生物膜法和工藝市公開課金獎市賽課一等獎課件

1、 生物膜法 重點： 生物膜法基本概念與流程、生物 接觸氧化法、生物流化床。 難點： 生物接觸氧化法。第1頁概述 生物膜法是與活性污泥法平行發(fā)展一個污水處理技術方法； 實質是使細菌類微生物和原生動物、后生動物類微型動物附著 在濾料或一些載體上，并在其上形成膜狀生物污泥-生物膜 生物膜法歷史及發(fā)展：1865年德國科學家發(fā)覺生物過濾作 用；1893年英國將污水噴灑在粗濾料上，作為膜生物反應器生 物濾池問世；20世紀2030年代建造了許多生物膜反應器；40 50年代生物濾池逐步被活性污泥取代趨勢；70年代新反應器 以獨特優(yōu)勢受關注。 活性污泥法中微生物是呈懸浮狀態(tài)，屬于懸浮生長體系；而生 物膜法中生物

2、呈附著膜狀，屬于附著生長系統(tǒng)或固定膜工藝第2頁 生物膜法基本流程初沉池初沉池作用：去除大部分懸浮固體物質，預防生物膜反應器堵塞，尤其對空隙小填料是非常必要。二沉池二沉池作用：去除脫落生物膜，提升出水水質出水回流出水回流作用：提升生物膜反應器水力負荷，加大水流對生物膜沖刷作用，更新生物膜，防止生物膜過量累積，從而維持良好生物膜活性和適當膜厚度。生物膜反應器處理水原污水第3頁14.1 生物膜法基本概念14.1.1 生物膜形成及其凈化 過程 生物膜結構 掛膜：污水流經濾料，污水和細 菌附著在有機物被分解形成 生物膜并逐步成熟。 結構：從外面到里面次序為污 水、流動水層、附著水層、 生物膜（分為好氧層

3、和厭氧 層）、濾料。 生物膜法是經過生物膜來處理水，所以生物膜污水處理關鍵就是生物膜質量，生物膜形成及其生長是實現污水有效處理前提。第4頁 生物膜特征 高度親水物質:在污水不停更新條件下，外測總是存在附著水層 微生物高度密集物質：在膜表面和一定深度內部生長這微生物 和微型動物，并形成有機污染物細菌原 生動物（后生動物）食物鏈。 生物膜成熟標志 真正生態(tài)系組成及對有機物降解功效都到達了平衡狀態(tài) 生物膜生長階段 潛伏期、生長久。普通要20到30天左右。第5頁 生物膜凈化污水機理及優(yōu)勢 1. 生物膜表面積大，能大量吸附水中有機物 2. 有機物降解是在生物膜表層0.1-2mm好氧生物膜內進行 3. 各

4、種物質傳遞過程： 空氣 流動水層附著水層生物膜微生物呼吸污染物流動水層附著水層生物膜生物降解 H2O附著水層流動水層 CO2 、H2S、NH3水層溢入空氣中微生物代謝產物4. 厭氧層與好氧層關系 厭氧層與好氧層到達生態(tài)平衡5. 理想生物膜法情況減緩老化，防止厭氧層過分生長，加緊好氧 層更新，不使膜集中脫落。第6頁 生物膜形成 當污水均勻地淋灑在介質表面上，在充分供氧條件下，介質表面微生物吸附污水中有機物，快速進行降解有機物，逐步在介質表面形成黏液狀生長有極多微生物膜，即稱之為生物膜。 伴隨微生物不停繁殖增加，使生物膜厚度不停增加，膜表面吸收營養(yǎng)和溶解氧比較輕易，微生物生長繁殖快速，形成了好氧微

