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      填料研究的發展方向

      經過水處理工作者的長期努力,目前已經有許多性能良好的填料得到應用,但是隨著水 處理標準和水處理技術的發展*對于填料的性能要求不斷提高,新型填料仍有待進一步研究 和開發。水處理填料的發展方向會集中在新填料的開發和填料作用機制深入研究兩個方面。 2.11.1水處理中新型填料的開發 2.11. 1. 1填料改性
       
      填料的表面物理化學性能直接關系到凈化污水的微生物在填料上掛膜的數量和質量,從 而直接影響到污水處理效果和處理效率,通過對填料進行改性,以提高散裝填料的表面性 能,提高傳質效率。目前由填料改性得到的新型填料主要有親水性填料、隹物親和性填料和 磁性填料三種。
       
      (1)親水性填料
       
      親水性填料如圖2-63所示,當水與塑料等材料接觸時,如果材料分子與水分子之間的
       
       
       
       
       
      作用力大于水分子之間的作用力,材料表面吸附水分,即被水潤濕,表現出親水性。而填料 的親水性改性是通過對填料表面處理或在原材料中引入親水基團兩種途徑實現。表面結構改 性時,可以通過將填料浸入化學腐蝕液中糙化表面;在填料表面涂抹親水材料,表面接枝帶 有親水基團的高聚物單體;用紫外線輻照塑料填料,使其表面氧化而形成極性基團;采用強 氧化性溶液,與塑料生物填料表面進行化學反應等手段對填料進行改性。
       
      改性填料表面潤濕性能有很大的提高,但也存在不少缺陷。如應用溶液浸泡或者表面接 枝處理過的填料在運行過程中由于水流的作用很容易發生表面消磨和脫落,使用紫外線處 理,往往難以均勻輻照填料的內外表面,故使填料的內外表面的親水性產生差異,也影響其 使用效果。
       
      近,已有研究者開始研究制備生物填料用的親水改性塑料。汪曉軍等在塑料中混入水 性高分子材料聚乙烯醇和聚丙烯酰胺,改善材料表面親水性能,制造出具有親水性表面的塑 料材料,從而發明了水處理親水性彈性填料;通過與未改性填料對比試驗發現,親水性填料 比普通填料在相同浸泡時間下對水具有更大的持重量;親水性填料生物膜反應器對CODCr 的去除率比普通填料生物膜反應器效果好得多,對厭氧膜進行電鏡觀察發現,親水填料上的 膜比普通填料上的密實度高•,對厭氧生物膜進行負荷沖擊和恢復實驗,發現親水性填料反應 器內的生物膜具有更強的耐負荷沖擊能力,受沖擊后恢復所需時間短。
       
      畢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親水性基 團的比例,飼時引人了新的親水基團和細胞識別位點。利用配制模擬廢水對氧化后接枝蛋白 分子填料進行動態培養生物掛膜試驗,結果表明改性后的填料生物膜初期附著速率和增長量 明顯高于未經改性的生物填料。
       
      張近分析塑料塔填料表面性能及其潤濕條件,指出改變表面分子結構以增加極性與加大 表面粗糙度而提高表面張力是改善塑料塔填料表面潤濕性能的主要途徑,并介紹了表面糙 化、表面極化、表面接枝及等離子體表面處理等表面改性技術。
       
      李茹等通過4種遠程等離子體(Ar、He、02、N2)對PVC填料進行表面改性使PVC 填料表面的親水性普遍增強,遠程Ar等離子體琯珙通過將含氧基團和含氮基團引人填料 PVC膜的表面,使其表面極性增強,提高表面潤濕性,使接觸角(水)從97°降低到15^左 右,使得填料的掛膜性能提高,從而增強了 PVC填料的生物親和性。改性后的PVC填料表 面生物膜形成速度加快,生物量顯著增加。
       
      (2)生物親和性填料
       
      生物親和性填料淀粉和碳酸鈣如圖244所示,材料的生物親和性的含義通常指該材料
       
      與生物相容、不會對生物有任何損壞或有任何副作用。有研究者認識到生物親和物質對生物
       
       
       
