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水处理填料研究进展

作者:user 来源:  日期:2020-01-12 22:20
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用于水处理过程的填料,通常是为生物膜提供附着生长、固定的表面材料(或滤料、载体)。填料是生物膜法水处理工艺的技术核心,是生物池中微生物量、微生物种类、微生物活性以及微生物新陈代谢过程所需物质的传递介质,填料关系着微生物栖息、生长和繁殖。填料对生物膜法的性能特征以及工艺发展具有重要的影响。因此,填料质量的优劣直接影响着生物膜法水处理工艺的效能。因填料在水处理领域独特的性能,国内外的水处理工作者一直不断地研制、开发、生产和应用各种不同类型的填料。填料种类繁多,填料的材质、结构、性能等直接影响着水处理效果。
 
从生物膜反应器的工艺要求进行分析,理想的生物膜提料应具备以下特性:
 
(1)良好的水力学特征:填料的水力学特征包括比表面积、孔隙率、形状尺寸和填充度。较大的表面积是反应器保持高浓度生物量的首要条件,而生物量是影响反应器处理效果的主要因素。因此,填料的比表面积是影响生物膜法处理效果的首要因素。大的比表面积有利于微生物生长。但是,比表面积越大,流经填料内的水流阻力也越大,能耗随之增加。填料的孔隙率决定了废水的有效停留时间。孔隙率越大,废水的实际停留时间越长,其容积利用率越高,水流阻力越小,从而减少反应器堵塞和短流的可能性,同时填料用量减少,基建投资降低。但是,孔隙率越高,比表面积和机械强度就越小,反应器出水中的悬浮物浓度也就越高。
 
(2)良好的稳定性:生物膜反应器从启动到运行需要较长时间,如果载体本身不具有一定的机械强度,那么在反应器运行过程中势必引起不同程度的破损而丧失其功能,这将使得生物膜反应器中所持有的生物量呈不规律变化。在污水处理中,其直接导致了出水水质的扰动。因此,要求填料有足够的机械强度,且本身质轻,能抵抗废水和微生物的侵蚀。不溶出有害物质而引起二次污染,不含对微生物有影响的物质。
 
(3)较好的生物膜附着性:生物膜在填料上的附着性主要取决于填料的物理因素和化学因素。物理因素包括填料的表面粗糙度和表面空隙。粗糙度越大,挂膜越快。填料表面的空隙也影响生物膜的附着性,较小的孔隙具有毛细孔保水作用,因而对活动于水中的微生物有较强的持留作用。化学因素包括填料的表面静电作用和亲水性。一般**表面都带负电荷,若填料表面的正电位越高,则**越易附着于填料上生长形成生物膜。只有当填料表面70%以上的孔径处于反应器内*大微生物尺寸的1~5倍范围内时,才能获得*大的生物积累。另外,**属于亲水性粒子,所以提高填料表面的亲水性可以加快生物膜的形成和附着。
 
(4)材质轻而机械强度高。
 
(5)价格低廉,取材方便。填料的费用一般约占生物膜工艺总投资的30%~40%。因此,经济合理地选择填料是非常重要的。
 
填料的投放量也会影响,反应器的生物量、处理效果。大量的研究表明,填料的投配率应在10%~40%。本研究就不同生物填料的发展现状与存在的问题、发展趋势进行了探讨。
 
1生物填料的分类
 
1.1无机填料
 
常见的无机填料有焦炭、拳掌碎石、石英砂、活性炭、碎钢渣。无机填料一般为淹没式,他们属于硬性材料,其粒径3~8cm左右,孔隙率约45%~50%,比表面积65~100m2/m3。这类滤料粒径越小,滤床的可附着面积越大,生物膜的面积越大,滤床的工作能力就越大。但粒径越小,空隙就会越小,滤床越易被生物膜堵塞,滤床的通风也越差。该类填料普遍具有机械强度高、性质相对稳定的特点,但比表面积较小,孔隙率较低,且材质太重,生物滤池的负荷低,占地面积较大,在工程应用上受到很大局限,表1为部分无机物填料的特性。
 
