第六章 教案.docx

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第六章教案

第六章污水的好氧生物处理——生物膜法

学时安排：

5学时

本章教学要点：

熟悉生物膜法处理废水的基本原理、形式及优缺点，重点掌握生物接触氧化法的设计计算方法。

教学内容：

1893年英国Corbett在Salford创建了第一个具有喷嘴布水装置的生物滤池。

生物膜法是对污水土地的模拟和强化。

生物膜法主要用于从污水中去除溶解性有机污染物，是一种被广泛采用的生物处理方法。

生物膜法的主要优点是对水质、水量变化的适应性较强。

生物膜法的共同特点是微生物附着在介质“滤料”表面上，形成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解的有机污染物被微生物吸附转化为H2O、CO2、NH3和微生物细胞物质，污水得到净化，所需氧气一般来自大气。

7.1生物滤池

一、典型的生物滤池的构造：

滤床，布水设备，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）能为微生物附着提供大量的面积；

（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）不被微生物分解,也不抑制微生物的生长，有较好的化学性能；

（5）有一定的机械强度；

（6）价格低廉。

滤料粒径并非越小越好，会造成堵塞，影响通风。

早期主要以拳状碎石为滤料，其直径在3～8cm左右，空隙率在45％～50％左右，比表面积（可附着面积）在65～100m2/m3之间。

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。

滤床高度同滤料的密度有密切关系。

石质拳状滤料组成的滤床高度一般在1～2.5m之间。

一方面是由于孔隙率低，滤床过高会影响通风；另一方面由于太重,过高会影响排水系统和滤池基础结构。

塑料滤料每立方米质量仅为100kg左右，孔隙率高达93％～95％，滤床高度不但可以提高，而且可以采用双层或多层构造。

国外一般采用双层滤床，高7m左右；国内常采用多层的“塔式”结构，高度在10m以上。

床四周一般设池壁，池壁起围护滤料、减少污水的飞溅的作用。

常用砖、石或混凝土块砌筑。

2、布水设备

设置目的：

为了使污水能均匀地分布在整个滤床表面上

生物滤池的布水设备分为两类：

✧移动式（常用回转式）布水器：

回转式布水器的中央是一根空心的立柱，底端与设在池底下面的进水管衔接。

其所需水头在0.6～1.5m左右。

✧固定式喷嘴布水系统：

固定式布水系统是由虹吸装置、馈水池、布水管道和喷嘴组成。

这类布水系统需要较大的水头，约在2m左右。

3、排水系统

作用：

收集滤床流出的污水与生物膜；保证通风；支撑滤料

池底排水系统的组成：

✧排水假底：

排水假底是用特制砌块或栅板铺成，滤料堆在假底上面。

假底空隙率不小于滤池面积5％～8％，高于池底0.4～0.6m。

✧池底和集水沟：

池底除支撑滤料外，还要排泄滤床上的来水，池底中心轴线上设有集水沟，两侧底面向集水沟倾斜，池底和集水沟的坡度约1％～2％。

集水沟要有充分的高度，并在任何时候不会漫流，确保空气能在水面上畅通无阻，使滤池中空隙充满空气。

二、生物滤池法的流程

低负荷生物滤池又称普通生物滤池。

优点：

处理效果好，BOD5的去除率可达90％以上，出水BOD5可下降到25mg/L以下，硝酸盐含量在10mg/L左右，出水水质稳定。

缺点：

占地面积大，灰蝇很多，影响环境卫生。

交替式二级生物滤池法的流程：

运行时，滤池是串联工作的，污水经初步沉淀后进入一级生物滤池，出水经相应的中间沉淀池去除残膜后用泵送入二级生物滤池，二级生物滤池的出水经过沉淀后排出污水厂。

工作一段时间后，一级生物滤池因表面生物膜累积，即将出现堵塞，改作二级生物滤池，而原来的二级生物滤池则改作一级生物滤池。

交替式二级生物滤池法比并联流程负荷率可提高两三倍。

回流式二级生物滤池法的流程：

国外的运行经验表明，在处理城市污水时，回流式生物滤池的处理效率大致如下：

✧单级滤池法当滤池负荷率在1.7kg（BOD5）/（m3·d）（滤料）以下时，出水的BOD5约为滤池进水的BOD5的1/3。

