废水处理用生物填料的研究进展 5页

维普资讯http://www.cqvip.com第5卷第4期环境污染治理技术与设备2004年4月TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControl废水处理用生物填料的研究进展张凡程江杨卓如王华祥(华南理工大学化工学院，广州510640)(深圳市宝安区环境保护局，深圳518101)摘要概述了废(污)水处理用生物填料的现状和发展，并针对现今水处理用生物填料存在的亲水性和生物亲和性(活性)不足这一问题，提出了解决办法和发展方向，指出生物亲和亲水活性磁种填料的应用，可望大大提高废水生物降解的效率。关键词废水处理生物填料亲水性生物亲和性磁效应ResearchprogressinbiofilmcarrierforwastewatertreatmentZhangFanChengJiangYangZhuoru(CollegeofChemic~Engineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640)WangHuaxiang(EnvironmentalProtectionBureauofBao’anDistrict，Shenzhen，Shenzhen518101)AbstractThecurrentstateanddevelopmentofthebiofilmcarrierforwastewatertreatmentarereviewedinthispaper．Suggestionsareprovidedtoenhancethehydrophilicityandbiologicalaffinityofthebiofilmcarrierscurrentlyusedinwastewaterbiodegradation．Usingofthemagneticbiocompatibleandhydrophilicbiofilmcarriersmayleadtothehighefficiencyofbiologicaltreatmentofwastewater．Keywordswastewatert~atment；biofilmcarrier；hydrophilicity；biocompatibility；magneticeffect利用微生物在固体表面的附着生长对废水进行这种填料的特点是空隙率大，污水在填料中三维流生物处理，从而有了生物填料的出现，生物填料的材动，充填材料质轻，韧性强，长期使用不会变质，而且质、比表面积的大小、布水布气性能、强度、密度和造网状蜂窝填料相互交融，具有长久的稳定性。在价等因素，直接影响到废水处理的效率和运行的可BOD容积负荷为0．15～1．2kgBOD／m3·d的范围内，行性。19世纪2O一3O年代，英国人Wafing和往曝气池中装入外观容积为40％～65％的网状蜂Ditter⋯建造了生物接触氧化池，处理生活污水，以窝填料，能够取得良好且稳定的处理水质，特别是能碎石、炉渣作为生物填料。一百多年来，生物填料得够降低处理水中的ss浓度；当用于}亏水的深度三级到了长足的发展。特别是近半个世纪以来，在高生物处理时，BOD容积负荷在0．15kg／m。·d以下，原水浓度、高氧气传质效率和高降解能力等方面，国内外BOD为15mg／L，处理水BOD可以在3mg／L以下。硬性蜂窝填料的最大缺点是易堵塞。学者进行了大量的研究’。本文就生物填料的研波纹板状填料则以英国的“Flocor”填料和法国究进展、存在问题和发展方向进行了探讨。的“Cloisonyle”填料为代表。这类填料具有孔径1生物填料的分类及特点大、不易堵塞、流程长、处理效率较高、安装运输方便等特点，但也存在水在波纹通道内流动不均，不利于生物填料的种类及分类方法繁多，较常见的按填料安装方法分类，生物填料大致可分为固定式、悬基金项目：广东省自然科学基金资助项目(011563)；广东省科技计划挂式、分散型和新型生物填料等几种类型。