一種新型懸浮生物填料的開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用

黃建梅

（深圳市中拓天達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?，深圳 518000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及居民生活健康意識(shí)的提高，人們對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的要求日益增長(zhǎng)。因此，關(guān)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中排放的廢水的控制標(biāo)準(zhǔn)以及污染治理技術(shù)的研究，正逐步得到人們的重視。但是，當(dāng)前我國(guó)廢水處理效率較低，因此研究新型的污水處理技術(shù)及材料成為發(fā)展的重要方向。

1 我國(guó)污水生物處理工藝現(xiàn)狀

我國(guó)的傳統(tǒng)污水生物處理工藝主要分為活性污泥法工藝和生物膜法工藝?；钚晕勰喾ㄊ悄壳叭驊?yīng)用最為普遍的一種生物處理工藝。由于生物膜法具有生物量大、運(yùn)行負(fù)荷高、產(chǎn)泥量低、抗有毒物質(zhì)和沖擊負(fù)荷能力高、無(wú)污泥膨脹、運(yùn)行簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，近幾年，生物膜工藝得到迅猛的發(fā)展，生活污水、工業(yè)廢水、微污染源水等處理領(lǐng)域幾乎都有懸浮填料的身影，可以說(shuō)所有的污水生物處理工藝中都可以引入懸浮填料，懸浮填料的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。由于懸浮填料廣闊的市場(chǎng)前景，懸浮填料的開(kāi)發(fā)一直十分活躍，是當(dāng)前生物膜應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2 懸浮生物填料的研究

由于具有比重接近于水、無(wú)需固定支架等優(yōu)點(diǎn)，懸浮生物填料得到廣泛應(yīng)用。懸浮填料是生物膜法工藝的核心，是在固定式填料和粒狀硬質(zhì)填料的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。20世紀(jì)90年代初，新型輕質(zhì)可自由移動(dòng)的懸浮填料研發(fā)成功，開(kāi)拓了一個(gè)新的水處理方向。在國(guó)外，懸浮生物填料已進(jìn)入使用階段，與國(guó)外相比，我國(guó)發(fā)展較為緩慢，許多關(guān)鍵技術(shù)落后于國(guó)外，沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這成為制約我國(guó)環(huán)保技術(shù)和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的老大難問(wèn)題。

目前，根據(jù)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)的懸浮填料的形狀、大小和材質(zhì)的差異，懸浮填料大致可分為無(wú)機(jī)材料、多孔泡沫材料、大型球狀或柱狀懸浮填料等。

2.1 無(wú)機(jī)材料

輕質(zhì)陶粒是最典型的無(wú)機(jī)材料懸浮生物填料。Kariminiaae-Hamedaani等人將微生物固定到一種新型填料上處理食品加工廠廢水，可達(dá)到87%的COD平均去除率[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)機(jī)材料也有部分應(yīng)用，王立立等人將輕質(zhì)陶粒投入到曝氣池中，進(jìn)行生活污水處理小試試驗(yàn)，反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)只需一周，CODCr（化學(xué)需氧量）和NH4+-N（氨氮）去除率均能達(dá)到70%[2]。

2.2 多孔泡沫材料

多孔泡沫填料的典型代表是德國(guó)LINDE公司研制開(kāi)發(fā)的LINPOR填料，材質(zhì)多為聚氨酯泡沫塊，大小不超過(guò)15 mm，填料呈多孔狀，表面和內(nèi)部均長(zhǎng)滿微生物，既可以生物膜法為主獨(dú)立運(yùn)行，也可投加到活性污泥處理池以提高處理效率。Reimann H將類似的聚氨酯泡沫塊作為生物載體投加到生活污水處理工藝的曝氣池中，調(diào)節(jié)合理的水力停留時(shí)間，BOD5（生化需氧量）和NH4+-N去除效果較好[3]。

