1. 泥膜之爭與MBBR技術的興起
在污水處理工藝中，生物處理技術可統一分為活性污泥法和生物膜法兩大類。活性污泥法最早是英國克拉克（Clark）和蓋奇（Gage）于1914年在曼徹斯特勞倫斯污水測試站發明并應用的。而生物膜法出現的時間比活性污泥法更早，1865年德國科學家發現了生物過濾處理作用；1893年英國有人將污水灑在濾料上，發展出生物膜反應器的最初模型；到1930年已經有很多生物膜反應器投入使用，較多的是生物濾池。
早期的一段時間內，生物膜法和活性污泥法是并駕齊驅的污水處理工藝?；钚晕勰喾ㄊ穷愃凭嗟姆磻w系，其控制反應的措施如混合、供氧、回流等與化工工程類似，易于實踐和控制；而生物膜法是非均相反應體系，其反應過程的控制涉及復雜的溶解氧和基質傳質過程、微生物的非均相分布、載體材料的技術等，但早期理論、材料和裝備上并未形成完善的技術準備，導致其相對難以取得可控的實用效果。因此，在隨后的時間里，活性污泥法得到了持續的推廣應用，生物膜法卻經歷了較長的困難期。特別是以固定床為代表的生物濾池和接觸氧化法出現了材料和工藝上的嚴重缺陷：如生物濾池存在濾料選擇和均勻布置難，環境衛生條件也較差，處理構筑物存在經常堵塞等缺點；接觸氧化工藝則缺乏好用的填料和均勻的布水布氣、生物膜容易堵塞、生物膜更新異常等情況，導致存在處理效率不高、出水水質不穩定的問題，因而在市政污水處理領域，生物膜法的應用被活性污泥法壓過一頭，應用規模也有所停滯。
自20世紀60年代，由于非均相系統傳質控制理論的完善和載體材料學技術的發展，生物膜法技術的一些疑難問題得到了逐步的解決，以生物膜法為主的污水處理工藝又獲得了新的發展，特別是移動床生物膜反應器（ Moving Bed Biofilm Reactor， MBBR ）的開發和應用，徹底改善了固定式生物膜法的固有缺陷，使得生物膜法的應用又得到了新的增長。
移動床生物膜反應器起源于20世紀80年代末的挪威，是一種新型污水處理技術，如圖1.1所示，其核心部分就是以比重接近水的懸浮填料直接投加到反應池中作為微生物的活性載體，依靠缺氧池中的攪拌機混合作用、曝氣池的曝氣和水流的提升作用而處于流化狀態，當微生物附著在載體上，漂浮的載體在反應器隨著液體的回旋翻轉作用而自由移動，污染物及水、氣進入載體內部與微生物反應，從而達到污水處理的目的。MBBR技術從根本上改進了固定式接觸氧化法的傳氧傳質不良及易堵塞的弊端，強化生化池深度脫氮除磷，實現經濟、可持續的穩定達標。自1989年挪威STENSHOLT市政污水廠工程首次應用MBBR以來，至今全球已有超過600座污水處理廠采用MBBR工藝。
MBBR工藝的優點包括：
1、MBBR的填料比重接近于水，以圓柱狀和球狀為主，易于掛膜，不結團、不堵塞、脫膜容易。
2、懸浮載體上生物膜的活性較高，提高了系統的有機負荷和效率，出水水質穩定。
3、應用比較靈活，反應器形狀多種多樣，結構緊湊，占地面積小，在相同進水條件下MBBR容積只需普通曝氣池的容積50%以下。
4、水頭損失小，能耗低，運行簡單，操作管理方便。
5、微生物附著在載體上隨水流流動所以不需要污泥回流或循環反沖洗。
6、生物膜自然脫落，不會引起堵塞。
圖1.1 MBBR反應器示意圖
2000年初，MBBR技術由國外引進國內，陸續進行了相關研究和部分項目的使用，但出現了不少失敗案例，使得MBBR工藝的國內推廣受阻，特別是表現在：
（1）反應器中的填料依靠曝氣和水流的提升作用處于流化狀態，在實際工程中，很多項目容易出現局部填料堆積、填料分布不均的問題，影響系統的正常運行；
（2）由于懸浮填料的增加，對于攪拌器的扭矩力、耐磨性及對填料的破壞性等都有更加特殊的要求，普通的攪拌器（活性污泥法）基本都存在使用問題；
（3）反應器出水往往設置柵板或格網以避免填料流失，實際使用中，容易出現填料堵塞、填料對格網的磨損、格網的磨損等問題；
