生物膜法

2019/8/141生物膜法2019/8/142一、生物膜法概述1.生物膜法的基本概念•污水的生物膜处理法与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术。这种处理法的实质是使细菌和真菌类的微生物、原生动物和后生动物类的微型动物附着在填料或某些载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥——生物膜。2019/8/143•污水与生物膜接触，污水中有机污染物作为营养物质，被生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到增殖。•迄今为止，属于生物膜处理污水的工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和曝气滤池等。生物滤池是早期出现、至今仍在发展的污水生物处理技术，而后两者则是近几十年来开发的新工艺。2019/8/1442.生物膜法的净化机理2.1生物膜的形成•在生物膜处理系统中，填充着数量相当多的挂膜介质（填料或载体），当污水与挂膜介质流动接触，接种或原存在于污水中的微生物就会在介质表面生长。经过一段时间后，介质表面将会一种膜状污泥——生物膜所覆盖，即称为生物膜。2019/8/1452.2生物膜构造与净化机理•由于微生物不断繁殖，生物膜厚度会不断增加，当增厚到一定程度后，在氧不能透入的里侧深处即将转变为厌氧状态，形成厌氧性膜。这样，生物膜便由好氧层和厌氧层两层组成。好氧层的厚度一般为2mm左右，有机物的降解主要在好氧层内进行。（见图5-1）2019/8/146图5-1生物膜构造图2019/8/147•图5-1所示是附着在生物滤池填料上的生物膜构造。由于生物膜的吸附作用，在其表面有一层很薄的水层，称之为附着水层。附着层内有机物大多已被氧化，其浓度比滤池进水的有机物浓度低得多。因此，进入池内的污水沿膜面流动时，由于浓度差的作用，有机物会从污水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧在溶入污水后，继而进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成。微生物的代谢产物如H2O等则附着水层进入流动水层，并随其排走，而CO2及厌氧层分解产物如H2S、NH3、以及CH4等气态代谢产物则从水层逸出进入空气中。如此循环往复，使污水中有机物不断减少，从而得到净化。2019/8/1482.3生物膜的更新•一般认为，生物膜厚度介于2~3mm时较为理想。当生物膜太厚，内部的厌氧层的厚度就会增加，厌氧代谢产物也逐渐增多，这些产物向外侧逸出，减弱了生物膜在介质（载体、填料）上的固着力，处于这种状态的生物膜即为老化生物膜，老化生物膜净化功能差而且容易脱落。•在处理过程中，生物膜总是在不断地增长、更新、脱落的。造成生物膜不断脱落的原因有：水力冲刷、由于膜增厚造成重量的增大、原生动物使生物膜松动、厌氧层和介质的黏结力较弱等。其中以水力冲刷最为重要。从处理要求看，生物膜更新脱落是完全必要的。2019/8/1493.生物法的主要特点3.1适应冲击负荷能力强•微生物主要固着于填料表面，微生物量比活性污泥法要高得多，因此对污水水质水量的变化引起的冲击负荷适应能力较强。即使短时间中断进水或工艺遭到破坏，反应器的性能也不会受到致命的影响，恢复起来较快，因此适用于处理高浓度难降解的工业废水。另外，生物膜反应器还可以处理BOD5低于50~60mg/L的进水，使出水BOD5降到5~10mg/L，这是活性污泥法无法做到的。2019/8/14103.2反应器内微生物浓度高•单位容积反应器内的微生物量可以高到活性污泥法的5~20倍，因此处理能力大，一般不建污泥回流系统；生物膜含水率比活性污泥低，不会出现活性污泥法经常发生的污泥膨胀现象，能保证出水悬浮物含量低，因此运行管理也比较方便。2019/8/14113.3剩余污泥产量低•生物膜内存在较高级营养水平的原生动物和后生动物，食物链较长，特别是生物膜较厚时，里侧深部厌氧菌能降解好氧过程中合成的污泥，因而剩余污泥产量低，一般比活性污泥处理系统少1/4左右，可减少污泥处理和处置费用。