玄武岩纤维填料在废水处理中的应用

蒋 霞，吴春笃，吴智仁，彭 娇，徐 畅，张 波*

(1.江苏大学 环境与安全工程学院，江苏镇江212013;2.艾特克控股集团有限公司，江苏宜兴214214)

生物接触氧化工艺是目前应用较为广泛的废水处理工艺之一，具有处理效率高、污泥产量小、运行费用低等特点［1］。填料作为微生物生长繁殖的重要场所，一直是该工艺的核心所在。填料的选择、结构设计以及设置都会对其在接触氧化池中的氧传质和挂膜效果产生重大影响［2－4］，进而影响微生物降解废水中有机物的速率。因此，选择一种性能优异的填料及高效的结构形式对于提高整个系统的处理效率和运行成本具有重要的意义。

改进填料作为推进生物接触氧化工艺发展的突破口，一直都是研究的热点之一。但是，受材质、结构和设置的影响，填料的改进对于提高生物接触氧化工艺的处理效率收效甚微。目前，市场上使用较多的诸如弹性填料、组合填料以及一些以聚乙烯等为主的填料［5］，虽然在氧传质或者挂膜上具有一定的优势，但是，对于填料的遗留问题仍欠缺考虑。

玄武岩纤维是在高温熔融下通过漏板拉丝而成的，是一种纯天然、无污染的绿色材料，性能优异，可以作为生物填料用于生物接触氧化工艺废水处理［6－8］。

作者将玄武岩纤维制作成一种高效的结构形式后，采用间歇非稳态实验方法与弹性填料和组合填料一起进行了生物接触氧化池中氧传质性能的实验研究，并以氧的总传质系数(KLa)作为氧传质效能的评价指标，并通过玄武岩纤维填料的挂膜实验，对其成膜质量进行了测算，为环境友好型的玄武岩纤维载体的推广应用提供理论依据。

1 实验

1.1 原料与药剂

1.1.1 填料

弹性填料、组合填料:其总生物量(A)分别为56～69，72～80 kg/m3，广州市绿烨环保公司产品;玄武岩纤维填料:山东省章丘市山玉石材开发有限公司产。其结构形式是将按照一定设计制作好的玄武岩纤维片串联起来而成，串联的过程中，在玄武岩纤维片上下各夹一片带有规则不一孔洞的塑料圆片，见图1。

图1 玄武岩纤维填料结构示意Fig.1 Structural diagram of basalt fiber filler

1.1.2 试剂

无水亚硫酸钠、六水氯化钴、重铬酸钾:均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司提供;浓硫酸:分析纯，上海聚泰特种试剂有限公司提供。

1.2 实验装置

实验装置为接触氧化池，内装填料。接触氧化池大小为长、宽、高分别为380，380，800 mm，有效容积为100 L。实验用水为自来水，空气由广东日生制造的LP-60空气机经气体流量计调节控制进气量后送入装置之中。本实验在池底平行设置3排曝气管，每排曝气管上布设3个微孔曝气头，见图2。池体中溶解氧采用美国哈希公司制造的便携式溶氧仪进行直测。

图2 实验装置示意Fig.2 Schematic diagram of experimental device

1.3 实验方法

采用间歇非稳态实验方法进行生物接触氧化池中填料的充氧性能研究。实验过程如下:首先向池体中注满自来水，并测定水温和溶解氧浓度，计算所需亚硫酸钠和氯化钴的用量;再将药剂进行溶解后倒入池体之中，配以适当的搅拌，使溶液在池体中均匀混合;待池体中的溶解氧测定值为零后，开始启动空压机，并通过调节气体流量计对池体进行充氧实验，在实验过程中，以溶解氧上升到0.1 mg/L为起始点，随后每隔1 min记录1次池中溶解氧和温度值，直至池体中的溶解氧达到饱和。

为了能够更为全面地对接触氧化池的氧传质效能进行研究，选取了10，15，20 L/min曝气量，25%，50%，75%填料填充比，每组填料进行9组溶解氧测定实验。

采用接种污泥挂膜法进行玄武岩纤维填料的挂膜实验。挂膜污泥取自镇江市京口区污水处理厂好氧池污泥，所需污泥量为池体有效体积的10%。接种过后，采用生活污水进行生物膜培养，后续按比例递增添加部分印染废水，印染废水取自富鼎特种织品有限公司。前3 d连续曝气13 h，停气2 h，以后则连续曝气18 h，停气2 h。池体中的溶解氧浓度维持在2～4 mg/L。

