1、污水处理反应填料和载体的应用现状及产业化发展前景序言近年来，随着我过城市化进程的加快和国民经济的高速发展，人口规模与人口密度以超常规的速度增长，造成了城市污水量大幅度增加，水环境污染和水资源短缺日趋严重。研究开发适合我国国情的简易、高效、低耗污水处理新技术是解决我国目前所面临的水环境污染和水资源短缺问题的有效途径。生物接触氧化法是介于活性污泥法与生物滤池法之间的生物处理技术，兼有两者的优点，可以说是一种具有活性污泥法特点的生物膜法，具有很高的处理效率，在水处理领域得到了广泛的应用。填料是生物接触氧化法的技术核心，直接决定着工艺的处理效果和投资效益。本文旨在对污水处理反应填料和载体的发展状况，应
2、用现状以及技术前景做一个初步探讨。1、 我国污水处理反应填料和载体技术的发展概况及应用现状生物接触氧化法、塔式生物滤池以及生物流化床技术是在经典生物滤池的墓础上发展起来的新型生物膜法。随着新型合成材料的大量生产,近三十多年来, 国内外学者对于生物接触氧化池 塔式生物滤池及生物流化床的构型和生物载体填料进行了多方面的研究,并取得了新的进展 。尤其是近十多年来,生物载体填料的研究和开发工作十分活跃,在国内,软性纤维填料、半软性填料、盾式纤维填料、拼装填料等相继研究和开发成功,从根本解决了生物膜堵塞的间题,因而新型生物膜法废水处理技术得到了迅速的推广应用。目前常见污水处理反应填料如下：1.1 蜂窝状
3、填料蜂窝状填料一般由超薄型轻质玻璃钢或各种薄型塑料瓶构成，安装时直接堆叠在布气系统上面。比表面积为133-360m 2/m3，空隙率高，质轻，强度大，在应用时堆积高度达4-5m，表面光滑，老化的生物膜靠循环水流和气流的冲刷而脱落。但在实际应用中，犹豫填料横向不流畅，造成布气不均匀，易堵塞，尤其不适宜高浓度的废水处理，造价高，运输困难。1.2 软性填料软性填料一般用尼龙、维纶、涤纶等化纤编织成束并用中心绳连接而成，相对于蜂窝填料，它的空隙率具有可变性因而避免了堵塞现象。软性填料具有巨大的理论比表面积，微生物附着性好，易挂膜，造价低廉，加工方便。但在使用一段时间后，会出现纤维束结团的现象，不仅降低
4、了有效比表面积，而且在结团中心区产生厌氧，严重影响了生物膜的使用性能。软性填料的使用寿命一般较短。1.3 半软性填料半软性填料由变性聚乙烯塑料制成的填料单元构成，具有硬性填料的刚性和软性填料的柔性，因此有特殊的水力性能。当水流通过时可产生明显的湍流流态，传质效率高。但其比表面积小，导致生物膜量少，表面光滑挂膜较难，生物膜易脱落，未能在生物接触氧化法中广泛应用。1.4 组合填料组合填料是由塑料半软性填料与纤维软性填料组合而成，吸取了软性填料和半软性填料的优点，利用中间的半软性部分支撑外围的软性纤维束，其造价、理论比表面积均介于软性填料和半软性填料之间，使用效果优于软性填料和半软性填料。1.5 弹
5、性立体填料弹性立体填料由聚烯烃塑料经增强亲水性、稳定性、吸附性处理加工成的弹性单丝构成，上有毛刺、波纹，挂膜容易，生物量多，氧的转移速率高，价格较便宜。但弹性立体填料的安装复杂，而且更换、清楚堵塞的曝气设备比较困难，中心绳有结团现象，对布气布水均匀性要求较高，且比表面积较小（20-30 m 2/m3） 。弹性立体填料是目前使用较多的一种。1.6 载体生物陶粒生物陶粒是以粘土为主要生产原料，掺合一定比例的粘合剂、成孔剂、无机骨料经配料、搪粒成球、高温烧制、筛分等一系列工艺加工而成的类球粒状材料。其主要成份为偏铝硅酸盐，呈深褐色或灰褐色、颗粒粒径可根据不同要求生产。高效挂膜轻质陶粒在物理微观结构方