✧二级滤池法二沉池的出水的BOD5为二级池进水BOD5的1/2；如果一级滤池的进水不经沉淀直接流向二级滤池，则一级滤池出水的BOD5为进水BOD5的1/2。

生物滤池的一个主要优点是运行简单，因此，适用于小城镇和边远地区。

三、生物滤池的机理

1、生物滤池的工作情况

挂膜：

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。

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。

生物膜的组成：

细菌（好氧、厌氧、兼性），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。

生物膜脱落原因：

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。

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。

有机物转化深度：

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。

2、影响生物滤池性能的主要因素

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，有机物的好氧和厌氧代谢过程，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。

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：

（1）滤池高度

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。

（2）负荷率

生物滤池的负荷率有三种表达形式：

✧水力负荷率：

以流量为准，m3（水）/m3（滤料）·d。

✧表面水力负荷率：

m3（水）/（m2·d），又称平均滤率，m/d。

✧有机负荷率：

以BOD5为准，kg（BOD5或特定污染物质）/（m3·d）。

由于生物滤池的作用是去除污水中有机物或特定污染物，因此，它的负荷率通常以有机物或特定污染物质为准较合理。

在低负荷条件下，随着滤率的提高，污水中有机物的传质速率加快，生物膜量增多，滤床特别是它的表面很容易堵塞。

在高负荷条件下，随着滤率的提高，污水在生物滤床中停留的时间缩短，出水水质将相应下降。

（1）回流

回流——利用污水厂的出水或生物滤池出水稀释进水的做法称回流，回流水量与进水量之比叫回流比。

回流对生物滤池性能的影响：

✧回流可提高生物滤池的滤率，它是使生物滤池负荷率由低变高的方法之一；

✧提高滤率有利于防止产生灰蝇和减少恶臭；

✧当进水缺氧、腐化、缺少营养元素或含有有害物质时，回流可改善进水的腐化状况、提供营养元素和降低毒物质浓度；

✧进水的质和量有波动时，回流有调节和稳定进水的作用。

（2）供氧

生物滤池中，微生物所需的氧一般直接来自大气，靠自然通风供给。

影响生物滤池通风的主要因素是滤床自然拔风和风速。

自然拔风的推动力是池内温度与气温之差以及滤池的高度。

温度差越大，通风条件越好；当水温较低，滤池内的温度低于水温时（夏季），池内气流向下流动；当水温较高，池内温度高于气温时（冬季），气流向上流动；若池内外无温度差，则停止通风；正常运行的生物滤池，自然通风可以提供生物降解所需的氧量，自然通风不能满足时，应考虑强制通风。

四、生物滤池的计算

1、计算公式

生物滤池的设计，在条件允许时应尽量利用试验成果进行，没有条件进行试验时，可借助于经验公式进行。

图示表明：

污水流过滤池时，污染物浓度的下降率——单位滤床高度（h）去除的污染物的量（以浓度ρs计）与该污染物的浓度成正比，即

将式

积分得：

式中：

dρs/dh——污染物浓度的下降率；

ρs0——滤池进水污染物的浓度，mg/L；

ρs——床深为h处水中的污染物浓度，mg/L；

h——离滤床表面的深度，m；

K——反映滤池处理效率的系数，它同污水性质、滤池的特性（包括滤料的材料、形状、表面积、孔隙率、堆砌方式和生物膜性质）以及滤率有关，布水方式（如均匀程度、进水周期等）也对其有影响。

K可用下式求得：

式中：

qv——滤池进水流量，m3/d;

