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随着水污染问题的日益突出,严重影响到人类健康与环境。在“双碳”大背景下,现有污水生物处理工艺（如氧化沟工艺、A~2/O工艺、A/O工艺、传统活性污泥法等）普遍存在能耗过高,操作复杂以及占地面积大等问题。以生物填料为核心的生物接触氧化法具有容积负荷高、适应能力强、剩余污泥量少和运行管理简便等特点,得到较为广泛的应用,但是其中的填料存在着诸多技术瓶颈问题（如生物量较少、易脱落、传质效果差、二次污染严重等）,影响了生物填料的处理效果与应用。新型改性玄武岩纤维（MBF）是一种无机微米级材料,具有化学稳定性好、耐腐蚀、比表面积大、良好的亲水性和生物亲和性等优点,具有广阔的应用前景。本文针对无机微米级MBF新型填料的水处理技术进行了深度研究,首先对MBF生物巢的废水处理效果进行了初步探究,然后解析了MBF生物巢生长过程与形成规律,通过构建MBF生物巢反应器,对横向间距（HS）、纵向间距（VS）、填充比（FR）等参数进行优化研究,得到MBF生物巢反应器的最佳参数范围,最后对酒精废水、垃圾渗滤液和锂电池浆料废水三种典型废水开展了试验研究与效能评价,形成了如下主要结论:（1）为了初步探究MBF作为生物填料处理废水的效果,在反应器中引入了MBF生物填料,研究MBF生物巢的水处理效果、DO传质效果、微生物活性以及MBF的吸附特性。结果表明:微米级MBF生物填料可以在曝气池中形成球状聚集体,其尺寸大于10 cm以上。在使用MBF生物填料的生物反应器（R-BF）中,当碳氮比由5:1提高至20:1时,R-BF反应器的NH4+-N去除效率从77.79%提高到了82.17%,同时,R-BF反应器的TN去除效率从60.10%增加到了82.07%。使用DO微电极和激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）进行的传质效果和生物活力分析表明,DO可以梯度分布到达MBF生物巢的核心,核心处可以检测到活的微生物。傅立叶变换红外吸收光谱仪（FTIR）测试间接表明,紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）中的多糖（PS）和蛋白质（PN）的功能团在生物巢的形成中发挥了关键作用。（2）研究了厌氧与好氧两种微环境下培养的生物巢的生长过程与形成规律。结果表明:MBF生物巢的形成过程是微生物吸附、生长、脱落等综合作用的动态过程,可依次分为适应期、成型期、成熟期和稳定期四个时期。MBF生物填料在厌氧/好氧微环境下形成的生物巢的生物量巨大。MBF生物巢在生长与形成过程中有完整的孔隙与通道结构,有助于维持生物巢和微生物群落的整体稳定性。MBF生物巢在生长与形成过程中生物活性逐渐提高,厌氧环境下形成的MBF生物巢第28 d的稳定期样本的内层、中层和外层(Y28N、Y28Z和Y28W)的生物活性分别为63.89%,80.03%和88.15%,好氧环境下形成的MBF生物巢第28 d的稳定期样本的内层、中层和外层(H28N、H28Z和H28W)的生物活性分别为64.60%,81.44%和88.56%。MBF生物巢在生长与形成过程中微生物群落逐渐丰富和多样化,生物化学循环得到增强。好氧环境下形成的MBF生物巢在有机污染物的去除方面更具有优势,厌氧环境下形成的MBF生物巢在TN的去除方面更有优势。（3）构建了MBF生物巢反应器并进行优化及效能评价。研究表明:MBF生物巢反应器在处理生活污水的最佳HRT为6 h,最佳参数条件为:HS为17.27cm,VS为15.04 cm,FR为62.51%时,COD、NH4+-N、TN和TP的去除率最高,分别为91.03%,89.40%,85.96%和71.29%。Grau二级基质去除模型拟合结果为y=2.17284x-0.12833,相关系数R~2为0.916;修正的Stover-Kincannon模型拟合结果为y=2.19289x–4.33381,相关系数R~2为0.918,Umax为0.231 kg/m~3/d,KB为0.506 kg/m~3/d;Monod模型的拟合曲线的相关系数为0.971,Ks为1089.67mg/L,qmax为0.787 mg-N/mg VSS/d。最佳运行参数下形成的MBF生物巢从内到外样品a-f的生物活性依次为36.57%、49.80%、55.31%、57.06%、58.65%和71.10%。MBF生物巢内较高的生物活性（Activity）、EPS、PS、PN、腐殖质（Humic Substance）和微生物生物量,促进了生物巢内丰富的群落多样性的形成和微生物生长,且对微生物群落结构的影响程度从大到小为:EPS＞PS＞PN＞Humic Substance＞Activity。（4）研究评价了MBF生物巢处理技术对三种典型废水（酒精废水（高有机废水）、垃圾渗滤液和锂电池浆料废水）的处理效能。a)酒精废水:MBF生物巢反应器在低DO（1.0±0.3 mg/L）条件下处理有机负荷率为15.243 kg/m~3·d、氮负荷率为1.068 kg/m~3·d的高浓度有机废水时,COD、NH4+-N和TN的去除率分别为99.1%、97.9%和97.8%。生物巢内较高的生物活性（55.78%）、丰富的生物量和多样的群落结构使R-BF能够以较低的剩余污泥产量和能耗实现高效去除率。b)垃圾渗滤液:MBF生物巢提升了生物接触氧化反应器对垃圾渗滤液的水处理效果和吸附重金属的性能。在生物接触氧化反应器中应用MBF生物填料可以解决传统生化反应器反硝化效率差的问题,也可以降低目前填埋场渗滤液处理技术中因高级氧化、膜处理和其它复杂工艺而产生的成本。c)锂电池浆料废水:MBF生物巢强化了R-BF对低碳氮比的锂电池浆料废水的处理能力。在低DO（0-1 mg/L）条件下,R-BF在节省曝气能耗的同时实现了最优污染物去除效果。动力学模型表明R-BF对锂电池浆料废水具有高效的脱氮性能,最高达到4.462kg/m~3/d。生物巢内丰富的群落多样性和微生物生长,使R-BF能够实现高效的污染物去除,并产生较低的剩余污泥产量。此外,MBF生物巢的多维结构解决了传统生物膜无法实现微生物高度富集和微生物剥落的问题。碳循环和氮循环的相关功能组为水解发酵、硝化/反硝化和同步硝化反硝化（SND）的协同作用,共同促进了废水的处理。通过以上研究,MBF生物巢的水处理技术在处理废水方面具有高效性与实用性,可以为MBF生物巢的使用提供理论依据,为其应用提供科学支撑。因此,MBF生物巢在污/废水处理方向具有很广阔的应用前景。