6、面表现为粗糙多微孔，这些特点使高效挂膜生物陶粒特别适合于微生物在其表面生长、繁殖。但是由于已建成的污水处理厂场地和水头的限制，需要重新建造池形构筑物和提升泵站以及BAF工艺运行繁琐，在污水处理厂提标改造中受到一定条件的限制。载体生物陶粒在实际工程运用中，需要每年添加10-20%的消耗，造成运行成本偏高。 图一 载体生物陶粒1.7 悬浮填料1.7.1 悬浮填料的应用现阶段国内悬浮填料主要是用于对现有污水处理工艺的升级改造。使用的填料的规格为直径 20-150mm、形状分类主要有球形和圆柱形两种。填料的比表面积每立方为 50 -500m2。国内采用悬浮填料改造达到一级 A 的工程有无锡芦村污水处理
7、厂日处理规模 10 万吨，青岛团岛污水处理厂日处理 10 万吨；烟台套子湾污水处理厂日处理 5 万吨；青岛柳村河污水处理厂日处理 15 万吨；保定营定庄污水处理厂日处理 16 万吨等等；以上升级改造的工程通过投加填料能稳定达到一级 A 的标准。由于填料的结构形式不一，在去除氨氮、总氮的运行中需要的运行条件各有不同。其中较好的填料结构能实现低碳源情况下的同步硝化反硝化，有些填料结构形式需要通过外投加碳源才能得到较好的脱氮效果。由于已建成的污水处理厂池型结构形式不一，在运行过程中对填料的规格型号也有不同的要求，对于廊道推流式的池型最好选择 50-150mm 悬浮填料；廊道中需要增加格栅、格段，确保
8、悬浮填料在局部廊道格段中保持均匀。对于氧化沟等循环式池型最好选择 20-40mm 悬浮填料，通过增加进出水格栅，保证悬浮填料在廊道中很好的循环。悬浮填料的投加比例根据不同的水质水量以及工艺运行状况进行确定，一般选择有效池容积的 30-50%填充率。总之，根据当地污水处理厂实际运行效果确定填料的规格型号和填充率。1.7.2 悬浮填料的分类(1) 国外引进的悬浮填料 悬 浮 载 体 用 于 MBBR， 工 艺 原 理 是 通 过 向 反 应 器 中 投 加 一 定 数 量 的 ， 提 高 反应 器 中 的 生 物 量 及 生 物 种 类 ， 从 而 提 高 反 应 器 的 处 理 效 率 。 由
9、于 填 料 密 度 接 近 于水 ， 所 以 在 曝 气 的 时 候 ， 与 水 呈 完 全 混 合 状 态 ， 微 生 物 生 长 的 环 境 为 气 、 液 、 固三 相 。 载 体 在 水 中 的 碰 撞 和 剪 切 作 用 ， 使 空 气 气 泡 更 加 细 小 ， 增 加 了 氧 气 的 利 用率 。 另 外 ， 每 个 载 体 内 外 均 具 有 不 同 的 生 物 种 类 ， 内 部 生 长 一 些 厌 氧 菌 或 兼 氧 菌 ，外 部 为 好 养 菌 ， 这 样 每 个 载 体 都 为 一 个 微 型 反 应 器 ， 使 硝 化 反 应 和 反 硝 化 反 应 同时 存 在 ，
10、 从 而 提 高 了 处 理 效 果 。MBBR 工 艺 兼 具 传 统 流 化 床 和 生 物 接 触 氧 化 法 两 者 的 优 点 ， 是 一 种 新 型 高 效的 污 水 处 理 方 法 ， 依 靠 曝 气 池 内 的 曝 气 和 水 流 的 提 升 作 用 使 载 体 处 于 流 化 状 态 ，进 而 形 成 悬 浮 生 长 的 活 性 污 泥 和 附 着 生 长 的 生 物 膜 ， 这 就 使 得 移 动 床 生 物 膜 使 用了 整 个 反 应 器 空 间 ， 充 分 发 挥 附 着 相 和 悬 浮 相 生 物 两 者 的 优 越 性 ， 使 之 扬 长 避 短 ，相 互 补 充
