水质工程学PPT

WaterQualityEngineering水质工程学排水工程第三章生物膜法环境与市政工程系给水排水工程教研室天津城市建设学院环境与市政工程系给水排水工程教研室•概述•3.1生物膜法的基本概念•3.2生物膜的增长及动力学•3.3生物滤池•3.4生物转盘•3.5生物接触氧化法•3.6生物流化床•3.7其他新型生物膜反应器和联合处理工艺•3.8生物膜法的运行管理第三章生物膜法环境与市政工程系给水排水工程教研室概述生物膜法和活性污泥法一样，都是利用微生物来去除废水中有机物的方法，两者是平行发展起来的污水好氧处理工艺。生物膜法和活性污泥法的区别活性污泥法：悬浮生长系统；生物膜法：附着生长系统或固定膜工艺。环境与市政工程系给水排水工程教研室生物膜法的基本流程初沉池生物膜反应器进水回流排泥排泥出水二沉池初沉池作用：去除大部分悬浮固体物质；防止生物膜反应器堵塞；二沉池作用：去除脱落的生物膜，提高出水水质。出水回流作用：稀释进水有机物浓度；提高生物膜反应器的水力负荷，加大水流对生物膜的冲刷作用，更新生物膜，避免生物膜的过量累积，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度；出水回流不是必不可少的。生物膜作用是什么？环境与市政工程系给水排水工程教研室3.1生物膜法的基本概念1、生物膜的形成及其净化过程2、生物膜的载体3、生物膜法的特征4、生物膜法反应器环境与市政工程系给水排水工程教研室3.1.1生物膜的形成及其净化过程生物膜的形成及其生长是实现废水有效处理的前提；形成性能良好的生物膜是关键；定义：好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料或粘附在生物转盘盘片上的一层粘性的微生物混合群体薄膜。是生物膜法净化行〔废）水的工作主体普通滤池的生物膜厚度约2－3mm。微生物量以每平方米滤料上干燥生物膜的重量或每立方米滤料上的生物膜污泥重量表示环境与市政工程系给水排水工程教研室生物膜：高度亲水，滤料1上厌氧层2、好氧层3；附着水层4，流动水层5；6空气O2，7有机物BOD，8好氧产物CO2、H2O，9厌氧产物NH3、H2S、CO2；生物膜的构造有机物降解过程：空气中氧溶解于流动水层中；污水中有机物由流动水层传递到附着水层，在进入生物膜；微生物代谢有机物。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附着水层环境与市政工程系给水排水工程教研室生物膜的生长与脱落1)生物膜的生长•生物膜的形成:在载体表面生长繁殖、数量不断增长，向载体表面外伸展，形成好氧层2mm；厚度不断增加，膜内侧深部转变为厌氧层。•生物膜的成熟：P454abcd载体载体载体载体水流水流环境与市政工程系给水排水工程教研室AnoverviewofbiofilmattachmentMaturation环境与市政工程系给水排水工程教研室2)生物膜的脱落3)生物膜脱落的原因•内因厌氧菌营养耗尽而死亡，其附着力降低，很快脱落；气态代谢产物不断逸出，破坏了好氧层生态的稳定，使二者失去了平衡，生物膜老化；气态产物的积累，将膜顶起。•外因水流的冲刷作用，加大水量，则冲刷力增大环境与市政工程系给水排水工程教研室3.1.2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(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。滴滤池，生产中最早，以碎石为填料。碎石比表面积小，负荷小，占地大，喷洒废水布水方式不卫生。所以生物膜法一直未被重视。塑料工业发展，塑料填料引入生物膜处理系统，推动生物膜法发展。环境与市政工程系给水排水工程教研室载体材料：无机和有机两大类无机类载体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。机械强度高，化学性质相对稳定，比表面积较大。不足：密度较大，在悬浮生物膜反应器中应用受限。有机类载体聚氯乙稀PVC、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、聚丙烯PP、各类树脂、塑料、纤维以及明胶等，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）。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。环境与市政工程系给水排水工程教研室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作用；优良的稳定性，包括生物、化学和热力学稳定性；亲疏水性及良好的表面带电特性，带正电荷的载体有利；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。环境与市政工程系给水排水工程教研室BiofilmonroughsurfaceBiofilmonsmoothsurface环境与市政工程系给水排水工程教研室载体1环境与市政工程系给水排水工程教研室载体2环境与市政工程系给水排水工程教研室载体3环境与市政工程系给水排水工程教研室载体4环境与市政工程系给水排水工程教研室载体5环境与市政工程系给水排水工程教研室载体6环境与市政工程系给水排水工程教研室3.1.3.1微生物学特性•1.参与净化反应微生物多样化；•2.生物的食物链长；•3.能够存活世代时间较长的微生物，硝化菌；•4.分段运行与优势菌种。3.1.3生物膜法的特征环境与市政工程系给水排水工程教研室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比较（类型、种属和数量）环境与市政工程系给水排水工程教研室3.1.3.2生物膜法工艺特征•1.