固定生物膜—活性污泥(IFAS)工艺起源于不设置污泥回流的接触氧化法，该法主要通过生物膜上的微生物处理污水，曾被广泛应用。随着新型填料的开发和活性污泥回流系统的增设，基于填料生物膜与悬浮活性污泥的复合工艺得以形成，最早应用于Broomfield污水处理厂的升级改造，随后在美国东西部、加拿大和德国都有广泛的应用。由于IFAS工艺具有诸多优势，如占地面积小，污泥产量小，抗冲击负荷能力强，不仅能高效脱氮除碳，还可以调和生物脱氮除磷的泥龄矛盾等。
因此，非常适用于活性污泥工艺的升级改造，在我国的新建水厂和改、扩建水厂中的应用也有增多的趋势，如，宁波市某污水处理厂将原曝气池末端改为好氧池，并投加30%的聚乙烯流化床填料。填料挂膜稳定后，其对氨氮的处理效率由67.6%升高至86.7%，污泥减量近30%。不仅如此，Shreve等研究了美国东部使用IFAS工艺的污水处理厂对TrOC的去除效果，发现除17个未检出TrOCs的样品外，实现了对其余样品TrOCs超过90%的去除率，即IFAS工艺对生活污水中的微量有机污染物有优良的去除效果。由于IFAS存在诸多优势，其在工业废水领域的应用也逐渐增多。
Togna等将IFAS工艺用于食品制造业等工业废水的处理，发现对4080 mg/L的进水COD可实现88%的去除率。IFAS工艺的广泛应用及对多种污染物良好的去除效果，依赖于泥膜两相功能微生物发挥协同作用。IFAS工艺系统中的生物填料可以使微生物特别是那些非优势微生物，也可以通过生物膜的形成而得以保留，从而增加了系统中微生物的功能多样性，在不增加池容和污泥产率的条件下增大曝气池中硝化细菌的生物量，进而提高反应体系中的总生物量。同时，IFAS工艺结合了悬浮污泥与附着生物膜的优点，使微生物在IFAS工艺系统中的生存环境由传统工艺下的气、液两相转变为更为丰富的固、液、气三相；填料上特有的“厌/缺/好”微环境，使其具有更为复杂稳定的生态系统、更加丰富的微生物菌群多样性，并可提高同步硝化反硝化效率，有助于污水处理系统脱氮除磷性能的提高。IFAS工艺系统的关键是生物填料，选取理化性质优良、挂脱膜能力强、细菌多样性及丰度高、污染物传质性能好的填料，不仅能提高系统的同步硝化反硝化效果，较低的硝酸盐外回流还有助于提高系统的生物除磷效率，进而增强系统的污染物去除性能。填料是IFAS工艺中影响微生物的附着及生长效果、微生物生态系统的形成，以及发挥对污水中污染物处理作用的关键因素之一。
常用材料包括天然物质(如石头、砂砾、木片)、活性炭、金属、塑料(如Kaldnes K1，K2，K3和K5等)、织物、玻璃、陶瓷、泡沫和化学改性聚合物(如聚乙烯醇—凝胶载体、可生物降解的聚己内酯载体等)。不适当的填料几何形状会导致其内部区域中生物量的过度积累，进而阻碍底物和溶解氧(DO)向内部区域的传输，降低污染物降解效率；而适当的几何形状可确保微生物的高效附着并实现90％以上的污染物去除率。
填料的粗糙度对于微生物的附着具有重要作用，较粗糙的表面可以增强生物膜的粘附性，确保微生物群落的初始粘附并防止其轻易脱落。除材料类型、形状、比表面积和粗糙度外，尺寸、密度、填充率等工艺参数，也影响填料挂膜的速度及附着相的生物量，对附着生物膜的形成及污水处理的效能亦发挥重要作用。
在IFAS工艺系统中，悬浮污泥和生物膜对整体污染物去除性能的贡献度有所不同。二者的表面电荷和疏水性会影响悬浮污泥的絮凝、生物膜的粒子附着，以及对有机物的吸附等，这些对于系统去除污染物的效果具有重要影响。同一IFAS反应体系中的悬浮污泥和生物膜具有不同的表面特征，Shao等研究测定了两相污泥的疏水性、表面电荷、胞外聚合物(EPS)含量及组成，结果表明与生物膜(-0.05~-0.07 meq/g VSS)相比，悬浮污泥具有较高的负表面电荷(-0.35~-0.65 meq/g VSS)，而悬浮污泥的疏水性(60%~75%)明显高于生物膜(19%~34%)；悬浮污泥的EPS含量明显高于生物膜(2.1~4.5倍)，两相污泥EPS的组成也存在显著差异，悬浮污泥EPS中PN占主导地位，生物膜EPS中PN和PS的比例大致相等。
