第三章 固定床生物处理技术

第三章固定床生物处理技术3.1 概述利用微生物在固体表面的附着生长（Attached Growth）对废水进行生物处理的技术，在传统上称为生物膜法，主要包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法、生物流化床法等。

生物膜法的基本原理就是通过废水与生物膜的相对运动，使废水与生物膜接触，进行固液两相的物质交换，并在膜内进行有机物的生物氧化，使废水获得净化。

同时，生物膜内微生物不断得以生长和繁殖。

与微生物悬浮生长的活性污泥法相比，生物膜法具有许多明显的优点。

主要表现在：(1) 由于存在许多生长繁殖速度缓慢的硝化细菌，因此具有较高的脱氮能力；(2) 生物膜中存在的微生物具有多样性，包括好氧菌、厌氧菌、真菌和藻类等，使其在去除污染物方面具有广谱性；(3) 大量微生物生长和占据了整个反应器的空间，单位体积生物量远比活性污泥法为高，因此单位处理能力巨大；(4) 膜法中的食物链比活性污泥法长，产生的污泥大都被生物所消耗，因此剩余污泥量很少；(5) 系统操作维护方便，能耗低，无需污泥回流；(6) 因系统的微生态复杂，对水力和有机负荷变化的承受能力强，操作运行稳定。

目前，膜法已不仅是一种好氧处理技术，相继出现了厌氧滤池、厌氧生物流化床等；而且，在反应器型式、膜支承材料种类和结构、操作运转方式等方面都有较大发展。

从反应器的型式考虑，生物流化床技术已经发展成为废水生物处理的重要分支，因此放在下一章专门讨论，本章将重点讨论属于生物膜法的各种新型固定床附着生长技术。

固定床附着生长系统依据为微生物附着所提供的材料和填充形式不同，可分为填充床、软性填料床、网式或笼式床生物反应器、旋转盘片式生物反应器等。

例如，普通生物滤池常采用碎石、焦炭、塑料滤料等各种填料，而塔式生物滤池则常用蜂窝状填料或鲍尔环等各种化工用填料。

依据运行方式还可将固定床附着生长系统分为完全浸没式和半浸没式生物反应器。

例如，软性填料床生物反应器都属于完全浸没式，而生物转盘常采用半浸没式。

另外，依据对污染物的去除机理不同，还可分为好氧附着生长系统和厌氧附着生长系统。

表3-1为几种常规的固定床附着生长系统的特点和主要设计参数。

3.2 生物滤池及其发展3.2.1 干床生物滤池（dry bed filtration）干床生物滤池最早出现在本世纪初，一直被应用在饮用水的净化方面。

联邦德国的一家食品公司，在1976年首次将干床生物滤池用于处理食品废水。

1985年用于造纸废水，1987年开始应用于城市污水的处理。

所谓干床是相对于完全浸没式而言的，该工艺要求废水从滤池的上部通过布水器滴洒到床层，同时在床层底部用引风机吸入空气，以确保整个滤床与空气接触而供氧，强化生物膜的同化作用。

干床生物滤池通常为双层填料，再加上底部的承托层，共有三层构成。

图3-1为典型干床生物滤池的结构和流程。

图3-1 干床生物滤池结构与流程该系统主要由滤池、进水泵、反冲洗泵、引风机、鼓风机、集水池等构成。

当生物滤池总高度为3.5m时，各层填充高度分别为：承托层0.25m，碎石粒径4.0~12.0mm；下层0.55m，石英砂粒径1.5~2.2mm；上层1.0m，膨胀板岩粒径2.5~4.0mm。

