生物滤池处理污水的工艺原理

三、生物膜法

生物膜法则主要依靠生长在固体(称为载体或填料或滤料)表面上的微生物膜来净化污水。生物膜法的实质是使细菌、真菌、藻类、原生动物、微型后生动物等附着在载体或滤料上生长繁殖，并在上面形成膜状生物污泥-生物膜。当污水与生物膜接触时，生物膜上的微生物摄取污水中的污染物质作为营养物质，微生物自身得到繁衍增殖，污水则得到净化。

1.生物膜的组成

生物膜是由多种好氧微生物和兼性厌氧微生物黏附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上的一层带黏性、薄膜状的微生物混合群体，是废水处理的工作单元。普通生物滤池生物膜的厚度为2～3mm。生物膜一般为蓬松的絮状结构，微孔数多，比表面积很大，所以具有很强的吸附能力，有利于微生物进一步对这些被吸附的有机物进行分解。污水流过生物膜时，生物膜上的微生物会吸取废水中的有机物繁殖增长，生物膜的厚度不断增加，增到一定程度后，在氧不能透入的内侧深部则转变为厌氧状态。在生物膜的表面直接与污水接触，吸收营养和溶解氧都比较容易，微生物生长迅速，形成了由好氧微生物和兼性厌氧微生物组成的好氧层;其内部与载体接触，营养物和溶解氧供应不足，微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生存而转为厌氧代谢方式，某些厌氧微生物恢复活性，形成了由厌氧微生物、兼性厌氧微生物组成的厌氧层。但有机物的降解主要在好氧层内进行。当生物膜达到一定的厚度时，外层的膜由于受到水力冲刷而脱落。

2.生物膜中的微生物群落及其在净化污水中的功能

生物膜中，微生物种类十分丰富，主要是细菌、原生动物、轮虫、线虫、寡毛类等后生动物以及少量的霉菌、昆虫幼虫等，滤池表面还有藻类生长。与活性污泥相比，生物膜反应器为微生物的繁殖及生长栖息提供了更稳定的生存环境，生物膜上的固体停留时间较长，故还能栖息一些肉眼可见的增殖甚慢的无脊椎动物，以及世代时间较长、比增殖速度小的微生物，如硝化菌等，还可大量出现丝状菌。所以，一般来说，生物膜中体型较大的微生物较活性污泥中多，食物链也长些。

普通滤池内生物膜的微生物群落有:生物膜生物、生物膜面生物及滤池扫除生物。生物膜生物是以菌胶团为主，辅以浮游球衣菌、藻类等。它们能净化和稳定污水水质。生物膜面生物是固着型纤毛虫(如钟虫、累枝虫、独缩虫等)及游泳型纤毛虫(如楯纤虫、斜管虫、尖毛虫、豆形虫等)，它们能促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率。滤池扫除生物有轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕等，它们能去除滤池内的污泥，防止污泥积累和堵塞。

由于营养物质的浓度梯度和其他环境条件的差异，生物膜中微生物在不同层面的分布不同，也即微生物是分层分布的。以生物滤池为例，按照水流方向把生物滤池分为上中下三层，上层最先与废水接触，营养物浓度高，生长的全部是细菌，有少数的鞭毛虫。细菌大多数是革兰氏阴性菌，如无色杆菌、黄杆菌、产碱杆菌等，它们大多数可以形成菌胶团。丝状细菌有球衣细菌、贝氏硫细菌等;中层微生物得到的除了废水中的营养物外，还有上层微生物的代谢产物，微生物的种类比上层要多，有菌胶团、浮游球衣菌、鞭毛虫、变形虫、豆型虫等原生动物;下层的有机物浓度低，低分子有机物较多，其微生物种类比中层多，除中层有的微生物外，还有以钟虫为主的固着型纤毛虫和少数游泳型纤毛虫，比如漫游虫等，以及轮虫、线虫等后生动物。

