移动床生物膜反应器（MBBR）工艺是现阶段应用较多的生物膜废水处理技术之一[1-2]。相较于常规活性污泥法工艺，MBBR具有出水效果好、抗冲击能力强、无需污泥回流或反冲洗等优点。在冬季低温期，尤其是北方以及西南高原等地区，气温易降至5 ℃以下、水温易降至15 ℃以下，低温可能导致MBBR系统出水化学需氧量（COD）、氨氮、总氮等指标不达标。生物膜脱氮包括好氧硝化和缺氧反硝化，温度是影响硝化和反硝化过程的关键因素之一。随着温度的降低，活性污泥系统的细菌硝化速率逐步下降，当温度低于8 ℃时其硝化能力明显下降。本文从微生物群落、载体强化技术、工艺组合与调控等方面对低温条件下MBBR工艺运行研究展开系统阐述，为其进一步研究和应用提供参考。
1 低温MBBR系统微生物群落研究
目前，污水处理厂的核心工艺为生物处理工艺，冬季低温（≤15 ℃）会抑制生物反应器内硝化菌的活性，影响硝化过程并限制系统的脱氮量。硝化细菌属于自养菌，世代周期较长，对温度变化较为敏感，其适宜的生长温度在20~35 ℃。
1.1 微生物活性
MBBR反应器中的生物膜附着生长在载体表面，可满足世代周期较长微生物的生长，从而提高系统内硝化菌的含量，相较于活性污泥法工艺，其在低温下具有更强的硝化性能，因此被广泛应用于低温污水处理中。低温是影响该反应器硝化性能的重要环境因素之一，温度降低会引起细胞膜流动性和酶催化性减弱，物质转运和代谢速率降低，从而影响核酸二级结构的稳定性，抑制DNA复制、mRNA的转录和翻译；当温度低于细胞质冰点时，会使细胞形成冰晶体，对其结构造成严重破坏[3]。邱天等[4]研究表明，MBBR生物膜在10 ℃的氨氧化活性和亚硝酸盐氧化活性分别为20 ℃时的55%和56%。郑志佳等[5]测试了污水处理厂内活性污泥在夏季（20 ℃）和冬季（8 ℃）的硝化速率，发现8 ℃条件下的氨氮硝化速率是20 ℃时的48.5%。低温对生化池硝化能力的影响包括两个部分，一是低温影响硝化菌群的活性，二是长期的低温导致活性污泥内硝化菌群数量减少。
1.2 微生物群落竞争
由于硝化菌属于自养菌，其他微生物菌群对于硝化菌群的硝化过程有较大影响，并与之产生较强的竞争关系。Houweling等[6]开展MBBR工艺试验，结果表明，在4 °C下，MBBR具有一定的硝化潜力，但系统内异养微生物过度生长在一定程度上降低了硝化速率。邵曙海等[7]研究表明，一段式MBBR脱氮效果不理想，原因是存在硝化菌与异养菌之间的竞争。韩文杰等[8]研究了采用MBBR泥膜复合工艺的污水处理厂在低温季节的微生物群落变化与生物分布规律，发现悬浮载体生物膜工艺微生物物种数低于同系统活性污泥，且物种分布较不均匀。悬浮载体的投加可提升系统微生物多样性，同时进水及运行方式对系统微生物群落组成具有一定选择性。吴涵等[9]模拟以生活污水为处理对象，运行了3个不同填料类型的序批式MBBR反应器，通过逐步降温（25、20、15、10、6和5 ℃）培养驯化处理低温污水的生物膜，运行发现，3个反应器内不同微生物各具优势，高通量测序结果显示，5 ℃时，3个反应器中均以降解有机物的微生物为主；其中1个反应器中驯化富集出了嗜冷硝化菌，其他2个反应器中，不利于脱氮的类固氮菌丰度较高。
1.3 适冷性微生物驯化
