生物膜法讲义.docx

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生物膜法讲义

生物膜法

生物膜法属于好氧生物处理方法。

他是依靠固着于固体介质表面的微生物来降解有机污染物质。

当含有大量有机污染物的污水连续不断地通过某种固体介质表面时，在介质的表面上会逐渐生长出各种微生物，当微生物的质（活性）与量（数量）积累到一定程度，便形成了生物膜。

生物膜内部主要是由细菌、真菌、原生动物、后生动物和一些藻类组成。

当污水与生物膜接触时，污水中的有机物，作为微生物的营养物质，被微生物所摄取，污水得到净化，微生物本身也在繁殖、生长。

生物膜法实质是污水土壤自净的人工强化过程，这种方法既古老，又是发展中的生物处理技术。

早在1893年英国在实验室中成功地应用了生物膜技术，并于1900年应用于污水处理领域。

利用生物膜净化污水的装置称为生物膜反应器。

迄今为止，属于生物膜处理法的反应器有生物滤池（包括普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池）、生物转盘、生物流化床及生物接触氧化等。

第一节生物膜的构造及净化机理

一、生物膜的构造及其净化原理

生物膜法净化污水的原理可用图（12-1）来说明。

污水流过固体介质（滤料）表面经过一段时间后，固体介质表面形成了生物膜，生物膜覆盖了滤料表面。

这个过程是生物膜法处理污水的初始阶段，亦称挂膜。

对于不同的生物膜法污水处理工艺以及性质不同的污水，挂膜阶段需15~30天；一般城市污水，在20℃左右的条件下，需30天左右完成挂膜。

从图（12-1）中可以看出，固体介质（滤料）表面外，依次由厌氧层、好氧层、附着水层、流动水层组成了生物膜降解有机物的构造。

降解有机物的过程实质就是生物膜与水层之间多种物质的迁移与微生物生化反应过程。

由于生物膜的吸附作用，其表面附着着一层很薄的水层，称之为附着水层。

它相对于外侧运动的水流——流动水层，是静止的。

这层水膜中的有机物首先被吸附在生物膜上，被生物膜氧化。

由于附着水层中有机物浓度比流动层中的低，根据传质理论，流动水层的有机物可通过水流的紊动和浓度差扩散作用进入附着水层，并进一步扩散到生物膜中，被生物膜吸附、分解、氧化。

同时，空气中的氧气不断溶入水中，穿过流动水层、附着水层进入好氧层中，为好氧微生物降解有机物创造条件。

微生物在分解有机物的过程中，本身的量不断增加，式的生物膜不断变厚，传递进来的氧很快被表层微生物耗尽，内层的生物膜的不到氧的供应，厌氧微生物在生物膜内大量滋长，厌氧层便形成。

好氧层的厚度一般在2mm左右，有机物降解主要在好氧层内进行，好氧微生物的代谢产物（如水、二氧化碳）通过附着水层进入流动水层，并随其排走。

当厌氧层的厚度逐渐增加，并达到一定程度后，厌氧微生物的代谢产物也逐渐增加，这些产物必须要通过好氧层向外侧传递，由于气态产物的不断增加，大大减弱了生物膜在固体介质上的固着力，此时，生物膜已老化，容易从固体介质表面脱落下来，并随水流流向固液分离设施；生物膜脱落后再重新形成新的生物膜，此过程交替进行。

生物膜法处理系统中的生物相较多，主要是各种细菌、真菌、原生动物、后生动物、藻类、昆虫等。

藻类可以产生在生物滤池、生物转盘等生物膜法处理工艺设备能被阳光照射到的部位，但仅限于表面。

藻类具有光合作用，具备净化污水的功能，，但作用不大，而且藻类增殖能够生成新的有机物，从生物膜的净化机理来看，藻类的产生是不利的。

二、生物膜处理法的特征

（一）微生物相方面的特征

生物膜中的微生物主要是细菌组成的菌胶团为主，相对于活性污泥法而言，在生物膜中丝状菌很多，因为它净化能力很强，有时还起着主要作用，而且为生物膜形成了立体结构、使其密度疏松、增大了表面积。