11、 。 与 以 往 的 填 料 不 同 的 是 ， 悬 浮 填 料 能 与 污 水 频 繁 多 次 接 触 因 而 被 称 为“移 动 的 生 物 膜 ”。 其典型制品如图二所示。但是国外引进的悬浮填料价格均较高，一般中小型污水厂很难承受。另外，由于填料孔径较小，在处理污水尤其是含有工业网污水的生活污水处理时，毛纤维容易堵塞填料，造成填料沉底，影响处理效果。国内外大量工程实力证明，在污水处理中，要想达到总氮的去除效果，该填料需要外加碳源。 图二 国外引进悬浮填料(2) 国内已有悬浮填料悬 浮 填 料 表 面 经 过 特 殊 处 理 ， 增 加 了 其 表 面 粗 糙 和 亲 水 性 能 ， 从
12、而 挂 膜 比 较容 易 ， 克 服 了 一 般 塑 料 填 料 表 面 光 滑 挂 膜 困 难 的 弊 端 。 产 品 抗 磨 、 抗 拉 强 度 高 ，使 用 寿 命 长 。填 料 比 表 面 积 为 100 /m3， 是 弹 性 丝 状 填 料 的4 倍 ； 在 生 物 膜 成 熟 时 可 以 形 成 厚 度 为 2 8mm 的生 物 膜 ， 而 且 生 物 膜 生 长 状 况 良 好 ， 膜 上 的 微 生 物种 类 丰 富 ， 活 性 高 ， 可 以 明 显 提 高 处 理 效 果 。该 填 料 在 曝 气 池 中 呈 流 化 状 态 ， 碰 撞 频 繁 ， 因而 极 大 地 提 高
13、 了 生 物 处 理 三 要 素 之 间 的 传 质 效 率 。传 统 的 生 物 载 体 填 料 或 者 挂 膜 容 易 、 脱 膜 困 难 ， 或者 脱 膜 容 易 、 挂 膜 困 难 ， 造 成 了 工 艺 运 行 的 不 稳 定 。悬 浮 填 料 经 过 特 殊 的 表 面 粗 化 处 理 ， 挂 膜 比 较 容 易 。无 需 设 置 排 泥 系 统 。 (3) 国内新开发的同步脱氮悬浮填料新 一 代 齿 轮 型 流 化 生 物 载 体 填 料 具 有 ： 生 物 量 高 、 比 表 面 积 大 、 生 物 膜 分 布更 加 合 理 、 后 生 动 植 物 不 易 粘 附 、 不 易
14、破 碎 、 运 行 管 理 简 单 、 使 用 寿 命 更 长 的 特点 。填 料 结 构 设 计 独 特 ， 比 表 面 积 大 ， 挂 膜 容 易 ， 一 般 在 投 入 使 用 一 至 二 周 后 ，填 料 表 面 可 以 形 成 厚 度 为 3 15mm 厚 的 生 物 膜 ， 而 且 生 物 膜 生 长 状 况 良 好 ， 膜上 的 微 生 物 种 类 丰 富 、 活 性 高 ， 明 显 提 高 容 积 负 荷 。 填 料 内 外 角 受 气 水 冲 击 强 度不 同 ， 形 成 不 同 厚 度 的 生 物 膜 ， 生 物 膜 厚 度 的 变 化 ， 使 膜 内 好 氧 、 缺 氧
15、和 厌 氧 产生 不 同 的 分 区 ， 大 量 工 程 实 例 证 明 ， 在 低 碳 源 的 条 件 下 ， 该 填 料 可 以 满 足 同 步硝 化 、 反 硝 化 的 要 求 ， 脱 氮 效 果 好 。 由 于 每 立 方 填 料 可 以 生 长 9-10 公 斤 生 物膜 ， 通 过 投 加 不 同 比 例 的 填 料 ， 使 污 泥 浓 度 可 以 提 高 到 6000-10000 mg/L。填 料 在 曝 气 池 中 呈 流 化 状 态 ， 碰 撞 频 繁 ， 因 而 极 大 地 提 高 了 生 物 处 理 三 要 素（ 微 生 物 、 溶 解 氧 、 有 机 污 染 物 ） 之
