我国竹类资源丰富，竹材产量高，约占世界竹资源的1/3。竹材再生能力强，成材期短，生长迅速，具有一次造林永久利用的特点。载体是废水生物膜法处理工艺的核心，作为微生物的附着场所，载体的性能直接影响生物膜的生长、繁殖和脱落，并对工艺的运行效果产生影响。目前，以聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等高分子材料制成的生物载体因加工工艺简单、成本较低在废水处理中得到了广泛的应用，但是这些载体的原材料均来源于不可再生的石油资源，且废弃之后在自然环境中难以降解，以致对环境造成不利影响。因此，开发诸如竹材类来源丰富、价格低廉、环境污染低、可自身降解的水处理载体材料已成为当前的研究热点(楼菊青等，2004；Jakubowicz et al., 2006；王远红等，2008)。

目前以竹材为主要材质的生物膜载体研究已有相关报道。Feng等(2008)将竹丝手动交织成球形，连接成串后固定在支架上，用于生活污水的厌氧处理，取得了良好的效果。曹文平等(2010)对比了竹丝载体生物反应器与活性污泥反应器对化粪池污水的处理效果，发现竹丝生物膜反应器的处理效果在18 h内超过活性污泥反应器，且其产泥量更低。张延青等(2007)采用竹球做曝气生物滤池填料处理高浓度含氮海水，结果表明，载体挂膜速度快，对氨氮去除率在70%以上，耐COD冲击负荷能力强，处理效果较稳定。竹纤维是从竹子中提取的一种纤维材料，亲水性好、孔隙发达、比表面积大，而且其内部有许多网状的相互连通的小孔通向载体表面，使微生物易于进入孔中生长、分裂，毛细管效应强烈、纵向表面粗糙且有多条较浅的沟槽，具有良好的吸湿和渗透性能，近年来，作为一种绿色材料在纺织、建筑等行业广为使用，而在废水处理中的应用尚未见报道(何建新等，2008；王黎明等，2011；Majumdar et al., 2010)。

本文以竹纤维为主要原料制备得到一种新型竹纤维生物膜载体，考察了其比表面积和亲水性能，研究了其在低浓度生活污水处理中的挂膜性能及挂膜过程中的生物相变化，以期为该载体在废水处理中的推广应用提供理论支撑。

1 材料与方法 1.1 试验原料及仪器

试验原料:天然竹纤维、涤纶纤维、发泡塑料(EVA)(均为市售)。主要仪器:HZ-88126水浴恒温振荡器(太仓市科教器材厂)；752型紫外分光光度计(上海光谱仪器有限公司)；SS-550扫描电子显微镜(日本岛津公司)；ASAP 2020型全自动比表面及孔隙度分析仪(美国麦克仪器公司)；荧光万能显微镜(BX51，日本Olympus)。

1.2 竹纤维生物膜载体的制备及性能测试 1.2.1 竹纤维生物膜载体的制备

将竹纤维和涤纶纤维以一定比例混合均匀，平铺在一平板上，其上覆盖一层厚度为2~5 mm的发泡塑料，再覆盖一层竹纤维和化学纤维的复合层，采用针刺法缝制即制得竹纤维生物膜载体。

1.2.2 BET比表面积测定

采用ASAP 2020型全自动比表面及孔隙度分析仪，以氮气为吸附质，在温度77 K和相对压力(p/p₀)10^-6~1下测定试样的吸附等温线，由测得的吸附等温线利用Brunauer Emett and Teller(BET)法计算载体的比表面积。

1.2.3 载体亲水性测定

裁剪一块5 cm×3 cm载体，无外力作用下平行轻放于装有800 mL去离子水的烧杯中，同时开始计时，测定载体完全浸湿所需时间，重复3次，取其平均值。

1.3 污水处理试验装置

污水处理试验在浙江临安横贩污水处理厂进行。厌氧池出水经流量计进入一级生物接触氧化池底部，一段时间后经由一级出水槽进入二级池底部，最终从二级池出水槽排出(图 1)。试验主体装置为竹纤维生物接触氧化反应器(2 m×0.5 m×1.1 m)，有效容积为0.9 m³，内分2格，体积比为3:2，池底曝气。将载体裁剪成条状(65 cm×2 cm)，以3 cm的平均间隔将载体两端镶嵌在塑料绳中，塑料绳两端固定在反应器支架上，每10 cm平行悬挂一组载体(图 2)。载体填充量为210条，填充面积为2.73 m²。

