废水生物处理生物膜法

生物膜的构造
挂膜：污水流经滤料，污水和细菌附着在滤料表面，有机物被分 流 附 动 生物膜 着 解形成生物膜并逐渐成熟。 水 水 层 好氧 厌氧 层 CO 结构：从外面到里面的顺序为污水、流动水层、附着水层、生物 膜（分为好氧层和厌氧层）、滤料。 O
2
BOD
2
H2O NH3 滤 料 O2 BOD H2O BOD CO2 BOD
生物膜 厌氧 好氧
附 着 水 层
流 动 水 层 CO2 O2 H2O NH3 空 BOD
BOD
滤 料 O2 BOD
气
H2O BOD CO2 CO2 H2S NH3 O2
O2
生物滤池滤料上生物膜的构造（剖面图）
1.1.3 生物膜的生物相
微生物相方面的特征
1. 微生物的多样化 生物膜是由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物以及一些肉眼 可见的蠕虫、昆虫的幼虫组成。生物膜上生物的种类，数量及其生活 状态的概括。细菌、真菌、微型动物、滤池蝇、具有抑制生物膜的过 速增长功能的线虫 ，组成较好的生物膜，促进其脱落的功能。 与活性污泥法的生物相对比：增加了藻类，寡毛类、后生动物、昆 虫类等生物。而真菌，肉足虫，纤毛虫，轮虫，线虫的含量都大大增 多。 2. 生物的食物链长 生物膜上的食物链要长于活性污泥污泥量少于活性污泥系统 3. 能够存活世代时间长的微生物 4. 分段运行与优势菌种 分多段运行，每段繁衍于本段水质相适应的微生物
对数期或动力学增长期
在适应期形成的分散菌落开始迅速增长，逐渐覆盖载体表面。生物膜厚 度可以达到几十μ m。多聚糖及蛋白质产率增加，大量消耗溶解氧，后期氧成 为限制因素，此阶段结束时，生物膜反应器的出水底物浓度基本达到稳定值， 这个阶段决定了生物膜反应器内底物的去除效率及生物膜自身增长代谢的功 能。
生物膜稳定期
生物膜新生细胞与由于各种物理力所造成的生物膜损失达到平衡。
在此阶段，生物膜相及液相均已达到稳定状态。在生物膜反应器运行
中，生物膜稳定期的维持一直认为是过程稳定性的必要保证，而在三 相流化床等生物反应器中，在高底物浓度、高剪切力作用下，这一阶
段时间很短，甚至不出现。
脱落期
随着生物膜的成熟，部分生物膜发生脱落。生物膜内微生物自身氧 化、内部厌氧层过厚以及生物膜与载体表面间相互作用等因素可加速
生物膜脱落。另外，某些物理作用也可以导致生物膜脱落。此阶段中，
出水悬浮物浓度增高，直接影响出水水质；底物降解过程受到影响， 其结果是底物去除率降低，而我们在运行生物膜反应器的时候应该尽
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量避免生物膜同时大量脱落。
生物膜净化污水的机理及优势
1. 生物膜表面积大，能大量吸附水中有机物
2. 有机物降解主要是在生物膜表层0.1-2mm的好氧生物膜内进行
特殊情况下，有一些微生物是以包裹附着的形式实现固定化的。
2. 有机类载体
有机类载体是生物膜技术发展中应用最广泛的主要载体材料。这类载 体主要有PVC、PE、PS、PP、各类树脂、塑料、软性或半软性纤维等，
其比表面积和孔隙率都很大，从而使有机负荷大为提高，也不易堵塞，在
生产实践中被广为采用，由于它便于沉淀分离，提高了活性污泥处理厂的 性能。各种有机材料载体的对比。
产物一部分溶入附着水层，一部分到空气中去，污水从而得到净化。
由于生物膜厚度增大，致使其深层因氧不足而发生厌氧分解，积 蓄了硫化氢、氨气、有机酸等代谢产物。会减弱生物膜在惰性载体上 的固着力，处于这种状态的生物膜为老化生物膜，它不仅容易脱落净 化功能也不好。但供氧充足时，可以加快好氧膜的更新，使生物膜不 集中脱落。
3. 多种物质的传递过程： 空气 流动水层附着水层生物膜微生物呼吸 污染物流动水层附着水层生物膜生物降解 微生物代谢产物
H2O附着水层流动水层
CO2 、H2S、NH3水层溢入空气中