生物膜是微生物及EPS等组分经生物化学过程的综合作用形成的微生态系统，由微生物产生的EPS呈丝状缠绕结构包裹在细胞表面，与微生物共同构成生物膜的主体。单个微生物受环境信号驱动运动至填料表面并在细胞壁作用下产生附着，随后众多微生物间发生相互作用形成群落并大量增殖，在多聚糖的黏性作用下形成生物膜并逐渐生长成熟；当环境条件不再能满足微生物生长的需要，微生物与载体分离（即出现脱膜现象），再次处于悬浮状态。生物膜在IFAS填料上因填料间的相互接触，使其外表面受到一定的水力剪切和磨损。
脱膜的三种机制是：磨损、侵蚀和剥落，而生物膜内积聚的N2也会导致生物膜的脱落。生物膜的形成、成熟、脱落是一个动态过程，在稳定期生物膜保持适宜的厚度与活性，生长与脱落过程达到动态平衡。生物膜厚度一方面对基质及DO向生物膜内部的扩散传递发挥重要影响，另一方面在一定程度上可以表征生物膜的生长状态并影响其微生物活性。根据生物膜异质结构模型，厌氧及好氧生物膜中存在着大量随机分布且大小形状各异、彼此交错相连的孔洞和通道结构，呈现出各向异性，生物量的分布也并不均匀；基质、反应器类型、操作条件、流体剪切力及填料种类的不同也会造成生物膜中微生物种群的多样化。
这种异质结构为生物膜内外的物质交换提供了通道，使得基质和DO通过液流或分子扩散作用进入生物膜内，与微生物接触并进行相应的生化反应。生物膜结构的异质性增加了内外生物膜间基质的浓度梯度，其结构对生物膜中基质的传递效率具有直接影响；生物膜表层和内部的孔洞及通道结构强化了其内部的对流传质，对应用生物膜降解污染物发挥关键作用。
随着我国城市生活污水水量呈逐年升高和对污水排放标准的提高，导致现有污水处理系统的负担大大增加。因此，对现有污水处理厂的提标改造与优化运营势在必行。基于此，以减小占地面积为基础、兼具悬浮污泥与生物膜二者优势的IFAS工艺在传统污水处理工艺的升级改造中备受青睐。为全面了解IFAS工艺当前的研究及应用状况，本文综述了IFAS工艺对污染物的去除性能，与其它工艺耦合应用效果，运行参数对IFAS性能的影响，运行优化等方面的内容，并展望了未来IFAS工艺的研究重点及方向，为更深入地了解IFAS工艺及其应用提供了参考。
摘 要
本文总结了固定生物膜—活性污泥(IFAS)工艺的相关研究进展，主要包括：IFAS工艺对污染物的去除性能、与其它技术耦合后的工艺性能、关键运行参数的影响，以及动力学模拟对IFAS工艺运行过程的优化。和传统活性污泥法（CAS）比较，IFAS工艺结合悬浮污泥与附着生物膜二者的优势，对有机物和氮素等污染物表现出更好的去除效果。IFAS工艺与其它新型污水处理工艺的耦合，可提高功能菌的代谢活性、多样性及选择性。在运行冲击方面，IFAS工艺在C / N变化、低温及高氨氮的情况下仍具有较高的运行稳定性；在工艺优化方面，动力学模拟有助于更好地理解IFAS反应器中运行参数、生物质特性，以及工艺性能之间的内在联系，从而可达到工艺优化的目的。IFAS工艺的高污染去除及抗冲击性能为将来我国污水处理厂的升级改造提供了很好的技术途径。为进一步提高对IFAS工艺的应用能力，未来在高性能填料的研发、生物膜挂脱膜平衡，以及泥膜两相间的交互作用及微生物特征分布等方面还有待进一步研究。
01 IFAS工艺在污染物去除中的表现
1. 有机物去除性能
表1总结了IFAS工艺应用于城市生活污水处理的相关工况参数和有机物去除性能。尽管各研究中有机物含量变化较大，但IFAS工艺仍能保持85%以上的COD去除率。Mannina等评估了IFAS-MBR的性能，并实现了98％的COD去除率。Trapani等在不同的SRT和温度下运行中试规模的IFAS，结果表明能以3.00 kg COD m−3 day−1的负载率实现100%的COD去除。Torre等比较了存在微量药剂化合物时MBR、IFAS-MBR和MBMBR工艺对有机物的去除，结果表明IFAS-MBR的COD去除率最高(98.95％)，对微量药剂化合物的去除率达到72.00％。Tao等研究发现IFAS和MBBR在不同曝气速率下均实现了超过90％的COD去除率，并保持低于50 mg / L的出水COD浓度。研究也表明IFAS工艺对难降解及微量有机污染物亦具有较好的去除效果。
