14 生物膜法学习资料

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1、第十四章 生物膜法,14.1 生物膜法的基本概念 14.2 生物膜的增长及动力学 14.3 生物滤池 14.4 生物转盘 14.5 生物接触氧化 14.6 生物流化床 14.7 其他新型生物膜反应器和联合处理工艺 14.8 生物膜法的运行管理,14 生物膜法,生物膜法与活性污泥法平行发展的一种污水处理技术，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，利用生物膜上的微生物进行新陈代谢降级有机物。 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,14.1 生物膜法的基

2、本概念,14 生物膜法,14.1 生物膜法的基本流程,14.1 生物膜法的基本概念,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。,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。,2. 生物膜的生长 生物膜生长 生物膜的形成物理、化学及生化的过程 （1）废水中有机分子向生物膜附着生长的载体表面输送； （2）废水中中的浮游微生物细胞在载体表面的不可逆吸附；

3、（3）生长在生物膜内部的微生物对废水中营养物的利用与 氧化分解； 生物膜的成熟 生物膜沿水流方向分布，在其上由细菌及各种微生物组 成的生态系统及其对有机物的降解功能都达到平衡和稳定的 状态。,3. 生物膜的脱落 生物膜脱落的原因 内因 厌氧菌营养耗尽而死亡，其附着力降低，很快脱落 气态代谢产物不断逸出，破坏了好氧层生态的稳定，使二者失去了平衡，生物膜老化 气态产物的积累，将膜顶起 外因 水流的冲刷作用，加大水量，则冲刷力增大,4. 生物膜净化有机物机理,（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,厌氧层与好氧层的关系 厌氧层不厚时

4、，与好氧层平衡，稳定 厌氧层增厚时，代谢产物高于好氧层 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。,有机物降解过程： 空气中氧溶解于流动水层中； 污水中有机物由流动水层传递到附着水层， 再进入生物膜；微生物代谢有机物。 代谢产物如CO2、H2S、CH4通过附着水层进入 流动水层，并从水层逸出到空气中,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

5、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。,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。,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

6、： 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； 2.易成膜，但无毒害作用； 3.能提供大的比表面积，以增加生物附着量； 4.价格低廉，容易取材。,14.1.3 生物膜法的特征,1、微生物相方面的特征,（1）微生物的多样化,生物相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

7、抑制生物膜的过速增长 的功能线虫 、轮虫、寡毛虫及原后生动物，还有硝化菌,（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,SRT与HRT无关（Nitrosomonas :0.21 d-1）(Nitrobacter, :1.12 d-1),（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,2、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,无机成分高，比重较大,厌氧层过厚时，水的澄清度下降,（3）能够处理低浓度废水,活性

8、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，无膨胀问题,（5）微生物量大，处理能力大、净化功能强,缺点,1.需要较多的填料和支撑结构，在不少情况下基建费用超过活性污泥； 2.出水中常常携带较大的脱落的生物膜片，出水澄清度降低； 3.活性污泥量较难控制，在运行方面灵活性差。,14.2.1 生物膜的增长过程 生物膜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

9、个阶段： 1.潜伏期或适应期 2.对数期或动力学增长期 3.线性增长期 4.减速增长期 5.生物膜稳定期 6.脱落期,14.2 生物膜的增长及动力学,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的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。 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

10、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。,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： 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。,MbMaMi,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

11、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,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

12、，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。,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 1.生物膜的比增长速率,14.2 生物膜的增长及动力学,X微生物浓度； u 微生物比增长速率；,目前生物膜比增长速率主要有2类： （1）生物膜最大比增长速率 ， （2）生物膜平均比增长速率,14.2.2 生物膜理论中的几个重要参数 （1）生物膜最大比增长速率,1

13、4.2 生物膜的增长及动力学,积分后得,（2）生物膜平均比增长速率,Mbs生物膜稳态时对应生物膜量； Mbo 初始生物膜量；,14.2.2 生物膜理论中的几个重要参数 1.底物比去除效率（qobs),14.2 生物膜的增长及动力学,qobs底物比去除速率； Q 进水流量； S0进水底物浓度； S出水底物浓度； A 载体表面积；,14.3 生物滤池,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，（1-4m/m.d）；BOD负荷0.1-0.4kg/m.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

14、流水稀释。水量负荷提高5-40m/m.d;BOD负荷上升至0.5-2.5kg/m.d。,径高比1：61：8，H=8-24米，通风良好，解决占地， 水量80-200m/m.dBOD负荷2-3 kg/m.d,14.3.0 概述,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。,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

15、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。,3、有机负荷与水力负荷 有机负荷：单位时间供给单位体积滤料的有机物量，他实际上表征的是F/M值，有机物不能超过生物膜的分解能力，否则出水水质下降。单位为kgBOD

16、5/m3.d； 水力负荷：单位表面积的滤池或单位体积滤料每日处理的废水量。表征滤池的接触时间和水流的冲刷时间。 水力表面负荷单位为m3/m2.d，或m/d；同滤速； 水力容积负荷单位为 m3/m3. 有机负荷较高，生物膜的增长较快，引起滤料堵塞，需要调整水力负荷。水力负荷增加，提高水力冲刷力 ，维持生物膜的厚度。一般是通过出水回流来解决。,4、回流 对于高负荷生物滤池与塔式生物滤池常采用回流。其优点： 不论原废水的流量如何波动，滤池可得到连续投配的废水因而其工作较稳定； 促进膜更新，防止堵塞，并抑制滤池蝇的孳生； 增加溶解氧，防止进水腐化； 可以稀释和降低有毒有害物质的浓度以及进水有机物浓度 缺点： 降低水力停留时间； 稀释进水浓度，降低反应推动力； 增加能耗，增大运行费用。,5、供氧 生物滤池一般时通过自然通风来保证供氧的； 影响生物滤池自然通风的主要因素有： 池内温度与气温之差； 滤池高度； 滤料孔隙率及风力等； 滤池堵塞也会影响通风。,14.3 生物滤