1、第四章 廢水好氧生物處理工藝（2）生物膜法第一節 生物膜法的基本原理生物膜法又稱固定膜法，是與活性污泥法并列的一類廢水好氧生物處理技術；是土壤自凈過程的人工化和強化；與活性污泥法一樣，生物膜法主要去除廢水中溶解性的和膠體狀的有機污染物，同時對廢水中的氨氮還具有一定的硝化能力；主要的生物膜法有： 生物濾池：其中又可分為普通生物濾池、高負荷生物濾池、塔式生物濾池等； 生物轉盤； 生物接觸氧化法； 好氧生物流化床等。一、生物膜的結構1、生物膜的形成生物膜的形成必須具有以下幾個前提條件： 起支撐作用、供微生物附著生長的載體物質：在生物濾池中稱為濾料；在接觸氧化工藝中成為填料；在好氧生物流化床中成為載體

2、； 供微生物生長所需的營養物質，即廢水中的有機物、N、P以及其它營養物質； 作為接種的微生物。(1) 生物膜的形成：含有營養物質和接種微生物的污水在填料的表面流動，一定時間后，微生物會附著在填料表面而增殖和生長，形成一層薄的生物膜。(2) 生物膜的成熟：在生物膜上由細菌及其它各種微生物組成的生態系統以及生物膜對有機物的降解功能都達到了平衡和穩定。生物膜從開始形成到成熟，一般需要30天左右(城市污水，20°C)2、生物膜的結構 生物膜的基本結構如圖1所示。圖1 生物膜結構示意圖(1) 生物膜的性質： 高度親水，存在著附著水層； 微生物高度密集：各種細菌以及微型動物，這些微生物起著主要去

3、除廢水中的有機污染物的作用，形成了有機污染物細菌原生動物(后生動物)的食物鏈。(2) 生物膜降解有機物的過程： 3、生物膜的更新與脫落(1) 厭氧膜的出現： 生物膜厚度不斷增加，氧氣不能透入的內部深處將轉變為厭氧狀態； 成熟的生物膜一般都由厭氧膜和好氧膜組成； 好氧膜是有機物降解的主要場所，一般厚度為2mm。(2) 厭氧膜的加厚： 厭氧的代謝產物增多，導致厭氧膜與好氧膜之間的平衡被破壞； 氣態產物的不斷逸出，減弱了生物膜在填料上的附著能力； 成為老化生物膜，其凈化功能較差，且易于脫落。(3) 生物膜的更新： 老化膜脫落，新生生物膜又會生長起來； 新生生物膜的凈化功能較強。(4) 生物膜法的運行

4、原則： 減緩生物膜的老化進程； 控制厭氧膜的厚度； 加快好氧膜的更新； 盡量控制使生物膜不集中脫落。二、生物膜處理工藝的特點1、微生物方面的特征(1) 微生物種類多樣化： 相對安靜穩定環境； SRT相對較長； 絲狀菌也可以大量生長，無污泥膨脹之虞； 線蟲類、輪蟲類等微型動物出現的頻率較高； 藻類、甚至昆蟲類也會出現； 生物膜上的生物：類型廣泛、種屬繁多、食物鏈長且復雜。表1 生物膜和活性污泥中出現的微生物在類型、種屬和數量的比較微生物種類活性污泥生物膜法微生物種類活性污泥法生物膜法細菌+輪蟲+真菌+線蟲+藻類-+寡毛蟲-+鞭毛蟲+其它后生動物-+肉足蟲+昆蟲類-+纖毛蟲+(2) 生物膜上微生物

