第13章生物膜法概述及原理

No.113.0概述13.1生物膜法的基本概念13.2生物膜的增长及动力学原理13.3生物滤池13.4生物转盘13.5生物接触氧化法13.6生物流化床13.7其他新型生物膜反应器和联合处理工艺13.8生物膜法的运行管理工艺及应用第13章生物膜法No.213.0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中的微生物在曝气池内以活性污泥的形式呈悬浮状态，属于悬浮生长系统；生物膜法中的微生物附着生长在填料或载体上，形成膜状的活性污泥，属于附着生长系统或固定膜工艺。生物膜法是土壤自净的人工强化。最早人们利用污水酒浇农田，发现了土壤渗滤作用对污水中有机物有净化作用。活性污泥法是水体自净的人工强化。No.4生物膜法的实质是使细菌和菌类一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，微生物自身得到繁衍增殖，同时污水得到净化。净化机理概述No.5初沉池生物膜反应器进水回流排泥排泥出水二沉池生物膜法的基本流程初沉池的作用是去除大部分悬浮固体物质，防止生物膜反应器堵塞，尤其对孔隙小的填料是必要的二沉池的作用是去除脱落的生物膜，提高出水水质。出水回流的主要作用是当进水浓度较大时，生物膜增长过快，采用出水回流，以稀释进水有机物浓度和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，但出水回流并不是必不可少的。空气曝气池进水出水回流污泥剩余污泥Qw二沉池活性污泥法的基本流程No.713.1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、生物膜反应器No.81、生物膜的形成及其净化过程生物膜法处理污水就是使污水与生物膜接触，进行固、液相的物质交换，利用膜内微生物对有机物进行降解，使污水得到净化，同时生物膜内的微生物不断生长与繁殖。因此，生物膜废水处理技术的关键是形成性能良好的生物膜，而生物膜的形成及其生长是实现废水有效处理的前提。No.9生物膜的构造（剖面图）料滤生物膜厌氧好氧空气流动水层附着水层左图所示是附着在生物滤池滤料上的生物膜的构造。生物膜是高度亲水的物质，在污水不断在其表面更新的条件下，其外侧总是存在着一层附着水层。生物膜又是微生物高度密集的物质，在膜的表面和一定深度的内部生长繁殖着大量的各种类型的微生物和微型动物，并形成有机污染物—细菌—原生动物(后生动物)的食物链。大量微生物No.10当废水中含有足够数量的有机营养物、微量元素及溶解氧时，微生物在作为载体的填料表面生长繁殖。微生物可以在其自身通过代谢途径产生的胶质粘膜内活动，使微生物的数量不断增长，并使其从载体表面向外伸展。好氧层的形成由于微生物的不断繁殖增长，生物膜的厚度不断增加，当膜厚增到一定程度后，在氧不能透入的膜内侧深部即转变为厌氧状态。厌氧层的形成由好氧微生物和兼性微生物组成，由于吸收营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，其厚度一般为2mm左右好氧层的特征内部和载体接触的部分，由于营养物质和溶解氧的不足，微生物的生长繁殖受到限制，好氧微生物难以存活，兼性微生物转为厌氧代谢方式，而某些厌氧微生物却恢复了活性，厌氧层在生物膜达到一定厚度时才出现厌氧层的特征No.11abcd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。No.12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AnoverviewofbiofilmattachmentMaturationNo.14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附着水层在生物膜内、外，生物膜与水层之间进行着多种物质的传递过程。空气中的氧溶解于流动水层中，从那里通过附着水层传递给生物膜，供微生物呼吸；污水中有机污染物则由流动水层传递给附着水层，然后进入生物膜，并通过细菌的代谢活动而被降解。这样就使污水在其流动过程中逐步得到净化。微生物的代谢产物如H2O等则通过附着水层进入流动水层，并随其排走，而CO2和厌氧层分解产物如H2S、NH3以及CH4等气态代谢产物则从水层逸出进入空气中。No.15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No.16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。No.17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。No.182、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。No.19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。No.20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。BiofilmonroughsurfaceBiofilmonsmoothsurfaceNo.22No.23No.24No.25No.26No.27No.28No.293、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。No.30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No.31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。No.32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。No.33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。No.34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。No.35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No.36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）