（工业催化专业论文）Biofilter生物膜反应器处理生活废水的实验研究.pdf

人连理工人学硕士学位论文 摘要 生物膜反应器( b i o f i h nr e a c t o r ) 是根据土壤自挣原理发展形成的一种生物化学反 砬系统。作为一种简单高教的污水处理拄术，生物膜反应器继承了传统的活性污泥法的 优点，与活性污泥法不同的是，它是通过反应器中填料上所生长的生物膜来达到处理效 果的。与传统的废水生物处理工艺相比，生物膜反应器具有投资省、币产生二次污染、 处理效率高、设各占地面积小、运行管理简单、应用范围广、耐冲击性强、在反应器内 部能形成稳定的生态体系等特点。因此，生物膜反应器在污水处理中已得到越来越广泛 的应用。 本实验采用日本n e t 公司生产的新型填料一b i o f i l t e r 作为生物膜载体，进行处理生 活污水的探索性模拟实验，通过分别在不同h r t ( 水力停留时间) 一6 小时和4 小时的 条件下，对 活污水进行处理，考察系统对碳、氮等污染物的去除效晁并在处理效果 趣好的前提下，逐步增加原水污染物浓度，缩短水力停留时间，增大b i o f i l t e r 生物膜反 应器的容积负荷，以考察该新型填料所能处理的污染物负荷。 本实验共闫娥运行了2 8 5 天，取得了比较好酌处理效果。在较短的水力停留时间下 ( 6 小时知4 小时) ，原水c o d4 均去除率在9 0 以上列t n 也有定的处理效 果，r 兑明在一体式反应器中同时进行硝化反应和反硝化反应；且出水s s 可控制在 1 0 0 m g 儿以内，无需二沉池，处理成本低；另对实验设备的需求比较低，整套实验装置 仅需一台计量泵用于进水，节约了处理成本；该填料的c o d 负荷可以达到5 0 0 0 m g l ， 说明b i o f i l t e r 填料对c o d 负荷有很强的耐冲击能力。 关键词：生物膜反应器；填料；生活污水：b i o f i l t e r b i o f i l t e r 生物膜反应器处理生活废水的实验研究 s t u d y o nd o m e s t i c s e w a g e t r e a t m e n t u s i n g b i o f i i t e rb i o f f l mr e a c t o r a b s t r a c t b i o f i l mr e a c t o r sa r eb i o c h e m i c a lr e a c t i o ns y s t e m sd e v e l o p e df r o mt h es e l f - c l e a n s i n g m e c h a n i s m sb yt h es o i l b i o f i l mr e a c t o ri sah i g h l ye f f e c t i v ea n dc o m p a c tt e c h n o l o g yo f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t b i o f i l mr e a c t o rh a st h ea d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a la c t i v e ds l u d g ep m c e s s ， a n di t sp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i cw i n c hd i f f e r s t r a d i t i o n a la c f i v e ds l u d g ei st h a tt h eb i o m a s si s a t t a c h e dt of i l l e r sw i n c hi sf i x e du pa l o n gw i t ht h ew a t e ri nt h er e a c t o r i nc o n t r a s tt ot r a d i t i o n a l w a s t e w a t e r p r o c e s s i n g ，b i o f i l m r e a c t o r sh a v eh i g h p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , h i g hi m p a c tr e s i s t a n c e ， a n dt h ec a p a b i l i t yo fm a i n t a i n i n gas t a b l ei n t e r n a le c o s y s t e mw i t h o u ts e c o n d a r yp o l l u t i o n t h e r e f o r e t h e yu s u a l l yr e q u i r es m a l l e ra r e a , s i m p l e rm a n a g e m e n t ，a n d l o w e rc o s tf o r o p e r a t i