污水處理中填料的應用研究現(xiàn)狀
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[摘要]隨著污水生物膜處理技術在市場的占比日益提高，填料作為生物膜技術的核心，在工程應用上的重要性也日益提高。本文首先介紹了懸掛式填料、蜂窩式填料、分散式填料的分類與應用，其次綜述了常見工藝采用填料的研究現(xiàn)狀，指出了填料今后開發(fā)的重點。本文為填料的開發(fā)應用與研究方向提供了理論支撐。
[關鍵詞]污水生物處理；填料；曝氣生物濾池；移動床生物膜反應器
水生態(tài)建設是城市建設的重要組成部分，改善水生態(tài)環(huán)境是打造幸福城市的重要舉措。針對水環(huán)境治理的形勢和需求，我國城鎮(zhèn)污水排放的污染物控制指標遞增、要求不斷嚴格。污水處理的提標改造，已經(jīng)成了廣東、山西、上海、浙江等城市的共識與目標。目前，污水處理技術根據(jù)控制方法原理的不同可分為吸附法、化學法、生物法等。自1965年生物法以能耗低、投資低、處理效果明顯、二次污染少等優(yōu)點，在國內外逐步得到廣泛的應用[1]。生物法依賴微生物，主要以活性污泥法和生物膜法為主,來除去廢水中的有機物以及氮磷等污染物[2]。生物膜法以好氧菌和厭氧菌共存的生物膜為核心分解水體中的污染物，并利用曝氣等水力作用更新生物膜，以高效且高量的生物菌的合成分解作用達到水質進化作用。生物膜處理技術有生物濾池(普通生物濾池、高負荷生物濾池、塔式生物濾池、曝氣生物濾池)、生物轉盤、生物接觸氧化沒備和生物流化床等。填料是生物膜技術的核心，對生物膜處理工藝的運行性能存在較大影響。填料表面積與空隙提供了微生物附著點，使微生物的生物代謝與絮凝作用能充分發(fā)揮，所以填料的結構特性及表面特性直接影響著生物膜的形成與附著性。填料從最初的卵石、焦炭等材料逐步向合成樹脂等發(fā)展，通過填充在不同的生物反應器中，廣泛應用于處理生活污水以及各種工業(yè)廢水。針對不同性質的污水及出水排放標準，采用不同的生物填料，以適用各種處理要求。比如污水處理工藝中有較好的預處理，用于硝化或反硝化，可采用比表面積大的生物填料。
1填料
1.1懸掛式填料
懸掛式填料可分為軟性填料、半軟性填料、組合填料、彈性填料，適用于大中小型污水處理裝置，市面常見性能比較見表1，比表面積均不超過500m2/m3。目前市場上宜興市紅旗環(huán)保設備有限公司研發(fā)了一種比表面積高達2360m2/m3的組合填料，掛膜塊、比表面積大、活性強、壽命長。
1.2蜂窩式填料
蜂窩填料主要分為蜂窩直管填料和立體網(wǎng)狀填料。蜂窩直管填料主要用于塔式生物濾池、高負荷生物濾池和接觸氧化池以及生物轉盤。立體網(wǎng)狀填料的比表面積在60~200m2/m3，可應用于接觸氧化池、曝氣池等。
1.3分散式填料
懸浮型填料的形狀多樣，有球形、階梯環(huán)、拉西環(huán)和輻射片圓柱狀、懸浮顆粒狀等。市面上國內使用的填料外形尺寸比國外的要大，生產商有大連宇都環(huán)境、裕隆環(huán)保等。常見國外的填料有Linpor填料、Levapor填料、Kaldnes懸浮填料、Natrix懸浮填料、kuraray凝膠。工程中應用較多的懸浮填料主要為多面空心球填料、內置浮球填料。多面空心球填料可廣泛應用于除氯氣，除氧氣，除二氧化碳設備中。內置浮球填料可廣泛應用于接觸氧化工藝處理化工、紡織、印染、制藥等行業(yè)廢水以及生活廢水。堆積型填料形狀可包括顆粒狀、蜂窩管狀、筒狀、紋波狀、網(wǎng)狀、盾狀等，通常選取表面粗糙、比表面積大、多孔、易掛膜的填料，常用材料有石英砂、沸石、生物陶粒、火山巖等，多用于曝氣生物濾池。目前市面上生產堆積型填料的有魯風環(huán)保、寧波中勁、萍鄉(xiāng)、科立德、華騏環(huán)保等公司，表觀密度大都在1.2~2.0g/cm3，孔隙率均大于40%。中勁的比表面積最大，大于7104cm2/g，科立德的抗壓強度最大，在10~25MPa之間。
2填料的應用現(xiàn)狀
