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一、生物膜法综述

生物膜法又称固定膜法。是与活性污泥法并列的一类废水好氧生物处理技术，是一种固定膜法，是土壤自净过程的人工化和强化。主要去除废水中溶解性的和胶体状的有机污染物。

生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物（即生物膜）进行有机污水处理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，其附着的固体介质称为滤料或载体。生物膜自滤料向外可分为厌氧层、好氧层、附着水层、运动水层。

生物膜法的原理是，生物膜首先吸附附着水层有机物，由好氧层的好氧菌将其分解，再进入厌气层进行厌氧分解，流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的。

废水中微生物沿固体（可称载体）表面生长的生物处理方法的统称。因微生物群体沿固体表面生长成粘膜状，故名。废水和生物膜接触时，污染物从水中转移到膜上，从而得到处理。其基本机理见水的生物处理法。

生物膜法的典型流程中的生物器可以是生物滤池、生物转盘、曝气生物滤池或厌氧生物滤池。前三种用于需氧生物处理过程，后一种用于厌氧过程。最早出现的生物膜法生物器是间歇砂滤池和接触滤池（满盛碎块的水池）。它们的运行都是间歇的，过滤-休闲或充水-接触-放水-休闲，构成一个工作周期。它们是污水灌溉的发展，是以土壤自净现象为基础的。接着就出现了连续运行的生物滤池。

二、生物膜工艺

1、生物滤池

生物膜法中最常用的一种生物器。使用的生物载体是小块料(如碎石块、塑料填料)或塑料型块，堆放或叠放成滤床，故常称滤料。与水处理中的一般滤池不同，生物滤池的滤床暴露在空气中，废水洒到滤床上。布水器有多种形式，有固定式的，有移动式的。回转式布水器使用最广。它以两根或多根对称布置的水平穿孔管为主体，能绕池心旋转。穿孔管贴近滤床表面，水从孔中流出。布水器的工作是连续的，但对局部床面的施水是间歇的，这承继了污水灌溉间歇灌水的概念。滤床的下面有用砖或特制陶块、混凝土块铺成的集水层。再下面是池底。集水层和池外相通，既排水又通风。工作时，废水沿载体表面从上向下流过滤床，和生长在载体表面上的大量微生物和附着水密切接触进行物质交换。污染物进入生物膜，代谢产物进入水流。出水并带有剥落的生物膜碎屑，需用沉淀池分离。生物膜所需要的溶解氧直接或通过水流从空气中取得。在普通生物滤池中，生物粘膜层较厚，贴近载体的部分常处在无氧状态。

滤床的深度和滤率、滤料有关。碎石滤床的深度在一个相当长的时间内大多采用1.8～2米左右。深度如果提高，滤床表层容易堵塞积水。滤率在1～4左右，如果提高床面也容易积水。首先突破的是滤率的提高。水力负荷率(即滤率)提高到8～10以上时，水流的冲刷作用使生物膜不致堵塞滤床，而且有机物负荷率，可从0.2左右提高到1以上。为了满足水力负荷率的要求，来水常用回流稀释。为了稳定处理效率，可采用两级串联。这种流程革新、负荷率提高、构造不变的生物滤池称高负荷率生物滤池。继而发现，滤床深度从2米左右提高到8米以上时，通风改善，即使水力负荷率提高，滤床也不再堵塞，滤池工作良好，同时有机物负荷率也可以提高到1左右。因为这种滤池的平面直径一般为池高的1/6～1/8左右，外形像塔，故称塔式滤池。自塑料型块问世后，通风、堵塞等不再成为问题，滤床深度和滤率可根据需要进行设计。

2、生物转盘

是随着塑料的普及而出现的。数十片、近百片塑料或玻璃钢圆盘用轴贯串，平放在一个断面呈半圆形的条形槽的槽面上。盘径一般不超过4米，槽径约大几厘米。有电动机和减速装置转动盘轴，转速1.5～3转/分左右，决定于盘径，盘的周边线速度在15米/分左右。

废水从槽的一端流向另一端。盘轴高出水面，盘面约40%浸在水中，约60%暴露在空气中。盘轴转动时，盘面交替与废水和空气接触。盘面为微生物生长形成的膜状物所覆盖，生物膜交替地与废水和空气充分接触，不断地取得污染物和氧气，净化废水。膜和盘面之间因转动而产生切应力，随着膜的厚度的增加而增大，到一定程度，膜从盘面脱落，随水流走。

同生物滤池相比，生物转盘法中废水和生物膜的接触时间比较长。而且有一定的可控性。水槽常分段，转盘常分组，既可防止短流，又有助于负荷率和出水水质的提高，因负荷率是逐级下降的。生物转盘如果产生臭味，可以加盖。生物转盘一般用于水量不大时。

3、曝气生物滤池

曝气生物滤池与普通活性污泥法相比，具有有机负荷高、占地面积小（是普通活性污泥法的1/3）、投资少（节约30%）、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点，但它对进水SS要求较严（一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L），因此对进水需要进行预处理。同时，它的反冲洗水量、水头损失都较大。

曝气生物滤池作为集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续沉淀池(二沉池)，具有容积负荷、水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，出水水质好：运行能耗低，运行费用少的特点。

4、接触氧化

接触氧化法是一种兼有活性污泥法和生物膜法特点的新的废水生化处理法。这种方法的主要设备是生物接触氧化滤池。在不透气的曝气池中装有焦炭、砾石、塑料蜂窝等填料，填料被水浸没，用鼓风机在填料底部曝气充氧，这种方式称为鼓风曝气；空气能自下而上，夹带待处理的废水，自由通过滤料部分到达地面，空气逸走后，废水则在滤料间格自上向下返回池底。

