分析17-1生物膜法

1、第第17章章 生物膜法生物膜法17.1概 述生物膜法和活性污泥法一樣，都是利用微生物來去除廢水中有機物的方法，兩者是平行發(fā)展起來的污水好氧處理工藝。生物膜法和活性污泥法的區(qū)別No. 3活性污泥法中的微生物在曝氣池內以活性污泥的形式呈懸浮狀態(tài)，屬于懸浮生長系統(tǒng)；生物膜法中的微生物附著生長在填料或載體上，形成膜狀的活性污泥，屬于附著生長系統(tǒng)或固定膜工藝。生物膜法是土壤自凈的人工強化。最早人們利用污水灑澆農田，發(fā)現了土壤滲濾作用對污水中有機物有凈化作用?；钚晕勰喾ㄊ撬w自凈的人工強化。生物膜法的歷史及發(fā)展生物膜法的歷史及發(fā)展：古老又在不斷發(fā)展中的處理技術，古老又在不斷發(fā)展中的處理技術，1865年德國

2、科學家發(fā)現生物過濾作用；年德國科學家發(fā)現生物過濾作用；1893年英國將污水噴灑在粗濾年英國將污水噴灑在粗濾料上，作為膜生物反應器的生物濾池問世；料上，作為膜生物反應器的生物濾池問世；20世紀世紀2030年代建年代建造了許多生物膜反應器；造了許多生物膜反應器；4050年代生物濾池逐漸被活性污泥取年代生物濾池逐漸被活性污泥取代的趨勢；代的趨勢；70年代新的反應器以獨特的優(yōu)勢受關注。年代新的反應器以獨特的優(yōu)勢受關注。生物膜法的類型及主要技術現狀生物膜法的類型及主要技術現狀；固定床、流動床固定床、流動床生物轉盤：用于硝化、反硝化的研究取得進展生物轉盤：用于硝化、反硝化的研究取得進展生物接觸氧化：生物接

3、觸氧化：1971年日本首創(chuàng)，進年日本首創(chuàng)，進20年得到廣泛應用年得到廣泛應用生物流化床：生物流化床：70年代初期在美國和日本得到研究與應用年代初期在美國和日本得到研究與應用微孔膜生物反應器：近幾年人們關注的革新的生物膜反應器微孔膜生物反應器：近幾年人們關注的革新的生物膜反應器復合式生物膜反應器：序批式膜生物反應器復合式生物膜反應器：序批式膜生物反應器No. 5類的微生物和原生動物、后生動物一類的微型動物附著在濾料或某些載體上生長繁育，并在其上形成膜狀生物污泥生物膜。污水與生物膜接觸，污水中的有機污染物作為營養(yǎng)物質，為生物膜上的微生物所攝取，微生物自身得到繁衍增殖，同時污水得到凈化。生物膜法的實

4、質凈化機理概述是使細菌和菌類一17.1.1生物膜的形成生物膜法處理污水就是使污水與生物膜接觸，進行固、液相的物質交換，利用膜內微生物對有機物進行降解，使污水得到凈化，同時生物膜內的微生物不斷生長與繁殖。因此，生物膜廢水處理技術的關鍵是形成性能良好的生物膜，而生物膜的形成及其生長是實現廢水有效處理的前提。1）下移；2）附著；3）結合；影響因素：微生物自身性質、載體表面性質和環(huán)境特性。No. 9流動水層附著水層左圖所示是附著在生物濾池濾料上的生物膜的構造。生物膜是高度親水的物質，在污水不斷在其表空氣 面更新的條件下，其外側總是存在著一層附著水層。生物膜又是微生物高度密集的物質，在膜的表面和一定深度

5、的內部生長繁殖著大量的各種類型的微生物和微型動物，并形成有機污染物細菌原生動物(后生動物)的食物鏈。生物膜的構造（剖面圖）No. 10生物膜厭氧 好氧濾料大量微生物17.1.2生物膜構造及凈化機理當廢水中含有足夠數量的有機營養(yǎng)物、微量元素及溶解氧時，微生物在作為載體的填料表面生長繁殖。微生物可以在其自身通過代謝途徑產生的膠質粘膜內活動，使微生物的數量不斷增長，并使其從載體表面向外伸展。好氧層的形成厭氧層的形成好氧層的特征由好氧微生物和兼性微生物組成，由于吸收營養(yǎng)和溶解氧比較容易，微生物生長繁殖迅速，其厚度一般為2mm左右內部和載體接觸的部分，由于營養(yǎng)物質和溶解氧的不足，微生物的生長繁殖受到限制

