生物滤料的种类及性能
生物滤料作为曝气生物滤池的核心组成部分，形响着该工艺的处理效果和运行控制，故选择合适的滤料对曝气生物滤池工艺的推广和应用意义非常大。从生物滤池处理污水的发展来看，填料(或滤料)的选取较为重要。先前国内外通常采用的填料(或滤料)形状有蜂窝管状、束状、波纹状、圆形辐射状、盾状、网状、筒状、规则粒状与不规则粒状等，所用的材质除粒状滤料外，基本上采用玻璃钢、聚氯乙烯、聚丙烯、维尼纶等。由于制作加工和价格原因，目内目前采用的接触填料主要有玻城钢或塑料蜂窝填料、立体波状填料、软性纤维填料、半软性填料以及不规则粒状滤料(砂、碎石、矿渣、焦炭、无烟煤、不规则页岩)、规则滤料如圆形陶粒等。玻璃钢或塑料填料表面光滑，生物膜附着力差，易老化，且在实际使用中往往容易产生不同程度的填料堵塞；软性填料中的水流流态不理想，易被微生物膜黏结在一起，产生结球现象，使其有效表面积大为减小，进而在结球的内部产生厌氧现象，影响处理效果。不规则粒状填料水流阻力大，易引起滤池堵塞。近年来我国也开展了应用片状陶粒处理水源水的微污染研究，片状陶粒属不规则粒状坡填料，尽管挂膜性能良好，但有水流阻力大、孔隙率小、容易堵塞、强度差、易破碎、不耐水冲刷等缺陷，限制了它仅能应用于水源水的微污染处理，而不适合污水处理。正是由于这些传统的接触填料存在一定的缺陷，限制了曝气生物滤池在我国污水处理中的应用，因此选用一种好的滤料非常关键。
生物滤料主要可分为无机类滤料和有机类滤料两大类。因为选用了不同的滤料，所以在曝气生物滤池的发展过程中，由于滤料的种类不同而产生了如BIOCARBONE、BIOFOR、BIOSTYR三种具有代表性的工艺。
一、无机类滤料
无机类滤料主要由无机材料组成，它们在生物滤池的发展过程中的各个阶段均起到了不可估量的作用。在生物滤池的最初阶段，人们用得最多的生物滤料是砂石，而到近年的曝气生物滤池发展过程中，无机类滤料逐渐从砂石发展到活性火山岩、沸石类、矿渣以及陶瓷材料等，如BIOCARBONE工艺中采用的滤料主要为砂石，BIOFOR工艺中采用的滤料主要为活性火山岩，而目前国内在曝气生物滤池中使用最广泛的滤料是性能与活性火山岩类似的轻质生物陶粒。
T.D.Kent等认为，滤料对曝气生物滤池的一次性投资、运行成本和正常操作影响很大，指出塑料滤料不适合于作曝气生物滤池滤料，并对七种可能应用于曝气生物滤池的滤料进行了系统的试验分析，试验结果见表。研究分析认为最适合作曝气生物滤池的滤料是Arlita，其次是老的页岩。英国、美国和印度等国己制定了曝气生物滤池的相应标准，法国德利满公司对应用于曝气生物滤池的滤料也制定了相应的说明及测试规范，可见各国对曝气生物滤池的滤料都有严格的要求。
七种可能应用于曝气生物滤池滤料的特性
| 特性 |
Starlight |
Molochite |
EFG |
Lytag |
Old ES |
New ES |
Arlita |
| 说明 |
泡沫柱状黏土 |
棱状煅烧黏土 |
膨胀耐火黏土 |
粉状染料灰 |
老棱状页岩 |
新棱状页岩 |
膨胀球形黏土 |
| 尺寸/mm |
2.6-3.4 |
1.8-5 |
2.5-4.7 |
2.6-4.3 |
2.1-3.9 |
2.65-4.1 |
3.5-6.2 |
| 密度 |
1340 |
2600 |
1720 |
1940 |
1900 |
1680 |
1550 |
| 内部孔隙率 |
0.06 |
0.01 |
0.15 |
0.06 |
0.08 |
0.18 |
0.05 |
| 外部孔隙率 |
0.39 |
0.4 |
0.4 |
0.35 |
0.34 |
0.36 |
0.3 |
| 比表面积 |
2.16 |
0.9 |
1.18 |
3.89 |
0.83 |
0.47 |
3.98 |
| 试验流化速度/(m/h) |
28 |
>140 |
88 |
92 |
60-80 |
64-96 |
72-80 |
| 理论流化速度/(m/h) |
42 |
160 |
97 |
110 |
93 |
84 |
104 |
| 脆度/% |
45 |
3.5 |
14 |
6.5 |
6.5 |
22 |
5.5 |
| 磨损率/% |
45.2 |
