生物膜法课件

生物膜法

§5.1概述生物膜法：是与活性污泥法并列的一种污水的好氧生物处理技术，这种处理方法的实质是使细菌和菌类一类微生物如原生动物、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殖，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，作为营养物质被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殖。一般，这个过程所需的氧气直接来自大气。生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上发展起来的人工生物处理技术，是对上述过程的强化。生物膜技术的发展和分类1893年，首先出现在英国，在粗滤料上喷洒污水，进行净化。20世纪20——30年代，生物滤池为主的生物膜法得到了广泛应用。20世纪40——50年代，由于活性污泥法的发展，生物膜法工艺出现停滞状态。20世纪60年代以后，因为新型的有机合成材料开始大量生产，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺等等，出现了各种有机合成的高效填料，如列管型、蜂窝形、波纹型填料，具有高比表面积和空隙率，生物膜法获得了新的发展。20世纪70年代以后，各种新型工艺相继出现，生物膜法成为和活性污泥法并列的污水生物处理技术，得到广泛应用。目前的生物膜工艺普通生物滤池，也叫滴滤池。TicklingFilters另外还有在其工艺上发展起来的高负荷生物滤池(高效生物滤池)和塔式生物滤池。生物转盘（RBC）淹没式生物滤池也叫生物接触氧化法，SubmergedBiofilmReactor生物流化床（FluidBed）移动床生物膜反应器

（MovingBedBiofilmReactor）也叫生物移动床

是在生物滤池和流化床的工艺基础上发展起来的。主要原理是污水连续经过装有移动填料的反应器，在填料上形成生物膜，生物膜上微生物大量繁殖，起到净化污水的作用。

气提式生物膜反应器（Air-Lifts）复合式活性污泥生物膜反应器（HybridActivatedSludgeBiofilmReactor）序批式生物膜反应器（SequencingBiofilmReactor）升流式厌氧污泥床——厌氧生物滤池（UASB—AF）附着生长稳定塘（Attached-growthponds）生物膜法的分类按生物膜与废水的接触方式不同，可分为：填充式生物膜法和浸渍式生物膜法填充式生物膜法：废水、空气沿固定的填料或转动的盘片表面流过。浸渍式生物膜法：生物膜载体完全浸没在水中，通过鼓风曝气供氧。如果载体固定，称为：接触氧化法如果载体流化，称为：生物流化床生物膜法工艺特性（1）微生物相特征：参与净化反应的微生物多种多样;生物的食物链长;多分段运行，每一段的生物种群都不同。（2）工艺特性：抗冲击负荷能力强。污泥沉降性能良好，易于固液分离。能够处理低浓度污水。易于维护运行。§5.2生物膜模型生物膜:指以附着在惰性载体表面生长的，以微生物为主，包含微生物及其产生的胞外多聚物和吸附在微生物表面的无机及有机物等组成，并具有较强的吸附和生物降解性能的结构。生物膜上的菌类§5.2生物膜模型生物膜特性：1）无论从物理学还是微生物学角度观察都是非常复杂的，也不可能全面的研究其空间的各个方面。2）一般而言，生物膜可以分为两个区：基膜、表膜。这两部分包含微生物和其他黏附着胞外聚合物（微生物排泄产生的，一种生物絮凝剂）的颗粒物的集合。基膜与表膜的厚度与系统水力学特性、微生物种类有关。3）生物膜内生物体的分布不均匀，且孔隙率和密度分布也是不均匀的。细胞簇间的空间形成了竖直方向和水平方向的孔隙，竖直方向形成孔，水平方向形成沟。传质过程复杂，单一参数（如有效扩散系数）来描述基质、电子受体等在生物膜内的传质是不充分的。4）生物膜内存在物种的竞争，生物膜的外部以活性生物体为主，内部以生物体残骸为主。生物膜中的竞争在两种生物的生物膜中，当唯一共享资源是空间时，快速(物种B)和慢速（物种A）生长细菌相对分布模拟结果生物膜内快速生长的细菌可以取代慢速生长的细菌。但是，同时生物膜内部的细菌不受表面剪切作用的影响，因此受到保护，他们也能够在生物膜内得以生存，但是不能够单独形成生物膜。生物膜的成熟：生物膜沿水流方向的分布，在其上由细菌及各种微生物组成的生态系统以及其对有机物的降解能力都达到了平衡和稳定的状态。一般，生物膜从开始到成熟要经历潜伏和生长（挂膜）两个阶段。老化的生物膜：当厌氧层逐渐加厚，并达到一定程度后，其代谢物增多，破坏了好氧层的生态系统的稳定，又因气态代谢产物不断逸出，减弱了生物膜在滤料上的固着力，这种状态的生物膜称为老化的生物膜。生物膜结构模式图生物膜内的硝化和厌氧过程因为存在空间和溶解氧的竞争，当液相主体内的有机质浓度超过27mg/L（以COD计）时，硝化细菌不能够在生物膜内生存，但是，低于此浓度时，硝化细菌和异养菌可以在生物膜内共存。生物膜传质过程单一营养物条件下，理想基质浓度分布示意图JS—通量DW—扩散系数DW/LW=kL—液相传质系数可以用下面的方程描述基质到生物膜的传递过程。在含有两种或两种以上组分的流体内部，如果有浓度梯度存在，则每一种组分都有向低浓度方向转移，以减弱这种浓度不均匀的趋势。混合物的组分在浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质，亦称质量传递。

