填料對曝氣生物濾池影響的概述

    作者: 孫霞 王清杰 紀軼
    摘要：曝氣生物濾池是一種新型的污水處理工藝，而填料作為曝氣生物濾池最關鍵影響因素引起廣泛關注。本文簡單介紹了曝氣生物濾池的工藝原理。填料的選擇是濾池設計和出水水質的關鍵因素。填料技術在曝氣生物濾池工藝中居核心地位。填料的類型、粒徑、密度、高度對曝氣生物濾池的效能有重要影響。同時展望了填料在今后的研究方向。
　　關鍵詞：污水處理 曝氣生物濾池 填料 研究方向
　　引言
　　曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter)是近些年來發(fā)展的一種新型的污水處理技術，它是集生物降解、固液分離于一體的污水處理設備[1，2]。與傳統(tǒng)的污水處理工藝比較，它具有基建投資少，運行費用低，占地面積小，管理方便等諸多優(yōu)點，非常適合我國的國情。
1 BAF的工藝原理
　　BAF是一種生物膜法處理工藝，其中廢水凈化過程是很復雜的，它包括廢水中復雜的傳質過程、氧的擴散與吸收、有機物的分解和微生物的新陳代謝等過程。濾池工作時，污水流經(jīng)填料表面過程中，通過有機營養(yǎng)物質的吸附、氧向生物膜內部的擴散以及生物膜中所發(fā)生的生物氧化等作用，對污染物質進行氧化分解，使污水得以凈化[3-4]。
2 BAF對填料的基本要求
2.1 填料表面適于微生物附著和生長
　　填料表面的物理和化學性質影響微生物附著、生長和生物膜的形成。表面粗糙、多孔的填料掛膜較快、生物量較高。
　　填料的表面結構、表面電位、親水性等因素影響生物膜的附著。微生物一般帶負電荷，而且親水，因此填料表面帶負電荷或親水性強將有利于微生物的固定。
2.2 化學生物穩(wěn)定性好
　　填料應對微生物無有害和抑制作用，不造成二次污染，且應具有較高的惰性，抗化學腐蝕且自身不被生物降解。
2.3 物理特征和機械性能適于反沖洗
　　填料的密度對于反沖洗是一個重要的影響因素，若密度過大將造成懸浮困難或耗水耗能過高，若密度過小在反沖洗階段很容易跑料且不容易控制反沖洗強度。填料還應具有一定的機械強度，應避免在濾池運行過程中磨損嚴重而不能滿足濾池要求。
2.4 價格適宜
　　填料價格影響工程投資和運行費用。廉價的天然材料用于填料雖可節(jié)省投資，但填料密度和流化速率等性能不適于反沖洗，可能增加能耗從而影響運行費用；一些合成填料性能雖好但徹骨本價格太高。因此，選擇填料應兼顧性能和價格，優(yōu)化選擇。
3 填料在BAF工藝中的作用
　　在BAF工藝中，作為生物膜載體的生物填料（濾料），是該工藝的核心。生物填料影響著微生物的生長、繁殖、脫落和形態(tài)[5]；起著吸附并截留污水中懸浮物的作用[6]；并且還起到切割、阻擋氣泡的作用，可以增加氣泡在水體中的停留時間和氣、液接觸表面積，提高傳質效果，加快氧的轉移速率，減少曝氣量，從而節(jié)約能源，并減少設備體積[5]。由此可見，填料對曝氣生物濾池的運行效果及能耗都有著十分重要的影響。
4 填料對BAF效能的影響
4.1 填料類型的影響
　　曝氣生物濾池濾料主要分為無機類濾料和有機類濾料，因填料類型不同在發(fā)展過程中依次出現(xiàn)過3種不同的形式[7-9]：BIOCARBONE、BIOFOR 和BIOSTYR。BIOCARBONE采用的是石英砂粒；BIOFOR采用的是輕質陶粒；BIOSTYR采用的則是密度比水小的聚苯乙烯球形顆粒。在國外，Kent和Williams等[10]人依據(jù)BEWA(the British Effluent and Water Association)標準，對常見的7種可用作曝氣生物濾池的填料進行了系統(tǒng)試驗分析，認為Arlita(膨脹球形粘土)最適合作為曝氣生物濾池的填料。在國內，對以陶粒為曝氣生物濾池填料的研究較多。曹春艷等[11]通過實驗對沸石、活性炭、建筑陶粒、工程陶粒四種填料的研究，表明在水力停留時間為 1.5h，進水COD為150mg·L-1，有機負荷為0.74kg COD／(m3·d)時，工程陶粒是曝氣生物濾池的最佳濾料。在實際工程中，應用球形輕質多孔生物陶粒取得了良好的效果，目前國內有數(shù)10個BAF采用其作為填料，從實際運行的效果分析，都能滿足設計的要求。有機填料中，目前國內選用較多的有機類濾料主要為聚苯乙烯為材料的泡沫類球形濾珠。劉旭陽等 [12]通過對以聚乙烯為材料的6種填料(分別是多孔球形懸浮填料、組合式環(huán)填料、階梯環(huán)狀懸浮填料、鮑爾環(huán)柱懸浮填料、半軟性填料、多面空心球形懸浮填料)進行試驗分析，結果表明由于比表面積的差異，階梯環(huán)和多面空心球填料掛膜時間短，耐沖擊負荷能力強，運行效果穩(wěn)定。
