水污染控制工程下第五章生物膜法

水污染控制工程（下）主讲：***教学要求：1、掌握生物膜法的微生物学特征和工艺特征2、掌握高负荷生物滤池、曝气生物滤池、塔式生物滤池以及生物转盘三相传质和工艺运行特点。3、掌握生物接触氧化特点及其工艺设计•教学时数：8h第五章污水的生理处理－生物膜法一、概述•生物膜——是使细菌、放线菌、蓝绿细菌一类的微生物和原生动物、后生动物、藻类、真菌一类的真核微生物附着在滤料或某些载体上生长繁殖，并在其上形成膜状生物污泥。•生物膜法：污水经过从前往后具有细菌→原生动物→后生动物、从表至里具好氧→间氧→厌氧的生物处理系统而得到净化的生物处理技术。1、生物构造及其对有机物的降解•构造：生物膜(好氧层＋兼氧层＋厌氧层)＋附着水层(高亲水性)。•微生物：沿水流方向为细菌——原生动物——后生动物的食物链或生态系统。具体生物以菌胶团为主、辅以球衣菌、藻类等，含有大量固着型纤毛虫（钟虫、等枝虫、独缩虫等）和游泳型纤毛虫（楯纤虫、豆形虫、斜管虫等），它们起到了污染物净化和清除池内生物（防堵塞）作用。•污染物：重→轻(相当多污带→α中污带→β中污带→寡污带).•供氧：借助流动水层厚薄变化以及气水逆向流动，向生物膜表面供氧。•传质与降解：有机物降解主要是在好氧层进行，部分难降解有机物经兼氧层和厌氧层分解，分解后产生的H2S，NH3等以及代谢产物由内向外传递而进入空气中，好氧层形成的NO3－－N、NO2－－N等经厌氧层发生反硝化，产生的N2也向外而散入大气中。•生物膜更新：经水力冲刷，使膜表面不断更新（DO及污染物），维持生物活性（老化膜固着不紧）。2、生物膜的主要特征：1）微生物相方面的特征：•a、参与净化反应微生物多样化。与活性污泥法相比，膜法具有更好的生物多样性，生物膜固着在载体上时间长或生物平均停留时间（泥龄）长，其除细菌广泛存在外，世代时间长、比增殖速度小的微生物，如硝化菌等也大量存在，此外，丝状菌，藻类众多，线虫、纤毛虫、轮虫以及昆虫等也都较广泛地存在（见P200表5-1）。•b、食物链长，污泥产率低。生物膜的生物中动物性营养所占比例较大，能栖息高营养水平的生物，其在捕食性纤毛虫，线虫之上还栖息有寡毛类和昆虫，因而污泥少。•c、能够存活世代较长的微生物，在生物膜法中，Qc与污水的停留时间无关，因此硝化细菌等可以增值（特别是在冬季低温）。•d、可分段运行，形成优势微生物种群，提高降解能力。2）工艺方面的特征：•a、对水质水量变动有较强适应性——顺水流方向形成了微生态系统。•b、污泥沉降性能好，宜于固液分离。膜法污泥的生物组分中动物所占比重较大，含水率相对低，且剥落泥块体积较大，故沉降性能好，宜固液分离。但若厌养层过厚，剥落污泥中有轻散颗粒，影响出水水质。•c、能处理低浓度污水。生物膜能处理活性污泥法不能处理的低浓度污水和微污染的原水，使B0D5降至5-10mg/L。•d、易于维护管理、节能。无污泥回系统，甚至无曝气系统，节能并易运行管理。与活性污泥法相比：•①活性污泥法系人工强化生物处理系统，生物量大，处理能力强，而膜法更趋于自然净化原理。•②活性污泥法为人工强化三相传质，膜法趋向浓度差扩散传质，传质效果较活性污泥差，处理效率较活性污泥差。•③适于工业废水处理站和小规模生活污理厂。二、生物滤池•1、概述；原理：土壤自然净化原理•进展：早期滤料为石头，砖块、陶料等。其掛膜后易堵塞，且负荷低；随着滤料轻质化，滤料可以高架与滤料层变厚，因而可以增加水力负荷，改善气液传质，提高负荷（形成高负荷生物滤池）；也可以通过曝气传质、提高负荷（接触氧化）。•2、普通生物滤池：(现在少见，只需要了解）•构造：池体、滤料、布水装置和排水系统(P204图5-2)。