工艺技术深度：生物膜法处理工艺与技术(1)

查看全部 · 发表于 2021-4-23 10:38:44

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生物膜法概述

生物膜法和活性污泥法一样，同属于好氧生物处理方法。但活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着的活性污泥来净化有机物的，而生物膜法是依靠固着于固体介质表面的微生物来净化有机物的，因而这种方法亦称为生物过滤法。

生物膜法具有以下几个特点：
固着于固体表面上的微生物对废水水质、水量的变化有较强的适应性；
和活性污泥法相比，管理较方便；
由于微生物固着于固体表面，即使增殖速度慢的微生物也能生息，从而构成了稳定的生态系。
高营养级的微生物越多，污泥量自然就越少。
一般认为，生物过滤法比活性污泥法的剩余污泥量要少。

当然，由于固着于固体表面的微生物量较难控制，因而在运转操作上伸缩性差；
又由于滤料表面积小，BOD 容积负荷有限，因而空间效果差；
加之采用自然通风供氧，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。
然而由于新工艺新滤料的研制成功，生物膜法作为良好的好氧生物处理技术仍被广泛地应用着。

生物膜法分为以下三类：
（1）润壁型生物膜法废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等；
（2）浸没型生物膜法接触滤料固定在曝气池内，完全浸没在水中，采用鼓风曝气，如接触氧化法；
（3）流动床型生物膜法使附着有生物膜的活性炭、砂等小粒径接触介质悬浮流动于曝气池内。

02

生物膜法基本原理

一、生物膜的形成及特点

在净化构筑物中，填充着数量相当多的挂膜介质，当有机废水均匀地淋洒在介质表层上时，便沿介质表面向下渗流，在充分供氧的条件下，接种的或原存在于废水中的微生物就在介质表面增殖。这些微生物吸附废水中的有机物，迅速进行降解有机物的生命活动，逐渐在介质表面形成粘液状的生长有极多微生物的膜，即称之为生物膜。

随着微生物的不断繁殖增长，以及废水中悬浮物和微生物的不断沉积，使生物膜的厚度不断增加，其结果是使生物膜的结构发生变化。
膜的表层和废水接触，由于吸取营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成了由好氧微生物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，由于营养料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。在负荷低的净化构筑物内，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。
但在高负荷的净化构筑物内，生物膜增长迅速，好氧层和厌氧层的分界比较明显。

在处理过程中，生物瞠总是在不断地增长，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。
从处理要求看，生物膜的更新脱落是完全必要的。
生物膜是由细菌、真菌、藻类，原生动物、后生动物以及一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫组成。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。

二、生物膜中的物质迁移

从下图可以看出，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。附着水层内的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。同时，空气中的氧在溶入废水后，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，产生的二氧化碳和其它代谢产物一部分溶入附着水层，一部分析出到空气中去，如此循环往复，使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。

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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，积蓄了 H2S、NH3 、有机酸等代谢产物。但当供氧充足时，厌氧层的厚度是有限度的，此时产生的有机酸类能被异养菌及时地氧化成 CO2 和 H2O，而 NH3 和 H2S 被自养菌氧化成 NO2-、NO3- 和 SO4-等，仍然维持着生物膜的活性。若供氧不足，从总体上讲，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。

三、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 BOD5可在 2mg/L 左右，BOD5去除率为60-90%。若负荷低，废水经过处理后，BOD* 可以降到25mg/L 以下，硝酸盐（NO3-）含量在10mg/L以上。

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生物滤池

一、构造

生物滤池主要由滤料，池壁、池底、布水设备和排水系统组成（如下图）。

（一）滤料

滤料是挂膜介质，对生物滤池的工作效能影响极大。
对滤料的基本要求是：（1）单位体积滤料的表面积要大；（2）孔隙率要高；（3）材质轻而强度高；（4）物理化学性质稳定，对微生物的增殖无危害作用；（5）价廉，取材方便。

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滤料按形状可分为块状、板状和纤维状。碎石、矿渣、碎砖、焦炭等属于天然块状滤料，陶瓷环属于人工块状滤料。木板、纸板和塑料板属于板状滤料。软性塑料填料属于纤维状。

滤料粒径越小，表面积就越大，所能挂的生物膜也就越多，但是会因污泥的沉积而造成堵塞，影响通风。因此，恰当地选择粒径的大小是完全必要的。通常采用的滤料粒径如下：普通生物滤池为 25-50mm；高负荷生物滤池为50-60mm。此外，在滤池底部集水孔板以上设垫料层高 20-30cm，粒径为100-150mm。无论何种滤料，都应进行筛分，不合格的不应超过 5%，滤料表面应粗糙，以便于挂膜。
塑料球滤料几乎能满足滤料的全部要求，表面积可达100-200m2/m3，孔隙率高达80-95%，空气流通好，所以在布水均匀时可承受高负荷。塑料板和纸板是新型高效能滤料，形状有波纹状、蜂窝状、管状等数种。

其断面形状如下图。
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（a）波纹状（；b）管状（；c）蜂窝状

（二）池壁

池壁起围挡滤料保护布水的作用。通常用砖、毛石、混凝土或预制砌块等筑成。塔式滤池多采用钢架与塑料面板的池壁。池壁应高出滤料层表面0.5-0.9m，以防风力干扰，保证布水均匀。

