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1、第四节 生物膜法一、生物膜：生物滤池（曝气生物滤池、塔式生物滤池、普通生物滤池、高负荷生物滤池）、生物接触氧化、生物转盘、生物流化床1.1 生物膜概念 1）微生物在好氧条件下，能够在载体上生长并形成膜样的生物污泥，即生物膜，主要是微生物和及其产生的细胞外聚合物和有机、无机物等。2）生物膜经过形成（挂膜）、生长、脱落的过程。3）生物膜本质上是土地处理系统的强化。 1.2 生物膜结构 1）（以生物滤池为例）滤料、生物膜(厌氧好氧)、水(附着水流动水)、空气。2）微生物利用水中的有机物和氧进行好氧呼吸。3)传质过程，o2、bod、代谢物co2、nh3、h2s的物质传递。4)生物膜本身不是一个生物，而

2、是若干微生物形成的膜状的生物聚集体，是生物的栖息地。(与活性污泥的菌胶团比较)5)生物膜长到后来，外层生物增殖越厚，内层厌氧，粘附性变差,最终会脱落，载体上再重新生长生物膜。6)脱落的生物膜随水流走，在二沉淀池内沉淀，是否需要污泥回流视工艺情况。回流可利于生物接种。 1. 3 生物膜的组成（填料、滤料）填料：细菌与真菌、原生动物与后生动物、滤池蝇、藻类良好的物理性状-形状、密度、空隙率、比表面积等； 机械强度-支撑、水流的剪切力；化学性质稳定-微生物不分解，不腐蚀；表面亲水和带(正)电特性-微生物容易附着生长；无毒无害-不抑制微生物生长；价格低廉，取材容易等。1.4 生物膜技术的特点微生物方面

3、： 1)膜附着在载体上,世代时间长和短的生物都能够生长,所以生物膜的生物相比较丰富；2)有高营养级的生物存在，污泥产率低； 3)容易使生物膜分段进行(如好氧-缺氧-厌氧; 高-中-低负荷)，各段生长最适宜的微生物；能够一定程度实现脱氮与除磷。 工艺方面(与活性污泥比较)：1)对水质水量变化适应性强,耐冲击负荷，操作稳定性较好,容易维护管理；2)生物膜的污泥含水率低,污泥沉降性能好,不发生污泥膨胀等问题,故运行管理方便；3)微生物浓度高,处理能力强,剩余污泥少,一般可以不回流污泥。4)能够处理低浓度污水,适宜工业废水;5）有的工艺可以利用自然通风,成本低,有的工艺能耗小。6）需要填料，运行灵活性

4、差，载体更新费用. 生物滤池容易堵塞,生物流化床能耗大等。处理流量小污水.二、生物转盘构造: 盘片,废水反应槽,转动轴与驱动装置,覆盖装置。生物转盘技术的特点生物转盘一般特点：污泥不回流,污泥沉淀性能好,操作稳定等；既可以处理高浓度也可以处理低浓度废水,动力消耗通常低,适当的设计还具有硝化反硝化的功能, 堵塞基本可以避免, 生物污泥浓度高,尤其是初始几级；容易设计成多级,出水水质好；充氧效率能够保证。占地面积大,最好有覆盖装置和保温措施,盘片安装麻烦,需要驱动装置,材料消耗大,有时挂膜困难。 1）微生物浓度高，达4060g/l，f/m=0.050.1，处理效率高。 2）生物相分级：第一级异养菌

5、；第二级原、后生动物；第三四级丝状性藻类。 3）污泥龄长，具有硝化、反硝化功能。 4）能处理高浓度有机废水，也可以处理低浓度, 耐冲击负荷, 进水浓度10000mg/l10mg/l，处理效果好。 5）食物链长，污泥量少，为活性污泥法的 1/2左右，约0.25kg /kgbod5。 6）能耗小,不需曝气与污泥回流,0.7 kwh/kg bod5。 7）不堵塞。不会发生二次污染现象。 8）占地面积大，设备安装维护麻烦。无覆盖措施膜容易脱落。 9）有气味，环境卫生较差。三、生物接触氧化基本原理生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法处理工艺, 也称为“淹没式生物滤池”。 池内设置填

