曝气生物滤池填料的研究进展分析

摘要：曝气生物滤池（Biological aerated filter：BAF）处理污水是近年来开发出的污水处理工艺，已在欧美和日本广为流行，但在我国研究甚少。曝气生物滤池最大的特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续沉淀池（如二沉池）。此外，该处理工艺容积负荷、水力负荷大，占地面积、基建投资少，氧转移率高，出水水质好等特点。

关键词：曝气生物滤池 填料的研究进展 污水处理技术

曝气生物滤池（Biological aerated filter：BAF）处理污水是近年来开发出的污水处理工艺，已在欧美和日本广为流行，但在我国研究甚少。曝气生物滤池最大的特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续沉淀池（如二沉池）。此外，该处理工艺容积负荷、水力负荷大，占地面积、基建投资少，氧转移率高，出水水质好等特点。
1 曝气生物滤池污水处理技术的发展
在城市污水的治理领域，传统的污水处理工艺，如传统活性污泥工艺及其变形工艺、生物氧化沟工艺、生物脱氮除磷工艺（A/O法、A/A/O法及其改进工艺）。A-B工艺和SBR工艺等，处理的水质能达到排放水的一般要求，但不能达到城市 一般回用水标准，而且投资和占地面积大，难于管理。例如活性污泥法，其研究、应用、改进已有很长的历史，目前在世界上仍占优势地位，但同时也存在一些难以克服的缺点。因此，近十几年来，各种废水处理新技术不断涌现。
　　在欧洲，为了适应新的标准[1-2]，陆续开发了一系列新的污水处理技术，曝气生物滤池从中脱颖而出。它首先被用作三级处理，后来发展成直接用于二级处理[3]。自第1套建在靠近巴黎的sois-sons污水处理厂的装置投产运行以来[4]，已在欧、美和日本等发达国家广为流行，目前世界上已有几百座污水处理厂应用了这种技术。曝气生物滤池不仅用于水体富营养化处理，而且广泛地用于生活污水、生活杂排水和食品加工、水果蔬菜罐头、鱼肉制品、酿造和造纸等工业废水处理中。


2 填料在曝气生物滤池中的核心地位
曝气生物滤池充分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物、定期反冲洗等特点于一体。其工作原理主要有过滤、吸附和生物代谢[5]。滤池工作时，在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生物膜，滤池内部曝气，污水流经时，利用滤料上高浓度生物膜的强氧化降解能力对污水进行快速净化；同时，因污水流经时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出；此外，填料及附着其上生长的生物膜对溶解性有机物具有一定的吸附作用。运行一定时间后，因水头损失的增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。曝气生物滤池正是通过这样反复的周期性运转来处理污水的。


　　填料作为曝气生物滤池的核心组成部分，影响着曝气生物滤池的发展。曝气生物滤池发展过程中依次出现过3种不同的形式[1、6-7]：BIOCARBONE，BIOFOR和BIOSTYR，采用的填料各不相同。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。石英砂粒由于密度大，比表面积、孔隙率小；当污水流经滤层时阻力很大，生物量少，因此滤池负荷不高、水头损失大。轻质陶粒和聚苯乙烯作填料时，由于密度小，比表面积、孔隙率大，生物量大，因此滤池负荷较大，水头损失较小。国外的实际运行表明，BIOFOR和BIOSTYR明显优于BIOCARBONE。



　　事实上，BAF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，为此，英国、美国和印度等国已制定了曝气生物滤池所用滤料的相应标准，法国德利满公司对应用于曝气生物滤池的滤料也制定了相应的说明书及测试规范，可见各国对曝气生物滤池的滤料都有严格的要求。


