Microsoft Word - 生物膜法的基本理论及发展

生物膜法的基本理论及发展 摘 要：本文从我国目前污水处理现状出发，主要论述了生物膜法的基本原理，介绍了几种类型生物膜法处理工艺的研究进展，并对其在污水处理领域的应用前景进行了展望。 关键词：生物膜法，基本理论，生物膜法的发展 1生物膜法的基本理论 1.1概述 A．生物膜法与活性污泥法的区别 生物膜法和活性污泥法一样，都是利用微生物来去除废水中有机物的方法，两者是平行发展起来的污水好氧处理工艺。但是，两者也存在一定的区别，主要表现为：生物膜法中的微生物附着生长在填料或载体上，形成膜状的活性污泥，属于附着生长系统或固定膜工艺；活性污泥法中的微生物在曝气池内以活性污泥的形式呈悬浮状态，属于悬浮生长系统。 B．生物膜法的实质及净化机理 生物膜法的实质是使细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥—生物膜。其净化机理为污水与生物膜接触，污水中的有机污染物作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，微生物自身得到繁衍增殖，同时污水得到净化。 C．生物膜法的基本流程 进水经初沉池沉淀后（初沉池的作用是去除大部分悬浮固体物质，防止生物膜反应器堵塞，尤其对孔隙小的填料是必要的），进入生物膜反应器反应后，进入二沉池（二沉池的作用是去除脱落的生物膜，提高出水水质），上清液为出水，同时二沉池的部分污水回流至膜反应器前，它的主要作用是当进水浓度较大时，生物膜增长过快，采用出水回流，以稀释进水有机物浓度和提高生物膜反应器的水力负荷，加大水流对生物膜的冲刷作用，更新生物膜，避免生物膜的过量累积，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度，但出水回流并不是必不可少的。工艺流程如图1所示。

初沉池生物膜反应器二沉池进水回流出水排泥排泥 图1 生物膜法工艺流程图 1.2生物膜的形成及其净化过程 生物膜法处理污水就是使污水与生物膜接触，进行固、液相的物质交换，利用膜内微生物对有机物进行降解，使污水得到净化，同时生物膜内的微生物不断生长与繁殖。因此，生物膜废水处理技术的关键是形成性能良好的生物膜，而生物膜的形成及其生长是实现废水有效处理的前提。 污水与滤料或某种载体流动接触，在经过一段时间后，后者的表面将会为一种膜状污泥—生物膜所覆盖，生物膜逐渐成熟。 A.生物膜的形成 生物膜的形成是废水在流经载体表面的过程中，微生物与向载体表面输送的物质结合固定化的过程实现的。而微生物的生长则是通过废水中有机营养物的吸附、传递及氧向生物膜内部的传递扩散等过程促进生物膜中微生物对有机基质的氧化降解作用维持的。生物膜生长于载体的表面，其中的丝状菌相互缠绕并漫伸于水中，使生物膜呈现出立体结构。 B.生物膜的构造 生物膜的积累形成是一系列物理、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表面输送；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营养物的利用与氧化分解。 在生物膜内、外，生物膜与水层之间进行着多种物质的传递过程。空气中的氧溶解于流动水层中，从那里通过附着水层传递给生物膜，供微生物呼吸；污水中有机污染物则由流动水层传递给附着水层，然后进入生物膜，并通过细菌的代谢活动而被降解。这样就使污水在其流动过程中逐步得到净化。微生物的代谢产物如H2O等则通过附着水层进入流动水层，并随其排走，而CO2和厌氧层分解产物如H2S、NH3以及CH4等气态代谢产物则从水层逸出进入空气中（生物膜构造结构如图2所示）。 当废水中含有足够数量的有机营养物、微量元素及溶解氧时，微生物在作为载体的填料表面生长繁殖。微生物可以在其自身通过代谢途径产生的胶质粘膜内活动，使微生物的数量不断增长，并使其从载体表面向外伸展，这样就形成了好氧层。由于微生物的不断繁殖增长，生物膜的厚度不断增加，当膜厚增到一定程度后， 在氧不能透入的膜内侧深部即转变为厌氧状态，形成厌氧层。 C.生物膜的成熟及再生 生物膜成熟的标志是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降解功能都达到了平衡和稳定的状态。而从开始形成到成熟，生物膜要经历潜伏和生长两个阶段，一般的城市污水，在20℃左右的条件下大致需要30d的时间。 当厌氧层逐渐加厚，并达到一定的程度后，其代谢产物也逐渐增多，这些产物向外侧逸出，必然要透过好氧层，使好氧层生态系统的稳定状态遭到破坏，从而失去了这两种膜层之间的平衡关系，又因气态代谢产物的不断逸出，减弱了生物膜在惰性载体上的固着力，处于这种状态的生物膜即为老化生物膜，老化生物膜净化功能较差而且易于脱落。生物膜脱落后生成新的生物膜，新生生物膜必须在经过一段时间后才能充分发挥其净化功能。比较理想的情况是：减缓生物膜的老化进程，不使厌氧层过分增长，加快好氧膜的更新，并且尽量使生物膜不集中脱落。 1.3 生物膜载体 为生物膜提供附着生长固定表面的材料称为填料（或载体），在生物膜法的发展和性能特征方面填料有着重要的影响。生产中最早采用的生物膜法构筑物是以碎石为填料的滴滤池。碎石能够为微生物附着生长的表面积小，因而滴滤池的负荷不可能很大，使其占地面积较大，加之废水以喷洒方式在滴滤池表面布水，卫生状况也不好。所以生物膜法一直未被重视。后来，由于塑料工业的发展以及塑料填料引入生物膜处理系统，有力地推动了生物膜法的进一步发展 A.生物膜载体分类 废水生物处理中的载体材料有无机和有机两大类。无机类载体主要有沙子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、陶瓷类、碳纤维、矿渣、活性炭等。无机类载体普遍具有机械强度高，化学性质相对稳定的特点，可提供较大的比表面积。主要不足是密度较大，使其在悬浮生物膜反应器中的应用受到限制；有机类载体是生物膜法中使用的主要载体材料。主要有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状态完全混合反应器工艺（生物流化床、曝气生物滤池等）的微生物固定化，而塑料类载体多适用于固定床（普通生物滤池）或混合型（如流化床）工艺。两种载体分别如图3、4所示。 A.选择生物膜载体的基本原则 在选择载体的时候，要遵循以下几点原则： ① 足够的机械强度，以抵抗强烈的水流剪切力的作用； ② 优良的稳定性，主要包括生物稳定性、化学稳定性和热力学稳定性； ③ 亲疏水性及良好的表面带电特性，通常废水pH在7左右时，微生物表面带负电荷，而载体为带正电荷的材料时，有利于生物体与载体之间的结合程度； ④ 无毒性或抑制性； ⑤ 优越的物理性状，如载体的形态、相对密度、孔隙率和比表面积等； ⑥ 就地取材、价格合理。