       
       
      填料的重要性a如微生物固定化填料大多以生物親和性較好的海藻酸鈣和瓊脂糖等物質為 載體。
       
      隋軍等認為,現有常用的生物填料是生物惰性的,對微生物無促迸和話化咋用.因而發 _一種用于水處理的活性生物填料,該填料中含有少量面粉、淀粉及碳酸鈣等粉體•認為其 不但為微生物提供適當營養源,還可為微生物提供更多的物理附著點,同時還可改善填料_ 親水性,更易于微生物生長,加快掛膜啟動和提髙水處理效率。
       
      華南理工大學程江等通過在高分子基材中混人生物親和物質、親水性物質、磁粉和活性 炭制成了一種生物親和親水性磁性填料,制備的填料改善其生物親和性、生物活性、親水'性 不足和氧利用率不夠等缺點,具有生物親和性和親水性、同時能誘導微生物的活性及酶活性 并可提高水中氧利用率和水處理效率。
       
      «)磁性填料
       
      近幾年,研究發現,弱磁場還可大大提高廢水的生物降解效率,可望使目前廢水生物 處理效率較低、處理設施占地面積大的狀況得以改善。將海藻酸鈣、淀粉等生物親和性物質 和含親水基團的聚乙烯醇、硬脂酸等以及經修飾的磁粉(見圖2-65>、活性炭引人普通高分 乎生物填料中,適當充磁后可成為生物親和親水活性磁性填料6這種填料一方面由于其生物 親和性和親水性得到改善;另一方面,填料中的活性磁性周圍,相當于多個微型磁場&應 器,能通過磁致物理化學生物效應等協同作用*大幅增加有機污染物的降解速率。
       
       
       
       
      a 筠粉
       
      Jung等在一生化反應器外加一南極磁場處理含酚廢水,發現酚的降解速率比不加磁場 的普通生化反應器高2倍至數倍。在活性污泥法水處理過程中,Sakai等發現*在水中加入 磁粉可平衡微生物的生長與fE亡,防止污泥膨脹.提高處理效率。
       
      華南理工大學安燕、程江等人通過添加糖類、淀粉、羥基磷灰石(HAP)、磁粉等對普 通聚乙烯填料進行改性制成磁性濾料,充磁后形成新型磁性聚乙烯填料,增加了對含酚廢水 的處理能力*
       
      縣逸填闕'腿
       
      陳志莉、熊開生等將適量的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、磁粉和活性炭填加到PVC生產原 料中,研制成一種改性PVC生物填料,這種新型PVC生物填料比表面積大、潤濕性能好、 抗沖擊性能好、掛膜速度快,研制的新型填料一體化船舶生活污水處理裝置可K在船舶上推 廣應用。
       
      另外,目前巳經發現不少菌種為嗜磁菌如光合細菌、氧化鐵硫桿菌,這些菌種是食品等 工業廢水的常用降解菌,弱磁場的存在會促進生物細胞生長和新陳代謝,并誘導酶的合成和 酶活,加快酶反應。這樣一來,在生物親和親水磁性填料表面就會形成一個有機物濃度、微 生物量和溶氧濃度都相對較高的區域,三者的接觸、擴散概率會大大增加,同時,經磁化的 水滲透壓升高,有利于有機物與氧經生物膜向細胞質擴散,強化了物質傳遞及膜內的生化 反慮<0
       
      2.11.1.2填料功能復合化
       
      圖2-66為多種復合功能填料,隨著填料事業的不斷發展,填料的性能得到不斷優化, 處理效率逐漸提高。但是任何一種填料都不可避免的有其不足之處。而組合式填料則彌補了 相互之間的缺陷,發揮各自的長處。
       
       
       
