BAF滤料的研究进展

BAF滤料的研究进展曝气生物滤池（BiologicalAeratedFilter）简称BAF，是80年代末在欧美发展起来的一种新型生物膜法污水处理工艺。世界上首座BAF于1981年在法国投产，随后在美国、加拿大、日本等国得到广泛应用。BAF在我国作为一种新工艺，正处于推广阶段。大连市马栏河污水处理厂是我国第一个采用BAF工艺的城市污水处理厂，目前正处于试运行阶段。许多科研单位也对曝气生物滤池结构形式、功能、启动和滤料等方面进行了详细的研究，取得了很多成果[1~2]。1BAF滤料的重特性BAF是一种生物膜法处理工艺，其中废水净化过程是很复杂的，它包括废水中复杂的传质过程、氧的扩散与吸收、有机物的分解和微生物的新陈代谢等过程。滤池工作时，污水流经滤料表面过程中，通过有机营养物质的吸附、氧向生物膜内部的扩散以及生物膜中所发生的生物氧化等作用，对污染物质进行氧化分解，使污水得以净化[3~4]。BAF的生物降解性能的优劣很大程度上取决于滤料的特性，滤料的研究和开发在BAF工艺中至关重要。作为微生物载体的滤料对水处理效果的影响主要反映在载体的性质，包括载体的比表面积的大小、粒径的大小、表面亲水性及表面电荷、表面粗糙度、载体的密度、堆积密度、孔隙率、强度等。因此滤料的选择不仅决定了可供生物膜生长的比表面积的大小和生物膜量的多少，而且还影响着反应器中的水动力学状态。在正常生长环境下，微生物表面带有负电荷，如果滤料表面带正电荷，这将使微生物在滤料表面附着、固定过程更易进行。滤料表面的粗糙度有利于细菌在其表面附着、固定，粗糙的表面增加了细菌与滤料间的有效接触面积，比表面积形成的孔洞、裂缝等对已附着的细菌起到屏蔽保护，使其免受水力剪切的冲刷作用。因此作为生物膜载体―滤料的各种特性决定了BAF反应器能否高效运行，能否在水处理中得到更广泛的推广与应用[5~7]。2BAF滤料的研究进展目前，用于生物滤池的填料，国内外主要有玻璃钢或塑料蜂窝填料、立体波纹填料、软性纤维填料、半软性填料以及不规则状填料等。这些填料往往并不都适合用作BAF的滤料，玻璃钢和塑料填料表面光滑，生物膜附着力差，易老化，且在实际使用中往往容易产生不同程度填料的堵塞；软性填料中的水流流态不理想，易被生物膜粘结在一起，产生结球现象，使其表面积大为减小，进而在结球的内部产生大庆氧作用，影响处理效果；不规则片状填料水流阻力大，易于引起氧化池堵塞。滤料是曝气生物滤池的关键部分，对曝气生物滤池的功效有直接的影响，同时也影响到曝气生物滤池的结构形式和成本。因此开发出一种适于BAF特点的经济高效滤料，将关系到BAF这种先进工艺的应用推广[8]。目前，BAF所用的滤料，根据其采用原料的不同，可分为无机滤料和有机高分子滤料，常见的无机滤料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐等，有机高分子滤料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等。有机高分子滤料与微生物间的相容性较差，所以挂膜时生物量少，易脱落，处理效果并不总是很理想，且价格昂贵。对天然无机滤料的开发是国内外滤料研究的重点。石英砂由于密度大，比表面积小、孔隙率小，当污水流经滤层时阻力很大，生物量少，因此滤池负荷不高，水头损失大，现要应用的不多。轻质陶粒滤料比表面积及孔隙率大、生物量大，因此滤池负荷较大、水头损失较小、取材方便、价格低廉，国内对其研究较多。T.D.Kent等人对可能作为BAF滤料的泡沫柱状粘土、棱状煅烧粘土、膨胀耐火粘土、粉状燃料灰、老棱状页岩、新棱状页岩和膨胀球形粘土进行了系统的分析，试验结果见研究认为单纯从物理参数，如比表面积、最小流化速度和磨损率上考虑，最适合作BAF滤料的是膨胀球形粘土，其次是页岩[9]。