6.3　生物膜法

生物膜法是利用固著生長的微生物-生物膜的代謝作用去除有機(jī)物，有厭氧、好氧兩種。

6.3.1　基本原理與特點(diǎn)

生物膜法主要適用于處理溶解性有機(jī)物。污水同生物膜接觸后，溶解性有機(jī)物和少量懸浮物被生物膜吸附降解為穩(wěn)定的無機(jī)物。其反應(yīng)過程是：①基質(zhì)向生物膜表面擴(kuò)散；②在生物膜內(nèi)部擴(kuò)散；③微生物分泌的酵素與催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；④代謝生成物排出生物膜。其基本流程如圖6-22所示。

廢水經(jīng)初沉池去除懸浮物后進(jìn)入生物膜法反應(yīng)池去除有機(jī)物。生物膜法反應(yīng)池出水入二沉池去除脫落的生物體，澄清液排放。污泥濃縮后進(jìn)一步處理。

生物膜法的分類和特點(diǎn)如下。

（1）分類

按生物膜與廢水接觸方式的不同，可分為充填式和浸沒式兩類。充填式生物膜法的填料不被廢水浸沒，自然通風(fēng)或強(qiáng)制供氧，廢水流過填料表面或轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)浸過廢水。浸沒式生物膜法的填料完全浸沒于水中，一般采用鼓風(fēng)曝氣供氧。

（2）特點(diǎn)

1）微生物相復(fù)雜，能去除難降解有機(jī)物。固著生長的膜生物受水力沖刷影響小，所以生物膜中存在各種微生物，包括細(xì)菌、原生動(dòng)物等，形成復(fù)雜的生物相。世代時(shí)間長的硝化細(xì)菌在生物膜上生長良好，硝化效果好。

2）微生物量大，凈化效果好。生物膜含水率低，微生物濃度是活性污泥法的5～20倍。有機(jī)負(fù)荷高，容積小。

3）生物膜上的微生物營養(yǎng)級高，食物鏈長，有機(jī)物氧化率高，剩余污泥少。

4）填料表面脫落的污泥比較密實(shí)，沉淀性好，容易分離。

5）耐沖擊負(fù)荷，能處理低濃度污水。

6）生物量大，無需污泥回流，有的為自然通風(fēng)，所以操作簡單，運(yùn)行費(fèi)用低。

7）不易發(fā)生污泥膨脹。即絲狀菌占優(yōu)勢也不易脫落而引起污泥膨脹。

8）生物膜法需要填料和支撐結(jié)構(gòu)，投資費(fèi)用較大。

生物膜法應(yīng)用較為廣泛的工藝有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化、生物流化床等。

6.3.2　處理工藝與裝備

（1）生物濾池

生物濾池是最早的生物膜法反應(yīng)池。生物濾池的填料一般不被水淹沒。按運(yùn)行方式可以分為普通生物濾池、高負(fù)荷生物濾池和塔式生物濾池三種。

普通生物濾池是在較低負(fù)荷率下運(yùn)行的生物濾池，以BOD計(jì)的有機(jī)負(fù)荷率為0.15～0.30kg/（m³·d）。水力停留時(shí)間長，凈化效果好，出水穩(wěn)定，污泥沉淀性好，剩余污泥少。但占地面積大，水力沖刷作用小，易堵塞和短流，生長灰蠅，散發(fā)臭氣，衛(wèi)生條件差，目前已趨于淘汰。

高負(fù)荷生物濾池在高負(fù)荷率下運(yùn)行，有機(jī)負(fù)荷率為1.1kg/（m³·d）左右。微生物生長營養(yǎng)充足，生物膜增長快。為防止濾料堵塞，需進(jìn)行出水回流，又叫回流式生物濾池。回流使流速提高，沖刷作用強(qiáng)，能防止濾料堵塞。與普通生物濾池相比，高負(fù)荷生物濾池剩余量多，穩(wěn)定度小。占地面積小，投資費(fèi)用低，衛(wèi)生條件好，適于處理濃度較高、水質(zhì)水量波動(dòng)大的廢水。

塔式生物濾池的負(fù)荷很高，有機(jī)負(fù)荷率為1.0～3.0kg/（m³·d）。塔式生物濾池的膜生長快，沒有回流，為防止濾料堵塞，采用的濾池面積小，以獲得較高的濾速。凈化效果較差，占地面積小，投資運(yùn)行費(fèi)用低，耐沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，適用于處理濃度較高的廢水。其構(gòu)造如圖6-23所示。

曝氣生物濾池（BAF）是在生物接觸氧化法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的好氧生物膜法，如圖6-24所示。其原理是在一級處理的基礎(chǔ)上以顆粒狀填料及其附著生長的生物膜為處理介質(zhì)，充分發(fā)揮生物代謝作用、物理過濾作用、膜及填料的吸附作用以及反應(yīng)器內(nèi)多級生物間的捕食作用，實(shí)現(xiàn)污染物在同一單元反應(yīng)器內(nèi)去除。與別的工藝相比，該技術(shù)具有容積負(fù)荷高、水力負(fù)荷大、水力停留時(shí)間短、出水水質(zhì)好、占地面積小、基建投資少、能耗及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。楊平等就該方法在焦化廢水處理上的可行性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明單級BAF法對焦化廢水中的COD、酚和氰的去除率均在90%以上。其中出水的COD含量達(dá)到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)，而酚和氰低于國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。由此可以看出曝氣生物濾池在焦化廢水的處理上應(yīng)該有很好的應(yīng)用前景。