5、生物和兼性微生物組成好氧層（12mm）。在其內部因為營養(yǎng)料和溶解氧供給條件差，微生物生長繁殖受到限制，好氧微生物難以生活，厭氧微生物恢復了活性，形成了厭氧微生物和兼性微生物組成厭氧層。厭氧層只有生物膜到達一定厚度后才能出現，而且伴隨生物膜增厚和外伸變厚，不過有機物主要是在好氧層內進行。 第7頁 生物膜中物質遷移： 因為生物膜吸附作用，在其表面有一層很薄水層，稱之為附著水層。附著水層內有機物大多已被氧化，其濃度比濾池進水有機物濃度低得多。因為濃度差作用，有機物會從污水中轉移到附著水層中去，進而被生物膜所吸附?？諝庵醒跻矔M入生物膜。在此條件下，微生物對有機物進行氧化分解和同化合成，產生二氧化碳和

6、其它代謝產物一部分溶入附著水層，一部分到空氣中去，污水從而得到凈化。 因為生物膜厚度增大，致使其深層因氧不足而發(fā)生厭氧分解，積蓄了硫化氫、氨氣、有機酸等代謝產物。會減弱生物膜在惰性載體上固著力，處于這種狀態(tài)生物膜為老化生物膜，它不但輕易脫落凈化功效也不好。但供氧充分時，能夠加緊好氧膜更新，使生物膜不集中脫落。第8頁14.1.2 生物膜載體 填料 為生物膜提供附著生長固定材料。 分類 為無機類填料和有機類填料兩大類 1. 無機類載體 當前慣用無機類載體有砂子、碳酸鹽類、各種玻璃材料、沸石類、 陶瓷材料、炭纖維、礦渣、活性炭、金屬等。 無機類載體含有機械強度較高、化學性質較穩(wěn)定、比表面積較大優(yōu) 點

7、。缺點為密度較大，不宜做流態(tài)化運動， 使其在懸浮生物膜反應器工藝中應用受到 限制。 通常情況下，微生物以附著形式固定在 載體表面從而形成生物膜，特殊情況下，有 一些微生物是以包裹附著形式實現固定化。第9頁 2. 有機類載體 有機類載體是生物膜技術發(fā)展中應用最廣泛主要載體材料。這類載 體主要有PVC、PE、PS、PP、各類樹脂、塑料、軟性或半軟性纖維 等，其比表面積和孔隙率都很大，從而使有機負荷大為提升，也不易堵 塞，在生產實踐中被廣為采取，因為它便于沉淀分離，提升了活性污泥 處理廠性能。 各種有機材料載體對比。第10頁 選擇生物膜載體基本標準 選擇濾料時應該從以下方面考慮： 1.足夠機械強度，

8、以抵抗強烈水流剪切力作用； 2.優(yōu)良穩(wěn)定性，生物穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、熱力學穩(wěn)定性。 3.親疏水性及良好表面帶電特征，微生物在通常為帶負電，載體 要是帶正電荷，輕易結合。 4.有毒性或抑制性。 5.良好物理性狀 6.就地取材，價格合理。 在生物膜法中應用載體應滿足以下條件： 1.易流化，但不易流失； 2.易成膜，但無毒害作用； 3.能提供大比表面積，以增加生物附著量； 4.價格低廉，輕易取材。 第11頁14.1.3 生物膜法特征 優(yōu)點： 與活性污泥法相比，生物膜法含有以下優(yōu)點：生物膜體積小、微生物量高、水力停留時間較短、生物相相對穩(wěn)定、對毒物和沖擊負荷抵抗性強、處理效果高、操作方便、剩下污泥少，

9、適合用于小型污水處理廠 缺點： 1.需要較多填料和支撐結構， 基建投資高。 2.出水常攜帶較大脫落生物 膜片，大量非活性細小懸浮物分 散在水中使處理水澄清度降低 3.活性生物量難控制，在運行方 面靈活性差第12頁 2. 生物食物鏈長 生物膜上食物鏈要長于活性污泥污泥量少于活性污泥系統(tǒng)3.能夠存活世代時間長微生物 4.分段運行與優(yōu)勢菌種 分多段運行，每段繁衍于本段水質相適應微生物 1. 微生物多樣化 生物膜是由細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物以及一些肉眼 可見蠕蟲、昆蟲幼蟲組成。生物膜上生物種類，數量及其生活 狀態(tài)概括。細菌、真菌、微型動物、濾池蠅、含有抑制生物膜過 速增加功效線蟲 ，組成很

