废水好氧生物处理工艺——生物膜法

第一节 生物膜法的基本原理

生物膜法又称固定膜法，是与活性污泥法并列的一类废水好氧生物处理技术；是土壤自净过程的人工化和强化；与活性污泥法一样，生物膜法主要去除废水中溶解性的和胶体状的有机污染物，同时对废水中的氨氮还具有一定的硝化能力；

主要的生物膜法有：① 生物滤池：其中又可分为普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池等；② 生物转盘；③ 生物接触氧化法；④ 好氧生物流化床等。

一、生物膜的结构

1、生物膜的形成

生物膜的形成必须具有以下几个前提条件：① 起支撑作用、供微生物附着生长的载体物质：在生物滤池中称为滤料；在接触氧化工艺中成为填料；在好氧生物流化床中成为载体；② 供微生物生长所需的营养物质，即废水中的有机物、N、P以及其它营养物质；③ 作为接种的微生物。

(1) 生物膜的形成：

含有营养物质和接种微生物的污水在填料的表面流动，一定时间后，微生物会附着在填料表面而增殖和生长，形成一层薄的生物膜。

(2) 生物膜的成熟：

在生物膜上由细菌及其它各种微生物组成的生态系统以及生物膜对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定。

生物膜从开始形成到成熟，一般需要30天左右(城市污水，20°C)

2、生物膜的结构

    生物膜的基本结构如图1所示。

图1   生物膜结构示意图

(1) 生物膜的性质：

       ① 高度亲水，存在着附着水层；

       ② 微生物高度密集：各种细菌以及微型动物，这些微生物起着主要去除废水中的有机污染物的作用，形成了有机污染物——细菌——原生动物(后生动物)的食物链。

(2) 生物膜降解有机物的过程：

3、生物膜的更新与脱落

(1) 厌氧膜的出现：

① 生物膜厚度不断增加，氧气不能透入的内部深处将转变为厌氧状态；② 成熟的生物膜一般都由厌氧膜和好氧膜组成；③ 好氧膜是有机物降解的主要场所，一般厚度为2mm。

(2) 厌氧膜的加厚：

① 厌氧的代谢产物增多，导致厌氧膜与好氧膜之间的平衡被破坏；② 气态产物的不断逸出，减弱了生物膜在填料上的附着能力；③ 成为老化生物膜，其净化功能较差，且易于脱落。

(3) 生物膜的更新：

    ① 老化膜脱落，新生生物膜又会生长起来；② 新生生物膜的净化功能较强。

(4) 生物膜法的运行原则：

    ① 减缓生物膜的老化进程；② 控制厌氧膜的厚度；③ 加快好氧膜的更新；④ 尽量控制使生物膜不集中脱落。

二、生物膜处理工艺的特点

1、微生物方面的特征

(1) 微生物种类多样化：

① 相对安静稳定环境；② SRT相对较长；③ 丝状菌也可以大量生长，无污泥膨胀之虞；④ 线虫类、轮虫类等微型动物出现的频率较高；⑤ 藻类、甚至昆虫类也会出现；⑥ 生物膜上的生物：类型广泛、种属繁多、食物链长且复杂。

表1  生物膜和活性污泥中出现的微生物在类型、种属和数量的比较

(2) 生物膜上微生物的食物链较长：

    ① 动物性营养者所占比例较大，微型动物的存活率较高；② 食物链长；③ 污泥产量少于活性污泥系统(仅为1/4左右)。

(3) 能够存活世代时间较长的微生物¾¾有利于硝化作用的进行。

2、在处理工艺方面的特征

(1) 对水质、水量变动又较强的适应性；

(2) 剩余污泥的沉降性能良好，易于固液分离；

(3) 能够处理低浓度污水；

(4) 易于维护运行，运行费用少。

第二节 生物滤池工艺

一、生物滤池的基本原理

生物滤池是在污水灌溉的实践基础上发展起来的人工生物处理法；首先于1893年在英国试验成功，从1900年开始应用于废水处理中；主要有以下几种形式：普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池、活性生物滤池等。

