田 青 ，鮑曉博 ，吳 端

（1.天津港保稅區(qū)水處理新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地，天津 300191；2.首創(chuàng)愛(ài)華（天津）市政環(huán)境工程有限公司，天津 300191）

0 引言

我國(guó)的城市化進(jìn)程處于不斷的增速過(guò)程中，水體污染與藻類(lèi)爆發(fā)等問(wèn)題日漸突出。我國(guó)污水處理廠目前廣泛采用的還是常規(guī)的二級(jí)生化處理工藝，沒(méi)有獨(dú)立的脫氮除磷單元，對(duì)污水中氮磷等污染物質(zhì)的去除率不能滿足日益發(fā)展的水資源供給和水環(huán)境需求，因此，脫氮除磷工藝的研究與開(kāi)發(fā)已成為水體污染控制與治理領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)。懸浮填料生物膜工藝（suspended carrier biofilm process，SCBP）又稱移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（moving bed biofilm reactor,MBBR），作為新型的水處理工藝，其目的是在原有活性污泥處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高負(fù)荷率、增加脫氮除磷的能力［1，2，3］，其理論研究和水處理領(lǐng)域的應(yīng)用均取得了快速發(fā)展，成為當(dāng)今水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

1 懸浮填料與生物膜工藝

在污水生化處理中，活性污泥法和生物膜法是兩大主要的技術(shù)歸趨，基本上全部的污水生化處理工藝過(guò)程都可以歸結(jié)為活性污泥法或/和生物膜法的具體應(yīng)用形式。生物膜法主要類(lèi)別有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)、生物接觸氧化、生物流化床等。懸浮填料生物膜工藝指在水處理構(gòu)筑物中直接投加密度與水相近的輕質(zhì)填料，利用附著生物量或者生物膜與活性污泥聯(lián)合作用。填料在池內(nèi)曝氣時(shí)隨水流動(dòng)，自由流化。其本質(zhì)上屬于生物膜法，但是在運(yùn)動(dòng)特性、運(yùn)行方式以及生物膜狀況等方面具有獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)。生物膜法的構(gòu)成關(guān)鍵即是微生物群體得以掛膜的填料或載體。為提高生物膜的處理能力，科研開(kāi)發(fā)主要集中在微生物菌種篩選、生物膜反應(yīng)器設(shè)計(jì)、生物填料/載體3個(gè)方面，其技術(shù)核心之一就是填料/載體。填料起著固結(jié)微生物的作用，生物膜在填料上的附著性能，直接制約著生物膜法水處理工藝的啟動(dòng)和運(yùn)行效果。

懸浮填料的研發(fā)著力于幾個(gè)方面：（1）提高機(jī)械強(qiáng)度和剛性，避免在填料反沖洗過(guò)程中的形變，降低使用磨損率。同時(shí)，避免填料發(fā)生破碎。（2）提高填料的化學(xué)穩(wěn)定性，避免其發(fā)生化學(xué)腐蝕。（3）提高填料的外形設(shè)計(jì)水平和制造能力，提供大比表面和高孔隙率，增加生物附著量。（4）進(jìn)行填料表面改性，提高填料表面能和傳質(zhì)效率，提高其在氣液反沖洗過(guò)程中的再生性能，延長(zhǎng)填料使用壽命。

20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來(lái)的懸浮填料，具有良好的孔結(jié)構(gòu)和很高的孔隙率，比表面積大，水力阻力小，在反應(yīng)器中的流化能耗低。內(nèi)部具有大量網(wǎng)狀并相互連通的孔道，不僅對(duì)微生物的附著性能好，氣液傳質(zhì)速率高，而且還可以有效地避免微生物受水流剪切和沖擊的影響［4，5］。此外，從表面向內(nèi)，隨著溶解氧傳輸率的不斷降低，載體內(nèi)外依次形成了適于厭氧和好氧微生物生長(zhǎng)的微環(huán)境，為增加生物多樣性提供了基礎(chǔ)條件［6］。這類(lèi)填料形成的復(fù)合生物反應(yīng)器、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器等形式的懸浮填料生物膜法工藝，吸收了傳統(tǒng)的流化床和生物接觸氧化法兩者的優(yōu)點(diǎn)，成為一種新型高效的污水處理技術(shù)［5，7］。生長(zhǎng)了生物膜的懸浮填料因密度與水接近，填料依靠曝氣和/或攪拌作用，處于流化狀態(tài)，并隨水流移動(dòng)，生化池曝氣過(guò)程中，不僅使污水與填料上的生物膜廣泛而頻繁地接觸，而且填料在流化過(guò)程中可切割分散氣泡，使布?xì)廒呌诰鶆颍龃罅斯獭骸獨(dú)馊嘀g的充分接觸混合和碰撞，顯著提高了生化反應(yīng)池中氧的轉(zhuǎn)移利用效率［8，9］。懸浮填料的開(kāi)發(fā)研制，也成為目前填料研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。使用的填料的規(guī)格一般為直徑20~150 mm，形狀分類(lèi)主要有球形和圓柱形2種，填料的比表面積為50~500 m2/m3。