低温优势菌群驯化与富集强化技术是提高低温条件下MBBR运行效率与稳定性的有效方法。通过递进诱导优化培养，筛选出优势种群后加以应用，利用菌群自身的强耐受能力减少低温的影响，具有长期稳定的潜力。王丹等[10]研究发现，在冬季低温条件下，通过投加含耐冷菌群的活性污泥实现活性污泥—生物膜共生复合式生物反应器具有速度快、挂膜迅速、处理效果稳定等优点。Delatolla等[11]研究发现，1 °C条件下对系统进行脱碳处理，硝化活性生物量增加，生物膜变厚，有效增加了低温操作期间有效存活细胞的数量，提升了该系统的硝化性能。另外，NO、N2H4、NH2OH等是刺激厌氧氨氧化过程并减轻NO2对厌氧氨氧化细菌抑制作用的关键中间体之一。Zekker等[12]在MBBR系统处理高浓度（氨氮浓度740 mg/L）废水的研究中发现，添加NO对厌氧氨氧化过程有明显的加速作用，系统运行期间，氨氧化细菌的丰度成比例增加。
2 低温下MBBR载体强化技术研究
悬浮性MBBR填料的选择是该工艺处理污水的核心技术之一，也是影响工艺效果和工程成本的关键因素。目前普遍应用的填料类型有蜂窝填料、半软性填料及复合填料等，实际应用中可能存在填料堵塞、结团及老化等问题。低温条件下，MBBR工艺中的填料挂膜速度较慢，可能导致设备启动周期延长，不利于工艺正常运行，抗冲击能力差，处理效果无法达到预期[13]。工业使用的MBBR悬浮载体大小和形状各异，均由高密度聚乙烯（HDPE）、聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）等高分子聚合物通过熔融挤出或造粒等方法制作而成。随着该工艺的大规模工程化应用，商业化载体的种类逐渐增多，载体的设计加工可针对水质及微生物生长特性而存在差异，可通过载体针对性优化改良实现低温条件下MBBR生物膜系统的强化。在实际应用中，对载体的改性主要集中在改进其比表面积、亲水和生物亲和性、磁性等方面，以提高载体的传质、挂膜及废水处理性能[14]。
2.1 磁性加载
目前已有研究通过磁场来优化MBBR在低温条件下处理废水的能力，一定强度的磁场可以强化生物处理工艺的污染物去除效果。有机污染物在弱磁场作用下，通过磁力、洛伦兹力和磁致胶体效应等作用，经磁聚、吸附等方式富集到磁性生物载体表面。在合适的强度范围内，磁场能提高微生物对氧的利用率、提高微生物的生长代谢及其酶活性，增强细胞膜的通透性[15]。敬双怡等[16]研究了MBBR反应器投加磁性载体[聚乙烯、钕铁硼磁粉（Nd2Fe14B）和聚季铵盐-10（PQAS-10）等]和商用载体的对比效果，结果表明，低温条件下磁性载体的投加明显提高了生物膜硝化活性，并促进了胞外聚合物（EPS）分泌，维持和改善了生物膜的形貌结构；磁性载体富集了较多的硝化菌属，其氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的相对丰度较商用载体分别提高了1.82倍和1.05倍，并且驯化富集了两种特有的硝化菌属。
2.2 载体改性
除了磁性加载外，对聚乙烯等传统载体材料进行亲和改性也是提升填料挂膜性能的重要方式。孙博等[17]利用新型纳米悬浮填料处理低温生活污水，在10～12 ℃条件下，纳米填料的挂膜周期小于其他填料，在18 d左右，系统的COD去除率稳定在75％左右，具有较好的推广价值。任彦强等[18]采用高亲水、高分子合金材料制备的蜂窝状悬浮填料在低温条件下处理某污水处理厂初沉池出水，结果表明，使用该悬浮填料可有效提高其表面活性微生物的附着能力，有助于提高MBBR工艺的处理效果。韩晓云等[19]采用孔隙结构发达的软性聚氨酯泡沫作为固定化载体，对活性污泥中分离得到的高效耐冷菌群进行固定，将该填料投加至反应器后，污染物处理效果显著提升，低温条件下的COD去除率为82%，生化需氧量（BOD）去除率为92%。Chen等[20]利用接种了HN-AD细菌的聚乙烯醇（PVA）凝胶填料的MBBR工艺代替活性污泥法处理畜禽养殖废水，在不同的碳氮比（C/N）下，不同载体性能表现差异较大，PVA凝胶的多孔结构给细菌提供了保护，使其具有更稳定的性能；微生物分析显示，PVA凝胶载体的MBBR工艺有利于自养细菌和HN-AD细菌（副球菌和不动杆菌）的生长。
