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1、13.0 概述 13.1 生物膜法的基本概念 13.2 生物膜的增长及动力学,13.3 生物滤池 13.4 生物转盘 13.5 生物接触氧化法 13.6 生物流化床 13.7 其他新型生物膜反应器和联合处理工艺 13.8 生物膜法的运行管理,第13章 生物膜法,13.0 概 述,生物膜法和活性污泥法一样，都是利用微生物来去除废水中有机物的方法，两者是平行发展起来的污水好氧处理工艺。,生物膜法是土壤自净的人工强化。最早人们利用污水酒浇农田，发现了土壤渗滤作用对污水中有机物有净化作用。活性污泥法是水体自净的人工强化。,初沉池,生物膜反应器,进水,回流,排泥,排泥,出水,二沉池,生物膜法的基本流程,
2、初沉池的作用是去除大部分悬浮固体物质，防止生物膜反应器堵塞，尤其对孔隙小的填料是必要的,二沉池的作用是去除脱落的生物膜，提高出水水质。,出水回流的主要作用是当进水浓度较大时，生物膜增长过快，采用出水回流，以稀释进水有机物浓度和提高生物膜反应器的水力负荷，加大水流对生物膜的冲刷作用，更新生物膜，避免生物膜的过量累积，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度，但出水回流并不是必不可少的。,曝气池,活性污泥法的基本流程,13.1 生物膜法的基本概念,1、生物膜的形成及其净化过程,2、生物膜的载体,3、生物膜法的特征,4、生物膜反应器,1、生物膜的形成及其净化过程,生物膜法处理污水就是使污水与生物膜接触
3、，进行固、液相的物质交换，利用膜内微生物对有机物进行降解，使污水得到净化，同时生物膜内的微生物不断生长与繁殖。因此，生物膜废水处理技术的关键是形成性能良好的生物膜，而生物膜的形成及其生长是实现废水有效处理的前提。,生物膜的构造（剖面图）,料,滤,生物膜,厌氧,好氧,空气,流动水层,附着水层,左图所示是附着在生物滤池滤料上的生物膜的构造。生物膜是高度亲水的物质，在污水不断在其表面更新的条件下，其外侧总是存在着一层附着水层。生物膜又是微生物高度密集的物质，在膜的表面和一定深度的内部生长繁殖着大量的各种类型的微生物和微型动物，并形成有机污染物细菌原生动物(后生动物)的食物链。,大量微生物,而微生物的
4、生长则是通过废水中有机营养物的吸附、传递及氧向生物膜内部的传递扩散等过程促进生物膜中微生物对有机基质的氧化降解作用维持的。,生物膜的形成是废水在流经载体表面的过程中，微生物与向载体表面输送的物质结合固定化的过程实现的.,生物膜生长于载体的表面，其中的丝状菌相互缠绕并漫伸于水中，使生物膜呈现出立体结构。,液相中悬浮微生物,微生物向载体表面运送,固定微生物增长、形成生物膜,不可逆附着,可逆附着,An overview of biofilm attachment,Maturation,生物膜的构造（剖面图）,料,滤,生物膜,厌氧,好氧,空气,流动水层,附着水层,在生物膜内、外，生物膜与水层之间进行着
5、多种物质的传递过程。空气中的氧溶解于流动水层中，从那里通过附着水层传递给生物膜，供微生物呼吸；污水中有机污染物则由流动水层传递给附着水层，然后进入生物膜，并通过细菌的代谢活动而被降解。这样就使污水在其流动过程中逐步得到净化。微生物的代谢产物如H2O等则通过附着水层进入流动水层，并随其排走，而CO2和厌氧层分解产物如H2S、NH3以及CH4等气态代谢产物则从水层逸出进入空气中。,生物膜的构造（剖面图）,料,滤,生物膜,厌氧,好氧,空气,流动水层,附着水层,根据Characklis的研究，生物膜的积累形成是一系列物理、化学和生物过程综合作用的结果。即：,1.废水中有机分子向生物膜附着生长的载体表面
6、输送；2.废水中的浮游微生物细胞在载体表面的不可逆吸附；3.生长在生物膜内部的微生物对废水中营养物的利用与氧化分解,生物膜的再生,当厌氧层逐渐加厚，并达到一定的程度后，其代谢产物也逐渐增多，这些产物向外侧逸出，必然要透过好氧层，使好氧层生态系统的稳定状态遭到破坏，从而失去了这两种膜层之间的平衡关系，又因气态代谢产物的不断逸出，减弱了生物膜在惰性载体上的固着力，处于这种状态的生物膜即为老化生物膜，老化生物膜净化功能较差而且易于脱落。生物膜脱落后生成新的生物膜，新生生物膜必须在经过一段时间后才能充分发挥其净化功能。,比较理想的情况是：减缓生物膜的老化进程，不使厌氧层过分增长，加快好氧膜的更新，并且
