生物膜法在市政污水处理中的应用前景.doc

生物膜法在市政污水处理中的应用前景生物膜法60年代末期开始出现，在工业废水处理方面曾研究了高负荷生物滤池、塔式生物滤池等，后来则主要研究了接触氧化法，并在纺织、印染、化纤等行业废水中广泛应用。接触氧化工艺由于缺乏经久耐用和价格低廉的填料、大型池的均匀布水布气尚有困难等原因，在市政污水处理上特别是在大中型污水处理厂中没有得到应用。80年代中期在研究A/O、AA/O、AB法、SBR工艺、新型氧化沟等悬浮生长工艺技术的同时，也开展了高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)和生物曝气滤池(BAF)等附着生长技术方面的试验研究。研究结果表明生物膜法在市政污水处理方面前景良好。 1 高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)工艺高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)是美国在80年代初根据其城市污水处理厂70%为高负荷生物滤池，其出水达不到提高后的出水水质标准而开发出来的新工艺。我国于1990年由中国市政工程西北设计研究院和兰州铁道学院合作进行试验室、中间试验和工程生产试验，获得了完整的设计参数。国内设计公司据此成果进行了两座污水量为10104m3/d规模处理厂设计建设。TF/SC的典型工艺流程如图1。生物滤池可以是卵石填料高负荷生物滤池，也可以是塑料填料的深式或塔式滤池。TF/SC工艺中生物滤池系按不完全处理设计，采用了较一般高负荷生物滤池还要高的负荷，美国采用的负荷为0.41.4 kgBOD5/(m3d)(填料体积)，最终出水BOD5可达10 mg/L以下。我国的研究结果是卵石填料的负荷在3.5 kgBOD5/(m3d)时最终出水BOD可在30 mg/L以下。生物滤池设计的BOD去除率以50%左右较为经济，其主要功能是去除溶解性BOD和将大分子等难降解的物质降解为易降解物质。在我国采用卵石填料比较经济，因塑料填料的价格要高20倍以上。固体接触池是TF/SC工艺高效的关键之一，它是将回流污泥与生物滤池出水混合曝气，进行生物絮凝和生物吸附，将废水中细小颗粒和凝聚性差的生物膜絮凝成易于沉淀的絮体，同时吸附和降解污水中的有机污染物，因而污水在固体接触池中的停留时间一般都较短(美国典型TF/SC处理厂最短的仅2.0min，一般为30min左右)，我国设计的停留时间较长，多在45min左右，因滤池负荷较美国高。固体接触池的污泥负荷比一般活性污泥法高1倍，若出水BOD要求低于30mg/L，污泥负荷为0.40.8kgBOD/(kgMLSSd)。絮凝沉淀池与一般二沉池最大的不同之处是设有进水絮凝区，借助于外力进行再絮凝。它是根据生物可以再絮凝原理设计的，从而较大幅度提高了表面负荷并使细小不易絮凝沉淀的生物膜得以去除，出水悬浮物可达10mg/L。从以上TF/SC工艺的单元特性讨论中说明了TF/SC工艺具有以下优点：出水水质好。美国的数处工程实例和我国示范工程都说明出水悬浮物和BOD均可达到10mg/L以下。一般活性污泥法出水悬浮物和BOD达到20 mg/L已是高水准，尤其是悬浮物达到20 mg/L以下是很困难的。所以，有人称之为“二级处理工艺，三级出水标准”。TF/SC的工艺单元-生物滤池、固体接触池和絮凝沉淀池均是高效设施，负荷高、停留时间短，因而工程造价低，运行能耗少。研究结果说明TF/SC工艺污水处理厂工程总投资和运行费用均较传统活性污泥法低约20%(未包括污泥处理，TF/SC工艺污泥量少1/4)。美国Corvallis市政污水处理厂(Oregon州)改造为TF/SC工艺后，节约用电20%，鼓风机所需动力由186.4kW降至44.7kW，尤为重要的是污泥量减少了24%，大幅度减少了污泥处理费用。具有生物膜法的特点，耐冲击、运行稳定、操作比较简单。2 生物曝气滤池生物曝气滤池(BAF)70年代末起源于欧洲大陆，在90年代初已发展成法国、英国、奥地利和澳大利亚等国设备制造公司的技术和设备产品。