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专题报道
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填料研究的发展方向

经过水处理工编辑的长期努力,目前已经有许多性能良好的填料得到应用,但是随着水 处理标准和水处理技术的发展*对于填料的性能要求不断提高,新型填料仍有待进一步研究 和开发。水处理填料的发展方向会集中在新填料的开发和填料作用机制深入研究两个方面。 2.11.1水处理中新型填料的开发 2.11. 1. 1填料改性
 
填料的表面物理化学性能直接关系到净化污水的微生物在填料上挂膜的数量和质量,从 而直接影响到污水处理效果和处理效率,通过对填料进行改性,以提高散装填料的表面性 能,提高传质效率。目前由填料改性得到的新型填料主要有亲水性填料、隹物亲和性填料和 磁性填料三种。
 
(1)亲水性填料
 
亲水性填料如图2-63所示,当水与塑料等材料接触时,如果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。而填料 的亲水性改性是通过对填料表面处理或在原材料中引入亲水基团两种途径实现。表面结构改 性时,可以通过将填料浸入化学腐蚀液中糙化表面;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;用紫外线辐照塑料填料,使其表面氧化而形成极性基团;采用强 氧化性溶液,与塑料生物填料表面进行化学反应等手段对填料进行改性。
 
改性填料表面润湿性能有很大的提高,但也存在不少缺陷。如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。
 
近,已有研究者开始研究制备生物填料用的亲水改性塑料。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;通过与未改性填料对比试验发现,亲水性填料 比普通填料在相同浸泡时间下对水具有更大的持重量;亲水性填料生物膜反应器对CODCr 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。
 
毕源等采用氧化和接枝蛋白分子的方法,在聚苯乙烯生物填料表面提高了原有亲水性基 团的比例,饲时引人了新的亲水基团和细胞识别位点。利用配制模拟废水对氧化后接枝蛋白 分子填料进行动态培养生物挂膜试验,结果表明改性后的填料生物膜初期附着速率和增长量 明显高于未经改性的生物填料。
 
张近分析塑料塔填料表面性能及其润湿条件,指出改变表面分子结构以增加极性与加大 表面粗糙度而提高表面张力是改善塑料塔填料表面润湿性能的主要途径,并先容了表面糙 化、表面极化、表面接枝及等离子体表面处理等表面改性技术。
 
李茹等通过4种远程等离子体(Ar、He、02、N2)对PVC填料进行表面改性使PVC 填料表面的亲水性普遍增强,远程Ar等离子体琯珙通过将含氧基团和含氮基团引人填料 PVC膜的表面,使其表面极性增强,提高表面润湿性,使接触角(水)从97°降低到15^左 右,使得填料的挂膜性能提高,从而增强了 PVC填料的生物亲和性。改性后的PVC填料表 面生物膜形成速度加快,生物量显著增加。
 
(2)生物亲和性填料
 
生物亲和性填料淀粉和碳酸钙如图244所示,材料的生物亲和性的含义通常指该材料
 
与生物相容、不会对生物有任何损坏或有任何副作用。有研究者认识到生物亲和物质对生物
 
 
 
 
 
填料的重要性a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,对微生物无促迸和话化咋用.因而发 _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_ 亲水性,更易于微生物生长,加快挂膜启动和提髙水处理效率。
 
华南理工大学程江等通过在高分子基材中混人生物亲和物质、亲水性物质、磁粉和活性 炭制成了一种生物亲和亲水性磁性填料,制备的填料改善其生物亲和性、生物活性、亲水'性 不足和氧利用率不够等缺点,具有生物亲和性和亲水性、同时能诱导微生物的活性及酶活性 并可提高水中氧利用率和水处理效率。
 
«)磁性填料
 
近几年,研究发现,弱磁场还可大大提高废水的生物降解效率,可望使目前废水生物 处理效率较低、处理设施占地面积大的状况得以改善。将海藻酸钙、淀粉等生物亲和性物质 和含亲水基团的聚乙烯醇、硬脂酸等以及经修饰的磁粉(见图2-65>、活性炭引人普通高分 乎生物填料中,适当充磁后可成为生物亲和亲水活性磁性填料6这种填料一方面由于其生物 亲和性和亲水性得到改善;另一方面,填料中的活性磁性周围,相当于多个微型磁场&应 器,能通过磁致物理化学生物效应等协同作用*大幅增加有机污染物的降解速率。
 