1、基本结构

图2  生物滤池示意图

2、工艺流程

图3  生物滤池的基本流程

    与活性污泥工艺的流程不同的是，在生物滤池中常采用出水回流，而基本不会采用污泥回流，因此从二沉池排出的污泥全部作为剩余污泥进入污泥处理流程进行进一步的处理。

3、生物滤池的工作原理：

含有污染物的废水从上而下从长有丰富生物膜的滤料的空隙间流过，与生物膜中的微生物充分接触，其中的有机污染物被微生物吸附并进一步降解，使得废水得以净化；主要的净化功能是依靠滤料表面的生物膜对废水中有机物的吸附氧化作用。

二、生物滤池的构造与组成

生物滤池一般主要由滤床(池体与滤料)、布水装置和排水系统等三部分组成，下面将分别予以说明。

1、池体

在20世纪30、40年代以前，生物滤池的池体多为方形或矩形；在出现了旋转布水器之后，则大多数的生物滤池均采用圆形池体，主要是便于运行；高负荷生物滤池通常是圆形；

池壁可有孔洞或不带孔洞的两种：有孔洞的池壁有利于滤料的内部通风，但在冬季易受低气温的影响；

一般要求池壁高于滤料0.5m；在寒冷地区，有时需要考虑防冻、采暖、或防蝇等措施。

2、滤料

生物滤池中的滤料是生物膜赖以生长的载体，其主要特性有：① 大的表面积，有利于微生物的附着；② 能使废水以液膜状均匀分布于其表面；③ 有足够大的孔隙率，使脱落的生物膜能随水流到池底，同时保证良好的通风；④ 适合于生物膜的形成与粘附，且应该既不被微生物分解，又不抑制微生物的生长；⑤ 有较好的机械强度，不易变形和破碎。

(1) 普通生物滤池的滤料：

① 一般为实心拳状滤料，如碎石、卵石、炉渣等；② 工作层的滤料的粒径为25~40mm，承托层滤料的粒径为70~100mm；③ 同一层滤料要尽量均匀，以提高孔隙率；④ 滤料的粒径愈小，比表面积 就愈大，处理能力可以提高；但粒径过小，孔隙率降低，则滤料层易被生物膜堵塞；⑤ 一般当滤料的孔隙率在45%左右时，滤料的比表面积约为65~100m²/m³。

(2) 高负荷生物滤池的滤料：

① 滤料粒径较大，一般为40~100mm，其中工作层滤料的粒径为40~70mm，承托层则为70~100mm，孔隙率较高，可以防止堵塞和提高通风能力；② 滤料常采用卵石、石英砂、花岗岩等，一般以表面光滑的卵石为好；③ 目前常采用塑料滤料：多用聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等制成；形状有波纹板式、斜管式和蜂窝式等，其特点有：质量轻、强度高、耐腐蚀、比表面积和孔隙率都较大。主要缺点：造价较高，初期投资较大。

表3  两种塑料滤料的性能

(3) 塔式生物滤池的滤料：

① 多采用质轻、比表面积大和孔隙率高的人工合成滤料；② 比表面积为100~220 m²/m³，孔隙率一般大于94%。

3、布水装置

布水装置的目的是将废水均匀地喷洒在滤料上；主要有两种：固定式布水装置、旋转式布水装置；普通生物滤池多采用固定式布水装置；高负荷生物滤池和塔式生物滤池则常用旋转布水装置：

图7  固定式布水装置

图8   旋转布水器

4、排水系统

排水系统处于滤床的底部，其作用是收集、排出处理后的废水和保证良好的通风；一般由渗水顶板、集水沟和排水渠所组成；渗水顶板用于支撑滤料，其排水孔的总面积应不小于滤池表面积的20%；渗水顶板的下底与池底之间的净空高度一般应在0.6m以上，以利通风，一般在出水区的四周池壁均匀布置进风孔。

三、影响生物滤池功能的主要因素

1、滤床的比表面积和孔隙率

生物膜是生物膜法的主体；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；滤床的比表面积和孔隙率愈大，扩大了传质的界面，促进了水流的紊动，有利于提高净化功能。

2、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；滤床的上层，废水中的有机物浓度高，营养物质丰富，微生物繁殖速度快，生物膜量多且主要以细菌为主，有机污染物的去除速度高；随着滤床深度的增加，废水中的有机物量减少，生物膜量也减少，微生物从低级趋向高级，有机物去除速度降低；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。