針對(duì)市政污水升級(jí)改造項(xiàng)目，尤其是一級(jí)B升級(jí)一級(jí)A工程，使用懸浮填料的生物接觸氧化工藝在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了很多業(yè)績(jī)，且用戶反映良好。但生物接觸氧化工藝的投資造價(jià)制約其在新建項(xiàng)目上的應(yīng)用。沒(méi)有行業(yè)或國(guó)家的正式設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，也是在新建污水處理廠推廣的主要困難之一，要大力推行，必須優(yōu)先推出行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段生物接觸氧化工藝比較適合中、大型污水處理廠一級(jí)A的升級(jí)改造項(xiàng)目，尤其是大型污水廠，在原有污水廠征地困難的情況下，生物接觸氧化工藝具有節(jié)約用地、構(gòu)造簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是生物接觸氧化工藝今后主要的市場(chǎng)發(fā)展方向。

2 懸浮填料生物膜工藝原理

懸浮填料生物膜工藝是通過(guò)投放密度近似1.0g/cm3的分散性填料于生化反應(yīng)池中，使之作為微生物附著生長(zhǎng)的基質(zhì)，形成穩(wěn)定的生物膜結(jié)構(gòu),并通過(guò)流化,加強(qiáng)與污水中有機(jī)物的接觸作用，使填料生物膜的微生物群落連續(xù)攝取污水中有機(jī)污染物,降低污水中COD含量，并取得一定的脫氮效果［10，11］。該工藝既可在好氧環(huán)境下運(yùn)行，也可在缺氧和厭氧條件下運(yùn)行。在好氧環(huán)境下,填料依靠曝氣和水流的提升作用,在反應(yīng)器內(nèi)自由流動(dòng)；在缺氧和厭氧環(huán)境下,通過(guò)機(jī)械攪拌即可使填料呈現(xiàn)流化狀［12，13］。填料表面的生物膜結(jié)構(gòu)，由內(nèi)向外依次形成厭氧、兼性厭氧和好氧微生物群落，生物膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，細(xì)菌世代時(shí)間長(zhǎng)，為在活性污泥中較難繁殖的硝化細(xì)菌提供了較好的生境，從而提高了生化處理過(guò)程的好氧硝化性能［12-21］。掛膜成熟的懸浮填料單位面積硝化速率可以達(dá)到1.0gNH3—N/m2填料·d，最多可以達(dá)到 1.4～1.6gNH3—N/m2填料·d［4，20］。

3 懸浮填料的主要分類(lèi)

目前常用的懸浮填料可歸結(jié)于以下類(lèi)別［21-23］：

（1）多孔泡沫填料：材質(zhì)多為聚氨酯泡沫塊，密度小于水，形狀為小方塊，大小不超過(guò)15mm，工藝中載體投配率為1%~3%，可極大提高生物量，濃度可達(dá)5~8 Gmlss/l，呈多孔狀，表面和內(nèi)部均可生長(zhǎng)微生物以提高生化處理效果。填料比重與水接近，可以懸浮于水中流動(dòng)。可分為分別針對(duì)含碳、含氮有機(jī)物的硝化和同步反硝化工藝的不同品類(lèi)。

（2）KMT型懸浮填料（見(jiàn)圖1）：由挪威Kaldnes公司所研發(fā)的該系列填料，是目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣范的懸浮填料類(lèi)型。該填料為圓柱狀，以聚乙烯塑料為主要材質(zhì)，外觀呈外棘輪狀，填料內(nèi)壁具有十字筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，填料直徑約10mm，高度為10mm，密度為0.92~0.96g/cm3，總體投加比可達(dá)到70%，比表面積可達(dá)350 m2/m3，生物量濃度可達(dá)3~4 Gmlss/l。國(guó)內(nèi)諸多廠家以該填料為原型，開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)類(lèi)似的系列懸浮填料產(chǎn)品［5，6，8，21］，有效比表面積已可提高到 800 m2/m3，發(fā)揮了顯著的強(qiáng)化脫氮生化反應(yīng)能力。

