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一、生物膜法綜述
生物膜法又稱固定膜法。是與活性污泥法并列的一類廢水好氧生物處理技術(shù)，是一種固定膜法，是土壤自凈過程的人工化和強(qiáng)化。主要去除廢水中溶解性的和膠體狀的有機(jī)污染物。
生物膜法是利用附著生長于某些固體物表面的微生物（即生物膜）進(jìn)行有機(jī)污水處理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厭氧菌、兼性菌、真菌、原生動物以及藻類等組成的生態(tài)系統(tǒng)，其附著的固體介質(zhì)稱為濾料或載體。生物膜自濾料向外可分為厭氧層、好氧層、附著水層、運(yùn)動水層。
生物膜法的原理是，生物膜首先吸附附著水層有機(jī)物，由好氧層的好氧菌將其分解，再進(jìn)入?yún)挌鈱舆M(jìn)行厭氧分解，流動水層則將老化的生物膜沖掉以生長新的生物膜，如此往復(fù)以達(dá)到凈化污水的目的。
廢水中微生物沿固體（可稱載體）表面生長的生物處理方法的統(tǒng)稱。因微生物群體沿固體表面生長成粘膜狀，故名。廢水和生物膜接觸時(shí)，污染物從水中轉(zhuǎn)移到膜上，從而得到處理。其基本機(jī)理見水的生物處理法。
生物膜法的典型流程中的生物器可以是生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、曝氣生物濾池或厭氧生物濾池。前三種用于需氧生物處理過程，后一種用于厭氧過程。最早出現(xiàn)的生物膜法生物器是間歇砂濾池和接觸濾池（滿盛碎塊的水池）。它們的運(yùn)行都是間歇的，過濾-休閑或充水-接觸-放水-休閑，構(gòu)成一個(gè)工作周期。它們是污水灌溉的發(fā)展，是以土壤自凈現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。接著就出現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)行的生物濾池。
二、生物膜工藝
1、生物濾池
生物膜法中最常用的一種生物器。使用的生物載體是小塊料(如碎石塊、塑料填料)或塑料型塊，堆放或疊放成濾床，故常稱濾料。與水處理中的一般濾池不同，生物濾池的濾床暴露在空氣中,廢水灑到濾床上。布水器有多種形式，有固定式的,有移動式的?；剞D(zhuǎn)式布水器使用最廣。它以兩根或多根對稱布置的水平穿孔管為主體，能繞池心旋轉(zhuǎn)。穿孔管貼近濾床表面,水從孔中流出。布水器的工作是連續(xù)的，但對局部床面的施水是間歇的，這承繼了污水灌溉間歇灌水的概念。濾床的下面有用磚或特制陶塊、混凝土塊鋪成的集水層。再下面是池底。集水層和池外相通，既排水又通風(fēng)。工作時(shí),廢水沿載體表面從上向下流過濾床，和生長在載體表面上的大量微生物和附著水密切接觸進(jìn)行物質(zhì)交換。污染物進(jìn)入生物膜，代謝產(chǎn)物進(jìn)入水流。出水并帶有剝落的生物膜碎屑，需用沉淀池分離。生物膜所需要的溶解氧直接或通過水流從空氣中取得。在普通生物濾池中，生物粘膜層較厚，貼近載體的部分常處在無氧狀態(tài)。
