MBBR|北交源石墨烯掺杂改性MBBR生化填料实现量产并规模化应用

移动床生物膜反应器（MBBR）是在固定床反应器、流化床反应器和生物滤池的基础上发展起来的一种改进的新型复合生物膜反应器。它克服了固定床反应器需要定期反冲洗，流化床反应器需要使载体流化，浸没式生物滤池堵需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作的不足，又保留了传统生物膜法抗冲击负荷、污泥产量少、泥龄长的特点。与传统活性污泥法相比，由于泥龄较长，可保持较多的硝化细菌，具有更好的脱氮效果。其主要原理是利用污水连续流过反应器填料载体后，在载体上形成生物膜，微生物在生物膜上大量繁殖生长的同时降解污水中的有机污染物，从而起到净化污水的作用，在悬浮床上的微生物经水力优选，优胜劣汰，老化的微生物自然脱膜，从而在填料上持久保持污水处理的优质微生物组合。

MBBR填料是该工艺实施的关键材料，是保持微生物数量和菌群丰度的生物活性载体，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）等制备。这类高分子材料往往是疏水材料，要么弹性不足，要么不怎么亲水，传统上只是单纯通过结构设计来提高填料的比表面积来提高微生物数量，材料本身的特性并没有得到改善，比如材料的亲水性差和生物相亲性低。

北交源公司与中科院化学所通过近两年的共同研发，在研发团队负责人杨海军教授的带领下，成功制备了改性氧化石墨烯（m-Go）掺杂的高密度聚乙烯（HDPE）为主体材料的MBBR二代生化填料，使用寿命延长可达20年，该二代MBBR生化填料具有如下技术特点：

首先，通过微量石墨烯的添加提高HDPE这种聚合物材料的力学性能，提高MBBR的韧性和抗张强度；

其次，利用改性氧化石墨烯的亲水性和生物相亲性，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，进而提高微生物菌群丰度。

再次，通过石墨烯在HDPE之中构建3D网络通道，通过微毛细管的拉普拉斯力作用，提高MBBR材料的表面粗糙度的同时，提高微生物的附着力和促进微生物基础代谢能力，激发胞外聚合物的分泌渗透，进而进一步提高材料的表面亲水性和生物相容性。

最终，利用石墨烯具有的独特的富电子性和SP杂化轨道产生的原子级微磁场，氧气分子具有的顺磁性，可以实现在污水处理之中，氧气富集于MBBR填料的表面，这样减少MBBR工艺的曝气量，降低此工艺的运行成本。同时，在MBBR中融入多种有利于微生物快速附着生长的微量元素（生长因子），通过37孔特殊结构设计，让填料具有比表面积大、亲水性好、生物活性高、挂膜快、处理效果好、使用寿命长等优点。

该类二代MBBR填料，添加微量的改性氧化石墨烯，成本并没有显著提高，性能却得到明显改善。

某污水处理厂日处理规模为2万吨，在投加石墨烯MBBR填料后，氨氮去除率、COD去除率、总氮去除率较传统MBBR工艺有明显提高，反硝化过程更充分。处理结果和对比数据如下表所示。

某污水处理厂三种工艺处理效果对比表

北交源注重高科技研发团队建设，从事生物膜材料与应用研发已10余年，拥有一支经验丰富、技术精湛的研发队伍，形成了由博士、硕士等组成的研发团队。组建了以杨海军副研究员领衔的“生物膜水处理技术研发基地”，涵盖了MBBR、一体设备及生物膜工程工艺设计等全套工艺技术链条。

旗下子公司——北交源生态环境科技（山东）有限公司作为华东地区生产基地，总占地面积10万余平方米，拥有20条MBBR悬浮填料现代化生产线，生产能力达400m/d。

拥有多项国内外发明专利及实用新型专利。目前，公司已经申请石墨烯MBBR填料的相关技术专利，其中包含《一种石墨烯MBBR填料的装置ZL 2020 2 2000490.9（CN213085787U）》；《一种石墨烯MBBR悬浮载体填料及其制备方法（CN111849051A）》；《一种具有脱氮除磷的市政污水新工艺（CN110642379A）》等13项，已经形成自主知识产权专利包。

目前石墨烯MBBR填料是公司开发的新一代生物两亲性生化填料，技术已经走在行业前列，而要继续保持技术创新地位，关键在于环保市场的普及，要得到大众污水治理客户的认可，只有越来越多的石墨烯MBBR填料替代传统MBBR填料走进国内市场，大范围应用，才能促进中上游石墨烯粉体、石墨烯填料的成本下降，进而增加中国原始技术创新的原动力。这些技术完善和标准化工作除了企业家、行业协会的努力之外，更需要相关部门制定出台相关的产业扶持政策。可喜的是，国家出台的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》已将石墨烯作为重点发展的新材料，其行业标准建设也纳入规划之中。

相信随着中国相关政策，行业标准的不断完善，资本、技术的不断投入突破，未来几年，中国石墨烯MBBR填料产业化将加速发展。