（4）大多數供應商的MBBR技術并未實現與污水處理工藝技術、出水全水質指標控制的融合，只是僅僅的填料增加，無法從系統上體現MBBR的整體技術優勢。
直到2008年，思普潤在無錫蘆村污水處理廠首次成功將MBBR應用于國內大型污水廠的一級A提標改造中，在活性污泥系統中投加懸浮載體強化效果，突破了MBBR實際應用中包括流化與攔截在內的一系列工程問題，增加了行業的信心，MBBR才開始大規模推廣。經過十余年發展，國內應用規模已達2500×104m3/d，在多個場景的應用中，MBBR都取得了突飛猛進的成果。2021年，MBBR工藝被收錄入新修訂的《室外排水設計標準》（GB 50014-2021），意味著其應用已得到行業的廣泛認可。
圖1.2 江蘇無錫蘆村污水處理廠
2. BFM工藝開發的內容及目標
MBBR的關鍵技術之一是懸浮載體，其性能直接影響著污水的處理效果和投資費用。目前的懸浮填料大多是由聚乙烯制成的，比重接近于水，長了生物膜以后，在正常的曝氣強度下極易實現全池流化翻動。懸浮填料的形狀通常為球狀、圓柱狀或粒狀，一般認為球狀有良好的水力學特性，是最理想的形狀。但受到生產技術的限制，有時將材料做成球狀很困難；而圓柱狀填料當其長徑比為1時接近于球狀，因此懸浮填料一般選擇圓柱狀，如圖2.1所示，圓柱狀填料的生物膜生長于受保護的內表面，生物濃度穩定，生物膜量大（10～25g/L）；填料能夠自由通暢地旋轉，增加對水中氣泡的撞擊和切割；水流和氣泡能夠穿流填料的內部，加強老化生物膜的脫落更新，保持生物膜的活性。基于以上原因，從生產加工和微觀生物膜生長環境的角度出發，圓柱狀懸浮填料是最常用的MBBR填料。
圖2.1 MBBR柱狀懸浮填料照片
MBBR工藝根據微生物的存在形式，分為泥膜復合MBBR工藝（IFAS）和純膜MBBR工藝（Pure MBBR），兩者均為連續流，前者吸取了傳統的活性污泥法和生物接觸氧化法各自的優點而成為一種新型、高效的復合工藝處理方法，旨在強化生化池深度脫氮除磷，解決活性污泥負荷不足的問題；后者則完全通過懸浮載體生物膜去除污染物，主要解決污水處理構筑物占地大、流程長、效率低的問題。
泥膜復合MBBR工藝中，由于泥、膜共存，二者存在競合關系，使得生物膜活性不能完全表達，工藝的本質仍為活性污泥法，污染物去除以活性污泥為主。以硝化細菌富集為例，泥膜系統中硝化細菌在懸浮載體上相對豐度一般為8%～20%，遠遠高于其在活性污泥中的相對豐度，體現了生物膜富集硝化細菌的獨特優勢。但受實際運行調控的影響，變化范圍較大。純膜MBBR工藝系統中懸浮載體上硝化細菌相對豐度一般為10%～25%，且不受懸浮態微生物競爭影響，生物膜性能得以充分釋放，不僅除污效率高，其環境抗逆性也更強。
純膜MBBR工藝的特點是不富集活性污泥，無需污泥回流，所以與泥膜復合MBBR工藝相比，在工藝流程上可不設二沉池，出水直接進入高效固液分離工藝，工藝流程更加集約，占地大幅縮減。
在純膜MBBR底層技術的基礎上開發BFM生物集效工藝，能夠一步實現市政污水處理達類III類水的排放要求。BFM生物集效工藝主要降解COD、NH3-N、TN，該段出水的溶解性COD<30mg/L、NH3-N<1.5mg/L、TN<5mg/L、出水的SS<10mg/L、TP<0.3mg/L；BFM采用思普潤具備知識產權的SPR型懸浮圓柱形的MBBR填料，如圖2.2所示，其比表面積可達到1200m2/m3，最高填充率達到67%，能夠促使反應器內的微生物濃度達到12g/L，系統的體積負荷超過MBR系統的體積負荷。BFM生物集效工藝通過智水優控系統實現超高效系統的穩定控制，基于多維效率因子建模，綜合電氣自控、云計算、物聯網、大數據、移動互聯等技術，實現了能耗分析、智能控制、數字運營、移動中控室等智慧化功能，提高了污水廠的運營管理和節能降耗水平。
圖2.2 思普潤SPR懸浮填料（左：泥膜系統；右：純膜系統）