使用BAF的污水处理厂规模也已扩大到8.0104m3/d。同时发展为可以脱氮除磷的工艺。采用生物曝气滤池的市政污水处理厂流程有两类，见图2。BAF的构造基本上与污水三级处理的滤池相同，只是滤料不同，BAF一般用单一均粒滤料，其构造见图3。BAF有两种运行方式，一种是从池上进水，水流与空气逆向运行，称之为逆向流或向下流。另一种是池底进水，与空气流同向运行，即同向流或向上流。同向流负荷高，出水水质略差，必须设二沉池。而逆向流在流速较小时，可不设二沉池。国内主要是研究逆向流BAF，国外厂商提供的工艺设备也主要是逆向流。中国市政工程西北设计研究院和兰州铁道学院合作研究提出的工艺设计参数见表1。表1 BAF工艺设计参数处理程度容积负荷kgBOD5(m3.d)水力停留时间（h）设计出水水质（mg/L）BOD5去除90%0.72.812BOD520SS20硝化（90%以上）0.52.023BOD520SS20NH3-N5TKN10表1中的进水浓度为一般城市的市政污水浓度,BOD5为150200mg/L。所列设计参数为BAF流程1的参数，即采用此参数可不设二沉池。表1清楚说明BAF是高效处理设施，其容积负荷高出一般活性污泥法12倍，出水可以完全满足“污水综合排放标准”二级标准。BAF的空气量仅为一般活性污泥法的1/2，其水气比为1213，运行能耗较低。BAF前可设置有填料的厌氧滤池而形成AA/O工艺膜法，也可在BAF流程2中二沉池前投加铁盐絮凝剂成为除磷脱氮工艺。3 生物膜法与传统活性污泥法比较现将生物膜法与活性污泥法的两类代表工艺比较列于表2。表2说明膜法的负荷均远高于活性污泥法，因而工程总造价也要低很多，TF/SC工艺研究专题依托工程的经济分析说明TF/SC工艺的总造价比标准活性污泥法低20%。另外近年来我国所设计的两个1010m3/d规模的市政污水处理厂均采用TF/SC工艺，其处理1.0 m3污水的工程造价一项为900元，另一项为1 015元(工程包括污泥消化与污泥处理)。由于这项工程利用了有利地形，其电耗分别为0.1 kWh/m3水和0.05 kWh/m3水(完全自流无须提升)。一般传统活性污泥法的工程总造价为1 2001500元/m3水，运行电耗超过0.2 kWh/m3水。表2 膜法与传统活性污泥法比较工艺构筑物负荷初沉池表面负荷m3/(m2.h)生物处理构筑物容积负荷kgBOD5/(m3.d)二沉池表面负荷m3/(m2.h)总去除率（%）标准活性污泥法污泥法1.50.62451.090阶段曝气1.50.81.08590TF/SC1.52.781.590BAF1.51.25无904 生物膜法在我国城市污水处理中的前景生物膜法在我国城市污水处理中应用的前景是十分广阔的，将会与活性污泥法一样成为城市污水处理厂的主要工艺。我国城市污水处理厂现仅160座，污水处理率也仅为10%，需要建设大量的城市污水处理厂，但我国城市建设资金远不能满足这方面的需求。解决资金的途径，一条是拓宽资金来源；另一条是采用新的技术降低工程造价节约资金。上述两生物膜法工艺显然是可以较大幅度降低工程造价的新技术，因而也正是城市污水处理所需要的技术。5 物膜法需要研究改进的技术问题生物膜法从开始研究至今不足20年，在我国研究的时间更短，还不到10年，建设的工程也很少，因而必然存在许多需要改进的地方，需主要研究的内容如下：不论是TF/SC工艺还是BAF技术，工艺的理论研究还很不够，如果在理论研究上有所发展，必然会极大地推 动生物膜法的发展。需要研究工艺设计的优化，如TF/SC工艺各单元处理程度的优化、BAF工艺投配负荷与反冲洗关系的优化 等。需要研究TF/SC和BAF适用的轻质高强、价廉、使用寿命长的滤池滤料，这是两种工艺的关键问题。BAF存在一个大型滤池的均匀布水布气问题，它既关系其工程造价，也关系此技术的适用规模。随着对环境质量要求的提高，污水脱氮除磷也一定会在我国得到加强。TF/SC和BAF工艺的脱氮除磷技术在 国外已有一些技术方案和成功的流程，但在我国还未很好地开展这方面的研究，需要规划安排和加强工作。