生物膜基本原理

《生物膜基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物膜基本原理（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章 污水的好氧生物处理（二） 生物膜法 5.1 概述 生物膜法：是与活性污泥法并列的一种污水的好氧生物处 理技术，这种处理方法的实质是使细菌和菌类一类微生物如原 生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生 长繁殖，并在其上形成膜状生物污泥生物膜。污水与生物 膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质被生物膜上的微 生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁殖。一般， 这个过程所需的氧气直接来自大气。 生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上 发展起来的人工生物处理技术，是对上述过程的强化。 生物膜技术的发展和分类 1893年，首先出现在英国，在粗滤料上喷洒污水，进

2、行净化。 20世纪2030年代，生物滤池为主的生物膜法得到了广泛应用。 20世纪4050年代，由于活性污泥法的发展，生物膜法工艺出现停 滞状态。 20世纪60年代以后，因为新型的有机合成材料开始大量生产，如聚氯乙 烯、聚苯乙烯、聚酰胺等等，出现了各种有机合成的高效填料，如列管型 、蜂窝形、波纹型填料，具有高比表面积和空隙率，生物膜法获得了新的 发展。 20世纪70年代以后，各种新型工艺相继出现，生物膜法成为和活性污泥 法并列的污水生物处理技术，得到广泛应用。 目前的生物膜工艺 普通生物滤池，也叫滴滤 池。Tickling Filters 另外还有在其工艺上发展 起来的高负荷生物滤池(高 效生物

3、滤池)和塔式生物滤 池。 生物转盘（RBC） 淹没式生物滤池 也叫生物接触氧化法， Submerged Biofilm Reactor 生物流化床（Fluid Bed） 移动床生物膜反应器 （Moving Bed Biofilm Reactor） 也叫生物移动床 是在生物滤池和流化床的工艺 基础上发展起来的。主要原理 是污水连续经过装有移动填料 的反应器，在填料上形成生物 膜，生物膜上微生物大量繁殖 ，起到净化污水的作用。 气提式生物膜反应器（Air-Lifts） 复合式活性污泥生物膜反应器 （Hybrid Activated Sludge Biofilm Reactor） 序批式生物膜反应器

4、 （Sequencing Biofilm Reactor） 升流式厌氧污泥床厌氧生物滤池 （UASBAF） 附着生长稳定塘（Attached-growth ponds） 生物膜法的分类 按生物膜与废水的接触方式不同，可分为： 填充式生物膜法和浸渍式生物膜法 填充式生物膜法：废水、空气沿固定的填料或转动的盘片表 面流过。 浸渍式生物膜法：生物膜载体完全浸没在水中，通过鼓风曝气 供氧。 如果载体固定，称为：接触氧化法 如果载体流化，称为：生物流化床 生物膜法工艺特性 （1）微生物相特征：参与净化反应的微生物多种多样;生 物的食物链长;多分段运行，每一段的生物种群都不同。 （2）工艺特性： 抗冲击负

5、荷能力强。 污泥沉降性能良好，易于固液分离。 能够处理低浓度污水。 易于维护运行。 5.2 生物膜模型 生物膜: 指以附着在惰性载体表面生长的，以微生物为主，包含微生 物及其产生的胞外多聚物和吸附在微生物表面的无机及有机 物等组成，并具有较强的吸附和生物降解性能的结构。 生物膜上的菌类 5.2 生物膜模型 生物膜特性： 1）无论从物理学还是微生物学角度观察都是非常复杂的，也不可能全面的研究其空间的 各个方面。 2）一般而言，生物膜可以分为两个区：基膜、表膜。这两部分包含微生物和其他黏附着 胞外聚合物（微生物排泄产生的，一种生物絮凝剂）的颗粒物的集合。基膜与表膜的厚度 与系统水力学特性、微生物种

6、类有关。 3）生物膜内生物体的分布不均匀，且孔隙率和密度分布也是不均匀的。细胞簇间的空间 形成了竖直方向和水平方向的孔隙，竖直方向形成孔，水平方向形成沟。传质过程复杂， 单一参数（如有效扩散系数）来描述基质、电子受体等在生物膜内的传质是不充分的。 4）生物膜内存在物种的竞争，生物膜的外部以活性生物体为主，内部以生物体残骸为主 。 生物膜中的竞争 在两种生物的生物膜中，当唯一共享资源是空间时，快 速(物种B)和慢速（物种A）生长细菌相对分布模拟结果 生物膜内快速生长的细菌可以 取代慢速生长的细菌。但是， 同时生物膜内部的细菌不受表 面剪切作用的影响，因此受到 保护，他们也能够在生物膜内 得以生存

