腐殖土活性污泥技术中的填料研究

张 艳

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 引言

腐殖土活性污泥法是模拟自然土壤环境，在活性污泥系统内培养并富集大量土壤微生物，从而使活性污泥菌群结构发生变化，强化了污水处理效果。

日本于20世纪80年代开发了腐殖土活性污泥工艺，并成功地应用于日本的岛内住宅小区污水净化站、鸟栖市饭田地区和永吉地区农田排水处理站等多个污水处理厂，90年代该工艺进入韩国后得到了广泛的应用和快速的发展[1]。腐殖土活性污泥工艺在日本和韩国的运行实践表明，采用该工艺处理的污水无臭味产生，污染物的去除效率高，且污泥产率降低，使脱水性得以改善，这对我国新建污水处理厂的设计运行和污水厂的改扩建具有一定的借鉴意义。

腐殖土活性污泥技术虽然在日、韩两国已有较大规模和数量上的工程应用，但目前国内对该技术的研究与应用情况却鲜有报导[2]。由于污水水质的不同，该技术在我国还存在适应性的问题，适合我国水质特性及运行条件的腐殖土活性污泥工艺还有待于深入研究和开发。为此笔者结合目前所开展的研究及工程实践，对腐殖土活性污泥技术中腐殖土填料进行了研究，并选择了腐殖土、浮石和硅藻土三种原料进行合成，研制出了物理、化学指标和性能与韩国腐殖土填料接近而成本更低的产品，以期为该技术在我国的研究、推广应用提供参考。

2 腐殖土活性污泥法原理与过程

腐殖土活性污泥法的基本原理是基于模拟天然土壤的环境特性，将生化反应过程中产生的化能异养型及化能自养型微生物通过微生物反应器培养成优势菌群，培养好的优势菌群(土壤微生物)通过回流系统，从污水流入处回流至整个系统中。污水中氨、硫化氢、二甲胺、甲硫醇、二甲二硫等有害物质被微生物分解吸收或被微生物活动代谢产生的有机物质吸附、凝聚、结合反应，然后经过缺氧池、好氧池产生重缩合、氧化、还原、分解等反应，最终去除污染物质。被吸附的有机污染物质又成为微生物及其代谢产物的增殖能源，从而在根源上达到去除污染物质的目的。污水处理流程如图1所示[1]。

3 韩国腐殖土填料和浮石的成分与结构分析

3.1 腐殖土填料简介

某公司从韩国引进了腐殖土活性污泥技术中的腐殖土反应器(见图2)[3]，它是一种内部填充腐殖土填料(见图3)和浮石的生物培养装置。腐殖土填料是以大分子土壤有机物质和土壤微生物等为主要成分的棒状物，是将含有腐殖质的土壤经熬炼使之凝固、风干后制成；浮石为质轻多孔的天然块石，又称轻石或浮岩。

图1 腐殖土活性污泥工艺流程

图2 腐殖土反应器示意图

图3 韩国腐殖土填料

3.2 岩相法分析

3.2.1 填料岩相法分析

该填料颜色为褐色，柱状，质轻，气孔多(属开放型)，硬度低。

镜下观察(见图4)：该填料成分以非晶质和有机质为主约占95%，褐铁矿4%～5%，石英、方解石＜1%。非晶质、有机质呈深褐色不透明，土状、尘点状、浸染状，两者镜下不易分辨；褐铁矿为不透明—半透明，深红色、褐色，粒状、长条片状；石英、方解石为他形粒状，粒径0.01～0.27mm。该填料中含大量气孔约占50%～60%，气孔多呈不规则的圆形，大小在0.07～0.15mm，少数在0.22～1.40mm。

图4 腐殖土填料(-)

图5 浮石-1(+)

图6 浮石-2(-)

