺有机组分占比更高。

图5 3种填料生物膜固体浓度变化

图6 3种填料生物膜挥发性固体浓度变化

2.4 3种填料的比呼吸速率变化

呼吸速率代表了微生物的某种代谢活性[34]，对于厌氧生物工艺而言，总呼吸速率代表了厌氧生物膜总体活性，自养呼吸速率代表了厌氧微生物膜中自养微生物的活性，异养呼吸速率代表了异养微生物的活性，内源比呼吸速率代表内源呼吸强度。

比呼吸速率指单位质量生物膜的呼吸速率，不同类型的比呼吸速率具有不同的意义。总比呼吸速率的变化代表单位质量微生物的活性变化，直接说明微生物对污水的适应情况，不同污水水质有不同的比呼吸速率[35]，间接代表了填料的生物亲和性。实验结果表明(见图7、图8和图9)，反应器内微生物活性随反应器运行时间的增加而增强，最终总比呼吸速率从大到小排列为：K3填料、聚氨酯海绵填料、Levapor海绵填料。2种多孔填料总比呼吸速率的上升趋势更快，说明多孔填料内部稳定的环境为微生物生命活动提供了较为稳定的环境，更适合微生物生长[36]。自然挂膜利用待处理污水中的土著微生物进行挂膜，这些土著微生物对待处理污水中污染物已经较为适应，因此在水温降低后，能够更快被驯化，总比呼吸速率的变化也证明了这一点。尽管总比呼吸速率均呈现上升趋势，但上升速率并不均匀，在0～30 d上升幅度较大，30～120 d上升幅度较小，说明土著微生物在30 d左右基本驯化完成，已经适应低温环境。

图7 Levapor海绵填料比呼吸速率变化

图8 K3填料比呼吸速率变化

图9 聚氨酯海绵填料比呼吸速率变化

内源比呼吸速率间接代表生物膜中衰亡细胞的数量，根据典型的微生物生长曲线，衰亡微生物的数量代表了相应的生长时期[37]：在挂膜前期，微生物处于适应期，不适应环境的微生物死亡，此时宏观生物膜的内源比呼吸速率较高；挂膜中期，微生物处于对数增长期，代谢旺盛，新细胞产生速度快，此时生物膜的内源比呼吸速率较低；挂膜后期，微生物数量达到环境上限，细胞衰亡速度加快，因此生物膜的内源比呼吸速率变高。由于本实验采用自然挂膜法进行启动，进水源源不断地向反应器内输入土著微生物，反应器内不同时期的微生物比例在不断变化，因此内源比呼吸速率的变化均不明显。在0～60 d，由于K3填料的生物膜与流动的污水和填料直接接触，受到的冲刷更剧烈，因此生物膜更新速度更快，泥龄更短；多孔结构为微生物提供了稳定的生长环境，但阻碍了生物膜的机械更新和物质传输[38]，因此生物膜的泥龄更长，所以这一阶段K3填料的内源比呼吸速率比多孔填料更低；在60～120 d期间，多孔填料发生破损，加快了生物膜的更新，内源比呼吸速率下降。总体而言，填料的结构决定了生物膜的更新速率，K3填料上的微生物膜受到的机械摩擦力更大，因此生物膜更新快，宏观上呈现出填料上生物膜固体浓度增长缓慢的特点，但K3填料单位质量生物膜的活性更高；多孔填料的孔洞结构为微生物生长提供了稳定的环境，阻挡了水流的冲刷和其他填料的直接摩擦，因此生物膜的泥龄能够保持在更长的水平，有利于反硝化细菌等繁殖缓慢的微生物生长，所以应根据进水水质、处理预期和具体工艺选择合适的填料。内源比呼吸速率的实验结果还表明，厌氧工艺具有比好氧工艺[39]更高的内源比呼吸速率，这可能是厌氧生物处理工艺剩余污泥量低的原因，温度影响内源呼吸的强度[40]，但低温工艺的产泥量可能会与温度降低水平不成正比。

