摘要：通过传统聚氯乙烯生物填料的改性和新结构设计，开发出一种新型生物填料。分析了填料的润湿性，成膜速度，比表面积和抗冲击性。研究了新型生物填料对生活污水处理的影响。研究表明，新型PVC生物填料具有较大的比表面积，良好的润湿性能，良好的抗冲击性和快速的悬挂速度。新型填料一体化船用生活污水处理装置可以在船上推广应用。
关键词：生物填料；聚氯乙烯；船舶生活污水
引言
随着航运业的快速发展，船舶的移动污染源越来越受到关注。船上的生活污水含有丰富的耗氧有机物，容易造成水体缺氧，造成许多海洋生物死亡。与此同时，船舶的污水中还含有丰富的氮和磷。营养元素可使水体富营养化并引起赤潮。为了解决船舶生活污水对河流水质造成的破坏，国内外已开展了大量的生活污水处理研究。解决方案主要采用好氧生物处理。该研究的重点是生物填料组分的开发和结构形状的优化。最近，研究人员开始修改生物填料，将亲水基团引入生物填料的制备中。例如，在制备聚丙烯的过程中，将水基聚合物材料如聚乙烯醇和聚丙烯酰胺混合以产生亲水性。塑料材料方面的一些研究人员发现，弱磁场可以大大提高废水的生物降解效率。本文研究了船舶生活污水处理厂的生物填料。将适量的聚丙烯酰胺，聚乙烯醇，磁粉和活性炭加入到PVC生产原料中，开发出改性PVC生物填料。进行了优化设计，分析了改性PVC填料的性能。研究了新开发的PVC生物填料对生活污水处理的影响。
一、新型PVC生物填料设计
生物填料除了对材质有要求外，对外观形状要求也很高，比表面积大、挂膜速度快以及耐冲击负荷能力强等因素是生物填料设计的关键，本文设计了片状波纹填料，综合了球形填料及蜂窝形填料的优点，其结构图见图1。片状波纹填料的波谷为平底，所有波谷在同一平面上，该片状波纹填料的波峰为平顶，在波峰上设有向外凸出的圆锥形凸台，波峰的两侧斜面上设有外凸的圆弧形凸棱，同一斜面上的两凸棱间经平底凹槽或圆弧组凹槽相连。在波纹填料波峰两侧的斜面上设置凸棱，凸棱之间设有凹槽，这样大大增大了波纹填料的比表面积，加快了生物挂膜；而且，凸棱对水流起到缓冲作用，增大了填料的耐冲击负荷能力；又由于同一斜面上的凸棱和凹槽连成波浪形，当气、水流冲击在该波浪形斜面上时，产生轻微的颤动而形成紊流，增加了水（有机物）、气（氧）与微生物的接触，提高了传质效应，促进了微生物的新陈代谢，从而强化了废水的处理效率。在波峰上还设有圆锥形凹坑，该圆锥形凹坑与圆锥形凸台相间排列，圆锥形凹坑有利于进一步增大波纹填料的比表面积。圆锥形凸台和圆锥形凹坑均匀分布在波峰上，两相邻的圆锥形凸台和圆锥形凹坑之间的距离为4cm。
图1 PVC片状波纹填料
.png)
二、实验部分
2.1PVC填料改性
依次称取适量磁粉（质量分数4%）、聚丙烯酰胺（质量分数5%）、活性炭（质量分数2%）、聚乙烯醇（质量分数5%）等，混匀后与经分散润滑剂润湿的聚氯乙烯颗粒充分混合，粉末状的添加剂会粘附在聚氯乙烯颗粒表面，此时将混合物投入注塑机的进料漏斗中，通过填料模具挤出成形，最后将注塑出的生物填料在充磁机上充磁，得到改性填料。
2.2模拟污水运行实验
为了评价改性PVC波纹形填料膜生物法处理船舶生活污水的效果，选用笔者设计制作的一体化船舶生活污水处理装置进行对比实验，其结构如图2所示。装置结构高度为1.5m，填料区高度为1.0m，填料区容积为0.5m 3。在3个完全相同的生物接触氧化反应器中等同地放入设计的PVC波纹形填料、经改性的PVC波纹形填料以及普通PVC蜂窝形填料，污水通过污水入口进入，首先通过滤网去除杂质，然后污水中大量有机物被填料上微生物所消耗，经接触氧化处理的水再进入到消毒室消毒，最后由泵将污水外排。
先向3个一体化船舶生活污水处理装置中加入0.5m 3模拟船舶生活污水，曝气1d，曝气量为1m 3/h。用显微镜观察填料上微生物生长情况，并采用称重法测定生物膜量。