7、，但是不能够单独形 成生物膜。 v生物膜的成熟：生物膜沿水流方向的分布，在其上由细 菌及各种微生物组成的生态系统以及其对有机物的降解 能力都达到了平衡和稳定的状态。一般，生物膜从开始 到成熟要经历潜伏和生长（挂膜）两个阶段。 v老化的生物膜：当厌氧层逐渐加厚，并达到一定程度后 ，其代谢物增多，破坏了好氧层的生态系统的稳定，又 因气态代谢产物不断逸出，减弱了生物膜在滤料上的固 着力，这种状态的生物膜称为老化的生物膜。 生物膜结构模式图 生物膜内的硝化和厌氧过程 因为存在空间和溶解氧的竞争，当液相主体内的有机质浓度超过27mg/L（以COD计） 时，硝化细菌不能够在生物膜内生存，但是，低于此浓度时

8、，硝化细菌和异养菌可以在 生物膜内共存。 生物膜传质过程 单一营养物条件下，理想基质浓度分布示意图 JS通量 DW扩散系数 DW/LW= kL液相传质系数 可以用下面的方程描述基质到生 物膜的传递过程。 在含有两种或两种以上组分的流体内部，如果有浓度梯度存在，则每一种组分都有向低浓 度方向转移，以减弱这种浓度不均匀的趋势。混合物的组分在浓度梯度作用下由高浓度向 低浓度方向的转移过程称为传质，亦称质量传递。 生物膜内的传质可以用自由扩散的Fick定律来描述。 为浓度梯度 而生物膜中的过程要比自由扩散复杂得多，因此，用有效扩 散系数De代替扩散系数DW De不应当只视为扩散作用的结果。可以视为综合

9、 作用对物质传递的影响系数。 在大多数情况下，基质（有机污染物）的去除受传质的控制比生物反 应一项影响更大。 5.3生物滤池Tickling Filters 通过布水器将废水均匀分 布在滤池表面，滤池中装 满了填料（滤料），废水 沿滤池空隙从上向下流动 到池底，通过集水沟，排 水渠流出池外。 生物滤池基本工艺流程 生物滤池基本构造 v池体 v滤床 v布水装置 v排水系统 池体 v普通生物滤池的池体在平面上多呈方形、矩形或圆形。 v池壁多用砖石构造，一般高出滤料表面0.50.9m， 具有维护滤料的作用，并防止风力对池表面均匀布水的 影响。 v池底一般具有1%2%的坡度，支持滤料同时排出污 水 v

10、池底四周设有通风孔。 滤床 滤床：是普通生物滤池的主体，是微生物生长栖息的场所，上面铺有滤料。理想 的滤料应有以下几个特征：表面积大、孔隙率大、生物不能分解，也不能抑制生 物生长、有较好的化学稳定性、有一定机械强度、抗冰冻、价格低廉，适合就地 取材。以前一般采用碎石、卵石、炉 渣、焦炭等实心拳状无机滤料 。现在已经广泛使用由聚氯乙 烯、聚苯乙烯、聚酰胺等材料 制成的波纹板、多孔筛、蜂窝 状人工有机滤料。 人工有机滤料优势： 比表面积大（100200m2/m3）、 孔隙率高（80%90%）、密度 小。 一些填料的形状 布水装置 目的：为了使污水能够均匀的分布在整个 滤床表面上。 主要分两类：移动

11、式（常用为回转式）布水 器；固定式喷嘴布水系统。 固定式布水系统构成：虹吸装置、馈水池 、布水管道、喷嘴等。 布水管铺设在滤池表面下0.5-0.8m，其 上有一系列规则排列伸出池面0.15- 0.20m的竖管，竖管顶部安装有喷嘴。 旋转式布水器（回转式布水器）：由中间固定不动的进水竖管，配水短 管和可以转动的布水横管所组成。多用于圆形或多边形的生物滤池。 排水系统 排水系统：位于滤池底部，主要包括：渗水装置、汇水沟、排水沟等部件。 其主要作用：收集滤床流出的污水与生物膜。 保证通风，使生物滤池中微生物有好的复氧条件。 支持滤料，防止滤料泄漏。 渗水装置（排水假底）：一般采用混凝土板式装置，排水