o n r e c e n t l y , b i o f i l m r e a c t o r sh a v eb e e nm o r ea n dm o r eu s e di nw a s t e w a t e rp r o c e s s i n g i no u rs t u d y ，an e wt y p ef i l l i n gm a t e r i a ld e v e l o p e db yn e ti n c ，j a p a nw a su s e da st h e c a r r i e rf o rt h eb i o f i l m ，a n das e r i e so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw a se x p l o r e df o rp r o c e s s i n go f h o u s e h o l dw a s t e w a t e r t h ec a p a b i l i t yf o rr e m o v i n gc a r b o na n dn i t r i c p o l l u t a n t s ，a n d t h e m a x i m u ml o a df o rt h ef i l l i n gm a t e r i a lw e r et e s t e db yp r o c e s s i n gt h eh o u s e h o l dw a s t e w a t e ra ：t v a r i o i l s 珏u s g o o dp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e so ft h eb i o f i l ms y s t e mh a v eb e e nd e m o n s t r a t e dd u r i n gt h e i n t e r m i t t e n to p e r a t i o no f2 8 5d a y s t h ea v e r a g er e m o v i n gp e r c e n t a g ef o rt h ec o di nt h e o r i g i n a lw a s t e w a t e ri so v e r9 0 ，w i t hs i g n i f i c a n te f f e c t sf o rt n t h es si np r o c e s s e dw a t e r i s c o n t r o l l e dw i t h i n1 0 0m g l s e c o n d a r yd e p o s i t i o np o o li s n o tn e e d e d ，w i n c hr e d u c e st h e c o s t ，m o r e o v e lt h eb i o f i l mr e a c t o rs y s t e m h a sl o w r e q u i r e m e n t t ot h ee q u i p m e n t ，w h e r et h ec o s t i sr e d u c e df u r t h e rb y u s i n go n l y o n e p u m p f o rt h ew a s t e w a t e ri n l e ts t r e a m ，i tw a sf o u n dt h a tt h e m a x i m u mc o dl o a df o rt h es t u d i e df i l l i n gm a t e r i a li su pt o5 0 0 0m e , a - w h i c hd e m o n s t r a t e d t h ec a p a b i l i t yo f h i g hr e s i s t a n c ef o rt h ec o d l o a d i n g k e y w o r d s ：b i o f i l mr e a c t o r ；f i l l e r ；d o m e s t i c s e w a g e ；b i o f i l t e r 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：叠曼遣垒日期：巡：! ：之 大连理工大学硕士学位论文 第章绪论 水污染是目前主要的环境污染。有关资料显示，目前我国生活污水处理率仅为 2 0 ，大量的生活污水未能实现达标排放，水环境形势严峻。但由于技术和工艺条 件的限制，我国生活污水处理投资大，成本高，处理率低，效果不尽如人意。 目前我国生活污水处理技术主要采用活性污泥法，其技术原理是通过工程化处 理，利用污泥中的活性成分( 主要是各种微生物成分) 降解造成水污染的氮、磷以 及藻类等营养元素，从而达到自然净水的目的。国内通用的活性污泥法主要包括 a o 法、氧化沟法、s b r 法等几种模式，但存在成本高、处理不彻底和容易造成 对环境的“二次污染”问题，既不经济，处理效果也不理想。