•a、池体、一般深2～2.5m，池壁超高0.5～0.9m(防风),其底部为承托层(排水系统和大块滤料(起支撑、排水以及通水)中部为工作层（掛膜），上部为配水系统，壁可设孔也可不开孔，开孔在冬季有影响。b、滤料：碎石、卵石、炉渣、焦炭等，总厚度1.5～2.0m,其中工作层1.3-1.8m,粒径20-40mm;承托层0.2m,粒径70-100mm。这种滤料比表面积较大,且较粗糙,易掛膜,孔隙率一般,利于供氧与传质,且易就地取材,但材料比重大,荷载重,工作层不厚,工作效率不变,占地大。c、布水装置：固定喷咀式布水系统——即投配池、布水管、喷咀组成。污水流入投配池是连续的，但布水是间歇式，喷水周期5-8min。•投配池内设虹吸装置(间歇供水，使滤料排水后间歇充氧，生物膜再生)。排水干管布设在滤池表面下0.5-0.8m，支(竖)管依据喷咀服务半径设置,高出滤料之上0.15-0.2m，竖管上安装喷咀，通过喷咀均匀布水。d、排水系统：包括渗水装置、汇水沟、总排水沟(或集水槽),见图5-2，汇水沟i=0.01-0.02(横向)、集水槽i=0.05-0.01(纵向－书中出错)。作用：排放处理后出水，保证间歇阶段的通风(底部h≥0.6m)；汇水沟宽0.15m，间距2.5-4.0m(与布水间距一致)；排水沟内流速＞0.7m/s；•渗水装置可以是大块滤料,也可以是图5-4混凝土板,渗水装置排水口面积占滤池总面积的20%以上。3、高负荷生物滤池：1）特征：通过限制进水BOD值(≤200mg/L)或采用处理水回流，均化水质，提高或加大水力负荷(10倍)，及时冲刷和更新过厚生物膜，保持较高生物活性，改善处理环境状况（抑制厌氧、减少臭味散发）。•设原污水量Q、回流水量QR、则回流比R＝QR/Q，喷总水量（1+R）Q，进水BOD浓度Sa＝(S0＋RSe）/(1+R)，具体工艺回流比R建议值见P207表5-3，城市生活污水一般一段1.5，二段各段1.0；对工业废水可参照选取。2）工艺流程a、一段法（见P207图5-5共5种典型流程）部分污泥回流，图中排剩余污泥无。•工艺1：污泥回流初沉池，滤池出水回流滤池，利于改善水力负荷，减轻二沉池负荷。•工艺2：污泥回流初沉池，二沉池出水回流过滤池，（较工艺1比，二沉池负荷略重）。•工艺3：污泥与二沉池出水同时回流初沉池，加大初沉池负荷（二者回流量大）。•工艺4：具有吸附再生工艺特点，但出水水质差，初沉水力负荷大。•工艺5：滤池出水与污泥均回流到初沉池，初沉水力负荷大b、当污水浓度较高时或对处理出水要求较高时，建议考虑二段法（见P208图5-6、7）。•二段法强化了优势生物种群，但第二段因污染物少或负荷率低，生物膜生长差，其容积负荷未充分发挥。但二段法能很好解决一段法生物膜积存与堵塞现象。为充分发挥二段法工艺效果与作用，建议采用图5-7的交替出水工艺。。3）构造特点：构造与普通生物滤池同（池体、滤料、出水与排水系统），不同之处如下：•a、池形.圆形（P210图5-9）•b、滤料：聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的人工滤料，滤料质轻、耐蚀、高强，呈波状、管状和蜂窝状，使滤料表面积大，空隙率高（具体见P209表5-4）。当采用自然通风时，滤层厚度≤2m，其中工作层1.8m，承托层0.2m；当采用人工通风时，滤层厚度2～4m。•c、施转式排水器（见P216图5-10），在横管的同一侧开有一系列间距不等的孔口，中心疏，二头密，使污水从孔口喷出时产生反作用力，从而反向自由旋转布水（间歇或周期）。竖管连接装置具体见P210图5-8。