濾床的深度和濾率、濾料有關(guān)。碎石濾床的深度在一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)大多采用1.8～2米左右。深度如果提高,濾床表層容易堵塞積水。濾率在1～4左右，如果提高床面也容易積水。首先突破的是濾率的提高。水力負(fù)荷率(即濾率)提高到8～10以上時(shí)，水流的沖刷作用使生物膜不致堵塞濾床，而且有機(jī)物負(fù)荷率，可從0.2左右提高到1以上。為了滿足水力負(fù)荷率的要求,來水常用回流稀釋。為了穩(wěn)定處理效率，可采用兩級串聯(lián)。這種流程革新、負(fù)荷率提高、構(gòu)造不變的生物濾池稱高負(fù)荷率生物濾池。繼而發(fā)現(xiàn)，濾床深度從2米左右提高到8米以上時(shí)，通風(fēng)改善，即使水力負(fù)荷率提高，濾床也不再堵塞，濾池工作良好，同時(shí)有機(jī)物負(fù)荷率也可以提高到1左右。因?yàn)檫@種濾池的平面直徑一般為池高的1/6～1/8左右，外形像塔，故稱塔式濾池。自塑料型塊問世后，通風(fēng)、堵塞等不再成為問題，濾床深度和濾率可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2、生物轉(zhuǎn)盤
是隨著塑料的普及而出現(xiàn)的。數(shù)十片、近百片塑料或玻璃鋼圓盤用軸貫串，平放在一個(gè)斷面呈半圓形的條形槽的槽面上。盤徑一般不超過4米,槽徑約大幾厘米。有電動機(jī)和減速裝置轉(zhuǎn)動盤軸，轉(zhuǎn)速1.5～3轉(zhuǎn)/分左右，決定于盤徑，盤的周邊線速度在15米/分左右。
廢水從槽的一端流向另一端。盤軸高出水面，盤面約40%浸在水中，約60%暴露在空氣中。盤軸轉(zhuǎn)動時(shí),盤面交替與廢水和空氣接觸。盤面為微生物生長形成的膜狀物所覆蓋，生物膜交替地與廢水和空氣充分接觸，不斷地取得污染物和氧氣，凈化廢水。膜和盤面之間因轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生切應(yīng)力，隨著膜的厚度的增加而增大，到一定程度，膜從盤面脫落，隨水流走。
同生物濾池相比，生物轉(zhuǎn)盤法中廢水和生物膜的接觸時(shí)間比較長。而且有一定的可控性。水槽常分段，轉(zhuǎn)盤常分組，既可防止短流，又有助于負(fù)荷率和出水水質(zhì)的提高，因負(fù)荷率是逐級下降的。生物轉(zhuǎn)盤如果產(chǎn)生臭味，可以加蓋。生物轉(zhuǎn)盤一般用于水量不大時(shí)。
3、曝氣生物濾池（BAF）
曝氣生物濾池與普通活性污泥法相比，具有有機(jī)負(fù)荷高、占地面積?。ㄊ瞧胀ɑ钚晕勰喾ǖ?/span>1/3）、投資少（節(jié)約30%）、不會產(chǎn)生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，但它對進(jìn)水SS要求較嚴(yán)（一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L），因此對進(jìn)水需要進(jìn)行預(yù)處理。同時(shí)，它的反沖洗水量、水頭損失都較大。
曝氣生物濾池作為集生物氧化和截留懸浮固體于一體，節(jié)省了后續(xù)沉淀池(二沉池)，具有容積負(fù)荷、水力負(fù)荷大，水力停留時(shí)間短，所需基建投資少，出水水質(zhì)好：運(yùn)行能耗低，運(yùn)行費(fèi)用少的特點(diǎn)。
4、接觸氧化
接觸氧化法是一種兼有活性污泥法和生物膜法特點(diǎn)的新的廢水生化處理法。這種方法的主要設(shè)備是生物接觸氧化濾池。在不透氣的曝氣池中裝有焦炭、礫石、塑料蜂窩等填料，填料被水浸沒，用鼓風(fēng)機(jī)在填料底部曝氣充氧，這種方式稱為鼓風(fēng)曝氣；空氣能自下而上，夾帶待處理的廢水，自由通過濾料部分到達(dá)地面，空氣逸走后，廢水則在濾料間格自上向下返回池底。
