曝气生物滤池滤料的选择及比较

1 概述
   
曝气生物滤池(简称BAF)是在普通生物滤池的基础上，引入给水滤池过滤机理而形成的污水生物处理新工艺。其突出的特点是将生物氧化、生物絮凝、生物吸附过滤结合在一起，再通过对滤料的冲洗、再生，实现滤池的周期性运行。
   
BAF污水处理系统中生物滤池是整个系统发挥污水处理效果最核心的单元，而生物滤池发挥净水作用的的关键则是滤料上生长的生物菌群，因此合理的选用滤料是曝气生物滤池设计过程中的重要环节。

2 生物滤料的基本要求
   
生物滤料是微生物生长栖息的场所，适宜的生物滤料应满足下述基本要求。

比表面积大：填料一般选用比表面积大、开孔空隙率高的多孔惰性滤料，这种滤料有利于微生物的接触挂膜和生长，保持较多的微生物量；有利于微生物代谢过程中所需氧化和营养物质以及代谢产生的废物的传质过程；

机械强度好：生物填料必须具有在不同强度的水利剪切作用以及滤料之间摩擦碰撞过程中破损率低的机械强度要求。较好的硬度能使滤料即使在过滤过程中使用多年仍能保持其原有的大小和形状；

耐磨损性：滤料必须具有较高的耐腐蚀性，这样能减少滤料在反冲洗后期或挂膜量少时的磨损程度；

空隙率及表面粗糙度：要求滤料具有一定的空隙率及粗糙度有利于微生物的附着、生长，而最重要意义在于：减少滤料在冲洗过程中由于滤料之间摩擦碰撞而造成固着微生物膜的过量脱落，保证生物滤池周期工作的初期(冲洗之后)基本生物量的要求，以便出水水质相对稳定。

生物、化学稳定性好：生物膜在新陈代谢过程中会产生多种代谢产物，某些代谢产物可能对滤料产生腐蚀作用，因此生物滤料必须具有一定的化学稳定性和抗腐蚀性，同时需不参与生物膜的生物化学反应，且其本身应是不可生物降解的。

表面电性和亲水性：微生物一般带有负电荷，而且亲水，因此滤料表面带有正电荷将有利于微生物固着生长，滤料表面的亲水性同样有利于微生物的附着。

湿密度：滤料湿密度过大，造成在反冲洗时滤料悬浮膨胀困难或使反冲洗时能耗增加，甚至冲洗不干净，长期运行导滤料致板结。密度过小，又不宜于滤料在反应器中的运行工况，因此滤料湿密度需在一定范围之内。

3 生物滤料的形状和材质
   
生物滤池的所选用的滤料多种多样，过去的生物滤池通常采用蜂窝管状、波纹状、辐射状、丝状、网状、盾状、筒状、束状和粒状等。由于对于曝气生物滤池而言，由于冲洗时强度高，水流阻力大，对滤料的选择一般选用水力性能良好的粒状滤料，粒状滤料又分为规则和不规则两种。
   
对于滤料的材质，在满足上文“滤料的基本要求”的前提下，主要有塑料、砂、褐煤、沸石、炉渣、活性炭、焦炭、陶粒和火山岩等。对于各种滤料用于工程实践的研究，国内一直在进行，但是到目前为止，在国内已经建成的具有一定规模的污水处理工程(包括污水深度处理、三级处理)实例中，用得最多是火山岩和陶粒两种滤料。我国首座由法国人建造的BAF污水处理厂(大连马栏河污水处理厂)和四川、广东等地建造的十几座城市污水处理厂采用的是火山岩滤料，其余采用的陶粒的污水处理厂也多。
   
火山岩滤料为天然滤料，经过破碎、筛选而成,价格低廉，使用效果好。陶粒滤料一般又分页岩陶粒和粘土陶粒，是以煤粉和粘土加少量造孔剂经过高温烧结而成。

4 BAF滤料的使用体会
   
作为BAF的生物载体，滤料的选择关系到生物滤池能否高效运行和甚至成功运行的关键。就火山岩滤料和陶粒滤料而言，在我们设计的工程中都有采用，就其比较，通过目前已经运行的十余座污水处理厂的综合情况来看，以火山岩滤料为好，其优点主要表现在抗板结能力和孔隙率大两个方面：

滤料的板结少
   
由于BAF滤料板结带来诸多的严重问题，在运行过程的滤料板结现象已经成为部分污水厂运营者最感最为头痛的问题，也是BAF设计过程中要注意的主要问题之一。
   
根据现在的使用经验看来，火山岩滤料和陶粒滤料在使用过程中抗板结的能力方面是有差异的。在采用火山岩滤料的的污水处理厂中，如四川西昌市琼海污水处理厂、四川攀枝花市人和污水处理厂、四川自贡贡井污水和大连马栏河污水处理厂运行一直正常，没有板结现象发生，而采用陶粒滤料的四川眉山市污水处理厂，广东新会污水处理厂、广东江门污水处理厂则时有滤料板结现象发生，到现在为止，四川某4万m3/天的污水处理厂还在被滤料板结的问题所困绕。
   
