SBR处理生活污水工艺中填料性能研究

南国英，张高伟，代学民，杨孟林，郭嘉宇，张焕莉，贾庆旭，任淑萍

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000； 2.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北 张家口 075000)

1 引言

随着生活水平的提高，人口数量的增多以及人们环保观念的增强，国家不断提高污水处理厂排放标准，北京、天津、广东等地更是将地方的排放标准提高到高于国家一级A标准的水平。一些中小型污水处理厂所采用的传统的SBR工艺往往很难达到越来越严格的污水排放标准，面临着需要提标改造的问题。通过向SBR反应器中投加填料作为微生物附着生长的载体，形成活性污泥与生物膜复合体系，是强化SBR反应器处理能力的一个有效途径。本文通过阐述应用于SBR中填料的作用，总结了用于SBR处理生活污水中填料的性能要求，为填料的选择及研究发展方向提供参考。

2 SBR中填料的分类

目前对于SBR处理生活污水中投加的填料类型尚未有明确的规定或标准，按照安装方式可分为固定式、悬挂式、悬浮式等；按照膜载体的不同可分为流动式、固定式和微孔膜式等；按填料所形成的比表面积构造可分为微观比表面积填料和表观比表面积填料2种。此外还有惰性颗粒填料如砂砾、粘土等，吸附性颗粒填料如沸石、粒状活性炭等，以及新型复合填料、改性填料、无机纳米填料、腐殖土填料等也不断应用于实验研究与实际应用[1]。

3 SBR反应器中填料的作用

3.1 作为微生物附着生长的载体，形成生物膜

填料投加到SBR反应器中，在填料表面形成生物膜，构成活性污泥与生物膜的混合体系。一方面，生物膜的形成，利于充分发挥反应器中微生物的代谢作用，加强了同时硝化反硝化，提高了处理效率[2]。另一方面，填料本身较大的比表面积使得反应器中微生物数量、丰度和层次增加，更好的利用反应器空间。

3.2 吸附作用

吸附作用主要包含2个方面，分别为填料加入后对于反应器中活性污泥的絮凝沉淀作用和填料本身对水中物质的吸附。

絮凝沉淀作用主要以物理吸附为主，依靠填料表面的毛细力与静电力或填料表面生物膜与丝状菌等吸附水中难絮凝的微小颗粒，改善污泥的可沉降性。填料在沉淀初期的流动也会不断改变局部水流方向增加污泥颗粒的有效碰撞，利于沉淀。

3.3 释放营养元素、活性物质或充当催化剂等，营造有利于微生物生长的微环境

随着对微生物认识的不断深入和材料科学的不断发展，为了创造更利于微生物生命活动的环境、更好地提高生物膜或活性污泥脱氮除磷效率，许多新型填料会通过缓释营养元素、活性物质等途径进一步营造利于微生物发挥作用的环境。常邦等[3]将海绵铁、活性炭、聚氨酯泡沫按一定比例粘合制成填料，在投加量为8 g/L时，磷的去除率达到了90%以上，该填料中铁离子的持续稳定溶出是处理效果的重要保证。王东伟[4]通过向聚丙烯填料中混加生物亲和、亲水、磁性改性剂制得新型改性磁性填料，填料上形成的生物膜中微生物生命活动更为活跃。隋军等[5]以高分子材料为基材，以生物活性物质为填充剂，发明了一种用于水处理的活性填料。苏慧等[6]利用电气石能自发调节水体的氧化还原电位和pH值、提高脱氢酶活性和促进微生物的新陈代谢等功能将电气石陶粒与聚氨酯填料有机结合，形成的新填料在厌氧氨氧化反应器中表现较高的脱氮效率且运行稳定。

4 用于SBR工艺处理生活污水的填料性能要求

针对不同的水质特点、出水标准、运行方式等对于填料的性能要求也不同，许多的专家学者也以不同填料类型为根据对其进行试验比选。王雷等[7]对碳素纤维填料、组合填料、海绵填料和立体网状填料的生物膜长势和污染物去除情况进行对比，优选出了碳素纤维填料和组合填料；刘键敏等[8]对比悬浮球填料、纤维球、双孔环填料和纤维束填料，试验结果表明悬浮球填料在进水水温15～22 ℃，pH值在6.5～7.2，气水比9～10，进水COD值402～792 mg/L，进水在50.5～97.4 mg/L时，对COD、的去除率分别为87.9%、79.4%；郝晓地等[9]以比表面积为根据，对填料进行比较，指出悬浮填料的发展应该是以表观比表面积填料为方向。

目前的填料还都是以承载微生物生长附着为核心，基于生活污水水质特点，结合填料与微生物的相互依靠关系、负载微生物后填料与反应器中水的水力关系和经济性等方面进行综合考虑，用于SBR处理生活污水的填料应具有以下5个方面的性能。

4.1 良好的生物亲和性

生物亲和的涵义指填料与微生物相容，但不会对微生物的生存有损坏或副作用，同时还会对微生物的新陈代谢起促进作用。良好的生物亲和性能够加快挂膜，提高水处理效率。黄辉等[10]发明的生物亲和性水处理填料便是利用天然高分子物质和合成高分子材料表面的羟基、羧基、氨基等丰富的化学活性基团，形成微生物与填料的同源性亲和力，可提前5～20 d形成成熟的生物膜。

