填料对曝气生物滤池影响的概述
摘要：曝气生物滤池是一种新型的污水处理工艺，而填料作为曝气生物滤池最关键影响因素引起广泛关注。本文简单介绍了曝气生物滤池的工艺原理。填料的选择是滤池设计和出水水质的关键因素。填料技术在曝气生物滤池工艺中居核心地位。填料的类型、粒径、密度、高度对曝气生物滤池的效能有重要影响。同时展望了填料在今后的研究方向。
关键词：污水处理 曝气生物滤池 填料 研究方向
0 引言
曝气生物滤池(Biological Aerated Filter)是近些年来发展的一种新型的污水处理技术，它是集生物降解、固液分离于一体的污水处理设备[1，2]。与传统的污水处理工艺比较，它具有基建投资少，运行费用低，占地面积小，管理方便等诸多优点，非常适合我国的国情。
1 BAF的工艺原理
BAF是一种生物膜法处理工艺，其中废水净化过程是很复杂的，它包括废水中复杂的传质过程、氧的扩散与吸收、有机物的分解和微生物的新陈代谢等过程。滤池工作时，污水流经填料表面过程中，通过有机营养物质的吸附、氧向生物膜内部的扩散以及生物膜中所发生的生物氧化等作用，对污染物质进行氧化分解，使污水得以净化[3-4]。
2 BAF对填料的基本要求
2.1 填料表面适于微生物附着和生长
填料表面的物理和化学性质影响微生物附着、生长和生物膜的形成。表面粗糙、多孔的填料挂膜较快、生物量较高。
填料的表面结构、表面电位、亲水性等因素影响生物膜的附着。微生物一般带负电荷，而且亲水，因此填料表面带负电荷或亲水性强将有利于微生物的固定。
2.2 化学生物稳定性好
填料应对微生物无有害和抑制作用，不造成二次污染，且应具有较高的惰性，抗化学腐蚀且自身不被生物降解。
2.3 物理特征和机械性能适于反冲洗
填料的密度对于反冲洗是一个重要的影响因素，若密度过大将造成悬浮困难或耗水耗能过高，若密度过小在反冲洗阶段很容易跑料且不容易控制反冲洗强度。填料还应具有一定的机械强度，应避免在滤池运行过程中磨损严重而不能满足滤池要求。
2.4 价格适宜
填料价格影响工程投资和运行费用。廉价的天然材料用于填料虽可节省投资，但填料密度和流化速率等性能不适于反冲洗，可能增加能耗从而影响运行费用；一些合成填料性能虽好但彻骨本价格太高。因此，选择填料应兼顾性能和价格，优化选择。
3 填料在BAF工艺中的作用
在BAF工艺中，作为生物膜载体的生物填料（滤料），是该工艺的核心。生物填料影响着微生物的生长、繁殖、脱落和形态[5]；起着吸附并截留污水中悬浮物的作用[6]；并且还起到切割、阻挡气泡的作用，可以增加气泡在水体中的停留时间和气、液接触表面积，提高传质效果，加快氧的转移速率，减少曝气量，从而节约能源，并减少设备体积[5]。由此可见，填料对曝气生物滤池的运行效果及能耗都有着十分重要的影响。
4 填料对BAF效能的影响
4.1 填料类型的影响
曝气生物滤池滤料主要分为无机类滤料和有机类滤料，因填料类型不同在发展过程中依次出现过3种不同的形式[7-9]：BIOCARBONE、BIOFOR 和BIOSTYR。BIOCARBONE采用的是石英砂粒；BIOFOR采用的是轻质陶粒；BIOSTYR采用的则是密度比水小的聚苯乙烯球形颗粒。在国外，Kent和Williams等[10]人依据BEWA(the British Effluent and Water Association)标准，对常见的7种可用作曝气生物滤池的填料进行了系统试验分析，认为Arlita(膨胀球形粘土)最适合作为曝气生物滤池的填料。在国内，对以陶粒为曝气生物滤池填料的研究较多。曹春艳等[11]通过实验对沸石、活性炭、建筑陶粒、工程陶粒四种填料的研究，表明在水力停留时间为 1.5h，进水COD为150mg·L-1，有机负荷为0.74kg COD／(m3·d)时，工程陶粒是曝气生物滤池的最佳滤料。在实际工程中，应用球形轻质多孔生物陶粒取得了良好的效果，目前国内有数10个BAF采用其作为填料，从实际运行的效果分析，都能满足设计的要求。有机填料中，目前国内选用较多的有机类滤料主要为聚苯乙烯为材料的泡沫类球形滤珠。刘旭阳等 [12]通过对以聚乙烯为材料的6种填料(分别是多孔球形悬浮填料、组合式环填料、阶梯环状悬浮填料、鲍尔环柱悬浮填料、半软性填料、多面空心球形悬浮填料)进行试验分析，结果表明由于比表面积的差异，阶梯环和多面空心球填料挂膜时间短，耐冲击负荷能力强，运行效果稳定。