16、 间 的 传 质 效 率 。 填 料 经 过 特 殊 的 表 面 粗 化 处理 和 结 构 形 式 ， 挂 膜 比 较 容 易 。 由 于 特 殊 的 比 重 结 构 ， 可 以 随 水 流 连 续 通 过 曝 气区 和 非 曝 气 区 ， 从 而 交 替 完 成 生 物 膜 的 生 长 和 脱 落 过 程 ， 保 证 生 物 膜 数 量 的 稳 定性 和 活 性 ， 保 证 了 工 艺 的 稳 定 运 行 。 填 料 在 水 中 处 于 流 化 状 态 ， 气 泡 在 上 升 过 程中 被 反 复 切 割 ， 改 变 气 泡 上 升 路 线 及 速 度 ， 使 填 料 表 面 的 微 生 物
17、 与 水 中 的 空 气 可以 充 分 接 触 ， 提 高 了 氧 的 利 用 率 ， 从 而 节 省 了 能 耗 。图三 国内已有悬浮填料填 料 可 以 直 接 投 放 于 生 物 反 应 池 中 ， 不 需 要 安 装 填 料 支 架 。 在 填 料 进 行 更 换时 ， 可 以 停 止 曝 气 ， 填 料 即 浮 于 表 面 ， 用 网 兜 即 可 打 捞 ， 也 避 免 了 其 他 类 型 填 料更 换 时 需 要 排 空 生 物 氧 化 池 的 麻 烦 。 工 程 运 用 实 例 同 活 性 污 泥 法 相 比 ， 由 于 有 较长 的 泥 龄 ， 其 污 泥 产 量 可 以 大 大
18、 降 低 ， 从 而 也 可 以 降 低 污 泥 的 处 理 成 本 。三 国内新开发的同步脱氮悬浮填料(4) 其它类型的悬浮填料除上述几种市场上常见的填料，还有一些采用特殊工艺加工的填料。陶红等以13X 分子筛为基本原料、三氯化铝和硅酸铝为粘合剂、聚乙烯醇和可溶性淀粉为增孔剂、硅藻土为优选剂，在 100110下干燥后在 260300下焙烧，制成直径为 11.5cm 的球形悬浮填料，试验结果表明该悬浮填料非常有利于生物膜的生长形成。汪晓军等通过在普通塑料中添加水溶性高分子物进行亲水性改型，制得亲水性塑料悬浮填料。陈月芳等将传统悬浮填料与沸石有机组合，制得新型沸石组合填料，该填料比表面积为普通填
19、料的 23 倍，且挂膜容易。田刚等提出一种用密度为 0.951.05g/cm 3的无纺布作材料，按圆、正多边形或圆筒状，以热熔合法加固制成的新型填料。2、 我国污水处理反应填料和载体技术与国际先进水平的差距，存在的主要问题及其解决途径近十年来，悬浮填料生物膜工艺得到迅猛的发展，在生活污水、工业废水、微污染源水等处理领域几乎都有悬浮填料的身影，可以说所有的污水生物处理工艺中都可以引入悬浮填料，悬浮填料的应用将会越来越广泛。悬浮填料目前存在的主要问题是挂膜问题。挂膜困难或挂膜不牢是一个非常难以解决的问题，这主要是因为目前国内市场上的悬浮填料主要是由聚乙烯、聚丙烯等材料制成，这两种材质的表面都呈电负
20、性倾向，而微生物表面通常带负电，因而填料表面不利于微生物附着。另外，目前市场上的内置式填料存在挂膜堵塞问题，由于填料的挂膜堵塞，进而降低生物膜的活性，从而影响整个系统的处理效率。再次，价格的问题仍是目前影响悬浮填料应用的主要因素，尤其是一些性能较好的填料产品，因其价格昂贵，一般的中小型污水处理厂很难承受。因而研制出性价比合适的填料产品将是推广悬浮填料技术的关键。最后，由于悬浮填料广阔的市场前景，悬浮填料的开发一直十分活跃，各种各样的新型悬浮填料不断诞生。为了规范悬浮填料产品市场的有序发展，国家在2006 年公布了悬浮填料产品技术标准，对产品的定义、命名、分类以及一些物理特性作了规定。但是，在涉