由于生物膜固着在固体介质表面上，所以不产生污泥膨胀现象。

在生物滤池中真菌生长较普遍，常见的真菌种类有酵母菌、链刀霉菌、白地霉菌等。

另外，生物膜上能够生长世代时间较长，比增殖速度小的硝化菌。

后生动物如线虫、轮虫及寡毛虫的微型动物也经常出现，有时在生物滤池上能产生滤池蝇等昆虫类生物。

（二）处理工艺方面的特征

1、运行管理方便、耗能较低

生物处理法中丝状菌起一定的净化作用，但丝状菌的大量繁殖，会降低污泥或生物膜的密度，如果在活性污泥法运行管理中，而丝状菌增加能导致污泥膨胀，丝状菌在生物膜法中无不良作用。

相对于活性污泥法，生物膜法处理污水的能耗低

2、具有硝化作用

在污水中起硝化作用的细菌属自养型细菌，容易生长在固体介质表面上被固定下来，故用生物膜法进行污水的硝化处理，能取得好的效果，且较为经济。

3、抗冲击负荷能力强

污水的水质、水量时刻在变化、当短时间内变化较大时，即产生了冲击负荷，生物膜法处理污水对冲击负荷的适应能力较强，处理效果较为稳定。

有毒物质对微生物有伤害作用，一旦进水水质恢复正常后，生物膜净化污水的功能即可得到恢复。

4、污泥琛将于脱水性能好

生物膜法产生的污泥主要是从介质表面上脱落下来的老化生物膜，为腐殖污泥、其含水率较低、具呈块状、沉降及脱水性能良好，在二沉池内易分离，得到较好的出水水质。

第二节生物滤池

生物滤池可分为普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池。

生物膜法处理污水最初使用的装置为普通生物滤池，亦称滴滤池，为第一代生物滤池。

这种装置是将污水喷洒在由粒状介质（石子等）堆积起来的滤料上，污水从上部喷淋下来，经过堆积的滤料层，滤料表面的生物膜将污水净化，供氧由自然通风完成的，氧气通过滤料的空隙，传递到流动水层、附着水层、好氧层。

此种方法处理污水的负荷较低，但出水水质很好，故亦成为低负荷生物滤池。

20世纪初，英国最先得到实际应用，之后欧洲和北美得到了应用。

普通生物滤池的特点为：

1、出水水质好；运行管理方便；2、运行费用低；3、有机物负荷极低，处理设备占地面积大；但卫生条件差，滤池可孳生滤池蝇，影响环境。

为了提高生物滤池的处理效率，20世纪中期，人工制造的滤料的出现，由于其比表面积大，滤料之间的空隙大，质轻等优点，提高了生物滤池的负荷，减小了占地面积，高负荷生物滤池和塔式生物滤池工艺得到了发展。

一、普通生物滤池的构造

普通生物滤池由池体、滤床、布水装置和排水系统、通风口等组成，其构造见图（12-2）所示。

1、池体：

普通生物滤池的平面形状一般为方形、矩形和圆形。

池壁采用砖砌或混凝土烧制。

池体的作用是维护滤料。

一般在池壁上设有孔洞，以便可通风。

池壁一般高出滤料表面0.5~0.9m，以防风力对表面均匀布水的影响。

图12—2普通生物滤池平（剖）面图

2、滤床：

生物滤池的滤床由滤料组成。

滤料的性质影响生物滤池的处理能力。

滤料应具有下列要求：

（1）强度高，林质要轻；

（2）单位体积滤料的表面积要大；（3）空隙滤大；（4）物理化学性质稳定，对微生物的增殖无毒害作用；（5）就地取料，价廉；（6）表面粗糙，以便于挂膜。

一般滤料按形状可分为块状、板状和纤维状。

滤料可选天然滤料如碎石、矿渣、碎砖、焦炭等。

也可选人工滤料如塑料球、小塑料管等。

普通生物滤池的滤料粒径为25~40mm；此外，滤池底部集水孔板以上应设厚度为20~30mm，粒径为70~100mm的承托层，起承托作用，滤料总厚度为1.5~2.0mm。

3、布水装置：

布水装置的作用是在规定的表面负荷的情况下，将污水均匀分配到整个滤池表面上，布水均匀与否，影响生物滤池的净化作用。

布水装置应具有适应水量变化、不易堵塞和易于清通等特点。

普通生物滤池可采用固定布水装置，亦可采用活动布水装。

4、排水系统：

滤池的排水装置设于池体的底部。

主要包括渗水装置、集水渠和排出管道等。

渗水装置形式多样，常用的有混凝土板式渗水装置。

图（12-3），其作用是支撑滤料和

排出滤后水，空气也是通过渗水装置的孔隙进入池体的。

为保证滤池滤料的通风状态，渗水装置上的孔隙率布的小于滤池总表面积的20%，底部空间高不小于0.6m，以保证通风良好；池底以1%~2%的坡度坡向集水沟，集水沟以0.5~2%的坡度坡向排水渠。