资助项日(2002C31631)1．1固定式填料收稿日期：2003—05—10；修订日期：2003一o8—2O固定式填料主要有蜂窝状和波纹板状等硬性填作者简介：张凡(1978一)，男，硕士研究生，主要从事水处理过程研料。邬象牟介绍了一种由日本新光尼龙股份有限究及生物填料开发。E．mail：zhangfan-1-1@163．com*通讯联系人公司在1992～1995年开发和生产的网状蜂窝填料。n维普资讯http://www.cqvip.com第4期张凡等：废水处理用生物填料的研究进展9生物膜更新等缺陷。去除率达80％～90％，BOD去除率达85％～95％。1．2悬挂式填料1．3分散型填料这类填料产生于20世纪70年代末80年代初，分散型填料包括堆积式和悬浮式填料，如拉西应用比较广泛，使用寿命长，价格适中，非常具有市环、鲍尔环、空心球和悬浮粒子等。北京桑德环境技场竞争力，一般分为软性填料、半软性填料、组合填术发展公司研制开发的SNP悬浮型生物填料n，就料和弹性填料等几类。是一种典型的分散型填料，它由纤维丝球体、网络状1．2．1软性填料外壳和通心多孔柱体3部分组成。纤维丝球体是微上海石油化工总厂环境保护研究所于20世纪生物主要附着场所，网络状外壳起固定填料形状的80年代初期研制出软性纤维填料，应用到上海石化作用，通心多孔柱体为球体内部微生物与周围环境总厂涤纶厂进行废水处理。当处理装置的容积负荷交流提供通道。该悬浮式填料不需固定，不用安装，达3．28kg／m3时，COD去除率可达到80％。正常负具有大的比表面积，容易脱膜，不断运动中能够得到荷下使用1～2年，COD去除率能达75％～80％，连续不断的冲洗，不易堵塞。在水中运行时对气泡BOD去除率能达80％～90％。这种填料应用比的重复切割作用很明显，因此，水中的溶氧值提高较广泛，挂膜容易，不堵塞，但容易缠结、结块、断丝，快，氧转移效率大，微生物代谢旺盛。采用此填料的中心绳易断，影响使用寿命，特别是废水化学需氧量生化装置处理效率高、产泥量少，去除每kgBOD，高时，缠结在一起的纤维中心很容易产生厌氧，从而产污泥0．1～0．2kg。SNP填料氧化池所需空气量大大缩短使用时间。为半软性填料氧化池相应曝气方式的90％。1．2．2半软性填料1．4新型生物填料半软性填料的出现主要是为了弥补硬性填料的近10年来，国内外各种新型生物填料不断被推易堵和软性填料的缠结和断丝2方面不足。国内最出。如日本工程与贸易公司开发的RINGLACE塑料早于1985年由北京纺织科学研究所开发出变性聚纤维填料已在工程上获成功应用。该填料被固乙烯塑料制成的半软性填料。在生物接触氧化池定在铝制的笼子里垂直置于曝气池中，受曝气冲力中处理纺织废水，当进水水质及有机污染物选择合的影响而浮动摇摆，因而污泥不会矿化和沉积。适时，其有机物去除率(以COD计)一般为60％～在污水处理厂中对几种不同填料进行对比实验发70％，BOD去除率在85％～95％之间。其不足在现，投加RINGLACE塑料纤维填料的曝气池，其于比表面积相对较小，表面光滑，微生物附着性能相BOD和COD的去除率可增加30％～50％。在新型对较差。悬浮填料方面，德国LINDE公司的LINPOR填料和1．2．3组合填料英国SIMON．HARTLEY公司的CAPTOR填料，目前周池谷在1991年报道的盾式组合填料，既利发展较为成熟，这2种填料均由聚氨酯泡沫塑料制用了软性纤维填料中醛化维纶纤维具有耐酸碱、耐成，具有很高的比表面积(5000～35000rn2，rn3)，可老化、耐生物降解的化学性能和比表面积大、重量使系统的固定微生物质量浓度分别达10～18kg／m3轻、生物膜附着性能好等物理特征，又发挥了半软性和7～10kg／m3，适用于高浓度工业废水的处理。填料的不结团、气水再分布能力强、氧传质效率高的微生物固定化废水处理是近年发展起来的废水优点。