3 讨论和结论

3.1 讨论

学者普遍认为环状硬质填料相对于软性海绵填料而言，尽管挂膜速度较慢，但寿命更长，并且流化难度更小、生物膜更加致密[41]，但相关研究主要是通过对微生物膜微观结构、污染物降解速度[42]和微生物种群结构[43]进行比较，并未持续追踪填料上生物膜宏观形态变化，也没有分析生物活性的变化，也就没有回答导致硬质环状填料挂膜速度慢但生物膜质地紧密的本质原因。本文研究表明，从不同填料上生物膜最早出现的部位、填料破损后微生物量和呼吸速率可知，多孔结构阻碍物质向内部环境的迁移和交换，不利于内部微生物膜的形成，导致内部微生物膜出现较晚，但同时也为内部微生物提供了稳定的生长环境，生物膜更新较慢，这一点从生物膜内源比呼吸速率也可以看出。当多孔填料发生破损，内部稳定环境被破坏时，多孔填料的生物量反而低于环状填料，由此可见内部微生物免于受水流和机械摩擦而流失是多孔填料挂膜速度快的主要原因，而在一定冲刷范围内，K3填料内外部均受到机械冲刷或碰撞，微生物流失速度较快，生物膜更新速度快，但流失的主要是与填料吸附不紧密的、衰老的微生物，优胜劣汰之下，填料微生物膜更加质地紧密，内源比呼吸速率也更低。

污水中土著微生物、活性污泥和特种菌种等是生物膜法微生物的主要来源，也衍生出自然挂膜法[44]、活性污泥接种法和优势菌种接种法等生物膜反应器启动方法。相关研究证明，自然挂膜法周期更长，但最终完成启动后，对污染物的去除效果与其他启动方式相比并不逊色[45]。本研究发现，由于土著微生物本身已经适应了相应污染物，因此驯化速度快，并且进水源源不断地向反应器内输入微生物，保证了反应器内悬浮微生物的浓度不至于因为剩余污泥的排除而降低，同时带来了位于各种生长周期的微生物，使填料的内源比呼吸速率保持在恒定值。当填料上附着的生物膜量达到一定基数时，自然挂膜填料的生物量增长速度也会变快，所以处理低温环境或其他特殊水质条件的污水时，自然挂膜法可以有效缩短微生物适应水质的时间[46]，从而缩短启动时间。

通过建立污染物去除率、微生物量变化和比呼吸速率变化之间的联系，证明了生物活性和生物膜量共同影响了反应器对污染物的去除效果：在启动初期，微生物处于适应期，还在适应低温和低营养环境，总比呼吸速率较低，并且填料上附着的生物量较少，共同导致此阶段生物膜增殖速度较慢[47]、污染物去除率较低[48]；适应期过后，微生物适应了水质和环境，比呼吸速率上升，此时微生物的数量是制约反应器对污染物去除率的主要因素，微生物比呼吸速率变化幅度不大，污染物去除率的增大是因为微生物数量的增加，总而言之，微生物的驯化和数量的增殖是生物膜反应器启动的实质。

除此之外，本文实验过程中还有一些现象值得注意：

1)无碳源营养液瓶中测定结果与内源呼吸测试瓶的结果基本一致。厌氧反应器中可能存在的自养微生物为自养硝化细菌[49]、厌氧氨氧化细菌[50]和自养产甲烷细菌[51]，在普通反应器中，这3种微生物数量少、活性微弱，无法通过产气量来判断生物膜是否发生自养呼吸，因此使用1.4.2节所述无碳源营养液测定自养呼吸速率时，受内源呼吸产气的影响较大，所以本文未附自养比呼吸速率的测定结果，也亟待一种简单、有效的测定厌氧自养微生物活性的方法。

2)测定总比呼吸速率的时候，24 h之后瓶中厌氧微生物产生的气体会逐渐减少，表现为仪器读数上升。气体可能通过溶解、泄漏和被利用3种途径消失，厌氧呼吸产生的甲烷和硫化氢气体难溶于水，而氨易溶于水，因此可能是氨溶于水导致气压下降，也可能是甲烷或硫化氢气体被分解[52]，还需要进一步研究揭示其机理。

相对已有研究而言，尽管本研究在研究方法和研究方向上具有创新性，但仍存在不足点：

1)本研究仅考察了严格厌氧下生物膜的呼吸速率，而反应器实际运行时，外界和进水会源源不断地给反应器内带来溶解氧，而反应器内还能保持厌氧状态，这就证明存在能消耗溶解氧的微生物，本研究未能研究此类微生物对污染物的去除效果；由于厌氧自养微生物数量较少，本研究也未能对厌氧生物膜的自养比呼吸速率进行探究。

