第五章 污水的生物处理—生物膜法

5.2 生物膜法的基本概念
5.2.2.生物膜的载体：为生物膜提供附着生长固 定表面的材 料称为载体。 （1）有机载体：PVC、PE、PS、PP、各类树 脂、塑料、纤维以及明胶等。其中有机高分子类 载体适用于悬浮态完全混合工艺，塑料类适用于 固定床或混合工艺； （2）无机载体：沙子、碳酸盐类、各种玻璃材 料、沸石类、陶瓷类、矿渣、活性炭等。具有机 械强度高，化学性质相对稳定的特点，可提供较 大的比表面积，但密度较大，使其在悬浮生物膜 反应器中的应用受到限制。
2、处理工艺方面的特征 （1）耐冲击负荷， 对水质、水量变动有较强的适应 性 。若一段时间中断进水，对生物膜也不会有致命 影响，通水后易恢复 （2）污泥沉淀性良好，易于沉降分离。
剥落下来的生物膜无机成分高，比重较大
（3）微生物量多，处理能力大，净化功能强 生物膜含水率低，单位反应器容积内的生物量可高达 活性污泥的5~20倍。
5.1 概述
6.70年代新的反应器以独特的优势受关注。如生 物转盘、曝气生物滤池、淹没式生物流化床等 7.近年，复合式生物膜反应器出现。 5.1.2生物膜法反应器的类型及主要技术现状：固 定床、流动床 1.生物转盘：用于硝化、反硝化的研究取得进展 2.生物接触氧化：1971年日本首创，近20年得到 广泛应用 3.生物流化床：70年代初期在美国和日本得到研 究与应用 4.微孔膜生物反应器：近几年人们关注的革新的 生物膜反应器 5.复合式生物膜反应器：序批式膜生物反应器
5.4.2 普通生物滤池 ：又称滴滤池
1、构造特征: 见图14-3（p465）
（1）池体：
形状：在平面上多为方形、矩形或圆形；
池壁材料：多由砖石筑造，有孔和无孔之分 （通风）
池壁作用：高出滤料0.5-0.9米，具有维护滤料的作用。
池底作用：支撑滤料和排除处理后的出水。 （2）滤料：生物膜的载体 质坚，稳定性好 适于生物膜附着 适于污水的流动 有较高的比表面积有较大的孔隙比 就地取材
5.3生物膜的增长及动力学
3.线性增长期（活性污泥没有）：即生物膜在载体表 面以恒速率增加。特点： （1）出水底物浓度不随生物量的积累而显著变化； （2）好氧速率保持不变； （3）在载体表面形成了完整的生物膜的三维结构。 Mb=Ma + Mi 此阶段生物膜总量的积累主要源于非活性物质，原因： 1）可剩余有效载体体表面饱和； 2）随着生物膜中细菌密度的增长，禁锢作用变得较 为明显； 3）有毒或抑制产物的积累，使部分活性生物量受到 抑制或丧失了其生理活性。
5.1 概述
5.1.3发展趋势： 1.微生物在载体表面的固定机理； 2.提高反应器的净化功能 3.生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生物 膜微生物的能量代谢。 4.节能与自动化。
5.2 生物膜法的基本概念 5.2.1生物膜的形成构造及其净化机理
5.2.1.1形成构造： （1）形成——污水流经载体表面时，通过微生物 与向载体表面输送的物质结合固定化而实现。一 系列物理、化学和生物过程综合作用的结果。即： 1）废水中有机分子向生物膜附着生长的载体输 送； 2）废水中的浮游微生物细胞在载体表面的不可 逆吸附； 3）生长在生物膜内部的微生物对废水中的营养 物的利用与氧化分解。
（3）塔式生物滤池 ：径高比1：6～1：8，H=26 米，通风良好，解决占地， （4）曝气生物滤池
5.影响生物滤池性能的主要因素 （1）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 滤层深度的增加，微生物由低级到高级，种类逐 渐增多，生物膜从多到少。类似污染河流在自净 过程中的生物递变。
生物膜 厌氧 好氧
附 着 水 层
流 动 水 层 CO2
BOD H2O NH3 滤 料 O2 BOD H2O BOD CO2 BOD
CO2 空
气
O2 CO2
H2S NH3 CO2
图18-1
生物滤池滤料上生物膜的构造（剖面图）
5.2 生物膜法的基本概念
5.2.1.2净化有机物机理 空气中氧溶解于流动水层中； 污水中有机物由流动水层传递到附着水层，再进入生 物膜； 微生物代谢有机物。 （1）生物膜表面积大，能大量吸附水中有机物 （2）有机物降解主要是在生物膜表层0.1-2mm的好氧 生物膜内进行 （3）多种物质的传递过程： 空气 流动水层附着水层生物膜微生物呼吸 污染物由流动水层附着水层生物膜生物降解
优点：增大水力负荷，促进生物膜的脱落，防止滤池 堵塞或滋生蚊蝇；稀释污水，降低有机负荷并借以 均化、稳定进水水质；可向生物滤池连续接种，促 进生物膜的生长；增加进水溶解氧，改善进水的腐 化状态。 缺点: 缩短了废水在滤池中的停留时间；降低入流污 水的有机物浓度，降低传质和有机物的去除；冬天 使池中水温降低；增加能耗，增大运行费用。 （4）供氧：一般来自大气，靠自然通风供给。其影 响因素为自然拔风和风力。若供氧不足，生物膜的 好氧层厚度较小。
5.４ 生物滤池