3 低温下MBBR工艺组合与调控
该系统具有独特的填料表面挂膜需求，体现出其工艺组合与调控的重要性。通过工艺参数和比例调控、比例控制可以实现MBBR中的稳定硝化，通过更强的限制条件来补偿低温的影响是较直接有效的方式。
3.1 曝气
3.2 碳氮比（C/N）
3.3 水力停留时间
水力停留时间（HRT）决定了反应系统内活性污泥负荷，过高或过低均会影响MBBR系统的处理效能和建设运行成本，选择合理的HRT对系统的稳定运行具有重要意义。Van等[25]将MBBR用于低温下的农业面源污染治理，研究表明，在5 ℃下，随着HRT的降低，污染物去除效率明显下滑，8 h是保障硝酸盐反硝化为氮气的最小停留时间。汪传新等[26]以缺氧/好氧生物膜系统处理生活污水，重点考察低温下MBBR内同步硝化反硝化特性，结果表明，系统通过延长HRT较好地适应了季节性降温，使出水COD和氨氮浓度稳定达标。Shitu[27]选用一种新型海绵填料作为MBBR生物膜载体，在不同的HRT下对其水处理效应进行研究，结果表明，水处理效果在HRT 6 h时表现最佳。赵文斌等[28]研究表明，MBBR系统在低温条件下处理废水中污染物的最佳HRT为24 h。韩磊等[29]在对DE氧化沟+MBBR组合工艺中研究了HRT由15.4 h降低至11.0 h时的污染物去除率，结果表明，随着HRT缩短污染物去除效率逐渐降低，其出水水质能够满足水质目标要求，由此反映出MBBR系统具有较强的抗冲击负荷能力。
3.4 工艺组合
邓睿等[30]研究了两级A/O-MBBR工艺处理城市污水，在低水温、低进水浓度的情况下，该组合工艺体现出抗冲击负荷能力强、温度适应性强等优点，运行稳定、操作便利，在污水处理方面具有较好的应用前景。Luostarinen等[31]研究了低温下MBBR工艺对经厌氧预处理的乳品店废水的处理效果，结果表明，该工艺可去除40%~70%的COD、50%~60%的氮，上流式厌氧污泥床（UASB）和MBBR的组合可去除92%的COD、99%的BOD和65%~70%的氮。茹春等[32]采用改良Bardenpho-MBBR+磁加载沉淀处理工艺对某污水处理厂进行改造，通过调整碳源投加点以及系统多点进水、多点回流等方式，实现了外投碳源的高效利用，保障了在8.7 ℃条件下系统的硝化和反硝化效果，出水水质稳定且优于排放标准。
4 结语
低温条件下，MBBR系统内微生物活性降低，同时处理有机物的异养型微生物与处理氨氮的自养型微生物之间存在明显的竞争关系，因此应根据原水污染物构成、出水指标要求，充分考虑合适的C/N，并针对关键指标开展低温优势菌种改良与驯化、定向富集措施，提高载体上的优势种群丰度，保障出水水质。
载体强化是改良MBBR系统耐低温能力，提高工艺降解效能的重要手段，具体措施主要包括对载体进行磁性加载和结构性处理。磁性加载可强化低温下硝化细菌附着，增强EPS分泌过程，提高细菌活性；优化载体架构与表面性质，可加快污染物传质效率，提高其对微生物菌群的固化和保护能力，维持系统更稳定的性能。
MBBR工艺本身具备一定的耐低温特性，但随着对污水处理厂出水水质标准的不断提高，低温条件下MBBR工况调整及其工艺组合成为其工艺突破的重要研究内容。针对不同类型的污废水，最优工况条件应根据实际情况确定；同时，合理的工艺组合可有效提升MBBR系统对污染物的抗冲击负荷能力、温度适应性和系统稳定性。