BFM生物集效工藝解決了純膜MBBR系統中填充率更大，對于水力流化要求更高的問題、脫落生物膜黏性分離效率低問題、系統停留時間短對于控制要求高的問題。此外，BFM還創新地開發了適用于純膜MBBR工藝的耐磨香蕉型攪拌機、新材料耐磨攔截篩網、專用曝氣系統，提高了系統主體設備的耐用性和高效性，保障了工藝運行的穩定性和安全性。
圖2.3 思普潤BFM生物集效工藝
基于純膜MBBR的BFM生物集效工藝實現了污水的集約化處理，相比于當前的活性污泥法為生化主體，附加高密度沉淀池、反硝化濾池技術以達到類Ⅳ類水排放要求的長流程污水處理工藝，BFM生物集效工藝屬于極短流程達類IV或類III水排放要求的污水處理工藝，能夠大大簡化工程建設的復雜程度。在國內污水廠新、改、擴建缺地的背景下，形成了因地制宜實施的多種系統解決方案，有效解決了污水廠在提質增效過程中面臨的缺地、高標準、高耗能/藥、難穩定的問題。
3. BFM工藝VS其他常規工藝
長期以來，城市生活污水的二級生物處理多采用活性污泥法，它是當前世界各國應用最廣的一種二級生物處理工藝，但是在多年的應用中，也發現了其具有以下不可克服的缺點：一是采用活性污泥法的項目，往往是抗沖擊負荷能力弱、基建費及運行費高、能耗大、管理較復雜，易出現污泥膨脹現象，工藝設備不能滿足高效低耗的要求；二是隨著污水排放標準的不斷嚴格，對污水中氮、磷等營養物質的排放要求較高，尤其是類Ⅳ類水排放標準的實施，以活性污泥法為主的具有脫氮除磷功能的污水處理工藝往往是多級反應池組合，并需要附加高密度沉淀池和反硝化濾池，這勢必要增加污水處理的流程、基建投資的費用及運行能耗，并且使運行管理較為復雜；三是活性污泥法產生大量的剩余污泥，需要進行污泥無害化處理，增加了投資規模。
BFM生物集效工藝是典型的高效節地型工藝，相比傳統活性污泥法，水線可最大節約80%占地，系統不再設置二沉池，將傳統工藝的泥水分離與深度處理功能集成為一段沉淀；相比曝氣生物濾池工藝，雖然均屬于生物膜法，但BFM生物集效工藝不需要反沖洗，且對進水SS容忍度高，原水碳源損失小，運行費用低；相比于生物接觸氧化法，BFM生物集效工藝不需要在池體內布置填料預埋件和框架，沒有填料堵塞的問題，且微生物活性更高；相比于泥膜復合MBBR工藝，流程更加集約，生物膜性能得以充分發揮；相比傳統純膜MBBR工藝，優化了膜水分離技術，縮減了工藝流程，且對SS和TP能達到極限處理要求；相比MBR技術，運行能耗低，運行維護簡單。BFM生物集效工藝與其他污水處理工藝的優缺點對比如表3.1所示。
表3.1 思普潤BFM生物集效工藝與其他污水處理工藝的特點對比
BFM生物集效工藝通過對MBBR技術涉及的水力學流化控制、微生物學菌落特征、材料學載體材質、軟件信息學等交叉學科的深入研究與技術開發，完善地解決了懸浮載體流化的定量參數化難點、理清了微生物的種群特征、提升了填料防破損性能和篩網耐磨損性能，形成了對MBBR技術常有應用問題的系統解決方案，并將MBBR技術與脫氮除磷污水處理技術深度結合，實現了短流程、高標準出水水質的污水處理工藝包。對于污水處理廠的建設項目，BFM生物集效工藝的具體優勢還體現為：
(1) 極省占地：水線噸水占地<0.15m2/(m3·d-1)，對于新建污水廠，最大可節約80%的用地，對于已有污水廠，最高可提量5倍。
(2) 處理高效：出水水質指標可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級A標準或類Ⅳ類或類III類水排放要求。
(3) 超快實施：系統既可以采用傳統污水廠土建方式實施，也可采用模塊化設計及安裝，集成度高；若采用模塊化方式，整體設計、制造、安裝、調試周期<45d，適用于污水處理項目短時間內建成投運。