21、及到悬浮填料产品性能的关键技术指标，如表面挂膜性能方面却未做任何直接技术规定，从而导致填料的选择缺少技术指导，因此，当前迫切需要一套可以衡量填料生物性能的评价指标和相关的快速测定方法。3、 国内外污水处理反应填料和载体技术的发展趋势未来悬浮填料的开发和填料技术的发展将主要集中在以下几个方面(1)填料的相关研究。当前所使用的填料强度低、易磨损，需经常更换。以后应开发价格更低廉、使用寿命长、易挂膜的材质来做填料。另外对填料的化学性质、生物膜的脱落机制也应进行更深入的研究，以期能在填料上设计不同的结构区域，来适应不同的微生物群体的生长，以实现硝化反硝化的高效运行。(2)减少能耗。填料的完全流化需要增
22、加曝气量，所以应试验优化填料的最佳投配率、气水比等，优化配套装置，以尽量在满足使用要求的同时减少动力费用的投入。(3)由于悬浮填料生物系统的生物相丰富、生物量大，因此在实际工程中应多组合其他工艺，以实现最优组合，达到最佳处理效果。(4)反应动力学的研究。悬浮填料兼有生物膜和悬浮生物特点，应通过小、中、大等各种试验收集数据测定动力学常数，建立动力学表达式，为系统的设计运行提供依据。(5)形成生物系统规模化生产能力。城市污水处理厂的大规模升级改造迫使开发的新产品和技术应用污水处理总规模达到 400 万 m3/d。4、 我国在污水处理反应填料和载体技术方面的优势技术我国在一些高校、科研机构、企业的积
23、极努力下，在污水处理反应填料和载体领域也取得了较大的成果。1991 年，北京市环境保护科学研究院的田刚发明了一种用于生物流化床处理废水的新型生物载体的专利。上个世纪 90 年代中期，北京桑德环境技术发展公司研发的 SNP 悬浮生物载体是一种较典型的悬浮生物载体。这种独特的立体结构使得单元生物载体中同时具有好氧、缺氧和厌氧三种微环境，既可以进行有机物的好氧分解、氮化物的硝化、磷的吸收，又可以进行厌氧水解、酸化、反硝化以及磷的释放等一系列过程。1998 年，同济大学环境工程学院的周增炎、高延耀、刘霞发明了一种悬浮式生物载体的专利。这是一种由不同面积的翼板、底板构成的，直径为50mm、高为 50mm
24、 的圆柱型，比表面积为 278m2/m3，密度小于水的悬浮生物载体。2002 年，殷渝强研制了一种梅花形多孔面悬浮生物载体，该载体采用改性聚丙烯材质注塑成型，添加某些成份，使其比重接近于水，可在水中悬浮或随水体流动，外形多切角呈梅花形。并进行了 PTA 污水预处理试验，反应池的有效容积为621m3，载体充填率为 25，进水 CODCr为 4971mg/L，HRT 为 14.8h，COD Cr平均去除率为 66.4。轻质陶粒作为无机类悬浮生物载体，在污水处理中的应用 2004 年，钟世云等介绍了常用的塑料悬浮生物载体，如阶梯环、矩鞍环、多孔旋转球、内置式球等，并指出塑料生物载体的研究中存在的问题
25、。艾恒雨等也介绍了多种悬浮生物载体，如多面空心球、内置式悬浮球、Kaldnes 悬浮载体、Natrix 悬浮载体等。在悬浮生物载体的研究开发中，还有许多企业积极开发具有自己特色的产品，如广东鑫都环保实业有限公司自 1991 年进入环保行业以来，一直对生物载体填料进行深入的研究、开发、运用。先后经历从软性填料、弹性填料、组合填料、立体网状填料到流化填料等一系列产品的换代升级。根据软性填料、弹性填料、组合填料容易粘结成束等弊端，升级到立体网状填料；根据立体网状填料运行管理不灵活的特点，升级到流化填料。根据水质的不同，开发出不同比表面积、不同形状的流化填料。上海虞市成航环保生物载体厂设计生产的多孔球