所以，新技术的开发 迫在眉睫。 生物膜技术是近年发展起来的一项新技术，其原理是利用现代生物工程技术， 针对水体污染物成分，高密度培养发酵不同功能的活性菌，按比例混合制成制剂， 形成生物膜，对水体中的富营养元素进行分解转化，实现净水目的。 1 1 概述 1 1 1 生物膜的研究概况及发展趋势 生物膜技术是一种新兴的工艺，近年来已被广泛的应用于生活污水和有机废水 的处理中。生物膜法是根据土壤自净的原理发展起来的，它与活性污泥法一样，同 属于好氧生物处理方法。从微生物对有机物降解过程的基本原理上分析，生物膜法 与活性污泥法是相同的，两者的主要不同点在于微生物在处理构筑物中存在的形式 不同。在活性污泥法中，微生物形成絮状，悬浮在混合液中，不停地与废水混合和 接触，称为悬浮生长。而在生物膜法中，微生物固定于载体的表面形成所谓的生物 膜，当废水流经其表面时，互相接触，称为附着生长。 与传统的活性污泥法相比，生物膜技术应用于生活污水处理具有五大技术优 势：一是投资省。目前国内的生活污水处理厂基础建设投资大，需要大量的机械设 备、管网和其它工程设施，投资成本每吨污水处理在1 0 0 0 元左右：而应用生物膜 技术投资设备少，占地小，处理每吨污水不到5 0 0 元，相比节约成本5 0 以上。二 是运行费用低。据测算，目前国内生活污水处理厂的直接运行成本，一般在每天处 b i o f i l t e r 生物膜反应器处理生活废水的实验研究 理每吨污水o 5 元至0 8 元之间；而应用生物膜技术处理污水每天每吨只需o 2 元 左右。三是产生的剩余污泥少，没有“二次污染”。采用传统的活性污泥法处理生 活污水，常由于大量污泥的堆放造成对环境的“二次污染”；而相同条件下制成生 物膜的微生物菌一旦将污水净化后，便会由于缺乏“营养”而自动消亡，不会造成 “二次污染”。四是效率高。生物膜表面积大，微生物菌密度高，每克制剂的微生 物菌含量高达5 0 - - 2 0 0 亿个，大大高于活性污泥中的自然微生物活性成份，同时还 可以多次投放，方便快捷，处理效果明显优于传统的活性污泥法。采用生物膜技 术，不仅能够有效治理湖泊的富营养化，而且有助于修复和强化湖泊的生态功能， 提高水体的自净能力。五是适合城市生活小区等小规模、有机负荷不高的污水处 理。应用生物膜技术投资省，运行费用低，并可节省管网建设成本，处理城市生活 小区等城市污水具有滑陛污泥法不可比拟的优势。 二十世纪初在英国伦敦最早投入使用的城市综合污水的生物法处理设施是人类 首次应用生物法处理污水。七十年代，随着工业水处理成本的上升，许多水处理专 家设想将生物法推广至小容量的工业水处理场合，提出了采用生物膜反应器 ( b i o f i l mr e a c t o r ) 处理水的设想，并在实验室开展了规模实验。八十年代，情况发 生了转变，国际水质协会( i a w q ，伦敦) 在w a t e r s c i e n c et e c h n o l o g y 上共出版了 四集关于生物膜处理水的论文。而w a t e rr e s e a r c h 近年则以近三分之一的版面论述 生物膜技术。目前的研究已由纯粹的“技术型”向理论层次拓展。 由于生物膜法与经典的活性污泥法均是先有应用后建立理论，所以，对于理 论，人们积累的经验比应用更多。目前，生物膜法应用研究开展较好的匿i 家有荷 兰、丹麦、德国、澳大利亚等 2 1 。丹麦大学早在八十年代就开展了生物膜处理高 浓度污水的实验工作，运行经验表明，生物膜法具有设备占地小、空间利用率高， 设备刷冲击力强，污泥的发生量大大减少，反应器易于实现自动化管理等诸多优 点。目前，生物膜法的处理设施较大的容量仅为每天几千立方米，规模属于小型设 备，处理的污水类型一般为高浓度生活污水和一些行业排放的商浓度有机废水瞄j 。 我国对生物膜反应器的研究也已取得一定的进展。哈尔滨建筑大学进行了生物 膜一活性污泥工艺处理焦化废水的研究 4 1 ；天津大学进行了移动床生物膜反应器处理 生活污水和循环移动载体生物膜反应器的试验等研究口】；同济大学进行了受污染原 2 大连理工大学硕士学位论文 水的弹性填料生物接触氧化处理挂膜试验的研究f 6 】；中国科学院生态环境中心和哈 尔滨工业大学与荷兰应用科学研究院联合进行了生物膜与活性污泥结合工艺脱氮除 磷的研究【7 】。哈尔滨工业大学进行了生物膜膜生物反应器处理生活污水的试验研究 吼 生物膜反应器技术也可用于气体的净化，并取得很好效果 9 】。在反应器中，一 些价格低廉、多孑l 的材料，作为微生物生长的载体，当废气通过时，微生物就消耗 利用其组分，消除了废气的难闻气味，净化了空气。生物膜也可用于处理固体废 物，并且不会造成二次污染，这就是通常所说的“生物腐败”带来的益处。人们 为了防止“生物腐败”，对一些物质进行处理以提高防腐性能或采用不易生物降解 的材料，如一些塑料包装。但作为废物来说，防腐往能越好，可生物降解性越差。 目前合理的解决办法，就是采用可被生物降解的包装材料或研究出反应器的最佳运 行参数。 利用砂石滤池中生长在砂粒上的生物膜净化饮水是生物膜技术在水处理。巴最早 的应用形式。将生物膜技术应用于污水处理始于1 9 世纪二三十年代。当时所用 的生物膜反应器是生物滤池，但由于生物过滤法体积负荷和b o d 去除率都较低， 环境卫生条件较差，在4 0 一6 0 年代有逐渐被潘眭污泥法代替的趋势。