（环境工程专业论文）生物接触氧化工艺改造购物中心污水处理的应用研究.pdf

国内图书分类号：丕z q 3 ：】 国际图书分类号 硕士学位论文 生物接触氧化工艺改造购物中心 污水处理的应用研究 硕士研究生：圣卫刚 导师姓名：蟹堡堡麴撞 申请学位级别：王堂亟 学科、专业：叠墟王攫 所在单位：巫境皇壶亟王程堂医 答辩日期：2 q q z 生垦县 学位授予单位：置鸯理王太堂 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 近年来，购物中心开始在我国，特别是经济发达地区得到蓬勃发展。2 0 0 3 年 以来大体保持在年增长8 5 家左右，2 0 0 6 年增长速度和数量均慢于2 0 0 5 年，与2 0 0 3 年和2 0 0 4 年基本持平，中国购物中心进入了稳步发展时期。然而，购物中心污水 属于混合污水，包括生鲜食品加工间污水、附属餐饮店污水以及卫生间生活污水 等。污水有机物含量高，可生化性好，固体悬浮物含量高，水温较低，如不处理 就直接排放，将会对水环境造成严重的污染。 本课题来源于一个购物中心污水站( 青岛佳世客购物中心污水处理站) 的实际 改造工程，并在青岛佳世客购物中心污水处理站进行了现场试验研究和相关实验 室实验。 ( 1 ) 本文简述了购物中心的发展过程和国内外对该种污水的治理工艺研究和 应用现状，通过现场调查，另外受改造条件所限，确定采用生物接触氧化工艺、 回流、增加曝气量等措施改造原有污水处理站。研究了工艺的启动过程，考查了 工艺的运行情况，确定了适用于该种污水的工艺流程。 ( 2 ) 本文考查了生物接触氧化工艺的启动过程。根据现场实际情况采用直接 间歇挂膜法启动，采用固定基质浓度，逐步增加进水量的方法进行污泥的培养和 驯化，该工艺在1 5 天可完成启动。进水平均c o d 为1 2 0 0 m g l ，c o d 去除率高达 9 0 左右；工艺对污水中的悬浮物( s s ) 同样有较好的去除率；但是受改造条件 所限，设计的曝气量没能得到保证，系统对n h s - n 的去除率不高，这说明了曝气 量的重要性。 ( 3 ) 本文还分析了生物接触氧化工艺在启动运行期间出现的问题及其原因。 ( 4 ) 最后对整个工程进行了技术、经济、效益分析，通过分析得知，采用生 物接触氧化工艺处理购物中心污水在技术上是可行的，投资运行费用较低，并且 能够产生良好的社会效益和环境效益。 本课题的研究结果为该种购物中心污水的处理提供了重要的技术指导，采用 生物接触氧化法处理购物中心污水是可行的，对类似工程有一定的指导和借鉴作 用。 关键词生物接触氧化；购物中心；改造；启动；运行；技术经济分析 重塑堡三奎兰三耋堡圭耋堡篁圣 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s h o p p i n gc e n t e rh a sb e e nf l o u r i s h e di no u rc o u n t r y ，e s p e c i a l l yi n d e v e l o p e da r e a s i th a sb e e ni n c r e a s e da p p r o x i m a t e l y8 5p e ry e a rf r o m2 0 0 3 ，t h e i n c r e a s i n gr a t ea n ds c a l ei n2 0 0 6w e r es l o w e rt h a nt h a ti n2 0 0 5 k e e p i n gt h es a m ea s t h a ti n2 0 0 3a n d2 0 0 4 ，t h es h o p p i n gc e n t e ri nc h i n ah a sc o m ei n t oas t e a d i l y d e v e l o p m e n tp e r i o d h o w e v e r , s h o p p i n gc e n t e r w a s t e w a t e ri sm i x e dw a s t e w a t e r , i n c l u d i n gw a s t e w a t e rf r o mf o o dp r o c e s s ，s i d en o s h e r ya n dt o i l e t t h i sk i n dw a s t e w a t e r c o n t e n t sh i g ho r g a n i cm a t t e r sw e l lb i o d e g r a d ea b i l i t y ，h i g hs sc o n c e n t r a t i o n , l o w t e m p e r a t u r e ，i f d i s c h a r g ew i t h o u tp r o c e s s ，i tw i l lp o l l u t ew a t e re n v i r o n m e n ts e r i o u s l y t h i sr e s e a r c hc o m e sf r o map r a c t i c er e b u i l dp r o j e c to faw a s t e w a t e rs t