高效生物膜悬浮填料研究进展

2020-03-18王彬，张进，魏亮，李洁，何莉

四川环境 2020年1期

王彬，张进，魏亮，李洁，何莉

(四川省科学城天人环保有限公司，四川绵阳 621054)

引言

生物填料作为生物膜水处理工艺的核心组成部分，影响着微生物的附着、生长繁殖和脱落，其性能的好坏将直接影响和制约着充氧性能、污水处理效率、基建投资、运行周期和费用。如何维持高生物量及高污水生物处理效率，一直是科研人员所孜孜所求的，悬浮填料正是在这种情况下所产生的一种新型生物填料[1-2]。相比于传统的软性填料、半软性填料以及复合填料等，悬浮填料具有比表面积大、能耗低及空隙率大等特点[3]，在水处理行业得到了广泛应用。此外，悬浮填料可直接向曝气池中投加，比重接近于水，形状通常为圆筒状、球状或粒状，生长生物膜后，在池中随曝气搅拌悬浮于水中并全池均匀流化，并且填料在流化过程中会切割分散气泡，使得布气均匀，氧利用率从而得到提高。

1 悬浮填料的种类与特点

1.1 悬浮填料的种类

生物膜处理法周期长且处理系统稳定，对填料的要求较高，比如挂膜好、不容易脱落、比表面积大、抗老化及耐腐蚀等。此外，填料也应具有较高的孔隙率，使老化的生物膜及时排出。填料的种类及分类方法众多，根据形状和大小的差异，较常见的有以下几种：环形悬浮填料、球形悬浮填料、多孔泡沫填料以及齿面型悬浮填料[4]。

环形悬浮填料：环形悬浮填料因其外观如环状或半环状而得名，具有比表面积利用率高、气液分布性能好、分散效率高、操作弹性大等优点，其主要包含鲍尔环、阶梯环、矩鞍环以及海尔环这几种类型，如图1所示。鲍尔环的环外径与高度相等，在环壁上开有长方形小窗，小窗叶在环中心相搭，上下二层窗位置交错，每层窗孔有5个舌片。这种结构改善了气液分布，充分利用了环的内表面，因此阻力降低，气速可提高，液相分布均匀。阶梯环是对鲍尔环的改进，环高与环径比仅为鲍尔环的一半，使得气体绕填料外壁的平均路径大大缩短，减少了气体通过填料层的阻力。此外，在环的一端加了锥形翻边，锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时也成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。矩鞍环外型如马鞍状，环内外采用不同的曲率半径，比鲍尔环阻力小、通量大、效率高、填料强度和刚性较好，具有通量大、压降低、效率高等优点。海尔环采用鞍状与筒状结合的构型，并在其上开有小孔，使它不仅具有通量大，压降低，耐腐蚀及抗撞击性能好等到优点以外，还具有填料间不会嵌套，壁流效应小和气液分布均匀等优点。

图1 典型环形悬浮填料Fig.1 Typical annular suspension filler

球形悬浮填料：球形悬浮填料又称多孔旋转球形悬浮填料，该填料由聚乙烯材料注塑而成，直径不一，在球体内设多个成规律状或不规律状的空间或者小室，使其在水中能保持动态平衡。这种填料具有生物附着能力强、化学和生物稳定性好、比表面积大、孔隙率高、亲水性能强等特点。它的形式多样，主要可分为球形多面空心球均质填料和球型内充物悬浮填料。

球形多面空心球均质填料外观呈球形，在球中部沿整个周长有一条加固环，在环的上、下部各有一定数量的球瓣(一般为12个)，沿中心轴呈放射形布置，其具体结构如图2所示。多面空心球具