5、的食物鏈較長： 動物性營養者所占比例較大，微型動物的存活率較高； 食物鏈長； 污泥產量少于活性污泥系統(僅為1/4左右)。(3) 能夠存活世代時間較長的微生物¾¾有利于硝化作用的進行。2、在處理工藝方面的特征(1) 對水質、水量變動又較強的適應性；(2) 剩余污泥的沉降性能良好，易于固液分離；(3) 能夠處理低濃度污水；(4) 易于維護運行，運行費用少。第二節 生物濾池工藝一、生物濾池的基本原理生物濾池是在污水灌溉的實踐基礎上發展起來的人工生物處理法；首先于1893年在英國試驗成功，從1900年開始應用于廢水處理中；主要有以下幾種形式：普通生物濾池、高負荷生物濾池、塔式生物

6、濾池、活性生物濾池等。1、基本結構圖2 生物濾池示意圖2、工藝流程初沉池生物濾池 池二沉池出水回流出水進水剩余污泥圖3 生物濾池的基本流程 與活性污泥工藝的流程不同的是，在生物濾池中常采用出水回流，而基本不會采用污泥回流，因此從二沉池排出的污泥全部作為剩余污泥進入污泥處理流程進行進一步的處理。3、生物濾池的工作原理：含有污染物的廢水從上而下從長有豐富生物膜的濾料的空隙間流過，與生物膜中的微生物充分接觸，其中的有機污染物被微生物吸附并進一步降解，使得廢水得以凈化；主要的凈化功能是依靠濾料表面的生物膜對廢水中有機物的吸附氧化作用。二、生物濾池的構造與組成生物濾池一般主要由濾床(池體與濾料)、布水裝

7、置和排水系統等三部分組成，下面將分別予以說明。1、池體在20世紀30、40年代以前，生物濾池的池體多為方形或矩形；在出現了旋轉布水器之后，則大多數的生物濾池均采用圓形池體，主要是便于運行；高負荷生物濾池通常是圓形；池壁可有孔洞或不帶孔洞的兩種：有孔洞的池壁有利于濾料的內部通風，但在冬季易受低氣溫的影響；一般要求池壁高于濾料0.5m；在寒冷地區，有時需要考慮防凍、采暖、或防蠅等措施。2、濾料生物濾池中的濾料是生物膜賴以生長的載體，其主要特性有： 大的表面積，有利于微生物的附著； 能使廢水以液膜狀均勻分布于其表面； 有足夠大的孔隙率，使脫落的生物膜能隨水流到池底，同時保證良好的通風； 適合于生物膜

8、的形成與粘附，且應該既不被微生物分解，又不抑制微生物的生長； 有較好的機械強度，不易變形和破碎。(1) 普通生物濾池的濾料： 一般為實心拳狀濾料，如碎石、卵石、爐渣等； 工作層的濾料的粒徑為2540mm，承托層濾料的粒徑為70100mm； 同一層濾料要盡量均勻，以提高孔隙率； 濾料的粒徑愈小，比表面積 就愈大，處理能力可以提高；但粒徑過小，孔隙率降低，則濾料層易被生物膜堵塞； 一般當濾料的孔隙率在45%左右時，濾料的比表面積約為65100m2/m3。(2) 高負荷生物濾池的濾料： 濾料粒徑較大，一般為40100mm，其中工作層濾料的粒徑為4070mm，承托層則為70100mm，孔隙率較高，可以

9、防止堵塞和提高通風能力； 濾料常采用卵石、石英砂、花崗巖等，一般以表面光滑的卵石為好； 目前常采用塑料濾料：多用聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等制成；形狀有波紋板式、斜管式和蜂窩式等，其特點有：質量輕、強度高、耐腐蝕、比表面積和孔隙率都較大。主要缺點：造價較高，初期投資較大。表3 兩種塑料濾料的性能型式孔徑(mm)比表面積(m2/m3)孔隙率(%)重量(kg/m3)立體波紋板30´65198>907040´85150>936050´100113>9650蜂窩式19201>98363825153»99262832122»992

