工業(yè)廢水之生物膜法處理污水工業(yè)廢水之生物膜法處理污水

摘要：目前化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅速，但隨之而來的化工污染狀況也十分嚴(yán)重，化工廢水成分復(fù)雜、水質(zhì)水量變化大，隨著國家對(duì)其處理達(dá)標(biāo)要求越來越嚴(yán)格，其處理技術(shù)也在不斷發(fā)展。生物膜法是與活性污泥法平行發(fā)展的一種污水處理技術(shù)方法，實(shí)質(zhì)是使細(xì)菌類微生物和原生動(dòng)物、后生動(dòng)物類的微型動(dòng)物附著在濾料或某些載體上，并在其上形成膜狀生物污泥，即生物膜。生物膜法是土壤自凈過程的人工強(qiáng)化，主要去除廢水中溶解性的和膠體狀的有機(jī)污染物，同時(shí)對(duì)廢水中的氨氮還具有一定的硝化能力。生物膜法在處理工業(yè)廢水中有著廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：生物膜，廢水，凈化

生物膜法是屬于好養(yǎng)生物處理的方法，它是將廢水通過好氧微生物和原生動(dòng)物，后生動(dòng)物等在載體填料上生長繁殖形成的生物膜，吸附和降解有機(jī)物，使廢水得到凈化的方法。根據(jù)裝置的不同，生物膜法可分為生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、接觸氧化法和生物流化床等四類。在石油和化學(xué)工業(yè)的廢水處理中，其中應(yīng)用多的是接觸氧化法。

1生物膜法的機(jī)理

1生物膜法的發(fā)展

在20世紀(jì)50年代以前，生物膜法卻一直未被人們重視，其原因主要是因?yàn)樯a(chǎn)中早采用的生物膜法構(gòu)筑物是以碎石為填料的滴濾池。碎石的比表面積小，能夠?yàn)槲⑸锔街L的表面積小，因而滴濾池的負(fù)荷不可能很大，使其占地面積較大，衛(wèi)生狀況也不好。 

50年代，由于塑料工業(yè)的發(fā)展以及塑料填料引入生物膜處理系統(tǒng)，使生物膜法出現(xiàn)了許多具有重要意義的發(fā)展。因此，出現(xiàn)了許多新型的生物膜法設(shè)備。

20世紀(jì)70年代末，為強(qiáng)化生物膜法反應(yīng)器中的傳質(zhì)，流化床系統(tǒng)被引人生物膜處理中，稱為生物流化床。生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的待點(diǎn)，又稱為半生物膜和半懸浮生長系統(tǒng)。

2生物膜法的基本流程

下圖為生物膜法處理系統(tǒng)的基本流程：廢水經(jīng)初次沉淀池后進(jìn)入生物膜反應(yīng)器，廢水在生物膜反應(yīng)器中經(jīng)需氧生物氧化去除有機(jī)物后，再通過二次沉淀池出水。 

圖1-1生物膜法基本流程

3生物膜凈化污水的機(jī)理

（1）生物膜的構(gòu)造特征

生物膜(好氧層＋兼氧層＋厭氧層)＋附著水層(高親水性)。

（2）降解有機(jī)物的機(jī)理

①微生物：沿水流方向?yàn)榧?xì)菌——原生動(dòng)物――后生動(dòng)物的食物鏈或生態(tài)系統(tǒng)。具體生物以菌膠團(tuán)為主、輔以球衣菌、藻類等，含有大量固著型纖毛蟲（鐘蟲、等枝蟲、獨(dú)縮蟲等）和游泳型纖毛蟲（楯纖蟲、豆形蟲、斜管蟲等），它們起到了污染物凈化和清除池內(nèi)生物（防堵塞）作用。

