水污染控制工程第十三章

第十三章生物膜法第二节生物滤池第三节生物转盘第四节生物接触氧化法第五节生物膜法的进展第一节基本原理第一节基本原理1893年英国Corbett在Salford创建了第一个具有喷嘴布水装置的生物滤池。生物膜法主要用于从污水中去除溶解性有机污染物，是一种被广泛采用的生物处理方法。生物膜法的主要优点是对水质、水量变化的适应性较强。生物膜法的共同特点是微生物附着在介质“滤料”表面上，形成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解的有机污染物被微生物吸附转化为H2O、CO2、NH3和微生物细胞物质，污水得到净化，所需氧气一般来自大气。生物膜的结构及其净化机理生物膜的形成及结构生物膜是指附着在惰性载体表面生长的，以微生物为主，包含微生物及其产生的胞外多聚物和吸附在微生物表面的无机及有机物等组成，并具有较强的吸附和生物降解性能的结构。提供微生物附着生长的惰性体称之为滤料或填料。生物膜的组成细菌和真菌原生动物和后生动物滤池蝇藻类生物膜的微生物除了含有丰富的生物相这一特点外，还有着其自身的分层分布特征。在正常运行的生物滤池中，随着滤床深度的下移，生物膜中的微生物逐渐从低级趋向高级，种类逐渐增多，但是个体数量减少。上层以菌胶团为主，而且由于营养丰富，繁殖速率快，生物膜也最厚。往下的层次，随着污水中有机物浓度的降低，可能会出现丝状菌、原生动物和后生动物，但是生物量逐渐减少。滤床中这种生物分层现象，是适应不同生态条件的结果，各层生物膜中都有特征微生物，处理污水的功能也随之不同。生物膜法的净化过程生物膜法去除水中的污染物是一个吸附、稳定的复杂过程，包括污染物质在液相中紊流扩散、污染物在膜中的扩散传递、氧向生物膜内部的扩散和吸附、有机物的氧化分解和微生物的新陈代谢等过程。在生物膜外，附着一层薄薄的水层，其中的有机物大多已经被生物膜中的微生物所摄取，其浓度比流动水层中的有机物浓度低，污水中的有机物和溶解氧先扩散进入此水膜，然后被微生物所利用。影响生物膜法污水处理效果的主要因素进水底物的组分和浓度：营养物质：BOD5：N：P=100：5：1。有机负荷及水力负荷：生物滤池的负荷分为有机负荷和水力负荷，是决定效果的首要因素。溶解氧。生物膜量：主要是指生物膜厚度与密度。生物膜的厚度与污水中有机物的浓度成正比。PH、温度和有毒物质。生物膜法污水处理特征微生物方面微生物种类丰富，生物的食物链长存活世代时间较长的微生物，有利于不同功能的优势菌群分段运行处理工艺方面对水质、水量变动有较强的适应性。适合低浓度污水的处理剩余污泥产量少运行管理方便生物膜反应动力学介绍微生物在载体上附着的一般过程：液相中悬浮微生物微生物向载体表面输送可逆附着不可逆附着附着微生物增长，形成生物膜生物膜反应动力学的几个重要参数XdtdXbbMdtdMmax生物膜比增长速率生物膜比增长速率主要由两类：一是动力学增长阶段的比增长速率，二是整个生物膜过程的平均比增长速率。CtMbmaxln最大比增长速率：平均比增长速率bsbbsMtMM0生物膜平均比增长速率反应了生物膜表观增长特性。由于生物膜成长过程中往往伴随非活性物质的累积，因此，从严格的生物学意义上说，平均比增长速率并不能真实反应生物膜群体增长特性。底物比去除速率beobsMASSQq00在实际过程中，底物比去除速率反映了生物膜群体的活性，底物的比去除速率越高，说明生物膜生化反应活性越高。表观生物膜产率系数dtdSdtdMVAYbobs00产率系数揭示了生物膜群体合成与能量代谢件的相互耦合度)(00SSQdtdSV)(000SSQMAYbobsebsobsSSQMAY000上式中：处于稳态时生物膜密度生物膜密度一般为生物平均干密度，经试验测定生物膜量及生物膜厚后，平均密度可以通过Th-Mb图求得。第二节生物滤池建设中的生物滤池典型的生物滤池的构造滤床布水设备排水系统床由滤料组成。