RebeccaE.Moore等人采用泡沫粘土做为原料研制曝气生物滤池滤料，在粘土中加入不同量的添加物质如斑脱土溶液、铝溶液、表面活性剂和锯屑等，根据添加物量的不同烧制成了七种颗粒滤料，并对其物理性质进行了分析比较，采用小型BAF进行了挂膜效果实验。滤料在小型BAF反应器中的试验结果表明：表面粗糙度的不同对BAF启动期间有机物的去除率没有明显影响。增加表面粗糙度只在最初的微生物挂膜期间有一些影响。表面粗糙度对微生物挂膜的影响，并不是通过表面积的增加使微生物附着，而是通过给微生物提供合适的场所使微生物挂膜，一旦这些场所被微生物附着后，微生物的进一步挂膜将不再依赖于底层滤料的粗糙情况。粘土中斑脱土溶液的增加，使滤料颗粒的磨损率下降，表面粗糙度降低，但这没有明显改变微生物的附着特性，因此选择滤料应综合考虑微生物附着性和滤料磨损性[10]。Won-SeokChang等人采用沸石和砂滤料作为BAF滤料处理纺织废水。细胞计数结果表明，沸石滤料上生长的亚硝化单胞菌和硝化菌的数量分别为3.0×108和2.2×109CFU/mL，而砂滤料上生长的数量分别是4.5×108和6.5×108CFU/mL。从硝化菌的数量上看，沸石滤料上更适宜微生物的硝化作用，另外从对有机物和TKN的去除率上看，以沸石为滤料的BAF的效果要好于以砂为滤料的BAF。采用沸石作为滤料的BAF可使纺织废水的COD去除率达86％～92％，BOD去除率达99％，色度去除率在77％～79％，这是由于自然沸石滤料的比表面积大于砂滤料，宜于微生物的附着，且沸石滤料的离子交换能力强，能够吸附水中的NH4+，而适宜环境的硝化菌的大量生长，使NH4+转化为硝酸盐[11]。清华大学实验室对不同滤料，如页岩陶粒、粘土陶粒、砂、褐煤、沸石、炉渣、麦饭石、焦炭等进行了筛选，并与生物活性炭进行了比较（其中褐煤因其机械强度差而被淘汰），认为陶粒、砂子、大同沸石和麦饭石优于其他几种滤料。清华大学的田文华等的研究表明，用沸石作为BAF滤料可以有效地去除COD、氨氮和浊度，试验条件下的最佳水力负荷为2.2m/h(水力停留时间为1.4h)，此时对COD、氨氮和浊度的去除率分别为73.9%、88.4%和96.2%，相应的出水平均浓度分别为43.4mg/L、3.5mg/L和3.7NTU，可以达到国家环保总局、天津大学提出的冷却回用水水质建议值(Ⅲ)中相关指标的要求[12]。齐兵强，王占生等人以球形轻质陶粒作为曝气生物滤池的滤料处理生活污水时发现：尽管在很高的滤速下（6.5～5m/h）下，其处理水质仍很高，而且曝气量小、氧利用率高；此外，该曝气生物滤池系统水头损失增加缓慢、反冲洗周期长、节约能源和操作费用[13]从国内外对于BAF的滤料研究来看，综合我国的国情，以天然材料为主要成分的多孔轻质陶粒滤料不仅材料低廉易得，而且具有以下优点：①陶粒以优质粘土为原料、加入少量辅料后加工而成，其表面粗糙、多微孔、不结釉，解决了其他片状陶粒表面结釉的问题；②强度高、孔隙率大、比表面积大、化学和物理稳定性好，与聚氯乙烯等形状规则的填料相比，具有生物附着力强、挂膜性能良好等优点；③陶粒为球形，体积质量适中，流态好，容易进行反冲洗；④粒径可根据需要制作，水流流态好、过滤周期长、反冲洗容易进行、截污能力强。3BAF滤料今后的研究重点从曝气生物滤池滤料的发展来看，以后对滤料的研究应围绕以下几个方面：①系统地研究滤料性质对污染物去除的影响及污染物去除机制。②开发以天然材料为主要成分的高效价廉的无机滤料，如轻质球形陶粒滤料在我国的的研究与开发。③寻求改善滤料性能的工艺和方法，优化滤料的各项理化指标与性能参数。④制定曝气生物滤池的滤料标准，使得滤料的生产规范化，促进BAF污水处理技术在我国的应用和推广。