第5章生物膜法第二節(jié)生物濾池第三節(jié)生物轉(zhuǎn)盤法第四節(jié)生物接觸氧化法

第五節(jié)生物膜法的發(fā)展第一節(jié)基本原理1893年英國Corbett在Salford創(chuàng)建了第一個具有噴嘴布水裝置的生物濾池。生物膜法是對污水土地的模擬和強化。生物膜法主要用于從污水中去除溶解性有機污染物，是一種被廣泛采用的生物處理方法。生物膜法的主要優(yōu)點是對水質(zhì)、水量變化的適應(yīng)性較強。生物膜法的共同特點是微生物附著在介質(zhì)“濾料”表面上，形成生物膜，污水同生物膜接觸后，溶解的有機污染物被微生物吸附轉(zhuǎn)化為H2O、CO2、NH3和微生物細胞物質(zhì)，污水得到凈化，所需氧氣一般來自大氣。生物濾池法的流程生物膜法特點微生物方面的特征：微生物種類豐富，生物的食物鏈長；存活世代時間較長的微生物，有利于不同功能的優(yōu)勢菌群分段運行。工藝方面的特征：對水質(zhì)水量變動有較強的適應(yīng)性；適合低濃度污水的處理剩余污泥產(chǎn)量少；運行管理方便。生物膜法的主要設(shè)施生物接觸氧化池生物流化床間歇生物濾池普通（單層）生物濾池塔式（多層）生物濾池生物轉(zhuǎn)盤生物濾池第二節(jié)生物濾池建設(shè)中的生物濾池典型的生物濾池的構(gòu)造濾床布水設(shè)備排水系統(tǒng)濾床由濾料組成。濾料是微生物生長棲息的場所，理想的濾料應(yīng)具備下述特性：

(1)能為微生物附著提供大量的面積；

(2)使污水以液膜狀態(tài)流過生物膜；

(3)有足夠的空隙率，保證通風（即保證氧的供給）和使脫落的生物膜能隨水流出濾池；

(4)不被微生物分解,也不抑制微生物的生長，有較好的化學性能；

(5)有一定的機械強度；

(6)價格低廉。濾料粒徑并非越小越好，會造成堵塞，影響通風。早期主要以拳狀碎石為濾料，其直徑在3～8cm左右，空隙率在45％～50％左右，比表面積（可附著面積）在65～100m2/m3之間。濾床兩種常見的塑料濾料濾料比表面積在98～340m2/m3之間，孔隙率為93％～95％濾料比表面積在81～195m2/m3之間，孔隙率為93％～95％

國內(nèi)目前采用的玻璃鋼蜂窩狀塊狀濾料，孔心間距在20mm左右，孔隙率95％左右，比表面積在200m2/m3左右。濾床高度同濾料的密度有密切關(guān)系塑料濾料每立方米質(zhì)量僅為100kg左右，孔隙率高達93％～95％，濾床高度不但可以提高，而且可以采用雙層或多層構(gòu)造。國外一般采用雙層濾床，高7m左右；國內(nèi)常采用多層的“塔式”結(jié)構(gòu)，高度在10m以上。濾床四周一般設(shè)池壁，池壁起圍護濾料、減少污水的飛濺的作用。常用磚、石或混凝土塊砌筑。石質(zhì)拳狀濾料組成的濾床高度一般在1～2.5m之間。一方面是由于孔隙率低，濾床過高會影響通風；另一方面由于太重,過高會影響排水系統(tǒng)和濾池基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。布水設(shè)備設(shè)置目的為了使污水能均勻地分布在整個濾床表面上生物濾池的布水設(shè)備分為兩類固定式噴嘴布水系統(tǒng)回轉(zhuǎn)式布水器的中央是一根空心的立柱，底端與設(shè)在池底下面的進水管銜接。其所需水頭在0.6～1.5m左右。固定式布水系統(tǒng)是由虹吸裝置、饋水池、布水管道和噴嘴組成。這類布水系統(tǒng)需要較大的水頭，約在2m左右。移動式（常用回轉(zhuǎn)式）布水器脈沖式生物濾池配水系統(tǒng)排水系統(tǒng)作用收集濾床流出的污水與生物膜保證通風支撐濾料池底排水系統(tǒng)的組成池底排水假底集水溝排水假底是用特制砌塊或柵板鋪成，濾料堆在假底上面。假底空隙率不小于濾池面積5％～8％，高于池底0.4～0.6m。池底除支撐濾料外，還要排泄濾床上的來水，池底中心軸線上設(shè)有集水溝，兩側(cè)底面向集水溝傾斜，池底和集水溝的坡度約1％～2％。集水溝要有充分的高度，并在任何時候不會漫流，確保空氣能在水面上暢通無阻，使濾池中空隙充滿空氣。

