SBR處理生活污水工藝中填料性能研究

南國英，張高偉，代學民，楊孟林，郭嘉宇，張煥莉，賈慶旭，任淑萍

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000； 2.河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000)

1 引言

隨著生活水平的提高，人口數(shù)量的增多以及人們環(huán)保觀念的增強，國家不斷提高污水處理廠排放標準，北京、天津、廣東等地更是將地方的排放標準提高到高于國家一級A標準的水平。一些中小型污水處理廠所采用的傳統(tǒng)的SBR工藝往往很難達到越來越嚴格的污水排放標準，面臨著需要提標改造的問題。通過向SBR反應器中投加填料作為微生物附著生長的載體，形成活性污泥與生物膜復合體系，是強化SBR反應器處理能力的一個有效途徑。本文通過闡述應用于SBR中填料的作用，總結了用于SBR處理生活污水中填料的性能要求，為填料的選擇及研究發(fā)展方向提供參考。

2 SBR中填料的分類

目前對于SBR處理生活污水中投加的填料類型尚未有明確的規(guī)定或標準，按照安裝方式可分為固定式、懸掛式、懸浮式等；按照膜載體的不同可分為流動式、固定式和微孔膜式等；按填料所形成的比表面積構造可分為微觀比表面積填料和表觀比表面積填料2種。此外還有惰性顆粒填料如砂礫、粘土等，吸附性顆粒填料如沸石、粒狀活性炭等，以及新型復合填料、改性填料、無機納米填料、腐殖土填料等也不斷應用于實驗研究與實際應用[1]。

3 SBR反應器中填料的作用

3.1 作為微生物附著生長的載體，形成生物膜

填料投加到SBR反應器中，在填料表面形成生物膜，構成活性污泥與生物膜的混合體系。一方面，生物膜的形成，利于充分發(fā)揮反應器中微生物的代謝作用，加強了同時硝化反硝化，提高了處理效率[2]。另一方面，填料本身較大的比表面積使得反應器中微生物數(shù)量、豐度和層次增加，更好的利用反應器空間。

3.2 吸附作用

吸附作用主要包含2個方面，分別為填料加入后對于反應器中活性污泥的絮凝沉淀作用和填料本身對水中物質(zhì)的吸附。

絮凝沉淀作用主要以物理吸附為主，依靠填料表面的毛細力與靜電力或填料表面生物膜與絲狀菌等吸附水中難絮凝的微小顆粒，改善污泥的可沉降性。填料在沉淀初期的流動也會不斷改變局部水流方向增加污泥顆粒的有效碰撞，利于沉淀。

3.3 釋放營養(yǎng)元素、活性物質(zhì)或充當催化劑等，營造有利于微生物生長的微環(huán)境

隨著對微生物認識的不斷深入和材料科學的不斷發(fā)展，為了創(chuàng)造更利于微生物生命活動的環(huán)境、更好地提高生物膜或活性污泥脫氮除磷效率，許多新型填料會通過緩釋營養(yǎng)元素、活性物質(zhì)等途徑進一步營造利于微生物發(fā)揮作用的環(huán)境。常邦等[3]將海綿鐵、活性炭、聚氨酯泡沫按一定比例粘合制成填料，在投加量為8 g/L時，磷的去除率達到了90%以上，該填料中鐵離子的持續(xù)穩(wěn)定溶出是處理效果的重要保證。王東偉[4]通過向聚丙烯填料中混加生物親和、親水、磁性改性劑制得新型改性磁性填料，填料上形成的生物膜中微生物生命活動更為活躍。隋軍等[5]以高分子材料為基材，以生物活性物質(zhì)為填充劑，發(fā)明了一種用于水處理的活性填料。蘇慧等[6]利用電氣石能自發(fā)調(diào)節(jié)水體的氧化還原電位和pH值、提高脫氫酶活性和促進微生物的新陳代謝等功能將電氣石陶粒與聚氨酯填料有機結合，形成的新填料在厭氧氨氧化反應器中表現(xiàn)較高的脫氮效率且運行穩(wěn)定。

4 用于SBR工藝處理生活污水的填料性能要求

針對不同的水質(zhì)特點、出水標準、運行方式等對于填料的性能要求也不同，許多的專家學者也以不同填料類型為根據(jù)對其進行試驗比選。王雷等[7]對碳素纖維填料、組合填料、海綿填料和立體網(wǎng)狀填料的生物膜長勢和污染物去除情況進行對比，優(yōu)選出了碳素纖維填料和組合填料；劉鍵敏等[8]對比懸浮球填料、纖維球、雙孔環(huán)填料和纖維束填料，試驗結果表明懸浮球填料在進水水溫15～22 ℃，pH值在6.5～7.2，氣水比9～10，進水COD值402～792 mg/L，進水在50.5～97.4 mg/L時，對COD、的去除率分別為87.9%、79.4%；郝曉地等[9]以比表面積為根據(jù)，對填料進行比較，指出懸浮填料的發(fā)展應該是以表觀比表面積填料為方向。

目前的填料還都是以承載微生物生長附著為核心，基于生活污水水質(zhì)特點，結合填料與微生物的相互依靠關系、負載微生物后填料與反應器中水的水力關系和經(jīng)濟性等方面進行綜合考慮，用于SBR處理生活污水的填料應具有以下5個方面的性能。

4.1 良好的生物親和性

生物親和的涵義指填料與微生物相容，但不會對微生物的生存有損壞或副作用，同時還會對微生物的新陳代謝起促進作用。良好的生物親和性能夠加快掛膜，提高水處理效率。黃輝等[10]發(fā)明的生物親和性水處理填料便是利用天然高分子物質(zhì)和合成高分子材料表面的羥基、羧基、氨基等豐富的化學活性基團，形成微生物與填料的同源性親和力，可提前5～20 d形成成熟的生物膜。