随着科技的发展,*近出现了活性炭纤维载体,具有比表面积大,孔径分布集中,且生物亲和性好,是一种很好的生物膜载体材料。王真真等将其作为牛粪厌氧发酵的载体。研究表明,它很大程度地提高了厌氧发酵的效率。通常,合成的高分子填料与微生物之间相容性较差,在挂膜时生物量少,易脱落。其他的填料如片状陶瓷尽管挂膜性能好,但水流阻力大、易堵塞、强度差、易破碎、不耐水冲。
 
1.2有机填料
 
有机生物膜载体从*早期的聚丙烯、聚乙烯等聚烯烃类发展到今天,出现了好多种类的有机生物膜载体。主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯及各类树脂、塑料、软性或半软性纤维等。聚苯乙烯、聚氯乙稀、聚丙烯等塑料填料表面光滑、生物膜附着力差、易老化,且在实际使用中易产生不同程度的填料堵塞。通常,这些材质的生物膜载体均需进行适当的改性,从而使其亲水性和生物亲和性达到更高的水平。
 
近几十年来,随着新型有机合成材料的生产和应用,生物膜系统日益广泛的采用各种性能优越的轻质塑料填料,如波形板状、蜂窝状和列管状塑料填料,比表面积200m2/m3左右,孔隙率可达95%。表2是塑料填料各项特征和参数。这些新型材料常用于生物转盘、生物接触氧化池、生物流化床和曝气生物滤池等各类生物膜新工艺。
 
2生物填料的结构安装类型
 
国内外生物填料的种类繁多,形状、孔隙度各不相同,按照安装方式划分可分为:
 
(1)固定式生物填料:指填料整体固定,在反应器内各部分均不移动的填料。国内外常用的固定式生物填料主要有蜂窝状生物填料和波纹板状生物填料。
 
(2)悬挂式生物填料:可分为软性、半软性和组合生物填料。3种填料结构特点相似,都为在中心绳上等间距设有挂膜物,中心绳两端固定在池底与池顶。这类填料产生于20世纪70~80年代。造价低廉、挂膜快、效果好、运用广泛,多用于生物接触氧化池内。
 
(3)悬浮生物填料:与前两类填料用法不同,无需固定,只需直接投加入池即可(需要在出水口设立网格以防填料流失)。此类填料一般比重接近于水,挂膜后可随水体在池内流化。此种填料单体体积小,在运输与投加上都非常方便。悬浮填料在反应器内流化时能更加充分、频繁地与废水接触,加强传质效果,且有切割气泡的能力。悬浮填料由于其特定的结构使得填料单体上的微生物总厚度大于其他填料,能形成厌氧、缺氧、好氧区,对脱氮除磷有很好的效果。填料在流化过程中能促进老化的生物膜自行脱落、促进新膜形成,保证生物膜的活性。柱形生物填料、球型生物填料、多孔生物填料是*常见的悬浮生物填料。表3为填料结构安装分类简要表。
 
3填料的应用
 
3.1滤池
 
填料对曝气生物滤池的结构形式、成本及效能有重要影响。生物滤池的滤床高度与填料的密度和空隙率有密切关系。石质拳状滤料组成的滤床高度一般在1.0~2.5m。一方面由于空隙率低,滤床过高将影响通风;另一方面由于太重(石质滤料质量达1.1~1.4t/m3),滤床过高将影响排水系统和滤池基础的结构。而塑料滤料仅100kg/m3左右,空隙率则高达93%~95%,滤床高度不但可以提高,而且可以采用双层或多层构造。国外一般采用双层滤床,高7m左右;国内常用多层的“塔式”结构,高度常在10m以上。
 