3.生物膜法净化污水的机理

生物滤池上层中的微生物吸附废水中的大分子有机物质，将其水解为小分子有机物，同时氧化分解废水中的溶解性有机物，微生物利用吸收的有机物进行自我生长。上层生物膜的代谢产物流到下层，被下层的微生物吸收，进一步氧化分解为CO₂和水。

生物膜的表面总是吸附着一薄层污水称为“附着水”，外层自由流动的污水称为“运动水”。当附着水中的有机物被生物膜中的微生物吸附并氧化分解时，有机物浓度随之降低，而运动水层中的有机浓度高，因而发生传递过程。污水中的有机物就不断地被转移进去被微生物氧化分解。微生物所消耗的氧沿着空气、运动水层、附着水层进入生物膜;微生物分解有机物产生的CO₂等沿着相反方向释放出去。

生物膜也是一个复杂的生态系统，以污水中的有机物质为基础，由众多微生物因食物联系而构成的复杂食物网，将有机污染物质分解转化。生物膜在处理污水过程中不断增厚，附着于载体表面的厌氧层也不断扩大增厚，最后生物膜老化而整块剥落。此外，由于水力冲刷或气泡振动也不断脱下小块生物膜，然后又开始新的生物膜的形成过程，这就是生物膜的正常更新。但剥落的生物膜在随水流出后，在最终沉淀时只能去除一小部分，从而影响处理水的透明度，这也是生物膜法的不足之处。

4.生物膜的培育

(1)自然挂膜法

自然挂膜法是利用待处理污水中的自然菌种进行生物膜培育的方法。将待处理污水通入生物膜反应器中，在不进水的情况下不断循环3～7d，之后改为缓慢连续进水，流量由小到大，最终达到设计流量。每调节一个流量都应保持3～7d的运行时间。在这过程中污水中的自然菌种与空气微生物附着在滤料上，以污水中的有机物为营养，生长繁殖。滤料上的微生物由少变多，逐渐形成一层带黏性的微生物薄膜，即生物膜。

(2)活性污泥挂膜法

取生活污水或处理工业废水的活性污泥作菌种。将待处理的污水和活性污泥混合，通入生物膜反应器，使污水和活性污泥中的微生物逐渐附着在滤料上，形成微生物膜。

(3)菌种添加挂膜法

可向污水中投加优良菌种，来加速生物膜的形成或提高生物膜的降解能力。优势菌种可以是污水处理厂成熟的活性污泥、生物膜或实验室分离得到的高效菌种等。将待处理污水与接种菌种在生物膜反应器内混合，连续循环3～7d，之后改为缓慢连续进水，流量由小到大，最终达到设计流量。

5.生物膜法主要工艺

(1)生物滤池

普通生物滤池(biological filter)，又名滴滤池(trickling filter)，是生物滤池早期出现的一种类型，污水通过一层表面布满生物膜的滤料得以净化。填料一般采用碎石、卵石和炉渣，厚度为1.5～2m，多数采用自然通风。特点是结构简单，管理方便，但是卫生条件差，容易滋生蚊蝇，处理效果低。水力负荷一般为1～3m³/(m²·d)，BOD容积负荷一般小于0.3kg/(m³·d)。

高负荷生物滤池是生物滤池的第二代工艺，是在改善普通生物滤池净化功能和克服运行中存在的实际弊端的基础上开创的。高负荷生物滤池大幅度地提高了滤池的负荷率，其BOD容积负荷率高于普通生物滤池6～8倍，水力负荷率则高达10倍。

塔式生物滤池:塔式生物滤池内部通风情况良好，污水从上向下滴落，水流紊动强烈，污水、空气、滤料上的生物膜三者接触充分，充氧效果良好，污染物质传质速度快;塔式生物滤池内存在明显的分层现象，各层生长着适应该层污水特征的微生物群落，有利于微生物的增殖、代谢，这些都有助于对有机污染物的降解和去除，从而使塔式生物滤池具有独特优势。该工艺水力负荷可达80～200 m³/(m²·d)，为一般高负荷生物滤池的2～10倍，BOD容积负荷率达到1～2kg/(m³·d)。高有机物负荷率使生物膜生长迅速，高水力负荷又使生物膜受到强烈的水力冲刷，从而使生物膜不断脱落、更新。因此，塔式生物滤池内的生物膜能保持较好的活性。但是生物膜生长过快，容易产生滤料的堵塞，对此，进水的BOD₅应控制在500mg/L以下，否则需采取处理水回流稀释的措施。

