摘要：填料是水處理中的核心技術之一，在水處理中有著廣泛的應用，無論是好氧、兼氧還是厭氧處理過程中，填料都發(fā)揮著重要的作用。綜述了水處理領域填料的發(fā)展現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點，介紹了填料在反應器中所起的作用，展現(xiàn)了微生物與填料的結合及填料性質對生物膜附著影響等方面的研究成果。同時，探討了今后填料研究的發(fā)展方向。
關鍵詞：水處理填料；微生物；發(fā)展趨勢
用于水處理過程的填料，通常是為生物膜提供附著生長、固定的表面材料（或濾料、載體）。填料是生物膜法水處理工藝的技術核心，是生物池中微生物量、微生物種類、微生物活性以及微生物新陳代謝過程所需物質的傳遞介質，填料關系著微生物棲息、生長和繁殖。填料對生物膜法的性能特征以及工藝發(fā)展具有重要的影響。因此，填料質量的優(yōu)劣直接影響著生物膜法水處理工藝的效能。因填料在水處理領域獨特的性能，國內外的水處理工作者一直不斷地研制、開發(fā)、生產和應用各種不同類型的填料。填料種類繁多，填料的材質、結構、性能等直接影響著水處理效果。
從生物膜反應器的工藝要求進行分析，理想的生物膜提料應具備以下特性：
（1）良好的水力學特征：填料的水力學特征包括比表面積、孔隙率、形狀尺寸和填充度。較大的表面積是反應器保持高濃度生物量的首要條件，而生物量是影響反應器處理效果的主要因素。因此，填料的比表面積是影響生物膜法處理效果的首要因素。大的比表面積有利于微生物生長。但是，比表面積越大，流經(jīng)填料內的水流阻力也越大，能耗隨之增加。填料的孔隙率決定了廢水的有效停留時間。孔隙率越大，廢水的實際停留時間越長，其容積利用率越高，水流阻力越小，從而減少反應器堵塞和短流的可能性，同時填料用量減少，基建投資降低。但是，孔隙率越高，比表面積和機械強度就越小，反應器出水中的懸浮物濃度也就越高。
（2）良好的穩(wěn)定性：生物膜反應器從啟動到運行需要較長時間，如果載體本身不具有一定的機械強度，那么在反應器運行過程中勢必引起不同程度的破損而喪失其功能，這將使得生物膜反應器中所持有的生物量呈不規(guī)律變化。在污水處理中，其直接導致了出水水質的擾動。因此，要求填料有足夠的機械強度，且本身質輕，能抵抗廢水和微生物的侵蝕。不溶出有害物質而引起二次污染，不含對微生物有影響的物質。
（3）較好的生物膜附著性：生物膜在填料上的附著性主要取決于填料的物理因素和化學因素。物理因素包括填料的表面粗糙度和表面空隙。粗糙度越大，掛膜越快。填料表面的空隙也影響生物膜的附著性，較小的孔隙具有毛細孔保水作用，因而對活動于水中的微生物有較強的持留作用?；瘜W因素包括填料的表面靜電作用和親水性。一般**表面都帶負電荷，若填料表面的正電位越高，則**越易附著于填料上生長形成生物膜。只有當填料表面70%以上的孔徑處于反應器內*大微生物尺寸的1～5倍范圍內時，才能獲得*大的生物積累。另外，**屬于親水性粒子，所以提高填料表面的親水性可以加快生物膜的形成和附著。
（4）材質輕而機械強度高。
（5）價格低廉，取材方便。填料的費用一般約占生物膜工藝總投資的30%～40%。因此，經(jīng)濟合理地選擇填料是非常重要的。
填料的投放量也會影響，反應器的生物量、處理效果。大量的研究表明，填料的投配率應在10%～40%。本研究就不同生物填料的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題、發(fā)展趨勢進行了探討。
1生物填料的分類
1.1無機填料
常見的無機填料有焦炭、拳掌碎石、石英砂、活性炭、碎鋼渣。無機填料一般為淹沒式，他們屬于硬性材料，其粒徑3～8cm左右，孔隙率約45%～50%，比表面積65～100m2/m3。這類濾料粒徑越小，濾床的可附著面積越大，生物膜的面積越大，濾床的工作能力就越大。但粒徑越小，空隙就會越小，濾床越易被生物膜堵塞，濾床的通風也越差。該類填料普遍具有機械強度高、性質相對穩(wěn)定的特點，但比表面積較小，孔隙率較低，且材質太重，生物濾池的負荷低，占地面積較大，在工程應用上受到很大局限，表1為部分無機物填料的特性。
