搜索
第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-1-填料在生物膜水处理工艺中的研究进展吴晗1,2张毅敏1*，彭福全1，何东1，郭艳敏3，车昱晓4环保部南京环境科学研究所，南京210042；2.常州大学环境与安全工程学院，常州213164；3.东南大学能源与环境学院，南京210042,4南京信息工程大学，南京210000）摘要：填料在水处理工艺中有着广泛的应用，无论是好氧、兼氧还是厌氧过程中，填料都发挥着重要的作用。填料的材质、比表面积大小、填料表面粗糙度、布水布气性能、强度、密度和造价等，直接影响废水处理的效率和运行的可行性。其中，填料材质尤为关键。本文就生物膜水处理工艺中的填料的性质、效果、应用方面进行了探讨。关键词:填料，水处理，生物膜Advancesresearchoffillerinbiofilm-watertreatmentprocessWUHan1,2,ZHANGYi-min1*,PENGFu-quan1,GUOYan-mi,CHEYu-xiao(1.NanjingInstituteofEnvironmentalScience,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042;2.SchoolofEnvironmentalandSafetyEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164;SchoolofEnergyandEnvironment,SoutheastUniversity,Nanjing210042;4NanjingUniversityofInformationScience&Technology）Abstract:Fillerhasawiderangeofapplicationsinwatertreatment,thefillerhasplayedanimportantroleinbothaerobicandfacultativeanaerobicprocess.thefillerhasplayedanimportantrole.Thematerialofthefiller,thespecificsurfaceareasize,theroughnessofthesurfaceofthefiller,waterdistributionclothgasproperties,strength,densityandcost,itdirectimpactonthefeasibilityoftheefficiencyandoperationofthewastewatertreatment.Thefillermaterialisparticularlycritical.Thispaperdiscussedthenatureofthefiller,theeffect,application.Keywords：filler，watertreatment，biofilm1引言生物膜处理法是污水处理的重要方法之一，生物膜法主要依靠于填料表面的微生物进行污水净化，生长在固体表面的微生物是由复杂的菌群构成的生态系统，包括好氧菌、厌氧菌、兼性菌以及原生动物、真菌等。微生物附着生长的固体介质成为填料或载体。污水进入生物膜系统中，首先与生物膜外层的好氧菌发生好氧反应，然后进入厌氧菌层进行厌氧分解，通过水层的流动与切割，老化的生物膜不断脱落，新的生物膜不断地生长出来，从而达到净化水质的目的[1]。填料是生物膜技术的核心之一，其性能对废水处理过程的效率、能耗、稳定性及可靠性均有直接影响。因此选择正确的填料可使反应器高效的运行。否则，可能导致整个生物膜处理过程的失败[2]。所以研究填料对污水处理具有重要的意义。2填料的发展历程十九世纪末和本世纪初，韦林和迪特[3]等人先后以碎石、炉渣为填料进行了生物接触氧化法的试验。其后德国的韦加德以烧结渣为填料发明了旋转生物接触器，20世纪20年代，德国的贝第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-2-奇和美国的布斯维尔[3,4]又对生物接触氧化法进行了应用试验，去除BOD效果不好。到50年代以前，生产中采用的生物膜法处理构筑物仍是以碎石为填料。60年代末期，日本专家小岛贞男使用不产生堵塞现象的蜂窝状填料充填的接触氧化槽处理已被污染的多摩川河水，取得了非常良好的效果[4,5]。从七十年代初到八十年代期间，人们先后发明了硬性填料和软性填料，90年代后，我国研究者利用有机材料，开发了软性或半软性悬浮载体。目前，德国的LINPOR填料、英国的CAPTOR填料、日本的RINGLACE填料发展比较成熟。综上所述，生物膜工艺的演变过程，实际上是一个填料特性不断完善的过程。从开始的砂石等天然填料发展到目前人工合成材料填料，人们不断完善了生物膜法废水处理技术，并使其优点进一步得到发挥。3填料的种类及其特点用于充填接触氧化反应器的填料，按照载体的材料分类，大致可分为固定型填料，悬挂式填料和悬浮型填料[5-7]。3.1固定式填料固定式填料使用于20世纪70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。其主要包括蜂窝状和波纹板状等硬性填料。国内应用较早的有纺织、印染、化工、化肥等行业，尤以生物塔滤中应用居多。经生产运行数据表明：其一，反应池中有较高的生物浓度和生物活性，可有效去除废水中的有机污染物质，对COD的去除率可达到85%~90%；其二，体积负荷相对于活性污泥法提高，处理时间短，可减少反应器容积；其三，与活性污泥法相比较，其动力效率提高30%左右；其四，克服了活性污泥法中污泥膨胀的缺点，产泥量低等[7]。但是由于固定式填料比表面积小、生物膜量少，且表面光滑，生物膜易脱落，致使这些填料在使用中常会遇到堵塞、结团、布气布水不均匀、充氧性能差等问题。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。