表4  滤床高度与处理效率之间的关系和滤床不同深度处的生物膜量

3、有机负荷与水力负荷

有机负荷-----kgBOD₅/m³.d；

水力负荷：① 水力表面负荷----m³/m².d，或m/d；----滤速；② 水力容积负荷---- m³/m³.d

在有机负荷较高时，生物膜的增长也会较快，可能会引起滤料堵塞，此时就需要调整水力负荷，当水力负荷增加时，可以提高水力冲刷力，维持生物膜的厚度，一般是通过出水回流来解决。

4、回流

对于高负荷生物滤池与塔式生物滤池，常采用回流。其优点：① 不论原废水的流量如何波动，滤池可得到连续投配的废水，因而其工作较稳定；② 可以冲刷去除老化生物膜，降低膜的厚度，并抑制滤池蝇的孳生；③ 均衡滤池负荷，提高滤池的效率；④ 可以稀释和降低有毒有害物质的浓度以及进水有机物浓度。

5、供氧

生物滤池一般时通过自然通风来保证供氧的；影响生物滤池自然通风的主要因素有：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。

四、生物滤池与活性污泥法的比较

生物滤池早于活性污泥法；活性污泥法的发明之初是以生物滤池的替代工艺出现的；但生物滤池至今仍有大量应用。

表5    生物膜法与活性污泥法的比较

五、生物滤池的设计计算

生物滤池的设计内容主要包括滤床容积、布水系统、排水系统等三个部分。

1、普通生物滤池

(1) 主要设计参数

① 工作层填料的粒径为25~40mm，厚度为1.3~1.8m；承托层填料的粒径为70~100mm，厚度为0.2m。

② 在正常气温条件下，处理城市废水时，表面水力负荷为1~3 m³/m².d，BOD₅容积负荷为0.15~0.30kgBOD₅/m³.d，BOD₅的去除率一般为85~95%；

③ 池壁四周通风口的面积不应小于滤池表面积的1%；

④ 滤池数不应小于2座。

(2) 计算公式

表6    生物滤池计算公式

2、高负荷生物滤池

(1) 主要设计参数

① 以碎石为滤料时，工作层滤料的粒径应为40~70mm，厚度不大于1.8m，承托层的粒径为70~100mm，厚度为0.2m；当以塑料为滤料时，滤床高度可达4m；

② 正常气温下，处理城市废水时，表面水力负荷为10~30 m³/m².d，BOD₅容积负荷不大于1.2kgBOD₅/m³.d，单级滤池的BOD₅的去除率一般为75~85%；两级串联时，BOD₅的去除率一般为90~95%；

③ 进水BOD₅大于200mg/l时，应采取回流措施；

④ 池壁四周通风口的面积不应小于滤池表面积的2%；

⑤ 滤池数不应小于2座。

(2) 计算公式：

表7    高负荷生物滤池的计算公式

（3） 高负荷生物滤池的流程

(4) 出水水质与滤池高度和水力负荷之间的关系

高负荷单级生物滤池的出水水质与滤池高度以及水力负荷之间存在如下的关系：

式中：——出水BOD₅浓度，mg/l；

      ——进水浓度；mg/l；

      H——滤池高度，m；

      q——水力负荷，m³/m².d;

      K——常数，min^-1；

      n——常数。

3、塔式生物滤池

(1) 主要设计参数：

① 一般常用塑料滤料，滤池总高度为8~12m，也可更高；每层滤料的厚度不应大于2.5m，径高比为1：6~8；

② 容积负荷为1.0~3.0kgBOD₅/m³.d，表面水力负荷为80~200 m³/m².d，BOD₅的去除率一般为65~85%；

③ 自然通风时，塔滤四周通风口的面积不应小于滤池横截面积的7.5~10%；机械通风时，风机容量一般按气水比为100~150：1来设计；

④ 塔滤数不应小于2座。

(2) 主要计算公式：

表8    塔式生物滤池的计算公式

表2   普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池的比较

六、生物滤池的运行与管理

1、生物滤池的挂膜阶段

2、生物滤池的日常运行与管理

① 日常水质检测；② 能量消耗统计；③ 机电设备养护与维修

3、常见问题及对策

① 滤池积水；② 臭味；③ 灰蝇；④ 表面结冰；⑤ 蜗牛，苔藓；⑥ 旋转布水器；⑦ 生物膜的异常脱落；等。