(4) 經濟節約：當采用模塊化方式時，系統噸水投資≤3000元，是常規全土建方式的50%-70%，可極大降低一次性投資費用，直接運行費用≤0.3元/m3。
(5) 管理簡便：該技術抗沖擊負荷能力強，能夠短時耐受最高2倍負荷沖擊，對SS耐受值短時最高為設計值的3倍；工藝流程短，運行維護簡單，系統可靠性高，通過集成智能控制系統，實時掌握并分析污水廠運行現狀，實現智能控制及穩定運行。
4. BFM工藝的應用分析
國家發改委、住建部等部門聯合印發的《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》，旨在有效緩解我國城鎮污水收集處理設施發展不平衡不充分的矛盾，全面提升污水收集處理效能，加快推進污水資源化利用。而隨著政策的不斷貫徹實施，在城市管網的改造過程中，污水管網納污能力將逐漸提高，原有污水廠需要擴容，但受剩余用地不足或不規則等問題限制，依靠傳統工藝，難以完成新建。尤其面對廠區需接納應急廢水時，短時間內無法搭建完整處理系統，而思普潤BFM生物集效工藝系統有效地解決了以上的實際需求和行業痛點，并在多種應用場景中證明了其高效性和安全性。
BFM生物集效工藝具有占地小，運行經濟，使用維護簡單，實施周期短，處理效率高，出水水質好等優勢。同時，思普潤通過對MBBR技術多年的研發打磨，完全攻克了普通MBBR技術的頑疾，BFM生物集效工藝相對于活性污泥法工藝的絕對優勢更加凸顯。
例如：青島鐮灣河污水廠設計規模8萬m3/d，分2期建設，目前該污水廠兩期均已投入運行，進水量已達到滿負荷，現有污水處理廠處理能力不足，需新增2萬m3/d污水處理設施。經現場勘查，廠內僅有4300m2可用地，新建污水廠面臨極度缺地的難題，要求各工藝段具備高效緊湊的特點，經過反復論證，選用了BFM生物集效工藝，實施后噸水占地僅0.215m2，出水穩定達到類Ⅳ類水標準?？紤]到占地受限、進水（含工業廢水）水質復雜、出水水質要求高（需達到地表準Ⅳ類標準）、需在4個月內通水達標等難題，采用BFM生物集效工藝為核心工藝，同時采用模塊化設計，80 d完成了設計施工，20 d實現了通水達標。工藝流程為預處理+BFM+臭氧氧化+轉盤濾池，總HRT僅為10 h，不設二沉池，除預處理采用土建形式，其余均采用模塊方式，可以縮短建設周期。全廠出水COD、氨氮、TN、TP、SS分別為（21.86±3.26）、（0.44±0.24）、（10.19±1.37）、（0.09±0.03）、（4.77±0.89）mg/L，出水水質穩定達到地表準Ⅳ類標準，臭氧氧化和轉盤濾池根據出水難降解COD含量間歇運行。
緊湊、應急型的污水廠新建不僅在北方地區需求緊迫，在南方低基質水質條件下更是如此。廣東肇慶市端州區管網經整改后，污水處理量大幅度提高，但與之配套的污水處理廠面臨容納能力不足等問題，污水廠已啟動擴建工作，但建設周期長、短期內溢流問題難以解決，為滿足污水處理需要，端州城區藍塘污水處理站新建設計規模3萬m3/d污水處理設施，其核心難點在于占地、工期均十分緊張，思普潤采用BFM生物集效工藝圓滿完成了項目設計、實施、調試出水達標的目標，解決了項目難題，最終實現極限占地條件下的污水廠新建工作，水線噸水占地僅為0.067m2，出水執行一級A標準。
BFM生物集效工藝具有穩定、集約、經濟、快速、智能的優勢，解決了污水廠面臨的用地緊張、運行不穩定、建設周期長等難題，適用于對占地、建設周期敏感的污水處理設施建設，如全地下污水廠建設、無二沉池類污水廠連續流改造、污水廠原廠區大規模提量等。因此，BFM生物集效工藝的技術經濟競爭力推動了其在很多類型的項目應用上具備明顯的優勢，并為進一步的污水廠提標改造提供了更為節約實效的解決方案。
5. BFM工藝的發展前景