滤料是微生物生长栖息的场所，理想的滤料应具备下述特性：(1)能为微生物附着提供大量的面积；(2)使污水以液膜状态流过生物膜；(3)有足够的空隙率，保证通风（即保证氧的供给）和使脱落的生物膜能随水流出滤池；(4)不被微生物分解,也不抑制微生物的生长，有较好的化学性能；(5)有一定的机械强度；(6)价格低廉。滤料粒径并非越小越好，会造成堵塞，影响通风。早期主要以拳状碎石为滤料，其直径在3～8cm左右，空隙率在45％～50％左右，比表面积（可附着面积）在65～100m2/m3之间。滤床两种常见的塑料滤料滤料比表面积在98～340m2/m3之间，孔隙率为93％～95％滤料比表面积在81～195m2/m3之间，孔隙率为93％～95％国内目前采用的玻璃钢蜂窝状块状滤料，孔心间距在20mm左右，孔隙率95％左右，比表面积在200m2/m3左右。滤床高度同滤料的密度有密切关系塑料滤料每立方米质量仅为100kg左右，孔隙率高达93％～95％，滤床高度不但可以提高，而且可以采用双层或多层构造。国外一般采用双层滤床，高7m左右；国内常采用多层的“塔式”结构，高度在10m以上。滤床四周一般设池壁，池壁起围护滤料、减少污水的飞溅的作用。常用砖、石或混凝土块砌筑。石质拳状滤料组成的滤床高度一般在1～2.5m之间。一方面是由于孔隙率低，滤床过高会影响通风；另一方面由于太重,过高会影响排水系统和滤池基础结构。布水设备设置目的为了使污水能均匀地分布在整个滤床表面上生物滤池的布水设备分为两类固定式喷嘴布水系统回转式布水器的中央是一根空心的立柱，底端与设在池底下面的进水管衔接。其所需水头在0.6～1.5m左右。固定式布水系统是由虹吸装置、馈水池、布水管道和喷嘴组成。这类布水系统需要较大的水头，约在2m左右。移动式（常用回转式）布水器脉冲式生物滤池配水系统排水系统作用收集滤床流出的污水与生物膜保证通风支撑滤料池底排水系统的组成池底排水假底集水沟排水假底是用特制砌块或栅板铺成，滤料堆在假底上面。假底空隙率不小于滤池面积5％～8％，高于池底0.4～0.6m。池底除支撑滤料外，还要排泄滤床上的来水，池底中心轴线上设有集水沟，两侧底面向集水沟倾斜，池底和集水沟的坡度约1％～2％。集水沟要有充分的高度，并在任何时候不会漫流，确保空气能在水面上畅通无阻，使滤池中空隙充满空气。低负荷生物滤池又称普通生物滤池。优点：处理效果好，BOD5的去除率可达90％以上，出水BOD5可下降到25mg/L以下，硝酸盐含量在10mg/L左右，出水水质稳定。缺点：占地面积大，灰蝇很多，影响环境卫生。生物滤池法的流程交替式二级生物滤池法的流程交替式二级生物滤池法比并联流程负荷率可提高两三倍。运行时，滤池是串联工作的，污水经初步沉淀后进入一级生物滤池，出水经相应的中间沉淀池去除残膜后用泵送入二级生物滤池，二级生物滤池的出水经过沉淀后排出污水厂。工作一段时间后，一级生物滤池因表面生物膜累积，即将出现堵塞，改作二级生物滤池，而原来的二级生物滤池则改作一级生物滤池。回流式二级生物滤池法的流程国外的运行经验表明，在处理城市污水时，回流式生物滤池的处理效率大致如下：生物滤池的一个主要优点是运行简单，因此，适用于小城镇和边远地区。单级滤池法当滤池负荷率在1.7kg（BOD5）/(m3·d)(滤料)以下时，出水的BOD5约为滤池进水的BOD5的1/3。二级滤池法二沉池的出水的BOD5为二级池进水BOD5的1/2；如果一级滤池的进水不经沉淀直接流向二级滤池，则一级滤池出水的BOD5为进水BOD5的1/2。影响生物滤池性能的主要因素这些过程的发生和发展决定了生物滤池净化污水的性能。影响这些过程的主要因素有：滤池高度负荷率回流供氧生物滤池中有机物的降解过程同时发生着多过程有机物在污水和生物膜中的传质过程氧在污水和生物膜中的传质过程生物膜的生长和脱落等过程有机物的好氧和厌氧代谢过程滤床影响生物滤池性能的主要因素——滤池高度滤床上层,污水中有机物浓度较高,微生物繁殖速率高,种属较低级,以细菌为主,生物膜量较多,有机物去除速率较高。