（环境工程专业论文）废旧织物应用于污水处理填料的可行性研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明。渤 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：南封猫 日期： 沙f7 年；月7 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密d 。 学位论文作者签名：锄黼 日期：沏俨凋 日 指导教师签名：马承海 日期：2 。f 年乡月7 e t 废旧织物应用于污水处理填料的可行性研究 摘要 本论文主要研究产生量大、处理困难的废旧织物用于污水处理的 填料的可行性；选择来源广泛的棉布、麻布、绒布和棉布与涤纶的混 纺布作为实验材料。 通过实验得出废旧织物的耐温能力，材料的最适宜温度范围： 1 0 3 5 。c ；废旧织物经过酸碱溶液处理后，拉伸强力急剧下降，采用 傅里叶红外测试仪测试化学处理前后材料的分子结构变化。 材料的克重、透气量、厚度、粗糙度与材料的挂膜量呈正相关性， 通过正交实验得出材料附着微生物的最佳水力条件为：温度为3 0 。c 、 p h 值为7 8 、曝气量为3 l m i n ；对材料的使用寿命进行了中试装置 应用研究，通过检测材料的拉伸强力和伸长率变化，确定各种材料的 使用寿命分别为：棉布为6 个月，麻布、混纺布9 个月，绒布使用时 间最长。对使用9 个月之后的材料形貌进行分析，棉布、麻布、混纺 布表面均严重损坏、剥裂，绒布仅在端面处有轻微破损。 从污泥中提取一株菌，序列在g e n b a n k _ e 登录号为h q 4 5 5 7 8 7 。 经鉴定为a c i n e t o b a c t e rs p x 1 6 。对发酵液成分进行红外扫描和紫外 扫描分析，确定其含有大量的氨基酸。选定棉布为试验对象，得出微 生物与材料间的结合键为氢键，主要是“吸附架桥作用 ；棉布和麻布 易被微生物分解，涤纶织物作为填料时不易被微生物分解。 将回收的废旧织物制成填料并用于污水处理的中试装置，确定最 佳水力条件为：h r t 为2 0 h 、污泥浓度保持在5 5 0 0 7 5 0 0 m g l 、d o 浓度范围为2 - 4 m g l ；与现有软性填料出水效果进行对比，处理效果 较好，出水水质均达到回用水标准；对废旧织物应用于污水处理的填 料进行经济性分析，1 3 m 1 3 m 2 0 m 的中试装置，采用废旧织物作 为填料，每3 年可节省5 2 4 元。 本课题已申请专利并获得批准，专利号：z l2 0 0 920 2 11 2 6 9 9 ， 授权公告日期：2 0 1 0 年0 7 月2 1 日。 关键词：废旧织物、填料、结合力、吸附架桥、经济性 af e a s i b i l i t ys t u d yo n t h ew a s t ef a b r i c r e c l a i m e di ns e w a g et r e a t m e n t a sf i l l e r s a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h ew a s t ef a b r i cr e u s e da sf i l l e r s e l e c t e d c o r o nf a b r i c ，g u n n yc l o t h ，f l a n n e l e t t e ，m i x e ds p i n n i n gw i t h c o t t o na n dt e r y l e n e ( h e r e i n a f t e rc a l l e d b l e n d e df a b r i c ) a se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l ，w h i c ha r ea b u n d a n t l y a v a i l a b l e f i r s t l y , t h e a n t i c o r r o s i o n ，b r e a k i n gs t r e n g t ha l s or e t a i n e d ，a n d m o l e c u l a r s t r u c t u r eo ft h e s em a t e r i a l sw e r et e s t e dt oa n a l