搜索
第四章污水的好氧生物膜法处理第一节生物滤池第二节生物转盘第三节生物接触氧化法第四节生物流化床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。生物膜法是对污水土地的模拟和强化。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。生物滤池法的流程abcd载体载体载体载体水流水流而微生物的生长则是通过废水中有机营养物的吸附、传递及氧向生物膜内部的传递扩散等过程促进生物膜中微生物对有机基质的氧化降解作用维持的。生物膜的形成是废水在流经载体表面的过程中，微生物与向载体表面输送的物质结合固定化的过程实现的.生物膜生长于载体的表面，其中的丝状菌相互缠绕并漫伸于水中，使生物膜呈现出立体结构。液相中悬浮微生物微生物向载体表面运送固定微生物增长、形成生物膜不可逆附着可逆附着具体见下图生物膜的构造（剖面图）料滤生物膜厌氧好氧空气流动水层O2O2BODBODNH3H2SCO2NH3CO2H2OCO2H2OO2BODO2BOD附着水层根据Characklis的研究，生物膜的积累形成是一系列物理、化学和生物过程综合作用的结果。即：1.废水中有机分子向生物膜附着生长的载体表面输送；2.废水中的浮游微生物细胞在载体表面的不可逆吸附；3.生长在生物膜内部的微生物对废水中营养物的利用与氧化分解生物膜的再生当厌氧层逐渐加厚，并达到一定的程度后，其代谢产物也逐渐增多，这些产物向外侧逸出，必然要透过好氧层，使好氧层生态系统的稳定状态遭到破坏，从而失去了这两种膜层之间的平衡关系，又因气态代谢产物的不断逸出，减弱了生物膜在惰性载体上的固着力，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较差而且易于脱落。生物膜脱落后生成新的生物膜，新生生物膜必须在经过一段时间后才能充分发挥其净化功能。比较理想的情况是：减缓生物膜的老化进程，不使厌氧层过分增长，加快好氧膜的更新，并且尽量使生物膜不集中脱落。生物膜成熟的标志生物膜沿水流方向分布，在其上由细菌及各种微生物组成的生态系统及其对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定的状态。从开始形成到成熟，生物膜要经历潜伏和生长两个阶段，一般的城市污水，在20℃左右的条件下大致需要30d的时间。2、生物膜的载体为生物膜提供附着生长固定表面的材料称为填料（或载体），在生物膜法的发展和性能特征方面填料有着重要的影响。生产中最早采用的生物膜法构筑物是以碎石为填料的滴滤池。碎石能够为微生物附着生长的表面积小，因而滴滤池的负荷不可能很大，使其占地面积较大，加之废水以喷洒方式在滴滤池表面布水，卫生状况也不好。所以生物膜法一直未被重视。由于塑料工业的发展以及塑料填料引入生物膜处理系统，有力地推动了生物膜法的进一步发展。废水生物处理中所使用的载体材料有无机和有机两大类无机类载体无机类载体主要有沙子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、陶瓷类、碳纤维、矿渣、活性炭等。无机类载体普遍具有机械强度高，化学性质相对稳定的特点，可提供较大的比表面积。主要不足是密度较大，使其在悬浮生物膜反应器中的应用受到限制。有机类载体有机类载体是生物膜法中使用的主要载体材料。主要有PVC、PE、PS、PP、各类树脂、塑料、纤维以及明胶等，其中有机高分子类载体适用于悬浮状态完全混合反应器工艺（生物流化床、曝气生物滤池等）的微生物固定化，而塑料类载体多适用于固定床（普通生物滤池）或混合型（如流化床）工艺。选择生物膜载体的基本原则足够的机械强度，以抵抗强烈的水流剪切力的作用；优良的稳定性，主要包括生物稳定性、化学稳定性和热力学稳定性；亲疏水性及良好的表面带电特性，通常废水pH在7左右时，微生物表面带负电荷，而载体为带正电荷的材料时，有利于生物体与载体之间的结合程度；无毒性或抑制性；优越的物理性状，如载体的形态、相对密度、孔隙率和比表面积等；就地取材、价格合理。BiofilmonroughsurfaceBiofilmonsmoothsurface3、生物膜法的特征微生物相方面的特征(1)生物膜中微生物的多样化由于生物膜上的微生物不象活性污泥法中的悬浮生长微生物那样承受强烈的曝气搅拌冲击，生物膜反应器为微生物的繁衍、增殖及生长栖息创造了安稳的环境。生物膜上除以细菌生长为主外，还可能出现大量丝状菌，但不会发生污泥膨胀。线虫类、轮虫类以及寡毛虫类的微型动物出现的频率也较高。生物膜上的生物固体停留时间较长，故还能够生长世代时间较长、比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。微生物种类活性污泥法生物膜法细菌++++++++真菌+++++藻类一++鞭毛虫+++++肉足虫+++++纤毛虫缘毛虫++++++++纤毛虫吸管虫++微生物种类活性污泥法生物膜法其他纤毛虫+++++轮虫++++线虫+++寡毛类一++其他后生动物一+昆虫类一++生物膜和活性污泥上出现的微生物在类型、种属和数量上的比较微生物相方面的特征在生物膜上生长繁殖的生物中，动物性营养类所占比例较大，微型动物的存活率亦高。