②污染物：重→輕(相當(dāng)多污帶→α中污帶→β中污帶→寡污帶)。

③供氧：借助流動(dòng)水層厚薄變化以及氣水逆向流動(dòng)，向生物膜表面供氧。

④傳質(zhì)與降解：有機(jī)物降解主要是在好氧層進(jìn)行，部分難降解有機(jī)物經(jīng)兼氧層和厭氧層分解，分解后產(chǎn)生的H2S，NH3等以及代謝產(chǎn)物由內(nèi)向外傳遞而進(jìn)入空氣中，好氧層形成的NO3--N、NO2--N等經(jīng)厭氧層發(fā)生反硝化，產(chǎn)生的N2也向外而散入大氣中。

⑤生物膜更新：經(jīng)水力沖刷，使膜表面不斷更新（DO及污染物），維持生物活性（老化膜固著不緊）。

4生物膜法的特征

（1）微生物相方面

①微生物的多樣化：生物膜是由細(xì)菌、真菌、藻類、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物以及一些肉眼可見的蠕蟲、昆蟲的幼蟲組成（濾池蠅具有抑制生物膜過速增長的功能）。

②生物的食物鏈長：生物膜上的食物鏈要長于活性污泥，因此污泥量少于活性污泥系統(tǒng)。

③能夠存活時(shí)間長的微生物：SRT與HRT無關(guān)，因此硝化菌和亞硝化菌也得以繁衍、增殖，因此生物膜法的各種工藝都具有硝化功能，采取適當(dāng)運(yùn)行方式，可脫氮。

④分段運(yùn)行與優(yōu)勢(shì)菌種：生物膜法多分多段運(yùn)行，每段繁衍與本段水質(zhì)相適應(yīng)的微生物。

（2）處理工藝方面的特征 

①對(duì)水質(zhì)、水量變動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性：一段時(shí)間中斷進(jìn)水，對(duì)生物膜也不會(huì)有致命影響，通水后易恢復(fù)。

②污泥沉淀性良好：污泥比重較大 ，且顆粒較大，易沉淀；但厭氧層過厚時(shí)，脫落的細(xì)小非活性懸浮物分散于水中，使水的澄清度下降。

③微生物量多，處理能力大、凈化功能強(qiáng)：附著生長，故生物膜含水率低，單位池容的生物量是活性污泥法的5~20倍，因而具有較大處理能力，凈化功能顯著提高。

④能夠處理低濃度廢水：生物膜能處理活性污泥法不能處理的低濃度污水和微污染的原水，使B0D5降至5~10mg/L。

⑤易于維護(hù)運(yùn)行，節(jié)能，動(dòng)力費(fèi)用低；如生物轉(zhuǎn)盤、生物濾池等，去除單位BOD的耗電量較少。

2生物濾池

1生物濾池的基本原理：土壤自然凈化原理

含有污染物的廢水從上而下從長有豐富生物膜的濾料的空隙間流過，與生物膜中的微生物充分接觸，其中的有機(jī)污染物被微生物吸附并降解，使得廢水得以凈化。主要凈化功能是依靠濾料表面的生物膜對(duì)廢水中有機(jī)物的吸附氧化降解作用。 

2生物濾池的分類

生物濾池按其結(jié)構(gòu)可分為普通生物濾池、高負(fù)荷生物濾池及塔式生物濾池三種。

3生物濾池的構(gòu)造與組成

生物濾池一般主要由池體、濾料、布水裝置、排水系統(tǒng)等四部分組成。

（1）池體

在平面上多為方形、矩形或圓形，高出濾池1.5~0.9m。在寒冷地區(qū)，有時(shí)需要考慮防凍、采暖、或防蠅等措施。

池壁：圍護(hù)填料，應(yīng)該能承受壓力，分為有孔池壁和無孔池壁。有孔洞的池壁有利于濾料的內(nèi)部通風(fēng)，但在冬季易受低氣溫的影響；池底：支撐濾料和排除處理后的水，池底四周設(shè)置通風(fēng)口。