在20℃处理啤酒废水]，盾式纤维填料反应处理新技术，具有生物量高、优势菌种明显、处理效器的最大负荷达8．0kgCOD／m3·d，相应最小水力停率高、装置占地少及产泥量低等优点。固定化微生留时间为5．1h，COD去除率在85％以上；在COD去物型载体(填料)的制备是该水处理新技术的关键之除率≥90％条件下，负荷率为7kgCOD／m3·d。一张洁辉等¨合成了HP(MA．VAc．MMA)多孔载。1．2．4弹性填料体后，郑邦乾等¨将这种多孔载体与人工废水、活弹性填料主要包括YDT型弹性立体填料、TA性污泥盛于固定化瓶内，用排水集气法收集所产生型弹性波形填料、PwT型立体网状填料以及自变形的甲烷气体的多少来表明载体固定化效果的理想程弹性立体填料。据报道[9]，在生物接触氧化设备正度。结果同一时间内该载体产甲烷量较活性炭显著常运转情况下，用YDT型弹性立体填料(浙江玉环增多，4d后，前者是后者的2倍。龙腾锐等¨刮研制东方环保设备器材厂)处理涂料工业废水，COD的出水处理酶促生物填料。在常温下，以城市污水为n维普资讯http://www.cqvip.com10环境污染治理技术与设备第5卷试验污水，对陶粒、高炉渣和酶促填料的缺氧挂膜对亲水改性塑料，如在聚丙烯和聚氯乙烯中引入亲水比试验研究表明¨：酶促填料表面在试验开始后第物质进行亲水改性。汪晓军等在塑料中混入水3d出现生物膜附着特征，第25d完成挂膜，挂膜成性高分子材料聚乙烯醇和聚丙烯酰胺，改善材料表功时间比陶粒快9d，比高炉渣快15d，最大生物膜面亲水性能，制造出具有亲水性表面的塑料材料，从厚度分别为陶粒、高炉渣的1．37倍和1．63倍。Lin而发明了水处理亲水性弹性填料。用这种亲水填料等“利用海藻酸钙凝胶联合包埋固定Phanerochaete与外形和结构完全相同、材料不同的普通填料用称c^。。“m和粉末活性炭用于降解五氯酚(PCP)，重法进行亲水实验，分别称量浸泡1min、30min、并与非固定化体系和单独固定化体系进行了比较，1d、8d，结果发现，专利填料比普通填料在相同浸结果表明，海藻酸钙凝胶包埋固定Phanerochaete泡时间下对水具有更大的持重量；用模拟废水对2chrysosporium和粉末活性炭的联合体系能更加有效种填料进行厌氧和好氧生物膜法实验，发现亲水性地降解PCP。但这类复合填料的材料价格比较高，填料生物膜反应器对COD的去除率比普通填料生实际放大生产还有一定的困难。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2亲水填料及生物亲和(活性)填料氧生物膜进行负荷冲击和恢复实验，发现亲水性填生物填料是生物膜水处理技术的核心之一，目料反应器内的生物膜具有更强的耐负荷冲击能力，前市场上常见的生物填料主要以聚丙烯、聚乙烯、聚受冲击后恢复所需时间短。氯乙烯或聚酯等为原材料而制成，填料开发的侧重2．2生物亲和(活性)填料点在填料的比表面积、填料结构与布水、布气性能及材料生物亲和性的涵义通常指该材料与生物相生物膜更新等方面。在实际应用中，人们发现这些容、不会对生物有任何损坏或有任何副作用。生物填料在挂膜速度、挂膜量及膜与填料的紧密度方面医学中的人工骨材料(含羟磷灰石)就具有极高的生存在不足。如对材料进行适当的亲水与生物亲和改物亲和性(或生物活性)。目前，虽未有关于生物填性，可望大大提高填料的传质、挂膜和水处理性能。料的生物亲和性研究的专门报道，但已有研究者2．1亲水填料认识到生物亲和物质对生物填料的重要性。如微生当水与塑料等材料接触时，如材料分子与水分物固定化填料大多以生物亲和性较好的海藻酸钙和子之间的作用力大于水分子之间的作用力，材料表琼脂糖等物质为载体。隋军等认为，现有常用的面吸附水分，即被水润湿，表现出亲水性。生物填料是生物惰性的，对微生物无促进和活化作目前，填料的亲水改性，主要是通过填料表面处用，因而发明一种用于水处理的活性生物填料，该填理和在原材料中引入亲水基团2种途径实现。