图2 多面空心球均质填料Fig.2 Multi-faceted hollow sphere homogeneous packing

有叶片大、气液分布均匀、比表面积大等优点。

球型内充物悬浮填料，又称组合型悬浮填料，由网格球形壳体与内置载体2部分组成，壳体为高分子聚合物注塑而成，球面呈网格状开孔。内置载体有2种样式，一种为由醛化维纶球形片状材料和型内充物填料及聚乙烯等材质制成的丝状体，一种为以聚乙烯为原料制成的刨花团状物。前者是在壳体内设一轴干，轴干上设若干聚乙烯扣，扣上固定醛化维纶丝，维纶丝可在水中随水流自由飘动；后者是直接将刨花团状物填入壳体。具体构型如图3所示。球型内充物悬浮填料具有比表面积大、投资小、适应性强、易挂膜、运转管理方便等优点。

图3 球型内充物悬浮填料Fig.3 Spherical inner filled suspended packing

多孔泡沫填料：这类填料以德国LINDE公司所合成的为代表，形状为小方框，大小为12～15mm，材质多为聚氨酯泡沫块，密度稍小于水，如图4所示。工艺中填料投加率为15%～30%，可极大提高曝气池中的生物浓度，表面和内部均能生长微生物。填料比重与水接近，可随曝气和搅拌在曝气池中翻动，呈流化状态。

图4 多孔泡沫填料Fig.4 Porous foam filler

齿面型悬浮填料：这类填料的典型代表为挪威Kaldnes Mijecp tek-nogi公司所开发的Kaldnes型悬浮填料，该填料为圆柱状，以聚乙烯塑料为主要材质，外观呈外棘轮状，填料内壁具有十字筋加强结构，如图5所示。比重在0.92～0.96 g/cm3之间，最大填料填充率可达70%，有效生物膜面积可达350 m2/m3反应器容积，生物量浓度可达3～4 Gmlss/L[5]。该填料具有亲水性能强，微生物附着能力好、不易脱落；生物膜活性高、不易脱落；污泥产量少等特点。

图5 齿面型悬浮填料Fig.5 Tooth surface suspension filler

1.2 悬浮填料的特点

在生物膜污水处理工艺中，悬浮填料作为生物膜附着和生长的载体，具有以下特性[6～8]：

(1)形状为立体块状或粒状，一般形状规则，孔隙率大，比表面积大(几百至几千不等)，能够与反应器中微生物充分接触，有助于微生物在填料上的大量附着和生长繁殖。

(2)填料相对密度接近于水的密度，或稍小于1，或稍大于1，生长生物膜后，在正常的曝气强度下，极易达到全池流化翻动，可减少曝气过程中的动力消耗，在流化过程中，填料表面的微生物能够充分利用溶解氧，提高氧的利用率，且利于老化生物膜脱落。

(3)填料种类繁多，组成材质不一，多采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯等特制塑料或树脂制成。

(4)不结团，不堵塞，老化的生物膜靠水流冲刷、曝气搅动等作用自动脱落，保证生物膜的活性，有助于微生物的新陈代谢。

(5)无需固定，直接投加，只需在曝气池出水处设置栅网拦截以防填料流失。

(6)对气泡进行阻隔，让气泡接触面积增加，节约能源。

该填料的优点是处理污水时，剩余污泥产量小，除磷脱氮效率高且具有截流悬浮物的作用。无需固定和悬挂，使用方便，更换简单，因此减少了安装和运行操作工作量。缺点是对设计和调试的要求高，不易掌握。若在运行中出现问题会使填料上长满微生物，密度大于水时就会沉到水下，出现沉底、死角等问题，容易发生堆积，影响处理效果。

2 悬浮填料的改性

悬浮填料的引入，能够丰富反应器内微生物种群的组成，提高有机物降解的能力。目前合成悬浮填料的主要原料是聚丙烯、聚乙烯、聚氨脂以及聚氯乙烯等[2, 9]，这类填料存在亲水性、生物亲和性及氧传质性能欠佳等问题，造成反应器中污染物降解速率低和水处理效果不理想等问题，材料本身性能的局限制约了悬浮填料在污水处理中的应用。因此，对悬浮填料表面做适当的改性，提高填料亲水性、表面能、传质效率以及延长填料使用寿命，能更好的满足污水处理的要求。