2019/8/14123.4可同时存在硝化和反硝化过程•由于微生物固着于填料的表面，生物固体停留时间SRT与水力停留时间HRT无关，因此为增殖速度较慢的微生物提供了生长繁殖的可能性。因此，生物膜法中的生物相更为丰富，且沿水流方向膜中微生物种群分布具有一定的规律性。生物膜反应器适合世代时间长的硝化细菌生长，而且其中固着生长的微生物使硝化菌和反硝化菌各有其生长的合适环境。因而，生物膜反应器内部也会同时存在硝化和反硝化过程。如果将已经实现硝化的污水回流到低速转动的生物转盘和鼓风量较小的生物滤池等缺氧生物膜反应器内，可以取得更好的脱氮效果，而且不需要污泥回流。2019/8/14133.5操作管理简单，运行费较低•生物滤池、生物转盘等生物膜法采用自然通风供氧，装置不会出现泡沫，没有污泥回流，管理简单，运行费较低，操作稳定性较好。3.6调整运行的灵活性较差•和活性污泥法相比，除了镜检法以外，对生物膜中微生物的数量、活性等指标的监检测方式较少，而活性污泥法可以通过测定污泥沉降比、SVI、污泥浓度等多种方法对微生物的活性进行监测。因此，生物膜出现问题以后，不容易被发现，即调整运行的灵活性较差。2019/8/14143.7有机物去除率较低•和普通活性污泥法相比，CODcr（BOD5）去除率较低。有资料表明，50%的活性污泥法处理厂BOD5的去除率高于91%，50%的生物膜法处理厂的BOD5去除率为83%左右，相对应的出水BOD5分别为14mg/L和28mg/L。2019/8/14154.生物膜法的主要影响因素•4.1温度•与活性污泥法相同，不过更易受气温的影响。一般10~35℃。夏季温度高效果最好，冬季水温低，生物膜的活性受抑制，处理效果受到影响。温度过高使饱和溶解氧降低，使氧的传递速率降低，在供氧跟不上时造成溶解氧不足，污泥确氧腐化而影响处理效果。4.2pH•与活性污泥法相同，一般适宜pH在6.5~8.5之间。主要影响酶的活性和改变细菌表面电荷，影响细菌对营养的吸收。2019/8/14164.3水力负荷•水力负荷的大小直接关系到污水在反应器中与载体上生物膜的接触时间。微生物对有机物的降解需要一定的接触时间来保证。水力负荷愈小，污水与生物膜接触时间愈长，处理效果愈好。当然，这里所指接触时间，其前提是载体的高度不变，因而，水力负荷的本质是指有机负荷Nf对净化效果的影响。•水力负荷的大小对控制生物膜的厚度、改善传质方面也有一定的作用。水力负荷提高，其紊流剪切作用对膜厚的控制以及对传质的改善有利；但水力负荷应控制在一定范围内，以免因水力冲刷作用过强，造成生物膜的流失，因此，不同的生物膜法工艺应有其适宜的水力负荷。2019/8/1417–4.4溶解氧•与活性污泥法相同，一般在2~4mg/L，溶解氧主要为满足好氧微生物的代谢需要。–4.5填料类型及特征•生物载体对处理效果的影响主要反映在载体的表面性质上，包括载体的比表面积的大小，表面亲水性及表面电荷、表面粗糙度，载体的密度堆积密度、孔隙率、强度等。因此，载体的选择不仅决定了可供生物膜生长的比表面积大小和生物膜量的大小，而且还影响着反应器中的水动力学状态。微生物表面带有负电荷，如果载体表面带正电荷，这将使微生物在载体表面附着、固定过程更易进行。载体表面的粗糙度有利于细菌附着、固定，粗糙的表面增加了细菌与载体间的有效接触面积，比表面形成的孔洞、裂缝等对已附着的细菌起到屏蔽保护，使其免受水力剪切的冲刷作用。2019/8/1418–4.6生物厚度及活性•生物膜的厚度要区分总厚度和活性厚度，生物膜中的扩散阻力（膜内传质阻力）限制了过厚生物膜实际参与降解基质的生物量。只有在膜活性厚度范围（70~100nm）内，基质降解速率随膜厚度的增加而增加。当生物膜为薄层膜时，膜内传质阻力小，膜的活性好。当生物膜厚度增大时，基质降解速率与膜的厚度无关。各种生物膜法的适宜的生物膜厚度应控制在159nm以下。随生物膜厚度增大，膜内传质阻力增加，单位生物膜量的膜活性下降，已不能提高生物池对基质的降解能力，反而会因生物膜的持续增厚，膜内层由兼性层转入厌氧状态，导致膜的大量脱落（超过600nm即发生脱落），或填料上出现积泥，或出现填料堵塞现象，从而影响生物池的出水水质。