滤池上部设有布水器，下部为空段。

填料性质对生物滤池的性能有重要影响，不同填料具有不同的表面结构，因而为微生物提供不同的生长空间。

生物膜的性质可能因填料的表面结构（是否多孔）而发生变化，进而影响对基质的去除能力。

表3-2为几种常用填料的性能参数。

其中，无烟煤、玄武岩、石英砂不需人工处理或仅需机械破碎，而褐煤焦、石油焦、膨胀板岩和烧结玻璃则需经热处理后筛分得到。

随着过滤时间的增加，废水中悬浮物质造成滤池压损增大，达到某一临界值时，必须对滤池进行反冲洗。

反冲洗速度应足够高到能将悬浮颗粒物从滤池中洗出，但确定该值时应考虑两种情况。

当床层为单一均质填料时，反冲洗速度至少应达到填充粒料的临界流化速度；但对于双层或多层干床生物滤池，必须考虑的问题是不能因反冲洗而破坏原有的层状结构。

目前，尚没有通用的确定反冲洗速度的规则，大多通过试验来确定。

图3-2为无烟煤(∅2.5~4.0mm)和玄武岩(∅1.4~2.2)两种填料在敞开和覆盖情况下，其膨胀比随反冲洗速度的变化。

试验表明，床层膨胀15~20%时所对应的反冲洗速度为最佳适用范围。

010********膨胀率%反冲洗速率图3-2 填料膨胀行为随反冲洗速度的变化某污水处理厂采用图3-1所示的干床生物滤池系统，对城市污水进行二级生化处理，获得比较满意的出水水质，这是其它过滤方法所无法达到的，表3-3给出其实际运行结果。

在平均过滤速度2.2m/h 条件下，悬浮物质的去除率平均为77%，与其它过滤法相近。

由于填料表面为繁殖速度缓慢的难降解有机物的专性菌提供了场所，并且膜内部的确存在着需氧区和厌氧区，因此对难降解有机物和氨氮有较好的去除效率，能够对一级生化的出水做补充性降解。

平均去除率为COD39%，BOD54%，氨氮51%，出水水质可达到排放标准。

3.2.2 浸没式生物滤池浸没式生物滤池在结构上类似于常规的快速砂滤池，不同之处是所用填料较粗，进水方式分为下流和上流两种，并从滤床底部鼓入空气，为好氧生物处理提供氧源。

颗粒状填料既可截留废水中的悬浮固体，又为生物膜提供附着生长的表面，因此属于好氧生物降解法与过滤技术的结合。

图3-3为下流浸没式生物滤池的流程示意。

图3-3 浸没式生物滤池系统下流浸没式填充床是由床顶部进水，并保持一定液位。

由于悬浮物质在床顶的聚集，因此一般不设布水器。

从床底部的曝气，造成水流与空气的逆流接触，再加上水压作用，致使该系统具有较高的氧传递速率。

另外，设有的反冲洗装置用于洗出一定时间内积累的悬浮物质。

填料粒径为3~6mm，填充高度在1.5~2.5m，下设0.25~0.35m承托层。

反冲洗周期由压损决定，反冲洗速度与普通砂滤池相似，通过试验确定。

用生物滤池法处理城市污水的工艺流程如图3-4所示，为降低负荷，前面设有絮凝和斜板沉降等预处理装置。

通过投加FeCl3絮凝剂，使总COD去除约70%，过滤液COD去除40%，总悬浮物SS去除85%。

这样，生物滤池的出水可实现COD和SS分别低于20mg/L，对应于城市污水，出水COD低于90mg/L。

图3-4 絮凝—生物滤池法工艺流程废水通过滤床的过滤速度恒定控制在2.0m/h，负荷随原水的性质波动而变化。

以一定流量为滤床提供空气，氧传递效率约为15%。

生物滤床的出水水质主要受到进水浓度和床内滞留时间的影响，当进水浓度低于200mg/L时，在空床接触时间30min内，出水COD即可达到90mg/L；而进水浓度上升到400mg/L时，达到同样出水水质所需的接触时间为1.0h。

表3-4给出生物滤池法处理城市污水的操作参数和出水水质。

图3-5某工业化装置实际运行中，滞留时间与BOD去除率及出水SS和总氮残留浓度的关系。

对于细颗粒填料床（2~ 4mm），在空床接触时间超过2.0h 时，BOD 去除率约为95%，SS 值低于5.0mg/L 。

总凯氏氮（TKN ）的出水浓度与过滤速度关系密切，要使出水值低于10.0 mgTKN/L ，过滤速度必须小于1.0m/h ，结果总水力停留时间超过3.5h 。

2030405060708090出水SS出水TKNBOD 去除率B O D 去除率%滤池停留时间（hr ）图3-5 BOD 去除率、出水SS 和TKN 与接触时间的关系3.2.3 活性生物滤池活性生物滤池简称ABF 法（Activated Bio Filter ），是近年来发展起来的废水生物处理新工艺。