6、料, 废水淹没填料, 微生物在填料上附着生长, 形成生物膜层,池底部曝气, 提供微生物需要的氧。废水在池内循环流动,需要曝气, 主体还是生物膜技术，但是存在大量悬浮污泥。 生物接触氧化特点： 介于活性污泥与生物膜之间，但具有生物膜的技术优点。 填料表面积大,微生物量大；强化曝气供氧足,传质效果好；生物固体浓度高（1020g/l）, 具有较高的容积负荷（可达3.06.0kgbod5/m3d）；f/m比值低(有机质/微生物量)，污泥少,出水水质较好； 不需要污泥回流,无污泥膨胀问题, 运行管理简单, 堵塞问题存在(与填料有关)； 对水量水质的波动有较强的适应能力,污泥产量略低于活性污泥法。 四、生

7、物滤池 1.生物滤池类型 普通生物滤池：净化效果比较好，但是水力负荷低，而且很容易堵塞，占地大。 高负荷生物滤池：大幅度提高水力负荷，使生物膜受到冲击，不容易堵塞，要求进水bod200mg/l, cod99%.用悬浮生长的活性污泥进行污水处理的工艺称为活性污泥工艺.2、活性污泥的形态1）外观形态： 活性污泥（生物絮凝体）为黄褐色, 絮凝体颗粒：2）特点： (1)颗粒大小：=0.020.2 mm (2)表面积：20100 cm2/ml (3)(200010000)m2/m3污泥 (4)含水率一般在99%以上.3、活性污泥处理污水的基本过程1）污泥驯化:“菌胶团”的形成,要求细菌处于静止期，所以f

8、/m要求低, 生物活性降低, 在布朗运动的作用下碰撞形成, 某些细菌分泌的粘性物质有利于絮体形成. 活性污泥的核心菌胶团是很多细菌相互粘附形成的生物絮体,微生物其在对数增长期, 个体处于旺盛生长, 其运动活性大于范得华力，菌体不能结合; 但到了静止衰亡期,动能低,菌体相互粘附,形成生物絮体, 因此静止期与衰亡期个体是活性污泥的重要微生物2）净化反应过程: 吸附阶段与稳定阶段, 在反应的初期, 有机物主要是吸附在活性污泥, (作用是巨大的比表面和具有粘性), 后期被微生物氧化和利用. 吸附阶段与稳定阶段:有机物首先被吸附到活性污泥表面, 随后由于吸附的有机物发生水解等反应形成可溶性有机物释放到水

9、中, bod出现上升, 最后稳定阶段,有机物浓度逐渐降低. 微生物的代谢：被吸附的有机物粘附在絮体表面，与微生物细胞接触，在渗透膜的作用下，进入细胞体内，并在酶的作用下或被降解，或被同化成细胞本身。a、分解代谢： cxhyoz(x0.25y0.5z）o2 酶 xco2 0.5h2oqb、合成代谢： ncxhyoznnh3n(x0.25y0.5z）o2酶 (c5h7no2 ) n n(x5) co2 0.5n(y4) h2o具体代谢产物的数量关系如下图：即33%被氧化分解，802/3=54%左右通过内源呼吸降解，13%左右变成了残物。从上述结果可以看出，污染物的降解主要是通过静止期、衰亡期微生物

10、的内源呼吸进行，并非直接的生物氧化(仅33)。 基本的活性污泥工艺流程 初沉淀池:去除悬浮物质,部分bod;曝气池:主体部分,曝气,好氧,悬浮,菌胶团,bod;二次沉淀池:泥水分离,清水出流;污泥回流:剩余污泥排放,保持活性生物量.4、 活性污泥性质参数 (1)生物量指标(对曝气池污泥) mlss:混合液悬浮固体浓度(mixed liquor suspended solids),污泥浓度,表示曝气池内混合液的悬浮固体物质的质量,单位g/l, 一般在3000-6000mg/l, 反映了污泥的多少,一定程度反映了微生物的多少,测定简单。 包括ma活性细胞,me生物残体,mi有机悬浮固体,mii无机