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（长度单位：mm）

池底包括支承渗水结构、底部空间、排水系统，排水口和通风口等。支承渗水结构起支承滤料和渗水的作用。常用的支承渗水结构是架在混凝土梁或砖垫上的穿孔混凝土板（见上图），特点是加工方便、安装容易、堆放滤料时不易错位。支承渗水结构除应坚固耐用外，还必须有足够的渗水和

通风面积。一般认为，这个面积应等于滤池横截面积的 15-20%，负荷高的滤池，开孔面积应适当大些。
底部空间的作用是通气和布气。对于面积较大的滤池，底部空间应适当地加高一些，以增大通风量，并使气流均匀地进入滤料层。

（四）布水设备

布水设备的作用是在规定的表面负荷下，将废水均匀分配到整个滤池表面上。只有布水均匀，才能充分发挥全部滤料的净化作用。

布水设备有固定式和可动式两种。固定式布水装置间断布永，所以布水不均匀，配水的水头要高，配水池也较高（配水面高0.9-2.2m），故目前应用较少。

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旋转布水器
1—进水竖管,2—水封,3—配水短管,4—布水横管,5—布水小孔，
6—旋转竖管理，7—上部轴承,8—钢丝拉绳,9—滤料

常用的可动式布水装置是旋转布水器（上图），它由进水竖管和可旋转的布水横管组成。竖管是固定不动的，它通过轴承和外部配水短管相连。横管上开有布水小孔，可用电力驱动和水力驱动而旋转。目前应用最多的是水力驱动，它是在布水横管的一侧水平开设布水小孔，当废水以一定的速度从小孔喷出时，在未开孔的管壁上产生反向水压力，迫使布水横管绕中心竖管反向转动。

横管数目常取2-4根，多者可达8 根。当池子很大时，为了满足布水的最大需要，也可在横管上再设分叉支管。布水小孔的直径约10-15mm。由于喷洒面积随着与水池中心距离的增大而增大，因而孔间距应随着与池中心距离的增大而减小，以满足布水量的要求。为了布水均匀，相邻两根横管上的小孔位置在水平方向上应错开。布水横管距滤料表面的高度为0.15-0.25m，喷水旋转所需的水头为 2.5-10kPa。

旋转布水器的优点是布水比较均匀，淋水周期短，水力冲刷作用强；缺点是喷水孔易堵，低温时要采用防冻措施，仅适用于圆形池。

（五）排水系统

排水系统包括池子底面及开设于其上的沟渠。池子底面应有一定的坡度（0.01-0.03），使渗下的水汇集于排水支沟；排水支沟的坡度可采用0.005-0.02。最后，废水经排水总渠而流走，其坡度可采用 0.03-0.05。设计排水渠道时，最重要的是要保证不淤流速（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、负荷

无论对生物滤池的设计还是运行管理，恰当的确定负荷条件是十分必要的。生物滤池的负荷有水力负荷和 BOD 负荷两种。此外，在处理工业废水时，还应考虑毒物负荷。

（1）水力负荷

水力负荷即单位面积的滤池或者单位体积的滤料每天处理的废水量。前者叫水力表面负荷，以 qF 表示，单位是 m3（废水）/ m3（滤池）·d；后者叫水力体积负荷，以 qV 表示，单位是 m3（废水）/ m3（滤料）·d。水力表面负荷又称平均滤率（m/d）。

显然，表面负荷与体积负荷之比值为滤料层的高度 H（ m），即 qF:qV=H。一般而言，水力负荷是根据洒水强度和 BOD 负荷确定的。

为了使滤池能有效地处理废水，希望布在滤池上的水将滤料包起来流下，为此，q不能太小；此外，q太小了，不能保证生物膜的冲刷作用。如果 q 太大，则流量大，停留时间短，净化效果差。

（2）BOD 负荷

BOD 负荷即单位时间供给单位体积滤料的 BOD 量，以 N表示，单位kgBOD5/m3滤料·d。为了达到处理的目的，BOD 负荷不能超过生物膜的分解能力。

据日本城市污水试验结果，BOD 负荷的极限值大体是 1.2kgBOD5/m3滤料·d。

（3）毒物负荷       毒物负荷即单位滤料每天承受的毒物量，以Ni表示，单位为kg毒物/m3滤料·d。

生物滤池的净化效率与负荷的关系甚为密切。净化效率 E  用下式表示：


E=(S0-Se)/S0 * 100%
式中       S0———原废水的 BOD5浓度；
Se ———二次沉淀池出水的 BOD5浓度。

水力负荷、BOD负荷和净化效率是全面衡量生物滤池工作性能的三个重要指标。它们之间的关系是：

N = Q/V * So = qV * Se/(1-E) = qF/H * Se/(1-E)
式中 E以分数表示，由此式可得以下结论：
（1）当进水浓度S0和净化效率E一定时，Se也一定，则水力体积负荷（qV）与 BOD负荷（N）成正比。 BOD负荷由滤料造成的表面积、孔隙率、通风能力以及温度等一系列因素所决定。滤料允许承受的 BOD 负荷愈大，单位体积滤料所能处理的废水量也愈多。
（2）当出水浓度 Se和体积负荷 qV一定时，净化效率E与 BOD负荷 N 有关。由此可知，BOD负荷是生物滤池中起决定性的工作指标。滤料允许承受的 BOD 负荷高时，既能增大处理水量，又能提高净化效率。