10、好生物膜，促進其脫落功效。 與活性污泥法生物相對比：增加了藻類，寡毛類、后生動物、昆 蟲類等生物。而真菌，肉足蟲，纖毛蟲，輪蟲含量都大大增 多。 微生物相方面特征第13頁 處理工藝方面特征 1.對水質、水量變動有較強適應性 一段時間中止進水，對生物膜也不會有致命影響，通水后易恢復2.污泥沉淀性良好污泥比重較大 3.能夠處理低濃度廢水 活性污泥：不適合處理低濃度污水，若BOD長久低于50-60mg/l， 會影響污泥絮體形成 。 生物膜：20-30mg/L時，能降解到5-10mg/l4.易于維護運行，節(jié)能，動力費用低第14頁14.2 生物膜增加及動力學14.2.1生物膜增加過程 潛伏期或適應期 微

11、生物在經歷不可逆附著過程后，開始逐步適應生存環(huán)境，并在載 體表面逐步形成小，分散微生物。這些初始菌落首先在載體表面 不規(guī)則處形成。這一階段連續(xù)時間取決于進水第五濃度以及載體表 面特征。在實際生物膜反應器開啟時，要控制這一階段是很困難。 生物膜增長過程與懸浮微生物增長過程相似，主要經歷了適應期、對數增長久、穩(wěn)定時及衰減期。但是又由生物膜法具體運行情況，在這四個階段基礎上劃分成六個階段：第15頁 對數期或動力學增長久 在適應期形成分散菌落開始迅速增長，逐漸覆蓋載體表面。生物膜厚度可以達到幾十m。多聚糖及蛋白質產率增加，大量消耗溶解氧，后期氧成為限制因素，此階段結束時，生物膜反應器出水底物濃度基本達

12、到穩(wěn)定值，這個階段決定了生物膜反應器內底物去除效率及生物膜自身增長代謝功能。 線性增長久 生物膜在載體表面以恒速率增長，出水底物濃度不隨生物量積累而顯著變化；其好氧速率保持不變；生物膜生物量Mb可以表示為： 此階段生物膜總量積累主要源于非活性物質。此時生物膜活性生物量所占比例很小，且隨生物膜總量增長呈下降趨勢。原因是：可剩余有效載體表面飽和；禁錮作用明顯，有毒或抑制性物質積累。這個階段對底物去除沒有明顯貢獻，但在流化床反應器內，這個階段可以改變生物顆粒體積特征。MbMaMi第16頁 減數增長久 由于生存環(huán)境質量改變以及誰理學作用，出現了生物膜增長速率變慢，這一階段是生物膜在某一質量和膜厚上達到

13、穩(wěn)定過渡期。此時生物膜對水力學剪切作用極為敏感。生物膜結構疏松，出水中懸浮物濃度明顯增高，末期，生物膜質量及厚度都趨于穩(wěn)定，運行系統(tǒng)也接近穩(wěn)定。 生物膜穩(wěn)定時 生物膜新生細胞與因為各種物理力所造成生物膜損失到達平衡。次階段，生物膜相及液相均已到達穩(wěn)定狀態(tài)。在生物膜反應器運行中，生物膜穩(wěn)定時維持一直認為是過程穩(wěn)定性必要確保，而在三相流化床等生物反應器中，在高底物濃度、高剪切力作用下，這一階段時間很短，甚至不出現。第17頁 脫落期 伴隨生物膜成熟，部分生物膜發(fā)生脫落。生物膜內微生物本身氧化、內部厭氧層過厚以及生物膜與載體表面間相互作用等原因可加速生物膜脫落。另外，一些物理作用也能夠造成生物膜脫落。

