【文章內(nèi)容簡介】 接觸氧化池非常相似[35 ]。⑶微孔膜( membrane) SBBR，在反應器內(nèi)填加可透過性膜(gas permeable membranes)，作為生物膜的附著體，同時完成充氧功能。微孔膜通常是可透過性膜，SBBR 系統(tǒng)多采用中空纖維膜、活性炭膜和硅橡膠膜[36]。微孔膜SBBR 工藝可避免有毒物質(zhì)與微生物直接接觸，并可防止曝氣造成污染物的揮發(fā)，同時還可固定特種菌群，因而反應器具有較好的處理效果[37]。生物陶粒作為一種新型材料，具備很多優(yōu)勢，與SBBR工藝相結(jié)合構(gòu)成固定填料式SBBR。眾所周知，氧在微生物好氧代謝中主要起分解代謝產(chǎn)物的電子受體的作用，氧的轉(zhuǎn)移能力是污水包括微污染原水處理過程中的重要影響因素。好氧氧化（接觸曝氣）是序批式生物膜法中的重要步驟，氧的傳遞性能直接影響好氧氧化的處理效果[38]。方一豐，胡龍興，卞華松[39]采用以陶粒為載體的序批式生物膜反應器，求出了在設(shè)定的工藝條件下的氧傳遞系數(shù)，結(jié)果表明本序批式生物膜反應器的氧傳遞系數(shù)較高，時， h1，這是由于SBBR反應器采用密度較大的陶粒作為填料，陶粒間的空隙率較少，有利于產(chǎn)生附加紊動，能把大氣泡剪切為小氣泡，增加了氣液界面，提高了反應器對氣體的吸收和傳遞性能。 L/，%，說明反應器的構(gòu)造有利于氣水混合充分，也提高氧的利用率。此外陶粒還具備過濾、吸附、截留等特性，作為SBBR工藝中的生物膜載體尤其適合處理微污染原水。陶粒填料內(nèi)部多孔，比表面積較大，化學和熱穩(wěn)定性好，具有較好的吸附性能，易于再生便于重復利用；并且其比表面積是石英砂濾料的68 倍，[40]，具備廣泛應用的條件。按原料不同可分為粘土陶粒、頁巖陶粒、粉煤灰陶粒、煤矸石陶粒、垃圾陶粒等；按其容重可分為一般容重陶粒（500kg/m3），超輕陶粒（200~500kg/m3），特輕容重陶粒（200kg/m3）[41]。按用途可分為建筑陶粒，花卉陶粒，濾料陶粒和工業(yè)陶粒等，如下圖所示： 圖21 建筑陶粒 圖22 花卉陶粒 圖23 濾料陶粒 圖24 工業(yè)陶粒⑴粉煤灰陶粒 　　以固體廢棄物為主要原料，加入一定量的膠結(jié)料和水，經(jīng)加工成球，燒結(jié)燒脹或自然養(yǎng)護而成，粒徑在5mm以上的輕粗集料。　?、起ね撂樟?　　以黏土、亞黏土等為主要原料，經(jīng)加工制粒，燒脹而成的，粒徑在5mm以上的輕粗集料?！　、琼搸r陶粒 　 以黏土質(zhì)頁巖、板巖等經(jīng)破碎、篩分，或粉磨后成球，燒脹而成的粒徑在5mm以上的輕粗集料為頁巖陶粒。頁巖陶粒按工藝方法分為：經(jīng)破碎、篩分、燒脹而成的普通型頁巖陶粒；經(jīng)粉磨、成球、燒脹而成的圓球形頁巖陶粒?！　、壤樟！　∈菍⒊鞘猩罾幚砗?，經(jīng)造粒、焙燒生產(chǎn)出燒結(jié)陶粒?；?qū)⒗鵁尤胨嘣炝＃匀火B(yǎng)護，生產(chǎn)出免燒垃圾陶粒?！　、擅喉肥樟?　 是將符合燒脹要求的煤矸石經(jīng)破碎、預熱、燒脹、冷卻、分級、包裝而生產(chǎn)制成?！　、噬镂勰嗵樟?以生物污泥為主要原材料，采用烘干、磨碎、成球、燒結(jié)等步驟加工而成。⑴對有機物的去除：采用生物陶粒作為填料對有機物有一定的去除能力，胡江泳，方振東，王占生[42]對低溫低濁微污染水源水進行生物凈化技術(shù)研究，在進水COD為1030mg/L，OC為38 mg/L，水溫3 ℃時，%，%；水溫為318 ℃時，%，OC的去除率為20%左右。⑵對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除：生物陶粒具有較好的脫氮能力，張文妍，朱亮，薛紅琴[43]對微污染水源水生物預處理氨氮去除影響因素進行探討，試驗表明： ℃，pH ， mg/L條件下，%，%。