低負荷生物濾池又稱普通生物濾池。優(yōu)點：處理效果好，BOD5的去除率可達90％以上，出水BOD5可下降到25mg/L以下，硝酸鹽含量在10mg/L左右，出水水質(zhì)穩(wěn)定。缺點：占地面積大，灰蠅很多，影響環(huán)境衛(wèi)生。生物濾池法的流程交替式二級生物濾池法的流程

交替式二級生物濾池法比并聯(lián)流程負荷率可提高兩三倍。

運行時，濾池是串聯(lián)工作的，污水經(jīng)初步沉淀后進入一級生物濾池，出水經(jīng)相應(yīng)的中間沉淀池去除殘膜后用泵送入二級生物濾池，二級生物濾池的出水經(jīng)過沉淀后排出污水廠。

工作一段時間后，一級生物濾池因表面生物膜累積，即將出現(xiàn)堵塞，改作二級生物濾池，而原來的二級生物濾池則改作一級生物濾池。回流式二級生物濾池法的流程國外的運行經(jīng)驗表明，在處理城市污水時，回流式生物濾池的處理效率大致如下：生物濾池的一個主要優(yōu)點是運行簡單，因此，適用于小城鎮(zhèn)和邊遠地區(qū)。單級濾池法當濾池負荷率在1.7kg（BOD5）/(m3·d)(濾料)以下時，出水的BOD5約為濾池進水的BOD5的1/3。二級濾池法二沉池的出水的BOD5為二級池進水BOD5的1/2；如果一級濾池的進水不經(jīng)沉淀直接流向二級濾池，則一級濾池出水的BOD5為進水BOD5的1/2。小于或等于某處理效率的污水廠占所有污水廠的比例/%(活性污泥法)小于或等于某處理效率的污水廠占所有污水廠的比例/%(生物濾池)生物濾池的工作情況生物濾池機理

污水通過布水設(shè)備連續(xù)地、均勻地噴灑到濾床表面上，在重力作用下，污水以水滴的形式向下滲瀝，或以波狀薄膜的形式向下滲流。最后，污水到達排水系統(tǒng)，流出濾池。污水流過濾床時，有一部分污水、污染物和細菌附著在濾料表面上，微生物便在濾料表面大量繁殖，不久，形成一層充滿微生物的黏膜，稱為生物膜。這個起始階段稱為掛膜，是生物濾池的成熟期。掛膜污水流過成熟濾床時，污水中的有機污染物被生物膜中的微生物吸附、降解，從而得到凈化。生物膜表層生長的是好氧和兼性微生物，其厚度約2mm。在這里，有機污染物經(jīng)微生物好氧代謝而降解，終點產(chǎn)物是H2O、CO2、NH3等。由于氧在生物膜表層已耗盡,生物膜內(nèi)層的微生物處于厭氧狀態(tài)。在這里,進行的是有機物的厭氧代謝,終點產(chǎn)物是有機酸,乙醇、醛和H2S等。由于微生物的不斷繁殖，生物膜不斷加厚，超過一定厚度后，吸附有機物在傳遞到生物膜內(nèi)層的微生物以前，已被代謝掉。此時，內(nèi)層微生物因得不到充分的營養(yǎng)而進入內(nèi)源代謝，失去其黏附在濾料上的性質(zhì)，脫落下來隨水流出濾池，濾料表面再重新長出新的生物膜。生物濾池的工作情況生物濾池機理有機物轉(zhuǎn)化深度生物膜脫落原因真菌藻類原生動物后生動物一些肉眼可見的蠕蟲、昆蟲的幼蟲細菌（好氧、厭氧、兼性）低負荷濾池：原因復雜，昆蟲及其幼蟲的活動促使生物膜脫落。生物膜的組成高負荷濾池：水力沖刷使生物膜不斷脫落，生物膜厚度與濾率大小有關(guān)。低負荷濾池：有機物被深度轉(zhuǎn)化，出水中硝酸鹽含量較高，殘膜呈深棕色，類似腐殖質(zhì)，沉淀性能較好。高負荷濾池：只有在負荷率較低時，出水才含有較低的硝酸鹽，殘膜易腐化。影響生物濾池性能的主要因素這些過程的發(fā)生和發(fā)展決定了生物濾池凈化污水的性能。影響這些過程的主要因素有：濾池高度負荷率回流供氧生物濾池中有機物的降解過程

