一种生物膜处理污水的方法及设备

序号：___________

编码:___________

第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛

作品申报书

作品名称：一种生物膜处理污水的方法及其设备

学校全称：_________华南农业大学______________

申报者姓名

（集体名称）：___________张璋蓉_________________

类另U:

□自然科学类学术论文

□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

□科技发明制作A类

J科技发明制作B类

说明

1.申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。

2.申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写

A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会

调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写Bl、B2或B3表。所有申

报者可根据情况填写C表。

3.表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报

书可复制。

4.序号、编码由第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛

组委会填写。

5.学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外

文，请附中文本），请以4号楷体打印在人纸二（文章版面尺寸14.5x22cm）,

附于申报书后，论文不超8000字，调查报告不超15000字。

6.作品申报书须按要求由各校竞赛组织协调机构统一寄送。

7.其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。

A1.申报者情况（个人项目）

说明：1.必须由申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者

（承担申报作品60%以上的二作者）；2.本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确

认c

姓名张琼蓉性别女出生年月1986年3月

学校全称华南农业大学专业环境工程

现学历硕士年级D8级学制3年入学时间2008年9月

申作品全称•种生物膜处理污水的方法及其设备

报以城市污水为水源的富营养化河湖除氮磷抑藻的“水下草坪”构

毕业论文题目

者建技术研究

情广州市天河区五山华南农业大邮政编码510640

通讯地址

况学资源环境学院708单位电/p>

邮政编码510600

常住地通讯地址广州市越秀区共和路11号301

住宅电话61335904

合作姓名性别年龄学历所在单位

者情黄新颖女28硕士华南农业大学

况吕丹丹男27硕士华南农业大学

是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成

人教育、非在职的各类高等院校中国学生（含专科生、本

科生和研究生）。

学校学籍管理V是□否

资

部门意见若是，其学号为：2008212013

格

（部门盖章）

认

2011年3月21日

定本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果

院系负责人或导

J是□否负责人签名：

师意见

2011年3月21日

B3.申报作品情况（科技发明制作）

说明：1.必须由申报者本人填写；2.本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确

认;3.本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片），

也可附鉴定证书和应用证书；4.作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。

作品全称•种生物膜处理污水的方法及其设备

（E）A.机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控

制、工程、交通、建筑等）

B.信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）

C.数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）

作品分类D.生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健

康、卫生、食品等）

E.能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化

工、生态、环保等）

随着我国经济的快速发展，城市基础设施发展跟不上人口的

增加，大量的生活污水未经处理直接排入附近水体。许多城镇河

涌接纳大量污水，远远超过其自净能力，严重的有机污染导致水

中溶解氧快速消耗，河水由于厌氧呈现黑臭状态，严重影响了城

镇居民的生产生活和区域水环境质量，甚至阻碍城市的发展，迫

切需要发展有效的治理技术控制污染，修复受破坏的河流生态系

统。

生物膜技术由于可在单位空间上固定富集大量具有降解功

能的微生物，比较有利于流动水环境中有机物、氨氮等可生物降

作品设计、发明的解污染物的去除，已成为采用较多且有效的污染河流原位生物治

目的和基本思路，理技术之一。但已有的河流生物膜原位处理技术工艺，主要是借

创新点，技术关键

鉴污水处理中的接触氧化工艺，生物膜及载体完全淹没于水下，

和主要技术指标

这样的处理方式在河水有机物浓度较高时，易受水中低溶解氧的

制约，出现厌氧状态，再有就是，大量形成及脱落的生物膜很难

收集带走，容易导致新的有巩污染。针对这两个问题，本发明致

力丁•研究种新型悬拄毛细传质生物膜技术，利用介质的毛细作

川将可溶性有机物、氨氮转移到水上的生物膜，利用空气中的氧

将其氧化，提高污染物的去除效率。

（一）具体研究开发内容和要重点解决的技术关键问题

（1）毛细传质介质和生物膜载体材料的筛选，

随着对穿着舒适（快速吸排水及汗）的要求提高，目前已有许多

具有较强毛细吸水性能织物材料被开发应用，因此本研究主要考虑从

这些具有导湿功能的织物材料中选择毛细传质介质，将从毛细吸水作

用拜度和抗菌（耐久性）性两方面进行比较和筛诜:

