水处理填料的研究进展孙娜 林波 李风琴 杨圣云 左艳君(南昌大学环境科学与工程学院 330029)摘 要:填料在水处理中有着广泛的应用,无论是好氧、兼氧还是厌氧过程中,填料都发挥着重要的作用。
填料大致可分为固定式、悬挂式、分散型和新型生物填料等几种类型,每种填料都有其自身的优缺点,因此经过研究发展不断的进步与提高,对生物亲和亲水活性及磁种填料磁效应在废水生物降解中的应用的开发,可望大大提高废水生物降解的效率:在陶粒水处理填料的研究上,在比表面积和强度等性能上有大的提高的同时有望实现其免烧免蒸。
本文就填料的研究进展、存在问题和发展方向进行了探讨。
关键词:水处理 填料我国用于水处理的填料开发研究工作始于七十年代后期。
因填料在水处理领域独特的性能,国内外的水处理工作者一直不断地研制、开发、生产和应用各种不同的填料,提高水处理技术水平,满足各种需求。
填料种类繁多,按时间顺序,我国目前使用的填料大致可以分为三大类:第一类为定型固定式填料,主要是蜂窝类填料;第二类为悬挂式填料如软性填料、半软性填料、弹性立体填料、组合型填料等;第三类为堆积式、悬浮式填料即分散式填料,如鲍尔环、阶梯环、空心球、悬浮粒子等。
随着技术的不断发展,也产生了许多性能优越的高性能填料和新型填料。
目前国内开发的新型高性能填料主要有组合纤维填料,弹性立体填料和内置式悬浮填料。
在陶粒填料的研究方面,开发研制的新型滤料一球形轻质多孔陶粒,具有良好的理化性能。
在填料的亲水亲和性及磁效应的开发研究也将带动填料的研究翻开新的篇章。
本文就填料的研究进展、存在问题和发展方向进行了探讨。
1 定型固定式填料定型固定式填料使用于七十年代初,其材质有酚醛树脂加玻璃纤维布及固化剂、不饱和树脂加玻璃纤维布及固化剂、塑料等。
国内应用较早的纺织、印染、化工、化肥等行业,多数采用此类填料,尤以生物塔滤中应用居多。
这类填料的特点是,在不发生堵塞的情况下,处理效果较稳定,比表面积为200m2/m3左右,使用寿命较长,一般为5~8年。
但该类填料对布水、布气均匀性的要求很高,易发生脱膜困难,从而引起堵塞。
使用中,人们发现,当有机物浓度高时,蜂窝填料很容易堵塞,一旦发生堵塞,其处理效率急剧下降,严重的甚至于毁坏构筑物。
同时,其造价较高。
近年来此类产品很少采用,一些原有项目的改造也基本被其它填料所替代。
2 悬挂式填料悬挂式填料产生于八十年代初,至今仍在不断发展之中,目前在水处理领域应用最为广泛。
这类填料经过逐步的改进完善,使用寿命高的可达5~10年,且造价适中,当前市场上最具竞争力。
2.1软性填料软性填料问世最早,其主要特点是理论比表面积大、挂膜容易、造价低、运费省、组装方便、不堵塞等。
但废水浓度高或水中悬浮物最大时,填料丝会结团,从而大大减少了实际利用的比表面积,且易发生断丝、中心绳断裂等情况,影响了使用寿命,其寿命一般为1 2年。
2.2半软性填料半软性填料发明于八十年代中期,其枝条分布均匀,安装后没有短流区,使用寿命可达5~10年。
它具有较强的再行布水布气的能力、挂膜脱膜效果较好、不堵塞。
但其理论比表面积较小、且造价偏高。
2.3组合填料组合填料,其在一定程度上发挥了半软性和软性填料的优点,适合可生化性较差及浓度较低的废水。
2.4弹性填料弹性立体填料发明于九十年代初,其丝条呈辐射立体状态,具有一定的柔性和刚性,回弹性好。
其使用寿命长、布水布气性能良好,氧传递系数高、挂膜脱膜8江 西 化 工2005年第4期容易、比表面积大、不结团堵塞、耐温、不易老化、且生产速度快、可满足大型工程的需要,目前得到越来越广泛的应用。