此外，上述填料均需安装在辅助支架上，造成安装更换诸多不便，使工程投资和运转费用相对提高。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[8]。3.2悬挂式填料悬挂式填料有软性、半软性、弹性及组合填料等不同种类填料[9]。3.2.1半软性填料半软性填料是由北京纺织科学研究院在20世纪80年代开发的，它是由填料单片、塑料套管和中心绳三部分组成，所有组成部分均采用耐酸、耐碱、耐老化性能较好的低密度聚乙烯为原料。经熔融注塑成由中心孔向外放射的形状，针刺状的圆形单片是半软性填料的主体，由中心绳依次穿过个单片的中心孔，单片间嵌套塑料管以固定片距串连成所需的长度。半软性填料具有特殊的结构和水力性能，孔隙率大，流阻小，而且当水流通过填料层时可产生明显的湍流流态，提高水与生物膜的接触效率，增大了去除污染物的能力。该填料由一定的刚性和柔性，具有较强的重新布水、布气能力。对于鼓风曝气中的大气泡供气而言，它具有多层次、反复切割气泡供气而言，从而提供了氧的转移率。具由传质效率高、节能、不易堵塞、耐腐蚀、耐老化等特点[3]。半软性填料不如弹性填料那么富有刚柔并兼，该填料是一种节能型的具有空隙率大、气泡切割能力更强、第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-3-氧利用率更高的弹性立体填料[7]。其不足在于比表面积相对较小、表面光滑、微生物附着性能相对较差和造价偏高[10]。半软性填料没有悬浮填料效率高，运行也不如后者稳定。这是因为悬挂式填料片与片之间的空间没有得到充分的利用，其外形以及装填的特点也影响了传质的效果，所以，生物处理效果没有悬浮填料好[11]。孙华等[12]用半软性填料研究合适进水水质及有机污染物，其COD去除率为70％～80％，BOD5去除率在86％～95％之间，NH3-N去除率为31％～56％，SS去除率为90％以上。半软性填料对COD去除率较好，氨氮去除率偏低。3.2.2软性填料软性填料问世最早，主要以软性纤维填料为代表。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、不易堵塞等。但废水浓度高或水中悬浮物较大时，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[13]。软性填料的空隙易受外力作用发生变化。3.2.3组合填料组合填料是在软性填料的基础上改进的另一类填料，由纤维束、塑料片、套管与中心绳组成，集软性和半软性填料之优点，组合填料综合了软性填料易挂膜，半软性填料不易缠结、堵塞的优点，克服了半软性料难挂膜的缺点，因而广泛应用于接触氧化法处理各种废水[14]。是污水在生化处理过程中较为理想的产品。在废水处理中内圈是雪花状塑料枝条，丝束分布均匀，也易生膜、换膜，并对废水的水质适应性好。广泛应用于各种污水及废水处理。赵玉华[15]等选取沸石、钢渣、煤灰渣、硅藻土4种填料，采用不同的组合方式构建4个填料生物滤池，在试验滤速0.65m/d的条件下，利用组合填料生物滤床的物理、化学和生物的协同作用，通过填料层过滤、吸附、共沉、离子交换和微生物的分解。结果：装有钢渣填料的滤柱除磷效果较好。沸石、钢渣、硅藻土组合方式填料滤柱对磷、碳、氨氮的去除效果均较高，磷的平均去除率93.68%，氨氮平均去除率86.1%，CODCr平均去除率62.7%。而沸石与煤渣组合滤柱、或沸石、煤渣、硅藻土组合滤柱除磷效果较差。3.2.4弹性立体填料弹性立体填料发明于20世纪90年代初，由聚烯烃塑料经增强亲水性、稳定性、吸附性处理后加工成的弹性单丝构成，上有毛刺、波纹，挂膜容易、生物量多、氧的转移速率高、比表面积大、不结团堵塞、耐温、不易老化、且生产速度快和可满足大型工程的需要。价格较便宜。其丝条呈辐射立体状态，具有一定的柔性和刚性，回弹性好。但弹性立体填料的安装复杂，而且更换、清除堵塞的曝气设备比较困难，中心绳有结团现象，对布气布水均匀要求较高，且比表面积较小，弹性立体填料是目前使用较多的一种[16]。目前较多应用在难降解有机物处理过程中的水解酸化段，提高废水的可生化性。该填料与硬性类蜂窝填料相比，孔隙可变性大，不堵塞；与软性类填料相比，材质寿命长，不粘连接团；与半软性填料相比，表面积大、挂膜迅速、造价低廉。因此，该填料可确认是继各种硬性类填料、软性类填料和半软性填料后的第四代高效节能新颖填料。广泛用于生物接触氧化池、水解酸化池内作生物填料。3.3悬浮填料悬浮填料是由生物流化床工艺引发而来的一个新的研究动态。悬浮式填料是分散式填料的一第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-4-种，将其投加曝气池中，在气流的推动下，该填料能够在全池中流化。填料表面生长有微生物，填料在流化过程中，其表面上的微生物能够充分利用溶解氧，提高氧的利用率，且微生物活性增强，系统的去除效果提高。在曝气过程中，填料具有公转和自转，可以提高氧的传递速率，易于生物膜脱落。在停止曝气时，填料悬浮于曝气池表面[17]。目前，我国研正在研究和开发各种材质、结构、形状、尺寸、大小各异的此类填料，用于污水处理中，研制出了用聚乙烯、聚丙烯、合成中空纤维等材质的填料作悬浮填料，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，化学稳定性高，具有一定刚度和空隙率，价格较国外的聚氨酯材质悬浮填料低，国内在悬浮填料的选材方面主要还是集中在聚烯烃类上。通常同样的产品形式，聚丙烯材质的填料比聚乙烯材质的更易生物挂膜，污水处理效果更好[18]。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，这两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。3.4其它类型的悬浮填料陶红[19]等以13X分子筛为基本原料、三氯化铝和硅酸铝为粘合剂、聚乙烯醇和可溶性淀粉为增孔剂、硅藻土为优选剂，在100~110℃下干燥后在260~300℃下焙烧，制