活性污泥附在填料表面，不會隨水流動，因生物膜直接受到上升氣流的強(qiáng)烈攪動，不斷更新，從而提高了凈化效果。生物接觸氧化法具有處理時(shí)間短、體積小、凈化效果好、出水水質(zhì)好而穩(wěn)定、污泥不需回流也不膨脹、耗電小等優(yōu)點(diǎn)。
5、厭氧生物濾池
厭氧生物濾池內(nèi)部填充固體填料，如爐渣、瓷環(huán)、塑料等，厭氧微生物部分附著生長在填料上，形成厭氧生物膜，另一部分在填料空隙間處于懸浮狀態(tài)。
厭氧濾池的優(yōu)點(diǎn)是：生物固體濃度高，可以承擔(dān)較高的有機(jī)負(fù)荷；生物固體停留時(shí)間長，抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)；啟動時(shí)間短，停止運(yùn)行后再啟動比較容易；不需污泥回流；運(yùn)行管理方便。厭氧生物濾池的缺點(diǎn)是在污水懸浮物較多時(shí)容易發(fā)生堵塞和短路。厭氧生物濾池可采用中溫（30~35℃）、高溫（50~55℃）或常溫（8~30℃）運(yùn)行，適用于溶解性有機(jī)物較高的廢水，適用COD濃度范圍為1000~20000mg/L。為了避免堵塞，可回流部分處理水以對進(jìn)水進(jìn)行稀釋和加大水力表面負(fù)荷。
厭氧生物濾池按水流的方向可分為升流式厭氧濾池和降流式厭氧濾池。廢水向上流動通過反應(yīng)器的為升流式厭氧濾池，反之為降流式厭氧濾池。如果將升流式厭氧生物濾池的填料床改成兩層，下半部不用填料使成為懸浮污泥層，上半部仍用填料床，成為復(fù)合式厭氧生物濾池，則可有效避免堵塞并提高處理效率。降流式厭氧生物濾池由于水流下向流動、沼氣上升以及填料空隙間懸浮污泥的存在，混合情況良好，屬于完全混合工藝；而升流式則屬于推流式工藝。
三、生物膜運(yùn)行過程
1、生物膜法生物膜的形成
●前提條件：起支撐作用的載體物——填料或稱濾料
●營養(yǎng)物質(zhì)——有機(jī)物、N、P以及其它
●接種微生物
生物膜的形成過程：含有營養(yǎng)物質(zhì)和接種微生物的污水在填料的表面流動，一定時(shí)間后，微生物會附著在填料表面而增殖和生長，形成一層薄的生物膜。
2、生物膜法生物膜的組成
在生物膜上由細(xì)菌及其它各種微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)以及生物膜對有機(jī)物的降解功能都達(dá)到了平衡和穩(wěn)定。
對于城市污水，在20°C條件下，生物膜從開始形成到成熟，一般需要30天左右。
性質(zhì)：高度親水，存在著附著水層
微生物高度密集：各種細(xì)菌以及微型動物，這些微生物起著主要去除廢水中的有機(jī)污染物的作用，形成了有機(jī)污染物——細(xì)菌——原生動物(后生動物)的食物鏈
3、生物膜法生物膜的更新與脫落
厭氧膜的出現(xiàn)過程：
①生物膜厚度不斷增加，氧氣不能透入的內(nèi)部深處將轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)
②成熟的生物膜一般都由厭氧膜和好氧膜組成
③好氧膜是有機(jī)物降解的主要場所，一般厚度為2mm。
厭氧膜的加厚過程：
①厭氧的代謝產(chǎn)物增多，導(dǎo)致厭氧膜與好氧膜之間的平衡被破壞
②氣態(tài)產(chǎn)物的不斷逸出，減弱了生物膜在填料上的附著能力
③成為老化生物膜，其凈化功能較差，且易于脫落。
生物膜的更新：
①老化膜脫落，新生生物膜又會生長起來
②新生生物膜的凈化功能較強(qiáng)。
4、生物膜法的運(yùn)行原則
①減緩生物膜的老化進(jìn)程
②控制厭氧膜的厚度
③加快好氧膜的更新
④盡量控制使生物膜不集中脫落。
四、生物膜法特點(diǎn)及基本特征