       
      在球形填料內裝填絲網形成球形絲網填料,既利用了絲網填料比表面積大、空隙率大、 表面潤濕率高的優點.又避免了其裝填困難、拆修不便的缺陷。
       
      懸掛式填料是在軟性填料和半軟性填料的基礎上發展而成的,它兼有兩者的優點。其結 構是將醛化纖維或滌綸絲壓在填料環的環圈上.使纖維束均勻分布;既借助了軟性填料易掛 膜,有效切割氣泡,提高氧的轉移速率和利用率•又解決了軟性填料容易打結的缺點,使水 中的有機物得到高效處理。
       
      蘭善紅等將水泥、沙子、粉煤灰和聚合氣化鋁混勻.然后加入3%的聚丙烯酰胺水溶 液,經固相反應聚合成集絮凝、吸附、氧化于一體的多微孔材料,其中的絮凝、氧化組分夾 聚在多微孔固態材料中,后制成多孔的固定化絮凝劑填料,填充于BAF中用于處廢水。 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來處理廢水。并通過 實驗得出粉煤灰固定化絮凝劑顆粒作為填料應用于曝氣生物濾池(BAF)具有啟動快、掛 膜時間短、充氧性能好、抗沖擊負荷強、生物附著性能好的特點,是一種良好的BAF填料。
       
      龍騰銳等研制出了水處理酶促生物填料,這種填料是采用天然黏土和工業廢料如泥煤、 煤矸石、粉煤灰等加入生物生長促進劑、造孔劑等煅燒生產而成的對微生物生長具有促進作 用的水處理填料,該填料孔表面積、表面粗糙度較大,有利于微生物的繁殖生長。載體的表 面粗糙度大,對微生物的捕捉能力強,有利于以球菌、桿菌等優勢菌種的菌膠團附著生長, 從而可形成對水中有機物具有良好絮凝、吸附和氧化性能且結構致密的生物膜,可促進微生 物生長和激活生物活性、可縮短濾床運行啟動時間、可減小濾池體積和減少占地面積,是一 種理想的水處理生物載體填料。在常溫下*以城市污水為例,對酶促填料、高爐渣和陶粒的 缺氧掛膜對比試驗研究表明,酶促填料表面在試驗開始后第3天出現生物膜附著特征,第 豳天完成掛膜,掛膜成功時間比陶???天,比高爐渣快15天,大生物膜厚度分別為高 爐渣、陶粒的1. 37倍和1. 63倍。
       
      2.11.1.3填料形狀改進
       
      圖2-67為一種仿生填料.對于填料形狀的設計.從鐓生物生長的要求、反應器運行的 要求、降低投資和運行費用的要求等幾方面考慮:在填料形狀的設計過程中,應各方面兼 顧,不能在任何一方面有明顯不足,> 但總會有某一方面是設計過程中優先考慮的條件。根 據填料功能和類型的不同其形狀必然不同,主要有以下兒個方面的發展=
       
       
       
       
       
      (1)懸浮型/流態型填料
       
      這類填料的設計主要出于反應器運行和傳質效率的考慮。填料掛膜后的密度基本上與水 的密度相同,可自由懸浮于水體中流態化或半流態化,微生物與水中有機污染物有更大的接 觸面積和更充分的接觸機會。懸浮填料不需要支承和固定部件,所以附加投資較少,但卻不 易掛膜,填料本身價格也較貴,所以設計也可以從減少填料本身的造價著手。
       
      (幻生物密集型填料
       
      這類填料的設計主要出于增大生物量的考慮。要求通過形狀的改進增大填料的比表面 積,且易于生物掛膜和進行良好的新陳代謝,使反應器內具有很高濃度的生物量可大限度 提高生物填料塔的生化容積負荷。
       
      ■)微生物固定化型填料
       
      這類填料的設計主要出于提高生物處理效率的考慮。將經篩選、分離和馴化培育的優勢 微生物或酶通過物理或化學方法直接固定在性能優良的填料上:組成一個布水布氣性良好, 傳質和生物降解速率大,能反復連續應用高效地處理污水復合單元a由于微生物降解有機污 染物具有一定的專屬性,所以此類填料的應用也有較大的針對性,將能處理某些難降解
       
