曝气生物滤池填料的研究现状与展望.doc

环境污染与防治 网络版 第4期 2007年4月曝气生物滤池填料的研究现状与展望*汪 荣第一作者：汪 荣，男，1981年生，硕士研究生，主要从事曝气生物滤池技术的应用研究。*科技部科技创新资助基金项目（No.02c26113400628）。 郑 俊（安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243002）摘要 曝气生物滤池是一种将生物氧化机理与深床过滤机理有机结合的新型污水生物处理工艺，其中填料在曝气生物滤池中的作用至关重要，微生物降解有机物性能的优劣很大程度上取决于填料的特性。同时综述了近几年来国内外对曝气生物滤池填料的研究现状，并指出其今后的研究和开发重点。关键词 曝气生物滤池 污水处理 填料 载体The status and prospects of paddings in biological aerated filter Wang Rong, Zheng Jun (School of Civil Engineering and Architecture ，Anhui University of Technology，Maanshan Anhui 243002)Abstract: As an newly technology of biological treatment,biological aerated filter was distinguished from other biological wastewater treatments by the fact that there was an integration mechanism between biological oxidation of microorganism and filtration of the filter media. Padding was the microbial carrier in filter,and its characteristic had a major influence on the effect of organic matter degeneration.Therefore,padding was the key of BAF.The present situation of paddings in BAF in domestic and foreign in recently years were introduced, and the emphases of studying and development in future were put forward.Keywords: Biological aerated filter Wastewater treatment Padding Carrier曝气生物滤池(简称BAF)工艺最早由法国CGF公司所属的OTV公司开发1。它的最大特点是使用了一种新型粒状填料，一方面提供微生物生长的场所，另一方面可以截留污水中的SS和剩余污泥 2。曝气生物滤池中微生物降解有机物性能的优劣很大程度上取决于填料的特性，填料的研究和开发在曝气生物滤池工艺中至关重要。1 填料在曝气生物滤池中的作用在曝气生物滤池中，生物填料的主要作用机理是：集生物氧化和截留SS于一体，同时实现了曝气分布与水流分布的均匀化，减少水流阻力和反冲洗阻力，节省了后续二次沉淀池，在保证处理效果的前提下能够简化现有的污水处理工艺；提高废水有机物容积负荷与生物滤池的水力负荷；缩短生物滤池中水力停留时间，相应减少废水处理的基建投资和占地面积；降低废水处理和生物填料反冲洗运行能耗，节约污水处理成本3。作为微生物载体的填料对污水处理效果的影响主要反映在载体的性质，包括载体的比表面积、粒径、表面亲水性、表面电荷、表面粗糙度、载体的密度、堆积密度、孔隙率和强度等。因此，填料的选择不仅决定了可供生物膜生长的比表面积的大小和生物膜量的多少，而且还影响着反应器中的水动力学状态。在正常生长环境下，微生物表面带有负电荷，如果填料表面带正电荷，这将使微生物在填料表面附着、固定过程更易进行。填料表面粗糙度有利于细菌在其表面附着、固定，粗糙表面增加了细菌与填料间的有效接触面积，比表面积形成的孔洞、裂缝等对已附着的细菌起到屏蔽保护，使其免受水力剪切的冲刷作用4-6。Lei Yang等7对曝气生物滤池中水流模式与填料特性进行了对比研究，认为填料特性对滤池性能的决定作用远大于水流模式。因此，作为生物膜载体填料的各种特性决定了曝气生物滤池反应器能否高效运行，能否在水处理中得到更广泛的推广和应用。曝气生物滤池发展过程中依次出现过3种不同的形式8-10：BIOCARBONE，BIOFOR和BIOSTYR采用的填料各不相同。BIOCARBONE采用的是石英砂粒，BIOFOR采用的是轻质陶粒，BIOSTYR采用的则是密度比水小的聚苯乙烯球形颗粒。