遼石化水污染控制工程課件第14章 生物膜法

第十四章生物膜法

生物膜法和活性污泥法一樣，同屬好氣生物處理方法。但活性污泥法是依靠曝氣池中懸浮流動著的活性污泥來分解有機物的，而生物膜法則上要依靠固著于載體表面的微生物膜來凈化有機物。與活性污泥法相比，生物膜法的主要特點：①對廢水水質、水量變化適應性強，操作穩定性好。②不會發生污泥膨脹，運轉管理較方便。③生物膜中的生物相豐富，且沿水流方向膜中生物種群具有一定分布。④剩余污泥量較少。⑤采用自然通風供氧。⑥在運行方面靈活性較差。⑦設備容積負荷有限，空間效率較低。

生物膜中物質傳遞過程如圖14-1所示。生物膜中的微生物主要有細菌（包括時氣、厭氣及兼氣細菌）、真菌、放線菌、原生動物（主要是纖毛蟲）和較高等的動物，其中藻類、較高等生物比活性污泥法多見。生物膜內物質濃度分布如圖１４－２所示．

第一節基本原理廢物利用基本方程

取膜上一厚度為dZ，面積為Ac的生物膜微元體。如膜內底物濃度為Se，擴散進入微元體Ac·dZ的底物通量（進入量與流出量之差）應等于該膜微元體的底物利用量。微元體的廢物平衡式可根據Fick定律列出:如果采同Monod底物利用方程，則上式可改寫為式中x0——膜內生物濃度；

Ds——底物在生物膜內的擴散系數。式（14-2）即為供氧足夠時生物膜內底物的濃度分布方程。這是一個非線性微分方程，假定K、x0、Ds、Ks可視為恒值，并忽略邊界液膜的擴散阻力，則可求出極限解當Se<<Ks時式中S——膜表面液相底物濃度；

Ze——生物膜好氣層厚度。當Se>>Ks時單位時間內進入生物膜的底物通量，在穩態情況下將分別為由式（14－5）可見，當廢物濃度較低時，進入生物膜的通量與K／KS呈1/2次方關系，因此，對廢水的性質變化，生物膜法的穩定性比分散生長的活性污泥法好。

第二節生物濾池生物濾池一般由鋼筋混凝土或磚石砌筑而成，池平面有矩形、圓形或多邊形，其中以圓形為多，主要組成部分是濾料、池壁、排水系統和布水系統。

一、構造1、濾料濾料是生物濾池的主體，它對生物濾池的凈化功能有直接影響。其一般要求：大的表面積；有足夠大的孔隙率；有較好的機械強度，不易變形和破碎。立體蜂窩網狀填料纖維狀填料2、池壁生物濾池池壁只起圍擋濾料的作用，一些濾池的池壁上帶有許多孔洞，用以促進濾層的內部通風。一般池壁頂應高出濾層表面0.4～0.5m，以免因風吹而影響廢水在池表面上的均勻分布。池壁下部通風孔總面積不應小于濾池表面積的1％。3、排水及通風系統排水及通風系統用以排除處理水，支承濾料及保證通風。排水系統通常分為兩層，即包括濾料下的滲水裝置和底板處的集水溝和排水溝。

４．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（普通生物濾池多采用）；旋轉式布水裝置（高負荷生物濾池和塔式生物濾池常用）。

生物過濾的基本流程與活性污泥法相似，由初次沉淀-生物濾池-二次沉淀等三部分組成。在生物過濾中，為了防止濾層堵塞，需設置初次沉淀池，預先去除廢水中的懸浮物。二次沉淀池用以分離脫落的生物膜。由于生物膜的含水率比活性污泥小，因此，污泥沉淀速度較大，二次沉淀池容積較小。由于生物固著生長，不需要回流接種，因此．在一般生物過濾中無二次沉淀池污泥回流。但是，為了稀釋原廢水和保證對濾料層的沖刷。