y z eh o wa n dw h yt h e s em a t e r i a l sh a d c h a n g e su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r e sr a n g i n gf r o m 10t o 3 5 c ，h a v eb e e ng o t t e nb yas e r i e so fe x p e r i m e n t s ；w a s t ef a b r i c sh a v ep o o rc o r r o s i o n r e s i s t a n c e t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ew a st e s t e db yf o u r i e rt r a n s f o m e di n f r a r e d ( f t i r ) t oa n a l y z et h ec h e m i c a la c t i o no nt h e s em a t e r i a l s s c e o n d l y , s t u d i e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i ca n d b i o m a s s i t sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dt h a tm a t e r i a l s w e i g h t ，v e n t i l a t i o nv o l u m e ， t h i c k n e s s ，r o u g h n e s sw i t hb i o m a s se x c e p th y d r o p h i l i c i t y t h eo p t i m u mp r o c e s s i n g c o n d i t i o nw a sf o u n dt h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t ：t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s3 0 c ， t h ep hv a l u ei s7 ，a e r a t i o nr a t ei s3 l m i n u e s f u ll i f ew a st e s t e di np i l o t - p l a n to f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t od r a wt h ep r o p e rc o n c l u s i o n sf r o ma n a l y z et h eb r e a k i n g s t r e n g t ha n de l o n g a t i o nv a r i a t i o n t h e s em a t e r i a l s u s e f u ll i f ei sf l a n n e l e t t e s g u n n y c l o t h s = b l e n d e df a b r i c s ( 9m o n t h s ) c o t t o n s ( 6m o n t h s ) t h es u r f a c em o r b h o l o g y w a so b s e r v e db yt h es c a n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) f l a n n e l e t t ea l m o s t l yh a s a n yd e g r a d a t i o n o nt h es u r f a c e ，w h i l eo t h e rm a t e r i a l st u m e du ps p i n _ o f fa n d d e g r a d a t i o n i i i t h i r d l y , o n eb a c t e r i u mh a v eb e e ni s o l a t e df r o mt h es e w a g es l u d g e e n r i c h m e n t a c c e s s i o nn u m b e ri sh q 4 5 5 7 8 7i nt h eg e n b a n k i tw a si d e n t i f i e da sa c i n e t o b a c t e r s p 。 