生物膜法与工艺

14.2 生物膜的增长及动力学
14.2.1生物膜的增长过程
生物膜的增长过程与悬浮微生物的增长过程相似，主要经历了适 应期、对数增长期、稳定期及衰减期。但是又由生物膜法的具体运 行情况，在这四个阶段的基础上划分成六个阶段：
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第五浓度以及载体表 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。
减数增长期
由于生存环境质量的改变以及谁理学的作用，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。
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。 次阶段，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。
二沉池作用：去除脱落的生物 膜，提高出水水质
14.1 生物膜法的基本概念
生物膜法是通过生物膜来处理水的，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。
14.1.1 生物膜的形成及其净化 过程
生物膜的构造
挂膜：污水流经滤料，污水和细 菌附着在有机物被分解形成 生物膜并逐渐成熟。 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。
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.亲疏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 6.就地取材，价格合理。 在生物膜法中应用的载体应满足如下条件： 1.易流化，但不易流失； 4.价格低廉，容易取材。 2.易成膜，但无毒害作用；
dM b ＝ μ 0M dt
b
1.生物膜最大比增长速率（ μ 0） 2.生物膜平均比增长速率（ μ ）
μ ＝
M bs －M t
bo
M
bs
底物去除速率
反映了生物膜群体的活性，底物的去除速率越高，说明生物膜生
化反应活性越高。
qo b s
式中
Q(So - S) A oM
b
qobs——底物比去除速率 Q ——进水流量 So——进水底物浓度 S ——出水底物浓度 Ao——载体表面积
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. 有机物降解是在生物膜表层0.1-2mm的好氧生物膜内进行 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
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。
水量负荷提高3.0倍至40m³ /m² .d;BOD负荷上升至0.5-2.5kg/m³ .d。 径高比1：6～1：8，H=26米，通风良好，解决占地，
水量80-200m³ /m² .d．BOD负荷2-3 kg/m³ .d
14.3.1 生物滤池的概念
生物滤池的工作原理
含有污染物的废水从上而下从长有丰富生物膜的滤料的空隙间流过， 与生物膜中的微生物充分接触，其中的有机污染物被微生物吸附并进 一步降解，使得废水得以净化；主要的净化功能是依靠滤料表面的生 物膜对废水中有机物的吸附氧化作用。
生物膜法
重点： 生物膜法的基本概念与流程、生物
接触氧化法、生物流化床。
难点： 生物接触氧化法。
概述
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
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
原污水
初沉池
生物膜反应器
Hale Waihona Puke Baidu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。
影响生物滤池功能的主要因素
1、滤床的比表面积和孔隙率
滤料表面积愈大， 生物膜的量就愈多，净化功能就愈强；且孔隙率大，
则滤床不易堵塞，通风效果好，可为生物膜的好氧代谢提供足够的氧；滤 床的比表面积和孔隙率愈大，扩大了传质的界面，促进了水流的紊动，有 利于提高净化功能。 2、滤床的高度 滤床的上层，废水中的有机物浓度高，微生物繁殖速度快，生物膜量多 且主要以细菌为主，有机污染物的去除速度高；滤池的下层，废水中的有 机物量少，生物膜量少，微生物从低级趋向高级，有机物去除速度降低； 有机物的去除效果随滤床深度的增加而提高，但去除速率却随深度的增加 而降低。
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。
生物膜的形成
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，迅速进行降解有机物，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）。 在其内部由于营养料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。
以上是生物膜增长规律的分析，可以帮助我们更好的控制生物膜反 应器，同时也引出了生物膜法的几个重要参数。
14.2.2 生物膜理论中的几个重要参数
生物膜的比增长速率
描述生物膜增长繁殖特性的最常用参数之一。它反映了微生物增长的 活性。则微生物比增长速率的定义式为
dX/dt μ X
其中： X----微生物浓度 μ —微生物比增长速率。
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。
14.1.2 生物膜的载体
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，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。
14.3 生物滤池
14.3.0 概述
以土壤自净原理为根据，在污水灌溉的实践基础上发展
需要有预处理及二沉池 早期生物滤池（普通生物滤池）
水量负荷低，（1-4m³ /m² .d）；BOD负荷0.1-0.4kg/m³ .d
高负荷生物滤池 塔式生物滤池
限制进水BOD浓度〈200mg/l），常常采用回流水稀释。
用；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
以独特的优势受关注。
活性污泥法中的微生物是呈悬浮状态的，属于悬浮生长体系；而生
物膜法中的生物呈附着膜状，属于附着生长系统或固定膜工艺
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。
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 量避免生物膜同时大量脱落。
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：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
3.能提供大的比表面积，以增加生物附着量；
14.1.3 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
缺点：
1.需要较多的填料和支撑结构， 基建投资高。
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。
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
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 速增长的功能线虫 ，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
生物膜特性
高度亲水的物质:在污水不断更新的条件下，外测总是存在附着水层
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这微生物
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
真正生态系组成及对有机物的降解功能都达到了平衡状态
生物膜生长阶段
潜伏期、生长期。一般要20到30天左右。