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污水处理中生物载体填料及其研究与应用现状生物膜法是一大类生物处理法的统称，包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池、曝气生物滤池及生物流化床，其共同特点是微生物附着生长在填料表面上，形成生物膜，是一种被广泛采用的生物处理方法，具有良好的处理效果和应用前景。近年来,水处理领域的重大进展和发展很多集中在生物膜法处理工艺。在废水生物膜法处理工艺中,反应器中填充的填料是其核心部分。填料是生物膜赖以栖息的场所,是生物膜的载体,影响着微生物的生长、繁殖、脱落和形态及空间结构,同时兼有截留悬浮物质的作用。因此,载体填料是曝气生物滤池的关键,直接影响着曝气生物滤池的效能。同时,载体填料的费用在曝气生物滤池处理系统的基建费用中又占较大比重,所以填料关系到系统的合理性。随着技术工艺的发展，生物填料从主要使用碎石、卵石、炉渣、和焦炭等小比表面积和低空隙率的实心填料，发展到如今使用高强度、、轻质、比表面积大、空隙率高的填料大大提高了生物膜法的处理效率。生物滤料是生物接触氧化法的重要组成部分。首先，滤料作为微生物的载体，影响着微生物的生长、繁殖、脱离和形态；其次滤料起到吸附并且截留污水中悬浮物的作用；再次，滤料起到切割、阻挡气泡的作用，可以增加气泡在水体中的停留时间和气、液接触表面积，提高传质效率。由此可见滤料有着极其重要的作用，对于生物接触氧化法工艺的的运行效果和能耗都有着十分重要的影响和意义。滤料的性能指标有良好的水力学特征填料的水力学特征包括比表面积孔隙率、形状尺寸和填充度。填料表面是生物膜形成和固着的部位。较大的表面积是反应器保持高浓度生物量的首要条件,而生物量是控制反应器净化功能的关键因素,因此,填料的比表面积是影响生物膜法处理效果的首要因素。一般的,大的比表面积是有利的。但是,比表面积越大,反应器越易堵塞,流经填料内的水流阻力也越大,能耗随之增加。填料的孔隙率决定了废水的有效停留时间。孔隙率越大,废水的实际停留时间越长,其容积利用率越高,水流阻力越小,从而减少反应器堵塞和短流的可能性,同时填料用量减少,基建投资降低。但是,孔隙率越高,比表面积和机械强度就越小,反应器出水中的悬浮物浓度也就越高。现在国内外应用较多的塑料填料的孔隙率一般在95%左右。有良好的稳定性生物膜反应器从启动到运行需要较长时间,如果生物膜载体本身不具有一定的机械强度,那么在反应器运行过程中势必引起不同程度的破损而丧失其功能,这将使得生物膜反应器中所持有的生物量呈不规律变化。在污水处理中,其直接导致了出水水质的扰动。因此,要求填料有足够的机械强度,且本身质轻,能抵抗废水和微生物的侵蚀。不溶出有害物质而引起二次污染,不含对微生物有影响的物质。有较好的生物膜附着性生物膜在填料上的附着性主要取决于填料的物理因素和化学因素。物理因素包括填料的表面粗糙度和表面空隙大小。研究表明,表面粗糙度是决定能否快速形成生物膜的主要条件。粗糙度越大,挂膜越快。填料表面的空隙大小也影响生物膜的附着性,较小的孔隙具有毛细孔保水作用,因而对活动于水中的微生物有较强的持留作用。有关研究表明,滤池填料的孔隙率和粗糙度是能否很快形成初期生物膜的主要影响因。化学因素包括填料的表面静电作用和亲水性。一般细菌表面都带负电荷,若填料表面的正电位越高,则细菌越易附着于填料上生长形成生物膜。另外,细菌属于亲水性粒子,所以,提高填料表面的亲水性可以加快生物膜的形成和附着。成本低廉填料的费用一般约占生物膜工艺总投资的30%-40%。因此,经济合理地选择填料是非常重要的。显然,如果材质价格低,易于就地取材,加工方便,就能降低填料地成本。继而也能降低处理工艺的运行成本。填料的分类1�定型固定式填料定型固定式填料使用于七十年代初,其材质有酚醛树脂加玻璃纤维布及固化剂、不饱和树脂加玻璃纤维布及固化剂、塑料等。国内应用较早的纺织、印染、化工、化肥等行业,多数采用此类填料,尤以生物塔滤中应用居多。