6、，好氧微生物難以存活，兼性微生物轉為厭氧代謝方式，而某些厭氧微生物卻恢復了活性，厭氧層在生物膜達到一定厚度時才出現No. 11由于微生物的不斷繁殖增長，生物膜的厚度不斷增加，當膜厚增到一定程度后，在氧不能透入的膜內側深部即轉變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)。厭氧層的特征No. 15生物膜的構造（剖面圖）濾料生物膜厭氧 好氧空氣CO2CO2O2O2CO2H2SNH3O2附 流著 動水 水層 層BODH2ONH3BODO2H2OBODBOD在生物膜內、外，生物膜與水層之間進行著多種物質的傳遞過程。空氣中的氧溶解于流動水層中，從那里通過附著水層傳遞給生物膜，供微生物呼吸；污水中有機污染物則由流動水層傳遞給附著水層，然后

7、進入生物膜，并通過細菌的代謝活動而被降解。這樣就使污水在其流動過程中逐步得到凈化。微生物的代謝產物如H2O等則通過附著水層進入流動水層，并隨其排走，而CO2和厭氧層分解產物如H2S、NH3以及CH4等氣態(tài)代謝產物則從水層逸出進入空氣中。No. 15生物膜的構造（剖面圖）濾料生物膜厭氧 好氧空氣CO2CO2O2O2CO2H2SNH3O2附 流著 動水 水層 層BODH2ONH3BODO2H2OBODBOD生物膜增長的六個階段：1）潛伏期2）對數增長期3）線性增長階段4）減速增長期5）生物膜穩(wěn)定期6）脫落期生物膜脫落的原因：生物膜脫落的原因：內因內因 厭氧菌營養(yǎng)耗盡而死亡，其附厭氧菌營養(yǎng)耗盡而死亡

8、，其附著力降低，很快脫落著力降低，很快脫落氣態(tài)代謝產物不斷逸出，破壞了好氣態(tài)代謝產物不斷逸出，破壞了好氧層生態(tài)的穩(wěn)定，使二者失去了平氧層生態(tài)的穩(wěn)定，使二者失去了平衡，生物膜老化氣態(tài)產物的積累，衡，生物膜老化氣態(tài)產物的積累，將膜頂起。將膜頂起。外因外因 水流的沖刷作用，加大水量，水流的沖刷作用，加大水量，則沖刷力增大則沖刷力增大No. 7潛伏期或適應期對數期或動力學增長期線形增長期減速增長期生物穩(wěn)定期脫落期Ma曲線：活性生物量O參（1）數（2）（3）（4） （5）指數Ma動態(tài)階段暫時性/Ma暫時性/Mb生物膜增長期線形 減速Ma穩(wěn)定階段永久性/Ma在大量試驗事實基礎上，法國Capdeville教

9、授等人于90年代初對生物膜的增長過程進行了詳細劃分，認為生物膜整個增長過程由如下六個階段組成。如圖：生物膜的增長過程MbMa永久性/Mb 2時間穩(wěn)定No. 9SfMb曲線：生物膜總量的變化過程；SF曲線：底物濃度變化過程；潛伏期的變化過程；O2曲線：氧的利用率。No. 18生物膜成熟的標志生物膜沿水流方向分布，在其上由細菌及各種微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)及其對有機物的降解功能都達到了平衡和穩(wěn)定的狀態(tài)。從開始形成到成熟，生物膜要經歷潛伏和生長兩個階段，一般的城市污水，在20左右的條件下大致需要30d的時間。No. 8潛伏期或適應期這一階段是微生物在經歷不可逆附著過程后，開始逐漸適應生存環(huán)境，并在載體表

10、面逐漸形成小的、分散的微生物菌落。這些初始菌落首先在載體表面不規(guī)則處形成。這一階段的持續(xù)時間取決于進水底物濃度以及載體表面特性。在實際生物膜反應器啟動時，要控制這一階段是很困難的。No. 10對數期或動力學增長期在適應期形成的分散菌落開始迅速增長，逐漸覆蓋載體表面。在此階段由于有機物、溶解氧及其它營養(yǎng)物的供給超過了消耗的需要，附著微生物以最大速度在載體表面生長。一般在動力學增長期末，生物膜厚可達幾十個微米。在動力學增長期，通常可觀察到如下現象：生物膜多聚糖及蛋白質產率增加；底物濃度迅速降低，即有機污染物降解速率很高；大量的溶解氧被消耗，在此階段后期，供氧水平往往成為底物進一步去除的限制性因素；