生物膜反应器在反渗透预处理中的应用 随着我国经济的快速发展，各行各业对于水的的需求越来越大，然而水污染日益严重，对生产和生活构成了很大的威胁。其中，生活废水以其产量大、组成成分复杂、常规处理方法难以去除其污染物等特点而成为中水回用中的难题。 大连热电股份有限公司北海热电厂中水回用项目的目的是解决购买城市自来水作为工业用水的资金压力以及发电成本的上升等问题，目标是建立一个规模400 t/h的中水回用装置，将大连市春柳河污水处理厂排放水进行反渗透深度处理，作为北海热电厂冷却水及锅炉补给水的源水。而反渗透成功的关键是其前期的预处理工作。本试验是在实验室中做的预处理小试试验的一部分。生物膜法是根据土壤自净原理发展起来的水处理法，它和活性污泥法同属于好氧生物处理方法1。与传统的生化水处理技术相比，生物膜法具有以下特点：附着于填料表面的微生物对废水水质、水量的变化有很强适应性；管理方便，操作简单；能构成稳定的生态系；不造成二次污染2。本文利用日本NET公司研制的Biofilter作为生物膜填料，对其在反渗透预处理中的应用效果进行了考察。1 试验装置与方法1.1 试验装置试验装置如图1所示，反应器材质为有机玻璃，有效容积18.7 L，采用溢流出水方式控制反应器液位，填料以S形固定在支架上，浸没在反应器中，填料的下方设三根微孔曝气管和两个砂头，为微生物提供必要的溶解氧的同时，在反应器中形成湍流使溶液冲刷填料表面。由恒温器控制生物膜反应器的温度在25 。图1 试验装置(部分)1-生物膜反应器; 2-上层清液出水口; 3-出水口;4-曝气口；5-进水口；6-进水计量泵；7-空气转子流量计；8-夹子； 9-量筒； 10-进水箱；11-气泵1.2 生物膜填料Biofilter为日本NET化工公司生产的一种新型生物膜填料，该填料的材质为聚乙烯酯，外形为网状，内部有十字支撑，强度好，有良好的可伸展性，密度约为0.8 g/cm3，由于该填料有很强的挂膜能力，且挂膜密度大，故长满生物膜后的比重大于1。图2 Biofilter填料照片1.3 试验用水 试验用水为人工配制模拟大连市春柳河污水处理厂二沉池出水。选用蔗糖为碳源，尿素为氮源配水，CODN为101，并投加少量的MgCl2、CaCl2、NaCl和KCl以提供微量元素，使用NaHCO3调节pH约为7。初始进水的COD值为200 mg/L左右，当处理效果稳定一周后逐步增大进水COD的浓度，每次在原水COD浓度的基础上增大100 mg/L。1.4 分析方法溶解氧DO、pH、流量，MLSS、MLVSS、进出水及上清液的CODCr、NH4-N、NO2-N、NO3-N及TN和出水悬浮物SS(滤纸法)的检测方法按照水和废水检测分析方法3。1.5 污泥驯化活性污泥取自大连市春柳河污水处理厂回流污泥池，其MLVSS/MLSS为0.58；污泥颜色发黑，有H2S的臭味。首先将取来的污泥反复淘洗，去掉上层漂浮物和下层大块沉积物，留下颗粒细小的污泥；然后空曝气若干小时，利用内源呼吸作用，使异氧菌自身消耗并去掉有毒物质；最后，把污泥倒入塑料桶中进行间歇培养。由于普通活性污泥以异氧菌为主，硝化菌数量极少，必须要进行驯化培养，才能满足正常硝化的需要。另外，硝化菌为高度好氧菌，专性化能自养，生长缓慢，产率低，对环境条件反应敏感，所以驯化培养的时候要特别注意控制反应条件。用NaHCO3控制pH在78，温度维持在25左右。连续曝气，每隔一天换一次水。排水时，停止曝气，污泥沉淀后，倒出上清液的三分之二，换以新配制的水。经数次后，污泥外观颜色转为棕褐色，在显微镜下，可观察到污泥絮体密实，菌胶团透明度高，原生动物较多，主要为钟虫和累枝虫，这说明污泥的驯化培养过程结束。1.6 载体挂膜所谓载体挂膜就是将培养好的污泥移入反应器中，使菌胶团和少量的细菌截留附着在载体表面，这些固着的微生物将摄取废水中的营养物质，进行新陈代谢等生命活动，并在载体表面生长繁殖，逐渐形成薄的胶质粘膜。随着时间的推移，微生物不断增长，从载体表面向外扩散，逐步覆盖已形成的膜层，进而形成成熟的生物膜4。