这类填料的特点是,在不发生堵塞的情况下,处理效果较稳定,比表面积为200m2/m3左右,使用寿命较长,一般为5~8年。但该类填料对布水、布气均匀性的要求很高,易发生脱膜困难,从而引起堵塞。使用中,人们发现,当有机物浓度高时,蜂窝填料很容易堵塞,一旦发生堵塞,其处理效率急剧下降,严重的甚至于毁坏构筑物。同时,其造价较高。近年来此类产品很少采用,一些原有项目的改造也基本被其它填料所替代。2�悬挂式填料悬浮型填料的开发是由生物流化床工艺引发而来的一个新的研究动态，有球形填料(空心球)、阶梯环填料(阶梯环)、异状体填料、管式网状填料和辐射片圆柱填料(鲍尔环)、悬浮颗粒填料等。这种填料比重接近于水，无需固定支架，在池中可随曝气搅拌悬浮于水中并全池均匀流化，能耗较低，是一种很有发展前途的填料。目前，研究者们正在开发各种材质、结构、形状、大小的此类填料用于污水处理。例如:选用密度为0．90～0．91g/m2、规格为90g/m2的丙纶无纺布作填料。选用填料内径10mm，外径11mm，高11mm的中空圆筒状填料，进行处理模拟废水小型试验，挂膜成功后，出水水质稳定，COD去除率可达到88%左右，生物膜量可达到4．1g/L。2.1软性填料软性填料问世最早，其主要特点是理论比表面积大、挂膜容易、造价低、运费省、组装方便、不堵塞等。但废水浓度高或水中悬浮物最大时，填料丝会结团，从而大大减少了实际利用的比表面积，且易发生断丝、中心绳断裂等情况，影响了使用寿命，其寿命一般为1—2年。2.2半软性填料半软性填料发明于八十年代中期,其枝条分布均匀,安装后没有短流区,使用寿命可达5~10年。它具有较强的再行布水布气的能力、挂膜脱膜效果较好、不堵塞。但其理论比表面积较小、且造价偏高。2.3组合填料组合填料，既利用了软性纤维填料中醛化维纶纤维具有耐酸碱、耐老化、耐生物降解的化学性能和比表面积大、重量轻、生物膜附着性能好等物理特征，又发挥了半软性填料的不结团、气水再分布能力强、氧传质效率高的优点，适合可生化性较差及浓度较低的废水。2.4弹性填料弹性立体填料发明于九十年代初,其丝条呈辐射立体状态,具有一定的柔性和刚性,回弹性好。其使用寿命长、布水布气性能良好,氧传递系数高、挂膜脱膜容易、比表面积大、不结团堵塞、耐温、不易老化、且生产速度快、可满足大型工程的需要,目前得到越来越广泛的应用。3�分散型填料分散型填料包括堆积式、悬浮式填料,其种类较多,特点在于无需上述填料的安装工作,应用时只需放置于处理装置中即可,使用方便,且更换简单,因此减少了安装及运行操作管理工作量,是今后填料的发展趋势。龙腾锐等采用山东济南地区的粘质黏土作骨料制备了水处理酶促生物填料(陶粒状),具有明显的优良挂膜性能:朱乐辉等采用江西萍乡地区的天然陶土作骨料制备得到球形轻质陶粒,应用于好氧和厌氧生物膜法处理效果都较好。堆积式填料堆积式填料一般为陶粒填料，有粉煤灰陶粒，纳米改性陶粒等，多用于曝气生物滤池。由于陶粒内部的微孔多孔结构，使陶粒具有容重小、强度高、保温隔音效果好、防火、抗冻、耐化学腐蚀、耐细菌腐蚀、抗震性好及施工适应性强等优良性能，被广泛应用于建筑、冶金、化工、石油、农业等部门。3.1陶粒填料我国对厌氧生物滤池填料的研究以陶粒为最多,由于陶粒内部的微孔多孔结构,使陶粒具有容重小、强度高、保温隔音效果好、防火、抗冻、耐化学腐蚀、耐细菌腐蚀、抗震性好及施工适应性强等优良性能,被广泛应用于建筑、冶金、化工、石油、农业等部门。江西省萍乡佳能环保公司与南昌大学合作开发研制的新型滤料一球形轻质多孔陶粒,具有良好的理化性能。该公司结合当地优良的陶粒资源,在以粘土资源为滤料的传统产业基础上,联合高等院校的科研人员共同研究开发出了这一新型滤料。其主要特点是:第一,由天然陶土加工而成,强度大、孔隙率高、比表面积大、化学和物理稳定性好,比重适宜;第二,表面粗糙,多微孔,生物附着性强,挂膜快,截污能力强;第三,形状规则,粒径为3mm~6mm,有效粒径3.4mm,水流状态好,克服了不规则粒状滤料水流阻力大、堵塞的缺点;第四,原料来源广,价格适中。