隨著科技的發(fā)展，*近出現(xiàn)了活性炭纖維載體，具有比表面積大，孔徑分布集中，且生物親和性好，是一種很好的生物膜載體材料。王真真等將其作為牛糞厭氧發(fā)酵的載體。研究表明，它很大程度地提高了厭氧發(fā)酵的效率。通常，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。其他的填料如片狀陶瓷盡管掛膜性能好，但水流阻力大、易堵塞、強度差、易破碎、不耐水沖。
1.2有機填料
有機生物膜載體從*早期的聚丙烯、聚乙烯等聚烯烴類發(fā)展到今天，出現(xiàn)了好多種類的有機生物膜載體。主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯及各類樹脂、塑料、軟性或半軟性纖維等。聚苯乙烯、聚氯乙稀、聚丙烯等塑料填料表面光滑、生物膜附著力差、易老化，且在實際使用中易產生不同程度的填料堵塞。通常，這些材質的生物膜載體均需進行適當?shù)母男裕瑥亩蛊溆H水性和生物親和性達到更高的水平。
近幾十年來，隨著新型有機合成材料的生產和應用，生物膜系統(tǒng)日益廣泛的采用各種性能優(yōu)越的輕質塑料填料，如波形板狀、蜂窩狀和列管狀塑料填料，比表面積200m2/m3左右，孔隙率可達95%。表2是塑料填料各項特征和參數(shù)。這些新型材料常用于生物轉盤、生物接觸氧化池、生物流化床和曝氣生物濾池等各類生物膜新工藝。
2生物填料的結構安裝類型
國內外生物填料的種類繁多，形狀、孔隙度各不相同，按照安裝方式劃分可分為：
（1）固定式生物填料：指填料整體固定，在反應器內各部分均不移動的填料。國內外常用的固定式生物填料主要有蜂窩狀生物填料和波紋板狀生物填料。
（2）懸掛式生物填料：可分為軟性、半軟性和組合生物填料。3種填料結構特點相似，都為在中心繩上等間距設有掛膜物，中心繩兩端固定在池底與池頂。這類填料產生于20世紀70～80年代。造價低廉、掛膜快、效果好、運用廣泛，多用于生物接觸氧化池內。
（3）懸浮生物填料：與前兩類填料用法不同，無需固定，只需直接投加入池即可（需要在出水口設立網(wǎng)格以防填料流失）。此類填料一般比重接近于水，掛膜后可隨水體在池內流化。此種填料單體體積小，在運輸與投加上都非常方便。懸浮填料在反應器內流化時能更加充分、頻繁地與廢水接觸，加強傳質效果，且有切割氣泡的能力。懸浮填料由于其特定的結構使得填料單體上的微生物總厚度大于其他填料，能形成厭氧、缺氧、好氧區(qū)，對脫氮除磷有很好的效果。填料在流化過程中能促進老化的生物膜自行脫落、促進新膜形成，保證生物膜的活性。柱形生物填料、球型生物填料、多孔生物填料是*常見的懸浮生物填料。表3為填料結構安裝分類簡要表。
3填料的應用
3.1濾池
填料對曝氣生物濾池的結構形式、成本及效能有重要影響。生物濾池的濾床高度與填料的密度和空隙率有密切關系。石質拳狀濾料組成的濾床高度一般在1.0～2.5m。一方面由于空隙率低，濾床過高將影響通風；另一方面由于太重（石質濾料質量達1.1～1.4t/m3），濾床過高將影響排水系統(tǒng)和濾池基礎的結構。而塑料濾料僅100kg/m3左右，空隙率則高達93%～95%，濾床高度不但可以提高，而且可以采用雙層或多層構造。國外一般采用雙層濾床，高7m左右；國內常用多層的“塔式”結構，高度常在10m以上。