将培养好的污泥倒入反应器中，同时加入碳源、氮源和微量元素，使反应器中的CODN=201，调节pH至7.58.0，维持反应器温度在25 左右。本实验挂膜方法采用排泥挂膜法5，整个挂膜共分两个阶段进行。（1） 静态挂膜期间，不连续进出水，定时向反应器内投加一些营养物质，连续曝气。静态生物挂膜主要起生物接种作用，即将接种污泥加入反应器，为部分污泥截留附着在载体表面并在其上繁殖生长创造适宜的条件，期间每运行到24 h重新添加碳源和氮源，静态挂膜一般持续2-3 d。（2） 动态挂膜：静态挂膜2-3 d后，开始对反应器进行动态挂膜。动态挂膜期间，连续进水和出水。并根据COD的降解情况逐步缩短水力停留时间（从6 h开始逐步缩短）。1.7 生物膜电子显微镜照片观察分析从反应器中取一小部分生物膜，置于电子显微镜（JXA840）下进行不同放大倍数的观察和拍照。通过观察发现反应器中生物膜的微生物分为生物膜微生物和生物膜面生物。2 试验结果与讨论2.1 载体挂膜图3为静态挂膜期间的填料照片，从图中可以看出，白色的载体略微变黄，已有部分污泥被附着在填料上。图3 静态挂膜后填料照片动态挂膜后，可观察到几乎所有载体表面都有浅黄色半透明的生物膜分布，但此时生物膜发育尚不成熟，表现为仅覆盖载体部分表面，厚度较小，絮状物松散，不致密，在此后的运行中，生物膜不断发育，标志生物絮体发育良好的固着型纤毛虫、钟虫的数量也越来越多6，大约一个月左右，生物膜发育成熟，此时，生物膜均匀分布于载体表面，越靠近载体表面越致密，反之越松散，同时载体颜色变深，标志整个反应器系统挂膜成功。图4 动态挂膜后填料照片通过测量挂膜前后反应器溶液的MLSS，可以计算出填料上所附着活性污泥的质量，进而求出挂膜阶段初期平均每克填料上负载0.42 g活性污泥。挂膜23星期后，生物膜进入成熟期，此时生物膜生长与衰亡的速率达到平衡，在反应器中形成了稳定的生态体系，因此对污染物的去除效果趋于稳定。图5 生物膜成熟后的填料照片2.2 污染物质去除效果2.2.1 生物膜对COD的去除效果从图6可以看出，挂膜后大约两个星期的时间属于停滞期；在这个阶段，细菌不立即生长繁殖，经一段适应期才能在新的环境中生长繁殖，有的细菌产生适应酶，菌体的细胞物质开始增加，细菌总数不增加，有的细菌不适应新环境而死亡，所以，细菌数有所减少，造成COD的去除效果不是十分明显；两个星期后，适应的细菌生长到一定程度便开始细胞分裂，进入加速期；此时细菌的生长繁殖速度逐渐加快，细菌总数迅速增加，生物膜处于高速生长阶段，呈浓密羊毛状，流动性很大，且生物膜已经生长成熟，反应器中形成了稳定的生态体系，反应器有足够的生物活性，对原水COD的处理能力可达90%以上；在运行28 d后将原水COD的负荷从250 mg/L增加到350 mg/L，运行42 d后将原水COD的负荷从350mg/L增加到450mg/L，运行56 d后将原水COD的负荷从450mg/L增加到600mg/L，以及运行72 d后将原水COD负荷从600 mg/L增加到700 mg/L时，生物膜反应器均需要一定的时间使系统重新达到平衡，实验发现，COD负荷增加以后，需要5 d左右的时间使反应器达到平衡，COD的降解能力重新达到90%以上。图6 COD去除效果图2.2.2 生物膜对TN的去除效果从图7可以看出，TN的去除效果不是十分理想。这是由于系统的曝气量为0.2 m3/h，DO平均值为6.0 mg/L，供氧充分，且大曝气量的冲刷作用使得菌胶团较小，主要是好氧菌存在，硝化反应占绝对优势，故反硝化作用不明显，TN去除率较低。2.2.3 出水SS变化效果出水SS是水质一个十分重要的指标，它的大小直接关系着该工艺流程的经济性和可行性。出水SS越小，对二沉池和膜过滤装置的要求越低，从而降低了成本，具有很高的应用价值。图7 TN去除效果图图8 SS变化效果图从图8可以看出，出水SS一直保持在100 mg/L以下。这是由于Biofilter填料外形为网状，内部有十字支撑，这些特点使得生物膜在填料表面生长得十分牢固，具有很强的耐冲刷能力，不易脱落；而且反应器中存在大量的滤池扫除生物