a t i o n ( q i n g d a oj u s c os h o p p i n g c e n t e rw a s t e w a t e rs t a t i o n ) ，a n dm a k et h er e l e v a n t e x p e r i m e n t si nt h ef i e l da n dl a b ( 1 ) t h i sp a p e rg e n e r a l i z e st h ed e v e l o p m e n to fs h o p p i n gc e n t e ra n dt h ep r e s e n t s i t u a t i o no f i t st r e a t m e n tm e t h o d sa th o m ea n da b r o a d i na d d i t i o n ，b ys u r v e yo nt h es p o t a n dt h el i m i t so fr e b u i l dc o n d i t i o n , w ed e c i d et om o d i f yt h ef o r m e rw a s t e w a t e rs t a t i o n b yb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ，r e f l u e n c ea n de n h a n c i n gt h ea i rc a p a c i t y t h i s p a p e ra l s od i s c u s s e st h es t a r t - u pp r o c e s sa n dr u n n i n ga f t e ral o n gt i m e 。sf u l l - s c a l e r e s e a r c ha n df i n do u tt h ee f f e c t i v ep r o c e s sf o rt h i sk i n do f w a s t e w a t e ra tl a s t ( 2 ) t h i sp a p e rh a sh a dad e e p e rs e a r c ho nt h es t a r t - u pp r o c e s so ft h ec o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a li n s t a n c e ，w ed e c i d et os t a r tu pt h ep r o c e s s b yd i r e c ta n di n t e r m i s s i o nh a n gf i l lm e t h o d ，t of o s t e ra n dd o m e s t i c a t et h es l u d g eb y k e e p i n gs u b s t r a t ea n di n c r e a s i n gi n f l o ws t e pb ys t e p t h ep r o c e s s c a nf i n i s hi no n l y1 5 d a y s t h et o t a lc o dr e m o v a lr a t e su pt o9 0 w h e nt h ea v e r a g ei n f l o wc o di s 1 2 0 0 m g l t h i st e c h n i q u ea l s oh a sag o o de f f i c i e n c yo ns sb u tl o wn h 3 一nr e m o v a l b e c a u s eo f t h el i m i t so f r e b u i l dc o n d i t i o n i ts h o w st h a tt h ee s s e n t i a l i t yo f a i rc a p a c i t y ( 3 ) t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e st h ep r o b l e ma r i s i n gi nt h es t a r t - u pa n dt a n n i n ga n dt h e i r r e a s o n s ( 4 ) a tl a s t , a n a l y s e st h et e c h n o l o g y ，e c o n o m i ca n db e n e f i to ft h ep r o j e c la f t e r a n a l y s i s ，w ec a nc o n c l u d et h a ti ti su s e f u lt od i s p o s et h es h o p p i n gc e n t e rw a s t e w a t e rb y 重墅堡三奎茎三茎堡圭耋堡篁圣 b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ，t h ei n v e s t m e n ta