4）装置的需氧与供氧a、生物膜量：由于在不同厚度的污水浓度不一样，其微生物量不一样，进水端生物膜厚，出水端生物膜薄，故生物量计算困难。•生物膜量计算有二种方法。一种是测膜的厚度（不同深度）—用显微镜，后按表面积计算；另一种方法是称重法，先取定量的滤料或一定面积的膜称重，挂膜后再取一定量滤料或一定面积的滤料称重（烘干），得出单个滤料或单位面积的生物量。b、需氧量O2＝a′BODr＋b′P＝a′Sa＋b′P＝a′（S0－Se）＋b′P式中：a′：降解1KgBOD5所需氧量。对城市污水取1.46.b′：单位重量生物膜的所需氧量，取值：对城市污水0.18kg/kg.P：每m3滤料上的生物膜量。C、滤池供氧：•生物滤池供氧是通过气水逆向运动，由污水或膜表面扩散传质的。•其通风传质的影响因素有：滤池内外的温差、风力、滤料类型、水力负荷（布水量），其中主要是温差。由于滤池内部温度较水温略高（冬季），空气向上流动；夏季滤池内温度低于池外气温，空气下向流动。温差与空气流速的关系为：•V＝0.075×⊿T-0.15(m/min)，当温差=2℃时，V=O，供氧效果不好。一般情况下温差在6℃左右，V=0.3m/min=432m/d.，即每m3滤料通过气量432m3，总供氧量432×0.28=120.96kg。尽管其氧的利用率低（5%左右），但供气富裕，实际可利用氧量≥6kg/m3。故采用BOD负荷1.2kg/m3·d时，供氧是没问题的。①池体：一般采用负荷法计算。•取值：容积负荷1.2kgBOD5/（m3滤料.d）；表面面积负荷1.1～2kgBOD5/（m3滤料.d）；水力负荷10－30m3/（m3.d），其主要取决于污水浓度或回流比：a、进水浓度（BOD）Sa＝αSe（Se为出水浓度），α见表5-5的取值，它反映了其可降解的能力（－1）Se。b、回流稀释倍数n＝（S0－Sa）/(Sa-Se)c、滤料容积V=Q(n+1)Sa/NV为容积负荷.d、滤池表面积A=V/DD为滤料层高度。•或按表面负荷计算A=Q(n+1)Sa/NANA面积负荷•或按水力负荷计算A=Q(n+1)/NqNq水力负荷•例题见213例5-2•②旋转布水器计算与设计。•a、旋转布水器的直径D′=D-200mm（D滤池直径）•b、布水横管的数目及其管径D〞，横管数目一般2-4根•选择数目依据管中流速v＝0.5～1.0m/sD〞＝（q/4v）0.5q设计流量。•c、布水横管的出水孔口数（m）、孔口直径（d）及每个孔口距池中心的距离(ri)•设计依据：V＞0.5m/s以及每个孔口的喷洒面积基本相等。•则m＝1/[1-(1-a/D′)a为最末端2个出流孔口间距的2倍，取0.08m；•出口孔径一般10-15mm，不得小于10mm。•每个出流孔口距滤池中心的距离(ri)ri＝R（i/m）0.5（中间间距大、外侧小）R为布水半径（D′/2），i为从池中心算起，每个孔口的排列顺序，一般从300mm，开始逐步减少到40mm。•d.每分钟的施转周数n＝34.78×106/m·d2·D′•e.工作水头（包括沿程水程、局部水损，而局部水损又含孔口阻力，管口降速水头）•∴H＝h1＋h2＋h3，其中h1＝294D·q2/103k2式中：h1＝294×Dq2/103k2（沿程）•h2＝256×106q2/m2d4（孔口局部水损）•h3＝81×106q2/D〞4（流速恢复水头）•（孔口局部水损）（流速恢复水头）•k的取值见表5-6•C阻力系数=式中n为粗糙系数。•R为水力强。书中已降K的经验值编成表5-6，直接查阅•∴按上式计算，所需H一般为0.2—1.0m，水头较小（布水器的优点），实践证明，上述计算结果偏小（＜实际水头），工程设计中应在计算结果上放大50％-100%。