水处理生物填料发展现状与趋势

龙源期刊网水处理生物填料发展现状与趋势作者：何君来源：《北方环境》2013年第05期摘要：生物填料是水处理中的核心技术之一，对水处理领域有十分重要的意义。本文综述了水处理领域填料的发展现状，指明了填料的发展趋势，对亲水性、生物亲和性、磁效应填料的特点做出了阐述，给出了今后填料的发展方向。关键词：水处理；生物填料；现状；发展趋势中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号1007-0370（2013）05-0088-04生物填料是微生物的栖息场所，生物膜的载体，在移动床生物反应器中作用十分重要。其不但因具有较大的比表面积能够为微生物提供生长、繁殖空间，还富集了微生物，提高反应器微生物量，并且能对气、水进行再分布，从而提高水处理效果。生物填料的种类繁多，不同填料的材质、结构、性能等直接影响着水处理效果。本文就不同生物填料的发展现状与存在的问题、发展趋势进行了探讨。1生物填料的发展现状国内外生物填料的种类繁多，按照安装方式划分可分为固定式生物填料、悬挂式生物填料、悬浮式生物填料。2固定式生物填料固定式生物填料是指填料整体固定，在反应器内各部分均不移动的填料。国内外常用的固定式生物填料主要有蜂窝状生物填料和波纹板状生物填料。3蜂窝状生物填料蜂窝状生物填料形同蜂窝，为拓补在一起的底面积、高都相等的若干直六棱柱。其材质多为玻璃钢或塑料，具有比表面积大、孔隙率高，可达到80-98%之间[1]，管壁无死角，衰老生物膜易于脱落等特点。但此种填料只对二、三级处理中负荷较低的污水有较好的处理效果，不适用与高浓度废水；对有机负荷冲击效果差，当蜂窝孔径与有机负荷不相适应时，生物膜的生长与脱离容易失去平衡，容易造成填料堵塞；蜂窝管内液体的流动对曝气方式的要求较高。4波纹板状生物填料波纹板状生物填料始源与英国的“Flocor”填料，材质为硬聚氯乙烯，由平板与波纹板相隔粘连而成，这就使得波纹板填料可现场粘连组合，有利于运输与安装。其结构特点决定了废水龙源期刊网在该种填料中的流迹长，但很难在各流动通道内保持均一的流速，从而不能充分发挥填料的整体效果。5悬挂式生物填料悬挂式生物填料可分为软性生物填料、半软性生物填料和组合生物填料。三种填料结构特点相似，都为在中心绳上等间距设有挂膜物，中心绳两端固定在池底与池顶。这类填料产生于20世纪70-80年代。造价低廉，且挂膜快，效果好，运用广泛，多用于生物接触氧化池内。6软性生物填料软性生物填料的挂膜物多为尼龙、涤纶、维纶等纤维束，用耐腐蚀、抗老化的中心绳连结而成。纤维束在中心绳上呈立体均匀排列辐射状，从而填料在水中能够在固定的区域内全方位均匀分布，软性纤维丝在反应器内不断颤动，气泡从反应器地步上升过程中被层层纤维丝切割，从而气、水、膜能够充分接触、渗透，达到溶质均匀交换[2-3]。软性填料的缺点是中心绳易断，纤维丝会缠结、结块、断丝，结块中心部分会形成厌氧环境，不满足当初的设计要求、缩短使用时间。7半软性生物填料半软性生物填料是在软性填料的基础上设计的，把软性填料的纤维丝换成了变形聚乙烯塑料[4]，其既有一定的刚性，不宜变形，也有一定的柔性，能够在很大程度上弥补软性填料易缠结、结块的缺点。聚乙烯塑料片的特殊构造还能够对气泡有在切割的作用，具有二次布水布气的作用。半软性填料由于采用塑料片代替软性填料的纤维丝影响了填料的比表面积，对生物量的富集有削弱，且塑料的表面相对光滑，挂膜时间长，造价也比软性填料高。8组合生物填料组合生物填料是在软性填料与半软性填料的基础上改进的一种新填料。该填料是在半软性填料的聚乙烯塑料片的四周加上软性填料的纤维束形成的。这样的设计同时兼顾了前两种填料的优点，规避了缺点，在污水处理中被广泛运用。9悬浮生物填料悬浮生物填料较前两类填料较为新型，它无需固定，只需直接投加入池即可（需要在出水口设立网格以防填料流失）。此类填料一般比重接近与水，挂膜后可随水体流场在池内流化。