污水处理中填料的应用研究现状
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[摘要]随着污水生物膜处理技术在市场的占比日益提高，填料作为生物膜技术的核心，在工程应用上的重要性也日益提高。本文首先介绍了悬挂式填料、蜂窝式填料、分散式填料的分类与应用，其次综述了常见工艺采用填料的研究现状，指出了填料今后开发的重点。本文为填料的开发应用与研究方向提供了理论支撑。
[关键词]污水生物处理；填料；曝气生物滤池；移动床生物膜反应器
水生态建设是城市建设的重要组成部分，改善水生态环境是打造幸福城市的重要举措。针对水环境治理的形势和需求，我国城镇污水排放的污染物控制指标递增、要求不断严格。污水处理的提标改造，已经成了广东、山西、上海、浙江等城市的共识与目标。目前，污水处理技术根据控制方法原理的不同可分为吸附法、化学法、生物法等。自1965年生物法以能耗低、投资低、处理效果明显、二次污染少等优点，在国内外逐步得到广泛的应用[1]。生物法依赖微生物，主要以活性污泥法和生物膜法为主,来除去废水中的有机物以及氮磷等污染物[2]。生物膜法以好氧菌和厌氧菌共存的生物膜为核心分解水体中的污染物，并利用曝气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达到水质进化作用。生物膜处理技术有生物滤池(普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池、曝气生物滤池)、生物转盘、生物接触氧化没备和生物流化床等。填料是生物膜技术的核心，对生物膜处理工艺的运行性能存在较大影响。填料表面积与空隙提供了微生物附着点，使微生物的生物代谢与絮凝作用能充分发挥，所以填料的结构特性及表面特性直接影响着生物膜的形成与附着性。填料从最初的卵石、焦炭等材料逐步向合成树脂等发展，通过填充在不同的生物反应器中，广泛应用于处理生活污水以及各种工业废水。针对不同性质的污水及出水排放标准，采用不同的生物填料，以适用各种处理要求。比如污水处理工艺中有较好的预处理，用于硝化或反硝化，可采用比表面积大的生物填料。
1填料
1.1悬挂式填料
悬挂式填料可分为软性填料、半软性填料、组合填料、弹性填料，适用于大中小型污水处理装置，市面常见性能比较见表1，比表面积均不超过500m2/m3。目前市场上宜兴市红旗环保设备有限公司研发了一种比表面积高达2360m2/m3的组合填料，挂膜块、比表面积大、活性强、寿命长。
1.2蜂窝式填料
蜂窝填料主要分为蜂窝直管填料和立体网状填料。蜂窝直管填料主要用于塔式生物滤池、高负荷生物滤池和接触氧化池以及生物转盘。立体网状填料的比表面积在60~200m2/m3，可应用于接触氧化池、曝气池等。
1.3分散式填料
悬浮型填料的形状多样，有球形、阶梯环、拉西环和辐射片圆柱状、悬浮颗粒状等。市面上国内使用的填料外形尺寸比国外的要大，生产商有大连宇都环境、裕隆环保等。常见国外的填料有Linpor填料、Levapor填料、Kaldnes悬浮填料、Natrix悬浮填料、kuraray凝胶。工程中应用较多的悬浮填料主要为多面空心球填料、内置浮球填料。多面空心球填料可广泛应用于除氯气，除氧气，除二氧化碳设备中。内置浮球填料可广泛应用于接触氧化工艺处理化工、纺织、印染、制药等行业废水以及生活废水。堆积型填料形状可包括颗粒状、蜂窝管状、筒状、纹波状、网状、盾状等，通常选取表面粗糙、比表面积大、多孔、易挂膜的填料，常用材料有石英砂、沸石、生物陶粒、火山岩等，多用于曝气生物滤池。目前市面上生产堆积型填料的有鲁风环保、宁波中劲、萍乡、科立德、华骐环保等公司，表观密度大都在1.2~2.0g/cm3，孔隙率均大于40%。中劲的比表面积最大，大于7104cm2/g，科立德的抗压强度最大，在10~25MPa之间。
2填料的应用现状
2.1曝气生物滤池的填料