n dr u n n i n gf e ei sv e r yl o w , a n di t c a l lp r o d u c ef a v o r a b l es o c i a lb e n e f i ta n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t t h er e s u l to ft h er e s e a r c hc a ng i v et e c h n i c a li n s t r u c t i o nf o rt h et r e a t m e n to ft h i s k i n dw a s t e w a t e r , a n di ti sf e a s i b l et o d i s p o s et h es h o p p i n gc e n t e rw a s t e w a t e rb y b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ，i ti su s e f u lf o rr e f e r e n c ea n di n s t r u c t i v ef o rs i m i l a r p r o j e c t s k e yw o r d sb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n ，s h o p p i n gc e n t e r , m o d i f y i n g ，s t a r t - u p ，r u n n i n g ， a n a l y s i so f t e c h n o l o g ya n de c o n o m i c i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景、意义和目的 1 1 1 研究背景1 - 2 1 购物中心起源于美国，其概念最早在1 9 0 7 年在美国诞生，并从5 0 年代后期 迅速发展起来。2 0 世纪是购物中心发展最活跃、最辉煌的时期，它是在1 9 世纪原 型的基础上真正走向成熟，成为现代先进的商业经营和管理方式的代表，并在世 界范围内广泛兴起。 近年来，购物中心开始在我国，特别是经济发达地区得到重视和发展。 2 0 世纪8 0 年代以前，我国没有购物中心，商业形态为各种类型的供销社、百 货大楼，而且其产权属于国家或集体，经营与场所的投入没有严格的经济关系。 2 0 世纪8 0 年代中后期开始在北京、上海等大中城市出现“购物中心”，严格 来讲属于较成规模的百货店。可以说，国内购物中心的雏形就是百货公司；换句 话讲，8 0 年代中后期、9 0 年代初期流行的“购物中心”只相当于严格意义上购物 中心的一个主力店。 2 0 世纪9 0 年代中期开始，中国出现了一批真正的购物中心。这些购物中心业 态复合较高，规模面积也较大，具有吃、喝、玩、乐和购物等综合功能，经营比 较成功，基本具有了购物中心的特征。如北京的万通、丰联、国贸、新世界中心、 庄胜崇光百货广场和东方广场，上海的八佰伴、友谊商场和港汇广场，广州的天 河城和中华广场，大连胜利广场和新玛特，武汉的武汉广场，沈阳的东亚广场等 等。这批购物中心有相当一部分是房地产商开发的。他们采取分割出售的方法， 导致这些购物中心变成了小商品市场。 据统计，2 0 0 0 年中国达到一定规模的购物中心已有2 0 0 多家，每个大城市几 乎都有大型的购物中心，中国购物中心进入了发展时期。 2 0 世纪9 0 年代末期，中国逐步形成了一批业态复合度较高、规模面积也较高、 规模面积也较大且经营也较成功的真正的购物中心。2 0 0 2 年，随着上海正大广场、 深圳铜锣湾广场、宁波天一广场、厦门“s m 城市广场”、大连和平广场等一批具 有国际水准购物中心的开业，标志着中国大陆购物中心发展步入了一个新的时期。 青岛理工大学工学硕士学位论文 深圳铜锣湾广场作为中国内地首家连锁大型购物中心，标志着大型购物中心连锁 发展的开始。 2 0 0 0 年以后，中国各地建设大型购物中心的热情开始出现，一些超大型购物 中心正在建设或计划建设之中。国内一些大型零售商业集团、房地产开发企业、 海外传统零售集团与专业购物中心开发商，已开始在全国各大城市开发一批购物 中心，其中泰国正大集团、大连万达、上海华联、北京华联、深圳铜锣湾广场、 香港新世界集团等均计划在全国建设连锁购物中心，正在建设的一些购物中心呈 现出超大规模的特征，如成都熊猫城购物中心。 1 1 2 研究目的及意义 近年来，大型购物中心大量兴起，然而，其污水处理的研究相对于其他高浓 度有机废水处理的研究来说有些滞后，购物中心污水属于混合污水，包括生鲜食 品加工问污水、附属餐饮店污水以及卫生间生活污水等。污水有机物含量高，可 生化性好，固体悬浮物含量高，如不处理就直接排放，将会对水环境造成严重的 污染。目前，我国一般采用物理化学和生物处理相结合的办法对该类废水进行处 理。 目前国内关于此类污水相关研究和工程实例的报道较少，设计也没有现成的 工艺设计参数可供选择，一般都依据设计经验对相关参数进行估算，这样工程投 产后往往达不到预期目标，甚至停产整顿，浪费巨大的资金和人力物力。