第十三章污水底好氧生物处理

第十三章污水底好氧生物处理（一）----生物膜法河北工业大学郭振华概述①生物膜：使细菌和菌类的微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤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。污水与生物膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增殖。②生物膜法：是一大类生物处理法的统称，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。共同的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H20、CO2、NH3和微生物细胞物质，污水得到净化，所需氧气一般直接来自大气。③设施：主要设施是生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池和生物流化床等。生物滤池有间歇生物滤池、普通(单层)生物滤池，塔式(多层)生物滤池等多种形式：间歇生物滤池只适用于个别的场合，一般不采用。④流程：基本流程如图13-1所示。污水如含有较多的悬浮固体，应先用沉淀池去除大部分悬浮固体后再进人生物膜法处理构筑物，以免引起堵塞，并减轻其负荷。老化的生物膜不断脱落下来，随水流人二次沉淀池被沉淀去除。⑤优点是对水质、水量变化的适应性较强。⑥本质上与土地处理的过程相似，是污水灌溉和土地处理的人工化和强化。第一节生物滤池生物滤池于1889年在劳伦斯实验厂首先开始研究，1910后期在美国开始了大规模的应用，20实际70年代逐步被好氧法代替，随着新型滤料的不断诞生，生物滤池有再度复活的趋势。一、生物滤池的构造图13—2和田13—3为两种典型的生物滤池。它们都是由滤床、布水设备和排水系统等三部分组成。1．滤床滤床由滤料组成。滤料是微生物生长栖息的场所，理想的滤料应具备特性：①能为微生物附着提供大量的表面积：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，也不抑制微生物生长，有较好的化学稳定性；⑤有一定机械强度；⑥价格低廉。常用粒径范围内，粒径略大或略小些，对滤池的工作没有明显的影响。60年代中期塑料工业发展起来以后，塑料滤料开始被广泛采用。图13-4和图13-5是两种常见的塑料滤料。2.布水设备布水设备有固定式和可动式（图13-2和13-6）两种。①固定式布水装置间断布水，所以布水不均匀，配水的水头要高，配水池也较高（配水面高0.9～2.1m），故目前应用较少。②可动式布水器组成及重要参数：水竖管和可旋转的布水横管组成，横管可以是多根，布水小孔的直径10～15mm，布水横管距滤料表面的高度0.15～0.25m，喷水旋转所需的水头2.5～10kPa。③旋转布水器的特点：布水比较均匀，淋水周期短，水力冲刷作用强；缺点时喷水孔易堵，低温时要采用防冻措施，仅适用于圆形池。3.排水系统①排水系统的作用：收集滤床流出的污水与生物膜；保证通风；支撑滤料。②排水系统组成：池子底面及开设于其上的沟渠。③重要参数：池子底面坡度(0.01～0.03)；排水沟坡度0.005～0.02。排水总渠坡度0.003～0.005。见图13-7和13-8。④重要提示：要保证不积淤流速(通常采用0.6m／s)，排水渠穿过池壁的地方，应设排水和通风孔洞，通风面积应不小于过水断面。排水口可设于池壁的一侧或数侧，但通风口必须均匀分布于池壁的两对边或四周。二、工艺类型及典型应用生物滤池分为普通生物滤池（低负荷生物滤池）、高负荷生物滤池和超负荷生物滤池（塔式生物滤池）1、特点1)BOD负荷高的滤池，生物膜增长快，对水力冲刷的要求也就迫切。增大水力冲刷的主要途径是加大表面负荷，其办法有：①是增加滤料层高度，②是将处理后的废水回流到生物滤池的进水中去。所以，低负荷生物滤池的滤料层高度通常只有2～3m左右，而且多不采用回流措施；塔式滤池的高度达20m之多，而且常采用回流措施。