（2）生物接觸氧化

生物接觸氧化簡稱接觸氧化，又名浸沒式生物濾池。生物接觸氧化法的填料浸沒于水中，填料上生長著生物膜。氧化池中的污水還存在著懸浮生長的微生物。接觸氧化主要靠生物膜凈化污染物，但懸浮態(tài)微生物也對污染物的凈化有一定的作用，流程如圖6-25所示。

生物接觸氧化法既有生物膜工作穩(wěn)定、耐沖擊負(fù)荷和操作簡單的特點(diǎn)，又有活性污泥混合接觸效果好的特點(diǎn)。

1）接觸氧化法填料的比表面積大，充氧效果好，氧利用率高。所以單位容積的微生物量比活性污泥和生物濾池大，容積負(fù)荷高，耐沖擊負(fù)荷，凈化效果好。

2）由于單位體積的微生物量大，容積負(fù)荷大時(shí)，污泥負(fù)荷仍然較小，所以污泥產(chǎn)量低。

3）由于采用強(qiáng)制通風(fēng)供氧，動(dòng)力消耗比一般的生物膜法大。

4）與活性污泥法和生物濾池法相比，接觸氧化法出水中生物膜的老化程度高，受水力沖擊變得很細(xì)碎，沉淀性能較差。

5）接觸氧化法一般不發(fā)生污泥膨脹，但當(dāng)污水的供氧、營養(yǎng)、水質(zhì)（毒物、pH值）和溫度等條件不利時(shí)，生物相的性能會(huì)變差，在劇烈的水力沖擊下脫落，隨水流失，發(fā)生污泥膨脹的可能性比生物濾池大。

6）占地面積小，管理方便。

（3）生物轉(zhuǎn)盤

生物轉(zhuǎn)盤污水處理廠自1954年在德國建成后，目前在歐洲已有上千座。生物轉(zhuǎn)盤是由一系列平行的旋轉(zhuǎn)圓盤、轉(zhuǎn)動(dòng)橫軸、動(dòng)力及減速裝置、氧化槽等組成的，如圖6-26所示。

生物轉(zhuǎn)盤的污水凈化機(jī)理和生物濾池基本相同。當(dāng)圓盤浸沒于污水中時(shí)，污水中的有機(jī)物被盤片上的生物膜吸附，當(dāng)圓盤離開污水時(shí)，盤片表面形成薄薄一層水膜。水膜從空氣中吸氧，同時(shí)生物膜分解吸附有機(jī)物。這樣，圓盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，即進(jìn)行一次吸附—吸氧—氧化分解過程。圓盤不停轉(zhuǎn)動(dòng)，污水得到凈化，同時(shí)盤片上的生物膜不斷生長、增厚。老化的生物膜靠圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的剪切力脫落下來，生物膜得到更新。

與生物濾池相比，生物轉(zhuǎn)盤有許多特點(diǎn)：a.不會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，可以處理高濃度有機(jī)污水；b.管理方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)低；c.占地面積較大；d.有氣味產(chǎn)生，對環(huán)境有影響。

新型的生物轉(zhuǎn)盤也不斷出現(xiàn)，如空氣驅(qū)動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤；利用藻類與微生物的共生體系來凈化廢水的藻類生物轉(zhuǎn)盤；在活性污泥法中的曝氣池內(nèi)設(shè)置生物轉(zhuǎn)盤的活性污泥式生物轉(zhuǎn)盤；可適用于廢水硝化處理的縮小盤片間距的高密度生物轉(zhuǎn)盤。此外，還有硝化、反硝化功能的生物轉(zhuǎn)盤等。

（4）生物流化床

生物流化床是以顆粒粒徑1～1.5mm的砂、活性炭或其他人工材料為載體，并使載體在反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)化（膨脹率30%～100%）的一種高效污水處理工藝。系統(tǒng)供氧可采取純氧或空氣。整個(gè)系統(tǒng)由流化床、充氧設(shè)備、脫膜設(shè)備和二沉池組成。典型的生物流化床工藝如圖6-27所示。

生物流化床與其他生物膜法工藝相比，最顯著的特點(diǎn)是其具有極大的比表面積和有機(jī)負(fù)荷，見表6-2，因此，它是高效的生物處理反應(yīng)器，且占地面積小，很適用于工業(yè)廢水的處理。

總之，生物膜法作為與活性污泥平行發(fā)展起來的生物處理工藝，既是古老的又是發(fā)展中的污水生物處理技術(shù)。生物膜比活性污泥具有更強(qiáng)的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各種污染物，具有速度快、效率高的特點(diǎn)，在許多情況下不僅能代替活性污泥法用于城市污水的二級生物處理，而且在工業(yè)廢水的生物處理工程中，生物膜法在處理規(guī)模并不大的場合下，是頗受歡迎并被采用的技術(shù)。

6.3.3　技術(shù)參數(shù)與設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）生物濾池負(fù)荷

生物濾池負(fù)荷取值范圍見表6-3。

（2）工業(yè)廢水設(shè)計(jì)負(fù)荷

生物轉(zhuǎn)盤處理各類工業(yè)廢水的設(shè)計(jì)負(fù)荷值見表6-4。

（3）BAF工藝主要設(shè)計(jì)參數(shù)

曝氣生物濾池的容積負(fù)荷和水力負(fù)荷宜根據(jù)試驗(yàn)資料確定，無試驗(yàn)資料時(shí)可采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或按表6-5的參數(shù)取值。

（4）生物膜法工藝負(fù)荷比較

生物膜法工藝的負(fù)荷比較見表6-6。

（5）處理方法比較

生物膜法與普通活性污泥法比較見表6-7。