第二节生物膜法

第二节生物膜法生物膜法与活性污泥法均属于好氧生物处理技术。共同点：是在有氧的条件下，利用好氧微生物来氧化分解污水中可生物降解的有机物。不同点：微生物在处理构筑物中的生存方式有所不同。一、生物膜法1.生物膜参与代谢的微生物附着在滤料或某些载体上，并在其上形成膜状生物污泥——生物膜生物膜法是与活性污泥法平行发展的一种污水处理技术，是一种古老的、又在不断发展中的污水生物处理技术；•生物膜法技术特点：（1）微生物多样化；（2）存在世代时间较长的微生物；（3）抗冲击负荷性强；（4）污泥量少且具有良好的沉降性能；（5）维护方便、运行费用低2.生物膜法的基本流程•初沉池——除去大部分的悬浮固体，防止生物膜堵塞•二沉池——去除脱落的生物膜，提高出水水质；图3-7生物膜法的基本流程3.生物膜的形成与脱落（1）挂膜•当污水均匀地淋洒在介质表面时，一部分废水被吸附于滤料四周，成为滤料的附着水层（薄膜）。滤料间隙中的空气可溶入水层作为溶解氧。由于条件适宜，附着于水层中的微生物可吸附污水中的有机物，通过迅速分解有机物而大量繁殖。此外，滤料表面也可吸附胶体物质和截留悬浮物质，逐渐在介质表面形成黏液状的、含有较多微生物的膜，称为生物膜，这个过程叫挂膜。•微生物不断生长繁殖，生物膜厚度不断增加，在结构上形成了好氧层（1-2mm），达到一定厚度时再形成厌氧层；•生物膜及其外围结构由外向内依次为：污水流动水层附着水层生物膜（分为好氧层和厌氧层）滤料图3-8生物膜及其外围结构示意图（2）生物膜的脱落•当厌氧层厚度增加到一定程度时，厌氧层微生物得不到营养而进入内源呼吸期，厌氧分解产生大量的硫化氢、氨气、有机酸等代谢产物，从而减弱生物膜在惰性载体上的附着力，随外部水流剪切力的作用脱落。•一般认为生物膜厚度为2-3mm较为理想，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，生物膜的更新脱落是完全必要的；3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NO3-可在2mg/L左右，BOD5去除率为60～90%。若负荷低，废水经过处理后，BOD5可以降到25mg/L以下，硝酸盐（NO3-）含量在10mg/L以上。生物膜净化污水示意图生物膜的生物组成：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。4.生物膜中的物质迁移•有机物降解在生物膜表层0.1-2mm的好氧生物膜内进行，主要发生3种物质的迁移；图3-9生物膜中各种物质的迁移途径5.生物膜的载体（填料）•填料应具备以下特性：（1）易硫化，但不宜流失；（2）易成膜，但无毒害作用；（3）能提供大的比表面积，以增加生物附着量；（4）价格低廉，容易取材；•选择填料时应从以下方面考虑：（1）足够的机械强度，以抵抗强烈的水流剪切力；（2）优良的稳定性，包括生物稳定性、化学稳定性、热力学稳定性；（3）合适的亲疏水性及良好的表面带电特性；（4）不应有毒性或对生物活性有抑制作用；（5）具备良好的物理性状；（6）就地取材，价格合理；表3-1无机填料和有机填料的比较图3-10各种材质及性状的滤料（填料）6.生物膜法的工艺分类•按生物膜在水中存在的状态可以分为三类：（1）润壁型生物膜法——废水和空气沿固定或转动接触介质表面的生物膜流过，如生物转盘、生物滤池；（2）浸没型生物膜法——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、沙等小粒径接触介质悬浮流动于曝气池中，如生物流化床；二生物滤池法（bio-filterprocess）•是以土壤自净作用原理为依据，在废水灌溉的基础上发展起来；•1893年，英国将废水往粗大滤料上喷洒进行净化试验取得了成功；•1900年，这种净化废水的方法得到