它是把生物滤池与生化曝气池串联起来，但与一般两级生物处理流程不同的是，二沉池的污泥不回流到曝气池，而是直接送到生物滤池。

所谓的这种活性生物滤池，无论在运行机理还是在生物相上，都与普通生物滤池不同。

对污水中有机物的降解，除受到生物膜的作用外，还有回流活性污泥的吸附和氧化作用。

因此，活性生物滤池工艺兼具悬浮生长和附着生长技术两大特点，可显著提高处理能力，适应进水水质较大范围的变化，使运行比较稳定。

图3-6为活性生物滤池法的工艺流程示意。

S S ，T K N （m g /l )污水经过格栅、调节和初沉池预处理后，首先进入活性生物滤池，出水部分回流，其它进入曝气池，进行正常的曝气处理。

混合液在二沉池分离后，部分活性污泥回流到活性生物滤池。

活性生物滤池一般为多层填充床，其滤料是由一层层横向固定的条型材料做成的框架，水平放置，层间留有空隙便于通风供氧。

滤池的结构类似于干床生物滤池，污水自上而下逐层滴溅充氧，污水曲折流经滤料，延长了在滤池中的停留时间。

活性生物滤池工艺目前在国内已有应用，主要用于处理罐头和啤酒等食品工业废水。

例如，某罐头厂生产规模为20000t/a，需处理废水量约2000m3/d。

采用活性生物滤池法处理，BOD总去除率超过95%，而且防冲击负荷能力强，运行稳定。

其工艺流程如图3-6，主要设计参数见表3-5。

污水图3-6 活性生物滤池法工艺流程3.3 活性炭生物膜法3.3.1 工艺特征该方法是以粒状活性炭作为生物滤池的填料，利用其对基质的强吸附能力，同时为微生物的附着生长提供巨大的比表面积，吸附与好氧生物膜相结合，可较大提高生物量和对基质的去除效率。

该法也称为生物炭法（Biocarbone），自70年代问世以来，目前已经得到广泛应用。

据美国专利介绍，COD的去除率可达到92%。

国内一般是将此法作为二级处理后的补充，在处理印染废水和炼油废水方面已有成功的工业化经验。

活性炭生物膜反应器的工艺流程如图3-7所示。

活性炭生物膜法的运行一般采用下流浸没式，从床底部或中下部位置鼓入空气，与水流形成逆流接触。

所用填料除传统的粒状活性炭外，近几年还发展了用其它廉价吸附剂如粒状焦炭等的替代物，粒径在2~5mm范围。

曝气头安装在填料层内，按每平方米床层截面积布置50~150个曝气孔，进行连续或脉冲式曝气。

反冲洗的频率与水质状况和处理负荷有关，由试验确定操作循环。

活性炭微孔具有类似树状的结构，因此为微生物附着生长提供丰富的内表面，这种从内到外的层次性极有利于微生物种类的多样化，生物膜内部的好氧和厌氧区比普通生物滤池功能更好。

另外，活性炭对有机物的强吸附能力，有利于提高基质的降解速度和效率。

特别是生物对基质的不断氧化，能使活性炭的吸附能力得以再生，自身维持吸附-再生平衡。

因而活性炭-生物膜法无论在COD去除还是生物脱氮方面，都能获得较好效果。

3.3.2 基质去除动力学对活性炭生物膜反应器加以分析可知，反应器内部的流态可以分成三段加以考虑。

第一段为填充床层以上无填料区，是浸没式工艺为保持一定液位而设，其内悬浮有活性污泥及少量活性炭粉末，它的流态接近全混流；第二段为曝气头以上填料区，该段内气、液、固三相都存在，气、液逆流接触；第三段为曝气头以下填料区，只有液、固两相，它除起进一步降解有机物作用外，还具有过滤作用。