      廢水C
       
      C4)結構型填料
       
      這類填料的設計主要出于提高傳質效率的考慮。填料具有特殊的形狀和結構,可以實現
       
      布水布氣的均勻,有效切割氣泡和水流,使相接觸界面更新更快,提高傳質效率。
       
      S)仿生式填料
       
      仿沉水植物填料與沉水植物具有相似的結構形態,采用鐵絲網固定沉人本底后像沉水植
       
      物一樣浮在水中。這種填料的比表面積大,一方面通過改變水流動力條件從而促使較多的泥
       
       
      沙顆粒物發生沉積,起到改善水質、提高水體透明度的積極作用;另一方面通過附著于填料 的微生物降解水體中的氮磷污染物,改善水體富營養化狀況。葛緒廣等結合生態修復示范工 程的研究表明,仿沉水植物在截留泥沙顆粒物的同時還可以截留一定的氮磷污染物。
       
      2.11.1. 4天然材料和固體廢物在填料中的應用
       
      近年來填料原料的選用朝著復合化、天然化和廢物利用方面發展,在改性材料、復合材 料飛速發展的同時,天然材料和固體廢物的利用也成為未來填料發展的一個趨勢。國內學者 在這方面也做了許多研究,圖2-68為廢棄的牡蠣殼,這些 年以牡蠣殼為填料的研究也越來越多。
       
      以固體廢物為主要成分的填料更適合環境保護的要求, 能夠實現廢物的資源化、減量化、再利用,體現了循環經 濟的理念。合成的高分子填料與微生物之間相容性較差, 在掛膜時生物量少,易脫落,以固體廢物為主要原料的無 機填料可以萆服以上不足,但是需要重點解決的問題是如 ®2'68 殼  何增加強度、增大空隙率和減小密度。因此以固體廢物為
       
      主要成分的填料更有發展前景。如輕質陶粒、高爐水渣以及高爐水渣高爐瓦斯灰填料的研究 開發。
       
      黃宇以廣西儲量相當大的膨潤土為原料,配級后與黏結劑、造孔劑、鈉化劑等原料按— 定配方用水調勻,通過鈉化,成型,干燥,灼燒以后制成了一種粒徑為5?8mm,堆積密度 為0.7g/mL的球形新型膨潤土多孔填料。通過試驗研究表明該填料生產成本低,工藝簡單, 擁有廣闊的市場前景。
       
      東華大學劉貴云等采用河道底泥為主要原料,生活污泥、廣西白泥和水玻璃為添加劑, 制備了河道底泥陶粒,同時設計曝氣生物濾池,分別采用底泥陶粒、對照陶粒和顆?;钚蕴?作為生物膜載體進行配制廢水處理試驗,經對比充分說明底泥陶粒作為曝氣生物濾池載體的
       
      可行性。
       
      廈門大學劉耀興利用天然牡蠣殼作為BAF的填料進行試驗研究,實驗結果表明出水 COD濃度都能達到國家一級A標準;對氨氮的去除率,牡蠣殼填料總體好于塑料球填料。
       
      總之,在新型填料的設計與改造過程中,必須考慮到高效性、低成本,兼顧環保、綠 色、可重復利用等特性。
       
      2.11.2水處理中填料的作用機制
       
      (1)填料對污染物去除的影響及污染物去除機制研究
       
      目前,對反應器運行的工藝條件研究很多,但是對于處理過程中污染物質的的遷移和代 謝途徑缺乏深入研究,對于填料上生物相分布、生態結構缺乏系統的分析和解釋。另外,填
       
      料類型和成分等對污染物去除的影響途徑缺乏研究。在污染物去除機制方面國內有些學者也 做了一定的研究。
       
      龔麗雯等在傳統接觸氧化工藝的基礎上,在厭氧池內裝填高效的生物微電解填料,用來 處理印染廢水,并對其作用機理進行了相應研究。該生物電解填料對厭氧反應的四個階段均 有很好的強化作用,其自身也有很好的微電解反應,生成的新生態的活性物質H+和Fe2+ 均具有很高的化學活性,能與廢水中許多組分發生氧化還原反應,破壞染料的發色和助色基 團,甚至斷鏈,使之失去發色能力,也可使大分子物質分解為小分子的中間體,使某些難生 物降解的有機物和對厭氧微生物有毒害作用的化學物質轉變成容易生化處理的物質,提高廢
      水的可生化性。采用該工藝后,一次性投資降低,本需要投藥,節省藥品費用,機械設備 #,易操作,控制的工作點少,操作要求低,運行管理方便。
       