26、型悬浮生物载体，由聚乙烯材料制造而成，分内外双层球体外部为中空鱼网状球体，内部为转型球体，在使用过程中，微生物易生长、易更换、耐酸碱、抗老化、不受水流影响、使用寿命长，剩余污泥极少，安装方便。宜兴市思源水处理生物载体有限公司开发的无剩余污泥悬浮型生物生物载体，它是用塑料注塑二个半圆形的鱼网状的球形。中心放置塑料编织丝或小块海绵。在污水的生化处理中具有全立体结构，比表面积大，直接投放，无须固定，易挂膜，不堵塞。全塑结构单元生物载体具有 A/O、A 2/O 水解好氧功能，剩余污泥极少，使用寿命长。大连宇都环境工程技术有限公司研制了 BioMTM系列的悬浮生物载体，是一种中空圆柱体、内表面有交叉的薄
27、片支撑、外表面有鱼鳍状的突起，该悬浮生物载体生物膜活性高、厚度维持在 10200m。还有上海万森水处理公司开发的内置式悬浮生物载体等等。与此同时，我国近年来，申请的与悬浮生物载体相关的专利也很多，如广东鑫都的立体网状微生物载体填料、一种水处理用的平面网填料、一种新型生物载体流化填料、一种新型水处理生物载体流化池、空心齿形流化填料、一种高效脱氮水处理流化填料、一种循环式水处理流化填料、浙江台州的童省吾设计的条片形旋转式悬浮生物载体，浙江杭州的徐令云设计的纺锤型悬浮生物载体等。在悬浮生物载体在结构上的研究外，还有在材质方面的研究，如华南理工大学的汪晓军等对塑料弹性悬浮生物载体进行亲水性改性，水处理
28、效果得到提高。程江等对聚丙烯生物载体进行磁化改性，发现挂膜量增多，挂膜速度快，水处理效果得到改进。重庆建筑大学的龙腾锐等研制了酶促生物载体，对比试验表明，酶促载体表面微生物生长状况较其他多孔载体要好。5、 我国污水处理反应填料和载体行业企业发展现状分析与业界企业的行业发展建议及政策呼声目前，国家对水资源行业的扶持，让以污水处理行业为代表的中国水务业前途一片光明，重多大中小型企业加大人力物力在污水处理的课题研究上，众多污水处理反应填料和载体行业，研究出了更新更好的产品。但是，但水务投资的门槛和无形障碍也越来越高。第一，多数自来水项目和污水处理项目直接划给当地企业，故异地或外国和尚有钱难拿水务项目
29、。第二，由于水务项目稀缺，水务集团或项目出售时大幅溢价。尽管污水处理市场空间广阔，但目前介入者盈利情况并不乐观。现在企业做得亏本买卖，因此需要出台一些补贴机制。“一旦水务扶持和激励政策出台，中国水务市场将迎来高速发展。 ”据了解，尽管水务产业链涉及甚广，从水土保护、水源建设、管网建设、污水处理、运营管理、到服务提供商等诸多环节，但外界最关注的仍然是污水处理商或拥有污水处理技术的企业。业界呼吁国家能出台相关政策，形成中国自己的填料产品产业链，发展和扩大填料和载体的产品与应用研究，重点扶持相关企业，做好带头作用，带动其它相关企业的发展最后形成国产化一条龙。同时支持相关企业使用和支持国产填料，为优秀
30、的国产污水处理反应填料和载体在全国的应用发展铺平道路。6、 十二五期间，我国污水处理反应填料和载体行业发展的产业化规划十二五期间，根据城市污水处理厂在升级改造过程中的实际特点，研究开发出脱氮效率高、运营管理简单、单位成本低的生物流化填料，在不扩大生化池容积的情况下，提高污泥量，提高容积负荷，有效提高生化系统的硝化反硝化功能，研究生产的污水处理反应填料和载体在创业环保内部众多的污水厂内大规模使用，生产能力进一步提高，建设年生产能力 20 万 m3以上的生物流化填料生产线。课题研究开发的填料可广泛应用于各个污水厂的升级改造工程，在保证污水处理效果的前提下，尽可能的改造资金的投入，并在后序运营过程中达到节约运营资金的目的，减少污染物的排放，为国家可持续发展做出贡献。并在污水处理市场上占据优势。围绕“十二五”期间我国经济社会发展需求，以实现城市污水处理水平达到