7、尽量使生物膜不集中脱落。,生物膜成熟的标志,生物膜沿水流方向分布，在其上由细菌及各种微生物组成的生态系统及其对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定的状态。从开始形成到成熟，生物膜要经历潜伏和生长两个阶段，一般的城市污水，在20左右的条件下大致需要30d的时间。,2、生物膜的载体,为生物膜提供附着生长固定表面的材料称为填料（或载体），在生物膜法的发展和性能特征方面填料有着重要的影响。,生产中最早采用的生物膜法构筑物是以碎石为填料的滴滤池。碎石能够为微生物附着生长的表面积小，因而滴滤池的负荷不可能很大，使其占地面积较大，加之废水以喷洒方式在滴滤池表面布水，卫生状况也不好。所以生物膜法一直未被重视。,
8、废水生物处理中所使用的载体材料有无机和有机两大类,选择生物膜载体的基本原则,足够的机械强度，以抵抗强烈的水流剪切力的作用；优良的稳定性，主要包括生物稳定性、化学稳定性和热力学稳定性；亲疏水性及良好的表面带电特性，通常废水pH在7左右时，微生物表面带负电荷，而载体为带正电荷的材料时，有利于生物体与载体之间的结合程度；无毒性或抑制性；优越的物理性状，如载体的形态、相对密度、孔隙率和比表面积等；就地取材、价格合理。,Biofilm on rough surface,Biofilm on smooth surface,3、生物膜法的特征,微生物相方面的特征,生物膜和活性污泥上出现的微生物在类型、种属和
9、数量上的比较,微生物相方面的特征,在生物膜上生长繁殖的生物中，动物性营养类所占比例较大，微型动物的存活率亦高。也就是说，在生物膜上能够栖息高次营养水平的生物，在捕食性纤毛虫、轮虫类、线虫类之上还栖息着寡毛虫类和昆虫，因而在生物膜上形成的食物链要长于活性污泥上的食物链。正是这个原因，在生物膜处理系统内产生的污泥量少于活性污泥处理系统。,(2)生物的食物链长,污泥产量低，是生物膜法各种工艺的共同特征。,微生物相方面的特征,由于生物膜固着在惰性载体上，其生物固体平均停留时间(污泥龄)较长，因此在生物膜上能够生长世代时间较长、比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。因此，生物膜反应器不仅能有效地去除有机污
10、染物，而且更具有一定的硝化功能，如果采取适当的运行方式，还可能具有反硝化脱氮的功能。,(3)能够繁殖世代时间较长的微生物,处理工艺方面的特征,处理工艺方面的特征,生物膜反应器由于具有较高的生物量，一般不需要污泥回流，因而不需要经常调整反应器内污泥量和剩余污泥排放量，易于运行、维护与管理。如生物滤池、生物转盘等工艺，节省能源，动力费用较低，去除单位重量BOD的耗电量较少。另外，在活性污泥法中，因污泥膨胀问题而导致的固液分离困难和处理效果降低一直困扰着操作管理者，而生物膜反应器由于微生物附着生长，即使丝状菌大量繁殖，也不会导致污泥膨胀，相反还可以利用丝状菌较强的分解氧化能力，提高处理效果。,（5）
11、易于运行管理、节能，无污泥膨胀问题,处理工艺方面的特征,生物膜法的不足,（1）需要较多的填料和支撑结构，在不少情况下基建投资超过活性污泥法；（2）出水常常携带较大的脱落的生物膜片，大量非活性细小悬浮物分散在水中使处理水的澄清度降低；（3）活性生物量较难控制，在运行方面灵活性差；（4）载体材料的比表面积小，BOD容积负荷有限；（5）采用自然通风供氧，在生物膜内层往往形成厌氧层，从而缩小了具有净化功能的有效容积。,4、生物膜反应器,生物膜反应器的发展沿革,英国于1893年将污水在粗滤料上喷洒进行净化试验取得了良好的净化效果，作为生物膜反应器的生物滤池开始问世。,在20世纪2030年代，开始建造许多
12、生物膜反应器系统，主要形式为生物滤池。,20世纪60年代，新型的有机合成材料开始大量生产，广泛应用的波纹板状、列管状和蜂窝状等有机人工合成填料，使生物膜反应器获得了新的发展。,生物膜反应器的发展趋势,随着对生物膜有关特征的认识和基础理论研究的逐步加深，已有的实际应用工艺诸如生物滤池和生物转盘等将更趋完善，出现更多像生物流化床和微孔膜生物反应器等新型的生物膜反应器工艺与系统。,同时亦有研究者将生物膜的优势引入到悬浮生长污水处理系统而形成各种组合工艺，充分发挥两者的优点。,在去除有机污染物方面，研究者从去除不同来源的有机物、营养物方面更是取得了丰硕的成果。,今后，生物膜反应器的研究将更趋向于进一步探讨微生物在载体表面的固定机理，开发工程实际中普遍适用的微生物固定技术，优化生物膜结构及各种反应器工艺系统；进一步提高各种生物膜反应器的净化功能；深入研究生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生物膜微生物的能量代谢。生物膜反应器将进一步朝着节能和自动化控制方向发展。,生物膜反应器的发展趋势,主要工艺：,生物滤池生物转盘生物接触氧化法生物流化床其他新型生物膜反应器和联合处理工艺,