A——滤床的面积，m2；

K’——系数，它与进水水质、滤率有关；

m——与进水水质有关的系数；

n——与滤池特性、滤率有关的系数。

将

代入

得：

上式可以直接用于无回流滤池的计算，解得：

当采用回流滤池时，应考虑回流的影响，按图建立物料衡算式：

左式右边的分子和分母各除以qv，并以回流比r代替qvr/qv得：

式中：

ρsi为滤池入流污水的污染浓度（mg/L）。

考虑回流的影响，滤池进水流量为（1＋r）qv，得：

解此式得：

生化反应速率受温度影响，可以用下式校正：

2、系数的确定

进行生物滤池设计，应先确定K'、m和n三个常数，通常是通过生物滤池模型试验用图解法求得。

（1）K'ρS0m（qv/A）n

式

取对数得：

这是一直线方程，可以通过测定不同的池深h的ρs/ρs0，绘制lnρs/ρs0和h关系曲线，其斜率就是K‘ρs0m（qv/A）n，参看右图。

⑵求n

由于|斜率|＝K‘ρs0m（qv/A）n，两边取对数，得：

以log|斜率|与log（qv/A）作图，其斜率为n。

参看右图。

⑶求m

同上。

以log|斜率|与logρs0作图，其斜率为m。

参看右图。

⑷求K‘

上式中各系数均已知，可以求出K‘。

五、生物滤池系统的功能设计

滤池类型和流程选择，滤池个数和滤床尺寸的确定，二次沉淀池的形式、个数和工艺尺寸的确定，布水设备的计算

1、滤池类型的选择

低负荷生物滤池现在已经基本上不常用，仅在污水量小、地区比较偏僻、石料不贵的场合尚有可能使用。

大多采用高负荷生物滤池，两种类型：

回流式和塔式（多层式）。

滤池类型的选择，只有通过方案的比较，才能得出合理的结论。

占地面积，基建费用和运行费用的比较，常起关键作用。

2、流程的选择

确定流程时要解决的问题：

是否设初次沉淀池：

当废水含悬浮物较多，采用拳状滤料时,须有初次沉淀池,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。

采用几级滤池

是否采用回流，回流方式和回流比的确定：

下述三种情况应考虑用二次沉淀池出水回流：

入流有机物浓度较高，可能引起供氧不足时；

水量很小，无法维持水力负荷率在最小经验值以下时；

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。

3、滤池个数和滤床尺寸的确定

⑴滤床总体积（V）

式中：

V——滤床总体积，m3；

ρs0——污水进滤池前的BOD5平均值，mg/L；

qv——污水日平均流量，m3/d，采用回流式生物滤池时，此项应为qv（1+r），回流比r可根据经验确定；

N——有机负荷率，kgBOD5/（m3·d）。

计算滤床总体积（V）时，应注意下述问题：

计算时采用的负荷率应与设计处理的效率相应。

通常，负荷率是影响处理效果的主要因素，两者常相提并论。

下表所示数据是城市污水一般经验的概括。

影响处理效果的因素很多，除负荷率之外，主要的还有污水的浓度、水质、温度、滤料特性和滤床的高度。

对于回流滤池，则还有回流比。

没有经验可以援用的工业废水，应经过试验，确定其设计的负荷率。

试验性生物滤池的滤料和滤床高度应与设计相一致。

（2）滤床高度的确定

据计算结合经验确定。

在滤床的总体积和高度确定后，滤床的总面积可以算出。

当总面积不大时，可采用2个滤池。

目前生物滤池的最大直径为60m，通常是在35m以下。

最后应该核算滤速，看它是否合理。

回流生物滤池池深浅，滤速一般不超过30m/d，其滤率的确定与进水BOD5有关，如下表所示。

进水BOD5/（mg·L-1）

120

150

200

滤率/（m3·m-2·d-1）

25

20

15

例:

已知某城镇人口80000人，排水量定额为100L/（人·d），BOD5为20g/（人·d）。

设有一座工厂，污水量为2000m3/d，其BOD5为2200mg/L。

拟混合采用回流式生物滤池进行处理，处理后出水的BOD5要求达到30mg/L。

解:

⑴基本设计参数计量（设在此不考虑初次沉淀池的计算）

生活污水和工业废水总水量：

生活污水和工业废水混合后的BOD5浓度：

由于生活污水和工业废水混合后BOD5浓度较高，应考虑回流，设回流稀释后滤池进水BOD5为300mg/L,回流比为：

⑵生物滤池的个数和滤床尺寸计算

设生物滤池的有机负荷率采用1.2kgBOD5/（m3·d），于是生物滤池总体积为：

设池深为2.5m,则滤池总面积为：

若采用6个滤池，每个滤池面积：

滤池直径为：

⑶校核

经过计算，采用6个直径21m、高2.5m的高负荷生物滤池。

采用公式进行计算步骤

第一步是选定滤料和进水方式，然后进行试验，求得K‘、m和n等常数值

第二步确定是否回流，若需要回流，则要确定回流比

最后计算滤池的尺寸

例:

已知某工业废水CODB为700mg/L，水量为7080m3/d。

选用塑料滤料，在满足出水水质要求的条件下，其最小水力负荷为24.4m3/（m2·d），最大水力负荷为244m3/（m2·d）。

试验得到K`=128、m=-0.45、n=-0.55。

要求出水CODB不大于30mg/L。

解:

由于入流污水浓度较高，应考虑用二次沉淀池回流。

当回流比为1时，滤池进水CODB＝365mg/L。

而回流比为2时，滤池进水CODB＝253mg/L。

回流比为1时：

要求池子的最小面积为（7080×2）/244=58m2，最大面积为（7080×2）/24.4=580m2。

回流比为2时：

要求池子的最小面积为（7080×3）/244=87m2，最大面积为（7080×3）/24.4=870m2。

4、回转式布水器的计算

计算的主要内容

确定布水横管根数（一般是2根和4根）和直径

布水管上的孔口数和在布水横管上的位置

布水器的转速

（1）布水横管根数与直径

布水横管根数布水横管的根数决定于池子和滤速的大小，n取偶数，布水水量大时用4根，一般用2根。

布水横管直径D1：

式中：

q`v——每根布水横管的最大设计流量，m3/s；

v——横管进水段流速，m/s；

qv——每个滤池处理的水量，m3/s；

n——横管数。

（2）洒水孔数及在布水横管上的位置

假定每个出水孔口喷洒的面积基本相同，孔口数（m）的计算公式为：

式中:

d——孔口直径，一般为10~15mm，孔口流速2m/s左右或更大些；

D2——回转布水器直径，mm，比滤池内径小200mm。

第i个孔口距滤池中心的距离（ri）为：

（3）布水器的转速

布水横管的回转速度与滤速、横管根数有关，如下表所示。

滤率/（m·d-1）

转速/（r·min-1）（4根横管）

转速/（r·min-1）（2根横管）

15

1

2

20

2

3

25

2

4

也可以近似地用下式计算：

布水横管可以采用钢管或铝管，其管底离滤床表面的距离，一般为150～250mm，以避免风力的影响。

布水器所需压力为0.5～1.0m。

六、生物滤池的运行及其经验

生物滤池正式运行之后，有一个“挂膜”阶段，即培养生物膜的阶段。

在这个始运行阶段，洁净的无膜滤床逐渐长了生物膜，处理效率和出水水质不断提高，终于进入正常运行状态。

当温度适宜时，始运行阶段历时约一周。

处理含有毒物质的工业废水时，生物滤池的运行要按设计确定的方案进行，一般说来，这种有毒物质正是生物滤池的处理对象，而能分解氧化这种有毒物质的微生物常存在于一般环境中，无需从外界引入；但是，在一般环境中，它们在微生物群体中并不占优势，或对这种有毒物质还不太适应，因此，在滤池正常运行前，要有一个让它们适应新环境、繁殖壮大的始运行阶段，称为“驯化－挂膜”阶段。