10、1233698>992022(3) 塔式生物濾池的濾料： 多采用質輕、比表面積大和孔隙率高的人工合成濾料； 比表面積為100220 m2/m3，孔隙率一般大于94%。3、布水裝置布水裝置的目的是將廢水均勻地噴灑在濾料上；主要有兩種：固定式布水裝置、旋轉式布水裝置；普通生物濾池多采用固定式布水裝置；高負荷生物濾池和塔式生物濾池則常用旋轉布水裝置：圖7 固定式布水裝置 圖8 旋轉布水器4、排水系統排水系統處于濾床的底部，其作用是收集、排出處理后的廢水和保證良好的通風；一般由滲水頂板、集水溝和排水渠所組成；滲水頂板用于支撐濾料，其排水孔的總面積應不小于濾池表面積的20%；滲水頂板的下底與池底之

11、間的凈空高度一般應在0.6m以上，以利通風，一般在出水區的四周池壁均勻布置進風孔。三、影響生物濾池功能的主要因素1、濾床的比表面積和孔隙率生物膜是生物膜法的主體；濾料表面積愈大，生物膜的表面積也愈大，生物膜的量就愈多，凈化功能就愈強；孔隙率大，則濾床不易堵塞，通風效果好，可為生物膜的好氧代謝提供足夠的氧；濾床的比表面積和孔隙率愈大，擴大了傳質的界面，促進了水流的紊動，有利于提高凈化功能。2、濾床的高度濾床的不同高度，生物膜量、微生物種類、去除有機物的速度等方面都是不同的；濾床的上層，廢水中的有機物濃度高，營養物質豐富，微生物繁殖速度快，生物膜量多且主要以細菌為主，有機污染物的去除速度高；隨著濾

12、床深度的增加，廢水中的有機物量減少，生物膜量也減少，微生物從低級趨向高級，有機物去除速度降低；有機物的去除效果隨濾床深度的增加而提高，但去除速率卻隨深度的增加而降低。表4 濾床高度與處理效率之間的關系和濾床不同深度處的生物膜量離濾床表面的深度(m)污染物去除率（%）生物膜量(kg/m3) 丙烯晴 異丙醇SCN-COD(156mg/l)(35.4mg/l)(18.0mg/l)(955mg/l)282.6316603.0599.26010661.18.599.37024730.81299.49146790.73、有機負荷與水力負荷有機負荷-kgBOD5/m3.d；水力負荷： 水力表面負荷-m3/m

13、2.d，或m/d；-濾速； 水力容積負荷- m3/m3.d在有機負荷較高時，生物膜的增長也會較快，可能會引起濾料堵塞，此時就需要調整水力負荷，當水力負荷增加時，可以提高水力沖刷力，維持生物膜的厚度，一般是通過出水回流來解決。4、回流對于高負荷生物濾池與塔式生物濾池，常采用回流。其優點： 不論原廢水的流量如何波動，濾池可得到連續投配的廢水，因而其工作較穩定； 可以沖刷去除老化生物膜，降低膜的厚度，并抑制濾池蠅的孳生； 均衡濾池負荷，提高濾池的效率； 可以稀釋和降低有毒有害物質的濃度以及進水有機物濃度。5、供氧生物濾池一般時通過自然通風來保證供氧的；影響生物濾池自然通風的主要因素有： 池內溫度與氣

14、溫之差； 濾池高度； 濾料孔隙率及風力等； 濾池堵塞也會影響通風。四、生物濾池與活性污泥法的比較生物濾池早于活性污泥法；活性污泥法的發明之初是以生物濾池的替代工藝出現的；但生物濾池至今仍有大量應用。表5 生物膜法與活性污泥法的比較項目生物膜法活性污泥法基建費低較低運行費低較高氣候的影響較大較小技術控制較易控制要求較高灰蠅和臭味蠅多、味大無最后出水負荷低時,硝化程度較高,但懸浮物較高懸浮物較少,但硝化程度不高剩余污泥量少大泡沫問題很少較多五、生物濾池的設計計算生物濾池的設計內容主要包括濾床容積、布水系統、排水系統等三個部分。1、普通生物濾池(1) 主要設計參數 工作層填料的粒徑為2540mm，厚