x 16 t h ec o m p o n e n t so ft h ef e r m e n t a t i o n l i q u o rw e r ea n a l y s e db yi n f r a r e d s p e c t r o m e t r ya n du vs c a n n e r i tc o n t a i n i n gm a n ym o l e c u l e so fa m i n oa c i d sa n d h y d r o x i d er a d i c a l ( - o h ) s e l e c t e dc o t t o na so b j e c t s ，a n dd e t e c t e dt h eb i n d i n gf o r c e b e t w e e nm i c r o o r g a n i s m sa n df i l l e r s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h e f l o c c u l a t i n gm e c h a n i s mi sa d s o r p t i o na n di n t e r p a r t i c l eb r i d g i n g ，t h e nc o t t o nf a b r i c a n dg u n n yc l o t hc a ne a s i l yb ed e c o m p o s e db ym i c r o b e s ，w h i l ef l a n n d e t t ea r en o t r e a d i l yd e g r a d e d f o u r t h l y , t h eh i 曲q u a l i t ye f f l u e n tc o n d i t i o nw a so b s e r v e dw h e nh r ti s2 0 h ， m l s si s5 5 0 0 7 5 0 0 m g l ，d oi s2 - - 4m g l c o m p a r i s o nw i t l le x i s t i n gp r o j e c t s ， t h e s er e c l a i m e df i l l e r si sg o o da tt r e a t m e n te f f e c t 、加me f f l u e n tm e e t i n gt h e r e q u i r e m e n tf o rw a s t e w a t e rr e u s e f i n a l l y , t h ee c o n o m i ca n a l y s i so fm e r c h a n tf i l l e r a n dr e c l a i m e df i l l e r sw a sm a d e r e c l a i m e df i l l e r sc a ns a v i n g5 2 4r m b p e r3y e a ri n t h e p i l o t - p l a n tw i t h1 3 m x1 3 m x 2 0 m t h i ss u b j e c th a sb e e np a t e n t e db yp a t e n to f f i c eo ft h ep e o p l e sr e p u b l i co f c h i n a ，p a t e n tn o z l2 0 0 920 2 1 1 2 6 9 9 j i nl i n f a n g ( e n v i r o m e n t a le n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y _ m ac h e n g y u k e yw o r d s ：w a s t ef a b r i c ，f i l l e r , b o n d i n gf o r c e , a d s o