同時發(fā)生著多過程有機物在污水和生物膜中的傳質(zhì)過程氧在污水和生物膜中的傳質(zhì)過程生物膜的生長和脫落等過程有機物的好氧和厭氧代謝過程濾床影響生物濾池性能的主要因素——濾池高度

濾床上層,污水中有機物濃度較高,微生物繁殖速率高,種屬較低級,以細菌為主,生物膜量較多,有機物去除速率較高。

隨著濾床深度增加,微生物從低級趨向高級，種類逐漸增多,生物膜量從多到少。

濾床的上層和下層相比,生物膜量、微生物種類和去除有機物的速率均不相同。

濾床中的這一遞變現(xiàn)象，類似污染河流在自凈過程中的生物遞變。

當濾床各層的進水水質(zhì)互不相同時,各層生物膜的微生物就不相同,處理污水的功能也隨之不同。濾床影響生物濾池性能的主要因素——濾池高度有機負荷率：以BOD5為準，kg（BOD5或特定污染物質(zhì)）/m3·d。影響生物濾池性能的主要因素——負荷率生物濾池的負荷率有三種表達形式：表面水力負荷率：m3（水）/（m2·d），又稱平均濾率，m/d

。

由于生物濾池的作用是去除污水中有機物或特定污染物，因此，它的負荷率通常以有機物或特定污染物質(zhì)為準較合理。有機負荷率：以BOD5為準，kg（BOD5或特定污染物質(zhì)）/（m3·d）。水力負荷率：以流量為準，m3(水)/m3(濾料)

·d。影響生物濾池性能的主要因素——負荷率

在低負荷條件下，隨著濾率的提高，污水中有機物的傳質(zhì)速率加快，生物膜量增多，濾床特別是它的表面很容易堵塞。

在高負荷條件下，隨著濾率的提高，污水在生物濾床中停留的時間縮短，出水水質(zhì)將相應(yīng)下降。影響生物濾池性能的主要因素——回流

回流——利用污水廠的出水或生物濾池出水稀釋進水的做法稱回流，回流水量與進水量之比叫回流比。回流對生物濾池性能的影響：

（1）回流可提高生物濾池的濾率，它是使生物濾池負荷率由低變高的方法之一；

（2）提高濾率有利于防止產(chǎn)生灰蠅和減少惡臭；

（3）當進水缺氧、腐化、缺少營養(yǎng)元素或含有有害物質(zhì)時，回流可改善進水的腐化狀況、提供營養(yǎng)元素和降低毒物質(zhì)濃度；

（4）進水的質(zhì)和量有波動時，回流有調(diào)節(jié)和穩(wěn)定進水的作用。影響生物濾池性能的主要因素——供氧溫度差越大，通風條件越好；當水溫較低，濾池內(nèi)的溫度低于水溫時（夏季），池內(nèi)氣流向下流動；當水溫較高，池內(nèi)溫度高于氣溫時（冬季），氣流向上流動；若池內(nèi)外無溫度差，則停止通風；正常運行的生物濾池，自然通風可以提供生物降解所需的氧量，自然通風不能滿足時，應(yīng)考慮強制通風。