为防止老化生物膜淤积在池底部，排水渠的流速不应小于0.7m/s。

5、通风装置：

普通生物滤池的通风为自然通风，一般在池底部设通风孔，其总面积不应小于滤池表面积的1%。

普通生物滤池虽然处理程度高，运行管理方便、节能，但其负荷极低、且易堵塞、卫生条件差，目前，很少采用。

二、普通生物滤池的设计与计算

普通生物滤低的计算内容为：

求定所需滤料的容积；设计渗水装置及排水系统；设计与计算配水系统。

滤料容积计算是本工艺流程主要内容，本节详细阐述。

布水装置的计算与设计参阅《给水排水设计手册》城市排水分册的有关章节。

（一）、滤料容积的计算

普通生物滤池的滤料容积可按负荷率法和系数法计算。

1、负荷法：

目前常用的负荷法由BOD5容积负荷率法和水利负荷率率法两种。

BOD5容积负荷率是指在保证处理水达到要求水质的前提下，每立方米滤料在一天内能接受的BOD5量，其单位为gBOD5/米类滤料/天。

水力负荷率是指在保证处理水达到要求质量的前提下，每立方米滤料或每平方米滤池表面在一天内所能够接受的污水水量，其单位为m3/（cm3滤料）·d或m3/（cm2滤池表面·d）

当处理生活污水或以生活污水为主体的城市污水时，BOD5容积负荷率可按表（12-1）数据选用

普通生物滤池BOD—容积负荷表（12-1）

年平均气温（℃）

BOD容积负荷（gBOD5/m3·d）

年平均气温（℃）

BOD容积负荷（gBOD5/m3·d）

3~6

100

＞10

200

6.1~10

170

注：

1、本表所列负荷率适用于处理生活污水或以生活污水为主体的城市污水的普通生物滤池。

2、当处理工业废水含量较多的城市污水时，应考虑工业废水所造成的影响；适当降低上表所列举的负荷率值。

3、若冬季污水温度不低于6℃，则上表所列负荷率应乘以T/10（T为污水在冬季的平均温度）。

普通生物滤池容积负荷一般为0.15~0.30kg/（m3·d），水力负荷可取（1~3m3/m2·d）。

2、系数法

1）确定系数K

K=S0/Se（12-1）

式中S0—进入生物滤池进行处理污水的BODn值，一般不超过220mg/L；

Se—处理水的BODn值，按当时环保或回用要求确定；

2）根据当地冬季平均污水水温度T及K值，确定滤层高度及平面水力负荷，见表（12-2）

普通生物滤池的计算参数表12—2

平面水力负荷

q（m3/（m2.d））

不同冬季污水水温条件下的K值

8℃

10℃

12℃

14℃

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

8.0~11.6

5.9~10.2

4.9~8.2

4.3~6.9

3.8~6.0

9.8~12.6

7.0~10.9

5.7~10.0

4.9~8.3

4.4~7.1

10.7~13.8

8.2~11.7

6.6~10.7

5.6~10.1

5.0~8.6

11.4~15.1

10.0~12.8

8.0~11.5

6.7~10.7

5.9~10.2

如果计算K值超出表（12-2）所列数据，应采用回流措施

3）根据污水量Q（m3/d）及平面水力负荷q（m3/m2·d）求定滤池的总面积

（12-2）

F—生物滤池总面积，m2。

三、高负荷生物滤池

高负荷生物滤池是生物滤池的第二代工艺。

它解决了普通生物滤池在运行中负荷极低、以堵塞及滤池蝇的产生等一系列问题。

高负荷生物滤池的有机容积位普通生物滤池的6~8倍。

水力负荷率高达10倍，因此池体的占地面积小；由于水力负荷增大，能及时地冲刷掉老化的生物膜，促进其更新，使其保持较高的活性，提高了生物降解能力。

但高负荷生物滤池要求进水BOD5值必须低于200mg/L，采用回流水稀释。

高负荷生物滤池有机物去除率一般为75~90%，低于普通生物滤池。

（一）高负荷生物滤池的构造

高负荷生物滤池的构造与普通生物滤池基本相同，由于其布水系统