4.2 良好的亲水性

亲水性主要表现为水与填料接触时，填料分子与水分子之间的作用力大于水分子之间的作用力，填料表面吸附水分，即被水湿润。填料亲水性良好，能够使微生物更好的被亲水表面吸附，有利于填料表面生物膜的形成与稳定。周芬等[11]通过在塑料填料表面附着混凝土制得了新型混凝土改性亲水塑料填料，并通过厌氧悬浮填料床处理垃圾渗滤液，进水COD质量浓度在5000～6000 mg/L时，处理效率提高5%～10%。汪晓军等[12]通过在普通塑料中添加水溶性高分子物进行亲水改性，制得表面亲水的弹性塑料填料，通过实验验证了新型填料在污水的厌氧处理中可提高处理效率15%～30%。

亲水性良好并非指填料的亲水性尽可能的增大，而是指填料的亲水性符合所在工艺及处理水质的要求。杨东方等[13]以挂膜量、COD和氨氮去除率等为指标，考察了MBBR中聚丙烯载体填料表面亲水改性对处理模拟船舶生活废水处理效果的影响得到：在亲水性较低时，亲水性越强填料挂膜量越多，水处理效果越好；在亲水性较高时，填料亲水性越强生物膜越厚，污水处理效果越差。

4.3 稳定的生物、物理、化学性质

生活污水是一个复杂的体系，不可避免的会存在腐蚀性成分，同时在污染物的处理转化过程中涉及到物理化学、生物化学等多种过程，所以要求添加的填料需要具有生物稳定性、化学稳定性和热力学稳定性。若填料有物质溶解，进入水中的成分应保证对人和微生物无毒害作用。

投加到SBR反应器中的填料还应该具有抗氧化性，避免因反应器的长时间曝气而大幅缩短填料的使用寿命。

4.4 稳定的物理性能和优良的水力学性能

填料的物理性能主要指填料的机械强度、耐磨性能、密度、体积、形状和比表面积等。

在运输过程中填料之间必然发生碰撞与摩擦，使用时还会受到液体压力和水流剪切力的作用，所以填料要具有较高的机械强度和耐磨性能，避免破损或过多的磨损，影响使用效果。体积、形状方面应利于生物膜的传质作用，减少反应器运行能耗，一般认为球状或柱状是较为理想的形状。李雅雯等[14]在用多面球填料拦截沉淀工艺去除颗粒物时指出多面球填料可通过不断改变水流方向形成涡旋，增加矾花的有效碰撞，从而利于水中颗粒物的沉淀。

填料的比表面积分微观比表面积和表观比表面积，虽然理论上填料的比表面积越大越好但是在实际应用中微观比表面积型填料中的微细孔隙会因为生物膜的形成而堵塞造成实际可利用的面积锐减，选择时应以填料表观比表面积为参考，应利于生物膜的生长和脱落[9]。

密度是填料选择必须要考虑的因素，密度过大会造成填料流化困难，需要更高强度的曝气，增加能耗；密度过小又会使填料浮于液面，不利于挂膜和水中物质的传递转化。所选择填料以接近生活污水密度为宜，在正常的曝气强度下填料能够散布于整个反应器，节约能耗。

4.5 经济性高、使用方法简单

选择填料的目的是为了应用于实际工程。我们在满足设计要求和水处理效果的前提下应选择高性价比填料以确保生活污水处理经济效益。填料的用量一般较大，在选择填料时应优先考虑有较大储量且易获得的填料。填料的使用方法应尽量简单、操作要求要低，以利于填料得到更好的推广使用。

5 结语

随着水处理理论的不断完善尤其是生物膜法的深入研究，以及材料技术的成熟，填料在未来也必将是很多水处理工艺中不可缺少的一部分。当填料投加后能够提高反应器内传质扩散效率和生物反应效率时，整个反应器的处理效率便能得到大幅提高。填料的选择应从生物亲和性、亲水性、比表面积、形状、水力学性能及物化性能等方面进行考虑。用于SBR处理生活污水的填料应以良好的生物亲和性和亲水性为基础，易于微生物的挂膜生长，便于实际工程的应用。其次考虑较大的表观比表面积，以提供充分的挂膜面积和传质接触面积，同时要保证一定的机械强度和稳定性。在实际工程应用中，由于受到投资成本的限制，满足设计要求的前提下，会尽量选择材料易得、价格便宜且方便运输和安装的填料。

当前对于生物填料的研究仍以提高生物量，强化生物活性居多，已研发出微型磁效应填料、释放活性物质填料及强化微电解反应填料等众多新型填料，而对改善反应器内流体流态等水力学性能的研究还较少。未来填料的发展必然是生物反应效率和水力学传质效率的协同发展，更多高传质、高生物反应效率的填料将会得到开发与应用。目前对于废弃填料处理回收工艺的研究也相对较少，如何实现填料的再利用，达到填料的作用最大化应该引起更多的重视。