14、此階段中，出水懸浮物濃度增高，直接影響出水水質；底物降解過程受到影響，其結果是底物去除率降低，而我們在運行生物膜反應器時候應該盡可能防止生物膜同時大量脫落。 以上是生物膜增加規(guī)律分析，能夠幫助我們更加好控制生物膜反應器，同時也引出了生物膜法幾個主要參數。第18頁14.2.2 生物膜理論中幾個主要參數 生物膜比增加速率 描述生物膜增加繁殖特征最慣用參數之一。它反應了微生物增加活性。則微生物比增加速率定義式為 其中： X-微生物濃度 微生物比增加速率。 1.生物膜最大比增加速率（ 0）2.生物膜平均比增加速率（ ）第19頁 底物去除速率 反應了生物膜群體活性，底物去除速率越高，說明生物膜生化反應活

15、性越高。 式中qobs底物比去除速率 Q 進水流量 So進水底物濃度 S 出水底物濃度 Ao載體表面積 第20頁14.3 生物濾池 以土壤自凈原理為依據，在污水澆灌實踐基礎上發(fā)展 需要有預處理及二沉池 早期生物濾池（普通生物濾池） 水量負荷低，（1-4m/m.d）；BOD負荷0.1-0.4kg/m.d 高負荷生物濾池 塔式生物濾池限制進水BOD濃度200mg/l），經常采取回流水稀釋。水量負荷提升3.0倍至40m/m.d;BOD負荷上升至0.5-2.5kg/m.d。徑高比1：61：8，H=26米，通風良好，處理占地，水量80-200m/m.dBOD負荷2-3 kg/m.d14.3.0 概述第2

16、1頁14.3.1 生物濾池概念 生物濾池工作原理含有污染物廢水從上而下從長有豐富生物膜濾料空隙間流過，與生物膜中微生物充分接觸，其中有機污染物被微生物吸附并深入降解，使得廢水得以凈化；主要凈化功效是依靠濾料表面生物膜對廢水中有機物吸附氧化作用。第22頁 影響生物濾池功效主要原因1、濾床比表面積和孔隙率 濾料表面積愈大， 生物膜量就愈多，凈化功效就愈強；且孔隙率大， 則濾床不易堵塞，通風效果好，可為生物膜好氧代謝提供足夠氧；濾 床比表面積和孔隙率愈大，擴大了傳質界面，促進了水流紊動，有 利于提升凈化功效。 2、濾床高度 濾床上層，廢水中有機物濃度高，微生物繁殖速度快，生物膜量多 且主要以細菌為主

17、，有機污染物去除速度高；濾池下層，廢水中有 機物量少，生物膜量少，微生物從低級趨向高級，有機物去除速度降低； 有機物去除效果隨濾床深度增加而提升，但去除速率卻隨深度增加 而降低。第23頁3、有機負荷與水力負荷 有機負荷：單位時間供給單位體積濾料有機物量，他實際上表征 是F/M值，有機物不能超出生物膜分解能力，不然出水 水質下降。單位為kgBOD5/m3.d； 水力負荷：單位表面積濾池或單位體積濾料每日處理廢水量。表 征濾池接觸時間和水流沖刷時間。 水力表面負荷單位為m3/m2.d，或m/d；同濾速； 水力容積負荷單位為 m3/m3.d 有機負荷較高，生物膜增加較快，引發(fā)濾料堵塞，需要調整水力

18、負荷。水力負荷增加，提升水力沖刷力 ，維持生物膜厚度。普通是 經過出水回流來處理。第24頁4、回流 對于高負荷生物濾池與塔式生物濾池，常采取回流。其優(yōu)點： 不論原廢水流量怎樣波動，濾池可得到連續(xù)投配廢水，因而其 工作較穩(wěn)定； 能夠沖刷去除老化生物膜，降低膜厚度，并抑制濾池蠅孳生； 均衡濾池負荷，提升濾池效率； 能夠稀釋和降低有毒有害物質濃度以及進水有機物濃度。5、供氧 生物濾池普通時經過自然通風來確保供氧；影響生物濾池自然通 風主要原因有： 池內溫度與氣溫之差； 濾池高度； 濾料孔隙率及風力等； 濾池堵塞也會影響通風。第25頁14.3.2 普通生物濾池 結構 普通生物濾池又稱滴濾池，水力負荷和