5.４.1生物滤池的概念 1.工作原理：污水长时间以滴状喷洒在块状滤层料的表面上 在污水流经的表面就会形成生物膜，待生物膜成熟后，栖 息在生物膜上的微生物即摄取流经污水中有机物作为营养， 从而使污水得到净化。该净化过程包括污水中复杂的传质 过程、氧的扩散与吸收、有机物的分解与微生物的代谢等 各种过程。 2.分类： （1）早期生物滤池（普通生物滤池） 水量负荷低，（1-4m³ /m² .d）；BOD负荷0.1-0.4kg/m³ .d （2）高负荷生物滤池：５－40 m³ /m² .d）； 限制进水 BOD浓度〈200mg/l） ；回流水水量负荷提高3.0倍至 40m³ /m² .d;BOD负荷上升至0.5-2.5kg/m³ .d
（2）负荷： a：水力负荷：单位面积的滤池或单位体积的滤 料每日处理的废水量。若太大，则流量大，接触 时间短，净化效果差，否则滤料不能完全利用， 冲刷作用小。 b：有机负荷：单位时间内供给单位体积滤料的 有机物料。不能超过生物膜的分解能力，否则影 响出水水质。 （3）回流：多用于高负荷生物滤池的运行系统， 若进水有机物浓度过高；水量很少，无法维持在 最小经验值以上；废水中某种有机污染物在高浓 度时有可能抑制微生物的生长等情况考虑出水回 流。
5.3生物膜的增长及动力学
4减速增长期：生物膜在某一质量与膜厚上达到稳 定的过渡期。体现在： 1）生物膜增长与水力剪切作用形成动态平衡； 2）水中悬浮物浓度增高 3）末期，生物膜质量与厚度趋于稳定值。 5生物膜稳定期：生物膜新生细胞与由于物理力所 造成的生物膜损失达到平衡。存在时间很短，与 运行条件如底物供给浓度、剪切力等有关。
5.2 生物膜法的基本概念
（2）生物膜生长阶段——潜伏期、生长期 （3）生物膜特性——高度亲水的物质，同时也是 微生物高度密集的物质 （4）食物链：有机污染物----细菌----原生动物（后 生动物） （5）生物膜成熟标志——生物膜沿水流方向分布， 在其上由细菌及各种微生物组成的生态系统及其 对有机物的的降解功能都达到了平衡和稳定状态。 ２０－３０天 （6）构造：好氧层：好氧微生物和兼性微生物 厌氧层：厌氧微生物和兼性微生物
5.3生物膜的增长及动力学
结论：
１）在动力学增长末期，活性生物量达到最大值， 在生物膜反应器中液相达到稳定状态，此时生物 膜较薄，一般不超过５０ μｍ； ２）在生物膜稳定期末，生物膜达到其稳定状态， 此时生物膜可达数百μｍ。

5.3.dt）/x （1）生物膜最大比增长浓度 （2）生物膜平均比增长浓度 2.底物比去除速率：
5.2 生物膜法的基本概念
微生物代谢产物 H2O附着水层流动水层 CO2 、H2S、NH3水层溢入空气中
（4）厌氧层与好氧层的关系 厌氧层不厚时，与好氧层平衡，稳定 厌氧层增厚时，代谢产物高于好氧层 （5）理想生物膜法的状况——减缓老化，避免厌氧 层 过分生长，加快好氧层更新，不使膜集中脱落。
第五章
污水的生物处理——生物膜法
5.1 概述 生物膜法与活性污泥法平行发展的一种污水处理技术 方法实质：微生物附着在滤料或某些载体上，并在其 上形成膜状生物污泥-----生物膜 5.1.1生物膜法的历史及发展： 1.1865年德国科学家发现生物过滤作用； 2.1893年英国将污水喷洒在粗滤料上，作为膜生物反 应器的生物滤池问世； 3.20世纪20—30年代建造了许多生物膜反应器（以生 物滤池为主）； 4.40—50年代生物滤池逐渐被活性污泥取代的趋势； 5.60年代，波纹板状、列管状、蜂窝管状有机人工填
5.3生物膜的增长及动力学
5.2.1生物膜的增长过程（与活性污泥增长作对比） 1.潜伏期或适应期：持续时间决定于进水底物浓度及 载体表面特性。 2.对数期或动力学增长期：决定生物膜反应器内底物 的去除效率及生物膜自身增长代谢的功能。有机物、 溶解氧及其他营养物的供给超过了消耗的需要，因 此附着微生物以最大速度在载体表面生长。膜厚可 达几十个微米。现象 1）生物膜多聚糖及蛋白质产率增加； 2）有机物降解速率高； 3）大量溶解氧被消耗； 4）生物膜量显著增长。
（3）布水装置 1）首要任务——向滤池表面均匀布水 2）特征：适应水量的变化，不易堵塞和易于清通以及 不受风、雪影响。 3）布水装置 普通生物滤池的布水装置多采用固定喷 嘴式： ① 投配池：内设虹吸装置，污水流入投配池内，达到 一定高度时，虹吸装置开始作用，污水泄入布水管道。 （调节作用） ②布水管道：敷设在滤池表面下0.5~0.8米，在其上装 有一系列排列规矩、伸出池面0.15~0.20米的竖管，在 竖管顶端安装喷嘴。 ③喷嘴：均匀布水的作用，喷水周期5-8min 优点：运行方便，宜于管理和受气候的影响较小； 缺点：需要水头较大，20m
5.3生物膜的增长及动力学
6脱落期： 特点：出水悬浮物浓度增高，影响出水水质。 底物降解过程受影响，底物去除率低。 影响脱落的因素： 内因：厌氧菌营养耗尽而死亡，其附着力降低， 很快脱落；气态代谢产物不断逸出，破坏了好氧 层生态的稳定，使二者失去了平衡，生物膜老化； 气态产物的积累，将膜顶起 外因：重力、水流的冲刷作用，加大水量，则冲 刷力增大；进水中含有抑制或毒性物质。