为了使改性PVC波纹形填料一体化船舶生活污水处理装置能正常用于船舶生活污水处理，需寻求填料理想挂膜时间。静止条件曝气1d后，让装置处理模拟的船舶生活污水，测定出口端CODCr值，然后依次增加静止条件曝气时间，每次增加量为4h，再用装置处理配制的模拟船舶生活污水，直至装置出口端水质变化很小为止。处理污水过程中保持原水进入速度为0.1m 3/h，曝气量为1m 3/h。
图2 一体化船舶生活污水处理装置结构示意图
.png)
2.3船舶应用实验
为了进一步验证研制的新型填料处理生活污水的效果，将填料装填在设计制作的船舶生活污水处理装置上，再将装置安装在轮船上，轮船设计生活污水处理量为20t/d，每个轮船安装20个研置的生活污水处理装置并将装置进行串联，待装置运行稳定后委托三峡流动污染源重庆监测站对装置的进水和出水口水质进行监测，监测因子为船舶污水控制指标。
三、结果与讨论
3.1 填料的比表面积
研制的改性PVC填料成功结合了弹性立体填料和球形填料的优点，其外观呈现波浪形，波浪波峰两侧每隔一定间距又向内向外突一个圆柱体；结构是在波浪形弹性立体填料的波峰面均匀地向内向外突出一系列圆柱体；波浪形的波谷波峰不是一条线，而是一个平面，每个波浪截面是一个梯形，下底宽3.0cm，上底宽1.8cm，高1.0cm，波峰面上的圆柱体在波峰两侧内外交叉分布，平行间距4.0cm，圆柱体下底宽1.8cm，上底宽1.0cm，高1.0cm。用剪刀取4个波峰和波谷，长度取40cm，这样取样面上共有80个圆锥凸台，计算得到表面积为2× 80× 4.552= 728.32cm 2，计算得到波峰和波谷表面积为3 151.36- 407.15= 2 744.21cm 2，则取样总表面积为0.347 25m 2。采用量筒测得取样PVC的体积为38.5mL，测得比表面积约为9 019m 2/m 3，而常见半软体填料、弹性立体填料、悬浮填料、平板填料的比表面积均小于2 000m 2/m 3，可见研制的填料比表面积较大。
3.2 填料上微生物生长情况
用显微镜观察了改性PVC填料与未改性PVC填料曝气1d后膜的生长情况。挂膜1d后，可以看到填料表面都有透明的金黄色细菌膜生成，改性PVC波纹形填料内表面有一层较密的金黄色膜，而未改性PVC波纹形填料和普通PVC蜂窝形填料的内表面只有少部分地方长出金黄色絮状物，未见大片致密膜生成。通过称重法测定不同填料的生物膜量来分析填料的挂膜速度，测定方法及步骤参见文献[7]，曝气1d后，改性PVC波纹形填料的生物膜量为0.035g/kg，未改性PVC波纹形填料生物膜量为0.015g/kg，普通PVC蜂窝形填料生物膜量为0.012g/kg。可见改性填料上的生物膜量明显高于普通填料，而且设计的波纹形填料生物膜量也比普通蜂窝形填料高。
3.3 填料的润湿性能
实验采用测接触角的方法来考察填料表面的润湿性能，取出填料的内侧面，放入接触角测定仪上，并用0.005μL的微量注射器取满量程的蒸馏水缓慢地滴入取出的填料内侧面上，立刻用接触角测定仪拍摄水滴与填料表面的照片，用量角法算出水滴与填料表面的接触角。经测量，未改性的普通填料内表面的接触角约为80°，而改性后降低为70°。这说明普通填料经过亲水改性后，其表面润湿性有很大程度的提高。
3.4 填料的抗冲击性能
充足氧气是好氧微生物生存繁殖所必须的条件，但充氧量的增多需要通入空气的量也随之加大，这样将会增加容器内液体对填料的冲击力，不同填料抗冲击性能不同。为了评价研制的填料抗冲击性能，选取了研制的PVC波纹形填料、PVC蜂窝形填料、球形填料及普通波纹形填料进行对比实验，将不同填料装填在4个相同的一体化船舶生活污水处理装置中，待装置运行稳定后连续处理配置的模拟船舶生活污水，固定进水量为0.1m 3/h，调节进气量以实现不同气液比，在不同气液比条件下考察装填不同填料的一体化船舶生活污水处理装置对污水CODCr的去除率，实验结果见图3。
图3 装填不同填料的一体化船舶生活污水处理装置的最佳气液比
.png)
从图3可看出，研制的PVC波纹形填料最佳气液比为10∶1，蜂窝形填料的最佳气液比为8∶1，球形填料的最佳气液比为7∶1，普通波纹形填料的最佳气液比为6∶1，可见研制的PVC波纹形填料抗冲击性能更好，同时对CODCr的去除效果更佳。