1.4 生物膜微生物相显微观察

从竹纤维生物膜载体上刮取一小块生物膜，用蒸馏水稀释，摇匀，制成菌悬液，用滴管吸取一滴菌悬液，放在干燥、洁净的载玻片上，盖上盖玻片，在荧光万能显微镜下观察微生物种类及形态。

1.5 分析方法和数据分析

COD_Cr:重铬酸钾法；NH₄⁺-N:纳氏试剂比色法(国家环境保护总局，2002)。采用Origin 8.5对所得数据进行分析和作图。

2 结果与分析 2.1 比表面积分析

切取尺寸为5 cm×3 cm×2 mm的一块竹纤维生物膜载体，其约含竹纤维17 100根，质量为0.381 6 g。由扫描电镜照片(图 3)可知，载体所用单根竹纤维的直径为15 μm，平均长度约1.8 cm，通过全自动比表面及孔隙度分析仪测得竹纤维生物膜载体BET比表面积为8.48 m²·g^-1。考虑到目前水处理填料比表面积均以m²·m^-3计，每立方米水池需安装竹纤维生物膜载体2.5 m²，则载体的比表面积为每平方米载体的质量×BET比表面积×每立方米水池安装载体量，即5 393 m²·m^-3。

与常规水处理载体相比，竹纤维生物膜载体的比表面积均高于软性组合填料、鲍尔环和BS等半软性填料、立体填料以及聚丙烯生物填料，其值分别为JDRZ型软性组合填料的4倍、YDT型弹性立体填料的18~100倍、BS型半软性填料的63倍(表 1)；与纤维类载体相比，其比表面积与辫带式水处理填料相近，略低于部分软性填料。

2.2 亲水性分析

载体放入烧杯后，与水接触的下层竹纤维复合层首先产生水珠，并由此形成连续水迹往上层蔓延，吸水量随浸没时间变化曲线见图 4。由图 4可知:浸泡初期，随浸泡时间增加，载体吸水量迅速上升，30 min后，吸水量基本趋于稳定，饱和吸水量达8.0 g·g^-1，高于常见的化学纤维如涤纶纤维0.213 g·g^-1(杨璐，2011)。

2.3 反应器启动与挂膜

采用接种活性污泥挂膜启动，试验在9月份进行，接种污泥取自临安污水处理厂浓缩池。闷爆24 h后进水，控制进水流量40 L·h^-1，曝气量2.0 m³·h^-1，以COD_Cr和NH₄⁺-N去除率作为判断生物膜是否成熟即反应器挂膜启动完成的指标。进水1天后，载体上出现黄色斑点；至第7天，载体表面出现大量黏性黄褐色生物膜；第8~12天，生物膜逐渐增加，并趋于稳定，膜厚3~5 mm，挂膜基本完成(图 5)。为考察水力负荷对生物膜稳定性影响，第13天提高进水流量至50 L·h^-1，发现生物膜生长基本不受影响，说明竹纤维载体生物膜耐水力剪切力作用能力强，对进水流量波动较大的废水处理适应性能好。

2.4 挂膜期间污染物去除情况

反应器启动后，随着时间延长，系统COD_Cr去除率增加，第10天，去除率达到79.3%，出水COD_Cr浓度降至9.3 mg·L^-1。第13天，由于进水流量增大，水力停留时间缩短，去除率有小幅下降，经5天适应后，去除率开始回升。第21天，因进水COD_Cr浓度突增，且2天后反应器内出现大量红虫，大部分生物膜脱落，使得去除率复又降低。采取有效措施后，待生物膜生长逐渐恢复，去除率逐渐增大。第29天，进水COD_Cr浓度为61.2 mg·L^-1，COD_Cr去除率达到80.3%(图 6)。

挂膜期间NH₄⁺-N去除率较稳定(图 6)。进水2~3天后，NH₄⁺-N去除率迅速增加，第5天，去除率即达到83.2%，后基本稳定在80%以上。第13天提高进水流量，NH₄⁺-N去除率无显著变化，说明系统对氨氮的去除能力受流量波动影响较小。第23天，由于红虫大爆发、大部分生物膜脱落，NH₄⁺-N去除率急剧下降至40%。待生物膜恢复后，NH₄⁺-N去除率迅速回升至83%，并趋于稳定。