生物濾池中，微生物所需的氧一般直接來自大氣，靠自然通風供給。影響生物濾池通風的主要因素是濾床自然拔風和風速。自然拔風的推動力是池內(nèi)溫度與氣溫之差以及濾池的高度。生物濾池系統(tǒng)的功能設(shè)計濾池類型和流程選擇濾池個數(shù)和濾床尺寸的確定二次沉淀池的形式、個數(shù)和工藝尺寸的確定布水設(shè)備的計算濾池類型的選擇

低負荷生物濾池現(xiàn)在已經(jīng)基本上不常用，僅在污水量小、地區(qū)比較偏僻、石料不貴的場合尚有可能使用。大多采用高負荷生物濾池兩種類型回流式塔式（多層式）濾池類型的選擇，只有通過方案的比較，才能得出合理的結(jié)論。占地面積，基建費用和運行費用的比較，常起關(guān)鍵作用。

流程的選擇確定流程時要解決的問題是否設(shè)初次沉淀池采用幾級濾池是否采用回流，回流方式和回流比的確定當廢水含懸浮物較多，采用拳狀濾料時,須有初次沉淀池,以避免生物濾池阻塞。處理城市污水時,一般都設(shè)置初次沉淀池。下述三種情況應(yīng)考慮用二次沉淀池出水回流：入流有機物濃度較高，可能引起供氧不足時；水量很小，無法維持水力負荷率在最小經(jīng)驗值以下時；污水中某種污染物在高濃度時，可能抑制微生物生長的情況下。生物濾池正式運行之后，有一個“掛膜”階段，即培養(yǎng)生物膜的階段。在這個始運行階段，潔凈的無膜濾床逐漸長了生物膜，處理效率和出水水質(zhì)不斷提高，終于進入正常運行狀態(tài)。當溫度適宜時，始運行階段歷時約一周。處理含有毒物質(zhì)的工業(yè)廢水時，生物濾池的運行要按設(shè)計確定的方案進行，一般說來，這種有毒物質(zhì)正是生物濾池的處理對象，而能分解氧化這種有毒物質(zhì)的微生物常存在于一般環(huán)境中，無需從外界引入；但是，在一般環(huán)境中，它們在微生物群體中并不占優(yōu)勢，或?qū)@種有毒物質(zhì)還不太適應(yīng)，因此，在濾池正常運行前，要有一個讓它們適應(yīng)新環(huán)境、繁殖壯大的始運行階段，稱為“馴化－掛膜”階段。

馴化－掛膜方式：一種方式是從其他工廠廢水站或城市廢水廠取來活性污泥或生物膜碎屑,進行馴化，掛膜。另一種方式是用生活污水、城市污水、河水或回流出水代替部分工業(yè)廢水進行運行，運行過程中把二次沉淀池中的污泥不斷回流到濾池的進水中。生物濾池的運行及其經(jīng)驗第三節(jié)生物轉(zhuǎn)盤法生物轉(zhuǎn)盤的流程生物轉(zhuǎn)盤的工作特點

（1）不需曝氣和回流，運行時動力消耗和費用低；（2）運行管理簡單，技術(shù)要求不高；（3）工作穩(wěn)定，適應(yīng)能力強；（4）適應(yīng)不同濃度、不同水質(zhì)的污水；（5）剩余污泥量少，易于沉淀脫水；（6）沒有濾池蠅、惡臭、堵塞、泡沫、噪音等問題；（7）可多層立體布置；（8）一般需加開孔防護罩保護、保溫。1.單軸單級式2.單軸多級式3.多軸多級式生物轉(zhuǎn)盤的布置方式

1954年在聯(lián)邦德國的Heilbronn建成世界上第一座生物轉(zhuǎn)盤污水處理廠。生物轉(zhuǎn)盤的主要組成部分生物轉(zhuǎn)盤的構(gòu)造轉(zhuǎn)動軸盤片廢水處理槽驅(qū)動裝置盤片：高強度、輕質(zhì)、耐腐蝕。直徑：2~3m，轉(zhuǎn)速2~3r/min，間距20~30mm。