3 分散型填料分散型填料包括堆积式、悬浮式填料,其种类较多,特点在于无需上述填料的安装工作,应用时只需放置于处理装置中即可,使用方便,且更换简单,因此减少了安装及运行操作管理工作量,是今后填料的发展趋势。
龙腾锐等采用山东济南地区的粘质黏土作骨料制备了水处理酶促生物填料(陶粒状),具有明显的优良挂膜性能:朱乐辉等采用江西萍乡地区的天然陶土作骨料制备得到球形轻质陶粒,应用于好氧和厌氧生物膜法处理效果都较好。
3.1陶粒填料我国对厌氧生物滤池填料的研究以陶粒为最多,由于陶粒内部的微孔多孔结构,使陶粒具有容重小、强度高、保温隔音效果好、防火、抗冻、耐化学腐蚀、耐细菌腐蚀、抗震性好及施工适应性强等优良性能,被广泛应用于建筑、冶金、化工、石油、农业等部门。
江西省萍乡佳能环保公司与南昌大学合作开发研制的新型滤料一球形轻质多孔陶粒,具有良好的理化性能。
该公司结合当地优良的陶粒资源,在以粘土资源为滤料的传统产业基础上,联合高等院校的科研人员共同研究开发出了这一新型滤料。
其主要特点是:第一,由天然陶土加工而成,强度大、孔隙率高、比表面积大、化学和物理稳定性好,比重适宜;第二,表面粗糙,多微孔,生物附着性强,挂膜快,截污能力强;第三,形状规则,粒径为3m m~6mm,有效粒径3.4mm,水流状态好,克服了不规则粒状滤料水流阻力大、堵塞的缺点;第四,原料来源广,价格适中。
3.1.1粉煤灰陶粒粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主料,掺加适量粘结剂或外加剂成球,经陪烧或养护而制得的一种人造轻骨料。
它一般呈球状,堆积密度不大于1100kg/m3,粒径在5-20mm之间,表皮粗糙坚硬,内部有许多细微气孔。
粉煤灰陶粒具有体轻、高强、节能环抱和吸水率低等优点。
3.1.2纳米改性陶粒目前使用的填料大多数表面能较低,在使用过程中,当液体流经其表面时不容易铺展形成薄膜,而是形成分散的液珠或细小沟流,使得填料个体下部难以被有效地润湿,从而在很大程度上影响了传质效率。
纳米粉末的制备、纳米复合体的合成是纳米技术的重要发展领域,具有广泛的发展前景,对高性能填料的研制具有重要的指导意义。
合成新型的纳米陶粒是水处理填料用陶粒的一个新的尝试,它对传统陶粒比表面积小,难挂膜,生物亲和力低、易堵塞等缺点有革命性的改变。
在今后的研制中,通过对原料配比、比表面积、孔隙尺寸及内部结构的综合考虑,不断优化制备工艺,使其朝增大空隙率、减少压降,增大比表面积、改善润湿性能,功能多样化的方向发展,不断提高填料的性能,并促进水处理工艺特别是生物膜法处理工艺的发展。
4 新型生物填料近10年来,国内外各种新型生物填料不断被推出。
如日本工程与贸易公司开发的RINGLACE塑料纤维填料已在工程上获成功应用。
该填料被固定在铝制的笼子里垂直置于曝气池中,受曝气冲力的影响而浮动摇摆,因而污泥不会矿化和沉积。
在污水处理厂中对几种不同填料进行对比实验发现,投加RINGLACE塑料纤维填料的曝气池,其BOD和COD的去除率可增加30% ~50%。
在新型悬浮填料方面,德国LINDE公司的LINPOR 填料和英国SIMONHARTLEY公司的CAPTOR填料,目前发展较为成熟,这2种填料均由聚氨酯泡沫塑料制成,具有很高的比表面积(5000~35000m2/m3),可使系统的固定微生物质量浓度分别达10 18k g/m3和7~ 10k g/m3,适用于高浓度工业废水的处理。
5 亲水填料及生物亲和(活性)填料填料开发的侧重点在填料的比表面积、填料结构与布水、布气性能及生物膜更新等方面。
在实际应用中,人们发现填料在挂膜速度、挂膜量及膜与填料的紧密度方面存在不足。
