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第八章污水的好氧生物处理—生物膜法第一节生物膜法的历史及其发展一．微生物在水中存在的状态微生物在自然界到处存在，如水中、土壤中等，如细菌、原生动物、后生动物等，组成了一条食物链。例如在水中微生物多以悬浮状态存在（例如粪水曝气现象），而在土壤中多以固着状态存在（例如青苔）。这些微生物在驯化后可作为降解污水中有机物的专有微生物。这些微生物有的是厌氧的，有的是好氧的，所以利用这两种类型的微生物来处理污水就派生了两大类污水生物处理类型—好氧工艺和厌氧工艺。二．好氧工艺的分类根据好氧微生物的生长状态，好氧工艺可细分为以下两部分：1.好氧悬浮生长工艺→活性污泥法2.附着生长工艺→生物膜法两种工艺微生物生存状态不同，各派生出多种不同工艺流程。三．生物膜法的历史及其发展十九世纪末，国外研究人员在研究土壤净化污水的过滤田基础上，创造了生物过滤法，即生物膜法的前身。三个例证：1．1865年德国杰出的科学家AlexandexMueller发现带有活着的微生物的土壤过滤柱可以净化污水。2．1868年英国EdwardFrankland发现了填装有各种卵石、砂和土壤的过滤柱具有净化污水的作用，他的工作建立在过滤净化过程中曝气的作用。3．1893年，英国进行将污水在粗滤料上喷洒进行净化的试验取得了良好的净化效果，作为生物膜反应器的生物滤池开始问世，并从此开始用于污水处理的实践。依据上述研究，欧美国家渐渐开始采用这种过滤方法来净化污水。当时由于美国的土壤渗透性要比欧洲好，且土地价格便宜，故多采用土壤过滤；而在欧洲则普遍采用较粗糙的过滤填料如碎焦碳、钢渣等工业化的副产品来净化污水，最后发展成了滴滤池—最经典的生物膜法。四.生物膜法的净化过程及分类在生物膜法中，微生物附着在载体表面生长而形成膜状，当污水流经载体表面和生物膜接触过程中，污水中的有机污染物即被微生物吸附、稳定和氧化，最终转化为H2O、CO2、NH3和微生物细胞物质，污水得到净化。自二十世纪70年代以来，生物膜法引起了广大研究者和工程师们的极大兴趣，于是属于生物膜法的塔式生物滤池（好氧或厌氧滤池）、生物转盘、生物接触氧化法、曝气生物滤池等得到了较多的研究和工程应用。第二节生物膜法类型及技术现状在20世纪20～30年代，国外开始建造了许多生物膜反应器系统，其主要形式就是生物滤池。其特点是生物量高和净化效果较好，但其水力负荷和有机负荷均较低、环境卫生条件也较差、处理构筑物占地面积较大且有可能被脱落的生物膜堵塞等缺点，在40～50年代生物滤池有逐渐被活性污泥法取代的趋势。在此期间，作为生物滤池的填料主要是碎石、卵石、炉渣和焦碳等实心拳状的无机天然材料，一般具有比表面积小和孔隙率低等缺点。到了60年代，新型的有机合成材料开始大量生产，如的波纹板状、列管状和蜂窝状等有机人工合成填料，其比表面积和孔隙率大大增加，再加上环境保护对水质要求的进一步提高，生物膜反应器获得了新的发展。到了70年代，除了普通生物滤池（TrickFilters，也称为滴滤池）外，生物转盘（RBC）、淹没式生物滤池（SubmergedBiofilmReactor）和生物流化（FluidisedBed）技术都得到了比较多的研究和应用。近年来，生物膜反应器以其独特的优势更受广大研究者和工程师们的关注，又涌现出大量新型的单一或复合式生物膜反应器（Hybridbio—reactors），如微孔膜生物反应器、气提式生物膜反应器、移动床生物膜反应器、复合式活性污泥生物膜反应器、序批式生物膜反应器、升流式厌氧污泥床—厌氧生物滤池（UASB—AF）、曝气生物滤池及附着生长稳定塘等等。由此可见，生物膜反应器发展迅速，由单一到复合，有好氧亦有厌氧，逐步形成了一套较完整的污水生物处理工艺系列。一.生物膜反应器的类型与技术现状根据生物膜反应器附着生长载体的状态，生物膜反应器可以划分为固定床和流动床两大类。在固定床中，微生物的载体固定不动，在反应器内的相对位置基本不变；而在流动床中，附着生长载体不固定，在反应器内处于连续流动的状态。