 
 
 
a 筠粉
 
Jung等在一生化反应器外加一南极磁场处理含酚废水,发现酚的降解速率比不加磁场 的普通生化反应器高2倍至数倍。在活性污泥法水处理过程中,Sakai等发现*在水中加入 磁粉可平衡微生物的生长与fE亡,防止污泥膨胀.提高处理效率。
 
华南理工大学安燕、程江等人通过添加糖类、淀粉、羟基磷灰石(HAP)、磁粉等对普 通聚乙烯填料进行改性制成磁性滤料,充磁后形成新型磁性聚乙烯填料,增加了对含酚废水 的处理能力*
 
縣逸填闕'腿
 
陈志莉、熊开生等将适量的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、磁粉和活性炭填加到PVC生产原 料中,研制成一种改性PVC生物填料,这种新型PVC生物填料比表面积大、润湿性能好、 抗冲击性能好、挂膜速度快,研制的新型填料一体化船舶生活污水处理装置可K在船舶上推 广应用。
 
另外,目前巳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,在生物亲和亲水磁性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、扩散概率会大大增加,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 反慮<0
 
2.11.1.2填料功能复合化
 
图2-66为多种复合功能填料,随着填料事业的不断发展,填料的性能得到不断优化, 处理效率逐渐提高。但是任航鹕吵怯槔止俜狡教ɑ种填料都不可避免的有其不足之处。而组合式填料则弥补了 相互之间的缺陷,发挥各自的长处。
 
 
 
 
在球形填料内装填丝网形成球形丝网填料,既利用了丝网填料比表面积大、空隙率大、 表面润湿率高的优点.又避免了其装填困难、拆修不便的缺陷。
 
悬挂式填料是在软性填料和半软性填料的基础上发展而成的,它兼有两者的优点。其结 构是将醛化纤维或涤纶丝压在填料环的环圈上.使纤维束均匀分布;既借助了软性填料易挂 膜,有效切割气泡,提高氧的转移速率和利用率•又解决了软性填料容易打结的缺点,使水 中的有机物得到高效处理。
 
兰善红等将水泥、沙子、粉煤灰和聚合氣化铝混匀.然后加入3%的聚丙烯酰胺水溶 液,经固相反应聚合成集絮凝、吸附、氧化于一体的多微孔材料,其中的絮凝、氧化组分夹 聚在多微孔固态材料中,后制成多孔的固定化絮凝剂填料,填充于BAF中用于处废水。 既利用填料絮凝、吸附、氧化作用,又利用填料表面徵生物的降解作用来处理废水。并通过 实验得出粉煤灰固定化絮凝剂颗粒作为填料应用于曝气生物滤池(BAF)具有启动快、挂 膜时间短、充氧性能好、抗冲击负荷强、生物附着性能好的特点,是一种良好的BAF填料。
 
龙腾锐等研制出了水处理酶促生物填料,这种填料是采用天然黏土和工业废料如泥煤、 煤矸石、粉煤灰等加入生物生长促进剂、造孔剂等煅烧生产而成的对微生物生长具有促进作 用的水处理填料,该填料孔表面积、表面粗糙度较大,有利于微生物的繁殖生长。载体的表 面粗糙度大,对微生物的捕捉能力强,有利于以球菌、杆菌等优势菌种的菌胶团附着生长, 从而可形成对水中有机物具有良好絮凝、吸附和氧化性能且结构致密的生物膜,可促进微生 物生长和激活生物活性、可缩短滤床运行启动时间、可减小滤池体积和减少占地面积,是一 种理想的水处理生物载体填料。在常温下*以城市污水为例,对酶促填料、高炉渣和陶粒的 缺氧挂膜对比试验研究表明,酶促填料表面在试验开始后第3天出现生物膜附着特征,第 豳天完成挂膜,挂膜成功时间比陶粒快9天,比高炉渣快15天,大生物膜厚度分别为高 炉渣、陶粒的1. 37倍和1. 63倍。
 
2.11.1.3填料形状改进
 
图2-67为一种仿生填料.对于填料形状的设计.从镦生物生长的要求、反应器运行的 要求、降低投资和运行费用的要求等几方面考虑:在填料形状的设计过程中,应各方面兼 顾,不能在任航鹕吵怯槔止俜狡教ɑ方面有明显不足,> 但总会有某一方面是设计过程中优先考虑的条件。根 据填料功能和类型的不同其形状必然不同,主要有以下儿个方面的发展=
 
 
 
 
 