Eslami等的研究发现，IFAS在有机负荷为0.44 g COD/(L·d)时对COD、LAS和油脂的去除率最高，依次为92.52％，94.24％和90.07％，而进一步增加有机负荷则降低了有机物去除率。IFAS亦可升级为IFAS-上升流厌氧污泥床(UASB)，以更高的微生物多样性增强对微量有机污染物的去除效果。Arias等运行了IFAS-UASB，结合不同的氧化还原条件及生物相提高微生物多样性，以溶解态甲烷作为电子供体提高生物去除微污染有机物的能力，通过反硝化细菌和好氧甲烷菌联合实现了废水中93％COD的去除。
2.脱氮性能
研究人员对IFAS工艺的生物脱氮性能开展了广泛深入的研究，表1也总结了IFAS工艺应用于城市生活污水处理对氮素的去除性能。研究认为IFAS工艺系统中悬浮填料的应用有利于氧气及基质的高效转移，而自养菌和异养菌对空间、DO和底物的竞争会对硝化作用产生影响。另外，C / N比对于异养和自养细菌的生长均发挥关键作用。在低C / N比条件下，因可用有机碳含量较少而对反硝化作用具有负面影响。Malovanyy等研究发现，与MBBR生物膜系统相比，IFAS 反应器中悬浮污泥浓度超过800 mg TSS / L时，由于反应器中氨氧化细菌(AOB)含量增加，氮去除率(NRR)从18±2 g N/(m3·d)增加至55±6 g N/(m3·d)，同时TN去除率从37％增加至70％。相同条件下IFAS悬浮污泥的硝化速率高于传统活性污泥工艺，可归因于IFAS工艺系统中生物膜的脱落对悬浮污泥的播种效应，即富含硝化细菌的生物膜部分脱落至反应器中，增强了悬浮污泥的硝化能力，进而增强了系统的硝化效果。Veuillet等应用IFAS ANITA Mox工艺的NRR达2.2 kg N/(m3·d)，NH4+-N和TN去除率分别为95％和85％。分子生物学分析表明，悬浮污泥中AOB含量占总AOB的93％，生物膜中的厌氧氨氧化细菌(AnAOB)含量占系统中总AnAOB量的96％。在IFAS系统中，AnAOB最初在生物膜中生长，部分分离脱落于悬浮污泥中，有利于增强IFAS体系内部氮的生物去除效果。Zhang等将硝化—厌氧氨氧化应用于中试规模的IFAS，评估了生物膜和悬浮污泥中氮的生物去除性能，以0.7~1.3 kg N /(m3·d)的NRR实现了80％TN的去除。Pedrouso等将短程硝化—厌氧氨氧化应用于中试规模的IFAS，在低温(15—21℃)条件下对城市生活污水进行厌氧处理，显示AOB在悬浮污泥中丰度更高，AnAOB则主要存在于生物膜中；IFAS运行中有氧与缺氧的结合使NOB活性仅占其最大潜在活性的10~20％，总体实现了72±11％的氮去除率。
02 IFAS耦合工艺的应用与效果
1.MAIFAS
MAIFAS (microalgae-based IFAS)是一种基于共生微藻的IFAS技术，借助藻类光合作用释放O2来替代曝气，在满足出水排放标准的同时可降低能源消耗。MAIFAS生物膜中存在局部曝气，促进了整个生物膜中好氧菌对DO的深度利用，而这是机械曝气所不能实现的。Church等分别在MAIFAS、IFAS、悬浮微藻系统中进行光曝实验，使用DO微电极检测运行40，80，130和150 d后黑暗和光照条件下MAIFAS和IFAS生物膜剖面上的DO浓度，以确定生物膜内的藻类光曝气量。通过微藻光合产氧操作130 d后，无光照时大部分DO只能穿透生物膜总厚度的69%，光照条件下生物膜表面DO浓度增加到6.3mg O2·L-1，与黑暗条件下的DO差别为2.8mg O2·L-1；生物膜底层的DO达0.3 mg O2·L-1，使得底层生物膜亦具备较充足的O2进行硝化作用。另外，生物膜的微观剖面图像显示出密集的混合生物膜的存在，其中外层是藻类和异养细菌的混合物；微藻与不同菌群之间的相互作用可促进细菌群落结构和菌群代谢活性发生变化。