      對于填料對污染物去除的影響和污染物去除機制的研究有利于新型填料的研發,對填料 的發展乃至整個水處理行業的發展有重大意義,有理由相信在未來對于此方面的研究將廣發
       
      開展。
       
      <2)填料對反應器中相傳質的影響及其機理研究
       
      生物反應器內物系間的傳質條件對氧傳遞效率有較大影響,使用填料對于傳質效率的提 高毋庸置疑,不同的填料結構、材質對于傳質都有不同程度影響。
       
      章波紋板狀填料為例,不詞的結構參數,對傳質性能都有不同程度的影響。賈紹義等人 研究了塑料孔板波紋填料的結構參數對其傳質性能的試驗研究。結果表明,氣相總傳質單元 高度H0&隨著傾角的增加、盤髙H的減小而降低;開孔率對氣相總傳質單元高度HOG 的影響有一個適用范圍。
       
      龍湘犁等人對板網復合填料液相傳質性能的研究結果證明,多層板網復合基材豐富的微 孔結構可以強化毛細作用,提高液體在填料上的擴散能力,成倍增大填料的有效傳質面積. 使板網復合填料的分離效率比板網單層填料的效率顯著提高。和廣泛應用的金屬孔板波紋填 料相比,具有通量大、壓降低、效率特高的優勢,因此可以用復合板網填料代替常用的板波 填料用于煉油、石精細化工等分離領域。
       
      填料對于反應器中相傳質的影響應填料形狀、成分、制作工藝等多個方面進行考慮, 不同填料對傳質的影響大/】、及機理也是未來研究的重點。
       
      d)填料微生物附著機理的研究
       
      目前對于懸浮填料與微生物附著機理,填料不同部位與不同類型微生物附著的時間、空 間關系等方面研究較少,對于微生物的附著、固定、生長、脫落的分子機理更是所知甚少。
       
      吳曉健公開了一種負載微生物的填料,包括支撐桿和設置在支撐桿上的負載裝置,所述 的負載裝置為翁千令以支撐桿為軸心的圓盤,所述的圓盤的外表面粗糙。圓盤的上、下外表 面粗糙,易于微生物在其表面掛膜。圓盤的直徑為3?l§cm,根據處理物黏度和處理能力選 擇不同尺寸的填料,也可以不同尺寸的填料一同使用。該實用新型填料表面粗糙,多層圓盤 型結構利于掛膜,剛性的結構不易糾纏,便于處理物的流動。
       
      填料的掛膜作為其根本性作用,各種不同填料的掛膜機理方面的研究還鮮有報道,可以 預見這也是未來填料發展的一個熱門方向。對此方面的研究對填料材料的選擇以及表面處理 和填料形狀的設計意義重大。
       
      (4)填料與反應器內流體力學、掛膜和污染物去除之間的關系
       
      目前僅研究了填料密度與流型的關系,而懸浮填料的結構對流型的影響,踩及流型對掛 膜及污染物去除的影響都沒有進行研究。而對于填料與皮應器內流體流型、掛膜和污染物去 除之間的關系還需要進一步研究。
       
      丁扣林等人研究了立體網狀微生物載體填料,有交錯的筋條構成的網,網的側面均布多 條立筋。該填料具有平面網狀填料孔隙疏密均勻的優點,且有效比表面積較之平面網狀填料 可大為提高,因此不必為單純提高網的比表面積而^®其設計得孔隙過密,同時可避免產生連 膜現象造成堵塞,同時又可保證布氣、布水均勻。尤其是該填料對氣泡具有更強的多重切割 作用,氧利用率超過其他填料,效果同微孔曝氣器相近。

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