2 曝气生物滤池填料的研究现状目前，曝气生物滤池填料多为专利产品或处于保密状态。一般根据填料密度，可分为上浮式填料和沉没式填料，Mann等11研究结果表明：上浮式填料比沉没式填料对SS、COD的去除率高，在高滤速下更耐有机负荷和水力负荷冲击。根据采用原料的不同，可分为无机填料、有机高分子填料。无机填料一般为沉没式填料，有机高分子填料一般为上浮式填料。常见的无机填料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸等，有机高分子填料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等12。Yongwoo H wang等13通过对比聚苯乙烯漂浮颗粒和聚亚安酯泡沫管2种填料的异养反硝化性能，表明聚苯乙烯颗粒更为理想。有机高分子填料与微生物间的相容性较差，所以挂膜时生物量少，易脱落，处理效果并不是很理想，且价格昂贵。对天然无机填料的开发是国内外填料研究的重点。石英砂由于密度大，比表面积小、孔隙率小，当污水流经滤层时阻力很大，生物量少，因此滤池负荷不高，水头损失大，现应用的不多。轻质陶粒填料比表面积、孔隙率和生物量都大，因此滤池负荷较大，水头损失较小，取材方便，价格低廉，国内对其研究较多。国外，Kent和Williarns等人14依据BEWA的标准，分别对可能用的7种填料进行了详细的研究，研究结果见表1。Arlita和膨胀页岩最适合用作曝气生物滤池的填料，但是，由于BEWA标准是处理饮用水所用的滤池的填料标准，并且Kent只是对填料的物理化学性能进行了对比，并没有对其做污水处理试验，因此对Kent等人的结论应需进一步试验验证。填料的粒径严重影响曝气生物滤池的功能，田文华等15就填料粒径对具有碳化或碳化+硝化功能的曝气生物滤池的影响进行了试验,结果发现填料粒径越小曝气生物滤池的效果越好，但小粒径会使其工作周期变短，填料也不易清洗，相应的反冲洗水量也会增加，因此应综合考虑各种因素以选定合适的填料粒径。Kent等人也做了类似试验，结果表明填料粒径为2.04.0 mm时，曝气生物滤池的硝化功能比填料粒径为4.08.0 mm和5.611.2 mm时的要好得多15。目前，曝气生物滤池普遍采用的填料粒径为3.06.0 mm，滤层厚度为3.04.0 m。德国菲力普穆勒公司开发研制的专利填料BIOLITES，主要成分为偏硅铝酸盐。具有硬度大、可磨损性、多孔性、可粒化性的特点，填料粒径为1.06.0 mm。以BIOLITES为填料的BIOFOR具有很高的容积负荷（6.012.0 kgCOD/m3d）和水力负荷（2.011.0 m/h），出水水质好且稳定,但由于填料的价格及采购途径限制了它在我国的推广和应用16。表1 七种可能应用于曝气生物滤池的填料特性特性StralightMolochiteEFGLytagOld ESNew ESArlita说明泡沫柱状黏土棱状煅烧黏土膨胀耐火黏土粉状燃料灰老棱状页岩新棱状页岩膨胀球型黏土尺寸/mm2.603.401.805.002.504.702.604.302.103.902.654.103.506.20密度/（kgm-3）1 3402 6001 7201 9401 9001 6801 550内部孔隙率/( m3m-3)0.060.010.150.060.080.180.05外部孔隙率/( m3m-3)0.390.400.400.350.340.360.30比表面积/(m2g-1)2.160.901.183.890.830.473.98试验流化速度/(mh-1)281408892608064967280理论流化速度/( mh-1)42160971109384104脆度/%453.5146.56.5225.5磨损率/%45.21.165.52.32.81.5酸可溶率/%0.1500.10.750.350.81.4沉淀速度/(mms-1)6189(22)100297(20)88171(20)95239(19)80172(19)87141(24)132225(19)国内，对曝气生物滤池填料的研究主要以陶粒为主。王占生等17对不同填料，如页岩陶粒、黏土陶粒、砂、褐煤、沸石、炉渣、麦饭石和焦炭等进行了筛选，并与生物活性炭进行了比较（其中褐煤因其机械强度差而被淘汰），认为陶粒、砂子、大同沸石和麦饭石优于其他几种滤料。表2是几种粒状填料的物理化学特性的比较。可见，活性炭、页岩陶粒、黏土陶粒是最佳的填料材料，但活性炭价格昂贵不适合作曝气生物滤池的填料，目前应用较多的是黏土陶粒和页岩陶粒。目前，在陶粒填料的基础上还开发出了酶促陶粒、球形轻质陶粒和纳米改性陶粒等新型填料。酶促陶粒主要利用酶的催化作用来加强处理效果，球形轻质陶粒具有表面粗糙、密度适中、强度高和耐摩擦等优点，纳米改性陶粒则是利用纳米技术对填料进行改性，表面存在纳米粒子，使之具有更强的处理能力18。