6 0 年代后，由 于新型合成材料的大量生产和环境保护对水质要求的进一步提高，生物膜法又获得 了新的发展，相继研制成功了塔式生物滤池，生物转盘，生物接触氧化法和生物流 化床等生物膜反应器。 1 1 2 生物膜的形成及特点 在净化构筑物中，填充着数量相当多的挂膜介质，当有机废水均匀地淋洒在介 质表面上时，便沿介质表面向下渗流，在充分供氧的条件下，接种的或原存在于废 水中的微生物就在介质表面增殖。这些微生物吸附废水中的有机物，迅速进行降解 有机物的生命活动，逐渐在介质表面形成黏液状的生长有极多微生物的膜，即称之 为生物膜。 随着微生物的不断繁殖增长，以及废水中悬浮物和微生物的不断沉积，使生物 膜的厚度不断增加，其结果是使生物膜的结构发生变化。膜的表面和废水接触，由 于吸取营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成了由好氧微生物和兼性 3 一 b i o f i l t e r 生物膜反应器处理生活废水的实验研究 微生物组成的好氧层( 1 2 n m ) 。在其内部和介质接触的部分，由于营养料和溶 解氧的供应条件差，微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，兼性微生物 转化为厌氧代谢方式，某些厌氧微生物恢复了活性，从而形成了由厌氧微生物和兼 性微生物组成的厌氧层。厌氧层是在生物膜达到一定厚度时才出现的，随着生物膜 的增厚和外伸，厌氧层也随着变厚。在负荷低的净化构筑物内，由于有机物氧化分 解比较完全，生物膜增长较慢，好氧层和厌氧层的界限并不明显。但在高负荷的净 化构筑物内，生物膜增长迅速，好氧层和厌氧层的分界比较明显。 在处理过程中，生物膜总是在不断地增长、更新、脱落。造成生物膜不断脱落 的原因有：水力冲刷、由于膜增厚造成重量的增大、原生动物的松动、厌氧层和介 质的粘结力较弱等。其中以水力冲刷最为重要。从处理要求看，生物膜的更新脱落 是完全必要的。生物膜是由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物以及一些肉眼 可见的蠕虫、昆虫的幼虫组成。生物膜是生物处理的基础，必须保持足够的数量。 一般认为，生物膜厚度介于2 - - 3 r a m 时较为理想。生物膜太厚，会影响通风，甚至 造成堵塞。厌氧层一旦产生，会使处理水质下降，而且厌氧代谢产物会恶化环境卫 生。 图1 1 生物膜模式图 f i g 1 1m o d e l f o r b i o m e m b r a n e s l s u c t t t r e 一4 大连理工大学硕士学位论文 1 1 3 生物膜中的物质迁移 潴 辩 圾艇胺好瓤联 l ti n 玛， f 牮蓦 ，一。 b o d l 0 3 空 气 曩辅 嬖戳祷 巍赳 衷毯康髓 图1 2 生物膜结构及其工作示意图 f i g 1 _ 2s c h c n 嘶c o f b i o m e m b r a n e s 缸l c n l i a n d w o r k i n g 从图1 2 可以看出，由于生物膜的吸附作用，在其表面有一层很薄的水层，称 之为附着水层。附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比滤池进水的有机物浓 度低褥多。因此，进入池内的废水沿膜面流动时，由于浓度差的作用，有机物会从 废水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧溶予废水 中，继而进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成，产 生的二氧化碳和其它代谢产物一部分溶入附着水层，一部分吸附到空气中去，如此 循环往复，使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。 在向生物膜细菌供氧的过程中，由于存在着气一液膜阻抗，因而速度甚慢。所 以，随着生物膜的厚度的增大，废水中的氧迅速地被表层的生物膜所耗尽，致使其 深层因氧不足而发生厌氧分解，积蓄了硫化氢、氨气、有机酸等代谢产物。但供氧 充足时，厌氧层的厚度是有限度的，此时产生的有机酸类能被厌氧菌及时地被氧化 成c 0 2 和h 2 0 ，而n h 3 和h 2 s 被自养菌氧化成n 0 2 - 、n 0 3 - 和s o ，_ 等，仍然维持 着生物膜的活性。 5 ， b i o f i l t c r 生物膜反应器处理生活废水的实验研究 从总体上讲，若供氧不足，厌氧菌将起主导作用，不仅丧失好氧生物分解的功 能，而且将使生物膜发生非正常的脱落。 1 ，1 4 生物膜净化废水的原理 生物膜呈蓬松的絮状结构，微孔多，表面积大，具有很强的吸附能力。生物膜 微生物以及吸附和沉积于膜上的有机物为营养料。增殖的生物膜脱落后进入废水， 在二次沉淀池中被截留下来，成为污泥。如果有机物负荷比较高，生物膜对吸附的 有机物来不及氧化分解时，能形成不稳定的污泥，这类污泥需要进行再处理，其处 理水的n 0 3 可在2 m g l 左右，b o d 5 去除率为6 0 - - 9 0 。若负荷低，废水经过处 理后，b o d 5 可以降到2 5 m g l 以下，硝酸盐( n 0 3 。) 