在确定生物量的时候，选取池体中具有一定代表性点位上的等量、并长有生物膜的填料，将其置于乙醇溶液中进行生物膜洗脱。混合溶液按照悬浮生物量(C)的测定方法进行测定;洗脱后的玄武岩纤维填料按照平均固定生物量(B)的方法进行测定，两者生物量的相加即为玄武岩纤维填料的A。

1.4 分析测试

本实验采用20℃下的氧总传质系数(KLa(20))对接触氧化填料的氧转移特性进行评价;采用化学耗氧量(COD)的去除率以对玄武岩纤维填料的挂膜特性进行评价;采用生物量作为评价玄武岩纤维填料生物膜特性的评价指标。

KLa:指在标准状态下，曝气设备在单位时间向单位体积的液体中传递氧的总量［9］。计算如下:

式中:Cs为水中的饱和溶解氧浓度;Ct是t时间的溶解氧浓度;C0为初始溶解氧浓度。

为了便于分析，对温度进行修正，可将不同温度下的KLa统一为KLa(20)。

A:B与C之和。

C 的测定公式为［10］:

式中:D为悬浮生物浓度;W1为称量瓶和滤纸在105℃的烘箱中烘干恒重后的质量;W2为过滤后带污泥的滤纸置于称量瓶105℃烘干恒重后的质量;V为池容积;η为生物填料填充率。

B:将采集的带有生物膜的填料置于105℃下烘干恒重后，与不带生物膜的等量同类填料在相同条件下的质量之差。

化学耗氧量(COD):采用重铬酸钾法进行测定。废水COD的去除率为处理前后的废水COD的差值与处理前废水COD的比值。

2 结果与讨论

2.1 填料的氧传质效能

在设定的曝气量梯度和填料填充率梯度下，对每组填料开展9组溶解氧实验，水温为15.3～16 ℃，饱和溶解氧实测值为 9.63 ～9.84 mg/L。根据公式(1)计算出每组实验的KLa。按公式(2)将其换算成KLa(20)，如表1所示。

表1 不同曝气量下的KLa(20)Tab.1 KLa(20)at different aeration rate

2.1.1 曝气量对氧传质效能的影响

从表1可以看出:不论接触氧化池中是否添加填料，KLa(20)都随着曝气量的增大而增大，只是当池体中添加填料时，KLa(20)的增长速率呈现逐渐减缓的趋势。原因是由于当曝气量较小时，池体的气含率相对较低，而增大曝气量到15 L/min时，会扩大气液两相间的溶解氧浓度差，氧传质动力较大，KLa(20)增长速率增大。而进一步增大曝气量到20 L/min时，气、液相间的溶解氧浓度差减小，氧传质动力相对较小，因此，表现为KLa(20)增长速率减缓。曝气强度的进一步增大可以增加气泡之间相互碰撞的机率，较小的气泡通过碰撞结合成较大的气泡，减少了气液接触的时间［11］，KLa(20)便随着曝气量的持续增加呈现平缓增加的趋势。

2.1.2 填充比对氧传质效能的影响

(1)弹性填料

从图3可以看出，随着弹性填料填充比的增大，KLa(20)也随之增大。这是因为弹性填料具有特殊的放射状弹性细丝立体结构，随着填充比的增加，该细丝在池体纵向空间层次上分布更加密集，能够较好地截获小气泡，切割大气泡，从而延长气液接触的时间，更加有利于接触氧化池的氧气传质。并且由表1可以看出，相对于无填料添加时，弹性填料的KLa(20)由0.325最大增加到了0.488，增加了 50%。

图3 不同曝气量下弹性填料填充率对KLa(20)的影响Fig.3 Effect of filling ratio of elastic filler on KLa(20)at different aeration rate

(2)组合填料

从图4和表1可以看出，组合填料的添加使得接触氧化池中的KLa(20)较无填料添加时最大增加了21%，较弹性填料要小。在同一曝气量下，组合填料填充比的大小对KLa(20)的影响甚微，KLa(20)的大小几乎没有发生变化，这说明组合填料的填充比对于接触氧化池的氧传质效能无明显的影响。究其原因是因为组合填料是由中心塑料环夹杂软性纤维束而成，虽然中心带有不规则孔洞的塑料环对于池体中的气泡具有一定的截获和切割气泡作用，但是，相较于整体结构来说，这部分所占的填充比例较小。曝气量较小时，池体气含率不高，气泡较少，并可以较为通畅地上升到水的表面。另外，在塑料环上夹杂的软性填料在曝气的冲击下，难以对气泡的上升产生阻碍和切割作用，气泡的气液接触面积并未得到明显地增加，因此，组合填料的填充对KLa(20)的影响不大。