如对材料进行适当的亲水与生物亲和改性,可望大大提高填料的传质、挂膜和水处理性能。
5.1亲水填料当水与塑料等材料接触时,如材料分子与水分子之间的作用力大于水分子之间的作用力,材料表面吸附水分,即被水润湿,表现出亲水性。
目前,填料的亲水改性,主要是通过填料表面处理和在原材料中引入亲水基团2种途径实现。
据文献报道,在表面结构改性时,有研究者将填料浸入含氧酸等化学腐蚀液中,从而除去填料表面的弱界面层,糙化表面;有的研究者在填料表面涂抹亲水材料,表面接枝带有亲水基团的高聚物单体;也有用紫外线辐照塑料填料,使其表面氧化而形成极性基团;还有的研究者采用强氧化性溶液,如重92005年12月水处理填料的研究进展铬酸钾硫酸、高锰酸钾硫酸,与塑料生物填料表面进行化学反应,从而改变填料的表面分子结构。
这些技术处理过的填料表面润湿性能有很大的提高,但也存在不少缺陷。
应用溶液浸泡或者表面接枝处理过的填料在运行过程中由于水流的作用很容易发生表面消磨和脱落,使用紫外线处理,往往难以均匀辐照填料的内外表面,故使填料的内外表面的亲水性产生差异,也影响其使用效果。
最近,已有研究者开始研究制备生物填料用的亲水改性塑料,如在聚丙烯和聚氯乙烯中引入亲水物质进行亲水改性。
汪晓军等在塑料中混入水性高分子材料聚乙烯醇和聚丙烯酰胺,改善材料表面亲水性能,制造出具有亲水性表面的塑料材料,从而发明了水处理亲水性弹性填料。
用这种亲水填料与外形和结构完全相同、材料不同的普通填料用称重法进行亲水实验,结果发现,专利填料比普通填料在相同浸泡时间下对水具有更大的持重量:用模拟废水对2种填料进行厌氧和好氧生物膜法实验,发现亲水性填料生物膜反应器对COD cr的去除率比普通填料生物膜反应器效果好得多,对厌氧膜进行电镜观察发现,亲水填料上的膜比普通填料上的密实度高;对厌氧生物膜进行负荷冲击和恢复实验,发现亲水性填料反应器内的生物膜具有更强的耐负荷冲击能力,受冲击后恢复所需时间短。
5.2生物亲和(活性)填料材料生物亲和性的涵义通常指该材料与生物相容、不会对生物有任何损坏或有任何副作用。
目前,虽未有关于生物填料的生物亲和性研究的专门报道,但已有研究者认识到生物亲和物质对生物填料的重要性。
如微生物固定化填料大多以生物亲和性较好的海藻酸钙和琼脂糖等物质为载体。
隋军等认为,现有常用的生物填料是生物惰性的,对微生物无促进和活化作用,因而发明一种用于水处理的活性生物填料,该填料中含有少量面粉、淀粉及碳酸钙等粉体,认为其不但为微生物提供适当营养源,还可为微生物提供更多的物理附着点,同时还可改善填料的亲水性,更易于微生物生长,加快挂膜启动和提高水处理效率。
6 磁效应在废水生物降解中的应用及生物亲和亲水活性磁种填料的开发最近几年,许多研究者发现,弱磁场还可大大提高废水的生物降解效率。
在磁场应用方面,邬建平开发出一种UFO球碟形磁性生物填料!。
该填料的特别之处在于塑料材料经过磁粉和活性炭改性,使整个网格球体内外均带有微弱的磁场,能起到刺激菌群良性生长代谢的作用,使新生的菌膜极易挂于填料各表面,而衰老的菌尸体也极易脱落,显示出良好的生物磁效能和生物活性炭功能。
另外,目前已经发现不少菌种为嗜磁菌(如光合细菌、氧化铁硫杆菌,这些菌种是食品等工业废水的常用降解菌),弱磁场的存在会促进生物细胞生长和新陈代谢,并诱导酶的合成和酶活,加快酶反应。
这样一来,在生物亲和亲水磁种填料表面就会形成一个有机物浓度、微生物量和溶氧浓度都相对较高的区域,三者的接触、扩散几率会大大增加,同时,经磁化的水渗透压升高,有利于有机物与氧经生物膜向细胞质扩散,强化了物质传递及膜内的生化反应。