本课题 希望通过研究，对待建和已建购物中心污水处理站的改扩建工程提供技术支持， 为购物中心综合污水的处理，提出一种投资省、运行费用低、管理操作简单的新 工艺，切实解决我国购物中心水污染控制中存在的问题，从而取得良好的环境效 益和社会效益。 1 2 国内外研究应用现状 从7 0 年代后期起，国外学者对生物接触氧化法在应用范围、填料选材、提高 氧转移效率、氧化池型式设计及微生物选育和挂膜技术等方面都作了大量的研究 工作。ef d z p o l a n e o 等3 1 研究了淹没式生物滤池中异养菌和硝化菌的空间分布情 况；s g o n z a l e z 等h 1 研究了淹没式生物滤池的反应动力学；s v i l l a v e r d e 等5 卅研究 了p h 值对淹没式生物滤池的影响，还研究了淹没式生物滤池中游离氨对硝化效果 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 的影响；c h a r m o t 等1 7 用淹没式生物滤池处理高浓度含氨废水，试验表明，在碳氮 比( 有机碳：氨氮) 为1 7 时氨氮去除率最高，可达7 2 ；g o n c a l v e s 等【8 1 利用u a s b 和淹没式生物滤池串联对生活污水进行二级处理，对s s 、b o d 5 、c o d 的平均去 除率分别为9 4 、9 6 、9 1 ，出水的s s 、b o d 5 、c o d 分别为1 0 m g l 、9 m g l 、 3 8 m g l 。g o n c a l v e s 等【9 】还研究了在连续流下采用a o ( 缺好氧) 方式除磷， e a c a s t i l l o 等【1o 】用淹没式生物滤池和膜反应器串联进行生物除磷，w a n gb a o z h e n 等【1 1 1 研究了序批式淹没式生物膜法的除磷机理；y u n 掣2 硼淹没式生物滤池处理 炼钢工业废水，出水达到回用水的标准。 国内在1 9 7 5 年由北京市环保研究所开始对生物接触氧化工艺进行了研究，第 一座生产性试验装置用于处理城市污水，在处理效果、动力消耗、经济效益和维 护管理方面都明显优于活性污泥法。随后国内其他部门也逐步开始了一些应用与 改良工作。如上海大学环境工程系陈玉莉等成功地将生物接触氧化法用于高浓 度含合成洗涤剂废水的处理过程中，在进水c o d 最高浓度达4 8 0 0 m g l 时，气水 比为3 0 ：1 4 0 ：1 ，h r t 1 6 h 的操作条件下，c o d 总去除率9 5 4 ，基质降解速率 常数k - - 0 1 4 h 1 ，且p h 值不用调节。孙哲等【1 4 1 人通过在对现有曝气器装置分析的 基础上，采用微孔橡胶膜片代替硬质塑料，研究开发的c m d 圆盘型弹性微孔膜曝 气器，具有氧利用率高，动力效率高，压力损失小，不腐蚀，不堵塞，曝气量可 以调节等优点。 随后，生物接触氧化工艺得到了大量的研究和应用，刘贯一 1 5 l 做了超滤膜作 载体的生物接触氧化工艺研究，实验结果表明，经初沉处理后的生活污水，当接 触时间为3 h 左右时，c o d 、b o d 5 、s s 、n h 3 - n 的去除率分别可达8 3 、9 2 、 9 4 和6 0 左右。李正凯等【l6 】做了高负荷生物接触氧化法处理污水特性的研究， 杜茂安等1 刀作了生物接触氧化过滤处理生活污水的试验研究，吴慧英等【1 8 】用加压 生物接触氧化法处理生活污水，试验研究表明，与常压法相比，污染物去除率提 高了1 0 1 8 ，停留时间仅为常规生物处理法的1 3 1 4 。李鑫钢掣1 9 】用生物接 触氧化法处理炼油废水，试验研究表明，在处理c o d 5 0 0 m g l 的炼油废水时， 硝化细菌能和其它细菌共存于生物膜中，并保持一定的优势，用生物接触氧化工 艺能同时有效地去除n h 3 - n 和c o d ，n h 3 - n 负荷达6 0 0 9 ( m 3 d ) 时，其去除率可 达7 0 以上。陈洪斌1 2 0 等用悬浮填料生物接触氧化法深度处理炼油废水，填料挂 膜迅速、生物膜更新快，对c o d 、b o d 5 的去除率分别达到1 5 5 0 、8 0 ，油、 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 硫化物、酚等被彻底去除，而且悬浮填料保持适度的流动状态可取得很好的处理 效果并能防止积泥。 近年来，生物接触氧化法的应用领域越来越广泛，处理对象不仅局限于生活 污水和城市污水，也可处理苯酚、丙酮等一些难降解的有毒工业废水，如对石油 化工、农药、轻工造纸、食品加工、发酵酿造等企业污水的处理，都取得了较好 的效果。但总体上看，在运行方式、反应器设计、流程安排、生物技术应用等方 面还没有很大的改进，相对于国外来说，国内对其理论发展研究还是比较薄弱。 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于一个购物中心污水站( 青岛佳世客购物中心污水处理站) 的实 际改造工程，并在青岛佳世客购物中心污水处理站进行了现场试验研究和相关实 验室实验。 青岛东泰佳世客有限公司于1 9 9 6 年3 月2 1 日成立。这是一家由青岛市政府 直属企业，青岛供销合作联合社与日本永旺集团的核心企业日本佳世客株式 会社合资兴办的公司。该购物中心占地面积5 0 0 0 0 多平方米，建筑面积3 6 0 0 0 平 方米，营业面积2 4 1 0 0 平方米。建筑物为2 层。