1.1 |
6 |
5.5 |
2.3 |
2.8 |
1.5 |
| 酸可溶率/% |
0.15 |
0 |
0.1 |
0.75 |
0.35 |
0.8 |
1.4 |
| 沉淀速度/(mm/s) |
61-89(22℃) |
100-297(20℃) |
88-171(20℃) |
95-239(19℃) |
80-172(19℃) |
87-141(24℃) |
132-225(19℃) |
在找国，对曝气生物滤池滤料的研究一直在进行，并对多种滤料进行了试验。有关研究单位在实脸室对不同滤料(如页岩陶粒、球形轻质多孔粉煤灰黏土陶粒、砂、褐煤、沸石、炉渣、麦饭石、热炭等)进行了筛选，并与生物活性炭进行了比较(其中褐煤因其机械强度差而被淘汰)，认为陶粒、砂子、大同沸石和麦饭石优于其他几种材料。下表是几种陶粒填料的物理化学特性比较(粒径3-5mm)。
几种颗粒滤料的物理化学特性比较(粒径3-5mm)
| 名称 |
物理性质 |
主要化学元素组成/% |
| 产地 |
比表面积/(㎡/g) |
总孔体积/(c㎡/g) |
松散容重/(g/L) |
Na |
Mg |
Al |
Si |
Fe |
其他 |
| 活性炭 |
太原 |
960 |
0.9 |
345 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
| 页岩陶粒 |
北京 |
3.99 |
0.103 |
976 |
- |
1.5 |
21.5 |
63.5 |
6.5 |
7.0 |
| 黏土陶粒 |
马鞍山 |
11.12 |
0.39 |
875 |
- |
0.46 |
16.44 |
54.29 |
4.23 |
2.86 |
| 砂子 |
北京 |
0.76 |
0.0165 |
1393 |
2.83 |
0.24 |
16.84 |
50.69 |
- |
29.4 |
| 沸石 |
山西 |
0.46 |
0.0269 |
830 |
4.25 |
11.48 |
18.27 |
40.28 |
10.14 |
15.58 |
| 炉渣 |
太原 |
0.91 |
0.0488 |
975 |
0.79 |
1.13 |
31.4 |
53.58 |
4.13 |
8.97 |
| 麦饭石 |
蓟县 |
0.88 |
0.0084 |
1375 |
5.23 |
0.46 |
20.32 |
50.38 |
0.84 |
22.86 |
| 焦炭 |
北京 |
1.27 |
0.0630 |
587 |
- |
- |
25.75 |
40.23 |
- |
34.02 |
该表表明，不同的颗粒其物理化学特性有一定的区别，有的甚至相差很大。活性炭的比表面积也远远高于其他材质颗粒，达960㎡/g，其次是球形轻质多孔粉煤灰黏土陶粒和页岩陶粒，分别达9.32㎡/g和3.99㎡/g，其他的颗粒物质比表面积相差无几，在0.46-1.27㎡/g之间；总孔体积也以活性炭为最高，达0.9cm3/g，球形轻质多孔粉煤灰黏土陶粒为0.47cm3/g，页岩陶粒为0.103cm3/g，其他几种颗粒的总孔体积则相对较小；颗粒的松散容重以砂子和麦饭石为最大，其他颗粒的松散容重均小于1000g/ L。各种颗粒化学组成均以Al和Si为主要成分，两者之和达60%-80%，这些颗粒的碱性成分所构成的微环境可能有利于微生物的生长。总之，颗粒的物理化学特性是不同的，填料的选择应综合各种因素，例如既考虑颗粒的堆积容重和表观密度，又考虑其比表面积及总孔容积，同时还要考虑微孔、过度孔和大孔各自所占比率，因细菌生长主要依赖大孔，徽孔过多对细菌生长并无作用。颗粒填料的选择当然还应该本着价格低廉和易于就地取材的原则。目前应用较多的填料主要是以黏土和粉煤灰为主要原料的球形轻质多孔生物陶粒和页岩陶粒。
球形轻质多孔生物陶粒是以粉煤灰为主要原料，以黏土为粘接剂，添加少量造孔剂，经高温烧结而成的。首先需将黏土烘干，并粉碎到粒度小于100目。然后按配方取粉煤灰55%、黏土粉30%、炼钢赤泥10%、造孔剂5%进行干粉混合，加入20%的水黏合均匀，并造粒成形，粒度一般为Ф3-6mm左右。湿颗粒需先在干燥室内供干，然后放入炉内在950-1100℃的高温下熔烧而成。