2)BOD负荷高的滤池，要求通风条件好，在采用自然通风的条件下，就要求滤料的孔隙率大和阻力小。所以，低负荷滤池的滤料粒径较小(25～70mm)，高负荷滤池的滤料粒径较大(40～100mm)，对于塔式生物滤池，最好采用塑料滤料。3)BOD负荷低的生物滤池的氧化分解程度就高，污泥量少而稳定，出水中有较高的溶解氧和硝酸盐产生，BOD5浓度可低于20mg/L；高负荷生物滤池的氧化分解程度低，污泥量多而不稳定，出水中溶解氧低，没有或很少有硝酸盐，BOD5浓度高于30mg／L，塔式生物滤池的情况可能更差些。2、生物滤池法的流程初沉池、生物滤池、二次沉淀池组合而成，其组合型式有单级运行系统、多级运行系统和交替运行系统。（1）图13-1所示为传统的普通生物滤池的流程。①优点：是处理效果好，B005去除率可达90％以上，出水BO蛛可下降到25mg／L以下，硝酸盐含量在10mu／L左右，出水水质稳定。②缺点：是占地面积大，易于堵塞，灰蝇很多，影响环境卫生。③改进：采用新型滤料，革新流程，提出多种型式的，高负荷生物滤池，使负荷率比普通生物滤池提高数倍，池子体积大大缩小。回流式生物滤池、塔式生物滤池属于这样类型的滤池。它们的运行比较灵活，可以通过调整负荷率和流程，得到不同的处理效率(65％～90％)。负荷率高时，有机物转化较不彻底，排出的生物膜容易腐化。（2）图13-9是交替式二级生物滤池法的流程。①工作原理：运行时，滤池是串联工作的，污水经初步沉淀后进人一级生物滤池，出水经相应的中间沉淀池去除残膜后用泵送人二级生物滤池，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，一级生物滤池因表层生物膜的累积，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。②特点：运行中每个生物滤池交替作为一级和二级滤池使用。交替式二级滤池法流程比并联流程负荷率可提高两、三倍。（3）图13-10所示是几种常用的回流式生物滤池法的流程。当条件(水质、负荷率、总回流量与进水量之比)相同时，它们的处理效率不同。图中次序基本上是按效率从较低到较高排列的，符号Qv代表污水量，r代表回流比。①当污水浓度不太高，回流系统为重力流时采用图13-10a流程，回流比可以通过回流管线上的闸阀调节，当入流水量小于平均流量时，增大回流量；当入流水量大时，减少或停止回流。②图13-3b所示是分两级进水的塔式生物滤池。把每层滤床作为独立单元时，可看作是一种带并联性质的串联布置。同单级进水塔式生物滤池相比，这种方法有可能进一步提高负荷率。③图13-10(c，d)是二级生物滤池，系统中有两个生物滤池。这种流程用于处理高浓度污水或出水水质要求较高的场合。由于它的造价和日常费用较高，限制了二级生物滤池的广泛应用。（4）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：①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B0D5的1/3。②二级滤池法二沉池出水的B0D5为二级滤池进水B0D5的1/2；如果一级滤池出水不经沉淀直接流向二级滤池，则一级滤池出水的B0D5为进水B0D5的1/2。生物滤池主要优点是运行简单，因此，适用于小城镇和边远地区。生物滤池对入流水质水量变化的承受能力较强，脱落的生物膜密实，较容易在二沉池中被分离。思考题：如何选择滤池类型和运行系统？（4）工艺选择：①低负荷生物滤池的体积大、占地多、滤料的需要量大、易堵塞、常出现池蝇和臭味，仅在水量小的地区选用。目前大多数采用高负荷生物滤池。②塔式生物滤池多用于工业有机废水的处理。③流程选择：确定流程时，应该决定是否用初次沉淀池，采用几级过滤，采用回流与否、选择回流方式及回流比问题。是否用初次沉淀池、视水质而定，悬浮物较多的废水，一级都使用初沉池；入流有机物浓度高、水力负荷很小和污水中某污染物质在高浓度时可能抑制微生物的生长应采用二沉或回流。三、生物膜的形成及特点1、定义：生物膜：附着在构筑物挂膜介质上，并在其上生长和繁殖，由细胞内相外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维状的缠结结构。