内部格局为两端设核心店，中间 用商业通道车连接。作为整个购物中心核心的3 个自营店，一楼有食品超市和服 装售货场，2 楼有家庭、文化用品售货场。食品超市约2 0 0 0 平方米，除销售丰富 多样的加工食品外，四周配备的农产、畜产、水产和熟食等加工间可直接加工销 售品种繁多的生鲜食品、蔬菜等，并且将过去只有在高档酒店才能吃到的，诸如 刺身( 生鱼片) 、寿司等海外风味也摆上了柜台。该购物中心低楼层，大跨度，单 层面积大，店内照明好，设主副通道，可以使顾客方便的选购商品。 青岛佳世客购物中心已于2 0 0 2 年建成处理能力为3 0 0 m 3 d 、以兼氧和好氧为 主体的污水处理设施，但随着经营规模的扩大、污水处理设备的老化和运行管理 的不正常，如今出水难以达标；另外，随着社会的进步，企业的环境保护意识显 著增强，从自身做起，治理污染的责任意识日益强烈，因此，公司决定要对原有 处理工艺进行改造，实现污水稳定达标排放。改造后处理能力将从3 0 0 m 3 d 扩大至 4 0 0 m 3 d ，处理后出水达标排放。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 2 研究内容 青岛佳世客购物中心由于规模的扩大，污水排放量也由原来的3 0 0 m 3 d 增加到 4 0 0 m 3 d ，原水平均c o d 浓度l 1 0 0 1 2 0 0 m g l ，该污水经原有的污水处理系统处 理后，出水c o d 仍然在5 0 0 m g l 以上，远远达不到相关污水排放标准。本课题拟 通过此项改造工程研究生物接触氧化工艺处理购物中心污水的容量。研究内容主 要有以下几个方面： l 、通过分析青岛佳世客购物中心污水的成分和特点，结合现有处理系统在繁 华的香港路地段，不宜进行较大土建施工的基础上，调整水力流线，确定采用生 物接触氧化工艺对现有污水处理系统进行改造，使其出水达到相关排放标准。 2 、在实际工程现场条件下，针对浓度较高的购物中心污水，对生物接触氧化 工艺的启动和运行情况进行研究。 3 、通过分析工艺的启动过程和该工艺运行结果以及影响因素，对工艺参数进 行优化，确定了最佳运行参数。 4 、通过技术经济分析来验证该工艺的可行性。 5 、确立了一条切实可行的购物中心污水处理的技术路线。 5 第2 章生物膜法污水处理技术 2 1 生物膜法处理技术概述 污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术，是 一大类生物处理法的统称。这种处理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。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，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍 增殖。在许多情况下，生物膜法不仅能代替活性污泥法用于城市污水的二级生物 处理，而且还具有一些独特的优点，如运行稳定、抗冲击负荷、更为经济节能、 无污泥膨胀问题、具有一定的硝化与反硝化功能、可实现封闭运转、防止臭味等。 污水的生物膜处理法既是古老的，又是发展中的污水生物处理技术。迄今为 止，属于生物膜处理法的工艺有生物滤池( 普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式 生物滤池) 、生物转盘、生物接触氧化设备和生物流化床等。生物滤池是早期出现、 至今仍在发展中的污水生物处理技术，而后三者则是近几十年来开发的新工艺。 2 2 生物膜处理法的主要特征 2 2 1 微生物相方面的特征 1 、参与净化反应微生物多样化 生物膜处理法的各种工艺，都具有适于微生物生长栖息、繁衍的安静稳定环 境，生物膜上的微生物无需像活性污泥那样承受强烈的搅拌冲击，宜于生长增殖。 生物膜固着在滤料或填料上，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。在生物 膜上还可能大量出现丝状菌，而且没有污泥膨胀之虞。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。 在日光照射到的部位能够出现藻类，在生物滤池上，能够出现象苍蝇( 滤池蝇) 这样的昆虫类生物。 综上所述，在生物膜上生长繁育的生物、类型广泛，种属繁多，食物链长且 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 较为复杂。表2 1 所列举的是在生物膜和活性污泥上出现的微生物在类型、种属和 数量上的比较。 表2 - 1 生物膜和活性污泥上出现的微生物在类型、种属和数量上的比较 微生物种类活性污泥法 生物膜法微生物种类活性污泥法生物膜法 细菌 + 其他纤毛虫 + 真菌 + + 轮虫 + + 藻类 + 线虫 + + 鞭毛虫 + 十+ 寡毛类 + 肉足虫 + 其他后生动物 + 纤毛虫缘毛虫 + 昆虫类 + 纤毛虫吸管虫 + 2 、生物的食物链长 在生物膜上生长繁育的生物中，动物性营养一类者所占比例较大，微型动物 的存活率亦高。这就是说，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类和昆虫，因此，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 污泥量也少于活性污泥处理系统。 