3.1.1粉煤灰陶粒粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主料,掺加适量粘结剂或外加剂成球,经陪烧或养护而制得的一种人造轻骨料。它一般呈球状,堆积密度不大于1100kg/m3,粒径在5-20mm之间,表皮粗糙坚硬,内部有许多细微气孔。粉煤灰陶粒具有体轻、高强、节能环抱和吸水率低等优点。3.1.2纳米改性陶粒目前使用的填料大多数表面能较低,在使用过程中,当液体流经其表面时不容易铺展形成薄膜,而是形成分散的液珠或细小沟流,使得填料个体下部难以被有效地润湿,从而在很大程度上影响了传质效率。纳米粉末的制备、纳米复合体的合成是纳米技术的重要发展领域,具有广泛的发展前景,对高性能填料的研制具有重要的指导意义。合成新型的纳米陶粒是水处理填料用陶粒的一个新的尝试,它对传统陶粒比表面积小,难挂膜,生物亲和力低、易堵塞等缺点有革命性的改变。在今后的研制中,通过对原料配比、比表面积、孔隙尺寸及内部结构的综合考虑,不断优化制备工艺,使其朝增大空隙率、减少压降,增大比表面积、改善润湿性能,功能多样化的方向发展,不断提高填料的性能,并促进水处理工艺特别是生物膜法处理工艺的发展。目前几种新的填料近10年来,国内外各种新型生物填料不断被推出。如日本工程与贸易公司开发的RINGLACE塑料纤维填料已在工程上获成功应用。该填料被固定在铝制的笼子里垂直置于曝气池中,受曝气冲力的影响而浮动摇摆,因而污泥不会矿化和沉积。在污水处理厂中对几种不同填料进行对比实验发现,投加RINGLACE塑料纤维填料的曝气池,其BOD和COD的去除率可增加30%~50%。在新型悬浮填料方面,德国LINDE公司的LINPOR填料和英国SIMONHARTLEY公司的CAPTOR填料,目前发展较为成熟,这2种填料均由聚氨酯泡沫塑料制成,具有很高的比表面积(5000~35000m2/m3),可使系统的固定微生物质量浓度分别达10�18kg/m3和7~10kg/m3,适用于高浓度工业废水的处理。5�亲水填料及生物亲和(活性)填料填料开发的侧重点在填料的比表面积、填料结构与布水、布气性能及生物膜更新等方面。在实际应用中,人们发现填料在挂膜速度、挂膜量及膜与填料的紧密度方面存在不足。如对材料进行适当的亲水与生物亲和改性,可望大大提高填料的传质、挂膜和水处理性能。5.1亲水填料当水与塑料等材料接触时,如材料分子与水分子之间的作用力大于水分子之间的作用力,材料表面吸附水分,即被水润湿,表现出亲水性。目前,填料的亲水改性,主要是通过填料表面处理和在原材料中引入亲水基团2种途径实现。据文献报道,在表面结构改性时,有研究者将填料浸入含氧酸等化学腐蚀液中,从而除去填料表面的弱界面层,糙化表面;有的研究者在填料表面涂抹亲水材料,表面接枝带有亲水基团的高聚物单体;也有用紫外线辐照塑料填料,使其表面氧化而形成极性基团;还有的研究者采用强氧化性溶液,如重铬酸钾硫酸、高锰酸钾硫酸,与塑料生物填料表面进行化学反应,从而改变填料的表面分子结构。这些技术处理过的填料表面润湿性能有很大的提高,但也存在不少缺陷。应用溶液浸泡或者表面接枝处理过的填料在运行过程中由于水流的作用很容易发生表面消磨和脱落,使用紫外线处理,往往难以均匀辐照填料的内外表面,故使填料的内外表面的亲水性产生差异,也影响其使用效果。生物亲和(活性)填料材料生物亲和性的涵义通常指该材料与生物相容、不会对生物有任何损坏或有任何副作用。目前,虽未有关于生物填料的生物亲和性研究的专门报道,但已有研究者认识到生物亲和物质对生物填料的重要性。如微生物固定化填料大多以生物亲和性较好的海藻酸钙和琼脂糖等物质为载体。隋军等认为,现有常用的生物填料是生物惰性的,对微生物无促进和活化作用,因而发明一种用于水处理的活性生物填料,该填料中含有少量面粉、淀粉及碳酸钙等粉体,认为其不但为微生物提供适当营养源,还可为微生物提供更多的物理附着点,同时还可改善填料的亲水性,更易于微生物生长,加快挂膜启动和提高水处理效率。