2、生物膜的形成：随着微生物的不断繁殖增长，废水中悬浮物和微生物的不断沉积，生物膜的厚度不断增加，使生物膜的结构发生变化。膜的表面和废水接触，吸取营养和溶解氧容易，微生物生长繁殖迅速，形成了由好氧和兼性微生物组成的好氧层（1～2mm）。在其内部和介质接触的部分，营养和溶解氧的供应条件差，微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，兼性微生物转化为厌氧代谢方式，某些厌氧微生物恢复了活性，从而形成了由厌氧微生物和兼性微生物组成的厌氧层。厌氧层是在生物膜达到一定厚度时才出现的，随着生物膜的增厚和外伸，厌氧层也随着变厚。3、各膜层在不同类型的系统中的分布：低负荷的净化系统，由于有机物氧化分解比较完全，生物膜的增长速度较慢，好氧层和厌氧层的界限并不明显。高负荷的净化系统，生物膜增长迅速，好氧层和厌氧层的分解比较明显。4、处理过程：生物膜总是不断地增长、更新、脱落的。5、生物膜脱落原因：水力冲刷、由于膜增厚造成重量的增大、原生动物的松动、厌氧层和介质的粘结力较弱等。其中以水力冲刷最为重要。6、技术处理：从处理要求看，生物膜的更新脱落是完全必要的。生物膜是生物处理的基础，必须保持足够的数量。一般认为，生物膜厚度介于2～3mm时较为理想。生物膜太厚，会影响通风，甚至造成堵塞。厌氧层一旦产生，会使处理水质下降，而且厌氧代谢产物会恶化环境卫生。四、生物膜中的物质迁移处理过程中的物质转移：进入池内的废水沿膜面流动时，由于浓度差的作用，有机物会从废水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。空气中的氧→废水→生物膜。微生物对有机物进行氧化分解和同化合成，产生的二氧化碳和其它代谢产物一部分溶入附着水层，一部分吸附到空气中去，如此循环往复，使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。•在向生物膜细菌供氧的过程中，由于存在着气－液膜阻抗，因而速度甚慢。所以，随着生物膜的厚度的增大，废水中的氧将迅速地被表层的生物膜所耗尽，致使其深层因氧不足而发生厌氧分解。•异常情况：若供氧不足，厌氧菌将起主导作用，不仅丧失好氧生物分解的功能，而且将使生物膜发生非正常的脱落。五、生物膜净化废水的原理生物膜呈蓬松的絮状结构，微孔多表面积大，具有很强的吸附能力。生物膜微生物以及吸附和沉积于膜上的有机物为营养料。增殖的生物膜脱落后进入废水，在二次沉淀池中被截留下来，成为污泥。如果有机物负荷比较高，生物膜对吸附的有机物来不及氧化分解时，能形成不稳定的污泥，这类污泥需要进行再处理，其处理水的NO3-可在2mg/L左右，BOD5去除率为60～90%。若负荷低，废水经过处理后，BOD5可以降到25mg/L以下，硝酸盐（NO3-）含量在10mg/L以上。六、生物滤池的影响因素1、滤池高度：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。这与微生物的生长和繁殖同环境因素息息相关。当滤床各层的水质不相同时，各层微生物就不相同，处理污水(特别是含多种性质相异的有害物质的工业废水)的功能也随着不同。由于生化反应速率与有机物浓度有关，而滤床不同深度处的有机物浓度不同，自上而下递减；生物滤池的处理效率，在一定条件下是随着滤床高度的增加而增加，在滤床高度超过某一数值(随具体条件而定)后，处理效率的提高是微不足道，不经济的。滤床不同深度处的微生物种群不同，反映了滤床高度对处理效率的影响同污水水质有关。2、负荷率生物滤池的负荷率是反映生物滤池工作性能的参数，负荷习惯上都以流量为准(常称水力负荷率)。负荷率的单位是m3(水)／m3·d或m3(水)／m2·d，后一单位相当于m/d，又称平均滤率(又称为表面水力负荷率)。对于一般污水则常以B0D5为准，负荷率的单位以kg(B0D5或特定物质)／m3·d表示(常称有机负荷率)。采用普通生物滤池，滤率一般在1～2m/d左右，不