11、生物膜量顯著增加，在顯微鏡下觀察到的生物膜主要由細菌等活性微生物組成。許多學者將生物膜的生物量按照生物活性劃分為兩類則生物膜總量為：線形增長期這一階段的重要特點是：出水底物濃度不隨生物量的積累而顯著變化；其耗氧速率保持不變；在載體表面形成了完整的生物膜三維結構?；钚陨锪浚∕a），主要是降解進水底物，它處于新生菌落及已經存在菌落的表面和邊緣部分；非活性生物量（Mi）代表在底物降解過程中不再起任何作用的部分，這些非活性生物量主要集中在菌落內部。Mb= MaMi式中 Mb生物膜總量，質量面積-1。No. 12大量實驗表明，在生物膜動力學增長期末，活性生物量已經達到最大值（Ma）max，與此對應，生

12、物膜反應器應在液相達到穩(wěn)態(tài)。而生物膜線性階段的生物膜總量的積累主要源于非活性物質。此時生物膜內活性生物量所占比例很小，且隨生物膜總量的增長呈下降趨勢。一般非活性物質在生物膜內的積累因生物膜菌種特性及環(huán)境條件不同而變化。導致非活性物質在生物膜積累的主要原因可剩余有效載體表面飽和隨著生物膜中細菌密度的增長，禁錮作用變得較為明顯有毒或抑制性產物的積累，使部分活性生物量受到抑制或喪失了其生理活性No. 14No. 15減速增長期由于生存環(huán)境質量的改變以及水力學作用，這一段內生物膜增長速率逐漸放慢。減速增長期是生物膜在某一質量和膜厚上達到穩(wěn)定的過渡期。在減速增長期，生物膜對水力學剪切作用極為敏感，水力剪

13、切作用限制了新細胞在生物膜內的進一步積累，生物膜增長開始與水力剪切作用形成動態(tài)平衡。尤其在高溶解氧生物膜反應器中，生物膜結構疏松，這時水力剪切作用更為敏感。No. 18生物穩(wěn)定期這一階段的主要特點是生物膜新生細胞與由于各種物理力所造成的生物膜損失達到平衡。在此階段，生物膜相及液相均已達到穩(wěn)定狀態(tài)。通常生物膜穩(wěn)定期的長短，與運行條件諸如底物供給濃度、剪切力等密切相關。在實際生物膜反應器運行中，生物膜穩(wěn)定期的維持一直認為是過程穩(wěn)定性的必要保證，而在三相流化床等生物膜反應器中，在高底物濃度、高剪切力作用情況下，這一階段存在時間很短，甚至不出現。生物膜反應器運行在此階段具有如下特點：出水懸浮物濃度增高

14、，直接影響出水水質；底物降解過程受到影響，其結果是使底物去除率降低。從實際運行角度來說，生物膜反應器應避免生物膜在運行過程中同時大量脫落。No. 20脫落期生物膜脫落是一種隨機現象。隨著生物膜的成熟，部分生物膜發(fā)生脫落。影響因素生物膜內微生物自身氧化內部厭氧層過厚生物膜與載體表面間相互作用某些物理作用，諸如作用于生物膜上的重力及剪切力等變化也可引起膜的脫落實際中若進水中含有抑制或毒性物質，導致附加的生物膜脫落No. 22根據上面對生物膜增長規(guī)律的分析，從底物去除的角度來看，我們可以得到以下幾點重要結論：在動力學增長末期，活性生物量達到其最大值，此時在生物膜反應器中液相達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時生物膜較

15、薄，一般不超過50微米；在生物膜穩(wěn)定期末，生物膜相達到其穩(wěn)定狀態(tài)，此時生物膜可達到數百微米。 生物膜的載體選擇原則1）較高的機械強度2）較大的比表面積3）有一定的空隙率 4）較好的生物、化學及熱力學穩(wěn)定性5）表面親疏水性、表面電性及粗糙度達到要求6）對微生物無毒害）對微生物無毒害和抑制作用和抑制作用7 7）經久耐用、價格）經久耐用、價格低廉低廉No. 19 生物膜的載體為生物膜提供附著生長固定表面的材料稱為載體（濾料或填料），在生物膜法的發(fā)展和性能特征方面填料有著重要的影響。生產中最早采用的生物膜法構筑物是以碎石為填料的滴濾池。碎石能夠為微生物附著生長的表面積小，因而滴濾池的負荷不可能很大，使

16、其占地面積較大，加之廢水以噴灑方式在滴濾池表面布水，衛(wèi)生狀況也不好。所以生物膜法一直未被重視。由于塑料工業(yè)的發(fā)展以及塑料填料引入生物膜處理系統(tǒng)，有力地推動了生物膜法的進一步發(fā)展。No. 19廢水生物處理中所使用的載體材料有無機和有機兩大類無機類載體有機類載體無機類載體主要有沙子、碳酸鹽類、各種玻璃材料、沸石類、陶瓷類、碳纖維、礦渣、活性炭等。無機類載體普遍具有機械強度高，化學性質相對穩(wěn)定的特點，可提供較大的比表面積。主要不足是密度較大，使其在懸浮生物膜反應器中的應用受到限制。有機類載體是生物膜法中使用的主要載體材料。主要有PVC、PE、PS、PP、各類樹脂、塑料、纖維以及明膠等，其中有機高分子