图3 无机载体 图4 有机载体 1.4生物膜法的特征 A．微生物相方面的特征 1）生物膜中微生物的多样化 由于生物膜上的微生物不象活性污泥法中的悬浮生长微生物那样承受强烈的曝气搅拌冲击，生物膜反应器为微生物的繁衍、增殖及生长栖息创造了安稳的环境。生物膜上除以细菌生长为主外，还可能出现大量丝状菌，但不会发生污泥膨胀。线虫类、轮虫类以及寡毛虫类的微型动物出现的频率也较高。生物膜上的生物固体停留时间较长，故还能够生长世代时间较长、比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。 2）生物的食物链长 在生物膜上生长繁殖的生物中，动物性营养类所占比例较大，微型动物的存活率亦高。也就是说，在生物膜上能够栖息高次营养水平的生物，在捕食性纤毛虫、轮虫类、线虫类之上还栖息着寡毛虫类和昆虫，因而在生物膜上形成的食物链要长于活性污泥上的食物链。正是这个原因，在生物膜处理系统内产生的污泥量少于活性污泥处理系统。 3）能够繁殖世代时间较长的微生物 由于生物膜固着在惰性载体上，其生物固体平均停留时间(污泥龄)较长，因此在生物膜上能够生长世代时间较长、比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。因此，生物膜反应器不仅能有效地去除有机污染物，而且更具有一定的硝化功能，如果采取适当的运行方式，还可能具有反硝化脱氮的功能。 4）分段运行与优势菌属 生物膜法多分段进行，在正常运行的条件下，每段都繁衍与进入本段污水水质相适应的微生物，并形成优势菌属，这种现象非常有利于微生物新陈代谢功能的充分发挥和有机污染物的降解。 B．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 生物膜法受污水水质、水量变化而引起的有机负荷和水力负荷波动的影响较小，即或有一段时间中断进水或工艺遭到破坏，对生物膜的净化功能也不会造成致命的影响，通水后恢复较快。 2）微生物量多，处理能力大、净化功能强 微生物的附着生长使生物膜含水率低，单位反应器容积内的生物量可高达活性污泥法的5～20倍，因而生物膜反应器具有较大的处理能力，净化功能显著提高。 3）污泥沉降性能良好，易于沉降分离 由生物膜上脱落下来的污泥，因所含动物成分较多，比重较大，而且污泥颗粒个体较大，沉降性能良好，易于固液分离。 4）能够处理低浓度的污水 生物膜法处理低浓度污水，能够取得较好的处理效果，运行正常时可处理进水BOD5为20～30mg/L的污水，使其出水BOD5值降至5～10mg/L.而活性污泥法却不适宜处理低浓度的污水，若原污水的BOD5值长期低于50～60mg/L，将影响活性污泥絮凝体的形成和增长，净化功能降低，处理水水质低下。 5）易于运行管理、节能，无污泥膨胀问题 生物膜反应器由于具有较高的生物量，一般不需要污泥回流，因而不需要经常调整反应器内污泥量和剩余污泥排放量，易于运行、维护与管理。如生物滤池、生物转盘等工艺，节省能源，动力费用较低，去除单位重量BOD的耗电量较少。另外，在活性污泥法中，因污泥膨胀问题而导致的固液分离困难和处理效果降低一直困扰着操作管理者，而生物膜反应器由于微生物附着生长，即使丝状菌大量繁殖，也不会导致污泥膨胀，相反还可以利用丝状菌较强的分解氧化能力，提高处理效果。 1.5 生物膜的增长及动力学 微生物增殖分为以下四个阶段（期）：①适应期：亦称延迟期或调整期。本期是微生物培养的最初阶段，是微生物细胞内各种酶系统对新培养基环境的适应过程。②对数增殖期：又称增殖旺盛期。出现本期的环境的条件是F/M比值很高，有机底物非常充分，营养物质