此种填料单体体积小，在运输与投加上都非常方便。悬浮填料在反应器内流化时能够更加充分地频繁地与废水接触，加强传质效果，且有切割气泡的能力。悬浮填料由于其特定的结构使得填料单体上的微生物总厚度大于其他填料，能够形成厌氧、缺氧、好氧区，对脱氮除磷有很好的效果。填料在流化的过程中与水、气充分接触，能够促进老化的生物膜自行脱落、新膜形成，保证生物膜的活性。龙源期刊网柱形生物填料、球型身为填料、多孔生物填料是最常见的几种悬浮生物填料。10柱形生物填料柱形生物填料以挪威KaldnesMijecptek-nogi公司与SINTEF研究所联合开发的Kaldnes填料为代表。其中的KMT型填料在悬浮填料中应用十分广泛。Kaldnes填料材质为聚乙烯，其内部为类似蜂窝或十字架的空腔，外部长有轮状外棘。该填料为挂膜前就能很好得在水中流化，挂膜后填料外部外棘的相互碰撞使得微生物只生长与内部的蜂窝状空腔。类似的柱形填料还有我国的CLS-Ⅲ型聚丙烯填料[5]、聚丙烯无纺布填料[6]等。11球型生物填料多面空心球是一种典型的球型生物填料，它是由若干翼板与套环组成的聚乙烯球。多面空星球多密度略低于水，以同济大学90年代中期开发的多面空心球为例，其密度为0.95-0.98g/cm3，挂膜前填料漂浮于水面上，当正常曝气时即可全池流化[7]。为了加大生物量的富集，新型的悬浮球生物填料被运用在废水处理领域。悬浮球生物填料为由两个中空网状半球壳与内置填料组合而成。中空网状半球壳一般为聚乙烯、聚丙烯等高分子聚合物注塑而成，密度略小于水。内置填料可为聚乙烯扁丝、纤维丝、纤维球、海绵等。悬浮球整体的密度需要接近水，但由于不同的内置填料的比重不同，悬浮球的密度往往会比水轻，可以通过在悬浮球内增放配重球的方式使填料整体在水中悬浮。悬浮球填料可以通过内置的填料增大生物量，且对内置填料的比重要求低于单纯的悬浮生物填料，而且网状球壳的表面可以对气体起到再切割再布气的作用。但是悬浮球填料会因为生物挂膜、积泥等问题导致填料下沉堆积。12多孔生物填料多孔生物填料表面及内部多孔，表面积非常大，能够为微生物生长提供极大的空间，在相同的投加比情况下，微生物量比前几种填料大的多。先比较常见的多孔填料为轻质陶粒填料、LINPOR填料、CAPTOR填料，其中以德国LINDE公司开发研究的LINPOR填料为多孔生物填料的典型代表。LINPOR填料为边长不超过15mm的聚氨酯立方体。聚氨酯海绵开孔后具有大量孔隙，孔隙为微生物提供了附着空间，系统的固定微生物质量浓度可达到10-18kg/m3[8]。填料挂膜前密度略小于水，挂膜后略大于水，在轻微的曝气情况下即可实现全池流化。多孔悬浮填料无需支撑、外壳等固定部分，只需投加入反应器内即可。可直接用于移动床反应器也可投入到活性污泥中用于提标改造。13填料发展趋势现工程中运用的水处理填料多追求比表面积大、布水布气特性好、价格便宜等方面，对挂膜速率、挂膜紧密程度、对污染物的捕捉程度等方面的研究较少，往往工程实例中会有挂膜启龙源期刊网动慢、微生物附着性不高、处理效果不明显等问题。亲水填料、生物亲和填料、磁效应生物填料的应用可解决这些问题。14亲水填料材料分疏水材料与亲水材料。亲水材料与水分子之间的作用力大于水分子之间的相互作用力，材料表面与水接触时，容易被水浸湿，表现出亲水性。水处理中的填料需要水中的微生物快速附着、生长在表面，且污染物多溶解在水中，运用生物膜法去除污染物必须使水很容易润湿填料，故填料需要具有很好的亲水性。在初始选择填料材料时就应该考虑到亲水性问题。在选定材料后也可通过填料的改性来增大亲水性。填料表面改性与引入亲水基团为常见的两种亲水性改性方法。李澄[9]提出对聚氨酯海绵用浓度为5%的盐酸溶液浸泡24h，洗净并晾干，再用浓度为1mol/L的NaOH溶液浸泡24h洗净晾干，经测量发现聚氨酯海绵接触角从132.7°下降至72.6°，通过表面改性的方法从而大大提高了材料的亲水性。