生物膜懸浮填料的研究現狀與進展

曹云鵬，潘偉亮，龔文靜，王清鈺

(重慶交通大學 河海學院 水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074)

生物膜處理法由于其具有占地面積小，可以靈活布置，對于廢水中的有機物去處率和脫氮率高，抗沖擊能力強，在工業廢水水處理和生活污水處理都有廣泛的應用。隨著新型材料的出現以及科學技術的發展，生物膜法得到了充分的研究和發展。自1989年挪威Stensholt市政污水廠第一次采用移動床生物膜反應器(MBBR)處理污廢水，MBBR工藝便不斷的被應用于世界各地的污水處理中[1]。與傳統活性污泥法和其他生物膜法相比，移動床生物膜具有以較小的成本提升污水廠處理污水的性能和容積、不用污泥回流、抗水力沖擊負荷更好等優勢。填料作為移動床生物膜的重要組成部分，其表面上生物膜的形成對于污水處理的效果有著重要的影響作用[2]。當前，聚乙烯、聚丙烯等高密度的材料具有良好的耐沖擊負，可塑性，常作為制備懸浮填料的首選材料，但是，高密度的材料可能具有高疏水性對于填料的掛膜，微生物的生長有負面的影響[3]。

為了提高填料的性能，填料的發展研究側重于提高填料親水性、填料生物親和性等方面。因此，國內外的研究學者以及水處理工作者不斷的在研制、發展、應用各類填料，以此來提高水處理技術水平，滿足各種水處理的需求。本文通過對懸浮填料的類型與研究現狀作簡要介紹，探討了填料的親水性、生物親和性、磁效應三個方面的改性研究，填料經改性后可以提高其親水性能、微生物的活性等，從而提高掛膜速度、掛膜量、污染物的處理能力。

1 生物膜法懸浮填料概況

1.1 懸浮填料的類型

移動生物床作為一種新穎、高效的污水處理工藝。而填料是MBBR中影響微生物附著、生長以及對污水處理效果的關鍵因素之一，填料的性能如材質、表面的粗糙度、比表面積等直接影響掛膜的速度及微生物的種類，從而導致MBBR對污水處理的效能[3]。

目前市場上常見的移動床生物膜填料按形狀和差異主要分為以下幾類[4]：

(1)齒面懸浮填料：以Kaldnes填料為代表，其材質主要為聚乙烯，其內部形狀類似于十字架的支柱，外部有輪狀外棘，成圓柱體，其比表面積增大，空隙率大，傳質效率高。

(2)多孔狀填料：其中又可以分為輕質陶粒填料、CAPTOR填料、LINPOR填料，多孔填料具有孔隙率高，強度大，比表面積高，耐沖擊負荷能力等優勢。

(3)球狀填料：以球形或橢圓形為主的懸浮填料，其粒徑在25～100 mm不等，材質一般為聚乙烯，密度略低于水，一般為多面空心均質填料。

1.2 懸浮填料的應用研究

隨著污水處理工藝的發展和改進，生物膜法不斷的受到學者們的關注，而填料作為生物膜的載體，對于反應器內的微生物的附著、種群豐富度和降解污染物有著重要的作用，因此，對于填料的開發與研制也不斷的深入。由圖1可知，近18年來對于MBBR和生物填料相關的文獻逐年增多，對于生物膜懸浮填料研究的關注度也逐年升高。

表1 懸浮填料在水處理領域的研究與應用Table 1 Research and application of suspension filler in water treatment field

2 懸浮填料的研究進展

在懸浮填料的實際運用中，人們逐漸發現高密度的填料雖然具有高的比表面積及抗水力沖擊負荷能力，但是材料也存在高疏水性和低表面能，一定程度上會減少微生物的初始階段的附著，從而導致掛膜的速度慢，微生物的數量少，且傳質效率低[10]。因此，眾多的研究學者，將關注度放在了填料的改性上面，以期望縮短掛膜周期和提高掛膜量等，從而提高對污廢水的處理效果。當前，對于填料的改性，主要集中在提高填料的親水性、生物親和性，還有磁效應三個方面的研究。

2.1 懸浮生物填料的親水性

親水性是指懸浮載體表面的與水分子的作用力克服水分子之間的作用力，從而使水可以附著在載體的表面，潤濕載體，這對于后續的微生物的附著和生長有著重要的作用。填料的親水性改性主要通過在材料制備中引入親水基團或是通過物理、化學手段將親水基團導入到載體表面，從而強化其表面潤濕性能和親水性能[11]。

