一种新型悬浮生物填料的开发及其应用

黄建梅

（深圳市中拓天达环保科技有限公司，深圳 518000）

随着我国经济的快速发展及居民生活健康意识的提高，人们对水环境质量的要求日益增长。因此，关于工农业生产和生活中排放的废水的控制标准以及污染治理技术的研究，正逐步得到人们的重视。但是，当前我国废水处理效率较低，因此研究新型的污水处理技术及材料成为发展的重要方向。

1 我国污水生物处理工艺现状

我国的传统污水生物处理工艺主要分为活性污泥法工艺和生物膜法工艺。活性污泥法是目前全球应用最为普遍的一种生物处理工艺。由于生物膜法具有生物量大、运行负荷高、产泥量低、抗有毒物质和冲击负荷能力高、无污泥膨胀、运行简单等优点，近几年，生物膜工艺得到迅猛的发展，生活污水、工业废水、微污染源水等处理领域几乎都有悬浮填料的身影，可以说所有的污水生物处理工艺中都可以引入悬浮填料，悬浮填料的应用将会越来越广泛。由于悬浮填料广阔的市场前景，悬浮填料的开发一直十分活跃，是当前生物膜应用研究的热点问题。

2 悬浮生物填料的研究

由于具有比重接近于水、无需固定支架等优点，悬浮生物填料得到广泛应用。悬浮填料是生物膜法工艺的核心，是在固定式填料和粒状硬质填料的基础上发展而来的。20世纪90年代初，新型轻质可自由移动的悬浮填料研发成功，开拓了一个新的水处理方向。在国外，悬浮生物填料已进入使用阶段，与国外相比，我国发展较为缓慢，许多关键技术落后于国外，没有自主知识产权，这成为制约我国环保技术和设备国产化的老大难问题。

目前，根据国内外已经研发的悬浮填料的形状、大小和材质的差异，悬浮填料大致可分为无机材料、多孔泡沫材料、大型球状或柱状悬浮填料等。

2.1 无机材料

轻质陶粒是最典型的无机材料悬浮生物填料。Kariminiaae-Hamedaani等人将微生物固定到一种新型填料上处理食品加工厂废水，可达到87%的COD平均去除率[1]。国内对无机材料也有部分应用，王立立等人将轻质陶粒投入到曝气池中，进行生活污水处理小试试验，反应器挂膜启动只需一周，CODCr（化学需氧量）和NH4+-N（氨氮）去除率均能达到70%[2]。

2.2 多孔泡沫材料

多孔泡沫填料的典型代表是德国LINDE公司研制开发的LINPOR填料，材质多为聚氨酯泡沫块，大小不超过15 mm，填料呈多孔状，表面和内部均长满微生物，既可以生物膜法为主独立运行，也可投加到活性污泥处理池以提高处理效率。Reimann H将类似的聚氨酯泡沫块作为生物载体投加到生活污水处理工艺的曝气池中，调节合理的水力停留时间，BOD5（生化需氧量）和NH4+-N去除效果较好[3]。

2.3 大型球状或柱状悬浮填料

该类填料是国内填料生产厂家在20世纪90年代中期自主研发的，现已在国内不少污水和工业废水处理工程中得到了实践验证。20世纪90年代，北京桑德环境技术发展公司研发了一种典型的球状硬质塑料悬浮填料——SNP悬浮生物载体。胡洁利用该填料处理生活污水，达到75%～85%的去除率[4]。徐斌利用这种填料进行微污染水的净化，获得了很好的硝化效果，达到了77.6%的NH4+-N平均去除率[5]。董滨也将这种载体运用到A2O工艺（厌氧-缺氧-好氧工艺）中，进行了硝化特性试验[6]。

3 新型多孔悬浮生物填料的开发

多孔悬浮生物填料能够加速生物反应器的挂膜启动速度，增加反应器中的污泥浓度，提高反应器去除效率。研制具有表面多孔特殊结构的车轮型填料，提高了多孔型填料上生物膜的传质效率；通过改造结构，改变多孔悬浮生物填料的比重，可以减小填料达到均匀流化状态所需的曝气量，节约能耗；利用废弃的多孔材料，可以制备性能优越的孔悬浮生物填料，节约填料成本。基于悬浮生物填料的悬浮生物滤床反应器具有良好的布水布气性，在废气和废水处理中能够获得很高的生物量，且生物膜的更新良好，解决了固定式生物滤床易堵塞的问题。2017年，深圳市中拓天达环保科技有限公司研制出一种车轮型表面多孔悬浮填料，这是一种新型多孔悬浮生物填料。