据文料中含有少量面粉、淀粉及碳酸钙等粉体，认为其不献报道¨，在表面结构改性时，有研究者将填料浸但为微生物提供适当营养源，还可为微生物提供更入含氧酸等化学腐蚀液中，从而除去填料表面的弱多的物理附着点，同时还可改善填料的亲水性，更易界面层，糙化表面；有的研究者在填料表面涂抹亲水于微生物生长，加快挂膜启动和提高水处理效率。材料，表面接枝带有亲水基团的高聚物单体；也有用3磁效应在废水生物降解中的应用及生物紫外线辐照塑料填料，使其表面氧化而形成极性基亲和亲水活性磁种填料的开发团；还有的研究者采用强氧化性溶液，如重铬酸钾一硫酸、高锰酸钾一硫酸，与塑料生物填料表面进行化磁现象是人们最熟悉的物理现象之一，几十年学反应，从而改变填料的表面分子结构。这些技术来，磁致物理化学生物效应在生物医学、环保、冶金、处理过的填料表面润湿性能有很大的提高，但也存农业增产等方面得到越来越多的应用，利用高梯度在不少缺陷。应用溶液浸泡或者表面接枝处理过的磁分离技术处理各类废水的研究亦非常活跃。最近填料在运行过程中由于水流的作用很容易发生表面几年，许多研究者发现，弱磁场还可大大提高废水的消磨和脱落，使用紫外线处理，往往难以均匀辐照填生物降解效率。Jung等在一生化反应器外加一料的内外表面，故使填料的内外表面的亲水性产生南极磁场处理含酚废水，发现酚的降解速率比不加差异，也影响其使用效果。磁场的普通生化反应器高2倍至数倍。HtilykaYa一最近，已有研究者开始研究制备生物填料用的、，等利用2个结构一样的间歇式反应器处理人n维普资讯http://www.cqvip.com第4期张凡等：废水处理用生物填料的研究进展工废水，一个加磁场，一个不加磁场作比较，发现底形成一个有机物浓度、微生物量和溶氧浓度都相对物去除速率在加磁场的反应器中可提高44％。Raj较高的区域，三者的接触、扩散几率会大大增加，同Rao等用鼓泡塔式生化反应器和气提式生化反应时，经磁化的水渗透压升高，有利于有机物与氧器处理含酚废液，同样发现在磁场强度为17507经生物膜向细胞质扩散，强化了物质传递及膜内的A／m(220奥斯特)时，废液能更快降解。在活性污泥生化反应。法水处理过程中，Sakai等。’发现，在水中加入磁粉4结语可平衡微生物的生长与死亡，防止污泥膨胀，提高处理效率。陆光立等亦发现，磁粉活性污泥法的废水处理用生物亲和亲水磁性填料的研究代表COD去除率比普通活性污泥法提高15％，氨氮去了生物填料的发展方向，属生物、环境、化学、材料和除率和承受毒物能力也有所提高，同时，可改善污泥物理等学科的交叉研究领域，有关填料制备过程中絮体体结构和沉降性能，减少污泥流失，提高回流污的粉体偶联成型技术以及填料应用时的废水强化生泥浓度，使曝气池MISS浓度维持较高水平，从而增物降解作用机理尚须进一步深入研究。可以相信，大容积负荷和处理效率。在磁场应用方面，邬建在不久的将来，生物亲和亲水磁性填料定能在废水平开发出一种“UFO球碟形磁性生物填料”。该生物降解处理中发挥重要的作用。填料的特别之处在于塑料材料经过磁粉和活性炭改参考文献性，使整个网格球体内外均带有微弱的磁场，能起到刺激菌群良性生长代谢的作用，使新生的菌膜极易[1]丁宁．陶粒填料的挂膜行为及其对模拟废水处理的特性挂于填料各表面，而衰老的菌尸体也极易脱落，显示[硕士学位论文]，广州：华南理工大学，2002[2]薛玉琴．缺氧．好氧工艺处理高浓度废水的应用．化工给出良好的生物磁效能和生物活性炭功能。水排水设计，1998，(1)：3～8笔者所在研究组在广东省自然科学基金和广东[3]成一知．废水处理酶促填料试验研究[硕士学位论文]．省科技计划项目的资助下，正在研制具有生物亲和重庆：重庆建筑大学，1997性和亲水性且带有弱磁场的活性磁种生物填料，即[4]邬象牟．介绍一种新型的废水处理接触氧化充填材料同时将海藻酸钙、淀粉等生物亲和性物质和含亲水——网状蜂窝填料．