4.2 填料物理特性的影響
　　BAF的生物降解性能的優(yōu)劣很大程度上取決于填料的特性，填料的研究和開發(fā)在BAF工藝中至關重要。作為微生物載體的填料對水處理效果的影響主要反映在載體的性質，包括載體的比表面積的大小、粒徑的大小、表面親水性及表面電荷、表面粗糙度、載體的密度、堆積密度、孔隙率、強度等。填料的選擇不僅決定了可供生物膜生長的比表面積的大小和生物膜量的多少，而且還影響著反應器中的水動力學狀態(tài)。因此作為生物膜載體-填料的各種特性決定BAF反應器能否高效運行，能否在水處理中得到更廣泛的推廣與應用[13-15]。
4.2.1 填料粒徑的影響
　　填料粒徑是影響濾池處理效能的重要參數(shù)。Kent等[16]人研究了曝氣生物濾池去除氨氮實驗，表明填料粒徑為2mm～4mm時曝氣生物濾池的硝化效能比填料粒徑為4mm～8mm和5.6mm～11.2mm要好的多。OTV公司關于填料粒徑與出水BOD5、TSS濃度的關系研究也表明填料粒徑越小，出水水質越好。以上研究說明填料粒徑越小時，由于填料的比表面積比較大，單位體積內的微生物量高，因此處理效果越好。
　　填料粒徑也是影響濾池運行周期的重要參數(shù)。OTV公司研究了填料粒徑與固體容重的關系，表明粒徑越大，濾層的含污能力就越大。Rebecca、Moore 等[17]人以Starlight C為填料研究了填料粒徑和反應器的運行周期表明填料粒徑越大，濾池越不容易堵塞，運行周期相對較長。較大粒徑填料（2.5～4.5mm）的運行周期比較小粒徑填料（1.5～3.5mm）的運行周期延長了近70%。且大顆粒易與水分離，可加快反沖洗過程，并減少填料損失。
　　填料粒徑對曝氣生物濾池的處理效能和運行周期都有重要影響，填料粒徑越小時處理效果越好，但填料粒徑較小時，濾池容易堵塞，運行周期相對較短，需頻繁反沖洗，且不易發(fā)揮填料深層的作用。因此曝氣生物濾池選用填料需要同時考慮濾池的處理效能和運行周期，根據(jù)濾池進水水質和處理要求進行優(yōu)化選擇。
4.2.2 填料密度的影響
　　生物濾池填料的密度大小關系到生物濾池反沖洗強度的大小，密度越大，反沖洗強度越大，則需要的能量消耗越大；而填料的密度越小，用于反沖洗所消耗的能量也隨之減小。因此在選擇生物濾池填料時，需測定各種填料的密度。
4.3 填料層高度的影響
　　曝氣生物濾池填料層高度對去除效果和基建投資有很大的直接影響。Francisco等[18]對陶粒作為填料的向下流曝氣生物濾池工作性能與高度的關系進行了研究，得出結論：以陶粒作為填料的曝氣生物濾池的床層適宜高度應為1.2m～1.5m之間。
　　在曝氣生物濾池中可沿水流方向形成不同的優(yōu)勢菌群。李亞新等[19]人通過下向流BAF的研究，表明從填料頂部下至0.8m深度之間，COD去除明顯，而氨氮在0m～0.6m之間去除效果較差，但在0.6m～1.4m氨氮濃度顯著下降。江萍等[20]人用氣液并流上升式的串聯(lián)兩極反應式(CN塔N塔)進行了處理生活污水的實驗，污水流經(jīng)總高度約1.3米，濾層高度到達1.2米之后，COD、氨氮的去除率分別可達到93.2％、80％。上述實驗結果說明濾池進水端生長著大量異樣菌，而在濾池另一端硝化菌占優(yōu)勢。
濾　　層高度與出水水質有關，在一定范圍內，增加濾層高度可提高濾池的處理效果保證出水水質，但同時增加的污水提升揚程和反沖洗強度，將導致能耗升高。
5 結論與展望
　　從曝氣生物濾池填料的發(fā)展來看，今后的研究方向主要將在以下幾個方面：①研究填料對污染物去除的影響及污染物去除機制。②利用污染環(huán)境的廢棄物如粉煤灰、污泥等開發(fā)新型填料的生產(chǎn)工藝和方法方面的研究。③研究填料性能參數(shù)和處理效率之間的關系以及填料表面改性與系列化陶粒濾料產(chǎn)品的研發(fā)尋求改善填料性能的工藝和方法。④制定適于曝氣生物濾池的填料標準。
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