生物濾池是生物膜反應器的*初形式，已有百余年的發(fā)展歷史。早期的生物濾池負荷較低，雖然具有運行操作簡單，節(jié)約能耗，凈化效果好的優(yōu)點，但占地面積大、易堵塞、衛(wèi)生條件差，在使用上受到限制。隨著填料的革新和工藝運行方式的改進，發(fā)展成為中高負荷和高負荷生物濾池，進一步創(chuàng)立了塔式生物濾池。這些高負荷類型的生物濾池的濾床高度大幅度提高，對濾料的水力沖刷作用和通風效果大幅度增強，反應器內生物膜連續(xù)脫落，不斷更新，使低負載生物濾池占地大、易堵塞的問題得到了卓有成效的改善。目前，主要用作為深度處理以及回用水處理工藝，也被廣泛應用于生活污水、工業(yè)廢水處理中，同時還應用于微污染水源的給水處理中。各種生物濾池的分類和主要工藝特征見表4。
3.2生物接觸氧化池
生物接觸氧化池和生物濾池的區(qū)別主要是在工藝形式上。生物接觸氧化池相當于在曝氣池中充填供微生物棲息的填料，是一種介于活性污泥法和生物膜法之間的處理工藝。早期，塑料填料在接觸氧化池中被廣泛采用，*典型的是以蜂窩填料為代表的硬性填料，但長期的使用過程中，蜂窩填料逐漸暴漏出很多缺點：比表面積小，生物膜量少，水和氣在填料內橫向不能流通，造成布起氣不均。20世紀80年代出現(xiàn)了軟性填料，克服了蜂窩填料的不足，但軟性填料在長時間使用過程后易出現(xiàn)結團現(xiàn)象，降低了填料的實際使用面積，并且在結團區(qū)的中心易形成較大的厭氧區(qū)，影響了處理效果。為克服軟性填料的不足，隨后又出現(xiàn)了半軟性填料、組合填料、懸浮型填料等。目前，常采用的填料是聚氯乙烯填料、聚丙烯填料、環(huán)氧玻璃鋼等制成的蜂窩狀和波紋板狀填料和纖維狀填料。表5為常用填料的技術性能。
3.3流化床
生物流化床技術是一種表面生長微生物的固體顆粒呈流態(tài)化、高效去除和降解有機污染物的生物膜法處理技術，具有比表面積大、傳質效果好、微生物活性強、生物量濃度高、抗沖擊負荷能力強的優(yōu)點，因而受到人們的廣泛重視。目前，研究和應用*普遍的是三相好氧生物流化床。在傳統(tǒng)廢水生物處理中，微生物的生存環(huán)境是氣、液兩相，而在生物流化床反應器中，由于介質載體的加入，使得微生物生存環(huán)境轉變?yōu)闅?、液、固相。這種轉變影響著微生物的生長、繁殖、脫落和種群分布。從量的角度看，系統(tǒng)內的微生物量和種類都大大增加。從質的角度看，系統(tǒng)內載體的加入為世代時間較長的硝化菌和亞硝化菌繁衍、增殖提供了有利條件，從而增強了系統(tǒng)的脫氮能力。目前，研究者們正在開發(fā)各種材質、結構、形狀、大小的此類載體用于污水處理。WU等采用以多孔高分子聚合物為載體的三相內循環(huán)好氧流化床反應器處理石化廢水，發(fā)現(xiàn)無論在反應器的啟動還是在實際處理效果上都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的活性污泥。表6列舉了常用載體的物理參數(shù)。
4填料發(fā)展趨勢
當前，工程中運用的水處理填料多追求比表面積大、布水布氣特性好、價格便宜等方面，對掛膜速率、掛膜緊密程度、對污染物的捕捉程度等方面的研究較少，致使工程應用中存在掛膜啟動慢、微生物附著性不高、處理效果不明顯等問題。所以，研究人員對填料進行了改性，生物膜載體改性分為表面親水、表面帶電和生物親和性改性等。
4.1表面親水填料
水中需要處理的污染物多溶解在水中，運用生物膜法去除污染物必須使水很容易潤濕填料，故填料需要具有很好的親水性。表面親水改性是用化學或物理的方法使生物膜載體表面形成親水基團，如羥基、羧基等。賈紹義等對聚丙烯進行表面親水改性，研究表明，聚丙烯載體填料經(jīng)氧化后在其表面可生成極性親水基團，其親水性能和傳質性能均顯著提高，其中傳質效率提高30％以上。李澄提出對聚氨酯海綿用5%（質量分數(shù)）的鹽酸溶液浸泡24h，洗凈并晾干，再用1mol/L溶液浸泡24h洗凈晾干，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，聚氨酯海綿接觸角從132.7°下降至72.6°，從而大大提高了材料的親水性。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，并將改性后的彈性填料用在污水的厭氧生化處理中，處理效率提高了15%～30%；用在好氧生化處理中，處理效率提高了5%～10%。張近等采用液相化學法對聚丙烯孔板波紋填料進行了改性，在填料表面引入了羰基、羧基及羥基等親水基團，使填料孔隙率增大，傳質性能提高，親水性能得到改善。