（2）濾料

一般為實(shí)心拳狀濾料，如碎石、卵石、爐渣等；工作層的濾料粒徑為25~40mm，承托層濾料粒徑為70~100mm；同一層濾料要盡量均勻，以提高孔隙率；濾料的粒徑愈小，比表面積就愈大，處理能力可以提高；但粒徑過小，孔隙率降低，則濾料層易被生物膜堵塞；一般當(dāng)濾料的孔隙率在45%左右時(shí)，濾料的比表面積約為65~100m²/m³。

（3）布水裝置

布水裝置的目的是將廢水均勻地噴灑在濾料上；主要有兩種：固定式布水裝置、旋轉(zhuǎn)式布水裝置。普通生物濾池多采用固定式布水裝置；高負(fù)荷生物濾池和塔式生物濾池則常用旋轉(zhuǎn)布水裝置。

（4）排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)處于濾床的底部，其作用是收集、排出處理后的廢水和保證良好的通風(fēng)。一般由滲水頂板、集水溝和排水渠所組成。滲水頂板用于支撐濾料，其排水孔的總面積應(yīng)不小于濾池表面積的20%；滲水頂板的下底與池底之間的凈空高度一般應(yīng)在0.6m以上，以利通風(fēng)，一般在出水區(qū)的四周池壁均勻布置進(jìn)風(fēng)孔。

3生物轉(zhuǎn)盤法

1生物轉(zhuǎn)盤的構(gòu)造特點(diǎn)

生物轉(zhuǎn)盤由盤片、接觸反應(yīng)槽、轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動(dòng)裝置4部分組成。

（1）盤片

盤片的形狀：外緣：圓形、多角形及圓筒形；

盤面：平板、凹凸板、 波形板、蜂窩板、網(wǎng)狀板等以及各種組合。

盤片的厚度與材質(zhì)：要求質(zhì)輕、薄，強(qiáng)度高，耐腐蝕，同時(shí)還應(yīng)易于加工，價(jià)格低等；一般厚度為0.5~1.0cm；常用材料有聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯以及玻璃鋼等。

轉(zhuǎn)盤的直徑：一般直徑為2.0m、2.5m、3.0m、3.5m等，常用的是3.0m。

盤片間的間距：一般為30mm，高密度型則為10~15mm。

（2）接觸反應(yīng)槽

一般可以用鋼板或鋼筋混凝土制成，橫斷面呈半圓形或梯形；槽內(nèi)水位一般達(dá)到轉(zhuǎn)盤直徑的40%，超高為20~30cm；轉(zhuǎn)盤外緣與槽壁之間的間距一般為20~40cm。

（3）轉(zhuǎn)軸

長度：0.5~7.0m，其直徑50~80mm ，軸中心高于槽液面150mm，b/D=0.06-0.1，b為軸心與液面的距離。

（4）驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)方式——電力、空氣，水力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速——0.8~3.0r/min，外緣線速度15~18m/min。

2凈化原理

廢水處于半靜止?fàn)顟B(tài)，而微生物則在轉(zhuǎn)動(dòng)的盤面上；轉(zhuǎn)盤40%的面積浸沒在廢水中，盤面低速轉(zhuǎn)動(dòng)；盤面上生物膜的厚度與廢水濃度、性質(zhì)及轉(zhuǎn)速有關(guān)，一般0.1~0.5mm。

3工藝流程

（1）生物轉(zhuǎn)盤的布置

生物轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速一般為18m/min；有一軸一段、一軸多段、以及多軸多段等形式；廢水的流動(dòng)方式，有軸直角流與軸平行流。多極布置：盤片面積不變，能提高處理水水質(zhì)和DO含量。