生物膜载体主要选择在接触氧化工艺中常用、质量较轻的颗粒和

片状载体，重点考察它们在悬挂状态、水及污染物通过毛细作用传导

时的挂膜特性。

（2）毛细传质生物膜单元的构建方式（载体与毛细传质介质结合

方式）研究，由于筛选的织物介质具有抗菌性，可能会影响到载体上

生物膜生长，因此颗粒载体与织物介质的结合方式考虑两种：一是颗

粒载体直接粘合在织物介质表面，二是颗粒粘合在无纺布表面，通过

与无纺布缝合，毛细介质贴敷在颗粒载体上；对于片状载体，则是选

择毛细介质包裹贴敷在其两面。主要通过比较挂膜量、污染物去除效

果等优选结合方式。

（3）挂膜方式比较研究，本部分主要侧重研究生物膜单元两种挂膜

方式：悬挂状态自然挂膜和淹没式人工曝气条件预先挂膜，比较这两

种方式形成生物膜在悬挂状态下的污染物去除特性。

（4）悬挂生物膜污染物去除能力研究，主要研究毛细传质生物膜

单元的有机物（COD）和氨氮的去除能力，以及研究确定单位水面面

积上污染物去除率达到最大的最优单元数。

（5）处理装置辅助设施的设计开发，主要是漂浮框和传质介质支

撑架材料的优选和处理装置规模设置。

拟解决的技术难点：

本项目所研究的悬挂生物膜对污染物去除速率最主要的限制在

尸水及污染物的传质速度，这主要与传质材料的传递性能有关，因此

本技术拟解决的技术难点主要有两个：

（1）具较强毛细作用及耐腐蚀特性且价廉易得介质材料的筛选。

（2）可有效进行水分及污染物传递的毛细传质生物膜单元的构建方

式。

（二）项目的特色和创新之处

主要创新点：

首次提出利用毛细作用将有机污染严重的河涌水污染物转移到

水上，利用悬挂生物膜原位处理的方式，摆脱水中溶解氧较低的限制，

使得原位生物膜技术可以用于有机污染较严重的河涌治理。

由于对有机物等良好的降解效果，生物膜法也被应用于受生

活污水等污染的河流治理中。

河流原位治理生物膜技术主要措施是在污染河道中放置或

填充能附着大量微生物生长的填料，微生物在表面不断生长逐渐

形成生物膜，流过生物膜表面的污染物吸附降解，河水被净化。

已有的净化河流的生物法有砾间接触氧化法、沟渠内接触氧化

法、生物栅法等。

砾间接触氧化法通过在河道内人工填充砾石，使河水与生物

膜的接触面积提高数十倍以上，强化自然状态下的河流中的沉

淀、吸附和氧化分解。20世纪90年代，日本和韩国有许多受污

染的河流采用砾间接触氧化法净化河道水质，最有代表性的是口

作品的科学性先

本野川和韩国的良才川。沟渠内接触氧化法是在单一排水功能的

进性（必须说明与

现有技术相比、该河道内填充各种材质、形状大小的接触材料，如卵石、木炭、废

作品是否具有突陶、石灰石以及波板纤维或塑料材质的填料等，提高生物膜面积，

出的实质性技术

强化河流的自净作用，日本研究人员曾将沸石粒覆盖的无纺布作

特点和显著进步。

请提供技术性分为教体投加到污染河流中，无纺布表面富集的硝化细菌对氨氮的

析说明和参考文削减量达到50mg/L/d,强化氨氮的硝化作用。在国内，上海污

献资料）染黑臭河流的治理中，黄民生等曾研究应用挂腴的生物栅技术处

理河水中有机污染物：金腊华等研究尝试利用混凝土生态膜和悬

浮生物膜对广州的污染河涌水进行处理，这些研究表明，利用受

污染河水中土著微生物完全可以进行自然挂膜，生长成熟的生物

膜对河水中COD、氨氮等具较好的去除效果。

但这些河流原位治理生物膜技术主要借鉴污水处理的接触

氧化工艺，生物膜淹没于水下，靠河水流动自然复氧提供生物降

解所需溶解氧，比较适用于有机污染较轻的河流，当水中有机物

浓度较高时，自然复氧往往不能满足溶解氧的需求，必须强化供

氧才能有效的对污染物进行去除，特别是氨氮。目前生物膜原位

治理技术强化供氧主要是引入人工曝气装置，而且采用较大的曝

气强度才能对污染物等有较高的夫除效率，如操家顺等研究表明

只有在充分曝气，水中溶解氧达到4rng/l.时，COI）等才具有70%

以上的去除率，中度和微曝气时去除率都在50%以下。但人工曝

气装置的动力消耗，以及日常操作、维护管理等极大地增加了投

资成本和管理难度，而且机械曝气加快生物膜表面水流，较强的

水力剪切力致使生物膜的脱落加快从而形成较多污泥絮体，肖羽

堂等对曝气富氧生物膜处理受污染河水研究表明，要保证较高的