公认，命名为生物过滤法，构筑物被称为生物滤池，并迅速在欧洲和北美得到广泛应用；•普通生物滤池：水力负荷1-4m3/(m3滤料·d)，BOD5容积负荷0.1-0.4kg//(m3滤料·d)；高负荷生物滤池：水力负荷5-40m3/(m3滤料·d)，BOD5容积负荷0.5-2.5kg//(m3滤料·d)；•20世纪50年代，德国化学工程师苏尔兹利用化工行业气体洗涤塔的原理，创造了塔式生物滤池；塔式生物滤池：水力负荷80-200m3/(m3滤料·d)，BOD5容积负荷1-2kg//(m3滤料·d)；1.生物滤池结构由滤床、布水装置和排水系统三部分组成。池壁滤料布水系统排水系统（1）滤床滤床由滤料组成。滤料是微生物生长栖息的场所，滤料层高度一般为1.5-2m，常采用双层，上层为工作层，一般1.3-1.8m，滤料直径为30-50mm；下层为承托层，高0.2m，滤料直径60-100mm；池壁一般高出滤料表面0.5-0.9m，防止风力影响池表面的均匀布水。理想的滤料应具备下述特性：①单位体积滤料的表面积要大；能为微生物附着提供大量的表面积：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物理化学性质稳定，对微生物的增殖无危害作用不被微生物分解，也不抑制微生物生长；⑤有一定机械强度；⑥价格低廉。滤料1、滤料特性2、常见滤料3、滤料的重要参数粒径比表面空隙率4、滤料的发展趋势早期主要以拳状碎石为滤料，此外，碎钢渣、焦炭等也可作为滤料，其粒径在3～8cm左右，空隙率在45%一50%左右，比表面积（可附着面积）在65～100m2/m3之间。从理论上，这类滤料粒径愈小，滤床的可附着面积愈大，则生物膜的面积将愈大，滤床的工作能力也愈大。但粒径愈小，孔隙就愈小，滤床愈易被生物膜堵塞，滤床的通风也愈差，可见滤料的粒径不宜太小。经验表明在常用粒径范围内，粒径略大或略小些，对滤池的工作没有明显的影响。60年代中期塑料工业发展起来以后，塑料滤料开始被广泛采用。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。环状滤料比表面积在98-340m2/m3之间，空隙率为93%～95%波纹板状滤料比表面积在81～195m2/m3之间，空隙率为93%一95%（2）布水设备布水设备有固定式和可动式两种。固定式布水装置由虹吸装置、馈水池、布水管道和喷嘴组成，喷水是间隙的，所以布水不均匀，配水的水头要高，配水池也较高（配水面高0.9～2.1m），故目前应用较少。可动式布水器组成及重要参数：水竖管和可旋转的布水横管组成，横管可以是多根，布水小孔的直径10～15mm，布水横管距滤料表面的高度0.15～0.25m，喷水旋转所需的水头0.6～1.5m，布水器在水压反推动力下旋转。旋转布水器的特点：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。旋转布水器（3）排水系统排水系统的作用：收集滤床流出的污水与生物膜；保证通风；支撑滤料排水系统组成：池子底面及开设于其上的沟渠。重要参数：池子底面坡度(0.01～0.03)；排水沟坡度0.005～0.02。排水总渠坡度0.003～0.005。要保证不积淤流速(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。•新型的高负荷生物滤池，一般高8-24m，直径1-3.5m；•塔式结构形式使滤池内部形成较强的拔风状态，自然通风良好；•废水自上而下滴落，水量负荷高，滤池内水流紊动强烈，废水、空气、生物膜三者的接触非常充分，大大地加快了污染物质的传质速度；•生物膜生长迅速，活性高，但易于堵塞，因此，一般进水BOD5浓度控制在500mg/L以下；•塔身一般沿高度分层建造，分层处设隔栅托承滤料；•宜用轻质滤料，自然通风，塔底有0.4-0.6m高度的空间，周围留有通风孔；图3-12塔式生物滤池构造表3-2常用的三种生物滤池比较表3-2常用的三种生物滤池比较（续）比较项生物膜出水BOD5去除率技术特点2影响生物滤池性能的主要因素滤床的比表面积和孔隙率滤料表面积愈大，生物膜的表面积也愈大，生物膜的量就愈多，净化功能就愈强；孔隙率大，则滤床不易堵塞，通风效果好，可为生物膜的好氧代谢提供足够的氧。