2.3 大型球狀或柱狀懸浮填料

該類填料是國(guó)內(nèi)填料生產(chǎn)廠家在20世紀(jì)90年代中期自主研發(fā)的，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)不少污水和工業(yè)廢水處理工程中得到了實(shí)踐驗(yàn)證。20世紀(jì)90年代，北京桑德環(huán)境技術(shù)發(fā)展公司研發(fā)了一種典型的球狀硬質(zhì)塑料懸浮填料——SNP懸浮生物載體。胡潔利用該填料處理生活污水，達(dá)到75%～85%的去除率[4]。徐斌利用這種填料進(jìn)行微污染水的凈化，獲得了很好的硝化效果，達(dá)到了77.6%的NH4+-N平均去除率[5]。董濱也將這種載體運(yùn)用到A2O工藝（厭氧-缺氧-好氧工藝）中，進(jìn)行了硝化特性試驗(yàn)[6]。

3 新型多孔懸浮生物填料的開(kāi)發(fā)

多孔懸浮生物填料能夠加速生物反應(yīng)器的掛膜啟動(dòng)速度，增加反應(yīng)器中的污泥濃度，提高反應(yīng)器去除效率。研制具有表面多孔特殊結(jié)構(gòu)的車(chē)輪型填料，提高了多孔型填料上生物膜的傳質(zhì)效率；通過(guò)改造結(jié)構(gòu)，改變多孔懸浮生物填料的比重，可以減小填料達(dá)到均勻流化狀態(tài)所需的曝氣量，節(jié)約能耗；利用廢棄的多孔材料，可以制備性能優(yōu)越的孔懸浮生物填料，節(jié)約填料成本。基于懸浮生物填料的懸浮生物濾床反應(yīng)器具有良好的布水布?xì)庑?，在廢氣和廢水處理中能夠獲得很高的生物量，且生物膜的更新良好，解決了固定式生物濾床易堵塞的問(wèn)題。2017年，深圳市中拓天達(dá)環(huán)?？萍加邢薰狙兄瞥鲆环N車(chē)輪型表面多孔懸浮填料，這是一種新型多孔懸浮生物填料。

3.1 車(chē)輪型表面多孔懸浮填料

車(chē)輪型表面多孔懸浮填料是在聚乙烯圓環(huán)骨架的表面生長(zhǎng)一層多孔結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，制備了一類新型的車(chē)輪型表面多孔懸浮填料（SC）。這種填料具有表面多孔的結(jié)構(gòu)，能夠提供很大的比表面積，提高M(jìn)BBR（移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器）的掛膜啟動(dòng)速度。另外，它還能提高生長(zhǎng)在多孔層中生物膜的傳質(zhì)效率，因?yàn)樵谔盍吓鲎矔r(shí)，表面多孔層被壓縮，已經(jīng)被微生物凈化的水從生物膜中擠壓出來(lái)，而后多孔層恢復(fù)原狀時(shí)又能吸收污水，即使在較厚的生物膜中，也能獲得很高的傳質(zhì)效率。

3.2 兩種新型車(chē)輪型表面多孔懸浮填料的制備

3.2.1 S-SC

將管壁厚度為2 mm，外徑為20 mm，密度為0.9 g/cm3的聚乙烯管切割成10 mm的寬度作為骨架，在其內(nèi)外表面生長(zhǎng)的多孔高分子層，形成具有環(huán)狀骨架的表面多孔填料（S-SC），如圖1所示。該高分子多孔材料，有很好的耐紫外線，耐酸、堿、鹽等化學(xué)品溶劑，耐真菌、細(xì)菌等微生物腐蝕的性能，具有良好的生物穩(wěn)定性。在試驗(yàn)中，筆者將該車(chē)輪型表面多孔懸浮填料以S-SCx-y的格式命名，x表示多孔層的厚度，y表示多孔層的孔徑。當(dāng)多孔層的孔徑固定為45 ppi（每寸45個(gè)孔），不同的多孔層厚度（0 mm、2 mm、4 mm和6 mm）的車(chē)輪型表面多孔懸浮填料被命名為S-SC0、S-SC2-45、S-SC4-45和S-SC6-45。當(dāng)多孔層的厚度固定為4 cm，多孔層孔徑分別為17 ppi、45 ppi和85 ppi的車(chē)輪型表面多孔懸浮填料被命名為S-SC4-17、S-SC4-45和S-SC4-85。