基于操作时是否有氧气的参与，分为好氧状态、或者缺氧和厌氧状态。生物膜反应器的类型可系统划分如下：1.生物滤池生物滤池是生物膜反应器的最初形式，现生物滤池已由原来承受较低负荷的普通生物滤池逐步发展成为承受较高负荷的高负荷生物滤池、塔式生物滤池以及最新研制成功并投入运行的曝气生物滤池，2．生物转盘生物转盘亦称旋转生物接触器（RBC），是由一系列平行的旋转圆盘、转动横轴、电机及减速装置和氧化槽等部分组成。当圆盘面积的40～50%浸没于污水时，盘片上的生物膜吸附污水中的有机物，圆盘转动离开污水，生物膜上的固着水层从空气中吸收氧，被吸附的有机物在微生物酶的作用下氧化分解，从而使污水得到净化，此种操作的称之为好氧生物转盘。当圆盘面积浸没于污水中时，由于没有吸氧过程，圆盘盘片仅是微生物的附着生长载体，此种操作的称之为厌氧生物转盘。3．生物接触氧化法1971年在日本首创，在池内充填一定密度的填料，污水浸没全部填料并与填料上的生物膜广泛接触，在微生物新陈代谢功能的作用下，污水中的有机物得以去除，污水得以净化。淹没式生物滤池多在好氧状态下运行，充氧方式可以是污水预先充氧曝气再流经填料，也可以是在池内设有人工曝气装置。4．生物流化床生物流化床用于污水处理领域始于70年代初期并率先在美国和日本进行广泛的研究与应用。所谓生物流化床，就是以砂和活性炭等颗粒物质为载体填充于生物反应器内，因载体表面附着生长着生物膜而使其质变轻，当污水以一定流速从下向上流动时，载体便处于流化状态。按照载体流动的动力来源的不同，生物流化床一般可分为以液流为动力的流化床和以气流为动力的三相流化床两大类。在两相流化床中，按照进入流化床的污水是否预先充氧曝气，床体可处于好氧状态和厌氧状态。5．复合式生物膜反应器复合式生物膜反应器是近些年来发展较快、引起研究者极大兴趣的复合式处理工艺，这些反应器将各单一操作的优点复合在一起，使反应器的净化功能极大提高。有代表性且进行深入研究或应用的复合式生物膜反应器主要有复合式活性污泥—生物膜反应器、序批式生物膜反应器、升流式厌氧污泥床—厌氧生物滤池及附着生长稳定塘。第三节微生物膜净化污水机理1．生物膜中参与净化的微生物群生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物所组成，这些微生物种类繁多，但归纳起来主要有细菌、真菌、藻类（在有光条件下）、原生动物和后生动物等，此外还有病毒。生物膜中的生物群与活性污泥中的生物群几乎没有大的差别，只是生物膜中微生物的食物链比活性污泥的长而且复杂，所以也就是生物膜法的泥量小的原因。废水中的有机物活的原生动物异养细菌+腐食性原生动物进水无机物分解有机物生物的尸体轮虫类线虫类+自养细菌处理水活性污泥剩余污泥处理水无机物分解有机物废水中的有机物进水生物膜生物的尸体异养细菌菌类腐食性原生动物线虫类轮虫类寡毛类昆虫+脱落污泥活的原生动物自养细菌1）细菌、真菌类、藻类（1）细菌细菌是微生物膜的主体，根据所需营养的不同，细菌可分为无机营养型的自养菌和有机营养型的异养菌，其中异养菌是生物膜中的主要细菌类型，能够从流经生物膜表面的水中获得足够的营养底物。（2）真菌类真菌是具有明显细胞核而没有叶绿素的真核生物，生物膜上的真菌类和活性污泥不同，繁殖很快，在营养和生物环境方面和细菌有竞争关系。如真菌类过分地占有优势，生物膜得以较快增殖并变厚。真菌类占优势的条件是：温度、PH值、废水的性质、负荷等因素。一般来说，生物膜中还是以细菌占优势为宜。（3）藻类藻类是受阳光照射下的生物膜中的主要成分，由于出现藻类的地方只限于生物膜反应器中表层很小部分，因而对污水净化不起很大作用。2）原生动物原生动物是动物界中最低等的单细胞动物，在成熟的生物膜中它们不断捕食生物膜表面的细菌，因而在保持生物膜细菌处于活性物理状态方面起着积极作用。原生动物或者以胞饮方式（一部分细胞壁凹入摄取外部环境中大分子并夹紧形成其体内液泡）摄取有机物质，或者以噬菌的方式吞噬细菌、藻类和其他粒子并消化作为它们的营养物质。3）后生动物后生动物是由多个细胞组成的多细胞动物，属无脊锥型。