生物膜内的传质可以用自由扩散的Fick定律来描述。为浓度梯度而生物膜中的过程要比自由扩散复杂得多，因此，用有效扩散系数De代替扩散系数DWDe不应当只视为扩散作用的结果。可以视为综合作用对物质传递的影响系数。在大多数情况下，基质（有机污染物）的去除受传质的控制比生物反应一项影响更大。§5.3生物滤池TicklingFilters通过布水器将废水均匀分布在滤池表面，滤池中装满了填料（滤料），废水沿滤池空隙从上向下流动到池底，通过集水沟，排水渠流出池外。生物滤池基本工艺流程生物滤池基本构造池体滤床布水装置排水系统池体普通生物滤池的池体在平面上多呈方形、矩形或圆形。池壁多用砖石构造，一般高出滤料表面0.5——0.9m，具有维护滤料的作用，并防止风力对池表面均匀布水的影响。池底一般具有1%——2%的坡度，支持滤料同时排出污水池底四周设有通风孔。滤床滤床：是普通生物滤池的主体，是微生物生长栖息的场所，上面铺有滤料。理想的滤料应有以下几个特征：表面积大、孔隙率大、生物不能分解，也不能抑制生物生长、有较好的化学稳定性、有一定机械强度、抗冰冻、价格低廉，适合就地取材。以前一般采用碎石、卵石、炉渣、焦炭等实心拳状无机滤料。现在已经广泛使用由聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺等材料制成的波纹板、多孔筛、蜂窝状人工有机滤料。人工有机滤料优势：比表面积大（100—200m2/m3）、孔隙率高（80%——90%）、密度小。一些填料的形状布水装置目的：为了使污水能够均匀的分布在整个滤床表面上。主要分两类：移动式（常用为回转式）布水器；固定式喷嘴布水系统。固定式布水系统构成：虹吸装置、馈水池、布水管道、喷嘴等。布水管铺设在滤池表面下0.5-0.8m，其上有一系列规则排列伸出池面0.15-0.20m的竖管，竖管顶部安装有喷嘴。旋转式布水器（回转式布水器）：由中间固定不动的进水竖管，配水短管和可以转动的布水横管所组成。多用于圆形或多边形的生物滤池。排水系统排水系统：位于滤池底部，主要包括：渗水装置、汇水沟、排水沟等部件。其主要作用：收集滤床流出的污水与生物膜。保证通风，使生物滤池中微生物有好的复氧条件。支持滤料，防止滤料泄漏。渗水装置（排水假底）：一般采用混凝土板式装置，排水空隙率总表面积不低于滤池表面积的20%，与池底之间的距离不小于0.4m，其主要的作用在于支持滤料，排出滤池处理后的污水，并保证通风良好。池底以1%—2%的坡度斜向汇水沟，汇水沟再以0.5%-10%的坡度斜向总排水沟，总排水沟坡度不小于0.5%，沟内流速应大于0.7m/s，以免发生沉积和堵塞现象。一般规定：普通生物滤池的个数或分格数不应少于2个，并按同时工作设计，设计流量按平均日污水流量计算，当处理对象为生活污水时，BOD5的容积负荷可按表所列数据选用，水力负荷为0.9－3.7m3／(m2d)。对于工业废水应通过实验来确定。普通生物滤池的计算公式见下页表。池壁高度比滤料表面层高出0.5－0.9m，用以挡风，保证布水均匀。池底四周开设通风孔，其总面积不小于滤池表面积的1％。普通生物滤池的设计计算4.普通生物滤池填料层分工作层和承托层两个部分，工作层厚1.3－1.8m，滤料粒径25－40mm，承托层厚0.2m，粒径70－100mm。例题：Q=2000m3/d,进水BOD5=160mg/L，出水BOD5不高于20mg/L，冬季平均水温t=10℃，当地平均气温11℃，试设计普通生物滤池。解：年平均气温11℃，得出其容积负荷为200gBOD/m3d。1、滤料体积：设两池并联例题：Q=2000m3/d,进水BOD5=160mg/L，出水BOD5不高于20mg/L，冬季平均水温t=10℃，当地平均气温11℃，试设计普通生物滤池。2、滤池尺寸：设滤池中滤料层高h2=2m，超高h1=0.8m，底部构造层高h3=1m。单池面积：滤池采用方形，每池边长：滤池总高：例题：Q=2000m3/d,进水BOD5=160mg/L，出水BOD5不高于20mg/L，冬季平均水温t=10℃，当地平均气温11℃，试设计普通生物滤池。校核表面水力负荷：在允许范围之内（0.9-3.7）普通生物滤池的优缺点普通生物滤池的优点：处理效果好，BOD5的去除率可达95％以上；运行稳定、易于管理、节省能源。其主要缺点是：负荷低、占地面积大、处理水量小、滤池易堵塞、易产生池蝇、散发臭味、卫生条件差。一般适用于处理每日污水量不高于1000m3的小城镇污水和工业有机污水。影响生物滤池性能的因素滤池高度负荷滤回流供氧温度布水器构型污水水质和介质类型滤池高度滤床上层下层的生物膜量、微生物种类、去除有机物的速度是不相同的。上层污水中有机污染物浓度较高，微生物繁殖速度高，种属以低级菌种为主，生物膜量较多，有机物去除率高。随着滤床深度增加，微生物从低级到高级进化，类似河流中的自净过程中生物的递变。多污带：细菌种类多、数量大，每毫升有几亿个细菌。例如硫酸盐还原菌与产甲烷菌等，此外还有颤蚯蚓、蚊蝇幼虫；α-污带：天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、独缩虫、颤藻、小球藻等；β-污带：代表性生物有藻类的水花束丝藻、变异直链硅藻、舟形藻；原生动物的草履虫、聚缩虫；微型后生动物的腔轮虫、水蚤；寡污带：指示生物由鱼腥蓝细菌、黄群藻、玫瑰旋轮虫、钟虫。有机物去除率沿池深方向呈指数形式下降。在一定条件下。随着滤池高度增加，处理的效率也相应增加，但是超过某一值（随具体条件而定）后，处理效率提高不明显。污水流过滤池时，污染物浓度的下降率（每单位滤床高度h去除的污染物的量）同该污染物的浓度成正比。K—反应滤池处理效率的系数，同污水性质、滤床特性、布水方式等有关。K‘，m，n可以通过实验获得。思考题：滤料层高为2m的生物滤池，进出水BOD分别为160mg/L,20mg/L。求：滤床深为1m处和0.5m处的污水BOD为多少？负荷率m3(水)/m2d

