王道增 胡龍興 劉宇陸
（上海大學 上海 200072）

1 背 景

　　生物膜水處理工藝是近20年來發展的一種運行穩定、能抗沖擊負荷、經濟節能、剩余污泥量少并具有一定硝化與反硝化功能的先進方法。生物膜反應器中的填料是決定生物膜反應器污泥處理效率與質量的主要因素之一。本文從填料在生物膜污水處理工藝中的作用及水動力學機理出發，分析了生物膜污水處理技術中的填料對水流流動特性、污水處理效率的影響，并選用了一種新型異徑筒填料作為生物膜處理器填料，通過試驗取得了良好的污水凈化效果。

2 填料與實驗

2.1異徑筒填料
　　填料的材料和類型對生物膜形成的質量與數量、池中水流及氣流(氣泡流)的運動、生化反應的效率以及對SS的捕獲能力都有重要影響。本文經分析研究，選用了厚度為0.015mm的聚苯乙烯制成的異徑筒狀填料。
　　聚苯乙烯制成的異徑筒填料經前期試驗表明它掛膜時間短、效果好。
　　填料的比表面積大有利于增加生物膜的總量，空隙率高有利于截留和保留大量的懸浮生長的微生物，并能防止生物反應器阻塞和生物載體結團。經過測算，本文所用異徑筒塑料填料比表面積為157m²表面積/m³(每立方米裝8300個填料)，空隙率達到97.8%。此種填料對布氣和布水要求不高，有暢通的流道，不容易阻塞，而且可內外掛膜。
　　試驗中這些填料筒是隨機地放入生物處理器中的，所以不存在直上直下的通道，水流在異徑筒內、外流動中都處在與垂直方向有一定角度的繞流流動中。在不斷地繞流中，水流速度時快時慢，水中懸浮顆粒SS很容易在流速較慢時被捕集，因為顆粒的再起動流速要遠大于沉降速度。本試驗中水流平均流速u為0.01～0.02mm/s，6小時停留時間u為0.05～0.06 mm/s。對于粒徑在0.01～0.1mm的顆粒，Stokes沉速v=0.1～1.0mm/s。當SS的沉降速度v大于水流上升速度u時，就會產生沉降，可見異徑筒填料有良好的捕集SS功能。
　　水力條件對生物膜反應器的運行及凈化功能有很大的影響。異徑筒填料在池中形成了良好的適合于生物膜反應器運行的環境條件。
　　水力停留時間是指待處理污水在反應器內的平均停留時間，也就是污水與生物反應器內微生物作用的平均反應時間。本文采用的是推流式反應器，污染物濃度衰減方程有：S_e=S⁰·e^-kt。從表面上看，延長水力停留時間，則出流污染物濃度S_e 將降低，但過分延長水力停留時間會影響反應器的水力負荷或有機負荷，另外隨著停留時間t的增加，衰減速率會逐漸減小，所以t超過某一值后繼續增加水力停留時間是不經濟和不可取的。試驗證明異徑筒填料在這方面有較好的性能。水流在筒內、外交替流動并經多次繞流，不存在垂直方向的通道，經測定在同一斷面上濃度離差系數 C_v<0.05。所以容易獲得最佳水力停留時間。
　　反應器中水流剪切力會對生物膜產生沖刷并使其脫落，所以作用于生物膜上的水流剪切力直接決定生物膜厚度和生物膜量，對生物膜反應器的運行效果有重要影響。本文采用的異徑筒填料的水流基本上屬于管流層流。
　　運行工況下，R_e≤100，此時水流對生物膜的剪切力完全決定于粘滯性，而與生物膜表面狀態無關，即水流剪切力只取決于水溫和流道內的流速分布，對于圓管層流流速分布符合拋物面分布。本文按異徑筒填料最大可能的平均流速u=0.5cm/s考慮，水流剪切力 τ<0.01dyn/cm²，這比大多數填料要小一個數量級。
　　所以從水力停留時間和水流剪切力等水動力條件看，異徑筒填料有很好的生物膜反應器運行水力條件。
2.2 實驗研究
　　本文采用異徑筒填料在一套微污染河水處理裝置上進行了驗證性實驗。試驗設備為有機玻璃制成的圓筒形裝置，總容積為235L，其中初沉-缺氧池為98L，曝氣池為79L，二沉池為33L，消毒池為25L。
　　各指標均用標準方法測定，在每一工藝條件下穩定運行3天，取其平均值作為分析數據。由于異徑筒填料尺度比一般填料大，且屬于各向異性填料，對氣流有導流和繞流影響，結果使得氣體在填料層中存在不同的溶解氧濃度，這樣會出現不同的微生物種群共存。

3 結果與討論

3.1 停留時間試驗
　　結果表明COD_Cr 去除率隨停留時間的增加而升高。當停留時間為24h時，出水清澈，COD_Cr 去除率接近60%，但生化作用利用率低。當停留時間為16h時，出水水質略差，COD_Cr 去除率為54.7%，仍低于15mg/L(地表水環境質量標準GHZB 1-1999 I類標準)。當停留時間縮短為6h時，COD_Cr 去除率只有38.2%，出水水質明顯下降。因此，綜合考慮各因素，最佳停留時間為16h。
3.2 生物膜狀態及其脫落
　　在運行試驗中，系統的污泥產率很低且穩定在0.16左右。運行中生物膜幾乎保持動態平衡。在初沉-缺氧池中生物膜外觀呈灰黑色，結構密實。在曝氣池內的生物膜成黃褐色，有較明顯的泥腥味，進水處生物膜極厚，出水處生物膜較薄。填料層中還發現硝化和亞硝化細菌，以及不同種群的微生物，說明曝氣池也運行良好。

4 結論

　　(1) 采用聚苯乙烯制成的異徑筒填料，在生物處理器池中具有良好的掛膜性能。
　　(2) 異徑筒填料能在生物處理器池中形成良好的水流條件，有利于固體懸浮顆粒SS的捕集，提高污水與生物膜的反應效率以及減小水流剪切力維持生物膜的穩定、保持動態平衡。
　　(3) 異徑筒填料尺寸較大，且有導流作用，氣體在填料體中傳輸會形成不同的溶解氧濃度，有利于同一主體設備中共存不同微生物種群，提高凈化效果。
　　(4) 整個系統處理效果良好，在停留時間為16h時，微污染河水的COD_Cr 、BOD₅ 、NH₃-N 、SS去除率可接近55%，70%，75%，80%，整個系統出水水質穩定，污泥產率低。