r p t i o nb r i d g i n g ， e c o n o m i c a le f f i c i e n c y i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章综述1 1 1 引言1 1 2 纺织废品的处理现状1 1 2 1 纺织废弃物的处理方法1 1 2 2 纺织废物的回收方法2 1 2 3 废弃纺织物的回用途径3 1 3 填料的发展历程4 1 3 1 填料概述4 1 3 2 生物膜填料的发展历程4 1 3 2 生物膜填料的选择原则6 1 3 3 生物膜填料的特点7 i 4 生物膜填料的分类7 1 4 1 固定式填料7 1 4 2 悬挂式填料8 1 4 3 分散式填料9 1 4 4 各种填料的性能对比l o 1 4 5 填料的发展趋势1 0 1 5 固体废弃物回用于填料的研究进展1 3 1 6 本课题的研究内容1 5 1 7 本课题研究意义1 5 第二章试验装置及测定方法1 6 2 1 所选填料性能的试验16 2 1 1 试验样品1 6 2 1 2 主要试验仪器1 6 2 1 3 试验方法1 8 2 2 水质指标分析方法及使用仪器2 0 2 3 微生物与填料结合力的检测试验2 2 2 3 11 6 sr d n a 序列同源性和系统发育分析一2 2 2 3 2 主要仪器介绍2 3 2 4 本章小结2 5 第三章填料的性能试验研究2 6 3 1 温度对材料性能的影响2 6 3 2 材料耐腐蚀性能实验2 8 3 2 1 不同p h 值对材料性能的影响2 8 3 2 2 材料耐强酸强碱红外测试2 9 3 3 本章小结3 2 第四章填料挂膜性能实验3 3 4 1 废旧织物附着微生物的实验3 3 4 2 材料特性对挂膜量的影响3 4 4 2 1 实验方法3 4 4 2 2 实验结果分析3 5 4 3 环境因素对挂膜量的影响3 7 4 3 1 正交实验的设计3 7 4 3 2 正交结果分析3 8 4 4 填料使用寿命的测试4 1 4 4 1 装置启动4 l 4 4 2 填料拉伸强力变化4 2 4 4 3 填料伸长率变化4 3 4 5 扫描电镜分析4 4 4 6 本章小结4 6 第五章微生物与填料结合力的检测4 7 5 1 菌种提取一4 7 5 1 1 菌种分离原则4 7 5 1 2 菌种来源4 8 5 1 3 培养基4 8 5 1 4 细菌分离纯化4 8 5 1 5 微生物形态观察4 9 5 2 菌种鉴定5 0 5 2 11 6 sr d l n ap c r 扩增及序列测定5 0 5 2 216 sr d n a 全序列分析结果5 0 5 3 微生物与填料结合力的探讨5 1 5 3 1 微生物发酵液的成分测定5 2 5 3 2 微生物与填料结合力的检测5 3 5 3 3 絮凝剂与棉布之间结合键的检测5 4 5 3 4 发酵液分布活性的测定5 5 5 4 微生物对填料的分解能力实验5 6 5 5 本章小结5 7 第六章工程应用5 9 6 1 水力因素对织物填料处理率的影响5 9 6 1 1 水力停留时间( 瑚玎) 对处理效果的影响5 9 6 1 2 溶解氧( d o ) 对处理效果的影响6 0 6 1 3m l s s 对处理效果的影响6 3 6 2 污水综合排放标准和城市杂用水回用标准“ 6 3 废旧织物制成的填料与市售软性填料处理效率比较6 6 6 4 经济性分析6 7 6 5 本章小结6 7 第七章结论和建议6 8 7 1 结论6 8 7 2 建议一6 9 参考文献7 0 攻读学位期间主要研究成果一7 9 致谢8 0 第一章综述 1 1 引言 第一章综述 我国是纺织品生产和消费大国，据估计，至2 0 1 0 年我国人均纤维消费量将 达到1 8k g ，若纺织品的使用周期按2 年计，废弃量按7 0 计，则我国每年将产 生近千万吨的废旧纺织品【1 1 。同时，我国可用的纺织品资源非常有限，远不能满 足工业生产的需要。因此，越来越多的人将眼光投向废弃纺织品的回用，如何对 纺织废品进行回用，回用到哪些领域? 成为人们关注的话题。如今纺织品工业生 产一方面，面临着原材料紧缺与价格大幅上涨的局面，而另一方面又表现出纺织 废弃物的大量产生。纺织废品的处理既浪费资源，又会对环境造成二次污染。于 是对废弃纺织品进行回收再利用显得尤为重要。如果能将这些废弃纺织物进行有 效的利用，既可以解决原材料短缺的问题，创造出更高的经济价值；又可以减轻 城市垃圾处理负荷【z j 。 