3.1 车轮型表面多孔悬浮填料

车轮型表面多孔悬浮填料是在聚乙烯圆环骨架的表面生长一层多孔结构的高分子聚合物，制备了一类新型的车轮型表面多孔悬浮填料（SC）。这种填料具有表面多孔的结构，能够提供很大的比表面积，提高MBBR（移动床生物膜反应器）的挂膜启动速度。另外，它还能提高生长在多孔层中生物膜的传质效率，因为在填料碰撞时，表面多孔层被压缩，已经被微生物净化的水从生物膜中挤压出来，而后多孔层恢复原状时又能吸收污水，即使在较厚的生物膜中，也能获得很高的传质效率。

3.2 两种新型车轮型表面多孔悬浮填料的制备

3.2.1 S-SC

将管壁厚度为2 mm，外径为20 mm，密度为0.9 g/cm3的聚乙烯管切割成10 mm的宽度作为骨架，在其内外表面生长的多孔高分子层，形成具有环状骨架的表面多孔填料（S-SC），如图1所示。该高分子多孔材料，有很好的耐紫外线，耐酸、碱、盐等化学品溶剂，耐真菌、细菌等微生物腐蚀的性能，具有良好的生物稳定性。在试验中，笔者将该车轮型表面多孔悬浮填料以S-SCx-y的格式命名，x表示多孔层的厚度，y表示多孔层的孔径。当多孔层的孔径固定为45 ppi（每寸45个孔），不同的多孔层厚度（0 mm、2 mm、4 mm和6 mm）的车轮型表面多孔悬浮填料被命名为S-SC0、S-SC2-45、S-SC4-45和S-SC6-45。当多孔层的厚度固定为4 cm，多孔层孔径分别为17 ppi、45 ppi和85 ppi的车轮型表面多孔悬浮填料被命名为S-SC4-17、S-SC4-45和S-SC4-85。

图1 S-SC填料

3.2.2 BioM-SC

由于在环状聚乙烯内表面生长多孔层的制备难度较大，故选取圆环内部有十字骨架的商品填料BioM作为原料，将试验得出的最佳多孔层厚度与孔径的高分子聚合物生长到商品填料BioM的外表面，如图2所示。商品填料BioM是经过表面改性的聚乙烯圆环，直径为20 mm，长度为20 mm，密度为0.96～0.9 g/cm3，购自大连宇都环境工程技术有限公司。

图2 商品填料BioM-SC

3.2.3 S-SC处理污染效果

本文研究的一种新型的车轮型表面多孔悬浮填料（S-SC），是在一个聚乙烯圆环骨架的内外表面生长一层多孔的结构的高分子聚合物。

将S-SC应用于MBBR处理模拟生活污水（CODCr浓度250 mg/L，NH4+-N浓度25 mg/L），并考察了不同多孔层厚度（0 mm、2 mm、4 mm、6mm）和不同孔径大小（17 ppi、45 ppi、85ppi）的填料的有机物去除效果和填料上的污泥浓度，结果表明最佳的多孔层厚度为4 mm，最佳孔径为45 ppi。经过7 d连续运行的挂膜过程后，S-SC4-45获得了比S-SC0和商品填料BioM更高的总体微生物活性，降解NH4+-N的耗氧速率和降解CODCr的耗氧速率分别达到了17.4 mg/h和150.1 mg /h。根据DGGE的图谱分析，S-SC4-45和BioM的微生物种群构成相似，16SrRNA测序结果表明，Sphaerotilus sp.和Aeromonas sp.是两种填料上微生物的优势菌种，且S-SC4-45的微生物种群结构更为丰富。基于S-SC4-45的MBBR在反应器启动的第2 d就达到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挂膜启动结束，CODCr去除率达到99.5±1.1 %，NH4+-N去除率达到93.6±2.3%，远远高于商品填料BioM的处理效率。综上所述，这种S-SC能够加速MBBR的挂膜启动速度，提高生物膜的传质效率，能获得良好的处理效率。