“十一五”期間，思普潤在無錫蘆村污水處理廠提標改造項目中實現了國內首個MBBR技術在大型污水廠的成功應用，探索出了成熟的MBBR應用技術體系。“十二五”期間，思普潤通過持續的技術研發和實踐應用，打破了常規MBBR的技術壁壘，實現MBBR應用的“銅墻鐵壁”，進一步在青島李河村污水處理廠等大型污水處理廠提標改造項目中實現了成熟MBBR技術的規模化應用。“十三五”期間，思普潤進一步發掘MBBR技術的多場景應用，實現了MBBR技術在東莞樟村水環境治理項目上的成功應用。隨著未來十四五行業進入“效率時代”，污水廠建設從規模時代、效果時代到效率時代，從增量時期到存量到期的轉變，新時期污水處理廠建設將徹底擺脫以往粗放式、堆疊式形態，而轉向“精耕細作、效率為王”的形態。在這樣的背景下，BFM生物集效工藝成為思普潤對MBBR技術多年的研發積累和應用實踐所產生的革命性成果。
當污水廠將面臨水質、水量同步提升的壓力，BFM生物集效工藝因不設置二沉池，且無需污泥回流的優勢，即可解決剩余用地不足或不規則、工期緊張等問題，且出水效果穩定。除應用于節地型污水廠新建外，BFM還可廣泛應用于應急污水處理、SBR類污水廠改造、污水廠大規模提量、微污染水體治理、河道旁位治理等領域。
① 全地下污水廠建設。全地下污水廠的核心是投資和運維。BFM生物集效工藝流程短、占地緊湊、智能化水平高，可極大地降低建設投資成本且易于維護，管理簡便。
② 無二沉池類污水廠連續流改造。對于SBR等間歇運行的生化工藝，由于BFM生物集效工藝無二沉池，可實現對上述工藝的替換，實現生化段的連續流運行。此外，BFM生物集效工藝也適用于MBR工藝改造，可以實現節能降耗。
③ 污水廠原廠區大規模提量。傳統污水廠原池提量，主要受限于二沉池過水能力，提量一般低于1.5倍。BFM生物集效工藝無需二沉池，破除了二沉池對污水廠提量的限制，且由于B段高效的處理性能，滿足了污水廠大規模提量2倍以上的需求。
④ 黑臭水體治理（含河道旁位治理）。黑臭水體可采用旁位治理、源頭治理、末端治理等方式。BFM生物集效工藝實施速度快、應用靈活，可在短期內建立起對黑臭水體的有效應對措施。
⑤微污染水治理。微污染水通常為劣V類水體，由于其污染物濃度不高，傳統活性污泥法很難富集微生物。宜采用生物膜法且最佳采用BFM生物集效工藝，根據具體需求實現TP、SS的穩定去除。
⑥ 工業廢水處理。工業廢水單獨處理，面臨的首要問題是占地。其次是工業廢水水質波動大，出水標準多樣化。BFM生物集效工藝可根據實際處理要求進行靈活布置，能夠應對較強的水質、水力沖擊，適用于工業廢水處理；
⑦ 應急污水治理。隨著我國提質增效、水環境綜合整治的開展，新的污染源不斷涌現。并且，城市雨污合流導致的汛期沖擊也對污水廠的穩定運行構成了威脅。快速建立起新的污水處理設施是保障污水廠穩定運行，改善城市人居環境的重要手段。BFM生物集效工藝以其流程短、模塊化安裝、掛膜填料直接投加等方式，可在短期內快速建立污水處理設施，滿足水環境治理的需求。
面向未來，隨著國家《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》不斷推進，思普潤將致力于建設綠色低碳的污水處理廠。思普潤“BFM生物集效工藝”的Anammox+SND微生物系統（厭氧氨氧化+同步硝化反硝化）使煙臺辛安河污水廠實現了主流的厭氧氨氧化效益，在大量削減外部碳源投加量的條件下，出水總氮平均值保持在2mg/L以下，開啟了綠色“零碳”準IV水排放標準要求的污水處理技術先河，實現節能降耗與功能轉型，積極響應污水資源化及碳中和目標的落地和實施。
思普潤面向基礎研究的生物膜研究院、面向技術引進的新產品研究所、面向智慧水務與工藝運行智能化的人工智能研發中心等研發團隊，將共同助力思普潤能源平衡廠的技術研發和建設，為實現水處理過程的可持續發展及碳中和貢獻自己的力量，最終實現“創建人與自然和諧”的企業使命。
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