圖1 S-SC填料

3.2.2 BioM-SC

由于在環(huán)狀聚乙烯內(nèi)表面生長(zhǎng)多孔層的制備難度較大，故選取圓環(huán)內(nèi)部有十字骨架的商品填料BioM作為原料，將試驗(yàn)得出的最佳多孔層厚度與孔徑的高分子聚合物生長(zhǎng)到商品填料BioM的外表面，如圖2所示。商品填料BioM是經(jīng)過(guò)表面改性的聚乙烯圓環(huán)，直徑為20 mm，長(zhǎng)度為20 mm，密度為0.96～0.9 g/cm3，購(gòu)自大連宇都環(huán)境工程技術(shù)有限公司。

圖2 商品填料BioM-SC

3.2.3 S-SC處理污染效果

本文研究的一種新型的車(chē)輪型表面多孔懸浮填料（S-SC），是在一個(gè)聚乙烯圓環(huán)骨架的內(nèi)外表面生長(zhǎng)一層多孔的結(jié)構(gòu)的高分子聚合物。

將S-SC應(yīng)用于MBBR處理模擬生活污水（CODCr濃度250 mg/L，NH4+-N濃度25 mg/L），并考察了不同多孔層厚度（0 mm、2 mm、4 mm、6mm）和不同孔徑大小（17 ppi、45 ppi、85ppi）的填料的有機(jī)物去除效果和填料上的污泥濃度，結(jié)果表明最佳的多孔層厚度為4 mm，最佳孔徑為45 ppi。經(jīng)過(guò)7 d連續(xù)運(yùn)行的掛膜過(guò)程后，S-SC4-45獲得了比S-SC0和商品填料BioM更高的總體微生物活性，降解NH4+-N的耗氧速率和降解CODCr的耗氧速率分別達(dá)到了17.4 mg/h和150.1 mg /h。根據(jù)DGGE的圖譜分析，S-SC4-45和BioM的微生物種群構(gòu)成相似，16SrRNA測(cè)序結(jié)果表明，Sphaerotilus sp.和Aeromonas sp.是兩種填料上微生物的優(yōu)勢(shì)菌種，且S-SC4-45的微生物種群結(jié)構(gòu)更為豐富?；赟-SC4-45的MBBR在反應(yīng)器啟動(dòng)的第2 d就達(dá)到74.2±1.8%的CODCr去除率和84.7±2.2% NH4+-N的去除效率，直到7 d掛膜啟動(dòng)結(jié)束，CODCr去除率達(dá)到99.5±1.1 %，NH4+-N去除率達(dá)到93.6±2.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商品填料BioM的處理效率。綜上所述，這種S-SC能夠加速M(fèi)BBR的掛膜啟動(dòng)速度，提高生物膜的傳質(zhì)效率，能獲得良好的處理效率。

3.2.4 BioM-SC處理污染效果

本文還將最佳厚度和孔徑的多孔層生長(zhǎng)到商品填料BioM上，制備成BioM-SC，并構(gòu)造了一種新型的處理有機(jī)廢氣的生物反應(yīng)器——懸浮生物濾床反應(yīng)器（SBF）。這種反應(yīng)器在研究中被應(yīng)用于模擬甲苯廢氣的凈化，它能夠快速地完成微生物的馴化過(guò)程，有良好的抗沖擊負(fù)荷和間歇運(yùn)行的能力，且處理效率良好，在甲苯進(jìn)氣負(fù)荷為11.0～58.5 g/（m3·h）的范圍內(nèi)的甲苯平均去除率達(dá)到90.2%。在甲苯進(jìn)氣負(fù)荷為272.2 g/m3·h時(shí)，得到了最大的甲苯降解速率113.6 g/（m3·h）。反應(yīng)器的去除效果良好，歸因于填料上有豐富的甲苯降解菌。測(cè)序分析結(jié)果表明，BioM-SC的生物膜中有多種高效甲苯降解菌群。反應(yīng)器在141 d長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行中保持了很高的污泥濃度，且沒(méi)有出現(xiàn)堵塞的情況。綜上所述，SBF能夠克服傳統(tǒng)生物濾床容易形成微生物積累和堵塞的缺點(diǎn)，獲得良好的有機(jī)廢氣處理效率。