受材料、污水與膜的接觸均勻性、外緣膜易脫落等影響，直徑不可能做大。生物轉(zhuǎn)盤的構(gòu)造轉(zhuǎn)動軸：具有足夠的強度和剛度，防止斷裂和撓曲。直徑：50mm以上，長度0.5~7m。處理槽：與盤片相吻合的半圓形或多邊形，凈空相距20~50mm，設(shè)排泥和放空管。驅(qū)動裝置：機械驅(qū)動裝置；空氣驅(qū)動裝置；水輪驅(qū)動裝置。生物轉(zhuǎn)盤的主體是垂直固定在水平軸上的一組圓形盤片和一個同它配合的半圓形水槽。微生物生長并形成一層生物膜附著在盤片表面，約40%~50%的盤面（轉(zhuǎn)軸以下的部分）浸沒在廢水中，上半部敞露在大氣中。工作時，廢水流過水槽，電動機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，生物膜和大氣與廢水輪替接觸，浸沒時吸附廢水中的有機物，敞露時吸收大氣中的氧氣。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動,,帶進空氣,,并引起水槽內(nèi)廢水紊動,使溶解氧均勻分布。生物膜的厚度約為0.5~2.0mm，隨著膜的增厚，內(nèi)層的微生物呈厭氧狀態(tài)，失去活性時使生物膜脫落，并隨同出水流至二次沉淀池。生物轉(zhuǎn)盤的布置方式生物轉(zhuǎn)盤的設(shè)計計算生物轉(zhuǎn)盤的負荷率與廢水性質(zhì)、廢水濃度、氣候條件及構(gòu)造、運行等多種因素有關(guān)，設(shè)計時可以通過試驗或根據(jù)經(jīng)驗值確定。設(shè)計的主要內(nèi)容是計算轉(zhuǎn)盤的總面積。水力負荷和有機負荷：水力負荷:m3(污水)/[m3(槽)·d];m3(污水)

/[m2(盤片)·d]

有機負荷:kg(

BOD5)/[m3(槽)·d];kg(

BOD5)/[m2(盤片)·d]生物轉(zhuǎn)盤的新進展第四節(jié)生物接觸氧化法

接觸氧化池構(gòu)造示例生物接觸氧化法是一種浸沒曝氣式生物濾池，是曝氣池和生物濾池綜合在一起的處理構(gòu)筑物，兼有兩者優(yōu)點。生物接觸氧化法的特點生物接觸氧化池的性能特征：

(1)具有較高的微生物濃度，一般可達10~20g/L；

(2)生物膜具有豐富的生物相，含有大量絲狀菌，形成了穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，污泥產(chǎn)量低；

(3)具有較高的氧利用率；

(4)具有較強的耐沖擊負荷能力；

(5)生物膜活性高；

(6)沒有污泥膨脹的問題。缺點：濾床易堵塞和更換，運行費用較高。生物接觸氧化法的基本流程接觸氧化池的主要部分生物接觸氧化池的構(gòu)造填料要求：比表面積大；空隙率大；水力阻力小；強度大；化學和生物穩(wěn)定性好；能經(jīng)久耐用。填料池底布水布氣裝置池底用于設(shè)置填料、布水布氣裝置和支撐填料的柵板和格柵。布氣管可布置在池子中心、側(cè)面和全池。接觸氧化池外觀圖接觸氧化池反應(yīng)區(qū)的構(gòu)造酚醛樹脂蜂窩填料常用填料的類型正六角行蜂窩狀斜管聚乙烯蜂窩填料聚乙烯蜂窩填料半軟性填料半軟性填料彈性立體填料軟性纖維填料軟性、復合填料組合填料YHT型彈性生物的環(huán)填料立體彈性填料立體彈性填料漂浮填料SQC型絲球形懸浮填料生物接觸氧化法填料新型的纖維網(wǎng)狀填料新型的纖維網(wǎng)狀填料生物填料框架框架與生物填料框架與生物填料新型的三維立體網(wǎng)狀填料掛膜后的網(wǎng)狀填料反應(yīng)區(qū)曝氣系統(tǒng)的布置牛腿與槽鋼的布置曝氣裝置安裝第五節(jié)生物膜法的發(fā)展一、曝氣生物濾池二、生物硫化床三、其他新型生物膜法工藝一、曝氣生物濾池構(gòu)造示意圖：P235特點：活性微生物濃度高、反應(yīng)器體積小、不需二沉池、占地面積小、模塊化結(jié)構(gòu)、便于自控、臭氣少。優(yōu)點投資少

