第六章好氧生物處理 生物膜法 主要內容 生物膜法基本原理生物膜法的工藝特點生物膜法的主要工藝 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 生物膜法的基本原理 1生物膜的形成前提條件 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 在接觸氧化工藝中稱為填料 在好氧生物流化床中稱為載體 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 生物膜法的基本原理 生物膜的形成過程 初步形成 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 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 生物膜法的基本原理 生物膜的結構 生物膜降解有機物的過程 生物膜由好氧和厭氧兩層組成 有機物的降解主要是在好氧層內進行 在生物膜內 外 生物膜與水層之間進行著多種物質的傳遞過程 空氣中的氧溶解于流動水層中 從那里通過附著水層傳送給生物膜 供微生物用于呼吸 污水中的有機污染物則由流動水層傳遞給附著水層 然后進入生物膜 并通過細菌的代謝活動而被降解 這樣就使污水在其流動過程中逐步得到凈化 微生物的代謝產物如H20等則通過附著水層進入流動水層 并隨其排走 而C02及厭氧層分解產物如H2S NH3以及CH4等氣態代謝產物則從水層逸出進入空氣中 生物膜法的基本原理 生物膜法的基本原理 2生物膜的性質 高度親水 存在著附著水層 微生物高度密集 這些微生物起著主要去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 生物膜法的基本原理 3生物膜的更新與脫落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 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 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 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 生物膜法的基本原理 4生物膜法的運行原則 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 1進水底物的組成和濃度2營養物質 BOD5 N P 100 5 13有機負荷和水力負荷4溶解氧5生物膜量 生物膜厚度與密度 單位體積濕生物膜被烘干后的質量 6pH7溫度8有毒物質 影響生物膜法污水處理效果的主要因素 生物膜法的工藝特點 1 微生物方面的特征微生物種類多樣化 相對安靜 穩定的環境 SRT相對較長 絲狀菌可以大量生長 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 生物膜上微生物的食物鏈較長 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 能夠存活世代時間較長的微生物 有利于硝化作用的進行 分段運行與占優種屬 分段運行 每段都繁衍與進入本段污水水質相適應的微生物 并形成占優種屬 非常有利于微生物新陳代謝功能的充分發揮和有機污染物的降解 13 生物膜和活性污泥上出現的微生物在類型 種屬和數量的比較 2 在處理工藝方面的特征對水質 水量變動有較強的適應性 剩余污泥的沉降性能良好 易于固液分離 能夠處理低濃度污水 易于維護運行 運行費用少 生物膜法的主要工藝類型 主要的生物膜法工藝有 生物濾池 其中又可分為普通生物濾池 高負荷生物濾池 回流生物濾池 塔式生物濾池等 生物轉盤 生物接觸氧化法 曝氣生物濾池和好氧生物流化床等 1生物濾池工藝 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 塔式生物濾池等 生物濾池示意圖 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 布水裝置和排水系統等三部分組成 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 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 是生物膜賴以生長的載體 其主要特性有 較大的表面積 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 具有一定的化學穩定性 有較好的機械強度 不易變形和破碎 價格低廉 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25 40mm 承托層濾料的粒徑為70 100mm 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65 100m2 m3 2 高負荷生物濾池的濾料 濾料粒徑較大 一般為40 100mm 其中工作層濾料的粒徑為40 70mm 承托層則為70 100mm 孔隙率較高 可以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 3布水裝置 將廢水均勻地噴灑在濾料上 主要有兩種 固定式噴嘴布水裝置 移動 常用回轉式 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 固定式布水裝置 旋轉布水器 4排水系統處于濾床的底部 