3.2.2 浮石岩相法分析

该浮石颜色为黄白色，块状，质轻，气孔构造，硬度中等。

镜下观察(见图5、图6)：该浮石具斑状玻璃质结构，气孔构造。组成为长石、角闪石斑晶约30%，玻璃质及火山灰、铁质集合体占30%～40%，气孔30%，磁铁矿2%～3%。斑晶：长石无色，棱角状，可见环带；角闪石绿色，柱状，阶梯棱角状。玻璃质：浅黄色，并混有火山灰及铁质集合体，呈黑色尘点状，具均质体，似有流动构造，显示定向性。磁铁矿：黑色不透明，四边形粒状，尘点状。岩石中有较多气孔，大小不一，形状不规则，并拉伸呈定向分布。

3.3 差热分析

在腐殖土填料差热图谱中(见图7)，289℃放热峰为有机质燃烧所致，由此可见，该样品中含有大量的有机质。浮石不具有热效应。

图7 腐殖土填料的差热图谱

3.4 X-射线衍射分析

X-射线衍射分析是对填料和浮石进行物相分析(矿物成分)的一种手段，分析结果如下：

腐殖土填料(见图8)：该样品主要以非晶质和有机质为主，少量褐铁矿、沸石，微量石英、方解石和白云石。

浮石(见图9)：该样品主要以长石为主，其次为非晶质、角闪石，少量方解石、白云石和磁铁矿。

图8 腐殖土填料XRD图

图9 浮石XRD图

3.5 化学分析

化学分析是对填料和浮石的元素含量进行分析的一种手段，结果见表1。

表1 腐殖土填料和浮石化学成分分析(%)

3.6 腐殖土填料和浮石的成分与结构特点

以上的分析表明腐殖土填料和浮石的成分与结构有以下特点：

(1) 填料当中富含微生物与有机质，微生物可以活化污泥，达到除臭、去除污水中有害有机质，提高污水处理效果的作用。有机质中含有羧基和羟基，这些官能团对重金属有络合作用，因此可以增加重金属在腐殖土活性污泥中的稳定性[4]。

(2) 在结构上，填料气孔率高，比表面积大，吸附能力强，能吸附污水中产生恶臭的物质、重金属离子和活性污泥颗粒；浮石疏松多孔，吸附力强，同时为微生物活动提供有利场所，能增强腐殖土填料对污泥的活化作用。

(3) 填料和浮石含有方解石和白云石等矿物，富含钙、镁元素，褐铁矿、磁铁矿富含铁，长石含有铝元素，这些矿物在水中可以析出C a2+、M g2+、Al3+、Fe3+等。Ca2+、Mg2+可以提高污泥的沉降性和脱水性，并且二价阳离子与一价阳离子的比例越大，污泥的沉降性和脱水性越好；Al3+、Fe3+可以提高去除水中磷和有机物的效果[4]。

4 腐殖土填料改进研究

4.1 原料选用原则

通过前文分析，结合我国水质特性及运行条件，需研发改进韩国腐殖土活性污泥技术中的腐殖土填料，以实现这项技术在我国的推广和应用。笔者认为填料的改进原则应遵循以下几点：①增加填料比表面积和亲水性，提高单位体积的生物容量；②营养成分(N、P、K和微量元素)合理；③加大填料的孔隙率，从而增强对有机物、恶臭物质的吸附作用，扩大臭气与生物的接触面；④增加填料强度并减轻质量，防止压实和出现气体短流。

填料还应耐酸碱盐，耐生物腐蚀，抗老化，价廉易得等，并要求填料堆砌形态、结构能为气、液、固三相提供充分的接触，尽量强化填料表面上流体的湍流程度，提高传质效率。

4.2 原料的选择

在前文的分析基础上，笔者首先选择了高质量的腐殖土和浮石，但在我国腐殖土价格昂贵，市场供应少，为了节约成本和达到韩国腐殖土填料的性能要求，另一种原料选择了改性的硅藻土。

作为亲水物质加入的硅藻土是一种新型的水处理剂，是由不导电的非晶质二氧化硅组成的硅藻壳体，其比表面积50～60m2/g，孔体积0.6～0.8m3/g，孔半径2 000～4 000nm。吸水率为自身重量的3～4倍，具有较强的吸附力，能把细微物质吸附到硅藻土表面，形成链式结构[5-6]。