二、生物過濾法的基本流程與分類生物濾池可根據設備型式不同分為普遍生物濾池和塔式生物濾池。也可根據承受廢水負荷大小分為低負荷生物濾池（普通生物濾池）和高負荷生物濾池。低負荷生物濾池承受的廢水負荷低，占地面大，水流的沖刷能力小，容易引起濾層堵塞，影響濾池通風，有些濾池還出現池面積水，生長灰蠅。但是，這種濾池的處理效率高、出水常常已進入硝化階段，出水夾帶的固體物量小，無機化程度高，沉降性好。目前，這類濾池極少采用。1、低負荷生物濾池2、高負荷生物濾池高負荷生物濾池的構造基本上與低負荷生物濾池相同，但所采用的濾料粒徑和厚度都較大。由于負荷較高，水力沖刷能力強，濾料表面積累的生物膜量不大，不易形成堵塞，工作過程中老化生物膜連續排出，無機化程度較低。這種濾池由于負荷大，處理程度較低，池內不出現硝化。它占地面積較小，衛生條件較好，比較適宜于濃度和流量變化較大的廢水處理。當要求廢水的處理程度較高時，可采用二級濾池串聯流程。二級濾池串聯時，出水濃度較低，處理效率可達90％以上。3、塔式生物濾池單位濾池面積處理能力高，占地面積小，管理方便，工作穩定性好，投資和運轉費用低，還可采用密封塔結構，避免廢水中揮發性物質形成二次污染。衛生條件好。但是，塔式生物濾池出水濃度較高，外觀不清徹，常有游離細菌，所以，塔式生物濾池適宜于二級處理串聯系統中作為第一級處理設備，也可以在廢水處理程度要求不高時使用。三、影響生物濾池性能的主要因素1．負荷負荷是影響生物濾池性能的主要參數。通常分有機負荷和水力負荷兩種。有機負荷、水力負荷和凈化效率是全面衡量生物濾池工作性能的三個重要指標，它們之間的關系是：

由式（14-8）可見，（1）當進水濃度S0和凈化效率η一定時，Se也一定，則qV與N成正比；（2）當出水濃度Se和水力負荷qV一定時，η越高意味著N也越高；（3）當負荷和出水濃度又一定時，η隨濾池深度H增加而提高。

2．處理水回流高負荷生物濾池運行中，多用處理水回流，其優點：（1）增大水力負荷，促進生物膜的脫落，防止濾池堵塞；（2）稀釋進水，降低有機負荷，防止濃度沖擊；（3）可向生物濾池連續接種，促進生物膜生長；（4）增加進水的溶解氧，減少臭味；（5）防止濾池孳生蚊蠅。一般認為在下述三種情況下應考慮出水回流：（1）進水有機物濃度較高；（2）水量很小，無法維持水力負荷在最小經驗值以上時；（3）廢水中某種污染物在高濃度時可能抑制微生物生長。

3．供氧

向生物濾池供給充足的氧是保證生物膜正常工作的必要條件，也有利于排除代謝產物。影響濾他自然通風的主要因素是濾池內外的氣溫差（ΔT）以及濾他的高度。溫差愈大，濾池內的氣流阻力愈小（亦即濾料粒徑大、孔隙大）、通風量也就愈大。濾池內的氣溫和水溫一般比較接近，因廢水溫度比較穩定，故池內氣溫的變化幅度也不大。但濾池外氣溫不單在一年內隨季節的轉換而有很大的變化，而且在一日內也有較大變化。所以，生物濾池的通風量隨時都在變化著。當池內溫度大于池外溫度時，池內氣流由下向上流動，反之，氣流由上向下流動。四、生物濾池系統的設計計算

1.濾池類型和流程的選擇目前，大多采用高負荷生物濾池。當廢水含懸浮物較多，采用碎石濾料時，為防止濾池堵塞，通常設置初次沉淀池。塔式生物濾池一般是單級的，可以考慮多層進水?；亓魇缴餅V池有單級的，也有采用二級濾池串聯流程的。