也就是说，在生物膜上能够栖息高次营养水平的生物，在捕食性纤毛虫、轮虫类、线虫类之上还栖息着寡毛虫类和昆虫，因而在生物膜上形成的食物链要长于活性污泥上的食物链。正是这个原因，在生物膜处理系统内产生的污泥量少于活性污泥处理系统。(2)生物的食物链长污泥产量低，是生物膜法各种工艺的共同特征。微生物相方面的特征由于生物膜固着在惰性载体上，其生物固体平均停留时间(污泥龄)较长，因此在生物膜上能够生长世代时间较长、比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。因此，生物膜反应器不仅能有效地去除有机污染物，而且更具有一定的硝化功能，如果采取适当的运行方式，还可能具有反硝化脱氮的功能。(3)能够繁殖世代时间较长的微生物(4)分段运行与优势菌属生物膜法多分段进行，在正常运行的条件下，每段都繁衍与进入本段污水水质相适应的微生物，并形成优势菌属，这种现象非常有利于微生物新陈代谢功能的充分发挥和有机污染物的降解。处理工艺方面的特征生物膜法受污水水质、水量变化而引起的有机负荷和水力负荷波动的影响较小，即或有一段时间中断进水或工艺遭到破坏，对生物膜的净化功能也不会造成致命的影响，通水后恢复较快。(1)耐冲击负荷，对水质、水量变动有较强的适应性(2)微生物量多，处理能力大、净化功能强微生物的附着生长使生物膜含水率低，单位反应器容积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大的处理能力，净化功能显著提高。处理工艺方面的特征由生物膜上脱落下来的污泥，因所含动物成分较多，比重较大，而且污泥颗粒个体较大，沉降性能良好，易于固液分离。(3)污泥沉降性能良好，易于沉降分离(4)能够处理低浓度的污水生物膜法处理低浓度污水，能够取得较好的处理效果，运行正常时可处理进水BOD5为20～30mg/L的污水，使其出水BOD5值降至5～10mg/L.而活性污泥法却不适宜处理低浓度的污水，若原污水的BOD5值长期低于50～60mg/L，将影响活性污泥絮凝体的形成和增长，净化功能降低，处理水水质低下。生物膜反应器由于具有较高的生物量，一般不需要污泥回流，因而不需要经常调整反应器内污泥量和剩余污泥排放量，易于运行、维护与管理。如生物滤池、生物转盘等工艺，节省能源，动力费用较低，去除单位重量BOD的耗电量较少。另外，在活性污泥法中，因污泥膨胀问题而导致的固液分离困难和处理效果降低一直困扰着操作管理者，而生物膜反应器由于微生物附着生长，即使丝状菌大量繁殖，也不会导致污泥膨胀，相反还可以利用丝状菌较强的分解氧化能力，提高处理效果。（5）易于运行管理、节能，无污泥膨胀问题处理工艺方面的特征生物膜法的不足（1）需要较多的填料和支撑结构，在不少情况下基建投资超过活性污泥法；（2）出水常常携带较大的脱落的生物膜片，大量非活性细小悬浮物分散在水中使处理水的澄清度降低；（3）活性生物量较难控制，在运行方面灵活性差；（4）载体材料的比表面积小，BOD容积负荷有限；（5）采用自然通风供氧，在生物膜内层往往形成厌氧层，从而缩小了具有净化功能的有效容积。4、生物膜反应器生物膜反应器的发展沿革英国于1893年将污水在粗滤料上喷洒进行净化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。在20世纪20～30年代，开始建造许多生物膜反应器系统，主要形式为生物滤池。20世纪40～50年代，生物滤池由于其水量负荷和BOD负荷均较低、环境卫生条件也较差、处理构筑物占地面积大等缺点，有逐渐被活性污泥法取代的趋势。20世纪60年代，新型的有机合成材料开始大量生产，广泛应用的波纹板状、列管状和蜂窝状等有机人工合成填料，使生物膜反应器获得了新的发展。20世纪70年代，除了普通的生物滤池外，生物转盘、曝气生物滤池、淹没式生物滤池和生物流化床技术都得到较多的研究与应用。生物膜反应器的发展趋势随着对生物膜有关特征的认识和基础理论研究的逐步加深，已有的实际应用工艺诸如生物滤池和生物转盘等将更趋完善，出现更多像生物流化床和微孔膜生物反应器等新型的生物膜反应器工艺与系统。同时亦有研究者将生物膜的优势引入到悬浮生长污水处理系统而形成各种组合工艺，充分发挥两者的优点。在去除有机污染物方面，研究者从去除不同来源的有机物、营养物方面更是取得了丰硕的成果。今后，生物膜反应器的研究将更趋向于进一步探讨微生物在载体表面的固定机理，开发工程实际中普遍适用的微生物固定技术，优化生物膜结构及各种反应器工艺系统；进一步提高各种生物膜反应器的净化功能；深入研究生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生物膜微生物的能量代谢。生物膜反应器将进一步朝着节能和自动化控制方向发展。生物膜反应器的发展趋势生物膜法的主要设施第一节生物滤池普通生物滤池的优缺点普通生物滤池适用于水量不大于1000m3/d的小城镇污水或有机工业废水。优点：处理效果好，BOD5去除率可达到95％以上；运行稳定，易于管理，节约能源。缺点：占地面积大，不适于处理大水量污水；滤料易堵塞；卫生条件差等。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