水力负荷率

m3(水)/m2d

表面水利负荷率又称平均滤速。kg(BOD5或特定物质)/m3d有机负荷率——更合理，更能体现水处理的本质。当滤速不超过4m/d时，随着滤速的提高，污水中有机物传质速率加快，生物膜量增多，滤床容易堵塞。但是当滤速大于8m/d时，由于流量较大，有一定冲刷作用，滤床的堵塞现象会得到改善，但出水水质会下降，可以采用回流或提高滤床高度来保证出水水质。生物滤池运行低负荷时，会出现硝化现象，出水中硝酸盐含量会提高。回流回流：这里指利用污水厂的出水或生物滤池的出水稀释进水的做法称为回流。回流水量与进水量之比称为回流比。回流对生物滤池的影响主要为：回流可以提高生物滤池的滤率，使普通生物滤池转变为高负荷生物滤池。有利于防止产生灰蝇和减少恶臭。当进水缺氧、腐化、缺少营养元素或含有害物质时，回流可以改进进水的腐化状况，提供营养元素和降低毒物浓度。进水水质、水量有波动时，回流有调节和稳定进水的作用。进水BOD5/mgL<150150-300300-450450-600600-750750-900一级0.751.502.253.003.754.50二级0.51.01.52.02.53.0回流滤池的回流比与进水浓度之间的关系供氧生物滤池主要靠自然通风来提供氧气。（也有少部分采用人工供气）夏季，池内气温低于环境温度，气流从上向下运动。冬季，池内温度高于环境温度，气流从下向上运动。这种空气流动引起的复氧，基本上可以满足生物滤池的需要。但是，当有机污染物浓度较高时（ＣＯＤ>400-500mg/L），生物滤池会出现供氧不足的现象。所以普通生物滤池的进水COD应小于400mg/L。可以通过回流来保证有机污染物浓度在一定低的范围内。温度普通生物滤池性能冬天会明显下降－－生物滤池对温度敏感（以前的结论）现在最新研究表明，大多数情况下，生物滤池（生物膜工艺）去除基质（有机污染物）的过程，其主要控制因素是传质的过程和效率，并不是生物反应的快慢。温度对物质传递的影响通常很小，而且，污水的温度变化不是很大，以前普通生物滤池的性能下降，是由于过去工艺不合理，使污水在冬天温度产生突降引起的。所以通过改进工艺，减少污水热损失可以使生物滤池在冬天也有很好的效果。主要措施：建造深度大、横截面积小的滴滤池，减少回流量。边壁向上延伸，要高出布水器1.5－2m，减少风对滤池的影响。覆盖滤池。加强通风控制装置，如调节气阀。或改用强制通风仪器，如鼓风机。布水器构型旋转布水器一般比固定喷嘴布水器具有更好的性能。其主要优点：水分布均匀。会产生瞬时水力负荷速率（对于滤床而言，会有一个瞬时的冲击），产生冲洗作用，可以去除滤池中过量的微生物，因此可以维持生物膜停留在一个比较薄的、活性好的阶段。污水水质和介质类型容易降解的有机污染物浓度高出水水质好，生物膜状态好，工艺运行稳定，有机负荷率高。适合运用该工艺。难降解的污染物（或有毒污染物）浓度高出水水质一般，生物膜发展受抑制。工艺运行不平稳，有机负荷率下降。进水水质影响介质类型影响石料介质随机介质易生长较厚（可能几厘米厚）的生物膜，生物种类多，容易导致高度厌氧作用，生物净增长率低。容易堵塞。具有很好的流动重新分布特性，但是也会出现干燥区和积水区，介质表面未完全利用。积水区会导致厌氧发生，产生臭气。干燥区会滋生飞蝇。高负荷生物滤池高负荷生物滤池：是为解决普通生物滤池在净化功能和运行中存在的实际负荷低、易堵塞等问题而开发出来的。是生物滤池的第二代工艺。高负荷生物滤池是通过限制进水BOD5值和在运行上采取处理水回流等技术来提高有机负荷率和水力负荷率，有机负荷率和水力负荷率分别为普通生物滤池的6—8倍和l0倍。