2．生物濾池的設計計算生物濾池的設計計算常用有機負荷和水力負荷法。設計負荷一般通過試驗確定。通過較長時間的連續運行試驗，可以確定合適的設計負荷。當沒有條件進行試驗時，也可以參考國內外已有的生產經驗，選定設計參數。但必須注意廢水性質、氣候條件、濾池深度、濾料性質等不得相差太遠。

3．旋轉布水器計算

布水器的計算主要是確定所需的水頭h0、轉速n、布水橫管的沿程損失h1及布水小孔出流的局部損失h2?？紤]到流量和流速沿布水橫管自池中心向池外逐步減少，將形成一個恢復水h3，故h0應為

生產實踐表明，由于懸浮物沉積、堵塞等因素的影響，布水器實際的水頭損失要比上述公式計算的結果大，因此設計時采用的布水器水頭應比計算值增加0.5-1.0倍。一般情況下h0約在0.25-1.0m左右。

對于布水器來說，必須盡量做到布水均勻，即每單位面積濾池單位時間內接受的廢水量要基本上相等。當各孔口的尺寸相同時，為了布水均勻，孔口在布水橫管上的位置可按下式求得：式中R’——布水器半徑，R’=D’/2，m;m——每根布水橫管上的小孔數；

i——從池中心算起在布水橫管上孔口排列順序數；

li——第i個孔口中心離池中心的距離，m。布水管每分鐘的旋轉速度，可近似地按下式計算：第三節生物轉盤

一、生物轉盤的構造與原理盤片作為生物膜的載體，當生物膜處于浸沒狀態時，廢水有機物被生物膜吸附，當它處于水面以上時，大氣的氧向生物膜傳遞，生物膜內所吸附有機物氧化分解，生物膜恢復活性。生物轉盤每轉動一圈即完成一個吸附-氧化的周期。由于轉盤旋轉及水滴挾帶氧氣，所以氧化槽也被充氧，起一定的氧化作用。增厚的生物膜在盤面轉動時形成的剪切力作用下，從盤面剝落下來，懸浮在氧化槽的液相中，并隨廢水流入二次沉淀池進行分離。二次沉淀池排出的上清液即為處理后的廢水，沉泥作為剩余污泥排入污泥處理系統。生物轉盤在實際應用上有各種構造型式，最常見是多級轉盤串聯，以延長處理時間、提高處理效果。但級數一般不超過四級，級數過多，處理效率提高不大。根據圓盤數量及平面位置，可以采用單軸多級或多軸多級形式。生物轉盤的盤片直徑一般為1～3m，最大的達到4.0m。過大時可能導致轉盤邊緣的剪切力過大。盤片間距（凈距）一般為20～30mm，原水濃度高時，應取上限，以免生物膜堵塞。盤片厚度一般為1～5mm，視盤材而定。轉盤轉速通常為0.8～3.0r/min，邊緣線速度為10～20m/min為宜。

二、生物轉盤的優缺點與活性污泥法相比，生物轉盤具有以下優點。①操作管理簡便，無活性污泥膨脹，生產上易于控制。②剩余污泥量小，污泥含水率低，易于分離干化。③設備構造簡單，運轉費用低，耗電量低。④可采用多層布置，設備靈活性大，可節省占地面積。⑤可處理高濃度廢水，承受BOD5達1000mg/L，耐沖擊能力強。國外還將生物轉盤建成去除BOD-硝化-厭氧脫氮-曝氣充氧組合處理系統。⑥廢水在氧化槽內停留時間短，處理效率高。BOD5去除率可達90％以上。同一般生物濾池相比，生物轉盤也具有一系列優點：①無堵塞現象。②生物膜與廢水接觸均勻，盤面面積的利用率高，無溝流現象。③廢水與生物膜接觸時間較長，易于控制，可以調整轉速改善接觸條件和充氧能力。④同一般低負荷濾池相比，它占地較小，如采用多層布置。⑤系統的水頭損失小，能耗省。