污泥产量低，是生物膜处理法各种工艺的共同特征，并已为大量的实际数据 所证实。一般说来，生物膜处理法产生的污泥量较活性污泥处理系统少1 4 左右。 3 、能够存活世代时间较长的微生物 硝化菌和亚硝化菌的世代时间都比较长，比增殖速度较小，如亚硝化单胞菌 属( n i f r o s o m o n a s ) 、硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 的比增殖速度分别为o 2 1 和1 1 2 d 。 在一般生物固体平均停留时间较短的活性污泥法处理系统中，这类细菌是难以存 活的。在生物膜处理法中，生物污泥的生物固体平均停留时间与污水的停留时间 无关。因此，硝化菌和亚硝化菌也得以繁衍、增殖。因此，生物膜处理法的各项 处理工艺都具有一定的硝化功能，采取适当的运行方式，还可能具有反硝化脱氮 的功能。 4 、分段运行与优占种属 生物膜处理法多分段进行，在正常运行的条件下，每段都繁衍与进入本段污 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 水水质相适应的微生物，并形成优占种属，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。 2 2 2 处理工艺方面的特征 1 、对水质、水量变动有较强的适应性 生物膜处理法的各种工艺，对流入污水水质、水量的变化都具有较强的适应 性，这种现象已为多数运行的实际设备所证实，即或有一段时间中断进水，对生 物膜的净化功能也不会造成致命的影响，通水后能够较快地得到恢复。 2 、污泥沉降性能良好，宜于固液分离 由生物膜上脱落下来的生物污泥，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，宜于固液分离。但是，如果生物膜内部形成的厌 氧层过厚，在其脱落后，将有大量的非活性的细小悬浮物分散于水中，使处理水 的澄清度降低。 3 、能够处理低浓度的污水 活性污泥法处理系统，不适宜处理低浓度的污水，如原污水的b o d 5 值长期低 于5 0 6 0 m g 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。但是，生物膜处理法对低浓度污水，也能够取得较好的处理效果，运行 正常可使b o d 5 为2 0 3 0 m g l 的污水，将b o d 5 值降至5 1 0 m g l 。 4 、易于维护运行、节能 与活性污泥处理系统相较，生物膜处理法中的各种工艺都是比较易于维护管 理的，而且像生物滤他、生物转盘等工艺，还都是节省能源的，动力费用较低。 去除单位重量b o d 5 的耗电量较少。 2 3 生物膜净化机理 生物膜法是使微生物附着在载体表面上，污水在流经载体表面过程中，通过 有机营养物的吸附、溶解氧向生物膜内部的扩散以及在膜中所发生的生物氧化等 作用，对污染物进行分解。活性污泥法和生物膜法的区别不仅在于净化微生物固 着方式不同，而且重要在于扩散过程在生物膜动力学行为中是一个必须考虑的因 素。在生物膜反应器中，污染物、溶解氧及各种必需营养物质首先要经过液相扩 散到生物膜表面，进而到生物膜内部，只有扩散到生物膜表面或内部的污染物才 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 能有机会被生物膜微生物所分解与转化，最终形成各种代谢产物( c 0 2 、水等) 。在 生物膜的最外层形成以好氧微生物为主体的生物膜层，而在好氧层的内部由扩散 作用制约了溶解氧的渗透往往形成厌氧区。在这里，由于厌氧菌的作用，硫化氢、 氨和有机酸等物质容易积累。但是，如果体系供氧充分，厌氧层的厚度会被压缩 至某一限度，形成的有机酸在异养菌的作用下转化为c 0 2 和水，而氨及硫化氢在 自养菌作用下被氧化为各种稳定盐类，使整个生物膜反应器保持活性。此外，在 生物膜反应器中，由于微生物被固着在载体上，因此与污水的水力停留时间没有 直接的影响关系，增殖速度慢的微生物也能够生长繁殖，例如硝化细菌等。因此， 生物膜上的微生物在种属上是多种多样的而且可以形成稳定的生态系统。图2 1 为生物膜净化机理的图解模型。 图2 一l 生物膜去除底物过程简明图示 在实际应用中，由于生物膜反应器所处理污水的组成通常不是单一的组分， 故生物膜的生物相是相当丰富的，形成了由细菌、真菌等一系列微生物群体所组 成的较为稳定的生态体系。这些不同菌种随生物膜厚度的变化有一定的分布，例 如上层多为异养菌，而下层则多为各种自养菌。毫无疑问，细菌是生物膜中对有 机物氧化分解起重要作用的微生物，在生物膜中所观察到的细菌种类基本有：硝 酸盐还原菌，蛋白质h 2 s 生成菌，硫酸还原菌，硫细菌，氨氧化菌，硝化细菌等 等。除细菌外，在生物膜中发现真菌也是较为普遍的，其中主要有：镰刀霉属和 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 地霉属等。真菌对某些细菌难于降解的人工合成有机物有一定的降解能力。与活 性污泥系统相比，在生物膜反应器中原生动物及后生动物的出现与否与反应器类 型密切相关的。通常，原生动物及后生动物在生物滤池及生物接触氧化法中载体 表面存在，然而对于三相流化床或是生物扰动床这类生物膜反应器，生物相中原 生动物及后生动物量非常少。 