滤床的高度滤床的不同高度，生物膜量、微生物种类、去除有机物的速度等方面都是不同的。有机物的去除效果随滤床深度的增加而提高，但去除速率却随深度的增加而降低。有机负荷与水力负荷普通生物滤池的有机负荷为0.15～0.3kgBOD/（m3.d），高负荷生物滤池在1.1kgBOD/（m3.d）左右。有机负荷高，生物膜增长快，需要较高的水力负荷，一般是通过出水回流来解决。供氧一般是自然通风；影响滤池自然通风的主要因素：①池内温度与气温之差；②滤池高度；③滤料孔隙率及风力等；④滤池堵塞也会影响通风。回流在高负荷生物滤池的运行中，多用处理水回流。优点：①增大水力负荷，促进生物膜的脱落，防止滤池堵塞②稀释进水，降低有机负荷，防止浓度冲击③可向生物滤池连续接种，促进生物膜生长④增加进水的溶解氧，减少臭味⑤防止滤池滋生蚊蝇3生物滤池部分小结•生物滤池净化废水主要依靠生物膜，但并不能简单地认为生物膜越多越好。生物滤池要得到净化废水的良好效果，没有生物膜不行，生物膜太厚也不行，只有生物膜适中，滤料间通风情况良好时，才有可能不产生厌氧层而获得理想的净化效果。创造这一良好的运行条件，主要通过控制适宜的水力冲刷能力及进水有机负荷来实现。三生物转盘•1954年，德国建立第一座生物转盘污水处理厂；•20世界80年代，欧洲已建成2000多座生物转盘；•我国于20世纪70年代开始研究生物转盘工艺，现已在印染、造纸、皮革和石油化工等行业的工业废水处理中得到广泛应用；图3-13生物转盘的构造•盘片为质轻、高强、耐腐的塑料，厚度2-10mm，直径2-4m，间距10-30mm；•盘片串联在转轴上，转轴距槽中水面10-25cm，由反应槽两端的支座支承，由电机带动0.8-3rpm低速旋转；•转盘的40%-45%浸没于污水中，其余露在空气中；•盘片上的生物膜厚度一般为0.1-0.5mm；1.生物转盘构造2.生物转盘工作原理A.当转盘浸没水中时，有机物被生物膜吸附；B.当转盘离开水面时，固着水层从空气中吸收氧，固着水层氧过饱和，转移到生物膜和污水中；C.圆盘的搅动也使大气中的O2进入水中；D.盘上的生物膜与水、空气交替接触，盘片转动一周，就进行一次吸附-吸氧-氧化分解的过程，进而去除BOD、COD，也有CO、NH3等的传递；图3-14生物转盘的工作原理图图3-15生物转盘的布置方式•一轴多段、多轴多段等形式的出现使生物转盘可用于日处理20万吨以上的大型污水处理厂的工业废水的处理；思考题：如何选择滤池类型和运行系统？工艺选择：低负荷生物滤池的体积大、占地多、滤料的需要量大、易堵塞、常出现池蝇和臭味，仅在水量小的地区选用。目前大多数采用高负荷生物滤池。塔式生物滤池多用于工业有机废水的处理。流程的选择在确定流程时，通常要解决的问题是：①是否设初次沉淀池；②采用几级滤池；③是否采用回流，回流方式和回流比的确定。当废水含悬浮物较多，采用拳状滤料时，需有初次沉淀池，以避免生物滤池阻塞。处理城市污水时，一般都设置初次沉淀池。下述三种情况应考虑用二次沉淀池出水回流：①入流有机物浓度较高，可能引起供氧不足时；②水量很小，无法维持水力负荷率在最小经验值以下时；③污水中某种污染物在高浓度时可能抑制微生物生长的情况下，应考虑回流。（3）各膜层在不同类型的系统中的分布：低负荷的净化系统，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。高负荷的净化系统，生物膜增长迅速，好氧层和厌氧层