2.IFAS-EBPR
IFAS-EBPR系统使世代周期较长、生长较为缓慢的硝化细菌附着在填料上，使生长较快的除磷微生物及反硝化细菌存在于悬浮污泥中，实现对SRT值存在冲突的硝化细菌(>15天)和聚磷菌(PAOs, <5天)的解耦。Hayden等研究IFAS-EBPR系统中与污泥存在的不同形式相关的PAOs的含量和分布，结果表明悬浮污泥样品中PAOs的相对丰度为20~30％，占生物膜样品的3~8％；多数PAOs存在于悬浮污泥中，且生物膜中含有聚磷颗粒的细胞的丰度要比悬浮液污泥中低得多。
研究表明，在交替的厌氧/好氧条件下，生物膜内会产生生物除磷活性。系统中如进水COD和氨氮负荷的昼夜变化，可能会由于DO浓度和扩散深度变化而引起局部的、周期性的有氧或厌氧的微观变化，这可能会导致生物膜中PAOs的生长。但是，生物膜中PAOs含量相对较低可能是由于悬浮污泥和生物膜之间生物质的脱离和附着交换所导致。为研究IFAS-EBPR系统中悬浮污泥、生物膜之间PAOs活性的水平和分布，Gu等以从好氧池采集的悬浮污泥和生物膜样品进行了吸、释磷实验，结果表明只有少于4％的生物除磷活性来自于生物膜；而悬浮污泥的磷吸收速率和磷释放速率分别为3.9±0.43和12.1±2.1 mgP / (gVSS·h)。
对于污水处理厂而言，在处理成本和磷去除率之间进行权衡时，选择合适的技术至关重要。Bashar等采用数学建模对包含IFAS-EBPR、MBR工艺在内的六种不同的磷去除工艺系统进行了除磷性能及成本效益评估。结果表明，IFAS-EBPR是成本效益最高的系统($ 42.25 / lb-P去除；出水磷浓度为0.82mg / L)。
3.IFAS-ANNAMOX
厌氧氨氧化技术在污水处理中具有明显优势，包括反硝化过程中无需额外碳源、较低的曝气成本和较低的污泥产量。Anammox可分为一阶段或两阶段进行。两步法Anammox通过富集AOB来实现短程硝化，然后通过厌氧氨氧化菌将亚硝酸盐和剩余的氨氮转化为N2。一步法Anammox在控制DO的条件下同时实现了短程硝化和厌氧氨氧化，其应用中的主要问题之一是如何在AOB和AnAOB之间实现DO供给的平衡，以避免不当的DO浓度对AnAOB的抑制及对NOB增值的促进作用。
研究者将Anammox应用于IFAS工艺系统中，重点研究了该耦合工艺的污染物去除性能和微生物群落分布特征。Klaus等对原始Anox K3填料和取自IFAS工艺系统的填料进行了比较，运行一个月后发现与对照(0.2g NH4+-N·m-2d-1)相比，取自IFAS工艺系统的填料显示出厌氧氨氧化速率(1.1gNH4+-N·m-2d-1和1.4g–NO2–-N ·m-2d-1)的快速增加。中试规模的IFAS氨氮负荷率为0.7~1.3 kg N /(m3·d)时，氮去除率达到80％；生物膜中存在AnAOB，而悬浮污泥中则存在丰富的AOB。高DO浓度和更丰富的底物有利于悬浮污泥中AOB的生长。此外，较厚的生物膜阻碍了DO的传质，从而限制了异养菌和AOB的生长，同时增强了AnAOB的增殖。Laureni等研究了不同DO浓度下，NOB和AnAOB对氮去除率增强的效应。通过调控DO选择性去除NOB会增加生物膜中的AnAOB可利用的亚硝酸盐，并对悬浮污泥中NOB的生长产生进一步的抑制作用。
4. IFAS-SFD-MBR
活性污泥的丝状膨胀和膜生物反应器的生物污染，被认为是影响活性污泥工艺发挥最佳性能的主要威胁。然而，非絮凝生物质也已被广泛用于特定的污水处理技术，如IFAS工艺；生物质聚集可表现为饼层在支撑面上的积聚，将活性污泥过程与生物滤饼过滤相结合，产生了自生动态膜生物反应器(SFD-MBR)。该系统中污水通过滤网过滤后，固体在惰性表面积累形成生物层（即 “动态膜”），增强了滤网自身的过滤能力。