2.1曝氣生物濾池的填料
曝氣生物濾池(BAF)填料的粒徑、材料是限制其BAF工藝廣泛推廣應用的重要因素。填料粒徑越小，處理效果越好，但易堵塞濾池，提高反沖洗頻率。工程上多選取填料粒徑為3~8mm。曝氣生物濾池填料可劃分為無機填料與有機高分子填料，如陶粒、頁巖、沸石、石英砂及蛭石等礦物無機填料，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等有機高分子填料。國外應用成功案例最多的是法國威立雅開發(fā)的聚苯乙烯輕質懸浮填料，粒徑大多為3.6~5.0mm。Kent和Williams等人對常見的7種可用作BAF的填料進行了系統(tǒng)試驗分析，認為膨脹球形粘土最適合作為BAF的填料[3]。法國里昂水務就開發(fā)了3~4.5mm粒徑的膨脹粘土，用于BAF的BIOFOR工藝[4]。國內曝氣生物濾池的工程應用大都采用生物陶粒和火山巖。BAF填料的研究也取得了不錯的成績。曹春艷等[5]以沸石、活性炭、建筑陶粒、工程陶粒4種填料為研究對象，表明在水力停留時間為1.5h，COD為150mg/L，有機負荷為0.74kgCOD/(m3•d)時，工程陶粒是BAF的最佳填料。賀君[6]等以硅藻土、沸石粉、可膨脹石墨為原料，以1份硅藻土、0.54份沸石粉、1.70份磷酸、1.15份去離子水、2.69份氫氧化鋁與0.008份可膨脹石墨為質量配比，制備出一種用于曝氣生物濾池新型復合生物填料。在1.2h水力停留時間時，該填料對COD的最大降低率為59.21%，對SS的最大去除率為92.18%。靖青秀等[7]研發(fā)了鈷渣基陶粒作為BAF填料對含氮磷的模擬廢水進行處理，對氨氮、總氮、總磷的去除率分別為98.0%、62.2%、97.6%。當然也有研究人員對一些新型的陶粒填料如粘土陶粒、納米改性陶粒、陶土(高嶺土)陶粒、粉煤灰陶粒等進行BAF試驗研究。
2.2移動床生物膜反應器的填料
移動床生物膜反應器(MBBR)的懸浮填料應具有較大的比表面積，親水性好，易掛膜，掛膜后比重接近水，使用壽命長等特點，目前大多是由聚乙烯、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫體等有機材料制成的，極易在合適氣水比下呈流化態(tài)[8-9]。聚乙烯、聚丙烯等材料不易做成球狀，一般為圓筒狀，特別是其長徑比為1。如今生產的填料的比表面積多在100~1000m2/m3之間，比重介于0.96~1.30之間。目前國內外對MBBR有機填料改性的研究方向，主要集中于親水性填料開發(fā)。李春梅[10]以聚乙烯填料為改性對象，分別進行液相氧化、液相氧化-水浴-丙烯酸、液相氧化-超聲-丙烯酸三種表面親水性改性，研究表明掛膜時間縮短，去除率增加，液相氧化-超聲-丙烯酸改性后的聚乙烯填料最優(yōu)。王玉曉等[11]采用親水性改性的立方聚氨酯載體于MBBR中試裝置中處理市政廢水，COD、氨氮、總氮、總磷的平均去除率為70%、97%、70%、39%。SonwaniRaviKumar等[12]以聚丙烯、低密度聚乙烯-聚丙烯和聚氨酯泡沫聚丙烯為填料，在MBBR工藝下處理含萘廢水。結果表明，當pH=7，HRT=5d時，分別裝有3種填料的反應器對萘的最大去除率為72.4%、84.4%、90.2%。有機填料親水性和生物親和性較無機填料差，微生物掛膜難，導致MBBR掛膜啟動時間長。提高有機填料的親水性和生物親和性或開發(fā)一種新型生物友好型的適宜比重的無機填料是MBBR填料未來的研究方向。
3結論與展望
不同污水處理工藝需開發(fā)的填料也不一致，但高比表面積、親水性、生物友親和性一直是生化水處理填料的目標。曝氣生物濾池填料應具備高比表面積、孔隙率大、表面粗糙且多孔。移動床生物膜反應器填料應具備高比表面積和適宜比重。填料除了具備機械性能穩(wěn)定、生化性能穩(wěn)定、掛膜效率高且效果佳外，價廉易得也是研究的重點。粘土、粉煤灰等礦物質原料因價格低廉，生物親和性強，如何調整配方制備適合各個工藝的填料應是目前的研究熱點。
作者：張雪芳 單位：華電電力科學研究院有限公司