图4 组合填料填充率对KLa(20)的影响Fig.4 Effect of filling ratio of combined filler on KLa(20)

(3)玄武岩纤维填料

从表1和图5可以看出，玄武岩纤维填料的添加相较于无填料添加时的KLa(20)最大增加了37%，介于弹性填料与组合填料之间。玄武岩纤维填料填充比对于接触氧化池的充氧能力有着一定的影响。随着填充率的增加，KLa(20)的值也呈现出增加的趋势。并且当曝气量较高时，其变化幅度较大。

图5 玄武岩纤维填料填充率对KLa(20)的影响Fig.5 Effect of filling ratio of basalt fiber on KLa(20)

分析原因是本实验中采用的玄武岩纤维本身具有较强的力学性能，能够抗拒强剪切力，在将制作成的玄武岩纤维片串联起来的过程中，在每片纤维片的上下层均放置有一片带有规则不一的塑料圆环，在将纤维片撑开的同时具有一定的布水布气作用。增加填充率，悬挂固定式的布置，限定了气泡在池内的上升空间，减少了气水流的水力半径。由弗汝德数可得出［12］，水流的紊动性增强，增大了KLa(20)。当曝气量越大时，紊动性就越强［13］。而随着填充率的增加，池体中的多束玄武岩纤维片串联式的玄武岩纤维填料的布置可对气体中的大气泡进行层层切割，同时减少水力半径，提高水流紊动性，进而提高KLa(20)。

接触氧化池的充氧能力受填料填充比的影响从大到小依次是:弹性填料、玄武岩纤维填料、组合填料。这主要是由填料本身的材质和结构形式的不同所造成的，从实验结果来看，硬性细丝状的立体结构更有助于接触氧化池的氧传质。

2.2 玄武岩纤维填料的挂膜结果

从表2可以看出，以玄武岩纤维为填料的接触氧化池挂膜速度较快，在仅经过4 d生活污水的短期培养，生物膜就已经表现出了良好的COD去除率，达到76.5%;在后期(第7 d)混入40%的印染废水后，生物膜对污水的COD去除率不但没有降低，反而升高至85.3%，表现出了较好的耐污染负荷冲击力。原因主要有:玄武岩纤维作为一种微生物填料载体材料具有良好的生物亲和性和吸附性能，能很快地将接种污泥中的微生物吸附，并在曝气充氧的生活污水中大量快速繁殖，并且COD去除率在较短的时间内达到较高的水平，充分表明生物膜系统中的微生物活性较高;在水体中，玄武岩纤维载体易展丝。水中的接种污泥在曝气的过程中被迅速扬散开来，而在水中舒展的玄武岩纤维便可截获和捕捉大量被扬散的接种活性污泥，延长其污泥龄;玄武岩纤维填料纤维丝纤细，在曝气的过程中不会阻水、不导流，促使氧气在整个反应槽中具有较高的传质效率。

表2 玄武岩纤维填料的挂膜结果Tab.2 Biofilm culturing situation of basalt fiber

2.2 填料的A

玄武岩纤维的A为90～150 kg/m3，即最高可达150 kg/m3，高于弹性填料和组合填料(弹性填料和组合填料的 A分别为 56～69，72～80 kg/m3)。表明玄武岩纤维作为一种生物填料用于接触氧化工艺中，生物膜量将显著提升，有利于提高系统污染物的去除效率。

3 结论

a.充氧实验中，无论是否添加填料，池体的氧传质系数都是随着曝气量的加大而增加。在添加填料后，接触氧化池的充氧能力受填料填充比的影响从大到小依次是:弹性填料、玄武岩纤维填料、组合填料。

b.充氧实验中，含玄武岩纤维填料的接触氧化池，与无填料相比，KLa(20)最大增加了37%，仅次于弹性填料的50%，优于组合填料的22%。

c.挂膜实验表明玄武岩纤维作为一种生物填料，挂膜速率较快，通过7 d的短期培养后，生物膜对于废水中COD的去除率可达到85.3%。另外，玄武岩纤维的A为90～150 kg/m3，优于弹性填料和组合填料。

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