煤矿设计，1997，(11)：4_4～48基团的聚乙烯醇等以及经修饰的磁粉、活性炭引入[5]蒋战洪．污水处理用填料的种类、性能和发展趋势．环普通的高分子材料生物填料中，适当充磁后成为生境污染与防治，1994，16(4)：13～16物亲和亲水活磁种填料。这种填料一方面由于其生[6]杨书铭．半软性填料在废水处理中的应用．中国给水排水，1990，6(6)：51～53物亲和性和亲水性得到改善，将大大提高其表面润[7]周池谷．盾式填料的开发与研究．环境污染与防治，1991，湿、传质和挂膜启动等性能；另一方面，填料中的活l3(3)：42～43性磁种周围，相当于多个微型磁场反应器，能通过磁[8]秦麟源，王丰岭，王建中．盾式纤维填料生化处理性能的致物理化学生物效应等协同作用，大幅增加有机污试验研究．中国给水排水，1991，7(4)：l1～l4染物的降解速率。其强化机理是：反应器中的有机[9]李怀正．YDT型弹性立体填料的试验性能研究．上海给污染物可在弱磁场(由磁微粒本身产生)的作用下，水排水，1991，3(1)：l0～l3通过磁力键、磁力、洛仑兹力和磁致胶体效应等[10]张辉明，文一波．SNP悬浮型生物填料设计及使用方作用经磁聚、吸附、富集到填料表面；氧是顺磁性物法．化工环保，1995，(15)：l80～183质，曝气时会在磁场作用下被吸附到生物亲和填料[11：刘晋旭，刘振鸿．复合式生物处理系统的研究与应用．工业水处理，2003，23(1)：8～l1附近，增大填料表面的氧浓度。笔者在试验中发现，[12LesselT．H．Firstpracticalexperienceswithsubmergedrope·在氧气流量为o．01～o．05L／min，磁通密度250～300typebiofilmreactorforupgradingandnitrification．Wat．Sci．mT范围内，水中溶氧值可平均提高5％～8％。另ch．．1991，23：825～834外，目前已经发现不少菌种为嗜磁菌。(如光合[13]LesselT．H．Upgradingandnitrificationbysubmergedbiofilm细菌、氧化铁硫杆菌，这些菌种是食品等工业废水的reactorsexperiencesfromalargescaleplant．Wat．Sci．常用降解菌)，弱磁场的存在会促进生物细胞生长和Tech．，1994，29(10～l1)：167～174新陈代谢，并诱导酶的合成和酶活。，加快酶反『141张洁辉，吴中兴，郑邦乾，等．静态条件下HP(MA．VAc．应。这样一来，在生物亲和亲水磁种填料表面就会MMA)多孔载体固定化微生物的研究．四川联合大学n维普资讯http://www.cqvip.com、(卜12环境污染治理技术与设备第5卷学报(工程科学版)，1997，1(5)：1～6l27JRajaRaoT．B．M．L．，SonolikarR．L．，PentuSahebS．[15：郑邦乾，张洁辉，吴中兴，等．固定微生物用聚合物多孔Influenceofmagneticfieldontheperformanceofbubblecol—载体的研究．高分子材料科学与工程，1995，11(3)：l12umnsandaidiflbioreactorwithsubmersedmicroorganisms．～l17ChemicalEngineeringScience，1997，52(21／22)：4155～[16龙腾锐，郭劲松，万芳，等．水处理酶促生物填料的生产416o性试验研制重庆建筑大学学报，21)0t)，22(3)：1～6[28jSakaiYasuzo，TaniKazuaki，TakahashiFujio．Sewagetreat—[17：龙腾锐，张勤，郭劲松，等．酶促填料与某些多孔填料挂Bentunderconditionsofbalancingmicrobialgrowthandce／l膜特性对比试验研究．