11、悬浮固体。mlssma + me + mi + mii。 mlvss:单位g/l, 混合液挥发性悬浮固体浓度(mixed liquor volatile suspended solids),包含ma, me, mi, 灼烧质量损失部分认为是有机物。 f 值:f =mlvss/mlss,在正常的处理系统, f 基本稳定(0.7左右), 但延时曝气可能低到 0.1。f 值一定程度反映了污泥有机成分(活性成分)多少。 (2)污泥沉降性能指标(对二沉池污泥) sv:污泥沉降比, 曝气池混合液静止30min时,沉降的污泥与原混合液的体积比, 单位%或ml/l, 一般在15-30%左右是合适的,过小说明污

12、泥量不足, 过多可能污泥量太多或是污泥沉降性能差。 污泥在静止属于成层沉淀,所以有明显的泥水界面. svi：污泥容积指数,混合液经过30min沉淀,每g干污泥所沉淀污泥的容积,单位ml/g。svi = sv:ml/l； mlss:g/l。 svi反映污泥沉降性能，数值在50150之间，svi高，则沉降性能差， svi低则沉降性能好，或者是污泥无机成分太多，或者污泥量太多形成压缩沉淀。如sv30，300ml/l，mlss3000mg/l3g/l，svi=300ml/l3g/l=100 ml/g。 (3)活性污泥工艺参数 mcrt, 污泥龄(c):生物固体平均停留时间，污泥龄，是反应系统中微生物更

13、新一次需要的时间，或反应系统中微生物总量与每日排放的微生物量的比值。污泥负荷和容积负荷。水力停留时间。qt=v c = vx表示曝气池污泥体积乘微生物浓度，即微生物总量；qwxr表示排放剩余污泥量；(q-qvw)xe表示出水带走的污泥量，出水量与出水污泥浓度。 c = 等于曝气池污泥总量/每日剩余污泥排放量。(4)污泥生物活性的评价指标 sour(或our):比耗氧速率(specific oxygen uptake rate).衡量活性污泥生物活性的指标,单位重量的活性污泥单位时间内消耗的do。 sour与污泥浓度关系小,与do,底物浓度,污泥龄,有机物种类性质,温度等都有关系。一般在8-20

14、mg o2/(gmlvss h)。sour在运行管理中的重要作用在于指示入流污水是否有太多的难降解物质，以及活性污泥是否中毒。5 活性污泥工艺的影响因素(1).营养物质： 碳源:bod,城市污水满足,工业废水随性质而异。 氮源:有机氮(易分解),无机氮(氨氮),亚硝酸盐氮、硝酸盐氮。 磷源:有机和无机磷。 bod:n:p100:5:1。生活污水满足特点,但工业废水可能缺乏营养物质,需要补充。此外城市,生活污水预处理后容易n, p过多,需要进一步处理。 (2)水力负荷与有机负荷： 活性污泥要求很稳定的环境，水力或有机负荷变化大影响其运行。水力负荷影响曝气池和沉淀池,流量大停留时间缩短影响出水水质

15、, 二沉淀池沉淀效果.机械曝气还影响曝气装置的稳定性. 污泥负荷过高,曝气池容积小,但运行不稳定,出水水质差,剩余污泥多;过低负荷则曝气池体积大,出水水质优,剩余污泥少. 污泥负荷大小对污泥沉淀性能有影响, svi与污泥负荷有一定的关系. svi在高负荷,中等负荷和低负荷区分别有较低的svi值,相对污泥沉降性能好,在0.5-1.5左右有高svi区.(3).曝气时间与do： 最小时间满足处理的需要,长时间曝气得到硝化过程和低的剩余污泥量, 但池体积庞大, 考虑曝气设备氧的供应。do：对单个微生物或污泥do达到0.1-0.3mg/l即满足, 实际反应器内在2-3mg/l合适, 不宜0.5 mg/l

16、, 长时间do过少,容易厌氧环境, 破坏好氧微生物功能; do过多,搅拌过分,絮体松散不容易絮凝, 而且充氧效率低下, 能耗增加。 (4)温度：1035之间适宜，低温活性低，随温度增加活性增加，但过高微生物会死亡，丧失活性。 温度过低需要考虑加温。 工业废水高温则要考虑厌氧微生物处理。(5)ph值碱度：中性或弱碱性。不同微生物要求有差异,细菌表面带负电荷,有等电点，ph也影响酶活性。ph影响真菌,容易引发污泥膨胀等。 考虑到脱氮则对碱度有要求。(6)微生物浓度与生物停留时间生物固体平均停留时间mcrt:泥龄c,每天流失污泥量1/c, 曝气池内微生物形成到排除的平均停留时间。微生物的世代时间t：