12、空隙率总表面 积不低于滤池表面积的20%，与池底之间的距离不小于0.4m，其主要的 作用在于支持滤料，排出滤池处理后的污水，并保证通风良好。 池底以1%2%的坡度斜向汇水沟，汇水沟再以0.5%-10%的坡度斜向总 排水沟，总排水沟坡度不小于0.5%，沟内流速应大于0.7m/s，以免发生 沉积和堵塞现象。 一般规定： 1.普通生物滤池的个数或分格数不应少于2个，并按同时工作设计，设计 流量按平均日污水流量计算，当处理对象为生活污水时，BOD5的容积 负荷可按表所列数据选用，水力负荷为0.93.7m3(m2d)。对于工业 废水应通过实验来确定。普通生物滤池的计算公式见下页表。 2.池壁高度比滤料表

13、面层高出0.50.9m，用以挡风，保证布水均匀。 3.池底四周开设通风孔，其总面积不小于滤池表面积的1。 普通生物滤池的设计计算 4. 普通生物滤池填料 层分工作层和承托层两 个部分，工作层厚1.3 1.8m，滤料粒径25 40mm，承托层厚0.2m ，粒径70100mm。 例题：Q=2000m3/d,进水BOD5=160mg/L，出水BOD5不高 于20mg/L，冬季平均水温t=10，当地平均气温11，试设 计普通生物滤池。 解：年平均气温11，得出其容积负荷为200gBOD/m3d。 1、滤料体积： 设两池并联 例题：Q=2000m3/d,进水BOD5=160mg/L，出水BOD5不高 于

14、20mg/L，冬季平均水温t=10，当地平均气温11，试设 计普通生物滤池。 2、滤池尺寸：设滤池中滤料层高h2=2m，超高h1=0.8m，底 部构造层高h3=1m。 单池面积： 滤池采用方形，每池边长： 滤池总高： 例题：Q=2000m3/d,进水BOD5=160mg/L，出水BOD5不高 于20mg/L，冬季平均水温t=10，当地平均气温11，试设 计普通生物滤池。 校核表面水力负荷： 在允许范围之内（0.9-3.7） 普通生物滤池的优缺点 普通生物滤池的优点： v处理效果好，BOD5的去除率可达95以上； v运行稳定、易于管理、节省能源。 其主要缺点是： v负荷低、占地面积大、处理水量小

15、、滤池易堵塞、易 产生池蝇、散发臭味、卫生条件差。一般适用于处理 每日污水量不高于1000m3的小城镇污水和工业有机 污水。 影响生物滤池性能的因素 v滤池高度 v负荷滤 v回流 v供氧 v温度 v布水器构型 v污水水质和介质类型 滤池高度 滤床上层下层的生物膜量、微生物种类、去除有机物的速度是不相同的。 上层污水中有机污染物浓度较高，微生物繁殖速度高，种属以低级菌种为主，生 物膜量较多，有机物去除率高。 随着滤床深度增加，微生物从低级到高级进化，类似河流中的自净过程中生物的 递变。 多污带：细菌种类多、数量大，每毫升有几亿个细菌。例如硫酸盐还原菌与产甲 烷菌等，此外还有颤蚯蚓、蚊蝇幼虫 ；

16、-污带：天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、独缩虫、颤藻、小球藻等； -污带：代表性生物有藻类的水花束丝藻、变异直链硅藻、舟形藻；原生动物的 草履虫、聚缩虫；微型后生动物的腔轮虫、水蚤； 寡污带：指示生物由鱼腥蓝细菌、黄群藻、玫瑰旋轮虫、钟虫。 有机物去除率沿池深方向呈指数形式下降。 在一定条件下。随着滤池高度增加，处理的效率也相应增加，但是超过某一 值（随具体条件而定）后，处理效率提高不明显。 污水流过滤池时，污染物浓度的下降率（每单位滤床高度h去 除的污染物的量）同该污染物的浓度成正比。 K反应滤池处理效率的系数，同污水性质、滤床特性 、布水方式等有关。 K，m，n可以通过实验获得。 思考题：滤料层高为2m的生物滤池，进出水BOD分别为 160mg/L,20mg/L。求：滤床深为1m处和0.5m处的污水