生物膜中经常出现的后生动物有轮虫类、线虫类、寡毛类和昆虫及其幼虫类。二．微生物膜及其降解有机物的机理污水长期与滤料或某种载体流动接触，就会在其表面形成生物膜，并逐渐成熟，其标志是：生物膜沿水流方向的分布、生物膜上由细菌及各种微生物组成的生态系、对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定状态。从开始到成熟，生物膜要经过潜伏和生长两个阶段，生物膜有时均匀地分布在载体表面，而有时却非常不均匀；有时仅由单层的细胞组成，而有时却相当厚，随着营养底物、时间和空间的改变而发生变化。由于生物膜主要是由微生物细胞和他们所产生的胞外多聚物所组成，因而生物膜通常具有孔状结构，并具有很强的吸附性能。结果，我们所观察到的生物膜通常还含有大量被吸附和镶嵌于内的溶质和无机颗粒，从这个角度上说，生物膜是由有生命的细胞和无生命的无机物所组成的结构。厌氧层好氧层附着水层流动水层载体污水生物膜附着在载体的表面，在污水不断流动的条件下，在其外侧总是存在着一层附着液膜（附着水层）。在生物膜的表面上和一定深度的内部生长繁殖大量的各种类型的微生物和微型动物，并形成有机污染物—细菌—原生动物—后生动物的食物链。在污水流过载体表面的过程中，污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附，并通过氧向生物膜内部的扩散，在膜中发生生物氧化等作用，从而完成对有机污染物的分解。污染物、溶解氧及各种必须营养物首先要经过液相扩散到生物膜表面，进而到生物膜内部，只有扩散到生物膜表面或内部的污染物才能有机会被生物膜微生物所分解与转化，最终形成各种代谢产物。生物膜表层生长的是好氧和兼氧微生物，其厚度约2mm，在这里，有机污染物经微生物好氧代谢而降解，终点产物是H2O、CO2、NH3等。由于氧在生物膜表层已耗尽，而在好氧层的深部由于扩散作用制约了溶解氧的渗透往往形成厌氧区，使生物膜内层的微生物处于厌氧状态，在这里，进行的是有机物的厌氧代谢，终点产物为有机酸、乙醇、醛和H2S等。由于微生物的不断繁殖，生物膜逐渐增厚，超过一定厚度后，吸附的有机物在传递到生物膜内层的微生物以前，已被代谢掉。当厌氧层还不够厚时，它与好氧层保持着一种平衡稳定的关系，好氧层能够保持良好的净化功能，当厌氧层逐渐加厚时，其内层微生物因得不到充分的营养而进入内源代谢，这些代谢产物向外逸出时，必然要透过好氧层，从而破坏了好氧层生态系统的稳定性，同时厌氧层气态代谢产物的不断逸出又减弱了生物膜在载体上的固着力，促进了生物膜的脱落，失去其粘附在载体上的性能，脱落下来随水流出反应器，载体表面再从新生长出新的生物膜。生物膜的周期更新，是维持生物膜净化功能的重要因素。三．生物膜法的特征1．微生物相方面的特征（1）参与净化反应的微生物的多样化在生物膜上生长繁育的生物类型丰富、种属繁多，食物链长且复杂。主要有：细菌、真菌、藻类、鞭毛虫、肉足虫、纤毛虫缘毛类、纤毛虫吸管虫类、轮虫、线虫、寡毛类、其它后生动物、昆虫类。（2）微生物量多，处理能力大，净化功能显著提高由于微生物附着生长并使生物膜具有较低的含水率，单位反应器内的生物量可高达活性污泥法的5～20倍，因而生物膜反应器具有较高的处理能力。又由于有世代时间较长的硝化菌生长繁殖，生物膜反应器不仅能够去除有机污染物，而且更具有较好的硝化功能，因而其净化功能显著提高。（3）能够生长硝化菌硝化菌和亚硝化菌的世代时间都比较长，其比增殖速率很小，在活性污泥法系统中，这类细胞是难以存活的，但在生物膜法中，生物膜的污泥龄与污水的停留时间无关，因此，象硝化细菌这样世代时间比较长的细胞也得以增殖。2．处理工艺方面的特征（1）对水量、水质变动有较强的适应性生物膜法中的各种工艺，对流入水水质、水量的变动都具有较强的适应性，即或中间停止一段时间进水，对生物膜的净化功能也不会带来明显的障碍，系统能够很快地得到恢复。（2）在低水温条件下也能保持一定的净化功能由于生物膜生物相的多样性，在低水温条件下，生物膜仍能够保持较为良好的净化功能，