目前悬浮填料采用的改性手段可分为两大类：物理改性和化学改性。物理改性是通过物理方法使悬浮材料表面得以改性，该类方法主要包括共混改性和物理涂覆改性等。共混改性是指两种或两种以上塑料制取一种能够满足特殊要求的新型塑料的方法，其目的是利用参与共混材料的协同效应提高被改性塑料的机械性能及加工性能，提高生产效率，降低生产成本，扩大产品的应用范围。该法具有操作简单、开发周期短、耗费少等特点。物理涂覆改性是指通过涂覆或沉积的方式把高聚物或树脂涂敷在填料表面，使其表面形成物理或者化学吸附层，从而改变填料的表面性质。

化学改性是通过发生化学反应在有机物高分子的分子链上引入其它链节和功能基团，提高材料的力学性能、抗老化性能和粘结性能等[10]，化学改性主要包括液相化学法、表面接枝和低温等离子体改性等。液相化学法是用氧化剂(浓硝酸、浓硫酸、高锰酸钾、硫酸以及重铬酸钾-硫酸、浓硝酸-高锰酸钾等单一氧化剂或配合酸)处理聚合物填料表面，改变材料表面的惰性，使材料表面氧化生成极性基团，从而提高表面极性。该法具有无需特殊设备、方法简单和费用低等优点。表面接枝是指在化学能作用下或高能γ射线辐照下，使主干聚合物与具有极性基团的单体在侧链上发生聚合反应，形成接枝共聚物，从而改善聚合物填料润湿性能的方法。该法具有聚合反应周期短，反应区域易控制，表面极性基团能长久停留等特点。低温等离子体改性是指利用等离子体中的活性粒子(O2、Ar、N2气态等离子体)轰击聚烯烃等高分子材料的表面，使材料表面分子的化学键被打开，并与等离子体重活性自由基结合，在高分子材料表面形成极性基团(-OH、-COOH等)，达到有效地改性填料表面的目的。该法无需添加化学药剂，对环境无二次污染，且对填料的表面性能有较好的改性效果，但该法要求在真空条件下进行，相应增加了生产成本。

张旭等[11]采用化学氧化-铁离子覆盖和化学氧化-表面接枝2种方法对聚乙烯生物填料进行表面改性，实验结果表明通过表面改性，可以明显提高填料的表面粗糙度、亲水性和生物亲和性，有利于微生物的附着，提高污水处理效率，其中采用化学氧化-铁离子覆盖和化学氧化-表面接枝方法处理后，挂膜时间分别缩短了37.5%和60%，挂膜量分别提高了54.8%和76.1%，COD的处理效率分别提高了10.63%和8.64%。大连宇都环境工程技术有限公司[12]发明了一种改性微生物膜载体，其基础原料为原料为高密度聚乙烯(HDPE)，改性料包括一号料、二号料，其中一号料为：废石粉、焦炭粉、矿渣粉、铁粉、HDPE，二号料为：矿渣粉、滑石粉、铁粉、HDPE。该改性填料表面亲水性强，挂膜容易、生物膜活性高、污泥产量少，处理效率提高30%～50%，运行费用降低30%；使用寿命可达50年。熊开生等[13]通过添加适量的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇以及活性炭等强生物亲和性和亲水性的材料对PVC悬浮填料进行改性。研究结果表明，改性材料的含水率提高了76%。

3 悬浮填料的应用

自从生物膜工艺研发成功后，悬浮填料就广泛地应用于生活污水、工业废水及高浓度有机废水处理等方面，并取得了良好的处理效果。悬浮填料还可以与传统水处理工艺结合组成新的复合处理工艺，从而提高工艺的整体处理效率。