生物轉盤也有它的缺點。①盤材較貴，投資大。從造價考慮，生物轉盤僅運用于小水量低濃度的廢水處理。②因為無通風設備，轉盤的供氧依靠盤面的生物膜接觸大氣，這樣，廢水中揮發性物質將會產生污染。采用從氧化槽的底部進水可以減少揮發物的散失，比從氧化槽表面進水好，但是，揮發物質污染依然存在。因此，生物轉盤最好作為第二級生物處理裝置。③生物轉盤的性能受環境氣溫及其它因素影響較大，所以，在北方設置生物轉盤時，一般置于室內，并采取一定的保溫措施。建于室外的生物轉盤都應加設雨棚，防止雨水淋洗，使生物膜脫落。

三、生物轉盤的設計計算

生物轉盤工藝設計的主要內容是計算轉盤的總面積，設計參數主要有停留時間、容積水力負荷和盤面面積有機負荷。停留時間是指廢水在氧化槽有較容積內的停留時間；容積水力負荷是指單位時間單位氧化槽有效容積的過流水量（m3/m3·d）；盤面面積有機負荷是指單位盤面面積單位時間內投入的有機物量（投入負荷）或去除的有機物量（去除負荷），單位為g/m2·d。計算轉盤面積有兩種方法，一是先定負荷，再根據廢水濃度與水量計算所需盤面積，并在選定盤片間距、厚度、片數及直徑后確定氧化槽容積，核算停留時間；二是先定停留時間，再根據廢水流量計算氧化槽容積，選定盤片直徑、厚度和間距后計算槽尺寸及盤片數，最后核算有機負荷。

德國Popel等人提出的計算轉盤總面積的經驗公式：盤片面積也可用動力學計算法確定。為此假定氧化槽是一完全混合反應器。在單位時間內廢水底物的去除量為

如用Michaelis－Menten方程表示底物的去除速度，則上式整理可得

左邊實際表示單位盤面面積的去除能力N。經移項整理得線性化方程式：

根據不同的試驗廢水底物濃度Se及在穩態下的去除負荷N，作直線，由斜率和截距可求得v及Ks.再代回式（1）即可求得轉盤的總面積第四節生物膜法的運行管理一、生物膜的培養與馴化使具有代謝活性的微生物污泥在處理系統中填料上固著生長的過程稱之為掛膜。菌種來源：大多數采用生活糞便污水或生活糞便水和活性污泥的混合液。也可采用純培養的特異菌種菌液。營養液的投加：掛膜過程必須使微生物吸附在固體支承物上，同時，使微生物能在載體上繁殖。（反應溫度、pH值、DO、有毒物質）掛膜方法一種是閉路循環法，即將菌液和營養液從設備的一端流入（或從頂部噴淋下來），從另一端流出，將流出液收集在一水槽內，糟內不斷曝氣，使菌與污泥處于懸浮狀態，曝氣一段時間后，進入分離池進行沉淀（0.5～1h），去掉上清液，適當添加營養物或菌液，再回流入生物膜反應設備，如此形成一個閉路系統。直到發現載體上長有粘狀污泥，即開始連續進入廢水。這種掛膜方法需要菌種及污泥數量大，而且由于營養物缺乏，代謝產物積累，因而成膜時間較長，一般需要十天。另一種掛膜法是連續法，即在菌液和污泥循環1～2次后即連續進水；并使進水量逐步增大。這種掛膜法由于營養物供應良好，只要控制掛膜液的流速（在轉盤中控制轉速），保證微生物的吸附。在塔式濾池中掛膜時的水力負荷可采用4～7m3/m3·d，約為正常運行的50％～70％。待掛膜后再逐步提高水力負荷至滿負荷。掛膜后應對生物膜進行馴化；使之適應所處理工業廢水的環境。在掛膜過程中，應經常采樣進行顯微鏡檢驗，觀察生物相的變化。掛膜馴化后，系統即可進入試運轉，測定生物膜反應設備的最佳工作運行條件，并在最佳條件轉入正常運行。二、生物膜法的運行控制