3.5 填料的挂膜时间
膜生物法处理污水的主要影响因素是填料上微生物数量，适当的挂膜时间才能保证填料上微生物数量足够多，使一体化装置可用于船舶生活污水处理。装置和填料一定的情况下，挂膜速度主要受进水水质及气液比的影响。为了寻求合适的挂膜时间，让改性PVC波纹形填料一体化船舶生活污水处理装置在静止条件下曝气不同时间，然后再将装置用于配制的船舶污水处理，通过测定排水口的CODCr来寻找较为理想的挂膜时间，实验结果见表1。
表1 一体化船舶生活污水处理装置排水口CODCr的变化情况
.png)
从表1可以看出，静止条件下曝气44h后，装置排水口的CODCr变化非常小，表明改性PVC波纹形填料上微生物数量已足够多，因此设计制作的改性PVC波纹形填料一体化装置较为理想的挂膜时间为44h。
3.6 原水质量浓度对挂膜时间的影响
由于船舶生活污水CODCr波动很大，可在1 000～ 2 000mg/L变化[8]，因此可能存在静止条件下曝气时原水质量浓度较低而装置运行时原水质量浓度较高，这样就使得膜上微生物量达不到理想值，从而使处理的污水不达标排放，为此改变原水质量浓度寻求合适挂膜时间，保证不同原水质量浓度下CODCr去除率接近95%。实验结果如表2所示。从表2可以看出，原水CODCr质量浓度不同，合适挂膜时间不同，随着原水中CODCr质量浓度的增加，挂膜时间逐渐缩短。
表2 原水质量浓度对挂膜时间的影响
.png)
3.7 船舶实际应用效果
为了考察新型PVC生物填料在一体化船舶生活污水处理装置上的应用效果，将填料装填在设计制作的一体化船舶生活污水处理装置上并在重庆燕山轮SBTC- 400（编号WSC 0147）实际应用，运行结果见表3所示（污水流量为21.5t/d）。
从表3应用结果可以看出，装填新型PVC生物填料的装置对船舶生活污水有优良的处理效果，能满足实际运用的需求，可在船舶生活污水处理中扩试使用。
表3 装填新型PVC波纹形填料的装置实际运行情况
.png)
四、结束语
通过对新型PVC生物填料的性能分析和新型PVC生物填料一体化污水处理装置船舶实际应用，发现该生物填料具有以下优点：
（1）新型PVC生物填料比表面积约为9 019m 2/m 3，比表面积明显高于普通填料；接触角降低为70°，相比亲水改性前填料表面润湿性有很大程度的提高。
（2）挂膜1d后，改性PVC波纹形填料的生物膜量为0.035g/kg，生物膜量明显高于普通填料；最佳气液比为10∶1，相比普通填料抗冲击性能更好，同时对CODCr的去除效果更佳。
（3）原水CODCr质量浓度增大，新型PVC生物填料的合适挂膜时间逐渐缩短；在CODCr进水质量浓度为1 392mg/L时，设计制作的改性PVC波纹形填料一体化装置较为理想的挂膜时间44h。
（4）研制的新型PVC波纹形填料一体化装置组装灵活，船舶实际运行效果良好，能将船舶生活污水处理达标排放，可以在船舶上推广应用。
参考文献：
[1]罗英.简论船舶对海洋的污染及防治[J].浙江国际海运职业技术学院学报，2015.
[2]刘文华，刘芬，文新宇，等.牛仔服洗涤废水的混凝-生物氧化法处理[J].四川环境，2015.
[3]孙娜，林波，李风琴，等.水处理填料的研究进展[J].江西化工，2014.
[4]海景，黄尚东，张凡，等.改性聚丙烯生物填料的制备与应用[J].化工环保，2016.
[5]董良飞，徐红.船舶生活污水特性及处理装置研究[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2016.
论文作者:赵质鸿
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/18
标签：填料论文; 船舶论文; 波纹论文; 生物论文; 污水处理论文; 装置论文; 污水论文; 《基层建设》2019年第27期论文;