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1、高效率生物接触滤材在废水处理上的应用蔡高荣1, 谢宏炅2, 刘颖3, 董彬彬4（1.振钧环工技师事务所负责人、上海川源机械工程有限公司顾问 2.上海川源机械工程有限公司 总经理 3.上海川源机械工程有限公司 企划处 处长 4.上海川源机械工程有限公司 企划处 工程师）摘要：生物反应器分解水体中之有机质时，在相同容积相同的停留时间下，欲分解更大量或复杂的有机物时，需要更大的生物质量及生物相，接触曝气法则可满足这种需求。生物质量的常取决于滤材的表面积大小及附着性的难易，及曝气系统供氧能力均决定系统的成败。高效率生物滤材的高比表面积及抗生物附着性的曝气系统可供高度及复杂性质废水选择。关键词：接触曝气
2、法、曝气、接触滤材、绳状滤材一、前言在石油化学工业及生物科技日渐发达的今天，所造成的废水性质亦日驱复杂，对于传统式的废水生物处理是一大难题。在废水处理的工艺设计上，常需串接各种不同的处理技术，好满足放流水水质符合国家放流水标准。但在制造的流程及制造者实际的情形，常因订单的多寡及产品质量的改善作业，造成制程排放水水质的不稳定或水量的急剧变动，这对废水处理的操作上，又是一大挑战。在废水流程上，是否可有一种耐高冲击负荷（Shock Loading）制程，为环境工程师的一大考验。二、文献回顾生物处理一般可概略分为好氧性处理及厌氧性处理，其净化能力，与细菌、真菌类、藻类、原生动物、微小后生动物等各种微生
3、物有关，为由数十种以上的混合培养体（Mixed Culture ）以去除混合基质的处理程序，故要确立合理的设计标准及操作准则并不大容易，大多依据经验或判断较多。一般低污染性工厂所排放之废水，以好氧性处理法处理后，水质大都可达到现行放流水标准，而通常废水有机污染浓度较高的工厂，必须先实行厌氧性处理，后段再设置好氧性处理单元，才能符合放流水标准，故一般来说，好氧性处理是废水生物处理的关键。由于生物处理系统操作状况发生变异，均会引发微生物相的改变，因此微生物相可综合地反应处理的水质及操作条件；故在进行废水处理场操作处理效率改善时，以微生物观察为主的废水好氧生物处理功能诊断技术是一项重要的操作调整技术
4、。一般好氧性生物处理可分为悬浮生长式及附着生长式，而悬浮生长式包括活性污泥法、氧化（深）渠法等；附着生长式（一般称为生物膜法）则包括滴滤法、旋转圆盘法、接触曝气法等。由于活性污泥法之处理水BOD 可由100 mg/L 至数千mg/L ，而生物膜则仅能由10 至500 mg/L ，故目前工业废水中所采用的生物处理，约有70 以上好氧生物处理为悬浮生长式生物处理。悬浮生长式生物处理由于悬浮生长式生物处理均需由后续沉淀单元得以固液分离，获得良好的处理水质，故其影响处理成效有两项主要因子，其一为有机物的分解去除效果，这可由指标微生物得以判断，其二则为污泥的沉降性，可由显微镜观察出胶羽的大小、结构（紧密
5、或松散）丝状结构型态等作评估。兹分述如下：以有机物的分解去除效果为例，已找出活性污泥处理负荷溶氧状况与微生物相的关系，如表1活性污泥处理负荷溶氧状况与微生物相之关系所示。在高负荷状况下，其微生物相呈现多量的分散状细菌；而低负荷状况下，其有壳型原生动物会出现较多，且分散状细菌数量会非常少。根据目前的研究指出，发现原生动物在活性污泥中出现的种类与个数也会随着净化过程中有机物的减少而改变，一般原生动物的转变顺序是1.小型游泳性生物。2.大型游泳性生物。3.固着性生物。图2在活性污泥生成过程中原生动物的变迁详细表示了原生动物的出现次序，由于这个出现次序的不同，可以借着微生物相来进行曝气槽的诊断，假如观
6、察到大量的鞭毛虫与纤毛虫时，即显示曝气槽内的有机物量很多，此时即可(1)增加空气量(2)增加回流污泥量(3)降低BOD、SS 负荷(4)延长停留时间(5)将回流污泥再曝气，使F / M 比变小，即可使情况好转。假如观察到大量固着性生物，亦即接近图2 之顶点状态时，表示处理水中的有机物非常少，图1 由河川自净作用至废水生物处理系统表1 生物相与有机负荷、溶氧间之关系高负荷标准负荷低负荷个体数多 少种类数少 多虫体大小形状 小形 大形细菌类分散状细菌类 分散状细菌类胶羽状细菌类原生动物小型鞭毛虫类 植物性鞭毛虫类织毛虫类 后生动物移动型游泳型 泳型匍匐动物型附着 固着型有壳与否 有壳型DO溶氧量D
7、O不足DO：23mg/l低负荷所造成之DO消耗量较低原生动物鞭毛类 织毛虫类 变形虫类后生动物线虫类 轮虫类 其它后生动物细菌类分散状细菌类 丝状性细菌类 胶羽状细菌类是处于好的状态，因此继续稳定地操作即可。假如虽然仍可观察到固着性生物，不过大形变形虫与后生动物轮虫类越来越多，这是显示由于F / M 比变得非常小，污泥解体，而只有极少数的有机物残留，必需(1)降低溶氧量(2) 进行污泥的移除(3)提高BOD、SS 负荷(4)缩短停留时间，才可改善处理状况。附着生长式（生物膜法）生物处理一般在旋转生物圆盘法中容易观测出生物膜的数量，但在其它的生物膜法，如接触曝气法与滴滤法进行生物膜的定量测定就比