含量在1 0 m g t c 以下。 1 1 5 生物膜的发展过程及影响因素 对生物膜的发展过程已有许多研究，但对其形成机理研究仍不太成熟1 1 “。 理论上讲，污水中任何固体的表面都能生成生物膜，只是所需时间有所不同。 污水的水质和载体的性质是决定生物膜形成快慢的主要因素。细菌属亲水粒子，且 表面通常带有负电荷，填料表面的正电位越高，亲水性越大，表西越粗糙，细菌越 容易附着在填料生成生物膜f 1 3 l 。 悬浮微生物一旦接近载体表面，就能在特定距离内与表面产生一个静电引力， 这个力有助于克服微生物在载体表面附着生长的能障，使微生物吸引到表面，以后 微生物利用其鞭毛、纤毛，更可能借助子胞外多糖聚合物粘附于载体表面。 据报道，有机营养物分子吸附至载体表面对微生物定居起了推动作用f 1 4 】。 已附着在载体上的细菌及其产生的胞外多糖，使载体表面呈胶质粘着状，称为 膜基( b a s i cf i l mo rs u b - b i o f i l m ) 。有研究发现，膜基的形成对微生物附着形成完整 生物膜十分重要，而厌氧生物膜的形成需要较厚的膜基，这也是在相同载体上厌氧 生物膜形成需较长时间的原因之。 定居于载体表面的微生物生长繁殖，同时产生更多的胞外聚合物，吸附水相中 悬浮细菌，使生物膜进一步发展，并覆盖于整个载体表面形成生物膜。 1 1 6 生物膜的生态优势 生物膜的生态优势主要表现在以下几个方面【l 6 j ： ( 1 ) 由于外聚合物具有很强的吸附能力，可以从流动的水中不断摄取营养物 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 质，同时胞外聚合物也为胞外酶提供了吸野| 表面，酶和“食物”在固体界面上由于 吸附而浓缩，从而提高酶促反应的速度，使得在污水有机物不断去除的同时，微生 物得以生长繁殖。 ( 2 ) 可以抵抗短时间的毒物及p h 冲击，对脱水也有一定抗性，在一些生物 膜法工艺中，由于胞外聚合物对水有高的亲合力，一定时间内停进污水，不会使生 物膜干化而遭到破坏。生长于生物膜基质中的微生物比分散状态生活时对有毒物质 的抗性增强，其机理并不是基质阻碍了有害物质向生物膜内扩散，尽管生物膜内有 降解有毒物质的酶存在，并确实具有阻碍作用。研究认为，真正的原因是包埋于生 物膜中的细胞的生理特性有所变化，生理特性不同，对很多有害物质的敏感性也不 同，同一种微生物，生活在生物膜中比悬浮状态忍受有毒物质的浓度可高出 5 0 , - - 5 0 0 倍”1 。例如用生物膜反应器处理有毒的酚类废水比活性污泥法更有效m 】。 而生物膜对有害物质的抗性对环境保护尤其重要。 ( 3 ) 生物膜重要的特点之一是形成微生物群体口9 。因为微生物在胶体基质的 某一位置停留时间较长，可形成较稳定的生态，这种营养关系使食物链延长，生物 相更加多样化，种类多样的微生物聚集在一起就形成微生物群体。微生物群体中的 生物相和环境相对应，所处的空间位置以及和污染物接触的先后顺序决定了生物膜 的微生物组成，从而形成不司的生态区。例如，在好氧环境中。氧通过扩散作用供 给微生物，当生物膜厚度达到5 0 1 5 0 pm 时，生物膜基质就会对氧的扩散有阻 碍，生物膜开始分层，表面为好氧层，内层为厌氧环境。 在处理污染物时，利用的就是微生物群体而不是个别菌种。在微生物群体中， 各种微生物之间关系十分复杂，存在着荚生、互生、寄生和拮抗的关系，然而作为 群体却有自己的规律。有机物去除动力学正是基予这种规律，如些难以降解的物 质如纤维素、几丁质等可以被微生物群体以一定的顺序彻底分解利用。 1 2 生物膜法在水处理应用中的研究 废水的生物膜处理法，简称生物膜法，日本多称为生物过滤法，是不同于活性 污泥法的又一大类废水生物处理法。它与活性污泥法的主要区别在于其微生物处于 附着生长状态，而活性污泥法为悬浮生长状态。 一7 一 b i o f i l t e r 生物膜反应器处理生活废水的实验研究 生物膜法是土壤自净和河床净化过程的人工模拟和强化。生物膜通常为微生 物、原生动物、后生动物集群生长、繁育的膜状生物性污泥。与活性污泥法相比， 耐冲击负荷、耐毒性、耐泡沫影响且无污泥膨胀问题，是生物膜法的普遍性优点。 按照生物膜法附着生长的状态特点，可将其分为生物滤池法、生物接触氧化 法、生物转盘法、生物流化床法等，现结合各法的操作方式、工艺特点、处理效率 等分别评述如下。 1 2 1 生物滤池法 1 8 9 3 年英国的科贝特( c o r b e t t ) 创建了世界上第一个具有喷嘴布水装置的洒 滴滤池，经一段时间的污水处理实践后，迅速地在欧洲一些国家得到了广泛的应用 2 0 1 。 当污水或废水长期滴洒在固体滤料表面对，就会在滤料表面上形成生物膜。生 物膜成熟后，其上的微生物就可摄取废水中的有机物作为营养，从而使废水得以净 化。微生物的需氧由滤池的自然通风而得。 生物滤池有普通生物滤池和塔式生物滤池之分。在普通生物滤池中，又可分为 普通低负荷生物滤池和普通高负荷生物滤池。 圉1 3 生物滤池的一般构造 f i g 1 3s t r u c t u r e o f b i o f i l t e r 池 壁 普通生物滤池由池体、滤料、布水装置和排水系统四部分组成。