⑶對濁度的去除：生物陶粒具備良好的吸附能力，季民，劉衛(wèi)華等[44]采用生物陶粒對天津引灤水進行頇處理。小試結(jié)果表明在水力停留時間15 min， m/h時，生物陶粒濾池能穩(wěn)定、有效地凈化原水。 NTU時，%。但是目前對于陶粒濾料的性能、制備工藝等方面進一步的研究較少，為了能更好的發(fā)揮其潛在優(yōu)勢和克服其本身存在的不足，還要解決以下問題：⑴對于陶粒濾料的原材料選取應主要以固體廢棄物為主，減少天然礦物質(zhì)和粘土的開采。⑵改善陶粒濾料的制備工藝，優(yōu)化各項性能參數(shù)。⑶系統(tǒng)地研究陶粒濾料的污染物去除機理。⑷制定陶粒濾料的國家標準，為陶粒濾料的各項性能指標的評定提供科學的依據(jù)[45]。⑴采用河道底泥、少量印染底泥為主要原料加工形成新型輕質(zhì)陶粒，代替過去以粘土為主要原料的傳統(tǒng)陶粒，使之成為節(jié)能環(huán)保的綠色建筑材料。利用河道底泥制造陶粒，不但會減少建材制造業(yè)與農(nóng)業(yè)用地爭土，而且還為其找到了合理出路，解決了河道底泥的二次污染問題，達到了廢棄物資源化的目的，這適應了國家發(fā)展低碳經(jīng)濟，節(jié)能減排的政策。⑵將傳統(tǒng)花卉陶粒、高強陶粒與新型濾料陶粒的特性相結(jié)合，對陶粒進行物理改性，使之具備傳統(tǒng)花卉陶粒顆粒均勻，較為圓滑的特點，高強陶粒耐磨、比強度高的特點以及濾料陶粒表面多微孔、濾料層孔隙分布均勻、吸附作用強的特點。同時根據(jù)所選擇的SBBR工藝特點，該陶粒填料有別于傳統(tǒng)浮水濾料，具有良好的沉水性，以適應固定填料式SBBR的要求和反應器定期反沖洗的需要。本改性陶粒的特性來源于三種目前常見的陶粒：⑴花卉陶粒：顆粒級配均勻，外輪廓呈圓形或近似圓形，如橢圓。利用其適合做無土栽培基的特性，便于微生物的附著生長。⑵濾料陶粒：所委托定制陶粒的海寧某陶粒生長廠家目前濾料陶粒的規(guī)格及性能如下：孔隙率30%40%吸附力碘值101級為活性炭吸附力溶出物不含對人體有害的微量元素鑒于其孔隙率較高，吸附力較強的特點，本改性陶粒的粒徑定位與45mm，堆積密度在1000 kg/m3左右，孔隙率為30%40%。⑶高強陶粒：由于陶粒需要長期在微污染原水中浸泡，同時填料柱較高，因此需要陶粒具備較高的強度。高強陶粒耐磨、耐腐蝕、比強度高的特性符合研究的要求。海寧某陶粒生產(chǎn)廠家目前高強陶粒的規(guī)格及性能如下：表31密度等級堆積密度（kg/ m3）簡壓強度（Mpa）900級800900本研究采用的河道底泥制成陶粒將借鑒高強陶粒的特性，提高比強度。該陶粒委托浙江某陶粒生產(chǎn)企業(yè)進行加工。其原料取自河道底泥和少量印染底泥，同時添加一些外加劑如鐵粉，米糠（可以用此調(diào)節(jié)陶粒的表觀顏色）。生產(chǎn)按以下步驟依次進行：將原材料置于堆場進行自然曬干（主要為降低生產(chǎn)成本），將水分控制在1%左右，當天氣狀況不佳或者風干時間不夠時，在含水率降至10%以下后，采取人工烘干。原料通過傳送裝置經(jīng)過電子配料秤，利用后者進行自動配料，所需原料的多少將根據(jù)所制陶粒的粒徑、密度、孔隙率等特性進行設(shè)定。配定后的原料進入柱磨機進行研磨以細化，減小后續(xù)燒制的不均勻性，提高燒制效率。細化的原料進入預加水攪拌機進行加工前的預攪拌，陶粒加工工藝中加水量對燒制時水分的蒸發(fā)、殘留量起著至關(guān)重要的作用，以水蒸氣形式后在陶粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部會形成小孔洞，進而影響出窯陶粒的孔隙率、密度等物理性狀。為保證精確投加，采用計算機程序自動控制配水。