作者: 孫霞 王清杰 紀(jì)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(guān)鍵影響因素引起廣泛關(guān)注。本文簡(jiǎn)單介紹了曝氣生物濾池的工藝原理。填料的選擇是濾池設(shè)計(jì)和出水水質(zhì)的關(guān)鍵因素。填料技術(shù)在曝氣生物濾池工藝中居核心地位。填料的類(lèi)型、粒徑、密度、高度對(duì)曝氣生物濾池的效能有重要影響。同時(shí)展望了填料在今后的研究方向。
　　關(guān)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(lái)發(fā)展的一種新型的污水處理技術(shù)，它是集生物降解、固液分離于一體的污水處理設(shè)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(yùn)行費(fèi)用低，占地面積小，管理方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合我國(guó)的國(guó)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(guò)程是很復(fù)雜的，它包括廢水中復(fù)雜的傳質(zhì)過(guò)程、氧的擴(kuò)散與吸收、有機(jī)物的分解和微生物的新陳代謝等過(guò)程。濾池工作時(shí)，污水流經(jīng)填料表面過(guò)程中，通過(guò)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸附、氧向生物膜內(nèi)部的擴(kuò)散以及生物膜中所發(fā)生的生物氧化等作用，對(duì)污染物質(zhì)進(jìn)行氧化分解，使污水得以?xún)艋痆3-4]。
2 BAF對(duì)填料的基本要求
2.1 填料表面適于微生物附著和生長(zhǎng)
　　填料表面的物理和化學(xué)性質(zhì)影響微生物附著、生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)、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(fù)電荷，而且親水，因此填料表面帶負(fù)電荷或親水性強(qiáng)將有利于微生物的固定。
2.2 化學(xué)生物穩(wěn)定性好
　　填料應(yīng)對(duì)微生物無(wú)有害和抑制作用，不造成二次污染，且應(yīng)具有較高的惰性，抗化學(xué)腐蝕且自身不被生物降解。
2.3 物理特征和機(jī)械性能適于反沖洗
　　填料的密度對(duì)于反沖洗是一個(gè)重要的影響因素，若密度過(guò)大將造成懸浮困難或耗水耗能過(guò)高，若密度過(guò)小在反沖洗階段很容易跑料且不容易控制反沖洗強(qiáng)度。填料還應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，應(yīng)避免在濾池運(yùn)行過(guò)程中磨損嚴(yán)重而不能滿(mǎn)足濾池要求。
2.4 價(jià)格適宜
　　填料價(jià)格影響工程投資和運(yùn)行費(fèi)用。廉價(jià)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(yùn)行費(fèi)用；一些合成填料性能雖好但徹骨本價(jià)格太高。因此，選擇填料應(yīng)兼顧性能和價(jià)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(zhǎng)、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(shí)間和氣、液接觸表面積，提高傳質(zhì)效果，加快氧的轉(zhuǎn)移速率，減少曝氣量，從而節(jié)約能源，并減少設(shè)備體積[5]。由此可見(jiàn)，填料對(duì)曝氣生物濾池的運(yùn)行效果及能耗都有著十分重要的影響。
4 填料對(duì)BAF效能的影響
4.1 填料類(lèi)型的影響
　　曝氣生物濾池濾料主要分為無(wú)機(jī)類(lèi)濾料和有機(jī)類(lèi)濾料，因填料類(lèi)型不同在發(fā)展過(guò)程中依次出現(xiàn)過(guò)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(zhì)陶粒；BIOSTYR采用的則是密度比水小的聚苯乙烯球形顆粒。在國(guó)外，Kent和Williams等[10]人依據(jù)BEWA(the British Effluent and Water Association)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)常見(jiàn)的7種可用作曝氣生物濾池的填料進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)分析，認(rèn)為Arlita(膨脹球形粘土)最適合作為曝氣生物濾池的填料。在國(guó)內(nèi)，對(duì)以陶粒為曝氣生物濾池填料的研究較多。曹春艷等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)間為 1.5h，進(jìn)水COD為150mg·L-1，有機(jī)負(fù)荷為0.74kg COD／(m3·d)時(shí)，工程陶粒是曝氣生物濾池的最佳濾料。在實(shí)際工程中，應(yīng)用球形輕質(zhì)多孔生物陶粒取得了良好的效果，目前國(guó)內(nèi)有數(shù)10個(gè)BAF采用其作為填料，從實(shí)際運(yùn)行的效果分析，都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。