COD,氨氮去除率必须定期排泥，但在河道原位治理中，脱落的

生物膜絮体易随水流带走，较难收集排除，容易导致新的污染。

因此，利用生物膜技术原位治理有机污染严重的河水，低成本的

强化供氧及实现脱落生物膜的简便收集是关键。

本发明针对这一问题，在已有生物膜原位治理技术基础.匕尝试

研究将生物膜载体悬拄在水面以上，利用毛细作用将水中部分可溶性

污染物转移到载体上培养富集微生物，载体表面形成生物膜暴露于空

气中，氧传递速度快，完全可满足高浓度污染物好氧生物降解，再通

过与水下生物膜技术联合应用，可实现有机污染严重河涌高效且低成

本的原位治理。

2。10年9月22日经中华人民共和国国家知识产权局接收

2。11年3月18日获得华南农业大学丁颖杯二等奖

作品在何时、何

地、何种机构举行

的评审、鉴定、评

比、展示等活动中

获奖及鉴定结果

作品所处(B)A实验室阶段B中试阶段C生产阶段

阶段D___________(自填)

技术转让方式

作品可展示的口实物、产品□模型□图纸□磁盘：□现

形式场演示J图片口录像□样品

本发明将原位生物膜技术通过毛细传质技术，转移到水面之上,

具有有机负荷高，供氧成本低，构建管理容易，管理灵活等优点。解

决了目前生物膜技术低溶解氧限制的问题，可以应用于河流的原位处

理，尤其是高污染的河段。运行和制备成本低，可持续的进行污水进

化，净化效果持续有效。无需曝气装置的加入，运用于住宅区具有零

噪声的优点。造价成本低，适用于农村和城镇分散式生活污水的处理,

使用说明及该作从源头控制污染源，改善河道水质。推广于河涌治理可以有效消除有

品的技术特点和

优势，提供该作品机污染河涌的黑臭，提高河流水环境质量，改善河流周边居民的生活

的适应范围及推环境，改善广州市的河涌环境，为广州市的碧水工程贡献一份力量，

广前景的技术性

说明及市场分析还人民以清洁的河水和亲水的心。使用这种毛细传质的生物膜技术不

和经济效益预测需要人工曝气，通过自然复氧减少的曝气成本和运行维护费用，装置

放置在河边自动运行，管理方便，节约人力。在河道周边可以建设一

些亲水工程，让市民游览，欣赏景观之余可以了解我们技术的基本情

况，增加对环境污染和治理的认识。

提出专利申报

申报号_201010160558.8___________

申报日期2010年4月23日

专利申报情况□已获专利权批准

批准号_________________

批准日期年月日

□未提出专利申请

科研管理部门

签章

年月日

D.推荐者情况及对作品的说明

说明：1.由推荐者本人填写；2.推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品

相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）；3.推荐者填写此部分,

即视为同意推荐；4.推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。

姓名性别年龄职称教授

工作单位华南农业大学

推荐者

、名F，山1L广州市天河区华南农业大学资源

情况通讯地址邮政编码510640

环境学院

单位电话住宅电话

推荐者所在

单位签章

（签章）2011年3月21日

请对申报者申报情

况的真实性作出阐

述

请对作品的意义、技

术水平、适用范围及

推广前景作出您的

评价

其它说明

推荐者姓名性别年龄职称教授

情况工作单位华南农业大学

、田FJ.L广州市天河区华南农业大学资源

通讯地址邮政编码510640

环境学院

单位电话住宅电话

推荐者所在

单位签章

（签章）2011年3月21日

请对申报者申报情

况的真实性作出阐

述

请对作品的意义、技

术水平、适用范围及

推广前景作出您的

评价

其它说明

学校组织协调机构

确认并盖章

（团委代章）年月日

校主管领导或校主

管部门确认盖章

年月日

E.大赛组织委员会秘书处资格和形式审查意见

组委会秘书处资格审查意见

审查人（签名）________________

年月日

组委会秘书处形式审查意见

审查人（签名）_

年月0

组委会秘书处审查结果

□合格□不合格

负责人（签名）.