8、较困难。所有的生物膜法其曝气槽内所能维持之污泥量（生物膜量）通常都比活性污泥法高，然而生物膜量越多并不表示处理水质越好；相反的，生物膜量如果太多，反而容易成为阻塞与产生厌气恶臭的原因。以旋转生物圆盘法而言，生物膜量如果在5 10 mg / cm2或更高，就会引起架桥（生物膜变得太厚，使圆盘间闭塞的现象），于是产生了恶臭。生物膜量通常是以BOD 负荷来决定的，一般在1 5 mg / cm2的程度。在接触曝气法的生物膜量最好是2,000 5,000 mg/L ，若在4,000 6,000 mg/L 或更高，就会产生接触材料的阻塞，一旦发生阻塞现象，就必须进行逆洗。还有，在旋转生物圆盘法中也有以加压
9、水将生物膜强行剥离的设计例，这种生物膜量的测定及作此种适当的控制在处理上是必要的。在控制生物膜量的同时，也必须进行显微镜观察，并配合生物膜的色泽、臭味鉴定，以判断微生物相正常与否。在高负荷与低负荷的情况下比较生物膜微生物相，多半不像活性污泥，能较容易的以微生物相来反应处理水质。这是因为BOD 负荷越高，生物膜越厚，使好氧性与厌氧性二种微生物皆能生存的缘故所致。在低负荷时，由于生物膜薄，因此膜的表面与深处的微生物相没有太大差别，因此可以认定在生物膜内层出现的微生物种类与BOD 负荷有很大的关系。固定式生物膜反应器之特性固定式生物膜反应器乃藉生物膜之吸附作用，而形成局部高密度生物处理系统，再进行污
10、染物之分解，此系统类似一具连续式生物反应器及吸附床之结合系统（Mashayekhi，1993）。而有机污染物之去除机制乃取决于其经扩散而至液膜附着，之后再扩散入细胞生物质量中，因此传输过程决定于质传及扩散阻抑。而生物膜内又可形成氧化、无氧化、厌氧等状态，因此随着固定化生物膜之氧气及营养源物质浓度梯度，而形成不同微生物分解生态（Lupton，1979）。所以在通气状况下，生物膜反应器中，兼具有好氧及厌氧性环境及处理活性。固定化生物质量乃是藉由微生物细胞生长分裂过程中，产生并释放胞外之聚合醣胶体物质（polysaccharide gels ；此生物黏膜现象于地下水含水层、河床、水管中常可发现），一
11、旦微生物附着在其表面，其活性则取决于表面之局部状态，例如，营养物、基质、电子接受者及供给者等物质之传送。而此胶体媒介之捕捉及吸附污染物之能力，乃是分解代谢之必要条件（Alexander，1980）。依此模式，被分解或待分解有机物因被胶体捕捉而延长了停留时间，进而利于分解。由于胶体物亦可吸附其它微生物菌体，所以会随外在废水负荷及条件而改变菌相生态。因此可推论生物膜之微生物相乃是时间及生物膜厚度之函数，生物膜厚度乃取决于基质通量（flux）、膜上之生物生长及活性降减速率等因素（Bryers，1987）。一般而言，固定式生物膜反应器较悬浮生长式系统具有较佳之特性（Criddle， 1991），尤其在
12、处理有害性与生物难分解性工业废水时，采用固定式生物膜反应器技术之生物程序处理时，有下列几项重要优点：1.生物处理技术在常温、常压条件下操作，所使用之设备费用较低。2.生物处理程序能自我维持，所需之维修及再生工作量甚低。3.有害性化学品如phenol、BTEX 等，均可被完全矿化成无害之二氧化碳及水。4.微生物具多用途性，极易取得与大量培养。5.更符合EPA 之自然降减无二次公害之要求。固定式生物膜反应器技术除具上述之优点外，与传统之活性污泥及其它类似之活性碳生物处理技术相较，更具有下列之优点（Jewell，1983）： 1.具较高之水力负荷率，因为固定式生物膜反应器系统不需要藉提高微生物生长率
13、，来维持生物触媒之活性。其生物反应器效率高，所需要之硬件投资较低，处理同样废水量所需之场地面积较小。2.固定式生物膜反应器不必藉微生物之生长与增加，来维持生物触媒之活性，如此处理过程所产生之污泥即生物菌体量较少，因此可大幅减少污泥清理费用。3.固定式生物膜反应器对生物触媒之保留及保护效果较佳，可增强整个处理程序之稳定性及对环境负荷之包容及吸收能力。4.固定式生物膜反应器之固定化细胞，可选择特定之微生物，而不必担心微生物间彼此之竞争。影响固定式生物膜反应器处理效果之因素：一、接触滤材Cassidy（1996）在泡棉的研究指出，微生物附着的速率与接触滤材载体表面孔洞大小、电性及亲水性有密切的关系。Webb（1990）也针对高效率担体在微生物及工程上之应用做出建议，在微生物方面，担体之参数条件必须具备高效率群集、高比表面积作为群集之基地、可调式孔径、高孔径体积、开孔性及表面可改变性等，另外工程参数需考虑几何形状、可逆洗、不易阻塞及机械强度等。接触滤材所扮演