3.2.4 BioM-SC处理污染效果

本文还将最佳厚度和孔径的多孔层生长到商品填料BioM上，制备成BioM-SC，并构造了一种新型的处理有机废气的生物反应器——悬浮生物滤床反应器（SBF）。这种反应器在研究中被应用于模拟甲苯废气的净化，它能够快速地完成微生物的驯化过程，有良好的抗冲击负荷和间歇运行的能力，且处理效率良好，在甲苯进气负荷为11.0～58.5 g/（m3·h）的范围内的甲苯平均去除率达到90.2%。在甲苯进气负荷为272.2 g/m3·h时，得到了最大的甲苯降解速率113.6 g/（m3·h）。反应器的去除效果良好，归因于填料上有丰富的甲苯降解菌。测序分析结果表明，BioM-SC的生物膜中有多种高效甲苯降解菌群。反应器在141 d长时间的连续运行中保持了很高的污泥浓度，且没有出现堵塞的情况。综上所述，SBF能够克服传统生物滤床容易形成微生物积累和堵塞的缺点，获得良好的有机废气处理效率。

4 车轮型多孔悬浮填料的应用

由于多孔悬浮填料有如此多的优点，已投入使用的悬浮填料生物膜反应器主要用于市政污水和工业废水的处理。近年来，我国也有许多学者进行了这方面的探索。

4.1 处理生活污水、市政污水

马建勇等设计了两个有效体积为120 m3的MBBR，用于处理抚顺乙烯有限公司的低浓度生活污水，入水COD只有60～80 mg/L，停留时间为2.4 h时，出水COD为20 mg/L，满足循环冷却水的回用标准[7]。Kristi Biswas等人主要研究了悬浮填料生物膜反应器处理生活污水时，生物膜的特性和微生物的种群分布，生物膜中以梭状芽胞杆菌和δ变形菌为主，另外还有乙型变形菌纲、丙型变形菌纲、属于古细菌的八叠球菌和许多浮游生物等[8]。结果表明，悬浮填料上的微生物种类多样，比传统的活性污泥法中的种群构成复杂。

4.2 脱氮除磷

Rusten B等人将以Kaldnes型填料为载体的悬浮填料生物膜工艺用于处理Frevar废水处理厂的生活污水，进水经过预处理后，进入反应器[9]。研究发现，在反应器运行前期的脱氮效果主要由易降解有机物浓度以及缺氧区中的溶解氧浓度决定，该中试试验将悬浮填料与先硝化、后脱氮，最后投加絮凝剂进行固液分离的系统结合，在入水TN（总氮）为25 mg/L，空床停留时间为4～5 h的条件下，达到70%的TN去除率。Pastorelli G等人在没有外加碳源的条件下，用序批式MBBR完成磷的去除，试验证明，保持足够的总COD负荷对磷的去除十分重要[10]。

4.3 工业废水

有学者采用厌氧悬浮填料生物膜反应器对费托合成废水进行处理效率研究，并考察了在高有机负荷条件下系统的运行情况。当有机负荷小于31.1 g/（L·d）时，COD去除率大于97%；当有机负荷从39.7 g/（L·d）增加到 56.3 g/（L·d）时，COD 的去除率从88%降至61%。

5 结语

本文针对现有多孔型填料传质效率低、挂膜后比重难以控制以及成本费用高的问题，研制了一种新型多孔悬浮生物填料。首先是在硬质的骨架材料表面上生长一定厚度的多孔层，这种特殊的结构能够促使填料在填料间或填料与反应器壁的碰撞摩擦过程中增强传质效果；然后，通过控制多孔材料的闭孔与开孔的比例调整多孔填料的比重，使之在较小的曝气量下便有良好的流化效果；最后，对废弃的多孔材料进行改性，制备成多孔悬浮生物填料，为废弃物的资源化利用提供可靠的途径。这些填料不仅克服了目前悬浮生物填料的缺陷，还将为开发高效悬浮生物填料提供新思路。

参考文献

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，刘焕彬，胡勇有，等.曝气生物滤池处理低浓度生活污水的研究[J].工业水处理，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 洁.SNP悬浮型生物填料在生活污水处理中的应用[J].环境导报，1998，（5）：18-19.

5 徐 斌，夏四清，高廷耀，等.悬浮生物填料床处理微污染原水硝化试验研究[J].环境科学学报，2003，23（6）：742-747.

6 董 滨，周增炎，高廷耀.投料A2O工艺的硝化特性[J].给水配水，2004，30（9）：50-52.

7 马建勇.移动床生物膜反应器处理低浓度污水的性能[J].大连理工大学学报，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.