驯化－挂膜方式：

一种方式是从其他工厂废水站或城市废水厂取来活性污泥或生物膜碎屑,进行驯化，挂膜。

另一种方式是用生活污水、城市污水、河水或回流出水代替部分工业废水进行运行，运行过程中把二次沉淀池中的污泥不断回流到滤池的进水中。

7.2生物转盘

生物转盘的工作特点：

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。

（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。

生物转盘的布置方式：

1.单轴单级式2.单轴多级式3.多轴多级式

一、生物转盘的构造

生物转盘的主要组成部分：

盘片，转动轴，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。

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。

微生物生长并形成一层生物膜附着在盘片表面，约40%~50%的盘面（转轴以下的部分）浸没在废水中，上半部敞露在大气中。

工作时，废水流过水槽，电动机转动转盘，生物膜和大气与废水轮替接触，浸没时吸附废水中的有机物，敞露时吸收大气中的氧气。

转盘的转动,,带进空气,,并引起水槽内废水紊动,使溶解氧均匀分布。

生物膜的厚度约为0.5~2.0mm，随着膜的增厚，内层的微生物呈厌氧状态，失去活性时使生物膜脱落，并随同出水流至二次沉淀池。

二、生物转盘的设计计算

设计的主要内容是计算转盘的总面积。

水力负荷和有机负荷：

水力负荷:

m3（污水）/[m3（槽）·d];m3（污水）/[m2（盘片）·d]

有机负荷:

kg（BOD5）/[m3（槽）·d];kg（BOD5）/[m2（盘片）·d]

生物转盘的负荷率与废水性质、废水浓度、气候条件及构造、运行等多种因素有关，设计时可以通过试验或根据经验值确定。

生物转盘的设计计算方法

污水性质

处理程度（出水BOD5）/（mg.L-1）

盘面负荷/（g.m-2.d-1）

备注

生活污水

≤60

20~40

国外资料

≤30

10~20

煮炼废水

≤60

12~16

益阳、株洲萱麻纺织厂

30~40

上海萱麻实验厂

染色废水

≤30

20

南京织布厂

128~255

上海第三印刷厂

生活污水

10

4

生活污水

69

国营长空机械厂

16

79

北京结核病医院

164

通过试验求得需要的设计参数：

设计参数如有机负荷、水力负荷、停留时间等可通过试验求得，然后进行生产规模的生物转盘设计。

威尔逊等人用生活污水进行了试验研究，建议当采用0.5m直径的转盘试验所得参数进行设计时，转盘面积宜比计算值增加25％；当试验采用的转盘直径为2m时，则宜增加10％的面积。

用经验图表或经验值计算

当没有条件进行试验时，可以用经验性图表、经验值（如下页表）进行计算。

部分工业废水设计负荷

序号

污水类型

进水BOD5/（mg.L-1）

进水COD/（mg.L-1）

水力负荷/（m3.m-2.d-1）

BOD5负荷/（g.m2.d-1）

COD负荷/（g.m2.d-1）

停留时间/h

废水水温/ºC

1

含酚

酚50~250

（152）

280~670

（495）

0.05~0.113

（0.070）

15.5~35.5

（22.8）

1.5~2.7

（2.6）

t>15

（10.5）

2

印染

100~280

（158）

250~500

（392）

0.04~0.24

（0.12）

12~23.2

（16.2）

10.3~43.9

（28.1）

0.6~1.3

t>10

3

煤气站含酚

130~765

（365）

0.019~0.1

（0.055）

12.2

26.4

1.3~4.0

（2.95）

t>20

4

酚醛

442~700

（600）

0.031

7.15~22.8（15.7）

11.7~24.5

（17.8）

3.0

t=24

5

酚氰

酚40~90

CN20~40

0.1

2.0

6

苯胺

苯胺53

0.03

2.3

t=21~28

7

萱麻煮炼黑液

367

531

0.066

1.6

8

丙稀腈

CN

19.7~21.0

297

0.05~0.4

（0.075）

9

腈纶

AN200

BOD300

0.1~0.2

（0.15）

1.9

t=30

10

氯丁污水

BOD120

氯丁二烯20

400

0.16

32.6

38.1

t=15~20

7.3生物接触氧化

一、概述

生物接触氧化法的特点：

生物接触氧化法是一种浸没曝气式生物滤池，是曝气池和生物滤池综合在一起的处理构筑物，兼有两者优点。

生物接触氧化池的性能特征：

（1）具有较高的微生物浓度，一般可达10~20g/L；

（2）生物膜具有丰富的生物相，含有大量丝状菌，形成了稳定的生态系统，污泥产量低；

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