4.2 良好的親水性

親水性主要表現(xiàn)為水與填料接觸時，填料分子與水分子之間的作用力大于水分子之間的作用力，填料表面吸附水分，即被水濕潤。填料親水性良好，能夠使微生物更好的被親水表面吸附，有利于填料表面生物膜的形成與穩(wěn)定。周芬等[11]通過在塑料填料表面附著混凝土制得了新型混凝土改性親水塑料填料，并通過厭氧懸浮填料床處理垃圾滲濾液，進水COD質(zhì)量濃度在5000～6000 mg/L時，處理效率提高5%～10%。汪曉軍等[12]通過在普通塑料中添加水溶性高分子物進行親水改性，制得表面親水的彈性塑料填料，通過實驗驗證了新型填料在污水的厭氧處理中可提高處理效率15%～30%。

親水性良好并非指填料的親水性盡可能的增大，而是指填料的親水性符合所在工藝及處理水質(zhì)的要求。楊東方等[13]以掛膜量、COD和氨氮去除率等為指標，考察了MBBR中聚丙烯載體填料表面親水改性對處理模擬船舶生活廢水處理效果的影響得到：在親水性較低時，親水性越強填料掛膜量越多，水處理效果越好；在親水性較高時，填料親水性越強生物膜越厚，污水處理效果越差。

4.3 穩(wěn)定的生物、物理、化學性質(zhì)

生活污水是一個復雜的體系，不可避免的會存在腐蝕性成分，同時在污染物的處理轉(zhuǎn)化過程中涉及到物理化學、生物化學等多種過程，所以要求添加的填料需要具有生物穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和熱力學穩(wěn)定性。若填料有物質(zhì)溶解，進入水中的成分應保證對人和微生物無毒害作用。

投加到SBR反應器中的填料還應該具有抗氧化性，避免因反應器的長時間曝氣而大幅縮短填料的使用壽命。

4.4 穩(wěn)定的物理性能和優(yōu)良的水力學性能

填料的物理性能主要指填料的機械強度、耐磨性能、密度、體積、形狀和比表面積等。

在運輸過程中填料之間必然發(fā)生碰撞與摩擦，使用時還會受到液體壓力和水流剪切力的作用，所以填料要具有較高的機械強度和耐磨性能，避免破損或過多的磨損，影響使用效果。體積、形狀方面應利于生物膜的傳質(zhì)作用，減少反應器運行能耗，一般認為球狀或柱狀是較為理想的形狀。李雅雯等[14]在用多面球填料攔截沉淀工藝去除顆粒物時指出多面球填料可通過不斷改變水流方向形成渦旋，增加礬花的有效碰撞，從而利于水中顆粒物的沉淀。

填料的比表面積分微觀比表面積和表觀比表面積，雖然理論上填料的比表面積越大越好但是在實際應用中微觀比表面積型填料中的微細孔隙會因為生物膜的形成而堵塞造成實際可利用的面積銳減，選擇時應以填料表觀比表面積為參考，應利于生物膜的生長和脫落[9]。

密度是填料選擇必須要考慮的因素，密度過大會造成填料流化困難，需要更高強度的曝氣，增加能耗；密度過小又會使填料浮于液面，不利于掛膜和水中物質(zhì)的傳遞轉(zhuǎn)化。所選擇填料以接近生活污水密度為宜，在正常的曝氣強度下填料能夠散布于整個反應器，節(jié)約能耗。

4.5 經(jīng)濟性高、使用方法簡單

選擇填料的目的是為了應用于實際工程。我們在滿足設計要求和水處理效果的前提下應選擇高性價比填料以確保生活污水處理經(jīng)濟效益。填料的用量一般較大，在選擇填料時應優(yōu)先考慮有較大儲量且易獲得的填料。填料的使用方法應盡量簡單、操作要求要低，以利于填料得到更好的推廣使用。

5 結語

隨著水處理理論的不斷完善尤其是生物膜法的深入研究，以及材料技術的成熟，填料在未來也必將是很多水處理工藝中不可缺少的一部分。當填料投加后能夠提高反應器內(nèi)傳質(zhì)擴散效率和生物反應效率時，整個反應器的處理效率便能得到大幅提高。填料的選擇應從生物親和性、親水性、比表面積、形狀、水力學性能及物化性能等方面進行考慮。用于SBR處理生活污水的填料應以良好的生物親和性和親水性為基礎，易于微生物的掛膜生長，便于實際工程的應用。其次考慮較大的表觀比表面積，以提供充分的掛膜面積和傳質(zhì)接觸面積，同時要保證一定的機械強度和穩(wěn)定性。在實際工程應用中，由于受到投資成本的限制，滿足設計要求的前提下，會盡量選擇材料易得、價格便宜且方便運輸和安裝的填料。

當前對于生物填料的研究仍以提高生物量，強化生物活性居多，已研發(fā)出微型磁效應填料、釋放活性物質(zhì)填料及強化微電解反應填料等眾多新型填料，而對改善反應器內(nèi)流體流態(tài)等水力學性能的研究還較少。未來填料的發(fā)展必然是生物反應效率和水力學傳質(zhì)效率的協(xié)同發(fā)展，更多高傳質(zhì)、高生物反應效率的填料將會得到開發(fā)與應用。目前對于廢棄填料處理回收工藝的研究也相對較少，如何實現(xiàn)填料的再利用，達到填料的作用最大化應該引起更多的重視。