(水体污染处理课件)第8章-生物膜法

第8章污水好氧生物处理—生物膜法水污染控制技术南京师范大学地理科学学院内容7.1生物膜法概述7.2生物滤池7.3生物转盘7.4生物接触氧化7.5生物膜法的进展（生物流化床、曝气生物滤池、膜生物反应器）7.1概述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，如生物接触氧化；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中，如生物流化床。生物膜的结构及净化机理生物膜是指以附着在惰性载体表面生长的，以微生物为主，包含微生物及其产生的胞外多聚物和吸附在微生物表面的无机及有机物等组成，并具有较强的吸附和生物降解性能的结构。构造：生物膜(好氧层＋兼氧层＋厌氧层)＋附着水层(高亲水性)。组成：生物膜一般由细菌、真菌、原生动物、后生动物、藻类以及蠕虫、昆虫幼虫组成。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：分层降解。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）。生物膜法污水处理特征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。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，θc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。生物膜法污水处理特征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。生物膜法与活性污泥法相比：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。微生物在载体上附着的一般过程微生物在载体表面附着的步骤7.2生物滤池生物滤池于1889年在劳伦斯实验厂首先开始研究，1910年后期在美国开始了大规模的应用，20世纪70年代逐步被好氧法代替，随着新型滤料的不断诞生，生物滤池又得到了的改进，应用范围不断扩大。一、生物滤池的构造生物滤池由滤床、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，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(a)波纹状(b)管状(c)蜂窝状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；缺点时喷水孔易堵，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。重要提示：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。二、生物滤池的工作机理污水通过布水设备连续地、均匀地喷洒到滤床表面上，在重力作用下，污水以水滴的形式向下渗沥，或以波状薄膜的形式向下渗流。最后，污水到达排水系统，流出滤池。污水流过滤床时，有一部分污水、污染物和细菌附着在滤料表面上，微生物便在滤料表面大量繁殖，不久，形成一层充满微生物的黏膜，称为生物膜。这个起始阶段称为挂膜，是生物滤池的成熟期。挂膜污水流过成熟滤床时，污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附、降解，从而得到净化。生物膜表层生长的是好氧和兼性微生物，其厚度约2mm。在这里，有机污染物经微生物好氧代谢而降解，终点产物是H2O、CO2、NH3等。由于氧在生物膜表层已耗尽,生物膜内层的微生物处于厌氧状态。在这里,进行的是有机物的厌氧代谢,终点产物是有机酸,乙醇、醛和H2S等。由于微生物的不断繁殖，生物膜不断加厚，超过一定厚度后，吸附有机物在传递到生物膜内层的微生物以前，已被代谢掉。此时，内层微生物因得不到充分的营养而进入内源代谢，失去其黏附在滤料上的性质，脱落下来随水流出滤池，滤料表面再重新长出新的生物膜。二、生物滤池的工作机理有机物转化深度生物膜脱落原因真菌藻类原生动物后生动物一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫细菌（好氧、厌氧、兼性）低负荷滤池：原因复杂，昆虫及其幼虫的活动促使生物膜脱落。生物膜的组成高负荷滤池：水力冲刷使生物膜不断脱落，生物膜厚度与滤率大小有关。低负荷滤池：有机物被深度转化，出水中硝酸盐含量较高，残膜呈深棕色，类似腐殖质，沉淀性能较好。高负荷滤池：只有在负荷率较低时，出水才含有较低的硝酸盐，残膜易腐化。三、影响生物滤池性能的主要因素这些过程的发生和发展决定了生物滤池净化污水的性能。