一種新型懸浮生物填料的開發及其應用

黃建梅

（深圳市中拓天達環保科技有限公司，深圳 518000）

隨著我國經濟的快速發展及居民生活健康意識的提高，人們對水環境質量的要求日益增長。因此，關于工農業生產和生活中排放的廢水的控制標準以及污染治理技術的研究，正逐步得到人們的重視。但是，當前我國廢水處理效率較低，因此研究新型的污水處理技術及材料成為發展的重要方向。

1 我國污水生物處理工藝現狀

我國的傳統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。活性污泥法是目前全球應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、運行負荷高、產泥量低、抗有毒物質和沖擊負荷能力高、無污泥膨脹、運行簡單等優點，近幾年，生物膜工藝得到迅猛的發展，生活污水、工業廢水、微污染源水等處理領域幾乎都有懸浮填料的身影，可以說所有的污水生物處理工藝中都可以引入懸浮填料，懸浮填料的應用將會越來越廣泛。由于懸浮填料廣闊的市場前景，懸浮填料的開發一直十分活躍，是當前生物膜應用研究的熱點問題。

2 懸浮生物填料的研究

由于具有比重接近于水、無需固定支架等優點，懸浮生物填料得到廣泛應用。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填料的基礎上發展而來的。20世紀90年代初，新型輕質可自由移動的懸浮填料研發成功，開拓了一個新的水處理方向。在國外，懸浮生物填料已進入使用階段，與國外相比，我國發展較為緩慢，許多關鍵技術落后于國外，沒有自主知識產權，這成為制約我國環保技術和設備國產化的老大難問題。

目前，根據國內外已經研發的懸浮填料的形狀、大小和材質的差異，懸浮填料大致可分為無機材料、多孔泡沫材料、大型球狀或柱狀懸浮填料等。

2.1 無機材料

輕質陶粒是最典型的無機材料懸浮生物填料。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，可達到87%的COD平均去除率[1]。國內對無機材料也有部分應用，王立立等人將輕質陶粒投入到曝氣池中，進行生活污水處理小試試驗，反應器掛膜啟動只需一周，CODCr（化學需氧量）和NH4+-N（氨氮）去除率均能達到70%[2]。

2.2 多孔泡沫材料

多孔泡沫填料的典型代表是德國LINDE公司研制開發的LINPOR填料，材質多為聚氨酯泡沫塊，大小不超過15 mm，填料呈多孔狀，表面和內部均長滿微生物，既可以生物膜法為主獨立運行，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，調節合理的水力停留時間，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

該類填料是國內填料生產廠家在20世紀90年代中期自主研發的，現已在國內不少污水和工業廢水處理工程中得到了實踐驗證。20世紀90年代，北京桑德環境技術發展公司研發了一種典型的球狀硬質塑料懸浮填料——SNP懸浮生物載體。胡潔利用該填料處理生活污水，達到75%～85%的去除率[4]。徐斌利用這種填料進行微污染水的凈化，獲得了很好的硝化效果，達到了77.6%的NH4+-N平均去除率[5]。董濱也將這種載體運用到A2O工藝（厭氧-缺氧-好氧工藝）中，進行了硝化特性試驗[6]。

3 新型多孔懸浮生物填料的開發

多孔懸浮生物填料能夠加速生物反應器的掛膜啟動速度，增加反應器中的污泥濃度，提高反應器去除效率。研制具有表面多孔特殊結構的車輪型填料，提高了多孔型填料上生物膜的傳質效率；通過改造結構，改變多孔懸浮生物填料的比重，可以減小填料達到均勻流化狀態所需的曝氣量，節約能耗；利用廢棄的多孔材料，可以制備性能優越的孔懸浮生物填料，節約填料成本。基于懸浮生物填料的懸浮生物濾床反應器具有良好的布水布氣性，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題。2017年，深圳市中拓天達環保科技有限公司研制出一種車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 車輪型表面多孔懸浮填料

車輪型表面多孔懸浮填料是在聚乙烯圓環骨架的表面生長一層多孔結構的高分子聚合物，制備了一類新型的車輪型表面多孔懸浮填料（SC）。這種填料具有表面多孔的結構，能夠提供很大的比表面積，提高MBBR（移動床生物膜反應器）的掛膜啟動速度。另外，它還能提高生長在多孔層中生物膜的傳質效率，因為在填料碰撞時，表面多孔層被壓縮，已經被微生物凈化的水從生物膜中擠壓出來，而后多孔層恢復原狀時又能吸收污水，即使在較厚的生物膜中，也能獲得很高的傳質效率。

3.2 兩種新型車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，在其內外表面生長的多孔高分子層，形成具有環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、鹽等化學品溶劑，耐真菌、細菌等微生物腐蝕的性能，具有良好的生物穩定性。在試驗中，筆者將該車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。當多孔層的孔徑固定為45 ppi（每寸45個孔），不同的多孔層厚度（0 mm、2 mm、4 mm和6 mm）的車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

由于在環狀聚乙烯內表面生長多孔層的制備難度較大，故選取圓環內部有十字骨架的商品填料BioM作為原料，將試驗得出的最佳多孔層厚度與孔徑的高分子聚合物生長到商品填料BioM的外表面，如圖2所示。商品填料BioM是經過表面改性的聚乙烯圓環，直徑為20 mm，長度為20 mm，密度為0.96～0.9 g/cm3，購自大連宇都環境工程技術有限公司。

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輪型表面多孔懸浮填料（S-SC），是在一個聚乙烯圓環骨架的內外表面生長一層多孔的結構的高分子聚合物。