（2）生物轉(zhuǎn)盤為主體的工藝流程

需要有預(yù)處理，調(diào)節(jié)池可小點(diǎn)（與活性污泥相比），高濃度有機(jī)廢水，中間設(shè)沉淀池。

（3）以去除BOD為主要目的的工藝流程

廢水→沉砂池→沉淀池→生物轉(zhuǎn)盤→二沉池→出水

4生物接觸氧化法

1生物接觸氧化池的構(gòu)造

生物接觸氧化池由池體、填料、布水系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)等組成。

（1）池型：方形、園形，頂部穩(wěn)定水層。

（2）填料：其特性對(duì)接觸氧化池中生物量、氧的利用率、水流條件和廢水與生物膜的接觸反應(yīng)情況等有較大影響；分為硬性填料、軟性填料、半軟性填料、及球狀懸浮型填料等。填料高度一般為3.0m左右，填料層上部水層高約為0.5m，填料層下部布水區(qū)的高度一般為0.5~1.5m之間。

（3）曝氣裝置：設(shè)在填料底部，可充分利用池容，填料間紊流激烈，生物膜更新快，活性高，不易堵塞；但檢修較困難。 

2接觸氧化池的分類

按曝氣與填料的相對(duì)位置可為分流式和直流式。

（1）分流式

國外多用分流式，其特點(diǎn)是填料區(qū)水流較穩(wěn)定，有利于生物膜的生長，但沖刷力不夠，生物膜不易脫落；可采用鼓風(fēng)曝氣或表面曝氣裝置；較適用于深度處理。

（2）直流式

國內(nèi)用直流式，曝氣裝置多為鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)；可充分利用池容；填料間紊流激烈，生物膜更新快，活性高，不易堵塞；檢修較困難。

3生物接觸氧化法的特征

（1）工藝方面

①采用多種形式填料，形成氣液固三相共存，有利于氧的轉(zhuǎn)移；

②填料表面形成生物膜立體結(jié)構(gòu)；

③有利于保持膜的活性，抑制厭氧膜的增殖；

④負(fù)荷高，處理時(shí)間短。

（2）運(yùn)行方面

①耐沖擊負(fù)荷,有一定的間歇運(yùn)行功能；

②操作簡(jiǎn)單,勿需污泥回流，不產(chǎn)生污泥膨脹、濾池蠅；

③生成污泥量少，易沉淀；

④動(dòng)力消耗低。

（3）缺點(diǎn)

①去除效率低于活性污泥法，工程造價(jià)高；

②運(yùn)行不當(dāng)，填料可能堵塞，布水曝氣不易均勻，出現(xiàn)局部死角；

③大量后生動(dòng)物容易造成生物膜瞬時(shí)大量脫落，影響出水水質(zhì)。

5生物流化床

1生物流化床基本原理

廢水和從生物流化床反應(yīng)器出水的回流水在充氧設(shè)備進(jìn)口處與空氣混合后，從反應(yīng)器的底部進(jìn)入，自下而上通過反應(yīng)器，使續(xù)料保持在流化的工作狀態(tài)，經(jīng)填料上的生物膜處理后的廢水，除部分回流到無氧設(shè)備進(jìn)口處外，后流人二次沉淀池，以便沉掉懸浮的生物量，排出合格的出水。

2生物流化床的工藝類型

根據(jù)供氧方式、脫膜方式及床體結(jié)構(gòu)等的不同，可分為兩相生物流化床和三相生物流化床。

（1）兩相生物流化床

外設(shè)充氧設(shè)備和脫膜設(shè)備，在床體內(nèi)只有液、固兩相；進(jìn)入反應(yīng)器之前，廢水中的DO可達(dá)8~9mg/L(以純氧為氣源時(shí)，可達(dá)30~40mg/L)。 

（2）三相生物流化床

直接向反應(yīng)器內(nèi)充氧，床體內(nèi)有氣、固、液三相共存；氣體攪動(dòng)劇烈，載體顆粒之間摩擦劇烈，可使表層的生物膜自行脫落，因此無需體外脫膜裝置。

3生物流化床的特點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)

生物固體濃度高(40~50g/l)，因此容積負(fù)荷較高 (3~6kgBOD5/m³.d以上)，水力停留時(shí)間可大大縮短，基建費(fèi)用較小；