1、布水與布氣布水管及其噴孔或噴嘴使廢水在填料上分配不勻，結果填料受水量影響發生差異，會導致生物膜的不均勻生長，進一步又會造成布水布氣的不均勻，最后使處理效率降低。運行時應利用布水、布氣系統的調節裝置，調節各池或池內各部分配水或供氣量，保證均勻布水、布氣。解決布水管孔堵塞方法如下：（1）提高初沉池對油脂和懸浮物的去除率（2）保證布水孔嘴足夠的水力負荷；（3）定期對布水管道及噴嘴進行清洗。2、填料

預處理：多孔顆粒類填料裝入氧化池或濾池之前，須對其進行破碎、分選、浸洗等處理，以提高顆粒的均勻性，并去除塵土等雜質。塑料或玻璃鋼類硬質填料安裝前應檢查其形狀、質量的均勻性，安裝后應消除殘渣。束狀軟性填料安裝后應檢查均勻性。

運行觀察與維護：填料在生物膜處理設施中正常運行時，應定期觀察其生物膜生長和脫膜情況，觀察其是否損壞，以防止其生長不均勻（表現為生物膜顏色、脫落的不均勻性）。一旦發現這些問題，應及時調整布水、布氣的均勻性，并調整曝氣強度來予以改變。顆粒類填料比較容易發生污泥堵塞，需要加大水力負荷或空氣強度來沖洗，或換出填料晾曬、清洗。對于硬質塑料或玻璃鋼類填料，可能會發生填料老化、坍塌等情況，這就需要及時予以更換．并找出造成坍塌的原因，予以糾正。束狀軟性填料，可能發生纖維束纏繞、成團、斷裂等現象，纏繞、成團有可能是安裝不利造成的，也有可能是污泥生長過快、纖維束中心污泥濃度太高形成的，可適當加大水力負荷和曝氣強度來解決。纖維使用時間過長或污泥過量，可能造成纖維束斷裂，應及時更換。3、生物相觀察對于城市污水處理廠，生物膜處理設施的生物膜，前一級厚度約為2.0～3.0mm。后一級可能為1.0～2.0mm，生物膜外觀粗糙，具有粘性，顏色是泥土褐色。

生物膜處理系統的生物相特征與活性污泥工藝有所區別，主要表現在微生物種類和分布方面。一般來說，由于水質的逐級變化和微生物生長環境條件的改善，生物膜系統存在的微生物種類和數量均較活性污泥工藝多，尤其是絲狀茵、原生動物、后生動物種類增加，厭氧菌和兼性菌和兼性茵占有一定比例。在分布方面的特點，主要是沿生物膜厚度和進水流向(采用多級處理時)呈現出不同的微生物種類和數量。水質的變化會引起生物膜中微生物種類和數量的變化。在進水濃度增高時，可看到原有特征性層次的生物下移現象，即原先在前級或上層的生物可在后級或下層出現，因此，可以通過這一現象來推斷廢水濃度和污泥負荷的變化情況。4、回流生物膜處理設施，一般不需要將二沉池污泥回流，但在掛膜過程中可能會需要。處理后污水常常需要回流。出水的回流可起到以下作用：（1）降低進水的濃度；（2）回流液中挾帶的微生物可增加氧化池有益微生物的數量；（3）增加水力負荷，容易脫膜，避免生物膜過厚；（4）降低污水和生物膜的氣味，防止濾池蠅的出現。