(1)悬浮型/流态型填料
 
这类填料的设计主要出于反应器运行和传质效率的考虑。填料挂膜后的密度基本上与水 的密度相同,可自由悬浮于水体中流态化或半流态化,微生物与水中有机污染物有更大的接 触面积和更充分的接触机会。悬浮填料不需要支承和固定部件,所以附加投资较少,但却不 易挂膜,填料本身价格也较贵,所以设计也可以从减少填料本身的造价着手。
 
(幻生物密集型填料
 
这类填料的设计主要出于增大生物量的考虑。要求通过形状的改进增大填料的比表面 积,且易于生物挂膜和进行良好的新陈代谢,使反应器内具有很高浓度的生物量可大限度 提高生物填料塔的生化容积负荷。
 
■)微生物固定化型填料
 
这类填料的设计主要出于提高生物处理效率的考虑。将经筛选、分离和驯化培育的优势 微生物或酶通过物理或化学方法直接固定在性能优良的填料上:组成一个布水布气性良好, 传质和生物降解速率大,能反复连续应用高效地处理污水复合单元a由于微生物降解有机污 染物具有一定的专属性,所以此类填料的应用也有较大的针对性,将能处理某些难降解
 
废水C
 
C4)结构型填料
 
这类填料的设计主要出于提高传质效率的考虑。填料具有特殊的形状和结构,可以实现
 
布水布气的均匀,有效切割气泡和水流,使相接触界面更新更快,提高传质效率。
 
S)仿生式填料
 
仿沉水植物填料与沉水植物具有相似的结构形态,采用铁丝网固定沉人本底后像沉水植
 
物一样浮在水中。这种填料的比表面积大,一方面通过改变水流动力条件从而促使较多的泥
 
 
沙颗粒物发生沉积,起到改善水质、提高水体透明度的积极作用;另一方面通过附着于填料 的微生物降解水体中的氮磷污染物,改善水体富营养化状况。葛绪广等结合生态修复示范工 程的研究表明,仿沉水植物在截留泥沙颗粒物的同时还可以截留一定的氮磷污染物。
 
2.11.1. 4天然材料和固体废物在填料中的应用
 
近年来填料原料的选用朝着复合化、天然化和废物利用方面发展,在改性材料、复合材 料飞速发展的同时,天然材料和固体废物的利用也成为未来填料发展的一个趋势。国内学者 在这方面也做了许多研究,图2-68为废弃的牡蛎壳,这些 年以牡蛎壳为填料的研究也越来越多。
 
以固体废物为主要成分的填料更适合环境保护的要求, 能够实现废物的资源化、减量化、再利用,体现了循环经 济的理念。合成的高分子填料与微生物之间相容性较差, 在挂膜时生物量少,易脱落,以固体废物为主要原料的无 机填料可以萆服以上不足,但是需要重点解决的问题是如 ®2'68 壳  何增加强度、增大空隙率和减小密度。因此以固体废物为
 
主要成分的填料更有发展前景。如轻质陶粒、高炉水渣以及高炉水渣高炉瓦斯灰填料的研究 开发。
 
黄宇以广西储量相当大的膨润土为原料,配级后与黏结剂、造孔剂、钠化剂等原料按— 定配方用水调匀,通过钠化,成型,干燥,灼烧以后制成了一种粒径为5?8mm,堆积密度 为0.7g/mL的球形新型膨润土多孔填料。通过试验研究表明该填料生产成本低,工艺简单, 拥有广阔的市场前景。
 
东华大学刘贵云等采用河道底泥为主要原料,生活污泥、广西白泥和水玻璃为添加剂, 制备了河道底泥陶粒,同时设计曝气生物滤池,分别采用底泥陶粒、对照陶粒和颗粒活性炭 作为生物膜载体进行配制废水处理试验,经对比充分说明底泥陶粒作为曝气生物滤池载体的
 