2019/8/1419–4.7有毒物质•与活性污泥法相同。对有毒物质要控制，或对生物膜进行驯化，提高其承受能力。–4.8营养物质•与活性污泥法相同。2019/8/1420二、生物膜法的主要形式1.生物膜法的分类（i）•生物膜法的工艺类型很多，根据生物膜反应器附着生长载体的状态，生物反应器可以划分为固定床和流动床两大类。在固定床中生长载体固定不动，在反应器内的相对位置不变；而流动床中附着生长载体不固定，在反应器内处于连续流动状态。流动床主要是流化床或流动床和生物转盘等，流化床介质以流态化规律进行流动，流动床的介质的流动是不规则，转盘与前两者不同的是其流动轨迹是固定的，周而复始的固定的圆周。2019/8/1421二、生物膜法的主要形式1.生物膜法的分类（ii）•对于固定床，又可分为淹没式和非淹没式。淹没式有：曝气滤池、接触氧化法等。其中曝气滤池为小空隙填料，具有过滤作用，在运行中需要进行反洗排除所截留的悬浮固体，但不需要二次沉淀池；而接触氧化为大空隙填料，无过滤作用，有剩余生物膜随水带出，需二次沉淀池沉淀和排放剩余生物污泥。非淹没式有普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池等。2019/8/14222.生物滤池（i）•生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的间隙砂滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术，已有百余年的发展史。•污水长时间以滴状喷洒在块状填料层的表面上，在污水流经的表面上会形成生物膜，待生物膜成熟后，栖息在生物膜上的微生物即摄取流经污水中的有机物作为营养，从而使污水得到净化。2019/8/14232.生物滤池（ii）•在进入生物滤池前污水必须经过初次沉淀池，减少易堵塞滤池的悬浮固体物。填料上的生物膜，不断脱落更新，脱落的生物膜随处理水流出，因此，生物滤池后也应设沉淀池（二次沉淀池）予以截流。•普通生物滤池在发展过程中，经历了几个阶段，从低负荷发展为高负荷；突破了传统采用的填料层高度；扩大了应用范围。2019/8/14242.1普通生物滤池•普通生物滤池，又名滴滤池，是生物滤池早期出现的类型。见图5-22019/8/1425排水设备布水器碎石填料滤池底板图5-2生物滤池构造图（方形和园形）2019/8/1426①普通生物滤池构造、适用范围和优缺点（i）•构造：普通生物滤池在平面上多呈方形或矩形。池壁具有围护填料的作用，应当能够承受填料压力，一般多用砖石砌造。池壁可筑成带孔洞和不带孔洞的两种形式，有空洞的池壁有利于填料内部通风，但在低温季节，易受低温的影响，使净化功能降低。为了防止风力对池表面均匀布水的影响，池壁一般应高出填料表面0.5~0.9m。池体的底部为池底，它的作用是支撑填料和排除处理水。•适用范围：处理水量每日污水量不高于1000m3的小城镇污水或有机性工业废水。2019/8/1427①普通生物滤池构造、适用范围和优缺点（i）•优点：•——处理效果良好，BOD5的去除率可达95%以上；•——运行稳定、易于管理、节约能源。•缺点：•——占地面积大、不适于处理量大的污水；•——填料易堵塞；•——产生滤池蝇；•——喷嘴喷洒污水散发臭味。2019/8/1428②高负荷生物滤池的特征•高负荷生物滤池大幅度提高了滤池的负荷，其BOD容积负荷高于普通生物滤池6~8倍，水力负荷高达10倍。•高负荷生物滤池的高滤率是通过限制进水BOD5值和在运行上采取处理水回流等技术措施而达到的。处理水回流可以产生以下各项效应：2019/8/1429②高负荷生物滤池的特征•——均化与稳定水质；•——加大水力负荷，及时地冲刷过厚和老化的生物膜，加速生物膜更新，抑制厌氧层的发育，使生物膜经常保持较高的活性；•——抑制滤池蝇的过度滋长；•——减轻散发的臭味。2019/8/1430③塔式生物滤池在构造和工艺上的特征•构造上的特征•塔式生物滤池一般高达8~24m，直径1~