在如何防止滤料板结的问题上，在开始的工程设计中我们也倾向于采用规则的陶粒(主要考虑的是火山岩不规则，处于堆积状态的滤料由于外表面突起更多咬合面积增加，更容易导致滤料板结，相反，相对于规则(圆形)的陶粒板结的可能应该小些)但是，由于大连马栏河污水处理厂采用的火山岩滤料运行一直正常，在有些工程中我们也采用了火山岩滤料。在工程陆续投产后才发现两种滤料抗板结的能力与我们预计的恰好相反，经过反复对两种滤料的研究、对比，最后发现应该是陶粒颗粒之间重量差异大，造成长期冲洗不彻底后形成板结。
   
按一般要求，陶粒滤料要达到BAF的要求的比重和孔隙率，在生产过程中要大量加粉煤灰和造孔剂(根据资料，一般是粉煤灰50%左右，粘土45% 左右，造孔剂5%)，但是在实际生产过程中受技术条件的影响，大多数厂家按照上述要求生产出来的滤料强度可能不够，于是少加粉煤灰和造孔剂，最终造成陶粒比重大和孔隙率低，再加上粒径差异(BAF一般要求为3-6mm)，颗粒之间的重量差异进一步加大。在滤池冲洗时，在同样的冲洗强度下，滤料(特别是下层颗粒直径大的滤料)由于重量大，流化速度小，相互摩擦的程度不够，长期冲洗不干净，最终导致板结，这可以从滤池板结后清掏滤池时观察的情况得到证实。
   
火山岩滤料基本无板结现象产生，是由于其孔隙率大，比重轻、同样的粒径分布滤料颗粒之间重量差异小，冲洗时相对均匀，板结的可能性也就大大降低。

孔隙率大，富集的生物量大，有机负荷高
   
火山岩孔隙率大不但可以减轻其比重，还可以使其固定更多的生物量，提高单位滤料有机负荷。
   
从目前市场上供应的火山岩滤料情况来看，火山岩的大孔和小孔都较为丰富，孔隙率一般可以达到50%左右(在保证筒压强度的前提下，经过烧结改性后的火山岩滤料可以达到60%或更高)，这样大的孔隙率提供的生物生长繁殖空间更大，相应单位体积生物量更大，单位体积滤料有机负荷更高，污水处理效果更容易保证。而陶粒滤料空隙滤估计只有30%左右，况且主要为微孔，孔隙内部生物富集量相对要小得多。
孔隙率大，同步脱氮效果好
   
火山岩内部贯通性的孔隙发达，滤料内部更容易形成厌(缺)氧环境，具有同步脱氮效果。根据资料，反硝化效率可达50%以上，根据我们实测到的资料，采用火山岩的污水处理厂在原水碳氮比失调的情况下，反硝化滤也接近30%。
孔隙率大，冲洗残留的生物量有保证
   
火山岩内部贯通性的孔隙发达，滤料内部富集的生物量大，冲洗时这部分生物更容易保留下来，使冲洗后的滤料可保持较强的生物活性，可有效解决冲洗后BOD降解效果差、SS容易穿透的问题，使得处理系统整体出水效果更佳。
另外提及一下火山岩的强度问题。
   
生物滤料的强度主要通过筒压强度和磨损率来描述。我们曾经认为火山岩的强度低，磨损率大，不能适应BAF冲洗条件，使用寿命低，滤料消耗大，增加污水处理成本。但是从大连马栏河污水厂运行6年的经验来看，火山岩滤料还没有因滤料的强度问题补充过滤料，从四川部分已经运行的污水处理厂的情况也是如此，因此我们已经改变了看法。
   
火山岩强度之所以能够满足BAF的运行要求，经过分析研究，我们认为：在实验条件下的“磨损率”是通过机械的方法使滤料在自然条件下相互直接摩擦实现的，其磨损率自然要高。而在BAF运行过程中，滤料浸泡在水中处于分散状态并且在有生物膜的包裹，滤料相互之间直接磨损几率小，磨损率自然也低。
   
在设计过程中我们一般要求的火山岩滤料强度为：
    筒压强度：  ≥1MP；
    磨损率：    小于3%；

5 采用火山岩的一些设计控制参数

滤料综合特性要求
外形：球形或不定形
干容重：0.5～0.9吨/m3；
湿容重：0.8～1.0吨/m3；
孔隙率：35～50%；
筒压强度：≥1MP；
磨损率：≤3%；
滤料粒径：d＝4～6mm；

滤料承托层(垫层)
承托层一般选用卵石作为承托层分3层，级配为：
第一层(最底)d＝30～45mm，h＝150mm；
第二层(中间)d＝20～30mm，h＝100mm；
第三层(上层)d＝ 8～15mm，h＝100mm；

滤池反冲洗要求
滤层厚度一般为4m
气冲洗强度为0.35m3空气/ m3滤料.min
水冲洗强度为0.13m3水/ m3滤料.min
BOD5负荷为1.8-2.2kg.BOD5/m3滤料/d
NH3-N负荷为0.3-0.4kg.NH3-N/m3滤料/d.

6 采用火山岩滤料工程实际检测水质数据参考
   
大连马栏河污水处理厂和和四川省西昌市琼海污水处理厂的运行过程中水质部分实测资料如下：

BAF工艺处理城市污水的部分实测数据