-不需二沉池、停留時間短、結(jié)構(gòu)緊湊。抗沖擊負荷能力強，耐低溫，不發(fā)生污泥膨脹，出水水質(zhì)好。易掛膜，啟動快。氧傳輸效率高，曝氣量小，能耗低。自控方便。缺點對進水SS要求高水頭損失大反沖洗運行控制要求高產(chǎn)泥量大，泥穩(wěn)定性較差。二、生物硫化床流態(tài)化原理美國Ecolotrol公司1973—1975年研制成功的HyFlo生物流化床床層的三種狀態(tài)固定床階段流化床階段液體輸送階段流態(tài)化原理

當液體以很小的速度流經(jīng)床層時，固體顆粒處于靜止不動的狀態(tài)，床層高度也基本維持不變，這時的床層稱固定床。固定床階段上圖中的ab段：液體通過床層的壓力降△p隨空塔速度v的上升而增加，呈冪函數(shù)關(guān)系，在雙對數(shù)坐標圖紙上呈直線。上圖中的b點：液體濾速增大到壓力降△p大致等于單位面積床層重量，固體顆粒間的相對位置略有變化，床層開始膨脹，固體顆粒仍保持接觸且不流態(tài)化。

流化床階段

當液體流速大于b點流速，床層不再維持于固定狀態(tài)，顆粒被液體托起而呈懸浮狀態(tài)，且在床層各個方向流動，在床層上部有一個水平界面，此時由顆粒所形成的床層完全處于流化態(tài)狀態(tài)，這類床層稱流化床。上圖中的bc段：流化層的高度h是隨流速上升而增大，床層壓力降△p則基本不隨流速改變。

b點的流速vmin是達到流態(tài)化的起始速度，稱臨界流態(tài)化速度。臨界速度值隨顆粒的大小、密度和液體的物理性質(zhì)而異。

生物流化床中的載體顆粒表面有一層微生物膜，因此其流化特性與普通的流化床不同。流化床床層的膨脹程度可以用膨脹率K或膨脹比R表示：流化床階段式中：v、ve——分別為固定床層和流化床層體積。式中：h、he——分別為固定床層和流化床層高度。在生物流化床中，相同的流速下，膨脹率隨著生物膜厚度的增加而增大，如右圖所示。一般K采用50％～200％。生物顆粒粒徑與膨脹率的關(guān)系液體輸送階段

當液體流速提高至超過c點后，床層不再保持流化，床層上部的界面消失，載體隨液體從流化床帶出，這階段稱液體輸送階段。在水處理工藝中，這種床稱“移動床”或“流動床”。上圖中的c點的流速vmax稱顆粒帶出速度或最大流化速度。流化床的正常操作應(yīng)控制在vmin和vmax之間。流化床的類型

根據(jù)生物流化床的供氧、脫膜和床體結(jié)構(gòu)的不同，好氧生物流化床主要有兩種類型：兩相生物流化床三相生物流化床兩相生物流化床這類流化床是在流化床體外設(shè)置充氧設(shè)備與脫膜裝置，以對微生物充氧并脫除載體表面的生物膜。以純氧為氧源時，充氧后水中溶解氧可達30～40mg/L；以壓縮空氣為氧源時，水中溶解氧一般低于9mg/L。當一次充氧不能提供足夠的溶解氧時，可采用處理水回流循環(huán)。回流比r可以根據(jù)氧量平衡計算來確定：式中：ρsi、ρse——分別為進水和出水BOD5濃度，mg/L；Oi、Oe——分別為進水和出水的溶解氧濃度，mg/L；D——去除每千克BOD5所需的氧量,kg/kg,對于城市污水，D=1.2~1.4kg/kg；qv——廢水水量,m3/d。三相生物流化床三相流化床設(shè)備較簡單，操作亦較容易，此外，能耗也較二相流化床低。三相生物流化床是氣、液、固三相直接在流化床體內(nèi)進行生化反應(yīng)，不另設(shè)充氧設(shè)備和脫膜設(shè)備，載體表面的生物膜依靠氣體的攪動作用，使顆