17、類載體適用于懸浮狀態(tài)完全混合反應器工藝（生物流化床、曝氣生物濾池等）的微生物固定化，而塑料類載體多適用于固定床（普通生物濾池）或混合型（如流化床）工藝。No. 20Biofilm on rough surfaceBiofilm on smooth surfaceNo. 23No. 24No. 25No. 26No. 27No. 28掛膜階段工作階段17.1.3、 生物膜法微生物相u細菌u真菌u藻類u原生動物u后生動物No. 2917.1.6 生物膜法特征與發(fā)展趨勢微生物相方面的特征(1) 生物膜中微生物的多樣化由于生物膜上的微生物不象活性污泥法中的懸浮生長微生物那樣承受強烈的曝氣攪拌沖擊，生物

18、膜反應器為微生物的繁衍、增殖及生長棲息創(chuàng)造了安穩(wěn)的環(huán)境。生物膜上除以細菌生長為主外，還可能出現大量絲狀菌，但不會發(fā)生污泥膨脹。線蟲類、輪蟲類以及寡毛蟲類的微型動物出現的頻率也較高。生物膜上的生物固體停留時間較長，故還能夠生長世代時間較長、比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。No. 29No. 30生物膜和活性污泥上出現的微生物在類型、種屬和數量上的比較微生物相方面的特征(3) 能夠繁殖世代時間較長的微生物由于生物膜固著在惰性載體上，其生物固體平均停留時間(污泥齡)較長，因此在生物膜上能夠生長世代時間較長、比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。因此，生物膜反應器不僅能有效地去除有機污染物，而且更具

19、有一定的硝化功能，如果采取適當的運行方式，還可能具有反硝化脫氮的功能。(4) 分段運行與優(yōu)勢菌屬生物膜法多分段進行，在正常運行的條件下，每段都繁衍與進入本段污水水質相適應的微生物，并形成優(yōu)勢菌屬，這種現象非常有利于微生物新陳代謝功能的充分發(fā)揮和有機污染物的降解。No. 32處理工藝方面的特征(1) 耐沖擊負荷，對水質、水量變動有較強的適應性生物膜法受污水水質、水量變化而引起的有機負荷和水力負荷波動的影響較小，即或有一段時間中斷進水或工藝遭到破壞，對生物膜的凈化功能也不會造成致命的影響，通水后恢復較快。(2) 微生物量多，處理能力大、凈化功能強微生物的附著生長使生物膜含水率低，單位反應器容積內的

20、生物量可高達活性污泥法的520倍，因而生物膜反應器具有較大的處理能力，凈化功能顯著提高。No. 33處理工藝方面的特征(3) 污泥沉降性能良好，易于沉降分離由生物膜上脫落下來的污泥，因所含動物成分較多，比重較大，而且污泥顆粒個體較大，沉降性能良好，易于固液分離。(4) 能夠處理低濃度的污水生物膜法處理低濃度污水，能夠取得較好的處理效果，運行正常時可處理進水BOD5為2030mg/L的污水，使其出水BOD5值降至510mg/L.而活性污泥法卻不適宜處理低濃度的污水，若原污水的BOD5值長期低于5060mg/L，將影響活性污泥絮凝體的形成和增長，凈化功能降低，處理水水質低下。No. 34生物膜反應

21、器由于具有較高的生物量，一般不需要污泥回流，因而不需要經常調整反應器內污泥量和剩余污泥排放量，易于運行、維護與管理。如生物濾池、生物轉盤等工藝，節(jié)省能源，動力費用較低，去除單位重量BOD的耗電量較少。另外，在活性污泥法中，因污泥膨脹問題而導致的固液分離困難和處理效果降低一直困擾著操作管理者，而生物膜反應器由于微生物附著生長，即使絲狀菌大量繁殖，也不會導致污泥膨脹，相反還可以利用絲狀菌較強的分解氧化能力，提高處理效果。No. 35（5） 易于運行管理、節(jié)能，無污泥膨脹問題處理工藝方面的特征（1）較多的填料和支撐結構，基建費用高于活性污泥法提高處理效果。 （2）出水攜帶較大的脫落的生物膜，大量非活性細小懸浮物分散水中。 （3）填料需要定期更換。No. 35缺點：處理工藝方面的特征初沉池生物膜反應器進水排泥出水二沉池17.1.4生物膜法的基本流程回流