將S-SC應用于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）的填料的有機物去除效果和填料上的污泥濃度，結果表明最佳的多孔層厚度為4 mm，最佳孔徑為45 ppi。經過7 d連續運行的掛膜過程后，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的耗氧速率分別達到了17.4 mg/h和150.1 mg /h。根據DGGE的圖譜分析，S-SC4-45和BioM的微生物種群構成相似，16SrRNA測序結果表明，Sphaerotilus sp.和Aeromonas sp.是兩種填料上微生物的優勢菌種，且S-SC4-45的微生物種群結構更為豐富。基于S-SC4-45的MBBR在反應器啟動的第2 d就達到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掛膜啟動結束，CODCr去除率達到99.5±1.1 %，NH4+-N去除率達到93.6±2.3%，遠遠高于商品填料BioM的處理效率。綜上所述，這種S-SC能夠加速MBBR的掛膜啟動速度，提高生物膜的傳質效率，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到商品填料BioM上，制備成BioM-SC，并構造了一種新型的處理有機廢氣的生物反應器——懸浮生物濾床反應器（SBF）。這種反應器在研究中被應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程，有良好的抗沖擊負荷和間歇運行的能力，且處理效率良好，在甲苯進氣負荷為11.0～58.5 g/（m3·h）的范圍內的甲苯平均去除率達到90.2%。在甲苯進氣負荷為272.2 g/m3·h時，得到了最大的甲苯降解速率113.6 g/（m3·h）。反應器的去除效果良好，歸因于填料上有豐富的甲苯降解菌。測序分析結果表明，BioM-SC的生物膜中有多種高效甲苯降解菌群。反應器在141 d長時間的連續運行中保持了很高的污泥濃度，且沒有出現堵塞的情況。綜上所述，SBF能夠克服傳統生物濾床容易形成微生物積累和堵塞的缺點，獲得良好的有機廢氣處理效率。

4 車輪型多孔懸浮填料的應用

由于多孔懸浮填料有如此多的優點，已投入使用的懸浮填料生物膜反應器主要用于市政污水和工業廢水的處理。近年來，我國也有許多學者進行了這方面的探索。

4.1 處理生活污水、市政污水

馬建勇等設計了兩個有效體積為120 m3的MBBR，用于處理撫順乙烯有限公司的低濃度生活污水，入水COD只有60～80 mg/L，停留時間為2.4 h時，出水COD為20 mg/L，滿足循環冷卻水的回用標準[7]。Kristi Biswas等人主要研究了懸浮填料生物膜反應器處理生活污水時，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、屬于古細菌的八疊球菌和許多浮游生物等[8]。結果表明，懸浮填料上的微生物種類多樣，比傳統的活性污泥法中的種群構成復雜。

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，進水經過預處理后，進入反應器[9]。研究發現，在反應器運行前期的脫氮效果主要由易降解有機物濃度以及缺氧區中的溶解氧濃度決定，該中試試驗將懸浮填料與先硝化、后脫氮，最后投加絮凝劑進行固液分離的系統結合，在入水TN（總氮）為25 mg/L，空床停留時間為4～5 h的條件下，達到70%的TN去除率。Pastorelli G等人在沒有外加碳源的條件下，用序批式MBBR完成磷的去除，試驗證明，保持足夠的總COD負荷對磷的去除十分重要[10]。

4.3 工業廢水

有學者采用厭氧懸浮填料生物膜反應器對費托合成廢水進行處理效率研究，并考察了在高有機負荷條件下系統的運行情況。當有機負荷小于31.1 g/（L·d）時，COD去除率大于97%；當有機負荷從39.7 g/（L·d）增加到 56.3 g/（L·d）時，COD 的去除率從88%降至61%。

5 結語

本文針對現有多孔型填料傳質效率低、掛膜后比重難以控制以及成本費用高的問題，研制了一種新型多孔懸浮生物填料。首先是在硬質的骨架材料表面上生長一定厚度的多孔層，這種特殊的結構能夠促使填料在填料間或填料與反應器壁的碰撞摩擦過程中增強傳質效果；然后，通過控制多孔材料的閉孔與開孔的比例調整多孔填料的比重，使之在較小的曝氣量下便有良好的流化效果；最后，對廢棄的多孔材料進行改性，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，還將為開發高效懸浮生物填料提供新思路。

參考文獻

1 Kariminiaae-Hamedaani H R， Kanda K，Kato F.Wastewater treatment with bacteria immobilized onto a ceramic carrier in an aerated system[J].Journal of bioscience and bioengineering，2003，95（2）：128-132.

2 王立立，劉煥彬，胡勇有，等.曝氣生物濾池處理低濃度生活污水的研究[J].工業水處理，2003，23（3）：29-32.

3 Reimann H.The LINPOR-process for nitrification and denitrification[J].Water Science and Technology，1990，22（7）：297-298.

4 胡 潔.SNP懸浮型生物填料在生活污水處理中的應用[J].環境導報，1998，（5）：18-19.

5 徐 斌，夏四清，高廷耀，等.懸浮生物填料床處理微污染原水硝化試驗研究[J].環境科學學報，2003，23（6）：742-747.

6 董 濱，周增炎，高廷耀.投料A2O工藝的硝化特性[J].給水配水，2004，30（9）：50-52.

7 馬建勇.移動床生物膜反應器處理低濃度污水的性能[J].大連理工大學學報，2003，43（1）：46-50.

8 Kristi Biswas，SJ Turner.Microbial community composition and dynamics of moving bed biofilm reactor systems treating municipal sewage[J].Applied& Environmental Microbiology，2012，78（3）：855-864.

9 Rusten B，Siljudalen J G，Wien A，etal.Biological pretreatment of poultry processing wastewater[J].Water science and technology，1998，38（4）：19-28.

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.