曝气生物滤池(aerated biological filter)是20世纪80年代末和90年代初在欧美兴起的一种污水生物处理技术，起初用作三级处理，后发展成直接用于二级处理。其结构与普通生物滤池相似，但进行人工曝气，污水的流向可以是自上而下(下流式)也可以是自下而上(上流式)。BOD容积负荷率达到5kg/(m³·d)。上流式曝气生物滤池的污水从滤池底部流入，滤池内水的流动性好，不易堵塞。下流式曝气生物滤池的污水从上部流入，通过填料进入排水系统，空气从排水系统上方进入滤池，空气的流向和污水的流向相反，提高了氧的传递速率和充氧效率。溶解性的有机物通过生物降解，而悬浮性物质通过滤层的过滤去除。滤池需进行定期反冲洗以去除截留在滤料里的悬浮物，维持较高的生物活性。

(2)生物转盘

生物转盘是由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置所组成。接触反应槽内充满污水，转盘面积的40%左右浸在污水中，生物转盘以较低的速度在槽内转动，转盘交替地和空气与污水接触。经过一段时间后，转盘上附着一层栖息着大量微生物的生物膜。微生物种类组成逐渐稳定，其新陈代谢功能逐步发挥出来并达到稳定的程度，污水中的有机物就被生物膜所吸附降解。转盘离开污水与空气接触，生物膜上的固着水层从空气中吸收氧，并将其传递到生物膜和污水中，使槽内污水的溶解氧达到一定的浓度，甚至可达到饱和。在转盘上附着的生物膜与污水以及空气之间，除有机物和O₂外，还进行着其他物质，如CO₂、NH₃等的传递。生物膜逐渐增厚，在内部形成厌氧层并开始老化。老化的生物膜在污水水流与盘面之间产生的剪切力作用下剥落，剥落的生物膜在二沉池内被截流。生物膜脱落形成的污泥，密度较高，易于沉淀。

近20年来出现了一些生物转盘新工艺，如空气驱动生物转盘。该工艺利用空气的浮力使转盘转动，特点是槽内溶解氧高，在相同负荷条件内，BOD的去除率较高;生物膜较薄，活性较强;通过调节空气量可改变转盘的转速，空气量调节装置可根据溶解氧的变化自动运行;易于维修管理等。

为了提高二级处理工艺的效率，节省用地，近年来还出现了将生物转盘和其他处理设施相结合的方案。如与沉淀池结合的生物转盘，适用于小型生活污水处理站;与曝气池组合的生物转盘能提高原有设备的处理效率，占地面积小，微生物增殖迅速，活性强，生物量高。处理效果稳定;污泥量少且易沉淀;负荷选择适宜并可取得硝化的效果。

藻类生物转盘加大了盘间距，增加受光面，接种经筛选的藻类，在盘面上形成了藻菌互生系统，使污水得到净化。藻类光合作用释放氧，提高了水中的溶解氧，为好氧菌提供了丰富的氧源，而异养微生物代谢产生的CO₂成为藻类主要的碳源，又促进了藻类的光合作用。

