MBBR|北交源石墨烯摻雜改性MBBR生化填料實現量産并規模化應用

移動床生物膜反應器（MBBR）是在固定床反應器、流化床反應器和生物濾池的基礎上發展起來的一種改進的新型複合生物膜反應器。它克服了固定床反應器需要定期反沖洗，流化床反應器需要使載體流化，浸沒式生物濾池堵需清洗濾料和更換曝氣器的複雜操作的不足，又保留了傳統生物膜法抗沖擊負荷、污泥産量少、泥齡長的特點。與傳統活性污泥法相比，由于泥齡較長，可保持較多的硝化細菌，具有更好的脫氮效果。其主要原理是利用污水連續流過反應器填料載體後，在載體上形成生物膜，微生物在生物膜上大量繁殖生長的同時降解污水中的有機污染物，從而起到淨化污水的作用，在懸浮床上的微生物經水力優選，優勝劣汰，老化的微生物自然脫膜，從而在填料上持久保持污水處理的優質微生物組合。

MBBR填料是該工藝實施的關鍵材料，是保持微生物數量和菌群豐度的生物活性載體，它往往采用高分子材料，例如聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）以及聚氨酯（PU）等制備。這類高分子材料往往是疏水材料，要麽彈性不足，要麽不怎麽親水，傳統上隻是單純通過結構設計來提高填料的比表面積來提高微生物數量，材料本身的特性并沒有得到改善，比如材料的親水性差和生物相親性低。

北交源公司與中科院化學所通過近兩年的共同研發，在研發團隊負責人楊海軍教授的帶領下，成功制備了改性氧化石墨烯（m-Go）摻雜的高密度聚乙烯（HDPE）爲主體材料的MBBR二代生化填料，使用壽命延長可達20年，該二代MBBR生化填料具有如下技術特點：

首先，通過微量石墨烯的添加提高HDPE這種聚合物材料的力學性能，提高MBBR的韌性和抗張強度；

其次，利用改性氧化石墨烯的親水性和生物相親性，加入到HDPE之中，改善MBBR填料的生物相容性，提高微生物附着力，進而提高微生物菌群豐度。

再次，通過石墨烯在HDPE之中構建3D網絡通道，通過微毛細管的拉普拉斯力作用，提高MBBR材料的表面粗糙度的同時，提高微生物的附着力和促進微生物基礎代謝能力，激發胞外聚合物的分泌滲透，進而進一步提高材料的表面親水性和生物相容性。

最終，利用石墨烯具有的獨特的富電子性和SP雜化軌道産生的原子級微磁場，氧氣分子具有的順磁性，可以實現在污水處理之中，氧氣富集于MBBR填料的表面，這樣減少MBBR工藝的曝氣量，降低此工藝的運行成本。同時，在MBBR中融入多種有利于微生物快速附着生長的微量元素（生長因子），通過37孔特殊結構設計，讓填料具有比表面積大、親水性好、生物活性高、挂膜快、處理效果好、使用壽命長等優點。

該類二代MBBR填料，添加微量的改性氧化石墨烯，成本并沒有顯著提高，性能卻得到明顯改善。

某污水處理廠日處理規模爲2萬噸，在投加石墨烯MBBR填料後，氨氮去除率、COD去除率、總氮去除率較傳統MBBR工藝有明顯提高，反硝化過程更充分。處理結果和對比數據如下表所示。

某污水處理廠三種工藝處理效果對比表

北交源注重高科技研發團隊建設，從事生物膜材料與應用研發已10餘年，擁有一支經驗豐富、技術精湛的研發隊伍，形成了由博士、碩士等組成的研發團隊。組建了以楊海軍副研究員領銜的“生物膜水處理技術研發基地”，涵蓋了MBBR、一體設備及生物膜工程工藝設計等全套工藝技術鏈條。

旗下子公司——北交源生态環境科技（山東）有限公司作爲華東地區生産基地，總占地面積10萬餘平方米，擁有20條MBBR懸浮填料現代化生産線，生産能力達400m/d。

擁有多項國内外發明專利及實用新型專利。目前，公司已經申請石墨烯MBBR填料的相關技術專利，其中包含《一種石墨烯MBBR填料的裝置ZL 2020 2 2000490.9（CN213085787U）》；《一種石墨烯MBBR懸浮載體填料及其制備方法（CN111849051A）》；《一種具有脫氮除磷的市政污水新工藝（CN110642379A）》等13項，已經形成自主知識産權專利包。

目前石墨烯MBBR填料是公司開發的新一代生物兩親性生化填料，技術已經走在行業前列，而要繼續保持技術創新地位，關鍵在于環保市場的普及，要得到大衆污水治理客戶的認可，隻有越來越多的石墨烯MBBR填料替代傳統MBBR填料走進國内市場，大範圍應用，才能促進中上遊石墨烯粉體、石墨烯填料的成本下降，進而增加中國原始技術創新的原動力。這些技術完善和标準化工作除了企業家、行業協會的努力之外，更需要相關部門制定出台相關的産業扶持政策。可喜的是，國家出台的《“十三五”國家戰略性新興産業發展規劃》已将石墨烯作爲重點發展的新材料，其行業标準建設也納入規劃之中。

相信随着中國相關政策，行業标準的不斷完善，資本、技術的不斷投入突破，未來幾年，中國石墨烯MBBR填料産業化将加速發展。