有機(jī)填料中，目前國(guó)內(nèi)選用較多的有機(jī)類(lèi)濾料主要為聚苯乙烯為材料的泡沫類(lèi)球形濾珠。劉旭陽(yáng)等 [12]通過(guò)對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)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(shí)間短，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，運(yùn)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(kāi)發(fā)在BAF工藝中至關(guān)重要。作為微生物載體的填料對(duì)水處理效果的影響主要反映在載體的性質(zhì)，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(qiáng)度等。填料的選擇不僅決定了可供生物膜生長(zhǎng)的比表面積的大小和生物膜量的多少，而且還影響著反應(yīng)器中的水動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。因此作為生物膜載體-填料的各種特性決定BAF反應(yīng)器能否高效運(yùn)行，能否在水處理中得到更廣泛的推廣與應(yīng)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(shí)驗(yàn)，表明填料粒徑為2mm～4mm時(shí)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(guān)于填料粒徑與出水BOD5、TSS濃度的關(guān)系研究也表明填料粒徑越小，出水水質(zhì)越好。以上研究說(shuō)明填料粒徑越小時(shí)，由于填料的比表面積比較大，單位體積內(nèi)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(yùn)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(guān)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(yīng)器的運(yùn)行周期表明填料粒徑越大，濾池越不容易堵塞，運(yùn)行周期相對(duì)較長(zhǎng)。較大粒徑填料（2.5～4.5mm）的運(yùn)行周期比較小粒徑填料（1.5～3.5mm）的運(yùn)行周期延長(zhǎng)了近70%。且大顆粒易與水分離，可加快反沖洗過(guò)程，并減少填料損失。
　　填料粒徑對(duì)曝氣生物濾池的處理效能和運(yùn)行周期都有重要影響，填料粒徑越小時(shí)處理效果越好，但填料粒徑較小時(shí)，濾池容易堵塞，運(yùn)行周期相對(duì)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(shí)考慮濾池的處理效能和運(yùn)行周期，根據(jù)濾池進(jìn)水水質(zhì)和處理要求進(jìn)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(guān)系到生物濾池反沖洗強(qiáng)度的大小，密度越大，反沖洗強(qiáng)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(shí)，需測(cè)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(duì)去除效果和基建投資有很大的直接影響。Francisco等[18]對(duì)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(guān)系進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：以陶粒作為填料的曝氣生物濾池的床層適宜高度應(yīng)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(shì)菌群。李亞新等[19]人通過(guò)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(yīng)式(CN塔N塔)進(jìn)行了處理生活污水的實(shí)驗(yàn)，污水流經(jīng)總高度約1.3米，濾層高度到達(dá)1.2米之后，COD、氨氮的去除率分別可達(dá)到93.2％、80％。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明濾池進(jìn)水端生長(zhǎng)著大量異樣菌，而在濾池另一端硝化菌占優(yōu)勢(shì)。
濾　　層高度與出水水質(zhì)有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，增加濾層高度可提高濾池的處理效果保證出水水質(zhì)，但同時(shí)增加的污水提升揚(yáng)程和反沖洗強(qiáng)度，將導(dǎo)致能耗升高。
5 結(jié)論與展望
　　從曝氣生物濾池填料的發(fā)展來(lái)看，今后的研究方向主要將在以下幾個(gè)方面：①研究填料對(duì)污染物去除的影響及污染物去除機(jī)制。②利用污染環(huán)境的廢棄物如粉煤灰、污泥等開(kāi)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)。
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