生物滤池是生物膜反应器的*初形式,已有百余年的发展历史。早期的生物滤池负荷较低,虽然具有运行操作简单,节约能耗,净化效果好的优点,但占地面积大、易堵塞、卫生条件差,在使用上受到限制。随着填料的革新和工艺运行方式的改进,发展成为中高负荷和高负荷生物滤池,进一步创立了塔式生物滤池。这些高负荷类型的生物滤池的滤床高度大幅度提高,对滤料的水力冲刷作用和通风效果大幅度增强,反应器内生物膜连续脱落,不断更新,使低负载生物滤池占地大、易堵塞的问题得到了卓有成效的改善。目前,主要用作为深度处理以及回用水处理工艺,也被广泛应用于生活污水、工业废水处理中,同时还应用于微污染水源的给水处理中。各种生物滤池的分类和主要工艺特征见表4。
 
 
3.2生物接触氧化池
 
生物接触氧化池和生物滤池的区别主要是在工艺形式上。生物接触氧化池相当于在曝气池中充填供微生物栖息的填料,是一种介于活性污泥法和生物膜法之间的处理工艺。早期,塑料填料在接触氧化池中被广泛采用,*典型的是以蜂窝填料为代表的硬性填料,但长期的使用过程中,蜂窝填料逐渐暴漏出很多缺点:比表面积小,生物膜量少,水和气在填料内横向不能流通,造成布起气不均。20世纪80年代出现了软性填料,克服了蜂窝填料的不足,但软性填料在长时间使用过程后易出现结团现象,降低了填料的实际使用面积,并且在结团区的中心易形成较大的厌氧区,影响了处理效果。为克服软性填料的不足,随后又出现了半软性填料、组合填料、悬浮型填料等。目前,常采用的填料是聚氯乙烯填料、聚丙烯填料、环氧玻璃钢等制成的蜂窝状和波纹板状填料和纤维状填料。表5为常用填料的技术性能。
 
 
3.3流化床
 
生物流化床技术是一种表面生长微生物的固体颗粒呈流态化、高效去除和降解有机污染物的生物膜法处理技术,具有比表面积大、传质效果好、微生物活性强、生物量浓度高、抗冲击负荷能力强的优点,因而受到人们的广泛重视。目前,研究和应用*普遍的是三相好氧生物流化床。在传统废水生物处理中,微生物的生存环境是气、液两相,而在生物流化床反应器中,由于介质载体的加入,使得微生物生存环境转变为气、液、固相。这种转变影响着微生物的生长、繁殖、脱落和种群分布。从量的角度看,系统内的微生物量和种类都大大增加。从质的角度看,系统内载体的加入为世代时间较长的硝化菌和亚硝化菌繁衍、增殖提供了有利条件,从而增强了系统的脱氮能力。目前,研究者们正在开发各种材质、结构、形状、大小的此类载体用于污水处理。WU等采用以多孔高分子聚合物为载体的三相内循环好氧流化床反应器处理石化废水,发现无论在反应器的启动还是在实际处理效果上都明显优于传统的活性污泥。表6列举了常用载体的物理参数。
 
 
4填料发展趋势
 
当前,工程中运用的水处理填料多追求比表面积大、布水布气特性好、价格便宜等方面,对挂膜速率、挂膜紧密程度、对污染物的捕捉程度等方面的研究较少,致使工程应用中存在挂膜启动慢、微生物附着性不高、处理效果不明显等问题。所以,研究人员对填料进行了改性,生物膜载体改性分为表面亲水、表面带电和生物亲和性改性等。
 
4.1表面亲水填料
 
水中需要处理的污染物多溶解在水中,运用生物膜法去除污染物必须使水很容易润湿填料,故填料需要具有很好的亲水性。表面亲水改性是用化学或物理的方法使生物膜载体表面形成亲水基团,如羟基、羧基等。贾绍义等对聚丙烯进行表面亲水改性,研究表明,聚丙烯载体填料经氧化后在其表面可生成极性亲水基团,其亲水性能和传质性能均显著提高,其中传质效率提高30%以上。李澄提出对聚氨酯海绵用5%(质量分数)的盐酸溶液浸泡24h,洗净并晾干,再用1mol/L溶液浸泡24h洗净晾干,经测量发现,聚氨酯海绵接触角从132.7°下降至72.6°,从而大大提高了材料的亲水性。汪晓军等在塑料中混入水性高分子材料(聚乙烯醇和聚丙烯酰胺)改善材料表面亲水性能,并将改性后的弹性填料用在污水的厌氧生化处理中,处理效率提高了15%~30%;用在好氧生化处理中,处理效率提高了5%~10%。张近等采用液相化学法对聚丙烯孔板波纹填料进行了改性,在填料表面引入了羰基、羧基及羟基等亲水基团,使填料孔隙率增大,传质性能提高,亲水性能得到改善。
 