4 車(chē)輪型多孔懸浮填料的應(yīng)用

由于多孔懸浮填料有如此多的優(yōu)點(diǎn)，已投入使用的懸浮填料生物膜反應(yīng)器主要用于市政污水和工業(yè)廢水的處理。近年來(lái)，我國(guó)也有許多學(xué)者進(jìn)行了這方面的探索。

4.1 處理生活污水、市政污水

馬建勇等設(shè)計(jì)了兩個(gè)有效體積為120 m3的MBBR，用于處理?yè)犴樢蚁┯邢薰镜牡蜐舛壬钗鬯胨瓹OD只有60～80 mg/L，停留時(shí)間為2.4 h時(shí)，出水COD為20 mg/L，滿足循環(huán)冷卻水的回用標(biāo)準(zhǔn)[7]。Kristi Biswas等人主要研究了懸浮填料生物膜反應(yīng)器處理生活污水時(shí)，生物膜的特性和微生物的種群分布，生物膜中以梭狀芽胞桿菌和δ變形菌為主，另外還有乙型變形菌綱、丙型變形菌綱、屬于古細(xì)菌的八疊球菌和許多浮游生物等[8]。結(jié)果表明，懸浮填料上的微生物種類多樣，比傳統(tǒng)的活性污泥法中的種群構(gòu)成復(fù)雜。

4.2 脫氮除磷

Rusten B等人將以Kaldnes型填料為載體的懸浮填料生物膜工藝用于處理Frevar廢水處理廠的生活污水，進(jìn)水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，進(jìn)入反應(yīng)器[9]。研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器運(yùn)行前期的脫氮效果主要由易降解有機(jī)物濃度以及缺氧區(qū)中的溶解氧濃度決定，該中試試驗(yàn)將懸浮填料與先硝化、后脫氮，最后投加絮凝劑進(jìn)行固液分離的系統(tǒng)結(jié)合，在入水TN（總氮）為25 mg/L，空床停留時(shí)間為4～5 h的條件下，達(dá)到70%的TN去除率。Pastorelli G等人在沒(méi)有外加碳源的條件下，用序批式MBBR完成磷的去除，試驗(yàn)證明，保持足夠的總COD負(fù)荷對(duì)磷的去除十分重要[10]。

4.3 工業(yè)廢水

有學(xué)者采用厭氧懸浮填料生物膜反應(yīng)器對(duì)費(fèi)托合成廢水進(jìn)行處理效率研究，并考察了在高有機(jī)負(fù)荷條件下系統(tǒng)的運(yùn)行情況。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷小于31.1 g/（L·d）時(shí)，COD去除率大于97%；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷從39.7 g/（L·d）增加到 56.3 g/（L·d）時(shí)，COD 的去除率從88%降至61%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有多孔型填料傳質(zhì)效率低、掛膜后比重難以控制以及成本費(fèi)用高的問(wèn)題，研制了一種新型多孔懸浮生物填料。首先是在硬質(zhì)的骨架材料表面上生長(zhǎng)一定厚度的多孔層，這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠促使填料在填料間或填料與反應(yīng)器壁的碰撞摩擦過(guò)程中增強(qiáng)傳質(zhì)效果；然后，通過(guò)控制多孔材料的閉孔與開(kāi)孔的比例調(diào)整多孔填料的比重，使之在較小的曝氣量下便有良好的流化效果；最后，對(duì)廢棄的多孔材料進(jìn)行改性，制備成多孔懸浮生物填料，為廢棄物的資源化利用提供可靠的途徑。這些填料不僅克服了目前懸浮生物填料的缺陷，還將為開(kāi)發(fā)高效懸浮生物填料提供新思路。

參考文獻(xiàn)

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10 Pastorelli G，Canziani R，Pedrazzi L，etal.Phosphorus and nitrogen removal in moving-bed sequencing batch biofilm reactors[J].Water science and technology，1999，40（4）：169-176.