给水排水，200t)，26(3)：22～25decaywithahighconcentrationofactivatedsludgesupple—[18LinJR，eta1．UseofCO—immobilizedbiologicalsystemtode—mentedwithferromagneticpowder．J．ofFermentationandgradetoxicorganiccompoundsBiotechno1．Bioeng．，1991．Bioengineering，1992，74(6)：413～41738：273～279[29]陆光立，赵庆祥．磁粉活性污泥法工艺技术研究．城市[19]张近．塑料塔填料表面改性技术．现代塑料加工应用．环境与城市生态，1998，11(2)：10～161999，11(2)：51～55[3O]邬建平．UFO球碟形磁性生物填料．中国发明专利，CN[20]汪晓军，胡勇有，唐一．水处理弹性亲水性塑料填料制1263054A，2O00备方法．中国发明专利，CN1350984A，2000[31]柴诚敬，贾绍义，李宗堂，等．磁化技术在化工分离领域[21]汪晓军，罗芳旭，何翠萍，等．亲水性塑料弹性填料生物中的应用．化学工业与工程，1999，16(4)：245～248膜法处理模拟废水的研究．环境污染治理技术与设[32]TsuchiyaK，eta1．Efectofhomogeneousandinhomogeneous备，2003，4(4)：31～34highmagneticfieldsonthegrowthofescherichiacoli．J．Fer—[22]汪晓军，张洁敏，何翠萍．表面亲水性塑料填料在好氧ment．Bioeng．，1996，81(4)：343～348处理中的应用．上海环境科学，2003，22(4)：269～271[33]郭银松，黄种买，张敬东磁处理对水体生物性质影响[23]年跃刚，顾国维．酶及其微生物的固定化技术在水处理的研究．武汉水利电力大学学报，1997，30(3)：93～95工程中的应用．铁道劳动安全卫生与环保，1995，22[34]汪模辉，邓天龙．含砷金矿的磁场强化生物预氧化．应(4)：292～294用化学，2O00，17(4)：362—365[24]隋军，施旗．一种用于水处理的活性填料．中国发明专[35]林影，郭勇．脉冲磁场对Kluyveromycesfragilis生长及菊利，CN1279213A，2001糖酶合成的影响．华南理工大学学报，2000，28(2)：93[25]JungJ．，SoferS．Enhancementofphenolbiodegradationb．y～98southmagneticfieldexposure．J．Chem．Techno1．Biotechn—[36]岳筱萍，路立．“磁约束”的防垢、除垢机理分析．郑州o1．，1997，70：299～303纺织工学院学报，1995，6(3)：72～74[26]HtllykaYavuz，SerdarS．Celebi．Efectsofmagneticfieldon[37]胡晖，高红，贾绍义．磁场对物质理化性质的影响．磁activityofactivatedsludgeinwastewatertreatment．Enzyme性材料及器件，2000，31(3)：36～41andMicrobialTechnology，2000，(26)：22—27—r—r—r丫—r—r—r丫丫—r丫—r丫—r丫—r丫丫丫丫丫丫丫丫丫征购启事我编辑部现剩有少量2003年过刊，欲以优惠价出售。如有需要者，请速与本编辑部联系。通信地址：北京2871信箱(邮编：100085)《环境污染治理技术与设备》编辑部电话：(010)62941074传真：(010)62941074电子信箱：epc@263．net；epc@mail．rcees．ac．en上上上一工一上一二一上上j一二一上j上j上jjj一—