齐兵强等19以球形轻质陶粒作为曝气生物滤池填料处理生活污水时发现：尽管在很高的流速(6.58.0 m/h)下，其处理后出水水质指标仍然很高，而且曝气量小，氧利用率高；此外，该曝气生物滤池系统水头损失增加缓慢，反冲洗周期长，节约了能源和操作费用。表2 几种粒状填料的物理化学特性比较名称物理性质主要化学元素组成/%产地比表面积/(m2g-1)总孔体积/(cm3g-1)松散容重/(gL-1)NaMgAlSiFe其他活性炭太原960.000.900 0 345页岩陶粒北京 3.990.103 0 9761.5021.5063.50 6.507.00黏土陶粒马鞍山 11.120.3900 8750.4616.4454.29 4.232.86砂子北京 0.760.016 51 3932.830.2416.8450.6929.40沸石山西 0.160.026 9 8304.2511.4818.2740.2810.1415.58炉渣太原 0.910.048 8 9750.79 1.1331.4053.58 4.13 8.97麦饭石蓟县 0.880.008 41 3755.23 0.4620.3250.38 0.8422.86焦碳北京 1.270.063 0 58725.7540.2334.02田文华等20用沸石作为曝气生物滤池填料，研究表明可以有效地去除COD、氨氮和浊度，试验条件下的最佳水力负荷为2.2 m/h（水力停留时间为1.4 h），此时对COD、氨氮和浊度的去除率分别为73.9%、88.4%和96.2%，相应的出水平均浓度分别为43.4 mg/L、3.5 mg/L和3.7 NTU，达到国家环保总局、天津大学提出的冷却回用水水质建议值()中相关指标的要求。刘建广等21采用瓷珠为填料预处理高氨源水，滤池内装瓷珠填料：外表为白色，粒径为57 mm，堆积密度为0.8 g/mL，瓷珠密度为1.71.8 g/mL ，比表面积为700 m2/g左右，滤层高为2.0 m。试验结果表明，在气水比为1:1、滤速为5.5 m/h、水温10 的条件下，当进水氨氮 5 mg/L时曝气生物滤池对氨氮的去除率为7090。3 展 望填料是曝气生物滤池工艺的关键，填料的研究和开发决定着曝气生物滤池工艺能否在我国污水处理中得到更广泛的推广和应用。结合曝气生物滤池的特点和对填料的要求，今后对填料的研究和开发围绕以下几个方面： (1) BIOSTYR工艺可以在去除SS和COD的同时，实现硝化、反硝化脱氮功能，在国外应用广泛，而在我国由于填料的限制，实际工程中仅有一座污水处理厂应用。开发新型悬浮填料，对大力推广BIOSTYR工艺有重要意义。(2) 深入研究和开发天然廉价无机填料，如以粉煤灰、河底污泥和煤矸石等为原料的新型填料。(3) 进一步研究陶粒生物填料：填料性能参数与污水处理效率的关系；填料结构及其粒度级差匹配对典型有机物去除机理；填料表面改性与系列化陶粒生物填料产品的开发。(4) 制定适合国情的填料标准，使填料的生产规范化，促进曝气生物滤池污水处理工艺在我国的推广和应用。参考文献1 徐丽华，李亚新.一种好氧生物处理有机废水的新工艺设备生物曝气滤池J.给水排水，1999，25(1)：1-4.2 李汝琪，钱易，孔波，等.曝气生物滤池去除污染物的机理研究J.环境科学，1999，20（6）：49-52.3 郑俊，吴浩汀.曝气生物滤池工艺的理论与工程应用M.北京：化学工业出版社，2004.4 PUJOL R.A keypoint of nitrification in an upflow biofiltration reactionJ.Wat Sci Tech，1998，38(3).5 ROGALLA F.New development in complete nitrogen removal with biological aerated filtersJ .Wat Sci Tech ，1990，22 (2)：273-280.6 SEGURET F.Hydrodynamic behavior of a full scale submerged bio-filter and its possible influence on performancesJ.Wat Sci Tech，1998，38 (8-9)：249-256.7 LEI Yang，LIN Senchou，WEN K S.Biofilter treatment of aquaculture water for reuse applicationsJ.Wat Sci.Tech.，2001，35(13)：3097-3108.8 朱乐辉.污水处理新工艺曝气生物滤池J.世界环境，2000，1：34-37.9 张忠波，陈昌军，胡纪萃.新型曝气生物滤池BiostyrJ.给水排水，2000，26(6)：15-I 9.10 CHUDOBA P，PUJOL R.A three-stage biofiltration process：performances of a 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