2.5 生物膜的微生物相

生物膜形成初期，载体表面逐渐有褐色菌胶团附着，以丝状菌为骨架，从开始的离散状态逐渐形成簇状。此时的菌胶团较小，结构较疏松，出现了肉足类、鞭毛类和纤毛虫类原生动物，但数量较少，活性较差。生物膜稳定生长阶段，载体表面逐渐被生物膜覆盖，菌胶团量增加，形成了网状致密结构，而丝状菌的数量较初期减少，优势原生动物以固着型纤毛虫类数量最多。生物膜成熟后，载体内层生物膜呈现黑褐色，出水有一定的泥腥味，同时存在少量草履虫、漫游虫等游泳型纤毛虫以及轮虫等后生动物，且数量较稳定。生物膜主要微生物相如图 7所示。

3 结论与讨论

竹纤维纵向表面粗糙，呈多条较浅的沟槽，横向呈不规则的椭圆形，内部有许多网状的相互连通的孔隙通向表面，使微生物易于进入孔中生长和分裂(何建新等，2008)。其主要化学成分为高聚糖类物质(赵钊辉等，2005)，含有大量的亲水基团羟基(图 8)。竹纤维特殊的结构和化学组成，为其在废水处理中的应用奠定了良好的基础。以竹纤维为主要原料制备而得的生物膜载体比表面积高达5 393 m²·m^-3，远高于常规的水处理载体，如软性组合填料、半软性填料、立体填料等。载体亲水性能良好，浸入水中30 min，吸水量即基本趋于稳定，饱和吸水率达8.0 g·g^-1，高于常规的涤纶纤维。一般以聚丙烯、聚氯乙烯等高分子材质制备的弹性载体，表面自由能和表面张力较低，表面润湿性差，使液体在其表面成膜较困难(贾绍义等，2000)。

载体的挂膜性能主要与其表面粗糙度、比表面积和亲水性有关。粗糙的载体表面利于附着有机污染物，增加微生物与载体的有效接触面积，使微生物易于孳生繁衍，形成生物膜，同时可减缓水力剪切冲击，使生物膜不易脱落。竹纤维表面摩擦系数大，内部有许多网状的相互连通的孔隙通向表面，使微生物易于进入孔中生长和分裂。比表面积较大的载体，微生物所能附着的点位较多，挂膜较快，形成的生物量较大。亲水性的微生物易于在亲水性的载体表面附着和固定。汪晓军等(2004)对比了亲水性改进前后的塑料弹性填料在污水生化处理中的应用效果，发现亲水性改进后的填料挂膜速度快，厌氧处理效率提高15%~30%，好氧处理效率提高5%~10%，生物膜不易被气流冲击脱落，更能抵抗负荷冲击。

竹纤维生物膜载体挂膜速率快，挂膜效果好。进水1天后，载体表面即出现黄色斑点，至第7天，载体表面出现大量黏性黄褐色生物膜，后随着微生物不断增殖，膜厚逐渐增加，至第12天，挂膜基本完成，膜厚达3~5 mm，高于常规弹性载体(吴春笃等，2008)，且载体上挂膜均匀(图 5)。载体抗水力负荷能力强，第13天，进水流量提高25%，生物膜生长几乎未受影响。载体生物膜受到冲击破坏后，一旦反应条件恢复，生物膜1~2天内即能恢复正常生长。第21天，进水有机污染物负荷突增至原来的3倍，反应器内出现大量红虫，大部分生物膜脱落，采取有效措施2天后，生物膜即恢复生长，5天后基本达到稳定。

生物膜形成初期，载体表面菌胶团以丝状菌做骨架，形成一个立体结构的生物网，对水中污染物进行截留，污染物去除率缓慢增加，此时污染物的去除主要以截留作用为主。随着微生物增殖，生物膜稳定生长，载体表面逐渐被生物膜覆盖，菌胶团数量增加，污染物去除率增加迅速，COD_Cr和NH₄⁺-N去除率分别在第10天和第5天达到79.3%和83.2%。反应器内形成生物膜、气、液三相，受传质阻力的影响，生物膜由外向内溶解氧浓度呈梯度下降，当生物膜达到一定厚度时，生物膜由外向内分别形成好氧、兼氧和厌氧区(肖继波等，2009)，为废水中氨氮的同步硝化反硝化创造了有利条件。氨氮首先在好氧微生物的作用下发生硝化反应，转化为NO₂^--N或NO₃^--N，在浓度梯度的作用下，NO₂^--N或NO₃^--N向生物膜内层扩散，在内层反硝化微生物的作用下转化为N₂或N₂O。微生物相观测结果表明，运行稳定后，载体内层生物膜呈现黑褐色，说明挂膜后生物膜内层形成了厌氧层。竹纤维生物膜载体的同步硝化反硝化作用机制有待进一步研究。