19、BOD負荷低。第26頁 在平面上多為方形、矩形或圓形，高出濾池1.50.9m。在嚴寒地 區(qū)，有時需要考慮防凍、采暖、或防蠅等辦法 池壁：圍護填料，應該能承受壓力，分為有孔池壁和無孔池壁 。 有孔洞池壁有利于濾料內部通風，但在冬季易受低氣溫 影響； 池底：支撐濾料和排除處理后水，池底四面設置通風口。 普通為實心拳狀濾料，如碎石、卵石、爐渣等； 工作層濾料粒徑為2540mm，承托層濾料粒徑為70100mm； 同一層濾料要盡可能均勻，以提升孔隙率； 濾料粒徑愈小，比表面積 就愈大，處理 能力能夠提升；但粒徑過 小，孔隙率降低， 則濾料層易被生物膜堵塞； 普通當濾料孔隙率在45%左右時，濾料 比表面積

20、約為65100m2/m31. 池體：2. 濾料：第27頁3. 布水裝置： 布水裝置目標是將廢水均勻地噴灑在濾料上；主要有兩種：固 定式布水裝置、旋轉式布水裝置；普通生物濾池多采取固定式布 水裝置；高負荷生物濾池和塔式生物濾池則慣用旋轉布水裝置： 固定式布水裝置 旋轉式布水系統(tǒng) 第28頁4. 排水系統(tǒng)排水系統(tǒng)處于濾床底部，其作用是搜集、排出處理后廢水和確保良好通風。普通由滲水頂板、集水溝和排水渠所組成；滲水頂板用于支撐濾料，其排水孔總面積應大于濾池表面積20%；滲水頂板下底與池底之間凈空高度普通應在0.6m以上，以利通風，普通在出水區(qū)四面池壁均勻布置進風孔。 不淤流速0.7m/s 滲水裝置：與池

21、底距離0.4m第29頁 普通生物濾池設計與計算 工作層填料粒徑為2540mm，厚度為1.31.8m；承托層填料 粒徑為70100mm，厚度為0.2m。 正常氣溫條件處理城市廢水時，表面水力負荷為13 m3/m2.d， BOD5容積負荷為0.150.30kgBOD5/m3.d，BOD5去除率普通為 8595%； 池壁四面通風口面積不應小于濾池表面積1%； 濾池數不應小于2座。 濾料容積 ：按負荷率計算 BOD負荷率（gBOD/m.d） 水力負荷率 (m/m濾料.d) 濾料選定、容積與濾池結構工藝設計，布水裝置系統(tǒng)計算與設 計1. 設計內容：2. 設計參數：第30頁3. 設計公式：設計內容 計算公

22、式 參數意義及取值 濾料總體積(V) V = QS/LvBOD V濾料總體積，m3 Q進水平均流量，m3/d S進水BOD5濃度，mg/l LvBOD容積負荷，普通取0.150.3kgBOD/m3.d 濾床有效面積(F) F = V/H F濾床有效面積，m2 H濾料高度，1.52.0m 表面水力負荷校核(q) q = Q/F q表面水力負荷，應為13m3/m2.d。 第31頁14.3.3 高負荷生物濾池 結構 高負荷生物濾池是生物濾池第二代工藝。1. 高負荷生物濾池池體： 平面上多為圓形。 濾料層高普通為2m。2. 高負荷生物濾池布水： 多使用旋轉式布水器。第32頁3. 高負荷生物濾池濾料： 濾料粒徑較大，普通為40100mm，工作層濾料粒徑普通為 4070mm，承托層則為70100mm，孔隙率較高，能夠預防堵 塞和提升通風能力； 濾料常采取卵石、石英砂、花崗巖等，普通以表面光滑卵石