影响这些过程的主要因素有：滤池高度负荷率回流供氧生物滤池中有机物的降解过程同时发生着多过程有机物在污水和生物膜中的传质过程氧在污水和生物膜中的传质过程生物膜的生长和脱落等过程有机物的好氧和厌氧代谢过程滤床影响生物滤池性能的主要因素——滤池高度滤床上层,污水中有机物浓度较高,微生物繁殖速率高,种属较低级,以细菌为主,生物膜量较多,有机物去除速率较高。随着滤床深度增加,微生物从低级趋向高级，种类逐渐增多,生物膜量从多到少。滤床的上层和下层相比,生物膜量、微生物种类和去除有机物的速率均不相同。滤床中的这一递变现象，类似污染河流在自净过程中的生物递变。当滤床各层的进水水质互不相同时,各层生物膜的微生物就不相同,处理污水的功能也随之不同。滤床四、生物滤池的工艺类型及典型应用生物滤池分为普通生物滤池、高负荷生物滤池和超负荷生物滤池（塔式生物滤池）。（一）普通生物滤池(低负荷滤池)1．主要结构参数：（1）滤料一般为天然滤料：碎石、炉渣、卵石等（2）滤料高度1.3~1.8m滤料直径d=25~70mm承托厚度0.2m，滤料总高1.5~2.0米（3）布水：采用固定式喷嘴布水系统2．工艺设计参数：水力负荷q=1~3（m3/m2·d）;有机负荷Fw=0.1~0.25kgBOD/m3·d;BOD去除率80~95%;出水BOD25mg/L,NO-310mg/L缺点：（1）占地面积大，仅适合＜1000m3/d以下小型污水处理厂；（2）滤料易堵塞；（3）易产生灰蝇，卫生条件差；（4）喷洒污水，散发臭味。3.主要优缺点：优点：（1）处理效果较好（2）运行稳定，节约能源（3）操作方便，易维护管理（二）高负荷生物滤池、回流式生物滤池、塔式滤池（第二代工艺）1.结构特征：（同普通滤池）2.结构参数：工作层高1.8m滤料粒径40~100mm承托层0.2m粒径70~100mm通风方式为：自然通风和机械通风。布水装置：多采用旋转布水器3.工艺特征：有较高的水力负荷（一般为10~30m3/m2·d）和有机负荷（0.8~1.2kgBOD/m3·d）,较普通生物滤池提高数倍；池子体积小，占地面积省；抑制了灰蝇生长，改善了卫生条件；BOD5去除率一般为75~90%；缺点：进水BOD5应＜200mg/L，出水BOD5＞30mg/L。生物滤池单级运行图图(a)为单级直流系统，多用于低负荷生物滤池图(b)、(c)、(d)均为单级回流系统，多用于高负荷生物滤池。图(b)的处理水回流至生物滤池前，用以加强表面负荷，又不加大初沉池的容积，但二次沉淀池要适当大些。图(c)是生物滤池出水直接回流到生物滤池前，可加大表面负菏，又利用生物接种，促进生物膜更新，这个系统的两个沉淀池都比较小。图(d)是不设二次沉淀池，滤池出水回流到初沉池前，加强初沉池生物絮凝作用，促进沉淀效果。生物滤池多级运行图理论依据：据实验和分析多级运行系统，第一级生物滤池处理效率达70%，第二级处理效率可达20%，第三、四级的处理效率很低，在5%左右。应用：一般取两级。图(a)、(b)均为二级直流系统。二级串联工作的生物滤池的优点是：滤层深度可适当减小，通风条件好，两次洒水充氧，出水水质较好些。缺点：增加了提升泵，加大了占地面积。一般第一级生物滤池采用粒径较大的滤料，后一级采用粒径较小的滤料。图(c)和(d)是二级回流系统。二级交替运行图二级交流运行系统的每一生物滤池可交替作为一级和二级使用，循环往复，负荷率比一般二级系统提高2～3倍。7.3生物转盘一、生物转盘的构造和净化机理二、生物转盘的设计计算三、生物转盘的进展和应用一、生物转盘的构造和净化机理生物转盘构造及工作示意图生物膜废水BODO2O2CO2CO2进水出水转动抽废水处理槽转盘生物转盘的流程生物转盘的工作特点（1）不需曝气和回流，运行时动力消耗和费用低；（2）运行管理简单，技术要求不高；（3）工作稳定，适应能力强；（4）适应不同浓度、不同水质的污水；（5）剩余污泥量少，易于沉淀脱水；（6）没有滤池蝇、恶臭、堵塞、泡沫、噪音等问题；（7）可多层立体布置；（8）一般需加开孔防护罩保护、保温。1.单轴单级式2.单轴多级式3.多轴多级式生物转盘的布置方式1954年在联邦德国的Heilbronn建成世界上第一座生物转盘污水处理厂。生物转盘的主要组成部分生物转盘的构造转动轴盘片废水处理槽驱动装置盘片：高强度、轻质、耐腐蚀。直径：2~3m，转速2~3r/min，间距20~30mm。受材料、污水与膜的接触均匀性、外缘膜易脱落等影响，直径不可能做大。生物转盘的构造转动轴：具有足够的强度和刚度，防止断裂和挠曲。直径：50mm以上，长度0.5~7m。处理槽：与盘片相吻合的半圆形或多边形，净空相距20~50mm，设排泥和放空管。驱动装置：机械驱动装置；空气驱动装置；水轮驱动装置。生物转盘的主体是垂直固定在水平轴上的一组圆形盘片和一个同它配合的半圆形水槽。微生物