随着滤床深度增加,微生物从低级趋向高级，种类逐渐增多,生物膜量从多到少。滤床的上层和下层相比,生物膜量、微生物种类和去除有机物的速率均不相同。滤床中的这一递变现象，类似污染河流在自净过程中的生物递变。当滤床各层的进水水质互不相同时,各层生物膜的微生物就不相同,处理污水的功能也随之不同。滤床影响生物滤池性能的主要因素——滤池高度有机负荷率：以BOD5为准，kg（BOD5或特定污染物质）/m3·d。影响生物滤池性能的主要因素——负荷率生物滤池的负荷率有三种表达形式：表面水力负荷率：m3（水）/（m2·d），又称平均滤率，m/d。由于生物滤池的作用是去除污水中有机物或特定污染物，因此，它的负荷率通常以有机物或特定污染物质为准较合理。有机负荷率：以BOD5为准，kg（BOD5或特定污染物质）/（m3·d）。水力负荷率：以流量为准，m3(水)/m3(滤料)·d。影响生物滤池性能的主要因素——负荷率在低负荷条件下，随着滤率的提高，污水中有机物的传质速率加快，生物膜量增多，滤床特别是它的表面很容易堵塞。在高负荷条件下，随着滤率的提高，污水在生物滤床中停留的时间缩短，出水水质将相应下降。影响生物滤池性能的主要因素——回流回流——利用污水厂的出水或生物滤池出水稀释进水的做法称回流，回流水量与进水量之比叫回流比。回流对生物滤池性能的影响：（1）回流可提高生物滤池的滤率，它是使生物滤池负荷率由低变高的方法之一；（2）提高滤率有利于防止产生灰蝇和减少恶臭；（3）当进水缺氧、腐化、缺少营养元素或含有有害物质时，回流可改善进水的腐化状况、提供营养元素和降低毒物质浓度；（4）进水的质和量有波动时，回流有调节和稳定进水的作用。影响生物滤池性能的主要因素——供氧温度差越大，通风条件越好；当水温较低，滤池内的温度低于水温时（夏季），池内气流向下流动；当水温较高，池内温度高于气温时（冬季），气流向上流动；若池内外无温度差，则停止通风；正常运行的生物滤池，自然通风可以提供生物降解所需的氧量，自然通风不能满足时，应考虑强制通风。生物滤池中，微生物所需的氧一般直接来自大气，靠自然通风供给。影响生物滤池通风的主要因素是滤床自然拔风和风速。自然拔风的推动力是池内温度与气温之差以及滤池的高度。生物滤池的计算——计算公式图示表明：污水流过滤池时，污染物浓度的下降率——单位滤床高度（h）去除的污染物的量（以浓度S计）与该污染物的浓度成正比，即KShddS生物滤池的设计，在条件允许时应尽量利用试验成果进行，没有条件进行试验时，可借助于经验公式进行。式中：dS/dh——污染物浓度的下降率；S0——滤池进水污染物的浓度，mg/L；S——床深为h处水中的污染物浓度，mg/L；h——离滤床表面的深度，m；K——反映滤池处理效率的系数，它同污水性质、滤池的特性（包括滤料的材料、形状、表面积、孔隙率、堆砌方式和生物膜性质）以及滤率有关，布水方式（如均匀程度、进水周期等）也对其有影响。式中：Q——滤池进水流量，m3/d;A——滤床的面积，m2；K’——系数，它与进水水质、滤率有关；m——与进水水质有关的系数；n——与滤池特性、滤率有关的系数。K可用下式求得：将式积分，得KShSddexp(-Kh)0SSnmAQSKK)/(0'当采用回流滤池时，应考虑回流的影响，按图建立物料衡算式：将代入得nmAQSKK)/(0'KhSSe0])/(exp[/0'0hAQSKSSnm上式可以直接用于无回流滤池的计算，解得：nmeAQSKSSh)()ln(0'000Ri)(SQQSQQSReReRiQQSQQSS0生化反应速率受温度影响，可以用下式校正：20(20)1.035TKTKReRiQQSQQSS0})1(1kexp{-)1(0eieiehAQRRRSSRSSRSnmRRSSSei10解此式得：nm'AQRRRSSKRSRSSh)1(1)1(l