4. 厌氧层与好氧层的关系 厌氧层与好氧层达到生态平衡 5. 理想生物膜法的状况——减缓老化，避免厌氧层过分生长，加快好氧 层更新，不使膜集中脱落。
空
气
O2 CO2
H2S NH3 O2
生物滤池滤料上生物膜的构造（剖面图）
生物膜特性
高度亲水的物质:在污水不断更新的条件下，外侧总是存在附着水层 微生物高度密集的物质：在膜的表面和一定深度的内部生长着微生物
和微型动物，并形成有机污染物－细菌－原
生动物（后生动物）的食物链。
生物膜成熟标志
真正生态系统组成及对有机物的降解功能都达到了平衡状态
当污水均匀地淋洒在介质表面上，在充分供氧的条件下，介质表 面的微生物吸附污水中的有机物，并迅速降解有机物，逐渐在介质表面
形成黏液状的生长有极多微生物的膜，即称之为生物膜。
随着微生物的不断繁殖增长，使生物膜的厚度不断增加，膜的表面 吸取营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成了好氧微生物 和兼性微生物组成的好氧层（1～2mm）。在其内部由于营养物质和溶 解氧的供应条件差，微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活， 厌氧微生物恢复了活性，形成了厌氧微生物和兼性微生物组成的厌氧层。 厌氧层只有生物膜达到一定厚度后才能出现，而且随着生物膜的增厚和 外伸变厚，但是有机物主要是在好氧层内进行降解的。
生物膜增长过程
潜伏期、对数期（动力学增长期）、线性增长阶段、减速增长期、 生物膜稳定期、脱落期。一般要20到30天左右。
潜伏期或适应期
微生物在经历不可逆附着过程后，开始逐渐适应生存环境，并在载 体表面逐渐形成小的，分散的微生物。这些初始菌落首先在载体表面 不规则处形成。这一阶段的持续时间取决于进水底物浓度以及载体表 面特性。在实际生物膜反应器启动时，要控制这一阶段是很困难的。
缺点：
1. 需要较多的填料和支撑结构，基建投资高。
2. 出水常携带较大的脱落的生物膜片，大量非活性细小的悬浮物分散
在水中使处理水的澄清度降低 3. 活性生物量难控制，在运行方面灵活性差
处理工艺方面的特征
1. 对水质、水量变动有较强的适应性
一段时间中断进水，对生物膜也不会有致命影响，通水后易恢复
2. 污泥沉淀性良好 污泥比重较大 3. 能够处理低浓度废水 活性污泥：不适合处理低浓度的污水，若BOD长期低于50-60mg/l， 会影响污泥絮体的形成 。 生物膜： BOD 20-30mg/L时，能降解到5-10mg/l 4. 易于维护运行，节能，动力费用低、无污泥膨胀问题
选择生物膜载体的基本原则
选择滤料时应该从以下方面考虑： 1.足够的机械强度，以抵抗强烈的水流剪切力的作用；
2.优良的稳定性，生物稳定性、化学稳定性、热力学稳定性。
3.亲水性及良好的表面带电特性，微生物在通常为带负电的，载体 要是带正电荷的，容易结合。
4.有毒性或抑制性。
5.良好的物理性状：载体的形态、相对密度、孔隙率和比表面积等。 6.就地取材，价格合理。
纤毛虫吸管虫
+
+
1.1.4 生物膜反应器的填料 填料 为生物膜提供附着生长固定的材料。
分类 为无机类填料和有机类填料两大类
1. 无机类载体
目前常用的无机类载体有砂子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、 陶瓷材料、炭纤维、矿渣、活性炭、金属等。 无机类载体具有机械强度较高、化学性质较稳定、比表面积较大的优 点。缺点为密度较大，不适宜做流态化运动，使其在悬浮生物膜反应器工 艺中的应用受到限制。 通常情况下，微生物以附着的形式固定在载体表面从而形成生物膜，
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原污水
初沉池
生物膜反应器
二沉池
处理水
初沉池作用：去除大部分悬浮固体物 质，防止生物膜反应器堵塞，尤其对 空隙小的填料是非常必要的。
二沉池作用：去除脱落的生物 膜，提高出水水质
生物膜法的特征