1 2 纺织废品的处理现状 通常意义上的纺织废弃物，主要包括纺织过程中由于化学作用和机械作用所 产生的下脚料短纤维，纺织品生产过程中产生的废纱、废布、回丝，以及服装裁 剪过程中产生的边角料，还有居民生活或其它活动中丢弃的纺织纤维及其制品。 “绿色浪潮”在全球范围内引起很大震动和反响，人们围绕纺织生态问题展开了 一系列的研究，纺织生态学逐渐形成为一个完整的体系而成为人们的共识；从完 整的概念上讲，纺织生态学应包括纺织品生产生态学、纺织品消费生态学和废弃 纺织品处理生态学【3 】。最先引起人们注意的是废弃纺织品如何处理的问题，即纺 织废弃物的处理问题【4 j 。 1 2 1 纺织废弃物的处理方法 纺织废弃物的分布广，种类复杂，且呈现出逐年增加的趋势，其中可以回收 利用的废料很多。其中涤纶、锦纶、丙纶和腈纶等合成纤维是由石油提炼时的废 气经收集化学聚合加工而成，降解性极差，其废弃纤维对环境污染的威胁亦十分 严型5 1 。如今对于纺织废弃物的处理，主要采用堆放、填埋、焚毁、降级循环等 方法 6 1 。 ( 1 ) 堆放法 东华大学硕士学位论文 堆放法主要是将垃圾堆放于城郊大面积的空闲场地，但是因为纺织废弃物分 解速度慢，天长日久就形成了“垃圾山 。垃圾经过长期堆放后，发酵腐烂，散 发出难闻的气味，使人产生头晕、恶心、呕吐等。同时也会释放出大量的温室气 体，加剧了大气温室效应和城市的热岛效应；废弃物长期暴露于大气中，聚积大 量灰尘、杂质，影响环境卫生；纺织品的染料及其他有害成分随着雨水冲刷作用 浸出并渗入地下，进而使地下水受到污染。由于堆放法占用大量宝贵的土地资源， 并且对环境造成了影响，因此不适宜纺织废品处理。 ( 2 ) 填埋法( 卫生填埋) 填埋法主要是通过开挖深海、良田，或者利用废弃的深井和山谷等天然的地 理条件，将垃圾填埋，表面覆盖塑料薄膜或土层，国内大多采用此法。但是化纤 类废弃物不易分解，会使土壤板结硬化，并且有害物质会随水渗入土壤，污染土 壤和地下水。经过填埋处理的土地在城市中几乎没有利用价值，无形中增加了固 体废物的处理成本。 ( 3 ) 焚毁法 废弃纺织品的纤维种类繁多，纤维加工过程中又经过各类化学品的处理，焚 烧后的化纤残留物更难处理。如果只是简单的焚烧，不仅会产生大量的飞灰和 c 0 2 ，垃圾焚烧过程中还可能产生“二恶英 等有毒物质。二恶英是毒性最大的 化合物之一，其毒性是氰化物的1 3 0 倍、砒霜的9 0 0 倍。除了剧毒之外，二恶英 之所以可怕是因为它溶于脂肪，难以降解，半衰期时间长，属于持久性污染物， 一旦进入人体很难排出，而累计到一定程度时，就会致人于死地。 ( 4 ) 降级循环法 降级循环是将部分纺织废弃物卖给废品收购站，其中的天然纤维下脚料可能 被制成品质较低的产品，再生品的性能及品级明显降低，造成资源浪费；而且这 种产品市场已经饱和，销路停滞【7 】。 1 2 2 纺织废物的回收方法 可回收利用的纺织废品主要有：废纤维、纺织厂的下脚料、化纤厂的废丝、 聚酯瓶、废旧衣物等。如今纺织废品的回收再利用方法，按回收途径可分为物理 回收、化学回收和能量回收【8 1 。 物理回收是指对废旧纺织品进行初步的机械加工后，就可以被重新利用，或 者得到一些初级原材料的回收再利用方法。对于大块的废旧织物，可以裁成小块 用于抹布；磨损程度不严重的地毯，可以修复、或者重新编织得到新的地毯。欧 洲每年产生的废旧地毯高达1 5 0 - - - 1 7 0 万吨，可大量的进行回收再利用。该法成本 低，处理方法简单。 能量回收是将废旧纺织品中热值较高的化学纤维通过焚烧转化为热量，用于 2 第一章综述 火力发电的回收再利用方法，对于那些不能再循环利用的废旧纺织品适合采用能 量回收方法； 化学回收是将废旧纺织品中的高分子聚合物解聚，得到单体，然后再利用这 些单体制造新的化学纤维的回收再利用方法。一部分价值较高的高分子材料的回 收利用，采用这种方法已经实现了规模化生产【1 1 。 1 2 3 废弃纺织物的回用途径 以下主要对废弃纺织品处理与利用途径进行介绍。 ( 1 ) 再生纤维织物 回收的废旧织物经过撕碎开松后，纤维较长的可直接纺纱，制成粗纺面料。 用于装饰材料、工业用的织物、滤布、毛毯等其他的家具材料；品级高的长毛纤 维也可掺入好纤维中使用。含有较长毛纤维的织物一般有破旧毛衣、呢子质地的 服装等【2 1 。 ( 2 ) 再生纤维非织造布 通常再生纤维采用气流成网浸渍干燥，制成非织造布，也可采用粘 合针刺等方法生产。这种非织造布可用作鞋帽的衬里、工业用手套、沙发毡 垫等；经复合的面料，可制成汽车车体内衬、壁板、隔音层、隔热层以及罩盖等； 也可用于包装材料、覆盖材料和绝缘材料掣2 1 。 ( 3 ) 再生纤维填充料 长度短、质量较差的再生纤维，经过适当处理后可用作填充料。如玩具填充 物、座垫及隔音、隔热材料的填充。聚酯泡沫塑料垫内加入一定量的再生纤维后， 使用寿命大大增加【2 j 。 ( 4 ) 其他含纤维制品的回用方法 棉短绒可提取纤维素，用于造纸、制胶片和高级涂料等； 纺织废料不仅可回用于纺织品的生产，也可以用于造纸。美国可蓝( 音译) 造 纸公司，将回收的旧衣服经过处理后，来生产美钞用纸，目前我国的钞票纸生产 原料中也会加入一定量的棉布、棉绒。英国利物浦的生态学家正在研究如何利用 回收的碎布来种植各类花草，以绿化、美化城市。方法是将野花种子置于废旧布 料织成的毯子上，这时毯子充当地面覆盖物，它的成本只有普通种植手段的 】1 0 【9 1 。 东华大学硕士学位论文 1 3 填料的发展历程 1 3 。1 填料概述 生物接触氧化法( b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ，b c o ) 是一种浸没型 生物膜法【l2 | 。接触氧化池中的填料表面被一层生物膜所覆盖，生物膜是由千万 个细菌，原生动物和后生动物等微型动物组成的污泥。废水流经生物膜时，水中 的溶解性有机物被微生物当做营养分解，从而使污水得到净化。生物膜的形成过 程是由物理、化学和生物过程综合作用的结果，主要经历以下几个过程【1 3 】： ( 1 ) 有机物分子经水相与载体表面接触，其中一部分被吸附在载体表面，形 成了改性的载体，进而使大量的微生物细胞被吸附在载体表面； ( 2 ) 被吸附在载体表面的细胞，一部分不会被解吸而长期停留在载体上；一 部分微生物因为水力剪切或者化学、生物作用又被解吸出来； ( 3 ) 这部分不可解吸的微生物细胞通过摄取水中的有机物，进行新陈代谢， 实现自身的生长繁殖，同时产生大量的胞外多糖等聚合物，将微生物细胞紧密地 结合在一起，形成了生物膜； ( 4 ) 在生物膜不断增厚的同时，因为水力剪切等其它因素，也会不断地向水 中释放游离的微生物细胞。因此，微生物在载体表面固定形成生物膜的过程是一 个动态的过程，受微生物生长、脱落的影响。 接触氧化法与传统的活性污泥法、生物滤池法相比，有明显的优势。例如， 处理效率高，有很强的有机负荷能力，对于水力条件的变化有很强的适应性；反 应器内保持较高的生物量，对难降解的有机物有较好的去除效率；产泥量少，不 易发生污泥膨胀，无需设置污泥回流装置；处理相同水量的污水时，生物接触氧 化法所需的反应器体积小，占地面积少，工程投资相应减少，使得污水处理成本 降低；设备操作简单，维护方便，综合能耗远低于其他方法【1 4 】。因此已广泛应 用于处理石油化工废水、纺织印染废水、医药和啤酒废水，获得了良好的环境效 益、经济效益和社会效益。 1 3 2 生物膜填料的发展历程 接触氧化法的概念最早出现于1 9 世纪末，是由w a r i n g 等人提出的，他们最 先用碎石和炉渣作为填料进行生物接触氧化法的实验；1 9 1 2 年，c l o s s 在德国获 得了生物接触氧化法的专利l l5 1 。美国人h a y e s 后来用石棉板、塑料板、水泥板 作为填料，用于活性污泥曝气池中处理污水，取得了良好的效果。 2 0 世纪5 0 年代以前，生物膜法处理污水时多以碎石作为填料，碎石的比表 面积小，需要的量比较大，占地面积较大，卫生状况差。碎石的比重大，多沉入 4 第一章综述 水底，使微生物不能很好的分散，相应的处理效果也比较低，因此没有推广开来 【l6 | 。到5 0 年代初，接触氧化法逐渐被推广用于小型污水处理厂，在美国有6 0 多个个污水厂使用接触氧化法处理生活污水。 2 0 世纪6 0 年代起，日本阴川等人经过研究发现，膨胀污泥的生物活性保持 不变，如果对污泥进行固定，可使出水效果保持稳定，因此根据接触氧化法的特 点开发出固定活性污泥法( f a sf i x e da c t i v a t e ds l u d g e ) ；这种方法的实质是在曝气 池中填充由聚乙烯制成的网格作为填料，对微生物进行固定。用于处理难降解的 石油化工废水、食品工业废水、生活污水等，都取得良好的处理效果。通过一段 时间的应用发现，生物膜大量脱落，网格间隙堵塞，导致出水水质急剧恶化；又 一次阻碍了固定氧化工艺的推广应用。此后日本津田等人进行了一系列的实验， 对填料的空隙率、排列方式及填料的数量等做了部分改进，仍然没有克服网格堵 塞、生物膜脱落等问题，并且处理效率不及活性污泥法和生物滤池【l 川。 2 0 世纪7 0 年代，随着塑料的大量生产，有人提出塑料制作的填料应用于接 触氧化池。