2)当前学术界常用的生物膜剥离方法均存在一定缺点，超声、冷冻干燥法会使膜生物失去活性，酸碱药剂剥离法在损伤生物活性的同时，由于药剂和生物膜物质发生反应还会造成生物量测定值小于实际值，而手工剥离法误差大，并且不适合用于多孔材料，因此在测定生物膜呼吸速率时，这些方法均不适用。本研究将多个悬浮填料直接放入，在保证生物膜活性的同时，一定程度减少了误差，但由于瓶子容积限制，能加入的悬浮填料有限，在挂膜早期，填料上负载的生物较少而分布不均，实验误差较大，因此，迫切需求一种在保持生物活性的前提下，能够完全、快速地将生物膜从填料上剥离的方法。

填料比选之后，下一步的研究重点应在填料比选的基础上，研究影响厌氧MBBR反应器启动的工艺因素和反应器的生物增殖动力学参数、底物降解动力学参数和温度系数等参数，为厌氧MBBR反应器的设计提供理论基础。

实验结果证明，机械搅拌对填料的机械损伤是不可逆的，因此无损伤的搅拌方式能够增加悬浮填料的运行寿命，从而节省成本，而厌氧工艺的短板导致其对污染物不是全面、彻底地去除，因此后续研究方向可以放在厌氧工艺和其他工艺的耦合以及复合工艺运行工况的研究上。

综上所述，根据填料对污染物的持久去除效果、挂膜速率、生物量、使用寿命和呼吸速率进行比较可知，聚氨酯海绵填料表现最差；Levapor海绵填料处理效果好、挂膜快、生物量大、自养比呼吸速率高，但内源比呼吸速率高，实验条件下寿命较短，填料容易破碎，挂载的活性炭容易脱落;K3填料使用寿命长，生物膜形体易于观察，对污染物的去除效果适中，异养比呼吸速率高，价格便宜，能适应厌氧MBBR反应器的剧烈搅拌，并且高寒缺氧的农村地区往往交通不便，填料更换不易，因此K3填料更适合作为低温厌氧MBBR反应器的生物载体。

3.2 结论

本研究通过长时间监测3种MBBR填料在低温厌氧下的启动过程和反应器的运行情况，比较了3种填料的优点和缺点，为厌氧MBBR反应器选择合适填料提供了理论基础。此外，本研究设计了一种研究厌氧呼吸速率的方法，并通过启动过程中呼吸图谱的变化，证明了自然挂膜法的优点，同时阐述了厌氧工艺启动慢、产泥量低的原因，可能是因为厌氧微生物内源比呼吸速率较高，导致生物膜在增殖过程中同时进行自我消耗，为研究厌氧工艺机理提供了研究方向，结论如下：

1)微生物膜在填料上的增殖过程中，首先出现在摩擦小和物质交换频繁的部位，再逐渐扩散到整个填料，期间伴随着微生物群落的变化，生物膜颜色也会发生一些变化。填料的材质和形状决定了填料在厌氧MBBR反应器中的寿命长短，圆(球)形的硬质填料寿命更长。

2)3种填料中，在低温环境下，初期多孔填料负载的生物量更大、生物膜增殖速率更快，污染物的去除效果更好，但随着反应器运行时间增长，多孔填料破损严重，生物膜脱落，处理效果变差，反而不如K3填料。

3)对厌氧生物膜比呼吸速率的持续追踪发现，在自然挂膜情况下，呼吸速率和比呼吸速率逐渐增长，因此填料挂膜实质是微生物的驯化和增殖。本文采用自然挂膜的方法启动所需驯化时间较短，30 d即可完成驯化。

4)厌氧状态下，微生物内源比呼吸速率较高，说明厌氧生物膜在增殖的过程中伴随着自身的减量，因此产泥量低。填料的结构决定了生物膜的更新速率，因此多孔填料泥龄较长，内源比呼吸速率较高，而K3填料生物膜更新速度快，内源比呼吸速率更低。