3.1 悬浮填料在生活污水处理中的应用

悬浮填料应用于生活污水处理中，能够有效实现有机物的去除和生物硝化，出水水质稳定良好。何成达等[14]利用球形悬浮填料，采用厌氧降流式悬浮填料反应器对生活污水进行了不同HRT的实验研究。当HRT为6h、4h和3h时，COD的去除率分别为57.6%、52.85%和49.7%。该反应器仍具有较好的SS去除能力，SS的去除率为64%。赵勇等[15]采用改性填料强化A2/O工艺处理低温市政污水，通过向好氧池投加改性填料的方法增强在低温条件下市政污水的处理能力，结果表明，在水温为10～12 ℃的条件下，CODCr、氨氮和总氮的去除率分别为91.3%、99.6%和79.7%，出水水质达到了GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。高嘉敏等[16]对天然丝瓜络进行改性制备环保生物膜填料，并将改性丝瓜络悬浮填料与SBR工艺相结合用于处理生活废水。结果表明：通过改性，可增大丝瓜络悬浮填料的比表面积与亲水性。最佳工艺参数为曝气3h，沉淀1h；连续运行期间，在气温波动较大情况下，COD去除率依然稳定在90%左右。

3.2 悬浮填料在工业废水处理中的应用

工业废水种类繁多，成分复杂，其水质水量变化大，含有大量有毒有害物质及难生物降解物质，缺乏废水生物处理所需的营养物质，可生化性能差，因而对废水处理工艺的要求较高，利用传统的生物技术处理工业废水往往难以达标排放[17-18]。悬浮填料生物膜工艺的引人，工业废水处理效率得到了显著提升。龚云华等[19]通过采用浮动床生物膜反应器处理混合化工废水，投加的填料为聚丙烯悬浮填料，探讨了水力停留时间、污泥负荷、温度等对生物膜反应器处理混合化工废水性能的影响。实验结果表明：好氧浮动床生物膜反应器处理混合化工废水具有较好的处理效果，当水温为8～10 ℃时，水力停留时间为11.7～15h时，CODcr去除效率为57.7% ～ 65.8%，BOD5去除率为76.3% ～ 85.4%。唐佳伟等[20]采用循环浸泡法将铁氧化物负载到填料表面制备出悬浮填料载体用于Fenton流化床工艺处理腈纶废水。正交实验结果表明：负载氧化铁后，悬浮填料的密度由0.962 7g/cm3增至1.021 6g/cm3，载体表面负载的铁氧化物中铁含量为47.17%。当Fe2+投加量为6.25mmol/L、H2O2浓度为75mmol/L、通气量为0.1m3/h、悬浮填料投加率为40%时，有机物去除效果最好，COD去除率达到68.5%。

3.3 填料在高浓度有机废水处理中的应用

3.4 反应性悬浮填料的应用

当前所研究的悬浮填料主要是以高分子材料直接成型合成，靠物理吸附作用使微生物生长在填料上，形成的生物膜易脱落，氨氮去除效率低，使得水处理经常出现故障及处理后的水质不稳定。然而，反应性悬浮填料则是通过物理吸附、共价键合以及离子键合的多种方式使微生物附着在填料上，固定微生物的效果理想，处理效率高，占地面积小。悬浮填料通过改性，可使悬浮填料在保持相对密度接近于1的同时具有-NH2，-COOH，-OH和环氧基等活性基团，从而形成反应性悬浮填料[1]。目前，合成的反应性悬浮填料包括带极性基团的轻质塑料、聚氨酯、FPUFS填料以及聚丙烯酸酯等大孔高分子材料。反应性悬浮填料的应用领域和悬浮填料完全相同，广泛应用于生活污水和工业污水的处理。叶正芳等[24]采用FPUFS填料处理煤气厂焦化废水，中试研究表明，FPUFS填料的微生物负载量达28.00 g (以1 L水计)，结合力牢固，处理效率高，COD、氨氮、SS和挥发酚的去除率为98.3%、99.9%、54.2%和99.7%，中试效果良好。范轶等[25]采用多孔聚氨酯填料作为微生物附着和生长的载体，在体积为3.5 L的鼓泡曝气塔内使用模拟废水(成分包括葡萄糖、硫酸铵和硫酸二氢钠)研究了同时硝化和反硝化过程。实验结果表明，投加填充率为10%的多孔聚氨酯填料后，氨氮去除率明显提高，在气体流量为16～64 L/h时，氨氮去除率可在6 h内达到100%。