1、生物膜法特點(diǎn)
1、生物相方面的特征：
（1）微生物多樣化
（2）生物的食物鏈長
（3）能夠存活世代時(shí)間較長的微生物
（4）分段運(yùn)行與優(yōu)占種屬
2、處理工藝方面的特征：
（1）對水質(zhì)、水量變動有較強(qiáng)的適應(yīng)性
（2）污泥沉降性能良好，宜于固液分離
（3）能夠處理低濃度的污水
（4）易于維護(hù)運(yùn)行、節(jié)能
2、生物膜法基本特征
在污水處理構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)置微生物生長聚集的載體（一般稱填料），在充氧的條件下，微生物在填料表面聚附著形成生物膜，經(jīng)過充氧(充氧裝置由水處理曝氣風(fēng)機(jī)及曝氣器組成)的污水以一定的流速流過填料時(shí)，生物膜中的微生物吸收分解水中的有機(jī)物，使污水得到凈化，同時(shí)微生物也得到增殖，生物膜隨之增厚。當(dāng)生物膜增長到一定厚度時(shí)，向生物膜內(nèi)部擴(kuò)散的氧受到限制，其表面仍是好氧狀態(tài)，而內(nèi)層則會呈缺氧甚至厭氧狀態(tài)，并最終導(dǎo)致生物膜的脫落。隨后，填料表面還會繼續(xù)生長新的生物膜，周而復(fù)始，使生物膜法污水得到凈化。
微生物在填料表面聚附著形成生物膜后，由于生物膜的吸附作用，其表面存在一層薄薄的水層，水層中的有機(jī)物已經(jīng)被生物膜氧化分解，故水層中的有機(jī)物濃度濃度比進(jìn)水要低得多，當(dāng)廢水從生物膜表面流過時(shí)，有機(jī)物就會從運(yùn)動著的廢水中轉(zhuǎn)移到附著在生物膜表面的水層中去，并進(jìn)一步被生物膜所吸附，同時(shí)，空氣中的氧也經(jīng)過廢水而進(jìn)入生物膜水層并向內(nèi)部轉(zhuǎn)移。
生物膜上的微生物在有溶解氧的條件下對有機(jī)物進(jìn)行分解和機(jī)體本身進(jìn)行新陳代謝，因此產(chǎn)生的二氧化碳等無機(jī)物又沿著相反的方向，即從生物膜經(jīng)過附著水層轉(zhuǎn)移到流動的廢水中或空氣中去。這樣一來，出水的有機(jī)物含量減少，廢水得到了凈化。
在小規(guī)模分散型污水處理中大量使用生物膜污水處理工藝，比使用活性污泥工藝更有優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：
①微生物相方面，各種生物膜工藝中參與凈化反應(yīng)的微生物多樣化，微生物的食物鏈較長，世代時(shí)間較長的微生物易于存活，在分段運(yùn)行中每段都能夠形成優(yōu)勢菌種;
②在處理工藝上，各種生物膜工藝對水質(zhì)水量變化均有較強(qiáng)的適應(yīng)性，污泥沉降性能良好、易于固液分離，能夠處理低濃度的污水，易于維護(hù)、節(jié)能。
五、生物膜法的培養(yǎng)與馴化
生物膜掛膜過程使用的方法一般有直接掛膜法和間接掛膜法兩種。
在各種形式的生物膜處理設(shè)施中,生物接觸氧化池和塔式生物濾池由于具有曝氣系統(tǒng),而且填料量和填料空隙均較大,可以使用直接掛膜法;而普通生物濾池和生物轉(zhuǎn)盤等設(shè)施需要使用間接掛膜法。
1、直接掛膜法
該方法是在合適的水溫、溶解氧等環(huán)境條件及合適的pH、BOD5、C/N等水質(zhì)條件下,讓處理系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)水正常運(yùn)行。對于生活污水、城市污水或混有較大比例生活污水的工業(yè)廢水可以采用直接掛膜法,一般經(jīng)過7～10d就可以完成掛膜過程。