15、度為1.31.8m；承托層填料的粒徑為70100mm，厚度為0.2m。 在正常氣溫條件下，處理城市廢水時，表面水力負荷為13 m3/m2.d，BOD5容積負荷為0.150.30kgBOD5/m3.d，BOD5的去除率一般為8595%； 池壁四周通風口的面積不應小于濾池表面積的1%； 濾池數不應小于2座。(2) 計算公式表6 生物濾池計算公式設計內容計算公式參數意義及取值濾料總體積(V)V = QS/LvBODV¾¾濾料總體積，m3Q¾¾進水平均流量，m3/dS¾¾進水BOD5濃度，mg/lLvBOD¾¾容積負荷，一

16、般取0.150.3kgBOD/m3.d濾床有效面積(F)F = V/HF¾¾濾床的有效面積，m2H¾¾濾料高度，1.52.0m表面水力負荷校核(q)q = Q/Fq¾¾表面水力負荷，應為13m3/m2.d。2、高負荷生物濾池(1) 主要設計參數 以碎石為濾料時，工作層濾料的粒徑應為4070mm，厚度不大于1.8m，承托層的粒徑為70100mm，厚度為0.2m；當以塑料為濾料時，濾床高度可達4m； 正常氣溫下，處理城市廢水時，表面水力負荷為1030 m3/m2.d，BOD5容積負荷不大于1.2kgBOD5/m3.d，單級濾池的BOD5的

17、去除率一般為7585%；兩級串聯時，BOD5的去除率一般為9095%； 進水BOD5大于200mg/l時，應采取回流措施； 池壁四周通風口的面積不應小于濾池表面積的2%； 濾池數不應小于2座。(2) 計算公式：表7 高負荷生物濾池的計算公式設計內容計算公式參數意義及取值濾池高度(H)以碎石為濾料時，H = 0.92.0m用塑料濾料時，H = 24m濾料總體積(V)V = QS/LvBODV¾¾濾料總體積，m3Q¾¾廢水量，m3/dS¾¾未經回流稀釋時的BOD5濃度，mg/lLvBOD¾¾容積負荷，一般不大于1.2k

18、gBOD/m3.d濾池面積(F)與直徑(D)F = V/Hn¾¾濾池個數F¾¾濾池面積，m2D¾¾濾池直徑，m回流比(R)R = Fq/Q - 1R¾¾回流比q¾¾表面水力負荷，通常在1030m3/m2.d之間（3） 高負荷生物濾池的流程 (4) 出水水質與濾池高度和水力負荷之間的關系高負荷單級生物濾池的出水水質與濾池高度以及水力負荷之間存在如下的關系：式中：出水BOD5濃度，mg/l； 進水濃度；mg/l； H濾池高度，m； q水力負荷，m3/m2.d; K常數，min-1； n常數。3、塔式

19、生物濾池(1) 主要設計參數： 一般常用塑料濾料，濾池總高度為812m，也可更高；每層濾料的厚度不應大于2.5m，徑高比為1：68； 容積負荷為1.03.0kgBOD5/m3.d，表面水力負荷為80200 m3/m2.d，BOD5的去除率一般為6585%； 自然通風時，塔濾四周通風口的面積不應小于濾池橫截面積的7.510%；機械通風時，風機容量一般按氣水比為100150：1來設計； 塔濾數不應小于2座。(2) 主要計算公式：表8 塔式生物濾池的計算公式設計內容計算公式 參數意義及取值濾池高度(H) H¾¾濾料高度，常取812m濾料總體積(V)V = QS/LvBODV

20、90;¾濾料總體積，m3Q¾¾廢水量，m3/dS¾¾未經回流稀釋時的BOD5濃度，mg/lLvBOD¾¾容積負荷，一般不大于13kgBOD/m3.d塔濾面積(F)與直徑(D)F = V/Hn¾¾濾池個數F¾¾濾池總面積，m2D¾¾濾池直徑，m水力負荷校核q=Q/F q¾¾表面水力負荷，應在86200m3/m2.d之間， 否則應考慮回流表2 普通生物濾池、高負荷生物濾池和塔式生物濾池的比較普通生物濾池高負荷生物濾池塔式生物濾池表面負荷(m3/m2.