回流方式一般有如下幾種：（1）連續回流；（2）濃度高或水量小時回流；處理出水可回流至初沉池或某級生物膜處理設施前配水井中。三、異常問題及解決對策1、生物膜嚴重脫落在生物膜掛膜過程中，膜狀污泥大量脫落是正常的，尤其是采用工業污水進行馴化時，脫膜現象會更嚴重。但在正常運行階段，膜大量脫落是不允許的。產生大量脫膜，主要是水質的原因(如抑制性或有毒性污染物濃度太高，pH值突變等)，解決辦法即是改善水質。2、氣味對生物濾池、生物轉盤及某些情況下生物接觸氧化池，由于污水濃度太高，污泥局部發生厭氧代謝，可能會有臭味產生。解決辦法如下：（1）處理出水回流；（2）減少處理設施中生物膜的累積，讓生物膜正常脫脂（3）保證曝氣設施或通風口的正常；（4）根據需要向進水中短期少量投加液氯；（5）避免高濃度或高負荷廢水的沖擊。(3)處理效率降低當整個處理系統運行正常，且生物膜處理效果較好，僅是處理效率有所下降，一般不會是水質的劇烈變化或有毒污染物的進入，如廢水pH值、DO、氣溫、短時間超負荷運行等。對于這種現象，只要處理效率降低的程度可以承受。即可不采取措施，過一段時間，便會恢復正常?；虿扇∫恍┚植空{整措施加以解決，解決方法是：保溫、進水加熱、酸或堿中和、調整供氣量等。(4)污泥的沉積指生物膜處理設施(氧化槽)中過量存積污泥。當預處理或一般處理沉降效果不佳時，大量懸浮物會在氧化槽中沉積，其中有機性污泥，當存積時間過長后會產生腐敗，發出臭氣。解決辦法是提高預處理和一級處理的沉淀去除效果，或設置氧化槽臨時排泥措施。第五節其他型式的生物膜法處理設備一、生物接觸氧化生物接觸氧化的早期形式為淹沒式好氣濾池，即在曝氣池中填充塊狀填料，經曝氣的廢水流經填料層，使填料顆粒表面長滿生物膜，廢水和生物膜相接觸，在生物膜的作用下，廢水得到凈化。隨著各種新型的塑料填料的制成和使用，目前這種淹沒式好氣濾池已發展成為接觸氧化池。接觸氧化池內用鼓風或機械方法充氧，填料大多為蜂窩型硬性填料或纖維型軟性填料。

生物接觸氧化池從水流狀態分為分流式和直流式。分流式廢水充氧和同生物膜接觸是在不同的間格內進行的，廢水充氧后在池內進行單向或雙向循環。直流式接觸氧化池是直接從填料底部充氧，填料內的水力沖刷依靠水流速度和氣泡在池內碰撞、破碎形成的沖擊力，只要水流及空氣分布均勻，填料不易堵塞。目前國內大多采用直流式。從供氧方式分，接觸氧化法可分為鼓風式、機械曝氣式、灑水式和射流曝氣式幾種。接觸氧化池填料的選擇要求比表面積大、空隙率大，水力阻力小，性能穩定。垂直放置的塑料蜂窩管填料曾經廣泛采用。這種填料比表面積較大，單位填料上生長的生物膜數量較大。但是這種填料各蜂窩管間互不相通，當負荷增大或布水均勻性較差時，則易出現堵塞，此時若加大曝氣量，又會導致生物膜穩定性變差，周期性的大量剝離，凈化功能不穩定。近年來國內外對填料做了許多研究工作，開發了塑料規整網狀填料。在網狀填料中,水流可以四面八方連通,相當于經過多次再分布，從而防止了由于水氣分布不均勻而形成的堵塞現象。缺點是填料表面較光滑，掛膜緩慢，稍有沖擊，就易于脫落。國內也有采用軟性填料，即由縱向安設的纖維繩上綁扎一束束的人造纖維絲，形成巨大的生物膜支承面積。實踐表明，這種填料耐腐蝕、耐生物降解，不堵塞，造價低，體積小，重量輕（約2～3kg/m3），易于組裝，適應性強，處理效果好?，F已批量生產以供選用。但這種填料在氧化池停止工作時，會形成纖維束結塊，清洗較困難。

二、生物流化床

生物流化床是使廢水通過流化的顆粒床，流化的顆粒表面生長有生物膜，廢水在流化床內同分散十分均勻的生物膜相接觸而獲得凈化。支承生物膜的固相物是流化介質。

生物流化床綜合了介質的流化機理、吸附機理和生物化學機理，兼顧有物理化學法和生物法的優點，又兼顧活性污泥法和生物膜法的優點。三、生物砂濾系統生物砂濾系統在結構和操作運行方面與普通砂濾十分相似，不同之處是不設反沖洗裝置，因此需要對廢水進行過濾和沉降預處理以防止濾池阻塞。另外，為保持微生物生長繁殖