改性硅藻土陶瓷生物膜载体的制备及性能研究

韩德才，王继斌，杨卓，黄晓波

（中国环境管理干部学院，河北秦皇岛 066004）

改性硅藻土陶瓷生物膜载体的制备及性能研究

韩德才，王继斌，杨卓，黄晓波

（中国环境管理干部学院，河北秦皇岛 066004）

主要对硅藻土的烧结改性进行了进一步的研究，并对改性硅藻土用于污水处理系统生物膜的载体制作进行参数研究。通过设置适宜的污水水力学特性、良好的载体挂膜性能表征、实验运行稳定性等多方面进行对比实验，得出最佳生物膜挂膜性能的改性硅藻土陶瓷生物膜载体。

改性硅藻土；陶瓷生物膜载体；烧结；挂膜性能；稳定性

污水处理中的生物膜是指生长在载体（填料）上的贫营养性微生物群，通常生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，其附着的固体介质称为载体或滤料。生物膜是生物接触氧化的主要生物物种，正是由于微生物群在填料上的附着使得污水得以净化。生物膜法是与活性污泥法并列的一类废水好氧生物处理实用技术，是一种固定式膜法。用于去除废水中具有溶解性与胶体状态的有机污染物，其生化反应原理是在污水处理构筑物内设置有利于微生物生长聚集的载体（也称填料），在氧气充足的条件下，微生物不断繁殖生长并在填料表面聚附着，同时在载体表面组成生物膜，通过对污水不断地补充氧气并使污水以一定的流速流过载有生物膜的载体时，生物膜中的微生物就会吸收分解污水中的可降解有机物，使污水得到净化。这期间微生物会得到大量增殖，生物膜层也会随之增厚，当生物膜不断增厚到一定厚度时，由于向生物膜内部扩散的氧气受到阻碍，虽然生物膜表面仍是好氧状态，但是生物膜里层则会因缺氧甚至厌氧，最终导致生物膜的脱落变成污泥沉降。随后，氧气供给的充足又使得填料表面继续生长新的生物膜，往而复始，不断使污水得以净化，在这里，载体起到了不可或缺的作用。

硅藻土是古代单细胞低等植物硅藻的遗体经初步成岩作用形成的多孔生物硅质岩,它由硅藻的壁壳组成,壁壳上有多级、大量、有序排列的微孔,这种独特的微孔结构使它具有许多优良的性能,如稳定、耐酸、孔径大、比表面积大、吸附性强等[1]。硅藻土还具有改性、活化的方法相对简单、容易再生等特点。研究改性硅藻土在污水处理方面生物膜法的应用将具有很高的开发价值和积极的现实意义。

1 实验材料与方法

1.1 实验仪器与药品

试验所用硅藻土是取自吉林省长白县硅藻土；试验所用添加剂及添加物品如面粉、淀粉、氢氧化钠、瓜尔胶、铜丝等均为市场所购买；实验所需仪器主要为箱式电阻炉、ZSK1400型电炉等。

1.2 实验方法研究阶段

1.2.1 改性硅藻土陶瓷生物膜载体温度曲线确定阶段

因为硅藻土种类具有差别，所以每种硅藻土对应出的性能各不相同。在实验阶段，主要有三种类型的原硅藻土，硅藻土的主要成份为SiO2[2]。白色硅藻土表观性能主要是质地轻、手感滑、吸水性较强；黄色硅藻土表观性能主要是手感较粗糙、吸水性强、质地轻；灰色硅藻土表观性能主要是吸水性强、较粗糙、质地轻。

在研究阶段，主要对三种硅藻土的比例进行调配，在硅藻土调配的同时适当添加一些添加剂，如面粉、淀粉、氢氧化钠、瓜尔胶等，对硅藻土的性能通过改性进行进一步的研究。

硅藻土是多孔材料，即使在不加上述添加剂的情况下也会形成孔隙率较多的质地较硬的陶瓷膜载体，但其比表面积、孔隙率等和普通生物接触氧化用的陶粒载体差别不大。在实验过程中，首先对各种硅藻土的烧制曲线进行研究，经过多次实验探索得出一条最佳的烧制硅藻土胚体曲线。如图1所示，在该温度曲线条件下烧制出的硅藻土材料与普通载体（填料）相比具有硬度相同、孔隙率大、比表面积大等优点。

图1 硅藻土陶瓷生物膜载体胚体烧纸曲线

1.2.2 硅藻土陶瓷生物膜载体胚体配比比例确定阶段

该阶段主要是对三种硅藻土的比例研究，胚体制作比例不同形成的载体的性质和特点大不相同。通过第一阶段的温度曲线已经知道每一种硅藻土胚体烧结之后形成的陶瓷生物膜都具有硬度大、耐酸碱性强、孔隙率大等特点，是作为生物膜载体的较好胚体烧制成品。但是相对来说，如果可以制造出挂膜性能更佳的硅藻土陶瓷生物膜载体，就更具有代表性和优越性。