综上所述，在生物膜法中，污水有机物及其它污染物的去除是依靠生物膜的 正常代谢活动和保持好氧层的生物活性，因此底物及溶解氧与生物膜接触并扩散 到生物膜中，是保证生物膜发挥生物氧化作用的前提条件。 2 4 生物膜增长的一般描述 微生物在经过不可逆的附着过程后，固着在载体表面的微生物开始通过代谢 环境所提供的底物进行繁殖、增长。生物膜的增长过程一般认为与悬浮微生物的 增长过程相似。主要经历适应期、对数增长期、稳定期及衰减期( s a n d e r s ，1 9 6 6 ； h o e h ne t a l ，1 9 7 3 ；l a m o t t a , 1 9 7 6 a ；r i t t m a n ne t a l ，1 9 8 1 ；c h a r a c l d e se t a l ，1 9 9 0 ) 。在 大量试验事实基础上，法国c a p d e v i l l e 教授等人于1 9 9 0 年左右对生物膜的增长过 程进行了详细划分。c a p d e v i l l e 等人( 1 0 p ，1 9 9 2 ) 认为生物膜整个增长过程由如下六 个阶段组成【2 1 1 ： 1 、潜伏期( 适应期) 这一阶段是微生物在经历不可逆固着过程后，开始逐渐适应生存环境，并在 载体表面逐渐形成小的、分散的微生物菌落。这些初始菌落首先在载体表面不规 则处形成。这一阶段的持续时间取决于进水底物浓度以及载体表面特性( b c l k h a d i r e ta l ，1 9 8 8 ；c a l x l e v i l l ee ta l ，1 9 9 0 ；l i ue ta l ，1 9 9 4 mm a r e a ue ta l ，1 9 9 4 ) 。必须指出， 在实际生物膜反应器启动时，要控制这一阶段是很困难的。 2 、对数期( 动力学增长期) 在适应期形成的分散菌落开始迅速增长，逐渐覆盖载体表面。在此阶段由于 有机物、溶解氧及其它营养物的供给超过了消耗的需要，固着微生物以最大速度 在载体表面增长。一般在动力学增长期末，生物膜厚可达几十个肼。在动力学增 长期，我们通常可观察到如下现象：生物膜多聚糖及蛋白质产率增加；底物浓度 迅速降低，即污染物降解速率很高，大量的溶解氧被消耗，在此阶段后期，供氧 l o 青岛理工大学工学硕士学位论文 水平往往成为底物进一步去除的限制性因素；生物膜量显著增加，在显微镜下观 察到的生物膜主要由细菌等活性微生物组成。 大量实验事实表明，在此阶段结束时，生物膜反应器的出水底物浓度基本达 到其稳定值，这意味着生物膜去除底物的能力亦趋向于最大。可见，在生物膜反 应器实际运行中，动力学增长阶段起着非常重要的作用，它决定了生物膜反应器 内底物的去除效率及生物膜自身增长代谢的功能。 3 、线性增长阶段 生物膜的这一增长阶段是基于大量实验数据而提出的。人们发现当生物膜动 力学增长期结束后，在生物膜增长曲线上出现一线性增长阶段，即此时生物膜在 载体表面以恒速率增加。这一阶段的重要特点有：出水底物浓度不随生物量的积 累而显著变化；对于好氧生物膜，其耗氧率保持不变；在载体表面形成了完整的 生物膜三维结构。 既然在线性阶段生物膜量的增加并没有贡献于底物去除的提高，那么这些增 加的生物量在生物代谢角度看应不具有生物活性。基于此，很多学者提出生物膜 的生物量可以按照生物活性划分为两类，即活性生物量( 毛) ，主要负责降解进水 底物，它处于新生菌落及已经存在菌落的表面和边线部分；而非活性物质( j l f ) 代 表在底物降解过程中不再起任何作用的生物膜量，这些非活性生物量主要集中在 菌落内部。 显然生物膜总量为及m 之和，即： m b = m o + j j l f ( 2 - 1 ) 式中 以生物膜总量。 大量实验表明，在生物膜动力学增长末期，活性生物量已经达到其最大值( 毛) 。，与此对应，生物膜反应器应在液相达到稳态( b e l k h a d i r e t a l ，1 9 8 8 ：c a p d e v i l l e e t a l ，1 9 9 0 ，1 9 9 2 ；l i ue ta l ，1 9 9 4 a , 1 9 9 6 ；刘雨等，1 9 9 7 ) 。在生物膜增长线性阶段所观 察到的生物膜总量的积累主要源于非活性物质。大量实验表明在生物膜内活性物 质所占比例很小，且随生物膜总量的增长呈下降趋势。一般非活性物质在生物膜 内的积累随生物膜菌种特性及环境条件不同而变化( a c a n g e l ie ta l ，1 9 9 2 ：l a z a r o v a e ta l ，1 9 9 4 ；“l l ，1 9 9 7 ；z h a n ge ta l ，1 9 9 4 ) 。从目前的研究结果看，导致非活性物质在 1 l 青岛理工大学工学硕士学位论文 生物膜积累的主要原因有：可剩余有效载体表面饱和；随着生物膜中细菌密度的 增长，禁锢作用变得较为明显；另外有毒或抑制性产物的积累，使部分活性生物 量受抑制或丧失了其生理活性。 b e l k h a d i r 等人( 1 9 8 8 ) 认为活性生物量在生物膜中的增长潜力是与载体表面未 被覆盖率成正比，换言之，非活性物质将随载体表面逐渐趋于饱和而在生物膜内 迅速积累。c h r i s t e n s e n 等人( 1 9 8 8 ) 同时提出，存在于生物膜微生存环境中的代谢 产物以及在生物膜内的二级代谢产物可能对细菌活性起到抑制或毒性作用，致使 微生物失去活性，丧失分解底物的能力。 