年月B

F,参赛作品打印处

一种生物膜处理污水的方法及其设备

——华南农业大学资源环境学院张彦蓉

一、立项依据

（一）目的意义

随着我国，特别是珠三角地区经济的快速发展，城市基础设施发展跟不上

人口的增加，大量的生活污水未经处理直接排入附近水体。许多城镇河涌接纳

大量污水，远远超过其自净能力，严重的有机污染导致水中溶解氧快速消耗，

河水由于厌氧呈现黑臭状态，严重影响了城镇居民的生产生活和区域水环境质

量，甚至阻碍城市的发展，迫切需要发展有效的治理技术控制污染，修复受破

坏的河流生态系统。解决河涌污染最根本的办法是截留污水，对城市污水进行

集中处理，但是需要大量建设污水处理厂及排水管网，而这些基础设施投资较

高，建设周期长，短期内很难实现，因此短期内要解决河涌污染仍需要针对不

同河段特点研究开发多种原位或就近旁路处理技术。

原位治理指在河道中进行的治理技术工艺，旁路处理是指将河水提升到岸

边处理设施中进行的技术工艺。许多城镇河涌由于排污口较分散且岸边可利用

的土地面积有限，因此很难将其收集起来在岸边进行处理，只能采取原位治理。

生物膜技术由于可在单位空间上固定富集大量具有降解功能的微生物，比

较有利于流动水环境中有机物、氨氮等可生物降解污染物的去除，已成为采用

较多且有效的污染河流原位生物治理技术之一。但已有的河流生物膜原位处理

技术工艺，主要是借鉴污水处理中的接触氧化工艺，生物膜及载体完全淹没于

水下，这样的处理方式在河水有机物浓度较高时，易受水中低溶解氧的制约，

出现厌氧状态，再有就是，大量形成及脱落的生物膜很难收集带走，容易导致

新的有机污染。针对这两个问题，本项目致力于研究一种新型悬挂毛细传质生

物膜技术，利用介质的毛细作用将可溶性有机物、氨氮转移到水上的生物膜，

利用空气中的氧将其氧化，提高污染物的去除效率。

（二）国内外概况

生物膜技术是一种利用附着生长的微生物对水中污染物进行处理的生物技

术，具有运行稳定、抗冲击负荷、经济节能等优点，是主要的污水生物处理工

艺之一。由于对有机物等良好的降解效果，生物膜法也被应用于受生活污水等

污染的河流治理中。

河流原位治理生物膜技术主要措施是在污染河道中放置或填充能附着大量

微生物生长的填料，微生物在表面不断生长逐渐形成生物膜，流过生物膜表面

的污染物吸附降解，河水被净化。已有的净化河流的生物法有砾间接触氧化法、

沟渠内接触氧化法、生物栅法等。

砾间接触氧化法通过在河道内人工填充砾石，使河水与生物膜的接触面积

提高数十倍以上，强化自然状态下的河流中的沉淀、吸附和氧化分解。20世纪

90年代，日本和韩国有许多受污染的河流采用砾间接触氧化法净化河道水质，

最有代表性的是日本野川和韩国的良才川。沟渠内接触氧化法是在单一排水功

能的河道内填充各种材质、形状大小的接触材料，如卵石、木炭、废陶、石灰

石以及波板纤维或塑料材质的填料等，提高生物膜面积，强化河流的自净作用，

日本研究人员曾将沸石粒覆盖的无纺布作为载体投加到污染河流中，无纺布表

面富集的硝化细菌对氨氮的削减量达到50mg/L/d,强化氨氮的硝化作用。在国

内，上海污染黑臭河流的治理中，黄民生等曾研究应用挂膜的生物栅技术处理

河水中有机污染物；金腊华等研究尝试利用混凝土生态膜和悬浮生物膜对广州

的污染河涌水进行处理，这些研究表明，利用受污染河水中土著微生物完全可

以进行自然挂膜，生长成熟的生物膜对河水中COD、氨氮等具较好的去除效果。

但这些河流原位治理生物膜技术主要借鉴污水处理的接触氧化工艺，生物

膜淹没于水下，靠河水流动自然复氧提供生物降解所需溶解氧，比较适用于有

机污染较轻的河流，当水中有机物浓度较高时，自然复氧往往不能满足溶解氧

的需求，必须强化供氧才能有效的对污染物进行去除，特别是氨氮。目前生物

膜原位治理技术强化供氧主要是引入人工曝气装置，而且采用较大的曝气强度

才能对污染物等有较高的去除效率，如操家顺等研究表明只有在充分曝气，水

中溶解氧达到4mg/L时，COD等才具有70%以上的去除率，中度和微曝气时去除

率都在50%以下。但人工曝气装置的动力消耗，以及日常操作、维护管理等极大

地增加了投资成本和管理难度，而且机械曝气加快生物膜表面水流，较强的水

力剪切力致使生物膜的脱落加快从而形成较多污泥絮体，肖羽堂等对曝气富氧

生物膜处理受污染河水铲究表明，要保证较高的COD、氨氮去除率必须定期排泥,

但在河道原位治理中，脱落的生物膜絮体易随水流带走，较难收集排除，容易

导致新的污染。因此，利用生物膜技术原位治理有机污染严重的河水，低成本

的强化供氧及实现脱落生物膜的简便收集是关键。