滤料是生物滤 池的主体部分，对生物滤池的净化功能关系重大。普通生物滤池一般以礤石、卵 8 一 大连理工大学硕士学位论文 石、焦炭和炉渣为滤料，分为工作层和承托层两层填充，布水系统多为喷嘴喷洒布 水。当对处理水进行回流以后，普通低复合生物滤池就变成了普通高复合生物滤 池。当然，滤池间串联也可实现高复合效果1 2 ”。 塔式生物滤池是一种高池深、高负荷率运行的生物滤池。塔式生物滤池相当于 多个普通滤池的串联运行，且由于塔身高，增加了通风流量，故可以提高处理效 率。塔式生物滤池使用的填料多为各种材质的波纹板、蜂窝和管式填料。 厂、厂、八厂、， ( a ) ( b ) ( c ) ( a ) 波纹状：c o ) 管状：( c ) 蜂窝状 图1 4 几种填料的断面形状 f i g 1 4 s h a p e o f f i l l e r s 塔式生物滤池与普通生物滤池相比，具有处理能力强、占地面积小等优点，故 国内外应用者较多。近年来，我国在有机化工、石油化工、纺织印染等废水处理方 面也有许多应用。 1 2 2 生物接触氧化法 生物接触氧化法也称浸没式生物滤池、浸没式曝气法，是在本世纪初德国的克 洛斯( c l o o s ) 、贝奇( b a c h ) 、美国的布斯韦尔( b u s w e l l ) 等人试验研究的接触 曝气法基础之上改良演化而来的。7 0 年代初，日本的小岛贞男在受污染水源研究 中，采用塑料蜂窝填料作为生物接触氧化法的载体，增加了固定生物膜面积，提高 了处理效果。接着逐步推广到生活污水和工业污水的三级处理中。我国有关单位 9 b i o f i l t e r 生物膜反应器处理生活废水的实验研究 1 9 7 5 年对该法进行试验研究，目前在化工废水、纺织印染废水、啤酒废水、制药 废水、食品废水、屠宰废水、焦化与煤气废水等方面已有大量应用口2 1 。 生物接触氧化法亦在池内设置填料，填料上长满生物膜，废水与生物膜接触， 在生物膜上微生物的作用下得以净化。生物氧化法的供氧方式与活性污泥法基本相 同。 生物接触氧化法的主体是填料( 生物膜载体) 。填料大致分两类，即空隙不可 变的硬性填料和空隙可变的软性填料。硬性填料有焦炭、活性炭、波纹板、蜂窝 等。硬性填料的缺点是水力流通性差，传质不好，有生物膜堵塞现象。软性填料是 近年来才发展起来的，我国应用较多。由纤维束、中心绳和塑料环构成，纤维束是 生物膜的载体。软填料空隙可变，气水配布好，但容易结团，使有效表面积变小， 故在软填料基础之上，人们又研制出半软填料。半软填料基本有两类，一类是在塑 料环上下功夫，使纤维束不易彼此搭住结团，这类填料有盾式填料、笼式填料等。 另一类是所谓的弹性填料，是由塑料或尼龙等拉丝组合而成，这些丝本身是有一定 强度的，因此填料本身也有一定强度，彼此不易搭结成团矧。 生物接触氧化法的曝气设备一般设在填料下，不仅供氧充足，而且对生物膜起 到了搅拌作用，加速了生物膜的更新，故生物接触氧化法的生物膜活性一般高于生 物滤池。同时，曝气的搅拌作用增加了传质效果，再加上生物接触氧化法的高生物 膜浓度( 一般1 0 2 0 9 l ) ，使得生物接触氧化法与活性污泥法、生物滤池、生物 转盘相比，废水处理效率明显提高，人们常用此法处理较高浓度的有机废水。 生物接触氧化法虽然可在较高有机负荷下有效的运行，但剩余污泥量相对并不 大。这主要是因为它的生物量大，容积负荷虽然高，但污泥负荷并不高，故污泥净 增长量并不大。生物接触氧化法在运行控制方面是比较简便的，也比较容易维护管 理，这也是其应用较多的一个原因。 1 2 3 生物转盘 生物转盘是1 9 6 0 年德国的哈特曼( h a r t m a n n ) 等人研制的一种生物膜废水处 理技术。据报道，到1 9 7 1 年，欧洲已有4 0 0 多个污水处理厂应用了生物转盘技 术。日本称其为“生物圆盘滤池”，也有大量应用。我国自t 9 7 2 年开始研究，目 1 0 大连理工大学硕士学位论文 前已在石油化工、有机化工、化工纤维、生物制品、制草、印染等行业的废水处理 中得以广泛应用。 生物转盘的主体是同轴等间距的多组圆盘片构成的转体，半浸于水槽中，盘片 上附着生长生物膜。当转片转动时，下部与废水接触进行有机物摄取，上部与空气 接触进行充氧，使有机物得以氧化分解，废水得以净化。与生物滤池、生物接触氧 化法不同的是，生物转盘是生物膜在水中回转。而前二法是生物膜固定，废水循环 运动 2 4 】。 生物转盘是一种能耗低、运行费用低、运行可靠、易于维护管理的处理构筑 物。在实际应用中，生物转盘多为几级串联或串联并联混合使用。串联时，各级转 盘的生物相不同，均依据各级瀛入的废水性质而生长繁殖，这一特点对有机物的降 解非常有利。生物转盘上的生物膜量很大，折算成曝气池的m l v s s ，可达 4 0 q s 0 9 l ，这是其耐冲击负荷和剩余污泥量小的主要原因。由于转盘上的生物量 大剩余污泥量小，故其污泥龄较长，使得硝化菌、反硝化菌易于增殖，所以生物 转盘常有硝化和脱氮作用。 盘片是生物转盘的主要组成部分，是生物膜附着繁育的场所，因此要求盘片表 面积要大。盘片多为轻质高强度耐腐材料制成，如聚苯乙烯泡沫材料、聚氯乙烯、 玻璃钢等，也有铝板的，但很少用钢板。盘片表面一般打毛，以利于挂膜。 生物转盘多为机械驱动，也有空气驱动的。生物转盘也适用于处理高浓度废 水。