4.2生物亲和填料
 
生物亲和是指两种物质相容性好。生物亲和性改性是在生物膜载体中加入某些物质,使载体对生物无毒害,且生物易通过新陈代谢进行降解。在研究生物亲和填料时,大多以生物亲和性较好的海藻酸钙和琼脂糖等物质为载体。隋军等研制了一种水处理生物亲和性填料,将少量面粉、淀粉等生物亲和性物质加入填料基材制成填料。此种生物亲和性填料不但可为微生物提供一定的碳源,而且可为生物提供大量的附着空间,易于微生物的挂膜、附着、繁殖,并且对提高处理效果有一定的作用。HAI等在普通的聚乙烯生物膜填料中添加了适量的羟基磷灰石、淀粉、蔗渣、活性炭和磁粉,配置得到了营养缓释型生物载体填料,这种载体填料不仅具有较好的生物亲和性,而且挂膜时间与原填料相比缩短了3d。
 
4.3表面带电填料
 
众所周知,微生物在通常环境下带负电,所以获得一个带正电荷的生物膜载体表面,可减少微生物与载体之间的斥力,增加其附着力,这就是表面带电改性。LIU等用X光表面分析仪(XPS)确定了经过重铬酸钾溶液氧化后聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯表面官能团组织的变化,研究表明,含氧官能团显著增加,载体表面呈现较强的电负性,然后把氧化后的生物膜载体置于FeCl3溶液中,使生物膜载体表面覆盖满Fe3+,这样就获得了表面带正电荷的生物膜载体。
 
4.4磁效应填料
 
磁效应为物理学中的典型效应,高梯度磁分离技术被用于处理各类废水的研究。由于反应器体积大,在整体的水域内加磁场较困难,因此学者们研究在水处理填料内添加磁性物质使填料具有磁效应,从而达到提高处理效果的能力。JUNG等在生化反应器外加南极磁场处理含酚废水,发现酚的降解速率比不加磁场的普通生化反应器高2倍至数倍。在磁粉和活性炭的作用下,该填料整体均带有微弱的磁场,能起到刺激菌群良性生长代谢、刺激老化菌膜脱落、新膜生长的作用。同时,磁效应与活性炭对水中微生物、污染物有吸附作用,从而加速挂膜与微生物的附着,对污染物的处理也有一定的提高作用。程江等将亲水性、生物亲和物质连同磁粉、活性炭加入到普通聚丙烯填料中,充磁后,填料兼具亲水性、生物亲和性、磁效应,挂膜速率、微生物的附着力、物质传递速率和处理能力都得到了提高。
 
5展望
 
其实,多孔材料广泛存在于各类生物体中,如树木、麦秆、珊瑚等,可从自然界中发现那些结构、性能有优势的自然物体,也可生产制备多孔材料载体。如植物性纤维,其主要成分是纤维素和果壳素等碳水化合物。植物纤维素具有很好的亲水性和生物亲和性,近乎满足生物载体要求的所有基本条件,并且它是一种有相互贯通或封闭的空洞组成网络结构的天然载体材料,经济、环保。除此之外,植物性纤维材料与现有载体材料相比,具有密度小、质量轻、比表面积大、阻尼性能好、可塑性和渗透性强等优点,并且对人体无毒、无不佳影响。天然可降解生物膜载体是生物膜载体今后发展的重要方向,这类载体可有效地避免生物膜载体材料使用后的二次污染问题。但是,植物纤维易在酸性条件下降解,完全水解产物为葡萄糖,可被微生物利用。因此,该种类型的填料使用时间较短。
 
综上所述,研发植物纤维填料,并通过改性延长植物纤维填料的使用寿命是未来研究载体材料的一个方向。

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