本研究需要的改性陶粒具備粒徑較為均勻、輪廓近似圓形的特點，因此需要在燒制前對原料進行成球處理。配水后的顆粒進入成球系統(tǒng)具體來說是成球盤和霧化噴水系統(tǒng)。成球盤主要控制陶粒的粒徑大小，而霧化噴水系統(tǒng)則是二次配水，控制每顆生陶粒的含水率進而使燒制時內(nèi)部水分蒸發(fā)更均勻。成球后原料顆粒進入預熱窯進行預熱，蒸發(fā)一部分水分。該窯的長度為24米。經(jīng)過預熱后，生料進入焙燒窯開始燒制。焙燒窯分為預熱段、高溫焙燒段、出料段三部分。本改性陶粒要求具備較高的沉水性能，因此必須有足夠高的溫度將生料燒熟，燒制時控制溫度在1170℃左右，達到最佳的效果和經(jīng)濟性間的平衡。而在焙燒窯中還添加一定的米糠作為外加劑，米糠的主要化學成分為碳、氫，在燒制時，與氧反應生成大量水蒸氣和CO2，這兩種氣體會使生料內(nèi)部發(fā)生膨脹，達到內(nèi)部多孔的結(jié)構(gòu)。同時比較傳統(tǒng)添加劑，如煤會燃燒產(chǎn)生SO2有害氣體，米糠具備很好的環(huán)保特性。根據(jù)米糠是否完全燃燒，陶粒的顏色有紅褐色和黑色兩種，本陶粒呈紅褐色，為完全燃燒。在焙燒階段結(jié)束后，陶粒加工的主體工藝完成，出料進入冷卻段。冷卻方式有多種，如自然冷卻，水冷卻等。冷卻后，經(jīng)過包裝就成為成品，如燒制時級配區(qū)間取得較大，若要求某一粒徑的陶粒，可采用機械或人工方法進行篩分。 圖25 前往陶粒生產(chǎn)廠家參觀 圖26 根據(jù)所需粒徑對陶粒進行篩選 圖27 風干 圖28 研磨細化 圖29 高溫燒制 圖210 成品裝袋本研究采用的改性陶粒呈紅褐色，外輪廓為圓形或橢圓形，表面粗糙多孔隙，如圖211：圖211 河道底泥制成陶粒通過敲擊，打碎陶粒，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈灰色，孔隙發(fā)達，如圖212圖212 顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過物理檢測，得到該陶粒的物理性質(zhì)，如表32所示表32 陶粒的物理性質(zhì)粒徑（mm）堆積密度（g/cm3）顆粒密度（g/cm3）孔隙率（％）453040主要化學成分為SiOAl2O3和熔劑，熔劑包括CaO、MgO、Fe2OFeO、K2O、Na2O等。此外在燒制過程中還有少量燒失量，其數(shù)量取決于原料淤泥、底泥中碳、硫等元素的含量。⑴原水的污染程度較小，使整個反應器的有機負荷變得較低，同時也在SBBR反應器中設(shè)置反沖洗裝置，因此無需擔心污染物較多造成的反應器流道堵塞。這為級配較小的填料的使用提供了可能。⑵試驗使用的河道底泥制成陶粒表面較為粗糙，比表面積較大，作為SBBR工藝中的生物膜載體，較適合掛膜，為微生物的粘附生長提供了理想的環(huán)境。⑶較為圓滑的外輪廓能減小水流的剪切力，使附著于之上的生物膜受破壞可能性下降。同時在一定曝氣強度下，馴化生長形成的生物膜也具有較高的強度。⑷較為均勻的粒徑使布水、布氣的均勻性也得到了保證。反應器與粒徑之比也適中，避免了邊壁效應的產(chǎn)生。⑸適中的孔隙度既保證了填料的密度大于所處介質(zhì)，使之具有良好的沉水性能，滿足穩(wěn)定運行及反沖洗的要求，同時也具有不錯的吸附過濾性能。⑹較高的比強度使該陶粒具備耐磨、耐蝕、耐擠壓能特性，滿足了生物處理周期長的要求。3試驗裝置的建立與研究的啟動⑴考慮實際操作性與樣品代表性，選擇合適的微污染原水取水點，結(jié)合處理的水量，購置必要的取水工具。⑵根據(jù)水質(zhì)情況，選擇合適工藝，設(shè)定處理目標，設(shè)計反應器并完成加工。⑶采購輔助設(shè)備如：水泵、氣泵、轉(zhuǎn)自流量計、電磁閥、時控開關(guān)、液位繼電器、曝氣頭、水箱等。