在设计生物转盘时，常用b o d 面积负荷，而生物滤池、生物接触氧化法多用 b o d 容积负荷，并且，与塔式生物滤池、生物接触氧化法的b o d 容积负荷比较 时，一般均低于后两者。所以生物转盘自身具有很多优点，但处理效率并不很高。 1 2 4 生物流化床 流化床本来是化学工程领域的一种技术，人们将流化态反应技术应用到废水处 理过程中，形成了废水的生物流化床处理法。1 9 7 1 年，美国的杰理斯( j e r i s ) 等最 早在水污染控制协会第4 4 届年会上，提出了用生物粒子流化床高效脱氮的报告。 1 9 7 5 年，他又发表了中试报告，并申请了专利。在上述工作的基础上，他于1 9 7 7 年完成了纯氧生物流化床去除城市污水中b o d 和氮素的试验，取得了重大突破， 较之活性污泥法，效率大幅度提高，占地面积大大减少。之后，加拿大、英国、同 b i o f i l t e r 生物膜反应器处理生活废水的实验研究 本和澳大利亚等国也积极开展研究，有力地促进了生物流化床的发展。世界上第一 座生物流化床废水处理设施1 9 7 8 年建于英国，用于脱氮。1 9 7 9 年，美国在佛罗里 达州建造了四座生物流化床，也用于脱氮。纽约还建造了一个污水二级处理厂，使 用了6 1 m 的u 型管为纯氧器，基建投资比活性污泥法便宜了2 3 。日本在盘城市 投产了一座生物流化床，用于处理较高浓度的生活污水 2 5 】。 近年来，我国的一些科研单位和高校也对纯氧、空气为氧源的生物流化床处 理工业废水和城市污水，进行了广泛研究并取得了较好的结果，所研究处理的废水 包括制药废水、纺织印染废水、农药废水、含酚废水、有机化工废水、食品废水、 味精废水等多类，研究的着眼点多在处理效果上。近一两年来，我国已有小规模的 废水处理实际工程，所处理的废水为印染、食品废水等，并且，成套的三相生物流 化床设备也已在国内问世。 生物流化床可分为二相生物流化床和三相生物流化床两类。二相为液( 废 水) 、固( 载体) 相，三相为液、固、气( 氧源) 相。在操作上，二相生物流化床 需先对废水进行充氧，充氧后的废水自底部进入床体，与挂有生物膜的载体接触， 使废水中的有机物降解，处理水自流化床上部排出。由于一次充氧不能满足有机物 降解时的微生物需氧要求，甚至不能满足微生物的内源呼吸需求，赦要对处理水进 行多次充氧。此外，仅靠原废水的进水流量一般不能使载体流化，故二相生物流化 床采用了大回流水量以满足供氧和流化要求。二相生物流化床生物膜生长较快，自 行脱落能力差。故常设脱膜器进行脱膜。在三相流化床中，废水和空气( 或氧气) 自流化床底部进入床体，与生物粒子充分接触，使有机物降解，处理水连同脱落的 生物膜从床上部排八二沉池。三相生物流化床一般不必回流。由于床内三相流接触 剧烈，多余的生物膜可自行脱落，故一般不用脱膜设备【2 6 】。 生物流化床的载体一般为小粒径的聚苯乙烯球、活性炭、无烟煤、焦炭、建筑 砂、石英砂等。由于其比重大于水，致使流化困难，故在三相流化床中，多采用内 循环式，即在床内设一中空管，使空气进入管内，靠高速上向流气体将床底部的载 体及废水带进管中，从管顶喷出流下，形成流化态。这种类型的流化床上部均设置 三相分离器阻进行固、液、气三相分离。内循环式三相生物流化床内管为三相， 内、外管间为两相，下向流，测定表明有推流性质，我国应用的就是这种。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 图1 5 生物流化床工艺流程 f i 晷1 5f l o wo f b i o l o g i c a l f l u i d i z e d b e d 生物流化床，特别是二二相生物流化床具有很高的处理能力，这方面是其他生物 处理法所不能比拟的。三相生物流化床中的生物膜量并不很大，但其生化活性很 高，且传质速率也很高，后两者是生物流化床高效的主要原因1 2 7 1 。 在生物流化床中，不仅有附着于载体上的生物膜，也有悬浮的生物量( 多为脱 落膜) ，在床中二者所占的比例会因三相分离器的大小和形状而异。此外，在三相 生物流化床中，不仅存在液相的剧烈混合，同时还存在着固一液、固一气、气一液剧 烈的相对运动，这大大加速了基质和氧的转移速率，增强了传质作用，从而加速了 生化反应的进行以上两种因素是三相生物流化床高效的主要原因。 占地面积小是生物流化床的另个显著优点。 生物流化床在国内目前应用较少，主要原因是目前的流化床在构建、流化启 动、维护管理等方面还存在一些问题，尚需改善。 1 2 5 投料曝气活性污泥法 按废水净化的承担主体定义，投料曝气活性污泥法也应属于生物膜泫一类。投 料曝气活性污泥法也始于国外，目前己在工程中有实际应用。8 0 年代国内曾进过 研究，因动力消耗高，维护管理难度大而未深入进行。 1 3 b i o f i l t e r 生物膜反应器处理生活废水的实验研究 投料曝气活性污泥法与三相生物流化床相似，也是三相混合流态。在活性污泥 系统中。投入载体，使之挂膜并流态化，就实现了投料曝气活性污泥法的基本操 作，流动动力也是空气和氧气。 投料曝气活性污泥法的技术关键是载体。与填料曝气不同，投料曝气工艺中的 生物载体是在池中自由浮动的，它们的表面长满生物膜，在随水流动的互相碰撞中 老化的生物膜脱落，使生物膜不断更新，微生物的活性始终保持良好状态。