2、間接掛膜法
對于不易降解的工業(yè)廢水,尤其是使用普通生物濾池和生物轉(zhuǎn)盤等設(shè)施處理時(shí),為了保證掛膜的順利運(yùn)行,可以通過預(yù)先培養(yǎng)和馴化相應(yīng)的活性污泥,然后再投加到生物膜處理系統(tǒng)中,進(jìn)行掛膜,也就是分布掛膜。通常的做法是先將生活污水或其與工業(yè)廢水的混合污水培養(yǎng)出活性污泥,然后將該污泥或其它類似污水處理廠的污泥與工業(yè)廢水一起放入一個(gè)循環(huán)池內(nèi),再用泵投入生物膜法處理設(shè)施中,出水和沉淀污泥均回流到循環(huán)池。循環(huán)運(yùn)行形成生物膜后,通水運(yùn)行,并加入要處理的工業(yè)廢水。可先投配20%的工業(yè)廢水,經(jīng)分析進(jìn)出水的水質(zhì),生物膜具有一定處理效果后,再逐步加大工業(yè)廢水的比例,直到全部都是工業(yè)廢水為止。也可以用摻有少量(20%)工業(yè)廢水的生活污水直接培養(yǎng)生物膜,掛膜成功后再逐步加大工業(yè)廢水的比例,直到全部都是工業(yè)廢水為止。
培養(yǎng)和馴化生物膜過程中需要注意以下事項(xiàng)：
1、開始掛膜時(shí),進(jìn)水流量應(yīng)小于設(shè)計(jì)值,可按設(shè)計(jì)流量的20%～40%起動運(yùn)轉(zhuǎn)。在外觀可見已有生物膜生成時(shí),流量可提高至60%～80%,待出水效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),即可提高流量至設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
2、在生物轉(zhuǎn)盤法中,用于硝化的轉(zhuǎn)盤,掛膜時(shí)間要增加2～3周,并注意進(jìn)水BOD應(yīng)低于30mg/L,因自養(yǎng)性硝化細(xì)菌世代時(shí)間長,繁殖生長慢,若進(jìn)水有機(jī)物過高,可使膜中異養(yǎng)細(xì)菌占優(yōu)勢,從而抑制了自養(yǎng)菌的生長。
3、當(dāng)水中出現(xiàn)亞硝酸鹽時(shí),表明生物膜上硝化作用進(jìn)程已開始;當(dāng)出水中亞硝酸下降,并出現(xiàn)大量硝酸鹽時(shí),表明硝化菌在生物膜上已占優(yōu)勢,掛膜工作宣告結(jié)束。
4、掛膜所需的環(huán)境條件與活性污泥培菌時(shí)相同,要求進(jìn)水具有合適的營養(yǎng)、溫度、pH等,尤其是氮磷等營養(yǎng)元素的數(shù)量必須充足,同時(shí)避免毒物的大量進(jìn)入。
5、因初期膜量較少,反應(yīng)器內(nèi)充氧量可稍少。使溶解氧不致過高;同時(shí)采用小負(fù)荷進(jìn)水的方式,減少對生物膜的沖刷作用,增加填料或填料的掛膜速度。
6、在冬季13℃時(shí)掛膜,整個(gè)周期比溫暖季節(jié)延長2～3倍。
7、在生物膜培養(yǎng)掛膜期間,由于剛剛長成的生物膜適應(yīng)能力較差,往往會出現(xiàn)膜狀污泥大量脫落的現(xiàn)象,這可以說是正常的,尤其是采用工業(yè)廢水進(jìn)行馴化時(shí),脫膜現(xiàn)象會更嚴(yán)重。
8、要注意控制生物膜的厚度,保持在2mm左右,不使厭氧層過分增長,通過調(diào)整水力負(fù)荷(改變回流水量)等形式使生物膜脫落均衡進(jìn)行。同時(shí)隨時(shí)進(jìn)行鏡檢,觀察生物膜生物相的變化情況,注意特征微生物的種類和數(shù)量變化情況。