⑷閱讀大量中外文獻，確定填料生物陶粒的特性，選擇合適的物理參數(shù)，聯(lián)系制造商對陶粒進行加工改性。本研究反應裝置采用序批式膜反應器（Sequencing Biofilm Batch Reactor，簡稱SBBR）。它是序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，簡稱 SBR）與生物膜法的結(jié)合，即在SBR的基礎(chǔ)上，在反應器中引入可附著生長生物的填料代替活性污泥，是一種新型復合式生物膜反應器。在凈化功能方面，該工藝可用于脫氮除磷和去除難降解有機物，并具有更強的抗沖擊負荷[46]。SBBR具有SBR工藝的一些優(yōu)點，如工藝簡單，運行費用低；生化反應推動力大，相比SBR工藝還避免產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象。同時應用電磁閥、液位計、時控開關(guān)等自控儀表，可實現(xiàn)自動化運行與管理。SBBR系統(tǒng)給微生物創(chuàng)造了一個相對穩(wěn)定的生存環(huán)境，其間歇式運行模式較連續(xù)流方式使生物膜上的微生物分布更為均勻，更適合于生長速率較慢的微生物的附著生長，微生物生長在生物膜系統(tǒng)中可以大大減輕有毒有害物質(zhì)、pH和溫度極限值引起的抑制中毒作用；同時，間歇式的運行方式使生物膜內(nèi)外層微生物幾乎全都達到了最大的生長速率和最佳的活性狀態(tài)，這使得微生物對進水底物具有較強的快速吸附及吸收作用，從而提高了系統(tǒng)對水質(zhì)水量變化的應變能力，增強了工藝整體的抗沖擊負荷能力及穩(wěn)定性[47]。間歇式運行使工藝可以通過改變進水方式、反應歷時等手段來靈活地適應污水水質(zhì)、水量的變化。如將初始濃度較高的廢水和前一周期處理后適量體積的水相混合來降低進水濃度；或者通過調(diào)節(jié)反應時間，保證進水負荷較高時的出水水質(zhì)等[37]。SBBR系統(tǒng)不但可通過間歇操作為微生物創(chuàng)造好氧、缺氧、厭氧環(huán)境有效地進行好氧硝化和缺氧反硝化以及吸磷、放磷過程，在好氧曝氣階段，由于生物膜內(nèi)缺氧微環(huán)境的存在，還可實現(xiàn)同步硝化和反硝化（SND），節(jié)省運行費用[48]。⑴適用原水水質(zhì)本研究的處理對象是微污染原水，目標是采用生物預處理去除氨氮并減少有機物含量，為給水廠的后期凈水處理創(chuàng)造良好的條件，降低生產(chǎn)成本。就微污染原水來說，基質(zhì)濃度較低，不適合于常規(guī)的活性污泥工藝。SBBR工藝是生物膜法與序批式運行方式的有機結(jié)合，為微生物提供了一個相對穩(wěn)定的生存環(huán)境，其間歇式運行模式較連續(xù)流方式使生物膜上的微生物分布更為均勻，更適合于生長速率較慢的微生物的附著生長。⑵水力循環(huán)根據(jù)流體力學知識可知，在單邊曝氣情況下，原水的流動會促使處理對象的混合及反應的完全性。例如，采用左室曝氣，水流在曝氣的推動下會以順時針方向進行循環(huán)，通過填料的吸附、過濾、截留作用可有效地對濁度進行去除。⑶適合于陶粒填料的特性SBBR屬于帶填料工藝，本研究采用的陶粒填料具有粒徑小，比表面積、孔隙率大的特點，能與原水充分接觸，利用原水中的高溶氧對有機物、氨氮等進行去除，降低能耗。⑷反應動力大SBBR工藝采用序批式運行，從時間上來說，是嚴格意義上的推流式反應器，因此原水中污染物在反應器內(nèi)存在濃度梯度，相比較傳統(tǒng)的生物接觸氧化、曝氣生物濾池等工藝，總體的反應動力大，有利于微生物與基質(zhì)的接觸，提高反應的效率。⑷經(jīng)濟性SBBR工藝同所有的生物膜反應器一樣，無需在空間上設(shè)置沉淀池或時間上