其作用是支撐濾料 收集 排出處理后的廢水與生物膜 以及保證良好的通風 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 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 生物濾池工藝流程 初沉池 生物濾池 二沉池 出水回流 出水 進水 剩余污泥 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 影響生物濾池功能的主要因素 濾床的比表面積和孔隙率濾料表面積愈大 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 濾床的高度不同高度濾床 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 26 負荷率 有機負荷與水力負荷有機負荷 kgBOD5 m3 d 水力負荷 表面水力負荷 m3 m2 d 或m d 平均濾速 容積水力負荷 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 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 提高濾池的效率 提高負荷率 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和減少惡臭 當進水缺氧 腐化 缺少營養元素或含有害物質時 回流可改善進水的腐化情況 提供營養元素和降低毒物濃度 進水流量和水質有波動時 回流有調節和穩定進水的作用 供氧生物濾池一般是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 池內溫度與氣溫之差 濾池高度 濾料孔隙率及風力等 生物濾池與活性污泥法的比較 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25 40mm 厚度為1 3 1 8m 承托層填料的粒徑為70 100mm 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1 3m3 m2 d BOD5容積負荷為0 15 0 30kgBOD5 m3 d BOD5的去除率一般為85 95 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 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40 70mm 厚度不大于1 8m 承托層的粒徑為70 100mm 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10 30m3 m2 d BOD5容積負荷不大于1 2kgBOD5 m3 d 單級濾池的BOD5的去除率一般為75 85 兩級串聯時 BOD5的去除率一般為90 95 進水BOD5大于400mg 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 3 塔式生物濾池 1 主要設計參數 一般常用塑料濾料 濾池總高度為8 12m 也可更高每層濾料的厚度不應大于2 5m徑高比為1 6 8 容積負荷為1 0 3 0kgBOD5 m3 d 表面水力負荷為80 200m3 m2 d BOD5的去除率一般為65 85 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 5 10 機械通風時 風機容量一般按氣水比為100 150 1來設計 塔濾數不應小于2座 2 主要計算公式 2生物轉盤 構造與凈化機理 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 1 0 5mm 生物轉盤的組成 主要組成單元有 盤片 接觸反應槽 轉軸與驅動裝置 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 5 1 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10 15mm 生物轉盤的組成 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20 30cm 轉盤外緣與槽壁之間的間距一般為20 40cm 構成與系統組成 生物轉盤的轉速一般為18m min 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 多段式生物轉盤 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 生物轉盤的工藝流程與組合 沉砂池 沉淀池 生物轉盤 二沉池 出水 廢水 以去除BOD為主要目的的工藝流程 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 生物轉盤與其它工藝的組合流程 廢水 初沉池 生物轉盤曝氣池 二沉池 出水 活性污泥回流 廢水 初沉池 生物轉盤 二沉池 出水 活性污泥回流 曝氣池 生物轉盤的新進展 空氣驅動生物轉盤 與沉淀池合建生物轉盤 與曝氣池合建生物轉盤 3生物接觸氧化法 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 又稱為浸沒式曝氣生物濾池 生物接觸氧化法的基本流程 生物接觸氧化池的構造 生物接觸氧化池由池體 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 