曝气生物滤池(BAF)填料的粒径、材料是限制其BAF工艺广泛推广应用的重要因素。填料粒径越小，处理效果越好，但易堵塞滤池，提高反冲洗频率。工程上多选取填料粒径为3~8mm。曝气生物滤池填料可划分为无机填料与有机高分子填料，如陶粒、页岩、沸石、石英砂及蛭石等矿物无机填料，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等有机高分子填料。国外应用成功案例最多的是法国威立雅开发的聚苯乙烯轻质悬浮填料，粒径大多为3.6~5.0mm。Kent和Williams等人对常见的7种可用作BAF的填料进行了系统试验分析，认为膨胀球形粘土最适合作为BAF的填料[3]。法国里昂水务就开发了3~4.5mm粒径的膨胀粘土，用于BAF的BIOFOR工艺[4]。国内曝气生物滤池的工程应用大都采用生物陶粒和火山岩。BAF填料的研究也取得了不错的成绩。曹春艳等[5]以沸石、活性炭、建筑陶粒、工程陶粒4种填料为研究对象，表明在水力停留时间为1.5h，COD为150mg/L，有机负荷为0.74kgCOD/(m3•d)时，工程陶粒是BAF的最佳填料。贺君[6]等以硅藻土、沸石粉、可膨胀石墨为原料，以1份硅藻土、0.54份沸石粉、1.70份磷酸、1.15份去离子水、2.69份氢氧化铝与0.008份可膨胀石墨为质量配比，制备出一种用于曝气生物滤池新型复合生物填料。在1.2h水力停留时间时，该填料对COD的最大降低率为59.21%，对SS的最大去除率为92.18%。靖青秀等[7]研发了钴渣基陶粒作为BAF填料对含氮磷的模拟废水进行处理，对氨氮、总氮、总磷的去除率分别为98.0%、62.2%、97.6%。当然也有研究人员对一些新型的陶粒填料如粘土陶粒、纳米改性陶粒、陶土(高岭土)陶粒、粉煤灰陶粒等进行BAF试验研究。
2.2移动床生物膜反应器的填料
移动床生物膜反应器(MBBR)的悬浮填料应具有较大的比表面积，亲水性好，易挂膜，挂膜后比重接近水，使用寿命长等特点，目前大多是由聚乙烯、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫体等有机材料制成的，极易在合适气水比下呈流化态[8-9]。聚乙烯、聚丙烯等材料不易做成球状，一般为圆筒状，特别是其长径比为1。如今生产的填料的比表面积多在100~1000m2/m3之间，比重介于0.96~1.30之间。目前国内外对MBBR有机填料改性的研究方向，主要集中于亲水性填料开发。李春梅[10]以聚乙烯填料为改性对象，分别进行液相氧化、液相氧化-水浴-丙烯酸、液相氧化-超声-丙烯酸三种表面亲水性改性，研究表明挂膜时间缩短，去除率增加，液相氧化-超声-丙烯酸改性后的聚乙烯填料最优。王玉晓等[11]采用亲水性改性的立方聚氨酯载体于MBBR中试装置中处理市政废水，COD、氨氮、总氮、总磷的平均去除率为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为填料，在MBBR工艺下处理含萘废水。结果表明，当pH=7，HRT=5d时，分别装有3种填料的反应器对萘的最大去除率为72.4%、84.4%、90.2%。有机填料亲水性和生物亲和性较无机填料差，微生物挂膜难，导致MBBR挂膜启动时间长。提高有机填料的亲水性和生物亲和性或开发一种新型生物友好型的适宜比重的无机填料是MBBR填料未来的研究方向。
3结论与展望
不同污水处理工艺需开发的填料也不一致，但高比表面积、亲水性、生物友亲和性一直是生化水处理填料的目标。曝气生物滤池填料应具备高比表面积、孔隙率大、表面粗糙且多孔。移动床生物膜反应器填料应具备高比表面积和适宜比重。填料除了具备机械性能稳定、生化性能稳定、挂膜效率高且效果佳外，价廉易得也是研究的重点。粘土、粉煤灰等矿物质原料因价格低廉，生物亲和性强，如何调整配方制备适合各个工艺的填料应是目前的研究热点。
作者：张雪芳 单位：华电电力科学研究院有限公司