耐冲击负荷，对水质、水量变动适应性较强；•2.微生物量多，处理能力大、净化功能强，活性污泥法的5～20倍；•3.剩余污泥量少，沉降性能良好，易固液分离；•4.能处理低浓度的污水，使BOD5=20~30mg/L的污水降至5~10mg/L，活性污泥法进水BOD不能长期低于50mg/L；•5.一般不需污泥回流，易于维护运行、节能，无污泥膨胀。(2)环境与市政工程系给水排水工程教研室3.1.3.3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。环境与市政工程系给水排水工程教研室3.1.3.4生物膜法反应器生物膜反应器的发展沿革1893年英国将污水喷洒在粗滤料上进行净化试验净化效果良好生物滤池问世。20世纪20～30年代，生物滤池。20世纪40～50年代，生物滤池逐渐被活性污泥法取代的趋势。20世纪60年代，新型有机合成材料开始大量生产，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新的发展。20世纪70年代，普通生物滤池生物转盘曝气生物滤池淹没式生物滤池生物流化床技术得到较多研究与应用。环境与市政工程系给水排水工程教研室对生物膜有关特征的认识和基础理论研究逐步加深，实际应用工艺如生物滤池和生物转盘等更趋完善，出现生物流化床和微孔膜生物反应器等新型生物膜法工艺与系统。接触氧化法：将生物膜的优势引入到悬浮生长污水处理系统而形成组合工艺，充分发挥两者的优点。环境与市政工程系给水排水工程教研室进一步探讨微生物在载体表面的固定机理，开发工程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。朝着节能和自动化控制方向发展。今后发展趋势环境与市政工程系给水排水工程教研室主要工艺：•生物滤池•生物转盘•生物接触氧化法•生物流化床•其他新型生物膜反应器和联合处理工艺环境与市政工程系给水排水工程教研室3.2生物膜的增长及动力学（自学）生物膜的增长过程潜伏期或适应期对数增长期或动力学增长期线形增长期减速增长期生物膜稳定期脱落期生物膜理论中的几个重要参数生物膜的比增长速率底物比去除速率环境与市政工程系给水排水工程教研室生物膜的增长过程参数O2曲线：氧的利用率。Mb曲线：生物膜总量的变化过程；Ma曲线：活性生物量的变化过程；Ma时间潜伏期（1）（2）（3）（4）（5）暂时性/Mb暂时性/Ma永久性/Ma永久性/Mb生物膜增长期线形减速稳定指数Ma动态阶段Ma稳定阶段O2MbSfSF曲线：底物浓度变化过程；环境与市政工程系给水排水工程教研室潜伏期或适应期对数期或动力学增长期线形增长期减速增长期生物稳定期脱落期环境与市政工程系给水排水工程教研室潜伏期或适应期这一阶段是微生物在经历不可逆附着过程后，开始逐渐适应生存环境，并在载体表面逐渐形成小的、分散的微生物菌落。这些初始菌落首先在载体表面不规则处形成。这一阶段的持续时间取决于进水底物浓度以及载体表面特性。在实际生物膜反应器启动时，要控制这一阶段是很困难的。环境与市政工程系给水排水工程教研室对数期或动力学增长期在适应期形成的分散菌落开始迅速增长，逐渐覆盖载体表面。在此阶段由于有机物、溶解氧及其它营养物的供给超过了消耗的需要，附着微生物以最大速度在载体表面生长。一般在动力学增长期末，生物膜厚可达几十个微米。在动力学增长期，通常可观察到如下现象：生物膜多聚糖及蛋白质产率增加；底物浓度迅速降低，即有机污染物降解速率很高；大量的溶解氧被消耗，在此阶段后期，供氧水平往往成为底物进一步去除的限制性因素；生物膜量显著增加，在显微镜下观察到的生物膜主要由细菌等活性微生物组成。环境与市政工程系给水排水工程教研室线形增长期这一阶段的重要特点是：出水底物浓度不随生物量的积累而显著变化；其耗氧速率保持不变；在载体表面形成了完整的生物膜三维结构。许多学者将生物膜的生物量按照生物活性划分为两类Mb=Ma＋Mi式中Mb——生物膜总量，[质量][面积]-1。则生物膜总量为：活性生物量（Ma），主要是降解进水底物，它处于新生菌落及已经存在菌落的表面和边缘部分；非活性生物量（Mi）代表在底物降解过程中不再起任何作用的部分，这些非活性生物量主要集中在菌落内部。环境与市政工程系给水排水工程教研室在生物膜动力学增长期末，活性生物量已经达到最大值（Ma）max，与此对应，生物膜反应器应在液相达到稳态。而生物膜线性阶段的生物膜总量的积累主要源于非活性物质。此时生物膜内活性生物量所占比例很小，且随生物膜总量的增长呈下降趋势。一般非活性物质在生物膜内的积累因生物膜菌种特性及环境条件不同而变化。导致非活性物质在生物膜积累的主要原因可剩余有效载体表面饱和随着生物膜中细菌密度的增长，禁锢作用变得较为明显有毒或抑制性产物的积累，使部分活性生物量受到抑制或丧失了其生理活性环境与市政工程系给水排水工程教研室减速增长期由于生存环境质量的改变以及水力学作用，这一段内生物膜增长速率逐渐放慢。减速增长期是生物膜在某一质量和膜厚上达到稳定的过渡期。在减速增长期，生物膜对水力学剪切作用极为敏感，水力剪切作用限制了新细胞在生物膜内的进一步积累，生物膜增长开始与水力剪切作用形成动态平衡。尤其在高溶解氧生物膜反应器中，生物膜结构疏松，这时水力剪切作用更为敏感。环境与市政工程系给水排水工程教研室在实际生物膜反应器运行中，经常可以观察到在减速增长期内，出水中悬浮物浓度明显增高，这一部分附加悬浮物正是由于生物膜在水力剪切作用下脱落所造成。在减速增长期末，生物膜质量及厚度都趋于稳定值，此时生物膜系统自身运行接近稳定。减速增长期环境与市政工程系给水排水工程教研室生物稳定期这一阶段的主要特点是生物膜新生细胞与由于各种物理力所造成的生物膜损失达到平衡。在此阶段，生物膜相及液相均已达到稳定状态。通常生