有機高分子填料廣泛應用于污廢水處理中，但常常會面臨填料的親水性差，從而不利于微生物的附著，以致掛膜量少的問題。見表2，給出了有關于填料改性的相關研究。填料的表面親水改性中，液相化學法因為其具有效果好、方法簡單、費用低等優點而最為常用，在一定的氧氣含量下，通過重鉻酸鉀可以降低填料表面接觸角，此外，還可以使其填料表面與極性基團結合，使填料的C、O元素含量提高，增加了表面含氧官能團，從而增強填料表面的潤濕性和親水性，更有利于提高掛膜量和縮短掛膜周期[12-13]。填料表面接觸角常用作潤濕性的表征，填料的潤濕性越好，接觸角越小，在生物膜的形成過程中，更有利于微生物的附著,分別采用氧化處理、酸處理和堿處理3種方法對聚丙烯填料改性后，填料的接觸角依次增大，親水性也依次減弱[14]。Lackner等[18]對聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)表面進行改性，引入了具有兩個不同官能團(PEG-NH2和PEG-CH3)的聚乙二醇(PEG)鏈，以增強污水處理應用的硝化生物膜的形成和剪切阻力，與未修飾的表面相比，經過PEG-NH2修飾表面上的生物膜要牢固得多，應用于廢水處理生物反應器中，使生物膜的形成更加穩定和可預測，從而提高反應器的性能。

表2 懸浮填料改性后的研究和應用Table 2 Research and application of suspension filler after modification

2.2 懸浮填料的生物親和性

水處理的填料研究領域中，填料生物親和性是指與生物具有相容性，填料對附著在其表面上的微生物沒有毒害作用。此外，還有研究采用營養緩釋改性的方式在懸浮載體合成原料中添加微生物可利用的物質，以提高微生物的新陳代謝。Tarjnyi等[19]制備了人造填料載體(BioliteTM,PerlTM)，與天然沸石相比，其表面上的生物膜具有更強的脫氫酶活性，在生物膜的形成階段，微生物的附著和生長更好。何李宜[20]研制了新型輕石填料，生物膜中存在復雜的微生物群落結構，微生物的新陳代謝也更快，能承受更高的氨氮沖擊負荷，對于的去除率均明顯優于聚乙烯球形填料。

生物膜的形成到成熟主要為附著、生長、脫落、衰亡4個主要的動態過程，在微生物的附著、生長階段過程中，填料表面有更好的潤濕性和生物親和性，更有利于微生物附著、生長，此外，填料中帶有微生物可利用物質，有助于提高微生物的新陳代謝，從而增強生物膜對于污染物的截留與微生物對營養的攝取能力[21]。通過在填料制備過程中添加面粉、活性炭等生物物質，使得填料自身不僅補充了附著微生物生長所需的營養物質，還可以促進微生物的代謝，縮短掛膜時間，提高對于毒性的抵抗能力[22-23]。

2.3 懸浮填料的磁效應

微生物在磁場作用下所引發的一些特性變化即為微生物磁效應。利用磁場能夠改變水的物理與化學性質，提高微生物的活性，將微生物磁效應應用到廢水處理中，能達到提高污水凈化效果的目的[24]。微生物受到磁場的刺激作用，在一定的程度上自身的細胞膜的透過能力、酶的特性會受到磁場的影響，從而會加快微生物的新陳代謝[25]。戴松林等[26]將聚丙烯填料經過磁改性后，親水性能和掛膜速率均得到了提高，并能適應更大的氣液比以及水氣流沖擊。

微生物體內的酶活性在一定的程度上受到磁場的影響，如微生物體內的過氧化物酶、磷酸酶等，在磁場的作用下，其酶活性會得到提高，此外，磁場的作用下還可以提高生物膜的通透性[27]。富碳質材料與磁效應相結合填料，可以利用生物質資源，保護環境，同時有利于填料表面的微生物的生長、新陳代謝[28]。

3 結語與展望

生物膜工藝處理污廢水中，生物膜的形成和微生物的良好生長，對于提高處理污廢水有重要作用，而填料作為生物膜的載體，微生物的棲息場所，與水處理效果緊密相連。對于填料的親水性和生物親和性改性，分別側重于通過提高填料表面的親水性能和填料本身作為緩釋營養源，來提高微生物的附著和生長，而填料的磁效應，則是通過磁場作用影響微生物細胞的活性，促進生物代謝，從而提高掛膜量和增強廢水的處理能力。填料的研究進展，除了增強填料本身的物理性能和化學穩定性、以及填料的親水性能和生物的親和性等，還需要考慮填料的可降解性，可再生性，價格成本，無二次污染等因素，再結合具體的實際工程的運行環境以及條件，選用和開發有針對性和具有優越性能的新型填料，從而降低成本和提高污廢水的處理效率，減少水環境的污染。