21、d)0.93.7 936(包括回流)1697(不包括回流)BOD5負荷(kg/m3.d)0.110.370.371.084高達4.8深度(m)1.83.00.92.4812或更高回流比無14回流比較大濾料多用碎石等多用塑料濾料塑料濾料比表面積(m2/m3)4365436582115孔隙率(%)456045609395蠅多很少很少生物膜脫落情況間歇連續連續運行要求簡單需要一定技術需要一定技術投配時間的間歇不超過5min一般連續投配連續投配剩余污泥黑色、高度氧化棕色、未充分氧化棕色、未充分氧化處理出水高度硝化,BOD5£20mg/l未充分硝化,BOD5³30mg/l未充分硝化,

22、BOD5³30mg/lBOD5去除率(%)859575856585六、生物濾池的運行與管理1、生物濾池的掛膜階段2、生物濾池的日常運行與管理 日常水質檢測； 能量消耗統計； 機電設備養護與維修3、常見問題及對策 濾池積水； 臭味； 灰蠅； 表面結冰； 蝸牛，苔蘚； 旋轉布水器； 生物膜的異常脫落；等。第二節 生物轉盤一、生物轉盤的凈化機理與構成1、凈化原理：圖1 生物轉盤凈化機理廢水處于半靜止狀態，而微生物則在轉動的盤面上；轉盤40%的面積浸沒在廢水中，盤面低速轉動；盤面上生物膜的厚度與廢水濃度、性質及轉速有關，一般0.10.5mm。2、構成與系統組成生物轉盤的轉速一般為18m/mi

23、n；有一軸一段、一軸多段、以及多軸多段等形式；廢水的流動方式，有軸直角流與軸平行流。圖2 多段式生物轉盤3、生物轉盤的主要特征： 節能，即運行費用較低； 生物量多，凈化率高，適應性強，出水水質較好； 生物膜上生物的食物鏈長，污泥產量少，為活性污泥法的1/2左右； 維護管理簡單，功能穩定可靠，無噪音，無灰蠅； 受氣候影響較大，頂部需要覆蓋，有時需要保暖； 所需的場地面積一般較大，建設投資較高。 二、生物轉盤的組成生物轉盤的主要組成單元有：盤片、接觸反應槽、轉軸與驅動裝置等，下面分別予以說明。1、盤片： 盤片的形狀： 外緣：圓形、多角形及圓筒形；盤面：平板、凹凸板、波形板、蜂窩板、網狀板等以及各種

24、組合。 盤片的厚度與材質：要求質輕、薄、強度高，耐腐蝕，同時還應易于加工、價格低等；一般厚度為0.51.0cm；常用材料有聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯以及玻璃鋼等。 轉盤的直徑：一般直徑為2.0、2.5、3.0、3.5m等，常用的是3.0m。 盤片間的間距：一般為30mm，高密度型則為1015mm。2、接觸反應槽： 一般可以用鋼板或鋼筋混凝土制成，橫斷面呈半圓形或梯形； 槽內水位一般達到轉盤直徑的40%，超高為2030cm； 轉盤外緣與槽壁之間的間距一般為2040cm。3、轉軸與驅動裝置： 三、生物轉盤的工藝流程與組合1、生物轉盤為主體的工藝流程 以去除BOD為主要目的的工藝流程沉砂池沉