从实用角度讲，生物膜的线性积累阶段对底物去除并没有明显的贡献。然而 在流化床反应器中，生物膜的线性增长可以改变生物颗粒的体积特性。 4 、减速增长期 由于生存环境质量的改变以及水力学作用，这一段内生物膜增长率逐渐放慢。 减速增长期是生物膜在某一质量和膜厚上达到稳定的过渡期。在减速增长期，生 物膜对水力学剪切作用极为敏感( r i t t m a n c t a l ，1 9 8 1 ) ，水力剪切作用限制了新细胞 在生物膜内的进一步积累，生物膜增长开始与水力剪切作用形成动态平衡。值得 注意的是，在高溶解氧生物膜反应器中，生物膜结构疏松，这时生物膜对水力学 剪切作用更为敏感。 在实际生物膜反应器运行中，经常可以观察到在减速增长期内，出水中悬浮 物浓度明显增高，这一部分附加悬浮物正是由生物膜在水力剪切力作用下脱落所 造成。在减速增长期末，生物膜质量及厚度都趋于稳定值，此时生物膜系统自身 运行接近稳态。 5 、生物膜稳定期 这一阶段的主要特点是生物膜新生细胞与由于各种物理力所造成的生物膜损 失达到平衡。在此阶段，生物膜相及液相均已达到稳定状态。一般讲，生物膜稳 定期的长短，与运行条件诸如底物供给浓度、剪切力等密切相关。在实际生物膜 反应器运行中，生物膜稳定期的维持一直被认为是过程稳定性的必要保证，然而 在近几年发展起来的三相流化床等反应器中，存在高底物浓度、高剪切力情况下， 这一阶段存在时间很短，甚至不出现。 6 、脱落期 生物膜脱落是一种随机想象。随着生物膜的成熟，部分生物膜发生脱落。影 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 响这一现象的因素很多，生物膜内部细菌自解、内部厌氧层过厚以及生物膜与载 体表面问相互作用的改变等均可加速生物膜脱落。另外，某些物理作用，诸如作 用于生物膜上的重力及剪切等变化也可引起膜脱落现象发生。特别值得注意的是， 在实际生物膜反应器运行中，往往由于进水中含有抑制或毒性物质，导致附加的 生物膜脱落。生物膜反应器运行在此阶段具有如下特点：由于生物膜脱落，造成 出水悬浮物浓度增高，直接影响出水水质；由于生物膜部分脱落无疑影响到底物 降解过程，其结果是使底物去除率降低。从实际应用角度讲，生物膜反应器应避 免运行在脱落期。 2 5 生物膜法类型及技术现状 根据生物膜反应器附着生长载体的状态，生物膜反应器可以分为固定床和流 动床两大类。在固定床中生长载体固定不动，在反应器内的相对位置基本不变； 而在流动床中附着生长载体不固定，在反应器内处于连续流动的状态。基于操作 时是否有氧气参与，各生物膜反应器或处于好氧状态，或者处于缺氧和厌氧状态， 具体划分见图2 2 。 生物膜反应器 庶 广普通生物滤池( 好氧) l 高负荷生物跨池( 好氧) 4 - 塔式生物滤池澌氧) 卜厌氧生物滤池恹氧) l 活性生物滤池 广好氧生物转盘好氧) 1 l 厌氧生物转盘( 厌氧) 物滤池嘞；称生物接触氧化法) ( 盎于氧) 物反应器( 好氧) 图2 - 2 生物膜法反应器的分类 1 3 好氧) 解氧) ( 厌氧) ) 、缺氧) 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 5 1 传统的生物膜法 1 、生物滤池 生物滤池一般可分三种：普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池。 生物滤池在平面上一般呈方形、矩形或圆形，它的主要组成部分包括：滤料、池 壁、布水系统和排水系统。 污水以滴水形式洒布在块状滤料的表面上，滤料截留了污水中的悬浮物，并 把污水中的胶体物吸附在滤料的表面，其中的有机物使微生物很快繁殖起来，这 些微生物又进一步吸附了污水中的悬浮物，胶状物和溶解状态的物质，逐渐形成 生物膜。生物膜上的好氧微生物以污水中的有机物为食料，并通过自身的生命活 动，使一部分有机物得到氧化而分解为无机物，氧化过程中放出的能量供给微生 物生长的需要；另一部分有机物则用来合成新的原生质，使微生物的机体不断增 长和繁殖，从而增加了生物膜的数量。 2 、生物转盘 生物转盘亦称旋转生物接触器( r b c ) ，是由许多质轻、多孔的塑料、玻璃钢、 金属、竹、木等材料制成的圆盘所组成，一般分成几级。 生物转盘的主体部分由盘片，转轴和氧化槽三部分组成。自1 9 5 4 年在当时的 西德建造第一套半生产性生物转盘以来，目前己在国际范围内得到普遍应用。 生物转盘对污水净化的主要作用原理是圆盘在离开污水与空气接触时，空气 中的氧通过水膜向生物膜扩散。生物膜利用氧和污水中的有机质进行代谢活动， 其结果，污水中的有机质被氧化分解，生物膜繁殖增长。其代谢产物如有机酸等 溶入污水中，而代谢最终产物二氧化碳可通过水膜向气膜扩散。 3 、生物接触氧化法 生物接触氧化法是生物膜法的一种形式，早在十九世纪末就有人实验研究接 触氧化法处理污水。当时在接触填料、氧化池构造与设计、运行管理等方面存在 着缺陷，限制了接触氧化法的广泛应用。七十年代初，日本的小岛贞男伫习在受污 染的给水水源处理研究中，采用了所谓“管式接触氧化”净化方法，在填料和供 氧方式上有了较大的突破。随后，国外又不断地开发与试制各种技术性能良好、 价格便宜的接触填料，研制多种型式的氧化池，使生物接触氧化法迅速地得到广 泛应用。 1 4 青岛理工大学工学硕土学位论文 在国内，1 9 7 5 年开始