最具代表性的是日本小岛贞男配制出的，由玻璃钢或者塑料制作的波 状板和蜂窝状填料【1 8 】。塑料制作的填料密度小，能在水中呈现漂浮状态，使得 微生物可以大面积的分布开来，出水水质好，不易出现污泥膨胀；缺点是比表面 积小、表面粗糙度小，挂膜量较小。长期使用过程中发现，蜂窝型填料阻碍水和 气的横向流通，造成气水比不均；从而使填料堵塞【i 引。 2 0 世纪8 0 年代，出现了软性填料，主要由尼龙、涤纶、维纶、晴纶等纤维 编成束，然后绑定在尼龙绳上。软性填料的出现很大程度的改善了硬性填料易堵 塞、生物膜易脱落的特点【1 6 】。软性填料主要模拟水草，可在水中呈现流化状态， 使得微生物能够均匀分布，处理效率大大提高。在曝气过程中，软性填料可以带 动水体流动，不仅使气水分布均匀，还不会出现填料堵塞现象。此外软性填料的 比表面积大，能大量的附着微生物，无需经过特殊加工，造价低，使用寿命长。 软性填料在长期使用后出现结团，纤维丝缠绕，使得有效表面积大大减少。填料 内部出现厌氧区，微生物因为缺氧活性降低，影响了处理效果。 于是8 0 年代后期，北京纺织科学研究所开发出一种新型的填料b s 型半 软性填料。半软性填料的名称是相对于软性填料而言的，它的出现克服了软性填 料的不足。半软性填料的设计思想是通过增加填料的机械硬度来克服软性填料易 缠绕、结团的现象。曝气时填料会随着水流振动，增加了对气泡的剪切力，也可 促使老化的生物膜脱落，保证了填料表面生物膜的活性。通过设计出不同形状外 观的填料来增加其比表面积。半软性填料的推出极大地解决了污水处理过程中的 各种问题，为生物接触氧化法迅速推广使用奠定了基础。随着污水处理的需要， 衍生出各种类型的填料，如组合填料、弹性立体填料、悬浮型填料、固定化微生 物型填料【1 3 】。 东华大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代后期，同济大学环境工程系和厂家联合开发研究了盾式填料。 盾式填料综合了软性填料和半软性填料的特点，兼有比表面积大，挂膜容易，不 易结团，布水、布气性好，气泡切割性能好等优点。盾式填料是由半软性填料作 为支撑，将纤维束固定在半软性填料周边，使得软性填料很好的分散，并且不会 打结。同济大学通过对比试验发现，盾式填料挂膜快，生物活性好，填料不易结 团，处理性能均优于软性填料和半软性填料。现在广泛用于各种生物膜法处理工 艺的构筑物中，处理效果良好【l 圳。 1 3 2 生物膜填料的选择原则 填料是曝气生物滤池的核心组成部分。填料作为附着微生物的载体，它的使 用状况对处理效果影响明显，在一定程度上影响着工艺运行的控制。为了保证工 艺达到处理效果，选择合适的填料对生物接触氧化法来说显得至关重要。通常生 物膜载体填料的选择应该遵循以下原则【2 0 】： ( 1 ) 机械强度填料在曝气生物滤池运行过程中，受到不同方向的水力剪切 作用和填料之间的碰撞摩擦作用，对填料的使用寿命影响很大，所以填料必须具 有一定的机械强度，才能在污水处理工艺中使用较长时间，不必经常更换填料。 ( 2 ) 物理形态选择的生物膜填料应该具备以下特点。填料应具有大的比表 面，可供更多的微生物附着；填料之间尽可能的减少摩擦；有很好的传质效率。 ( 3 ) 生物、化学稳定性填料要有一定的耐酸碱腐蚀能力；不易被水处理药 剂或者微生物代谢物腐蚀，或者与水体中的物质发生反应而被分解；同时填料本 身也不可被微生物分解；填料在使用过程中，不能释放破坏水质的物质。 ( 4 ) 表面电性和亲水性微生物一般带负电荷，并亲水，若载体表面带正电 荷，会由于电性中和作用，使微生物很好的在载体表面固着生长。表面亲水性好 的载体也有利用微生物的附着，载体表面的表面性质可用等电点和z e t a 电位来 表征。 ( 5 ) 孔隙度及表面粗糙度生物膜载体表面的孔隙度及表面粗糙度直接影响 了生物膜形成、发展以及稳定过程；孔隙度更多地提供了微生物附着的有效表面 积，增加了载体表面的粗糙度，也会减少载体表面因碰撞而流失的微生物；生物 膜载体保持一定的孔隙度和表面粗糙度可提高传质效果，有利于膜生物反应器的 稳定运行。 ( 6 ) 填料密度生物膜反应器中的填料密度即不能过大，又不能过小。密度 过大会造成反冲洗时填料不易悬浮，增加了能耗；密度过小时，使反应器内的生 物量少，填料会悬浮于反应器上端，引起跑料，不利用工况稳定运行；因此填料 密度要符合一定的标准。 ( 7 ) 对生物膜活性的影响生物膜载体选择的基本要求是，必须对所固定的 6 第一章综述 微生物无毒、无害，在工艺运行时，所选择的填料不能影响所固定微生物的生物 活性。 ( 8 ) 经济性价格因素是选择生物膜载体需要考虑的因素之一。在不影响设 计或处理目标的条件下，一般选用廉价、来源广的载体，以减少处理工艺的投资。 从经济角度考虑，生物膜载体应避免选用一次性的材料。所以在选择填料时，应 该综合考虑载体的性能与价格。 1 3 3 生物膜填料的特点 由于填料有很好的氧转移率，传质速率高，能更充分的发挥微生物的作用， 所以生物接触氧化法的处理效果明显好于传统的活性污泥法。填料的主要作用如 下，即【2 1 】： ( 1 ) 高生物量填料拥有很大的比表面积，为微生物提供了大量的附着空间， 使生物接触氧化池内保持了高浓度的生物量。 ( 2 ) 高生物活性填料对气泡有切割作用，加强了曝气作用，增加了氧转移率。 曝气时由于填料颤动带动水体流动，使老化的生物膜及时脱落，加速了生物膜的 新陈代谢，保持了较高的生物活性。 ( 3 ) 高传质速度填料的空隙率大，它有结构使废水能够快速的流经空隙内部， 从而使水中的有机物质更好地被微生物吸附、利用，转化为自身的营养。曝气作 用加速了这一过程的进行，填料表现出高的传质速率。同时生物膜的新陈代谢加 快，脱落的生物膜随水流出，不会造成填料的堵塞。生物膜的反应浓度梯度大， 因而保持了生物膜较高的生化反应速率。 1 4 生物膜填料的分类 生物膜填料的种类繁多【2 2 】；按填料的安装方法可以分为：固定式、悬挂式、 分散式等；按填料的硬度可分为：软性填料、硬性填料、半软性填料；按填料的 材质可分为：无机高分子材料、有机高分子材料；按填料的来源又可分为：天然 高分子材料、合成高分子材料；按填料的密度可分为：上浮式填料、沉没式填料。 1 4 1 固定式填料 生物接触氧化池中多采用固定式填料，固定式填料主要包括蜂窝状和波纹状 等硬性填料。固定式填料克服了其他活性污泥法中的污泥膨胀问题，产泥量少； 固定填料使反应器内保持较高浓度的生物量，容积负荷高，占地面积小，可有效 的去除废水中的有机污染物，使c o d 的去除率达到8 5 0 0 - , 9 0 ；动力效率提高了 7 东华大学硕士学位论文 3 0 左右，处理时间也相应缩短。但是这种填料需要安装在辅助的支架上，安装 维修都不方便，维护费用较高；并且固定式填料的比表面积小、表面光滑，不易 挂膜；水流进入填料内部结构时，横向流动被阻断，导致有机物质不能被充分带 入，内部微生物生物缺营养而失去活性，脱落的生物膜，也因为水体流动不畅无 法及时排出填料，久而久之生成填料空隙堵塞【2 3 1 。 1 4 2 悬挂式填料 悬挂式填料可分为：软性填料、硬性填料、半软性填料、组合型填料等其他 新型填料【1 9 1 。各种填料的特点如下： ( 1 ) 软性填料 软性填料基本结构是在一根中心绳索上系扎软化纤维束。软性纤维填料以醛 化纤纶为基本材料，模拟天然水草形态加工而成。软性填料具有比表面积大、利 用率高、空隙可变不堵塞、适用范围广、造价低等优点，近年来已被广泛地用于 印染、丝绸、毛纺、食品、制药、石油化工、造纸、麻纺、医院、含氰等废水处 理中【2 4 】。长期使用会出现纤维束结团现象，内部微生物因为缺氧、缺营养源， 而失去活性，在一定程度上影响其使用寿命。 ( 2 ) 硬性填料 常用的蜂窝状填料一般是由超薄形轻质玻璃钢或各种薄形塑料片构成的，孔 形有正六角形和偏六角形之分，孔径在( i ) 2 5 5 0 m m 之间。安装时直接堆叠在接触 氧化池的布气系统上面，微生物直接生长于玻璃钢或塑料管壁上。 ( 3 ) 半软性填料 半软性填料由塑料注压成的带有空隙的塑料薄片组成，边缘由模仿软性填料 的纤维丝的塑料丝代替。半软性填料传质阻力小；布水、布气均匀；表面粗糙易 于挂膜；有气泡切割作用，水中的气泡被分裂成小气泡，增加了氧的转移率；综 合能耗低。已经被广泛用于处理医药废水、石油化工废水和生活污水等【2 5 1 。半 软性填料的理论比表面积远小于软性填料，成本高于软性填料，但是避免了软性 填料在使用过程中出现结团，堵塞现象，性价比高于软性填料。 ( 4 ) 组合型填料 组合型填料中间是由半软性填料作为支撑，边缘连接纤维束丝。不会出现堵 塞、结团，对气泡也有很好的切割作用，氧转移率高，理论比表面积大。组合型 填料兼有软性填料和硬性填料的特点，造价也因软化纤维束的数量、中心环形状 不同而不同，可根据处理工艺的要求选择不同型号的填料。 ( 5 ) 其它新型填料 目前使用较多的人工合成填料主要有y d t 型弹型立体填料( 简称y d t 填料) 、 t a 型弹性波形填料( 简称t a 填料) 和p w t