本发明针对这一问题，在已有生物膜原位治理技术基础上，尝试研究将生

物膜载体悬挂在水面以上，利用毛细作用将水中部分可溶性污染物转移到载体

上培养富集微生物，载体表面形成生物膜暴露于空气中，氧传递速度快，完全

可满足高浓度污染物好氧生物降解，再通过与水下生物膜技术联合应用，可实

现有机污染严重河涌高效且低成本的原位治理。

（三）市场预测和发展趋势

珠三角许多城镇河涌处于人口密集的区域，常年接受生活污水大部分出现

黑臭等污染，已经成为严重的环境甚至民生问题。尽管污水处理厂等基础设施

建设在加快，但由于污水管网铺设较慢，近5到10年内，仍有许多河涌污水不

能有效截留，如城郊地带或城中村地区，这些地区排水管道通常未经规划设置，

排污口较分散，同时岸上土地资源紧缺，很难实现受污染河水旁路集中处理，

仍然需要通过高效低耗的原位技术进行治理，来改善河流水环境质量，因此本

技术具有较大的应用前景。推广于河涌治理可以有效消除有机污染河涌的黑臭，

提高河流水环境质量，改善河流周边居民的生活环境，改善广州市的河涌环境,

为广州市的碧水工程贡献一份力量，还人民以清洁的河水和亲水的心。使用这

种毛细传质的生物膜技术不需要人工曝气，通过自然复氧减少的曝气成本和运

行维护费用，装置放置在河边自动运行，管理方便，节约人力。在河道周边可

以建设一些亲水工程，让市民游览，欣赏景观之余可以了解我们技术的基本情

况，增加对环境污染和治理的认识。

二、研究开发内容、方法、技术路线

（一）具体研究开发内容和要重点解决的技术关键问题

（1）毛细传质介质和生物膜载体材料的筛选，

随着对穿着舒适（快速吸排水及汗）的要求提高，目前已有许多具有较强

毛细吸水性能织物材料被开发应用，因此本研究主要考虑从这些具有导湿功能

的织物材料中选择毛细传质介质，将从毛细吸水作用强度和抗菌（耐久性）性

两方面进行比较和筛选；

生物膜载体主要选择在接触氧化工艺中常用、质量较轻的颗粒和片状载体,

重点考察它们在悬挂状态、水及污染物通过毛细作用传导时的挂膜特性。

(2)毛细传质生物膜单元的构建方式(载体与毛细传质介质结合方式)研究,

由于筛选的织物介质具有抗菌性，可能会影响到载体上生物膜生长，因此颗粒

载体与织物介质的结合方式考虑两种：一是颗粒载体直接粘合在织物介质表面,

二是颗粒粘合在无纺布表面，通过与无纺布缝合，毛细介质贴敷在颗粒载体上；

对于片状载体，则是选择毛细介质包裹贴敷在其两面。主要通过比较挂膜量、

污染物去除效果等优选结合方式。

(3)挂膜方式比较研究，本部分主要侧重研究生物膜单元两种挂膜方式：悬

挂状态自然挂膜和淹没式人工曝气条件预先挂膜，比较这两种方式形成生物膜

在悬挂状态下的污染物去除特性。

(4)悬挂生物膜污染物去除能力研究，主要研究毛细传质生物膜单元的有机

物(COD)和氨氮的去除能力，以及研究确定单位水面面积上污染物去除率达到

最大的最优单元数。

(5)处理装置辅助设施的设计开发，主要是漂浮框和传质介质支撑架材料的

优选和处理装置规模设置。

拟解决的技术难点：

本项目所研究的悬挂生物膜对污染肠去除速率最主要的限制在于水及污染

物的传质速度，这主要与传质材料的传递性能有关，因此本技术拟解决的技术

难点主要有两个：

(1)具较强毛细作用及时腐蚀特性且价廉易得介质材料的筛选。

(2)可有效进行水分及污染物传递的毛细传质生物膜单元的构建方式。

(二)项目的特色和创新之处

主要创新点：

首次提出利用毛细作用将有机污染严重的河涌水污染物转移到水上，利用

悬挂生物膜原位处理的方式，摆脱水中溶解氧较低的限制，使得原位生物膜技

术可以用于有机污染较严重的河涌治理。

(三)要达到的技术、经济指标及社会、经济效益

1技术指标：

(1)毛细传质介质芯吸高度达到0.15m;

(2)在气温15℃以上时，悬挂生物膜容积负荷率与对生活污水进行三级处理

3

(进、出水B0D分别小于60和10mg/L)的接触氧化工艺接近，达到200gB0D5/m/d,

即单位水面面积负荷30gB0D5/m2/d,BOD去除率达到90%以上；氨氮的去除率达

到50%以上；

(3)对于BOD浓度在100mg/L以下的污染河涌，通过悬挂生物膜降解超过30%。

(4)悬挂生物膜单元使用寿命1年以上。

2经济指标：处理装置构建成本低于100元/m?水面，运行维护等管理成本：1

个人工/年/10000小2水面。

3社会效益：有效消除有机污染河涌的黑臭，提高河流水环境质量，改善河流

周边居民的生活环境。

(四)采用的方法、技术路线以及工艺流程

1毛细传质介质的筛选:

选择多种导湿功能织物，首先采用垂直芯吸法进行水力传导性能测定，筛

选出垂直芯吸高度在15cm以上的织物材料，再进行抗菌性测定，抗菌性采用菌

落培养法，最后选出抗菌性较好介质材料。

2载体及与毛细介质组合方式优选：

（1）颗粒载体初步选择：粒径0.51nm左右的砂粒、沸石、陶粒、活性炭，与毛

细介质结合方式分为两种：直接粘合；先粘合在无纺布上，再将无纺布与毛细

介质缝合在一起。

（2）片状载体初步选择：硬聚氯乙烯平板和波纹板；结合方式：毛细介质包裹

在板两面

（3）组合方式优选实验：将以上10种结合方式构成的生物膜单元，分别悬挂

在漂浮实验装置的悬挂支架上，每种悬挂面积相同，数量设置15片，实验装置

漂浮于模拟河道中，织物毛细介质下端浸没在缓慢流动的模拟受污染河涌水中，

进行自然挂膜，定期监测不同载体及结合方式的挂膜情况及污水中C0"、氨氮

的浓度。

3挂膜方式比较研究：

对优选出单元进行：悬挂状态自然挂膜和淹没式人工曝气条件预先挂膜，

挂膜成熟后，利用图1所示实脸装置进行污水处理实脸，比较这两种方式形成

生物膜对污染物去除率。

4悬挂生物膜污染物去除能力实验研究：

利用图1实验装置，研究污水中COD、氨氮去除率随悬挂生物膜单元增加时

的变化特点，确定单位水面面积上污染物去除率达到最大的最优单元数。

5处埋装置辅助设施的初步设计开发，比较不同材料的漂浮框和支撑架及固定方

式漂浮稳定性，优选出稳定性较高的组合。

图1悬挂生物膜整体装置示意图

图1.2生物膜单元构建：颗图1.3生物膜单元构建：片状

图1.1生物膜单元构建：颗粒

载体粘合在无纺布上，毛细载体缝合在毛细介质上

载体直接粘合在毛细介质上

质包裹在两侧

注：1铁丝支架，2漂浮板（泡沫或木或塑料材质），3悬挂生物膜单元（载体+毛细吸水介质），4毛细吸

水介质（超细纤维织布）.5颗粒载体，6无纺布，7片状载体，8缝合线

（五）具体实施方式

实施例1

将宽幅20cm的超细纤维织物剪成长15cm长的布块，将粒径1cm左右的沸石

颗粒均匀黏贴在两面，构建出悬挂生物膜传质及载体单元；用角钢构建长宽高

分别30cm、25cm、50cm矩形框架；框架设置在盛装满生活污水的塑料箱（长宽

高：25cm、20cm、40cm）四周，悬挂生物膜单元先在生活污水中用传统方法曝

气挂膜，挂膜成功后，每个单元布块上端用铁丝固定，悬挂在框架上，布块下

端5cm浸入塑料箱中的水中，共设置15个单元均匀的悬挂在污水上方，单元之

间间隔1-2cm左右，对塑料箱中生活污水进行序批式处理。所使用生活污水为

居民生活区化粪池污水稀释，每8个小时一个周期，每2个小时取样测定一次，

周期结束后，箱中污水清出，箱子刷洗干净后装入新污水开始下一周期，共进

行4个周期，对照是未悬挂生物膜的系统。此悬挂生物膜对污水中C0D、氨氮的

去除结果如图1和图2所示，去除率基本稳定在80%、65%左右。

Z国聚装

将宽幅20cm的超细纤维织物和无纺布分别剪成长15cm长的布块，将粒径

1cm左右的砂粒均匀黏贴在无纺布两面，将两片超细纤维织物包裹无纺布，并用

线缝合固定在一起，构建出悬挂生物膜传质及载体单元；用角钢构建长宽高分

别30cm、25cm、50cm矩形框架；框架设置在盛装满生活污水的塑料箱（长宽高：

25cm、20cm.40cm）四周，悬挂生物膜单元先在生活污水中用传统方法曝气挂

膜，挂膜成功后，每个单元布块上端用铁丝固定，悬挂在框架上，布块下端5cm

浸入塑料箱中的水中，共设置15个单元均匀的悬挂在污水上方，单元之间间隔

1-2cm左右，对塑料箱中生活污水进行序批式处理，此悬挂生物膜对污水中C0D、

氨氮的去除率基本稳定在85%、50%左右。

实施例3

将宽幅20cm的超细纤维织物剪成长15cm长的布块，将半硬质塑料片表面打

磨粗糙后，裁剪成同样大小，。序两片超细纤维织物包裹塑料片，并用线缝合固

定在一起，构建出悬挂生物膜传质及载体单元；用角钢构建长宽高分别30cm.