Vergine等将填料添加到SFD-MBR中，作为IFAS和SFD-MBR工艺的组合，评估了IFAS-SFD-MBR工艺在典型工况下的运行效能。运行初期，在SFD-MBR反应器中(第43天)比在IFAS-SFD-MBR反应器中(第60天)更早实现了稳定的COD去除和硝化过程，这表明后者具有更长的适应时间。与悬浮污泥生物反应器相比，生物膜反应器中COD稳定去除性能的实现速度较慢。在IFAS-SFD-MBR的出水中硝酸盐的浓度较低，这是由于塑料载体的存在有利于低浓度DO区域的产生，进而产生了明显的反硝化作用。此外，稳态条件下在IFAS-SFD-MBR中观察到膜孔堵塞更为快速和频繁，即SFD-MBR中膜孔堵塞趋势受污泥絮凝物结构和聚集因素(例如塑料填料是否存在)的影响，填料的存在引起的生物生态系统的变化对膜孔堵塞的趋势产生了负面作用。
03 运行参数对IFAS工艺的影响
1.DO
好氧微生物AOB、NOB在悬浮污泥更容易获得溶解性底物，故而更容易在悬浮污泥中聚集；而生物膜可提供缺氧条件，AnAOB会在生物膜中富集。此外，与生物膜相比，悬浮污泥受扩散传质限制更少，因此即使在低DO条件下，也可实现更高的底物转化率。
研究表明，交替缺氧/好氧过程的间歇性曝气策略，有助于连续流和序批式反应器污水中可生物降解污染物的高效去除。这种运行策略也降低了电能消耗及与曝气相关的操作成本。Nitin等的研究探讨了不同的间歇性曝气循环对IFAS反应器中EPS产生和污泥特性的影响。整个实验分为四个阶段：三次间歇曝气运行，一次连续运行。结果表明，IFAS反应器中EPS总浓度(结合态和可溶态EPS之和)明显高于连续曝气条件下的EPS总浓度，且在各实验阶段，结合态EPS的百分比远高于可溶态EPS(达6~10倍)；之后可溶态EPS含量均随非曝气时间的延长而增加，这可能与缺氧条件对生物质的胁迫有关，即缺氧下细胞自溶释放可溶态EPS。此外，研究发现间歇曝气阶段不同的非曝气时间对污泥沉降性有显著影响，间歇曝气运行中非曝气时间最长的阶段相应的SVI值最高。非曝气时间的延长促使更多的EPS产生，高浓度的EPS会增加微生物的表面电荷，增加细胞间的斥力，对微生物团聚体的沉降性能产生负面影响，进而导致其SVI值增加。
2.C / N
Shao等研究了不同有机负荷下(500、250、150 mg/L COD)IFAS反应器中生物膜和悬浮污泥中细菌群落组成的差异。将C / N从10:1改为5:1导致整个系统中生物膜生物量的百分比增加，即生物膜比悬浮污泥具有更高的稳定性，凸显出应用IFAS优于常规活性污泥工艺的优势。但当C / N从5:1进一步降低到3:1时，没有出现悬浮污泥的快速洗去，更多的生物质从生物膜中分离出来，表明异养细菌从生物膜中的分离可能会加剧硝化细菌的分离。两相中的硝化细菌对C / N变化的响应不同。当C / N从10:1变为5:1时，生物膜中AOB基因的百分比从4.4±0.3％下降到1.4±0.4％，随后该值逐渐增加至7.2±0.3％；在C / N比从5:1继续变为3:1时再次降至2.9±2.7％。AOB基因的突然减少表明反应器对C / N变化敏感，C / N的每次变化都是菌群重建的新起点。在悬浮污泥中，C / N为10:1和C / N为5:1时AOB基因百分比相似(3.9±0.7％和4.1±1.6％)，而在C / N为3:1时下降到1.1±0.1％。对于NOB而言，在C / N为3:1时生物膜中的百分比最高(10.9±1.6％)，而C / N为5:1(9.0±0.5％)和C / N为10:1时(9.3±0.5％)的占比相似。
此外，AOB和NOB在 C / N变化之后显示出不同的恢复行为。当C / N为5:1时，生物膜和悬浮污泥中AOB的恢复均快于NOB。但当C / N仅为3:1时，生物膜中AOB的恢复率则慢于NOB。这种差异证明，C / N为 5:1是AOB有利的生存条件。与AOB不同，低C / N对有机负荷改变后的NOB恢复率显示出负面影响；但长时间运行后，悬浮污泥中多数NOB得以恢复。这表明悬浮污泥中的NOB能够在低C / N条件下生长。