5 1 5m之間 根據曝氣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 曝氣裝置與填料分設 曝氣裝置直接安設在填料底部 生物接觸氧化法的填料 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 生物接觸氧化主要特點 生物接觸氧化池內的生物固體濃度高于活性污泥法和生物濾池 具有較高的容積負荷 可達3 0 6 0kgBOD5 m3 d 不需要污泥回流 無污泥膨脹問題 運行管理簡便 對水量水質的波動有較強的適應能力 污泥產率較低 4生物流化床 生物流化床是70年代開發的一種新型生物膜法處理工藝 該工藝是借助流體 液體 氣體 使表面生長著微生物的固體顆粒呈流態化 同時進行有機污染物降解的生物膜法處理技術 以比重大于1的細小惰性顆粒如砂 焦碳 陶粒 活性炭等為載體 廢水以較高的上升流速使載體處于流化狀態 生物固體濃度很高 傳質效率也很高 是一種高效的生物處理構筑物 載體顆粒流化原理 載體顆粒的流化 是由于上升的水流 或水流與氣流 所造成的 一般可以有以下三種狀態 1 固定狀態 2 流化狀態 3 流失狀態 生物流化床的工藝類型根據供氧方式 脫膜方式及床體結構等的不同 可分為兩相生物流化床和三相生物流化床 兩相生物流化床在生物流化床外設充氧設備和脫膜設備 在床體內只有液 固兩相 進入反應器之前 廢水中的DO可達8 9mg l 以純氧為氣源時 可達30 40mg l 三相流化床 直接向反應器內充氧 床體內有氣 固 液三相共存 氣體攪動劇烈 載體顆粒之間摩擦劇烈 可使表層的生物膜自行脫落 因此一般無需體外脫膜裝置 生物流化床的構造 主要包括反應器 載體 布水裝置 充氧裝置和脫膜裝置等 1 反應器一般呈圓柱狀 高徑比一般采用3 4 1 若采用內循環三相生物流化床時 升流區截面積與降流區面積之比應在1左右 2 載體主要性能 比重略大于1 表面比較粗糙 對微生物無毒性 不與廢水物質反應 價廉易得 常用載體有 砂粒 無煙煤 焦炭 活性炭 陶粒及聚苯乙烯顆粒 生物固體濃度與載體投加量有直接關系 生物流化床的構造 3 布水設備對兩相生物流化床 布水均勻十分關鍵 對三相生物流化床 由于有氣體的攪拌 布水設備不十分重要 4 充氧裝置5 脫膜裝置一般三相生物流化床不需設置專門的脫膜裝置 在兩相生物流化床系統中常設的脫膜裝置有 振動篩 葉輪脫膜裝置 刷式脫膜裝置 生物流化床的優點及問題 生物固體濃度高 10 20g l 容積負荷較高 7 8kgBOD5 m3 d以上 抗沖擊負荷能力強 由于容積負荷和床體高度較大 占地面積較小 基建費用較小 微生物活性高 生物膜較薄 一般在0 2um以下 傳質效果好 實際生產運行的經驗較少 對于床體內的流動特征尚無合適的模型描述 在進行放大設計時有一定的不確定性 5曝氣生物濾池Biologicalaeratedfilter BAF 曝氣生物濾池 BAF 是70年代末80年代初在普通生物濾池 bio filter 的基礎上 并借鑒給水濾池 rapidfilter 工藝而開發的污水處理新工藝 最初用于污水的三級處理 tertiarytreatment 后發展成直接用于二級處理 世界上首座曝氣生物濾池于1981年在法國投產 隨后在歐洲各國得到廣泛應用 曝氣生物濾池 BAF 具有去除SS COD BOD 硝化 脫氮的作用 其最大特點是集生物氧化 bio oxidation 和截留 filtration 懸浮固體于一體 節省了后續二次沉淀池 在保證處理效果的前提使處理工藝簡化 1 曝氣生物濾池的主要特點AdvantagesandlimitationsofBAF 優點 advantages 無需二沉池 secondaryclarifierisnotrequired 水力負荷 污泥負荷遠高于傳統污水處理工藝 停留時間短 shortHRT 占地面積小 requiressmallerreactorvolume 生物量大 抗沖擊負荷強 耐低溫 無污泥膨脹問題 withoutsludgebulking 出水水質高 higheffluentquality 掛膜容易 啟動快 氧傳遞效率高 highoxygentransferrate 曝氣量小 能耗低 lowaerationenergy 自動化程度高 運行管理方便 flexibleoperation 2 曝氣生物濾池構造和原理ConfigurationandworkingmechanismofBAF 曝氣生物濾池分為上向流式 upflow 和下向流式 downflow 曝氣生物濾池的結構形式與普通快濾池類似 其主體由池體 tank 濾料層 packing 承托層 supportor 布水系統 waterdistributionsystem 布氣系統 airdistributionsystem 反沖洗系統 backwashingsystem 等組成 濾料 packing 曝氣Airscour 反堵塞濾頭 進水influent 出水effluent 反沖洗進水管backwashing 2 曝氣生物濾池構造和原理ConfigurationandworkingmechanismofBAF 單孔膜曝氣器 反堵塞濾頭 濾板 填料 長柄濾頭 反沖洗系統 backwashingsystem 曝氣生物濾池反沖洗系統與給水處理中的V型濾池類似 采用氣 水聯合反沖洗 Water aircombinedbackflushing 其目的是 去除生物濾池運行過程中截留的各種顆粒 particle 及膠體 colloform 污染物以及老化脫落的微生物膜 反沖洗過程程序 先降低濾池內的水位并單獨氣洗 而后采用氣 水聯合反沖洗 最后再單獨采用水