4.2生物親和填料
生物親和是指兩種物質相容性好。生物親和性改性是在生物膜載體中加入某些物質，使載體對生物無毒害，且生物易通過新陳代謝進行降解。在研究生物親和填料時，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。隋軍等研制了一種水處理生物親和性填料，將少量面粉、淀粉等生物親和性物質加入填料基材制成填料。此種生物親和性填料不但可為微生物提供一定的碳源，而且可為生物提供大量的附著空間，易于微生物的掛膜、附著、繁殖，并且對提高處理效果有一定的作用。HAI等在普通的聚乙烯生物膜填料中添加了適量的羥基磷灰石、淀粉、蔗渣、活性炭和磁粉，配置得到了營養(yǎng)緩釋型生物載體填料，這種載體填料不僅具有較好的生物親和性，而且掛膜時間與原填料相比縮短了3d。
4.3表面帶電填料
眾所周知，微生物在通常環(huán)境下帶負電，所以獲得一個帶正電荷的生物膜載體表面，可減少微生物與載體之間的斥力，增加其附著力，這就是表面帶電改性。LIU等用X光表面分析儀(XPS)確定了經(jīng)過重鉻酸鉀溶液氧化后聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯表面官能團組織的變化，研究表明，含氧官能團顯著增加，載體表面呈現(xiàn)較強的電負性，然后把氧化后的生物膜載體置于FeCl3溶液中，使生物膜載體表面覆蓋滿Fe3+，這樣就獲得了表面帶正電荷的生物膜載體。
4.4磁效應填料
磁效應為物理學中的典型效應，高梯度磁分離技術被用于處理各類廢水的研究。由于反應器體積大，在整體的水域內加磁場較困難，因此學者們研究在水處理填料內添加磁性物質使填料具有磁效應，從而達到提高處理效果的能力。JUNG等在生化反應器外加南極磁場處理含酚廢水，發(fā)現(xiàn)酚的降解速率比不加磁場的普通生化反應器高2倍至數(shù)倍。在磁粉和活性炭的作用下，該填料整體均帶有微弱的磁場，能起到刺激菌群良性生長代謝、刺激老化菌膜脫落、新膜生長的作用。同時，磁效應與活性炭對水中微生物、污染物有吸附作用，從而加速掛膜與微生物的附著，對污染物的處理也有一定的提高作用。程江等將親水性、生物親和物質連同磁粉、活性炭加入到普通聚丙烯填料中，充磁后，填料兼具親水性、生物親和性、磁效應，掛膜速率、微生物的附著力、物質傳遞速率和處理能力都得到了提高。
5展望
其實，多孔材料廣泛存在于各類生物體中，如樹木、麥稈、珊瑚等，可從自然界中發(fā)現(xiàn)那些結構、性能有優(yōu)勢的自然物體，也可生產制備多孔材料載體。如植物性纖維，其主要成分是纖維素和果殼素等碳水化合物。植物纖維素具有很好的親水性和生物親和性，近乎滿足生物載體要求的所有基本條件，并且它是一種有相互貫通或封閉的空洞組成網(wǎng)絡結構的天然載體材料，經(jīng)濟、環(huán)保。除此之外，植物性纖維材料與現(xiàn)有載體材料相比，具有密度小、質量輕、比表面積大、阻尼性能好、可塑性和滲透性強等優(yōu)點，并且對人體無毒、無**影響。天然可降解生物膜載體是生物膜載體今后發(fā)展的重要方向，這類載體可有效地避免生物膜載體材料使用后的二次污染問題。但是，植物纖維易在酸性條件下降解，完全水解產物為葡萄糖，可被微生物利用。因此，該種類型的填料使用時間較短。
綜上所述，研發(fā)植物纖維填料，并通過改性延長植物纖維填料的使用壽命是未來研究載體材料的一個方向。