优点：
与活性污泥法相比，生物膜法具有以下优点：生物膜体积小、微 生物量高、水力停留时间较短、生物相相对稳定、对毒物和冲击负荷 抵抗性强、处理效果高、操作方便、剩余污泥少，适用于小型污水处 理厂
生 物 膜 法
生物膜法的基本概念与流程
生物膜法是与活性污泥法平行发展的一种污水处理技术方法； 实质是使细菌类微生物和原生动物、后生动物类的微型动物附
着 在滤料或某些载体上，并在其上形成膜状生物污泥-----生物膜
生物膜法的历史及发展：
1865年德国科学家发现生物过滤作用； 1889年美国Lawrence试验站首次采用砾石填料进行试验； 1893年英国将污水喷洒在粗滤料上，作为膜生物反应器的生物
选择生物膜载体的基本原则
在生物膜法中应用的载体应满足如下条件： 1.能为微生物附着生长提供较高的比表面积，从而使填料保持较高的 微生物量，而微生物量是控制反应器工作效能的重要参数； 2.填料表面性质易于微生物挂膜和附着，并宜于污水均匀流动；
3.有足够的空隙率，保证通风和使脱落的生物膜能随水流出；
4.不被微生物分解，也不抑制微生物生长，有较好的物理、化学稳定 性和热力学稳定性 5.材质轻而机械强度高； 6.价格低廉，取材方便。
生物膜和活性污泥上出现的微生物在类型、种属和数量上的比较
微生物种类 细菌 真菌 藻类 鞭毛虫 肉足虫 纤毛虫缘毛虫 活性污泥法 生物膜法 ++++ ++ ++ ++ ++++ ++++ +++ ++ +++ +++ ++++ 微生物种类 其它纤毛虫 轮虫 线虫 寡毛类 其它后生动物 昆虫类 活性污泥法 ++ + + 生物膜法 +++ +++ ++ ++ + ++
1.1.2 生物膜的形成与污水净化过程
生物膜法是通过生物膜来处理水的，污水与生物 膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质，为生 物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身 也得到繁衍增殖，所以生物膜污水处理的关键就是生 物膜的质量，生物膜的形成及其生长是实现污水有效 处理的前提。
生物膜的形成
没有明显的贡献，但在流化床反应器内，这个阶段可以改变生物颗粒的体积
特性。
减数增长期
由于生存环境质量的改变以及水力学的作用，出现了生物膜增长 速率变慢，这一阶段是生物膜在某一质量和膜厚上达到的稳定的过渡 期。此时生物膜对水力学剪切作用极为敏感。生物膜结构疏松，出水 中悬浮物的浓度明显增高，末期，生物膜质量及厚度都趋于稳定，运 行系统也接近稳定。
滤池问世；
20世纪20—30年代建造了许多生物膜反应器； 40—50年代生物滤池逐渐被活性污泥取代的趋势；
70年代新的反应器（生物转盘、曝气生物滤池、淹没式生物滤
池、生物流化床等）以独特的优势受关注。
1.1 生物膜法的基本概念 1.1.1 生物膜法的基本流程
出水回流作用：提高生物膜反应器的水力负 荷，加大水流对生物膜的冲刷作用，更新生 物膜，避免生物膜的过量累积，从而维持良 好的生物膜活性和合适膜厚度。 出水回流
线性增长期
生物膜在载体表面以恒速率增长，出水底物浓度不随生物量的积累而显 著变化；其好氧速率保持不变；生物膜的生物量Mb可以表示为： Mb＝Ma＋Mi
此阶段生物膜总量的积累主要源于非活性物质。此时生物膜活性生物量所占
比例很小，且随生物膜总量的增长呈下降趋势。原因是：可剩余有效载体表 面饱和；禁锢作用明显，有毒或抑制性物质的积累。这个阶段对底物的去除
生物膜中的物质迁移：
由于生物膜的吸附作用，在其表面有一层很薄的水层，称之为附着 水层。附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比滤池进水的有机物 浓度低得多。由于浓度差的作用，有机物会从污水中转移到附着水层中 去，进而被生物膜所吸附。空气中的氧也会进入生物膜。在此条件下， 微生物对有机物进行氧化分解和同化合成，产生的二氧化碳和其它代谢