3 填料的研究进展
曝气生物滤池所用填料，根据其采用原料的不同，可分为无机填料、有机高分子填料；根据填料密度的不同，可分为上浮式填料和沉没式填料。无机填料一般为沉没式填料，有机高分子填料一般为上浮式填料。常见的无机填料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐等，有机高分子填料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等。
　　国外，Rebecca Moore等[8]研究了尺寸范围分别为1.5～3.5mm和2.5～4.5mm的填料对曝气生物滤池处理效果的影响，发现小颗粒（1.5～3.5mm）填料虽然有利于脱氮，但不适应高的水力负荷；而大颗粒（2.5～4.5mm）填料虽然改善了滤池操作条件，减少了反冲洗的次数，但不利于脱氮和SS的去除。这为曝气生物滤池填料在尺寸要求上提供了一定的依据。Allant[9]等人研究结果表明：上浮式填料比沉没式填料对SS、有机物的去除率高，更耐有机负荷和水力负荷冲击。Won-Seok Chang[10]等以天然沸石和砂粒为填料研究BAF对纺织废水的处理效果发现：天然沸石对纺织废水的处理效果优于砂粒的处理效果，这是因为天然沸石具有更强的阳离子交换能力和更大的比表面积。这说明轻质填料取代高密度填料是曝气生物滤池污水处理技术发展过程中的必然趋势。

　　我国对曝气生物滤池填料的研究以陶粒为最多，这是因为陶粒作为填料的一种，不仅材料低廉易得，而且显示出的优良特性，特别适合我国的国情。早期的陶粒大多采用页岩直接烧制、破碎、筛分而成，为不规则状（片状居多）。最近出现的球形轻质陶粒，采用粘土（主要成分为偏铝硅酸盐）为原材料，加入适当化工原料作为膨胀剂，经高温烧制而成。朱乐辉等人[11]以粘土为主要原料，结合其它化工原料在温度为1180℃时烧制的轻质陶粒用作曝气生物滤池污水处理的研究表明：①球形轻质陶粒强度大、孔隙率大。比表面积大、化学稳定性好，与玻璃钢、聚氯乙烯、聚丙烯、维纶等滤料相比，具有生物附着性强、挂膜性能良好、水流流态好、反冲洗容易进行。截污能力强等优点；②形状规则，粒径可大可小，密度适宜，克服了不规则粒状滤料水流阻力大，易引起氧化池堵塞，反冲洗强度大，易冲刷破碎的缺点；③加工过程完全不同于传统的片状陶粒滤料。表面结釉一直是传统片状陶粒滤料没有解决的难题；而球形轻质陶粒主要以粘土为原料，控制适当的配料和烧制工艺，可改变陶粒的密度，且使其表面粗糙、多微孔、不结釉。④以球形轻质陶粒作接触填料，采用淹没式曝气生物滤池处理污水，可以起到深度处理的作用，处理后的水能重新利用并节约用地。周彩楼等[12]以净水厂淤泥为原料研制超轻陶粒取得了满意的结果，开创了污泥资源化的又一途径。齐兵强、王占生等人[6]以球形轻质陶粒（主要性能见表1）作为曝气生物滤池填料处理生活污水时发现：尽管在很高的滤速（6.5～8m/h）下，其处理水质仍然很高，而且曝气量小，氧利用率高；此外，该曝气生物滤池系统水头损失增加缓慢，反冲洗周期长，节约了能源和操作费用。

项目	粒径/ mm	堆积密度/ (g·cm-3)	密度/ (g·cm-3)	比表面积/ (m2·g-1)	内部孔隙率	外部孔隙率
数值	3～6	0.89	1.56	4.11	0.09	0.339

从曝气生物滤池填料的发展来看，在以后的研究中，主要的方向将在以下几个方面：①研究填料对污染物去除的影响及污染物去除机制。目前，对BAF运行的工艺条件研究很多，但是对于污染物的转移和代谢途径没有深人的研究；填料上生物相分布、生态结构缺乏系统的分析和解释；另外，填料如何影响污染物去除机制不明。②开发以天然材料为主要成分的无机填料，如轻质陶粒的研究开发。合成的高分子填料与微生物之间相容性较差，所以在挂膜时生物量少，易脱落，而以天然材料为原料的无机填料可以克服以上不足，但是需要重点解决的问题是如何增加强度、增大空隙率和减小密度。③寻求改善填料性能的工艺和方法。填料加工过程中的工艺非常重要，为了获得优质填料，生产工艺和方法需要不断改进。④制定适于曝气生物滤池的填料标准。欧美国家对曝气生物滤池用填料均有较为严格的标准，但在我国目前还没有，在系统掌握填料的尺寸、性状、密度等因素对污染物去除的影响后，制定适于我国曝气生物滤池的填料标准意义深远。这不仅使得填料的生产规范化，而且极大促进BAF污水处理技术在我国的应用和推广。