4.3 原料成分分析

三种原料的矿物成分见表2。

通过与韩国的腐殖土相对比，我国的腐殖土非晶质SiO2的含量低，难以达到应有的污水处理效果，而硅藻土和浮石的非晶质SiO2含量较高，所以加入硅藻土和浮石弥补了我国腐殖土非晶质SiO2不足的缺点。

表2 原料矿物成分(%)

4.4 研制的腐殖土填料成分与结构分析

图10 研制的腐殖土填料

表3 研制的腐殖土填料的化学成分(%)

研制的腐殖土填料的化学成分(见表3)与韩国腐殖土填料化学成分相近(表1)；笔者研制的腐殖土填料X-射线衍射图谱(见图11)与韩国腐殖土填料X-射线衍射图谱(图8)对比，表明矿物成分也非常接近，达到了填料改进的目的。

4.5 填料的实用效果

采用改进后的腐殖土填料制成的反应器在实际应用中收到了良好的效果，这种反应器提高了有机物、营养盐类的去除率，使BOD的去除率达95%以上，TN、TP去除率达70%以上，从根源上消除硫化氢，氨氮等恶臭物质，污泥产率减少30%以上，解决了污泥的二次腐化和处理难的问题，同时这项技术易对原有污水处理厂进行改造，处理能力可提高30%以上。

笔者将腐殖土、改性硅藻土、浮石按适当比例混合均匀，加入发泡剂，用水泥作为粘结剂，随水泥加入量的不同，可以控制填料的强度。成型方式选择挤压成型，自然风干，成品填料见图10。

研制的腐殖土填料为黄褐色柱状，质轻、多孔。密度为0.98g/cm3，气孔呈不规则的圆形，约占55%～70%，大小在0.06～0.04mm，少数在0.20～1.32mm，硬度低，耐水性好。

5 结论

(1) 腐殖土活性污泥法是模仿自然生态环境，主要利用腐殖土反应器中腐殖土填料附带的菌类和菌类活动产生的有机质来净化污水，使得污水无臭味产生，具有有机污染物和重金属的去除效率高、污泥产率低等特点。

图11 研制的腐殖土填料XRD图

(2) 对韩国腐殖土反应器中的腐殖土填料和浮石采用了岩相分析、差热分析、X-光衍射分析、化学分析等手段进行分析，结果表明：腐殖土填料富含菌类和有机质，腐殖土和浮石中非晶质SiO2含量高，在结构上具有孔隙率高、吸附能力强的特点，在成分上具有较高的Ca、Mg、Fe、Al等元素的含量，能配合微生物的活动，增强对污水处理的效果。

(3) 由于国内腐殖土价格昂贵，市场供应少，且非晶质SiO2含量低，难以满足制作填料的要求，笔者针对这些不利因素，选用国内的腐殖土、硅藻土和浮石进行适当的配比并压制成型，成品的填料在成分、结构以及微生物与有机质、有益元素、非晶质SiO2含量等方面接近韩国腐殖土填料，且成本低廉，适合我国污水处理的需要。

(4) 笔者改进的腐殖土填料经某公司制作的土壤微生物反应器使用，在这几年的实践中收到了良好的效果。这种腐殖土填料适合在我国污水处理技术中推广使用。

【参考文献】

[1]尹军，赵可.腐殖活性污泥工艺在日本和韩国的应用[J].中国给水排水，2007，23(4)：101-104.

[2]刘智晓，崔福义，秦妹兰，等.腐殖土活性污泥技术的除污效能及除臭效果[J].中国给水排水，2007，23(14)：18-22.

[3]尹军，赵可，南亚彬，等.腐殖土SBR工艺处理生活污水的试验研究[J].中国给水排水，2008，24(17)：9-11.

[4]吴敏，朱睿，潘孝辉，等.腐殖土理化性质的研究[J].工业用水与废水，2009，40(1)：61-63.

[5]彭书传.硅藻土复合净水剂处理印染废水[J].环境科学与技术，1998(1)：24-25.

[6]李晓斌，魏成兵.硅藻土在废水处理中的应用[J].江苏环境科技，2008，21(2)：71-74.