汪晓军[10]等在塑料中混入水性高分子材料聚乙烯醇和聚丙烯酰胺，改善了材料便面亲水性能，并且将改性后的弹性填料在污水的厌氧生化处理中，处理效率提高了15%-30%，在好氧生化处理中，处理效率提高了5%-10%[11]。15生物亲和填料生物亲和一词最先用于医学领域，是指两种物质相容性好。生物亲和性的物质彼此没有伤害，生物可以通过新陈代谢进行吸收降解。生物亲和性同样可以运用到水处理填料领域，在研究生物亲和填料时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[12]等研制了一种水处理生物亲和性填料，将少量面粉、淀粉等生物亲和性物质加入填料基材制成填料。此种生物亲和性填料不但可以为微生物提供一定的碳源，而且可以为生物提供大量的附着空间，易于微生物的挂膜、附着、繁殖，并且对提高处理效果有一定的作用。16磁效应填料磁效应为物理学中的典型效应，其已被用于高梯度磁分离技术处理各类废水的研究[13-15]。但由于反应器体积大，在整体的水域内加磁场较为困难，所以学者们借鉴磁分离技术在处理废水中的特点，在水处理填料内添加磁性物质使填料具有磁效应，从而达到提高处理效果的能力。邬建平[16]将磁粉、活性炭等添加到生物填料中，研制出一中UFO球蝶形磁性生物填料。在磁粉和活性炭的作用下，该填料整体均带有微弱的磁场，能够起到刺激菌群良性生长代谢、刺激老化菌膜脱落、新膜生长的作用，同时，磁效应与活性炭对水中微生物、污染物有吸附的作用，从而加速挂膜与微生物的附着，对污染物的处理也有一定的提高作用。程江等[17]将亲水性、生物亲和物质连同磁粉、活性炭加入到普通聚丙烯填料中，充磁后，填料兼具亲水性、生物亲和性、磁效应。提高了填料整体的效果，无论是挂膜速率、微生物的附着力、物质传递速率和处理能力都得到了提高。龙源期刊网结语水处理生物填料的发展历史虽短，但其发展速度十分迅猛，水处理生物填料的品种层出不穷，并且应用领域已不仅只局限与工业废水处理，生活污水、给水、气体处理等领域也有所涉及。填料的发展只依靠环境这一门学科是不够的，需要化学、材料、物理、生物等交叉学科。只有了解更多学科的知识才能研发出更加合理更加有针对性的填料。可以相信，水处理填料的发展不会停止在亲水性填料、生物亲和性填料、磁效应填料，会有更多、功能更齐全的填料出现。参考文献[1]邬象牟一种新型的废水处理材料--网状蜂窝填料[J].给水排水，1996，22（12）：46-48.[2]石顺存，邹同庆，曾坚贤.涤纶废丝生物接触氧化法处理石化废水[J].工业水处理，2003，23（9）：23-25.[3]刘晓旭.生物接触氧化工艺中填料性能的研究[D].大连交通大学，2007：27.[4]蒋战洪.污水处理用填料的种类、性能和发展趋势[J].环境污染与防治，，1994，16（4）：13-16.[5]朱文亭，颜玲，阎海英，邢国平，孙宝盛.循环移动载体生物膜反应器的试验研究[J].中国给水排水，2000，16（11），51-54.[6]金冬霞，田刚，施汉昌.悬浮填料的选取及其性能试验研究[J].环境科学学报，2002，22（3）：333-337.[7]周增炎，高延耀.一种新型悬浮生物载体填料[P].CN2529868，2003-01-08.[8]张凡，程江，杨卓如，王华祥.废水处理用生物填料的研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2004，5（4）：8-12.[9]李澄.海绵基材动态膜生物反应器及其对二氯酚降解性能[D].东南大学，2010.[10]汪晓军，胡勇有，唐一.水处理弹性亲水性塑料填料制备方法[P].中国发明专利，01129834.0.2001.[11]汪晓军，罗芳旭，何翠萍，林德贤.亲水性塑料弹性填料生物膜法处理模拟废水的研究[J].环境污染治理技术与设备，2003，4（4）：31-34.[12]隋军，施旗.一种用于水处理的活