显然这 种形式的载体不会造成生物膜阻塞和填料互相缠结等问题，是一种理想的填料方 式，多年来一直是业界研究的方向，2 0 年前天津就曾立项研究以砂粒为生物载体 的投料曝气，但由于砂粒密度太大、浮动困难而达不到实用要求。后来转向人工填 料，德国l i n p o r 工艺就是一种实用化的投料曝气工型2 鼢。 l i n p o r 工艺是德国l i n p o r 公司的专利技术，其技术核心是l i n p o r 载体， 这是一种微孔泡沫塑料立方体，它的孔隙度、比表面积、颗粒尺寸、密度、均匀 度、吸湿度以及机械、化学、生物稳定性都有严格要求，能在生化池中随水流动而 又不会流失，能附着生物膜又能自动脱落，互相碰撞时不会破碎，在污水中长期浸 泡不变形。此外它还有一个特性，就是可以同时形成好氧和厌氧微环境，它的外层 生物膜处于好氧状态，内层生物膜处于缺氧状态，可同时发生硝化反硝化反应，具 有一定的脱氮能力。 通常在生化池中投加的l d 帅o r 载体量为1 5 一3 0 ，增加载体量即增加生物 量，提高了污泥浓度，所以当需要增加处理量或提高处理标准对，可以通过增加载 体量而不是增大生化池的容积来实现。 l i n p o r 工艺在围外已有1 0 多年的历史，现在开始进入我国。大连春柳河污 水处理厂改造后( 规模由6 x1 0 4 m 3 d 增加到8 1 0 4 m 3 d ) 即采用l i n p o r 工艺， 现已投产且出水达标。铁岭市污水处理厂也采用该工艺。 我国8 0 年代研究使用的是焦炭，因比重大，流化动耗大且难于维护管理而未 实际应用。最近，吉林建筑工程学院的尹军等人利用自行研制的多孔性泡沫材料作 为载体，进行投料曝气活性污泥法处理试验研究获得成功。主要体现在四个方面。 一是载体易于挂膜，一般一两周即可完成挂膜过程，减少了工程上的启动困难；二 是挂膜后的生物粒子比重稍大于水，流化易于实现，正常的曝气量就可使生物粒子 1 4 大连理工大学硕士学位论文 流态化，不需额外的流化动力，减少了动力消耗和故障发生率：三是处理能力强， 处理效果好，基本与三相生物流化床的处理能力相似；四是反应器的基本构造与活 性污泥法相同，基本无外加辅助设备，易于现有活性污泥法废水处理厂的改造。此 项技术的成功，可能会使投料曝气活性污泥法有广泛的实用前景。 1 _ 3 生物膜填料的应用 在生物膜法水处理中，填料是微生物赖以栖息的场所，影响微生物的生长、繁 殖、脱落和形态。填料有切割、阻挡气泡和吸附的作用，加快氧的转移速率，提高 传质效果。填料选型关系至4 污染物的去除效果和投资费用【2 9 】。 目前，国内生物膜反应器中常用的填料种类有固定式填料、悬挂式填料和分散 式填料【。 1 3 1 固定式填料 固定式填料在生物膜技术发展的各个阶段，得到较为广泛的应用。固定式填料 以蜂窝填料和球形填料为代表。在2 0 世纪5 0 一6 0 年代，固定式填料在污水生物处 理中发挥着极其重要的作用。 生物接触氧化池较多采用固定填料，经生产运行数据表明：其一，反应池中有 较高的生物浓度和生物活性，可有效去除废水中的有机污染物质，对b o d 的去除 率可达到8 5 9 0 ；其二，体积负荷相对于活性污泥法提高，处理时间短，可减 少反应器容积：其三，与活性污泥法相比较，其动力效率提高3 0 左右；其四，克 服了活性污泥法中污泥膨胀的缺点，污泥产量低等。 但是由于固定式填料比表面积小、生物膜量少，且表面光滑，生物膜易脱落， 致使这些填料在使用中常会遇到堵塞、结团、布气布水不均匀、充氧性8 差等缺 点。此外，上述填料均需安装在辅助支架上，造成安装、更换诸多不便，使工程投 资和运转费用相对提高f 3 1 。 1 3 2 悬挂式填料 悬挂式填料包括鞔陛、半软性及组合填料。 ( 1 ) 软性填料 一1 5 b i o f i l t e r 生物膜反应器处理生活废水的实验研究 以软性纤维填料为代表。软性纤维填料比表面积远大于固定式填料，理论比表 面积为1 2 0 0 m 2 m 3 2 5 0 0 m 2 m 3 ，孔隙率 9 0 ，挂膜速度快，不易堵塞，出水水质稳 定，处理效果好，造价低，组装方便。 但当布气不均匀时，纤维素不能像伞样均匀四面散开，而是随充氧方向倾 斜，所以对充氧布气要求很高。当废水浓度高时，填料易结团，减少了实际比表面 积，且填料易发生断丝，中心绳松动等情况，寿命较短弛】， ( 2 ) 半软性填料 针对软性填料的不足，业内专家对软性填料进行了改良，即后来发展起来的半 软性填料，以b s 半软性填料为代表。半软性填料的理论比表面积8 5 m 2 m 3 15 0 m 2 m 3 较软性填料小，造价较软性填料高。 半软性填料对气水混合流体可造成碰撞及切割作用。传氧速率较软性填料提 高，c o d 及b o d 去除率可达7 0 - 8 0 ，挂膜效果好，不易堵塞。 ( 3 ) 组合式填料 组合式填料是基于软性填料的比表面积大、易挂膜和半软性填料的不结团、布 气均匀的优点基础上设计的一种填料，以y d t 弹性立体填料为例。 y d t 由于其具放射状弹性丝的立体构形，对气水混合流体起多层次的连续碰 撞和把大气泡割成小气泡的作用，大大加速了氧的转移速率，除此之外，y d t 弹 性丝表面有微毛刺，可吸附众多的小气泡附着在上面，延长了接触时间，提高氧转 移量。y d t