在张学斌、徐俊等人研究的硅藻土多孔陶瓷膜管的研制和性能表征一文中，他们以淀粉作为硅藻土改性研究的添加剂，发现当添加10%淀粉以后孔隙率超过50%。他们的研究为通量的研究，而本研究是硅藻土陶瓷生物膜载体的研究，孔隙率的增多反而是一种有利的结果，于是在借鉴他们研究的同时，可以加一部分瓜尔胶，在不断实践过程中发现最佳比例为白色硅藻土：瓜尔胶：水为300：10：1 000，该比例烧制出的硅藻土表面有一层致密薄膜，敲掉之后颜色为灰白色，硬度高，孔隙率大，耐强酸碱性，密度小于水，性能极好，是作为硅藻土磁生物膜载体的最佳成品，标本图样见图2 A008号成品硅藻土磁生物膜载体成品。

图2 A008号硅藻土陶瓷生物膜载体成品

2 该样品在水处理试验阶段的应用

在本试验阶段大量烧制按上述比例形成的成品，将其应用于小型污水处理系统中。基于生物接触氧化的影响因素设置该小型污水处理系统的参数，其中该系统的原水水质水温不高于38℃，生化池内营养剂比例一般按BOD5：N：P＝100：5：1，pH值在6.5～9.5之间，溶解氧一般为2.5～3.5 mg/ L，曝气强度宜采用10～20 m3/(m2·h)，每池面积一般应≤25 m2（便于均匀布水、布气），长宽比宜用1：2～1：1，填料高度一般取3～3.5 m，下面构造层层高宜采用0.6～1.2 m，上面稳水层层高宜采用0.4～0.5 m，超高不宜小于0.5 m。接触氧化池的总高度按[3]：

H0——氧化池总高（m）；h1——超高（m）（0.5～1.0 m）；h2——填料上部稳定水层高（m）（0.4～0.5 m）；h3——填料距曝气装置间距离（m）（0.3～0.6 m）；h4——曝气装置距池底间距离（m）（0.3～0.6 m）。

在上述设计要求下在普通的淹没式生物滤池（生物接触氧化池）中加以普通的悬挂式纤维作为填料与用硅藻土陶瓷生物膜载体作为填料进行对比试验，以镜检生物膜的镜检步骤对两个污水处理小型设备的生物膜进行镜检，镜检数据见图3：

图3 硅藻土陶瓷生物膜载体与普通填料生物膜生物膜镜检数据对比

通过对比两个小型污水处理设备的生物膜的优势微生物可以看出，硅藻土载体的微生物膜生长的优势微生物多于普通填料的微生物数量。

3 结论

通过以上实验研究及对比，得出改性硅藻土在以白色硅藻土：瓜尔胶：水的比例为300：10：1 000时烧制，且按图1所示的烧制曲线烧制出的硅藻土陶瓷生物膜载体，通过小型污水处理系统的微生物镜检对比实验，得出该生长环境下微生物的优势微生物多于普通填料的优势微生物，所以硅藻土陶瓷生物膜载体具有较好的微生物生长环境。

[1]于乾，包亚芳.硅藻土在污水处理中的应用[J].云南环境科学，2003，22（1）：56-59.

[2]张学斌，徐俊，刘丽华，等.硅藻土多孔陶瓷膜管的研制和性能表征[J].中国非金属矿工业导刊，2006（2）：36-38.

[3]胡亨魁.水污染治理技术[M].武汉：武汉理工大学出版社，2009.

[4]于乾.关于硅藻土煅烧的实验研究[J].非金属矿，1987(4)：28-30，封三.

[5]谢祖芳，黄锁义.国产硅藻土研究的进展及新应用[J].贵州化工，2002，27（1）：5-7.

Preparation and Performance Study on Modified Diatomite Ceramic Biofilm Carrier

Han Decai，Wang Jibin，Yang Zhuo，Huang Xiaobo
（Environmental Management College of China,Qinhuangdao Hebei 066004,China）

This article mainly further studied the sintering modification of diatomite and the biofilm preparation parameter of swage disposal system with modified diatomite,obtained the modified diatomite ceramic biofilm carrier with the best film-forming performance by carrying out comparison tests of setting appropriate hydraulic characteristics of sewage,favorable carrier film-forming performance and the operation stability and so on.

modified diatomite；ceramic biofilm carrier；sintering；film-forming performance；stability

TB383

：A

：1008-813X（2013）03-0034-03

2013-05-08

河北省科技厅2011年重点科研项目《改性硅藻土磁生物膜载体污水处理技术的研究》（11276707D）

韩德才（1951-），男，天津宝坻县人，毕业于哈尔滨工业大学液压专业，硕士，教授，主要从事流体力学和工程材料方面的研究。