球形轻质多孔生物陶粒原料及成品的组成分析见下表。
球形轻质多孔生物陶粒原理与成品的组成分析
| 组成 |
黏土 |
粉煤矿 |
成品 |
组成 |
黏土 |
粉煤矿 |
成品 |
| SiO2/% |
66.17 |
49.02 |
69.77 |
CaO/% |
0.95 |
4.87 |
0.73 |
| Al2O3/% |
14.02 |
20.27 |
14.54 |
MgO/% |
0.68 |
0.3 |
2.10 |
| Fe2O3/% |
5.80 |
3.24 |
4.73 |
灼减量/% |
- |
15.63 |
- |
由国内最大的球形轻质多孔生物陶粒生产厂---马鞍山提供的球形轻质多孔生物陶粒性能检测指标见表。
球形轻质多孔生物陶粒性能检测指标
| 名称 |
参数 |
备注 |
名称 |
参数 |
备注 |
| 堆积密度/(g/cm3) |
0.7-0.9 |
|
烧灼减量/% |
≤0.1 |
|
| 表观密度/(g/cm3) |
1.4-1.8 |
|
比表面积/(c㎡/g) |
≥4*10^4 |
|
| 破碎率/% |
≤0.05 |
|
粒内孔隙率/% |
＞30 |
|
| 磨损率/% |
≤3 |
|
堆积孔隙率/% |
＞42 |
|
| 盐酸可溶率/% |
≤2 |
6mol/L盐酸溶液 |
|
|
|
球形轻质多扎生物陶粒外表呈灰黄色，表皮坚硬，内部为铅灰色，多孔质轻。陶粒表面较粗糙，不规则，有很多孔径较大的孔洞，相互之间不相通。由于这种陶粒表面主要是一些开孔大于0.5μm 以上的孔洞，而细菌直径为0.5-1.0μm，这对于微生物附着生长是有利的，其表面孔洞电镜照片见图3-1。
虽然贝岩陶粒也可作为曝气生物滤池的滤料，但在实际运行过程中，由于页岩陶粒跑料现象较严重，同时由于形状不规则，所以运行一段时间后导致料顶面高低不平，使水或气在运行时通过不同部位时的阻力不均匀，大大减小了滤料的使用率。同时在反冲洗时由于滤料层内阻力不均匀，导致冲洗不干净，所以工程中建议选用球型轻质多孔生物陶粒作为曝气生物滤池的滤料较合适。球形轻质多孔生物陶粒与国外Arlita性能相仿。球形轻质多孔生物陶粒主要有以下特点。
①由天然陶土或黏土、粉煤灰并添加部分辅料加工而成，强度大，孔隙率大，比表面积大，化学和物理稳定性好。与常规的玻璃钢、聚氯乙烯、聚丙烯、维尼纶等规则滤料相比，具有生物附着性强、挂膜性能良好、水流流态好、反冲洗容易进行、截污能力强等优点。②形状规则，较径可大可小，密度适宜，克服了不规则滤料水流阻力大、易结球并引起滤池堵塞、反冲洗强度大、易冲刷破碎的缺点。③在制作过程中采用陶土、黏土、粉煤灰为原料，加入适量的辅料，经球磨、成形、烧成、筛分等工序加工而成；通过控制适当的配料和烧成工艺，可改变陶粒的密度，且使其表面粗糙，多微孔、不结釉。④以轻质圆形陶粒作接触填料，采用曝气生物滤池处理污水，可以充分利用滤料的比表面，起到深度处理作用。
采用球形轻质多孔生物陶粒作为曝气生物滤池滤料的实际工程应用在我国已有教十个，从运行的实际效果来看，都能满足设计要求。
二、有机类滤料
在生物滤池中通常采用的有机类填料(或滤料)主要是由采用玻瑞钢、聚氯乙烯。聚丙烯、维尼纶等制造的蜂窝管状、束状、波纹状、圆形辐射状、盾状、网状、筒状、规则粒状与不规则粒状滤料等。而在曝气生物滤池中使用最多的有机类滤料是密度小于水的粒状或短管状聚合物滤料。选用的工艺主要是滤料层为悬浮状的BIOSTYR和郑俊等开发的悬浮池料接触氧化生物滤池专利技术。
随着聚合物加工技术的不断进步，具有不同功能的聚合物滤料不断出现，这些滤料在强度、密度等方面具有较为明显的特点。但由于这些聚合物滤料密度一般均比水轻，为了使滤料在运行过程中既起到生物降解的作用又能截留悬浮物质，所以与采用无机类滤料的固定床曝气生物滤池相比，其滤料层均为悬浮状，而采用的水流流态也为单一的上向流态。目前国内选用较多的有机类滤料主要为以聚笨乙烯为材料的泡沫类球形滤珠，较径一般为Ф3~8mm，堆积容重为100~200kg/m3，外表光滑无孔，而内部富含闭孔，不吸水，悬浮于水中。
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