25、淀池生物轉盤二沉池出水廢水 以深度處理（去除BOD、硝化、除磷、脫氮）為目的的工藝流程初沉池生物轉盤(BOD去除)生物轉盤(硝化)二沉池生物轉盤(厭氧脫氮)生物轉盤(再曝氣)終沉池廢水出水絮凝劑(除磷)甲醇2、生物轉盤與其它工藝的組合流程生物轉盤初沉池出水(1) 廢水(2) 廢水初沉池生物轉盤曝氣池二沉池出水活性污泥回流(3) 廢水初沉池生物轉盤二沉池出水活性污泥回流曝氣池(4) 廢水初沉池生物轉盤二沉池出水活性污泥回流曝氣池3、生物轉盤的新進展 空氣驅動的生物轉盤 圖6 與沉淀池合建的生物轉盤 圖7 與曝氣池合建的生物轉盤 圖8三、生物轉盤的運行與維護管理1、試運行2、維護管理第四節 生物接

26、觸氧化法生物接觸氧化法是一種介于活性污泥法與生物濾池之間的生物膜法處理工藝；又稱為淹沒式生物濾池。一、基本原理與特點1、基本流程圖9 生物接觸氧化法的基本流程2、主要特點： 生物接觸氧化池內的生物固體濃度（1020g/l）高于活性污泥法和生物濾池，具有較高的容積負荷（可達3.06.0kgBOD5/m3.d）； 不需要污泥回流，無污泥膨脹問題，運行管理簡單； 對水量水質的波動有較強的適應能力； 污泥產量略低于活性污泥法。二、生物接觸氧化池的構造由池體、填料、布水系統和曝氣系統等組成；填料高度一般為3.0m左右，填料層上部水層高約為0.5m，填料層下部布水區的高度一般為0.51.5m之間；根據曝氣

27、裝置與填料的相對位置，可以分為兩大類： 曝氣裝置與填料分設： 填料區水流較穩定，有利于生物膜的生長，但沖刷力不夠，生物膜不易脫落；可采用鼓風曝氣或表面曝氣裝置；較適用于深度處理。 曝氣裝置直接安設在填料底部：曝氣裝置多為鼓風曝氣系統；可充分利用池容；填料間紊流激烈，生物膜更新快，活性高，不易堵塞；檢修較困難。三、填料填料是微生物的載體，其特性對接觸氧化池中生物量、氧的利用率、水流條件和廢水與生物膜的接觸反應情況等有較大影響；分為硬性填料、軟性填料、半軟性填料、及球狀懸浮型填料等：四、生物接觸氧化池的計算與設計1、一般原則一般采用有機負荷法進行設計；有機負荷最好通過試驗確定，一般處理城市廢水時可

28、采用1.01.8kgBOD5/m3.d；廢水在池中的水力停留時間不應小于1.0h（按填料體積計算）；進水BOD5濃度過高時，應考慮出水回流；2、設計計算方法 生物接觸氧化池的有效容積(即填料體積)V：式中Q均日流量，m3/d； Si進水BOD5濃度，mg/l； Se出水濃度，mg/l； LvBOD有機容積負荷，kgBOD5/m3.d 有效接觸時間(t) 池深(H0) H0 = H + h1 + h2 + h3式中：H填料高度，m； h1超高，一般取0.5m； h2填料層上部水深，一般為0.40.5m；h3填料至池底的高度，在0.51.5m之間。五、生物接觸氧化池的運行與管理1、啟動調試：啟動調試時須培養生物膜，其方式類似活性污泥的培養，可間歇或連續進水；注意營養平衡(C、N、P)、pH值、抑制物濃度等；應對生物膜的生長情況經常觀察，并及時調整運行條件。2、日常運行管理一般應控制溶解氧濃度為2.53.5mg/l；避免過大的沖擊負荷；防止填料堵塞：1) 加強前處理，降低進水中的懸浮固體濃度；2) 增大曝氣強度，以增強接觸氧