25cm、50cm矩形框架；框架设置在盛装满生活污水的塑料箱（长宽高：25cm、

20cm、40cm）四周，悬挂生物膜单元先在生活污水中用传统方法曝气挂膜，挂

膜成功后，每个单元布块上端用铁丝固定，悬挂在框架上，布块下端5cm浸入

塑料箱中的水中，共设置15个单元均匀的悬挂在污水上方，单元之间间隔1-2cm

左右，对塑料箱中生活污水进行序批式处理，此悬挂生物膜对污水中C0D、氨氮

的去除率基本稳定在70%、45%左右。

（六）结果分析讨论

（1）毛细传质介质的筛选

从市面上获得衣服布料、毛线料，吸水布料和毛巾布料等吸水介质，将其

剪成15cm的布条，垂直悬空在水上，小部分浸泡在水面下，观察到毛巾布料的

吸水效果最好，水能够最快传质到布条顶端，达到整个布条的润湿状态。并且

长期泡在水中或者一些人为的机械扭曲，布条也能够维持原来的状态，不容易

损坏，符合我们需要材料的要求。

(2)载体的组合方式

从建材市场买回塑料板，将其剪成20cmX10cm的板材，用砂纸打磨粗糙。

将砂石和沸石打磨至粒径为化由左右，在部分板材上均匀粘附上砂石和沸石，

形成载体单元。将毛细介质建成20cmX15cm的布条，覆盖在载体单元上。从大

坦沙污水处理厂二沉池中接种污泥驯化培养，用于生物膜培养的菌种。各种组

合方式生物膜都能够很好的生长其上，尤其是砂石、沸石和纤维布，表面积都

比较大，利于生物膜附着其上。

人工合成污水提供生物膜所需的营养，采用工业葡萄糖为碳源，氯化镁和磷酸

二氢钾为氮、磷营养物质，按BOD：N：P=100：5：1配制，B0D:COD^O.8O

表1营养配比

营养物葡萄糖NHX1KH2PO4

浓度/mg•L120030.567.02

表2生物膜培养期COD去除效果记录表

日期COD起始浓度mg/L3天后COD浓度mg/LCOD序批去除率

921151.1145.3370.00%

925389.7852.486.56%

由表2所见生物膜培养期，曝气挂膜布板系统对人工污水COD的序批3天

去除率在七成以上。从外观上看，在载体表面形成一层褐色的泥状物体，因此

判定生物膜生长成熟。

为验证挂膜是否成熟，序批测定24小时COD与氨氮的浓度变化。连续3天

于早上8：30更换新的人工污水，测定更换新的人工污水后分别0、4、8、24

小时的COD与氨氮浓度，结果如图1、图2所示。

-♦一空白对照T-雌气挂膜布板系统

4

)0

3oo

2oo

1oo

o

-1OO

时间

图1挂膜后期序批进水COD去除效果图

曝气挂膜布板系统对序批进水的COD去除效果如图1所示。比较曝气挂膜布

板系统和空白组数据可以发现，系统对COD的去除效果优于其自然分解，其中

22日与24日的第四个数据都显示经系统处理的人工污水，COD浓度下降9096以

上。可见此阶段本系统友COD的去除还是有较明显的效果。结合目测结果，判