采用处理水回流技术具有下列作用：(a)均化与稳定进水水质；(b)加大水力负荷，及时冲刷过厚和老化的生物膜．加速生物膜的更新，抑制厌氧层发育，使生物膜保持较高的活性；(c)抑制池绳的滋长；(d)减轻臭味的散发。高负荷生物滤池的流程高效生物滤池的设计计算一般规定：滤池个数（格数）不应小于2个，且按并联运行。进水BOD5浓度不应大于200mg/L，否则宜采用处理后水回流稀释。滤料层厚度一般2－4m。自然通风时，滤料层不大于2m，工作层厚1.8m。滤料粒径40－70mm；承托层厚0.2m，粒径70－100mm。容积负荷一般不宜大于1200gBOD5/m3d水力负荷率一般为9－36m3/m2d，面积负荷率一般为1100－2000gBOD5/m2d高效生物滤池的设计计算污水冬季平均温度/℃年平均气温/℃滤池滤料层高度/m2.02.53.03.54.08－10<32.53.34.45.77.510－143-63.34.45.77.59.6>14>64.45.77.59.612α值选用表（面积负荷法）1、面积负荷法：1）确定面积负荷：一般在1100-2000gBOD5/m2d2)确定回流比R。当BOD5大于200mg/L需要回流高效生物滤池的设计计算滤池面积：滤池体积：h2：滤料层高，2-4m校核容积负荷与表面水力负荷370-1840gBOD5/m3d9-36m3/m2d尺寸计算：作业Q=5500m3/d，进水BOD5=305mg/L，要求出水BOD5小于20mg/L，试设计生物滤池处理后水BOD5/mgLBOD5容积负荷/[kgBOD5/m3d]滤层高3m滤层高4m污水冬季平均水温℃10－1213－1516－2010－1213－1516－20151.151.301.551.501.752.10201.351.551.851.802.102.50251.651.852.202.102.452.90301.852.102.502.452.853.40402.152.503.002.903.204.00高负荷生物滤池（人工塑料滤料）容积负荷选用表（容积负荷法）旋转式布水器（回转式布水器）：由中间固定不动的进水竖管，配水短管和可以转动的布水横管所组成。多用于圆形或多边形的生物滤池。布水横管距离滤料表面为0.15-0.25m，数目大多为2-4个，也可以更多或者在横管上再设分叉管。横管一侧开直径为10-15mm的小孔。孔间隙从池中心最大向池边逐渐减小，来保证布水均匀。污水在一定水头（约0.25-1m）的作用下，喷出小孔，并产生反作用力，从而推动布水横管向水流相反方向转动。如果水头太小，不足以推动布水器，也可以采用电机驱动。旋转布水器的设计计算一般规定：旋转布水器按最大设计污水量计算。每架布水器的布水管数为2－4根。布水器直径D2=D-200mm（D为池内径），布水横管长L=0.5D2布水横管直径D1一般为50－