（3）大型球狀或柱狀懸浮填料：該類(lèi)填料源于國(guó)內(nèi)填料生產(chǎn)廠家在20世紀(jì)90年代中期的自主研發(fā)，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)不少污水和工業(yè)廢水處理工程中得到了實(shí)踐驗(yàn)證［24］，填料規(guī)格已基本定型為粒徑25mm，50mm，80mm和100mm等規(guī)格的高分子聚合物注塑而成的多孔圓球狀或圓柱狀骨架（見(jiàn)圖2），填料內(nèi)部設(shè)計(jì)一定的翼板和/或套環(huán)結(jié)構(gòu)，填料密度約為0.95～0.98 g/cm3，比表面積已可達(dá)到 400 m2/m3［25-27］。

圖1 Kaldnes KMT型懸浮填料

圖2 球狀或柱狀懸浮填料

懸浮填料具有良好的幾何構(gòu)型，微生物生長(zhǎng)狀態(tài)良好，有機(jī)物降解效率更高。水中氧氣和污染物可順利穿過(guò)填料，增加生物膜與氧氣和有機(jī)污染物的接觸，提高傳質(zhì)效率和生物降解性能。填料比表面積大，生物附著量多，適合硝化菌生長(zhǎng)，硝化脫氮效果明顯。懸浮填料的密度適中，易流化，水力攪拌能耗不高。填料附著的結(jié)構(gòu)良好的微生物菌群也可獲得較強(qiáng)的含碳有機(jī)物降解能力，COD容積負(fù)荷可達(dá)到6 kgCOD/m3·d以上。由于生物膜技術(shù)不存在傳統(tǒng)活性污泥法的污泥膨脹、污泥上浮以及污泥流失等常見(jiàn)問(wèn)題，污水處理廠的日常運(yùn)行管理更加便捷。通過(guò)填料的增加可以在不增加污水處理廠池容的條件下獲得污水處理負(fù)荷的提升,可滿足污水處理廠提標(biāo)升級(jí)改造的產(chǎn)業(yè)需求。

4 小結(jié)與展望

懸浮填料生物膜工藝雖距今只有10多年的歷史，但其發(fā)展十分迅猛，因建造簡(jiǎn)單和操作方便，可在不增加反應(yīng)器容積的條件下改造現(xiàn)有的常規(guī)污水處理廠，使之提高對(duì)有機(jī)物的去除率和達(dá)到脫氮除磷的目的。如張家口主城區(qū)污水處理廠規(guī)模為10萬(wàn)t/d，該污水處理廠原出水水質(zhì)為國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用懸浮填料生物膜工藝對(duì)其原有的工藝進(jìn)行升級(jí)改造，達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)錫蘆村污水處理廠規(guī)模為20萬(wàn)t/d，采用A2O活性污泥工藝，污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高需要進(jìn)行升級(jí)改造，改造內(nèi)容將生物池改造為生物膜-活性污泥復(fù)合工藝，出水穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。懸浮填料生物膜工藝適應(yīng)了污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格的趨勢(shì)，可以相對(duì)方便地實(shí)現(xiàn)老舊污水廠的升級(jí)改造，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該工藝必將在我國(guó)得到更加廣泛的應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)懸浮填料的主要研發(fā)方向如下：

（1）推進(jìn)填料生物膜工藝反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究：通過(guò)工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室研究，充分積累填料生物膜工藝數(shù)據(jù)，完成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，建立二級(jí)生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式，為填料生物膜工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供技術(shù)支持。

（2）改進(jìn)懸浮填料的流態(tài)：試驗(yàn)優(yōu)化填料的最佳投配率、氣水比等，使懸浮填料的流動(dòng)更均勻和快速，有利于避免反應(yīng)死區(qū)和提高傳質(zhì)效果。

（3）提高填料的比重均一性：使掛膜后的懸浮填料密度更接近于水的密度而且均一，僅需更小的曝氣量和機(jī)械攪拌即具有良好的流動(dòng)性，減少能耗。

（4）加強(qiáng)懸浮填料的掛膜能力：通過(guò)對(duì)填料表面提高粗糙度和進(jìn)行親水改性，縮短懸浮填料掛膜時(shí)間，提高填料生物膜中硝化菌群數(shù)量，增強(qiáng)脫氮處理效果。

（5)開(kāi)展填料親水性改性：進(jìn)行填料聚乙烯等基質(zhì)材料表面的親水性改性處理，引入親水性官能基團(tuán)，更好地滿足該有機(jī)填料在水相體系中的使用要求。

懸浮填料是填料生物膜工藝的核心，其水力特性、生物膜附著性、空間形狀及比表面積、機(jī)械強(qiáng)度和延展性、化學(xué)和生物穩(wěn)定性等方向是進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。開(kāi)發(fā)高效、廉價(jià)的功能性懸浮填料、提高有效比表面積以及工藝和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化等領(lǐng)域的研究將推動(dòng)懸浮填料生物處理工藝的快速發(fā)展。

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