可行性。
 
厦门大学刘耀兴利用天然牡蛎壳作为BAF的填料进行试验研究,实验结果表明出水 COD浓度都能达到国家一级A标准;对氨氮的去除率,牡蛎壳填料总体好于塑料球填料。
 
总之,在新型填料的设计与改造过程中,必须考虑到高效性、低成本,兼顾环保、绿 色、可重复利用等特性。
 
2.11.2水处理中填料的作用机制
 
(1)填料对污染物去除的影响及污染物去除机制研究
 
目前,对反应器运行的工艺条件研究很多,但是对于处理过程中污染物质的的迁移和代 谢途径缺乏深入研究,对于填料上生物相分布、生态结构缺乏系统的分析和说明。另外,填
 
料类型和成分等对污染物去除的影响途径缺乏研究。在污染物去除机制方面国内有些学者也 做了一定的研究。
 
龚丽雯等在传统接触氧化工艺的基础上,在厌氧池内装填高效的生物微电解填料,用来 处理印染废水,并对其作用机理进行了相应研究。该生物电解填料对厌氧反应的四个阶段均 有很好的强化作用,其自身也有很好的微电解反应,生成的新生态的活性物质H+和Fe2+ 均具有很高的化学活性,能与废水中许多组分发生氧化还原反应,破坏染料的发色和助色基 团,甚至断链,使之失去发色能力,也可使大分子物质分解为小分子的中间体,使某些难生 物降解的有机物和对厌氧微生物有毒害作用的化学物质转变成容易生化处理的物质,提高废
水的可生化性。采用该工艺后,一次性投资降低,本需要投药,节省药品费用,机械设备 #,易操作,控制的工作点少,操作要求低,运行管理方便。
 
对于填料对污染物去除的影响和污染物去除机制的研究有利于新型填料的研发,对填料 的发展乃至整个水处理行业的发展有重大意义,有理由相信在未来对于此方面的研究将广发
 
开展。
 
<2)填料对反应器中相传质的影响及其机理研究
 
生物反应器内物系间的传质条件对氧传递效率有较大影响,使用填料对于传质效率的提 高毋庸置疑,不同的填料结构、材质对于传质都有不同程度影响。
 
章波纹板状填料为例,不词的结构参数,对传质性能都有不同程度的影响。贾绍义等人 研究了塑料孔板波纹填料的结构参数对其传质性能的试验研究。结果表明,气相总传质单元 高度H0&随着倾角的增加、盘髙H的减小而降低;开孔率对气相总传质单元高度HOG 的影响有一个适用范围。
 
龙湘犁等人对板网复合填料液相传质性能的研究结果证明,多层板网复合基材丰富的微 孔结构可以强化毛细作用,提高液体在填料上的扩散能力,成倍增大填料的有效传质面积. 使板网复合填料的分离效率比板网单层填料的效率显著提高。和广泛应用的金属孔板波纹填 料相比,具有通量大、压降低、效率特高的优势,因此可以用复合板网填料代替常用的板波 填料用于炼油、石精细化工等分离领域。
 
填料对于反应器中相传质的影响应填料形状、成分、制作工艺等多个方面进行考虑, 不同填料对传质的影响大/】、及机理也是未来研究的重点。
 
d)填料微生物附着机理的研究
 
目前对于悬浮填料与微生物附着机理,填料不同部位与不同类型微生物附着的时间、空 间关系等方面研究较少,对于微生物的附着、固定、生长、脱落的分子机理更是所知甚少。
 
吴晓健公开了一种负载微生物的填料,包括支撑杆和设置在支撑杆上的负载装置,所述 的负载装置为翁千令以支撑杆为轴心的圆盘,所述的圆盘的外表面粗糙。圆盘的上、下外表 面粗糙,易于微生物在其表面挂膜。圆盘的直径为3?l§cm,根据处理物黏度和处理能力选 择不同尺寸的填料,也可以不同尺寸的填料一同使用。该实用新型填料表面粗糙,多层圆盘 型结构利于挂膜,刚性的结构不易纠缠,便于处理物的流动。
 
填料的挂膜作为其根本性作用,各种不同填料的挂膜机理方面的研究还鲜有报道,可以 预见这也是未来填料发展的一个热门方向。对此方面的研究对填料材料的选择以及表面处理 和填料形状的设计意义重大。
 
(4)填料与反应器内流体力学、挂膜和污染物去除之间的关系
 
目前仅研究了填料密度与流型的关系,而悬浮填料的结构对流型的影响,踩及流型对挂 膜及污染物去除的影响都没有进行研究。而对于填料与皮应器内流体流型、挂膜和污染物去 除之间的关系还需要进一步研究。
 
丁扣林等人研究了立体网状微生物载体填料,有交错的筋条构成的网,网的侧面均布多 条立筋。该填料具有平面网状填料孔隙疏密均匀的优点,且有效比表面积较之平面网状填料 可大为提高,因此不必为单纯提高网的比表面积而^®其设计得孔隙过密,同时可避免产生连 膜现象造成堵塞,同时又可保证布气、布水均匀。尤其是该填料对气泡具有更强的多重切割 作用,氧利用率超过其他填料,效果同微孔曝气器相近。

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