4.2 填料物理特性的影响
BAF的生物降解性能的优劣很大程度上取决于填料的特性，填料的研究和开发在BAF工艺中至关重要。作为微生物载体的填料对水处理效果的影响主要反映在载体的性质，包括载体的比表面积的大小、粒径的大小、表面亲水性及表面电荷、表面粗糙度、载体的密度、堆积密度、孔隙率、强度等。填料的选择不仅决定了可供生物膜生长的比表面积的大小和生物膜量的多少，而且还影响着反应器中的水动力学状态。因此作为生物膜载体-填料的各种特性决定BAF反应器能否高效运行，能否在水处理中得到更广泛的推广与应用[13-15]。
4.2.1 填料粒径的影响
填料粒径是影响滤池处理效能的重要参数。Kent等[16]人研究了曝气生物滤池去除氨氮实验，表明填料粒径为2mm～4mm时曝气生物滤池的硝化效能比填料粒径为4mm～8mm和5.6mm～11.2mm要好的多。OTV公司关于填料粒径与出水BOD5、TSS浓度的关系研究也表明填料粒径越小，出水水质越好。以上研究说明填料粒径越小时，由于填料的比表面积比较大，单位体积内的微生物量高，因此处理效果越好。
填料粒径也是影响滤池运行周期的重要参数。OTV公司研究了填料粒径与固体容重的关系，表明粒径越大，滤层的含污能力就越大。Rebecca、Moore 等[17]人以Starlight C为填料研究了填料粒径和反应器的运行周期表明填料粒径越大，滤池越不容易堵塞，运行周期相对较长。较大粒径填料（2.5～4.5mm）的运行周期比较小粒径填料（1.5～3.5mm）的运行周期延长了近70%。且大颗粒易与水分离，可加快反冲洗过程，并减少填料损失。
填料粒径对曝气生物滤池的处理效能和运行周期都有重要影响，填料粒径越小时处理效果越好，但填料粒径较小时，滤池容易堵塞，运行周期相对较短，需频繁反冲洗，且不易发挥填料深层的作用。因此曝气生物滤池选用填料需要同时考虑滤池的处理效能和运行周期，根据滤池进水水质和处理要求进行优化选择。
4.2.2 填料密度的影响
生物滤池填料的密度大小关系到生物滤池反冲洗强度的大小，密度越大，反冲洗强度越大，则需要的能量消耗越大；而填料的密度越小，用于反冲洗所消耗的能量也随之减小。因此在选择生物滤池填料时，需测定各种填料的密度。
4.3 填料层高度的影响
曝气生物滤池填料层高度对去除效果和基建投资有很大的直接影响。Francisco等[18]对陶粒作为填料的向下流曝气生物滤池工作性能与高度的关系进行了研究，得出结论：以陶粒作为填料的曝气生物滤池的床层适宜高度应为1.2m～1.5m之间。
在曝气生物滤池中可沿水流方向形成不同的优势菌群。李亚新等[19]人通过下向流BAF的研究，表明从填料顶部下至0.8m深度之间，COD去除明显，而氨氮在0m～0.6m之间去除效果较差，但在0.6m～1.4m氨氮浓度显著下降。江萍等[20]人用气液并流上升式的串联两极反应式(CN塔N塔)进行了处理生活污水的实验，污水流经总高度约1.3米，滤层高度到达1.2米之后，COD、氨氮的去除率分别可达到93.2％、80％。上述实验结果说明滤池进水端生长着大量异样菌，而在滤池另一端硝化菌占优势。
滤层高度与出水水质有关，在一定范围内，增加滤层高度可提高滤池的处理效果保证出水水质，但同时增加的污水提升扬程和反冲洗强度，将导致能耗升高。
5 结论与展望
从曝气生物滤池填料的发展来看，今后的研究方向主要将在以下几个方面：①研究填料对污染物去除的影响及污染物去除机制。②利用污染环境的废弃物如粉煤灰、污泥等开发新型填料的生产工艺和方法方面的研究。③研究填料性能参数和处理效率之间的关系以及填料表面改性与系列化陶粒滤料产品的研发寻求改善填料性能的工艺和方法。④制定适于曝气生物滤池的填料标准。
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