断挂膜成熟。

♦空白对照上曝气挂膜布板系统

3o

、

一/

管2o

赘

8爱1o

年

O

时间

图2挂膜后期序批进水氮感去除效果图

曝气挂膜布板系统对序批进水的氨氮去除效果如图2所示。比较曝气挂膜布

板系统和空白组数据可以发现，系统对氨氮的去除速率大于其自然分解。

(3)挂膜方式比较

一自然挂膜

T-曝气挂膜

空白对照

$吟@a谷*寸寸甘

时间h

图3自然挂旗和曝气挂膜对污水COD的去除效果

自然挂膜是将生物膜放置在空气中，通过与空气接触，自然复氧的方式提

供生物膜所需要的氧气，而毛细传质材料末端接触污泥混合液，向载体提供菌

种和营养。曝气挂膜是号载体浸泡在污泥混合液当中，通过人工曝气的方式，

向水中打入氧气，提供微生物生长所需要的氧气。

由图2可见，两种挂膜方式对污水中化学需氧量的处理效果相当，没有明

显的区别。但是挂膜过程，自然挂膜方式生物膜成熟比较缓慢，需要较长的生

长周期，而曝气挂膜生物膜成熟比较快，生长周期较短，但是需要长时间的机

械曝气，运行费用相对较高。在实际生产过程中建议采用曝气挂膜的方式，能

够在短时间达到需要的生物量。

(2)各种组合方式去除能力比较

图4不同组合方式对COD的去除效果

123456789101112

时间d

图5不同组合方式对氨氮的去除效果

选取的四种组合方式，一种是只有载体板的，打磨粗糙的载体板增加了接

触面积，生物膜能够在其上附着生长。一种是在载体板上均匀粘附有粒径为1cm

左右的砂石。一种是载体板上均匀粘附有粒径为1cm左右的沸石。一种是只有

超细纤维介质的，既作为传质介质，也作为生物膜的生长载体，因为超细纤维

类似毛巾布料，表面很粗糙，也是生物膜生长的有利环境。

由图3可见，各种组合对污水COD的去除效果都比较明显，相对于空白对

照来说，对COD的净化效果都更好。其中以沸石系统和纤维布系统的处理效果

最为理想，砂石系统次之，板系统最次。

由图4可见，各种组合对污水氨氮的去除效果与对照系统有一定的优势，

但是优势不是特别明显。其中也是沸石系统对污水的处理效果最好，因为沸石

对氨氮有一定的吸收效果，比其他系统生物膜的处理更好。砂石系统、板系统

和纤维布系统差不多，砂石系统更优一点。

沸石系统和砂石系统因为在板的表面喷涂了细小颗粒的沸石和砂石，增加

的生物膜的接触面积，生物膜附着其上生长面积更大，生长更多的生物膜，而

且与污水的接触面积也更大，因此对污水的去除效果更好一些。板系统虽然对

板的表面进行的打磨处理，增加它的表面积，但是相当于上面两个系统来说，

还是有多欠缺，所以处理效果相对较差。纤维布系统表面最为粗接，而且生物

膜直接生长其上，吸附的污染物质可以直接被生物吸收，比其他系统少了一个

传质的过程，更利于微生物的生长，因此对COD和氨氨的去除效果都出较理