(3)生物接触氧化法

生物接触氧化法(biological contact oxidation process)又称淹没式生物滤池，是介于活性污泥和生物滤池之间的一种工艺。接触氧化池内有填料，填料的表面生长着生物膜，还有一部分微生物以絮状污泥的形式生长于水中，因此兼具活性污泥和生物滤池的特点。该工艺使用多种形式的填料，有利于氧的转移，溶解氧丰富，适于微生物繁殖生长。既能生长出氧化能力较强的球衣菌属的丝状菌，又不会发生污泥膨胀。填料表面全为微生物所布满，由于丝状菌的大量滋生，可形成一立体结构的密集的生物网，起到类似过滤的作用，能有效地提高净化效果。生物膜表面不断接受曝气吹脱，宜于提高氧的利用率，也有利于保持生物膜的活性，抑制厌氧膜的增殖。污泥生成量少且颗粒较大易于沉淀。因此，生物接触氧化法能接受较高的有机负荷率，处理效率高，有利于缩小容积，减少占地面积，还可以作三级处理用于脱氮。但如运行或设计不当，填料可能堵塞，布水、曝气不易均匀，可能在局部部位出现死角。

(4)生物流化床

生物流化床是以沙、活性炭、焦炭一类的较小惰性颗粒为载体填充在反应器内，污水以一定的流速从下向上流动，使载体处于流化状态，是一种强化生物处理、提高微生物降解能力的高效工艺。在原理上，它通过载体表面的生物膜发挥去除作用，但又有别于生物滤池、生物转盘等生物膜反应器。在生物流化床中，生物膜随载体颗粒在水中呈悬浮状态，反应器内又存在游离生物膜和菌胶团，因此具备活性污泥的一些特征，使之在微生物浓度、传质条件、生化反应速率等方面有一些优势。

生物流化床采用较小粒径固体颗粒作载体，为微生物提供了供栖息生长的巨大面积，因此反应器内生物量大，容积负荷高。微生物浓度可达到40～50g/L，BOD容积负荷可达3～6 kg/(m³·d)甚至更高。

生物颗粒在流化床内不断相互摩擦和碰撞，使得生物膜厚度较薄，一般在0.2mm以下，且较均匀，生物膜的呼吸率约为活性污泥的两倍，可见其反应速率快，微生物的活性较高。

流化态的操作方式为反应器创造了良好的传质条件，气-固-液界面不断更新，氧与基质的传递速率明显提高，有利于微生物的吸附和降解。

由于生物浓度和传质效率都高，污水在床中的停留时间就短，因此耐负荷冲击能力显著增加。设备小占地面积少，易于操作管理。

尽管生物流化床有上述诸多优点，但其应用范围和规模远不及活性污泥、生物接触氧化，也不及生物滤池，其中最主要的原因是流化床本身的特点使之对设计和管理技术要求较高，风险较大，这也是限制生物流化床普及的原因。

生物膜法运转管理较方便、简易，剩余污泥量较少，尤其适合处理规模不太大的场合。与活性污泥法相比，由于生物膜附着在固体滤料表面上，微生物固着生长，不像活性污泥法中那样，微生物悬浮于液体之中，因此，生物膜法的最大优点是不存在污泥膨胀问题。其次，由于微生物固着于固体表面生长，即使增殖速度较慢的微生物也能在此生长，从而在生物膜中构成了较稳定的生态系统，对废水水质和水量的变动具有较好的适应能力。由于高营养级的微生物较多，故相对活性污泥法而言，生物膜法产生的剩余污泥量较少。

但生物膜法亦存在一定缺点，最大的问题是滤床发生堵塞。这就要求预先去除废水中易于堵塞滤床的物质，如悬浮固体、油脂等。其次，生物滤池的负荷率较低，导致占地面积较大。针对生物膜法存在的这些不足之处，世界各国学者进行了许多试验研究。如为了提高滤池的负荷率，从加强通风供氧和加大回流提高水力负荷率着手，近年来就出现了多种生物滤池改良工艺，这些生物滤池负荷率和冲洗水量较大，在一定程度上改善了传统生物滤池存在的占地大、易堵塞的问题。自从塑料工业发展以来，生物滤池中开始使用高强、轻质、比表面积大、空隙率亦大的塑料滤料，扩大了生物滤池的应用范围。可以预料，随着生物滤池的不断改进，生物膜法在城市污水或工业污水的生物处理领域中，必将得到人们的日益重视和广泛应用。