17、泥龄大于微生物的世代时间，否则生物流失。水力停留时间hrt：t = v/q，微生物停留时间c= xv/xrqw，通常活性污泥c会大于水力时间t。若无回流,t=c,有回流,则t2, 每mol氨经过亚硝化需1.5mol o2, 硝化需0.5mol o2 (b).酸碱, 中性或弱碱性 (亚硝化产生酸!),最宜在ph 8.0-8.4左右. (c).温度, 20-30最佳 (15迅速降低,5反应停止) . (d). c/n比，bod低才能维持硝化菌生长(异养微生物竞争, bod越高硝化菌比例越小)反硝化:反硝化菌是异养菌,兼性厌氧菌. (a). 碳源(外加, 利用污水有机物, 或内源呼吸) (b). 酸

18、碱, ph最宜在 6.5-7.5 (c).溶解氧, 需少的do或间歇有氧缺氧, do 0.5mg/l, do过高则直接以好氧呼吸 (d). 温度, 20-40, 低于15反应迅速降低 由于硝化菌和反硝化菌世代时间长,所以反应器内生物停留时间要长,即污泥龄要长2. 生物脱氮工艺barth三级(段)生物脱n工艺第一段-氨化. 去除bod和cod, 进行曝气, 有机n转化为氨氮；第二段-亚硝化和硝化, 氨n转化为no3,需要加碱；第三段-反硝化, no3转化为n2气, 必须外加碳源(加甲醇或引污水), 否则效率低, 需搅拌. 两级(段)生物脱n工艺:曝气池:降解bod,有机物分解(氨化), (亚)硝

19、化反应, nh3转化为硝态n(低负荷, 泥龄和水力时间长)；反硝化池:缺氧,完成反硝化脱n；沉淀池:固液分离.单级生物脱氮工艺：曝气池:好氧条件,完成降解bod, 氨化,硝化等功能;反硝化池:缺氧,完成反硝化脱氮;沉淀池:固液分离;特点:工艺简单,但难以控制,水质也难保证. 二、 生物除p机理：1.基本过程：厌氧释放磷，好氧吸收磷厌氧时:厌氧发酵产酸菌将污水有机物转化为乙酸苷；聚p菌将体内聚p分解, 多余能量吸收挥发性脂肪酸转化为聚羟基丁酸(phb)或phv等, 聚p分解为无机p释放到水中.好氧时:聚p菌将phb分解, 多余能量吸收水中溶解性磷酸盐为atp并部分转化为聚p并储存在体内, 即好氧

20、吸p, 好氧吸p所吸收的p是过多的, 并非生物需要量的p.厌氧产生的phb多有利于好氧吸收磷。 通过排放高含p的剩余污泥将p从系统中除去. 生物影响除p因素do：厌氧反应器应该尽可能没有电子受体o2、或no3-, 厌氧需要do0, no3-0, 好氧区需要氧, 但曝气时间不宜过长, 否则p可能重新释放出来.污水性质：bod/tkn要大,容易生物降解有机物如低级脂肪酸对厌氧释放p过程有利,一些酸碱物质等有利于厌氧释放p.三、同步生物脱n与除p 生物脱n与除p要求的环境条件接近，脱n是缺氧与好氧交替，除p是厌氧与好氧交替，所以在工艺上可以实现既脱n又除p的功能。 （1）a/a/o工艺 第一a池(anaerobic)-厌氧池,释放p和部分有机物厌氧分解；第二a池(anoxic)-缺氧池,生物脱n,no3来自回流；o池(oxic)-好氧池,有机物降解,氨化,亚硝化,硝化,吸收p；沉淀池-污泥与水分离。（2）倒置a2/o工艺：第一a池(anaerobic)-缺氧池,生物脱n,no3来自回流；第二a池(anoxic)-厌氧池,释放p和部分有机物厌氧分解； o池(oxic)-好氧池功能；沉淀池-功能。(3) uct工艺，厌氧/缺氧/好氧工艺。避免(aao工艺)厌氧池由于污泥回流带入的少量no3-给释放p的影响；厌氧池的污泥减少由缺氧池回流补充(但是回流污泥浓度不高，造成厌氧池mlss低)