活性污泥附在填料表面，不会随水流动，因生物膜直接受到上升气流的强烈搅动，不断更新，从而提高了净化效果。生物接触氧化法具有处理时间短、体积小、净化效果好、出水水质好而稳定、污泥不需回流也不膨胀、耗电小等优点。

5、厌氧生物滤池

厌氧生物滤池内部填充固体填料，如炉渣、瓷环、塑料等，厌氧微生物部分附着生长在填料上，形成厌氧生物膜，另一部分在填料空隙间处于悬浮状态。

厌氧滤池的优点是：生物固体浓度高，可以承担较高的有机负荷；生物固体停留时间长，抗冲击负荷能力较强；启动时间短，停止运行后再启动比较容易；不需污泥回流；运行管理方便。厌氧生物滤池的缺点是在污水悬浮物较多时容易发生堵塞和短路。厌氧生物滤池可采用中温（30~35℃）、高温（50~55℃）或常温（8~30℃）运行，适用于溶解性有机物较高的废水，适用COD浓度范围为1000~20000mg/L。为了避免堵塞，可回流部分处理水以对进水进行稀释和加大水力表面负荷。

厌氧生物滤池按水流的方向可分为升流式厌氧滤池和降流式厌氧滤池。废水向上流动通过反应器的为升流式厌氧滤池，反之为降流式厌氧滤池。如果将升流式厌氧生物滤池的填料床改成两层，下半部不用填料使成为悬浮污泥层，上半部仍用填料床，成为复合式厌氧生物滤池，则可有效避免堵塞并提高处理效率。降流式厌氧生物滤池由于水流下向流动、沼气上升以及填料空隙间悬浮污泥的存在，混合情况良好，属于完全混合工艺；而升流式则属于推流式工艺。

三、生物膜运行过程

1、生物膜法生物膜的形成

● 前提条件：起支撑作用的载体物——填料或称滤料；

● 营养物质——有机物、N、P以及其它；

● 接种微生物；

生物膜的形成过程：含有营养物质和接种微生物的污水在填料的表面流动，一定时间后，微生物会附着在填料表面而增殖和生长，形成一层薄的生物膜。

   2、生物膜法生物膜的组成

在生物膜上由细菌及其它各种微生物组成的生态系统以及生物膜对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定。

对于城市污水，在20°C条件下，生物膜从开始形成到成熟，一般需要30天左右。

性质：高度亲水，存在着附着水层

微生物高度密集：各种细菌以及微型动物，这些微生物起着主要去除废水中的有机污染物的作用，形成了有机污染物——细菌——原生动物(后生动物)的食物链

   3、生物膜法生物膜的更新与脱落

厌氧膜的出现过程：

（1）生物膜厚度不断增加，氧气不能透入的内部深处将转变为厌氧状态（2）成熟的生物膜一般都由厌氧膜和好氧膜组成（3）好氧膜是有机物降解的主要场所，一般厚度为2mm。

厌氧膜的加厚过程：

（1）厌氧的代谢产物增多，导致厌氧膜与好氧膜之间的平衡被破坏；

（2）气态产物的不断逸出，减弱了生物膜在填料上的附着能力；

（3）成为老化生物膜，其净化功能较差，且易于脱落。

生物膜的更新：

（1）老化膜脱落，新生生物膜又会生长起来；

（2）新生生物膜的净化功能较强。

（1）减缓生物膜的老化进程

（2）控制厌氧膜的厚度

（3）加快好氧膜的更新

（4）尽量控制使生物膜不集中脱落。

四、生物膜法特点及基本特征

1、生物膜法的特点

生物相方面的特征：

（1）微生物多样化；

（2） 生物的食物链长；

（3） 能够存活世代时间较长的微生物；

（4） 分段运行与优占种属

处理工艺方面的特征：

（1）对水质、水量变动有较强的适应性；

（2）污泥沉降性能良好，宜于固液分离；

（3）能够处理低浓度的污水；

（4）易于维护运行、节能

2、生物膜法的基本特征

在污水处理构筑物内设置微生物生长聚集的载体（一般称填料），在充氧的条件下，微生物在填料表面聚附着形成生物膜，经过充氧(充氧装置由水处理曝气风机及曝气器组成)的污水以一定的流速流过填料时，生物膜中的微生物吸收分解水中的有机物，使污水得到净化，同时微生物也得到增殖，生物膜随之增厚。当生物膜增长到一定厚度时，向生物膜内部扩散的氧受到限制，其表面仍是好氧状态，而内层则会呈缺氧甚至厌氧状态，并最终导致生物膜的脱落。随后，填料表面还会继续生长新的生物膜，周而复始，使生物膜法污水得到净化。

微生物在填料表面聚附着形成生物膜后，由于生物膜的吸附作用，其表面存在一层薄薄的水层，水层中的有机物已经被生物膜氧化分解，故水层中的有机物浓度浓度比进水要低得多，当废水从生物膜表面流过时，有机物就会从运动着的废水中转移到附着在生物膜表面的水层中去，并进一步被生物膜所吸附，同时，空气中的氧也经过废水而进入生物膜水层并向内部转移。

生物膜上的微生物在有溶解氧的条件下对有机物进行分解和机体本身进行新陈代谢，因此产生的二氧化碳等无机物又沿着相反的方向，即从生物膜经过附着水层转移到流动的废水中或空气中去。这样一来，出水的有机物含量减少，废水得到了净化。

在小规模分散型污水处理中大量使用生物膜污水处理工艺，比使用活性污泥工艺更有优势，具体体现在：

（1）微生物相方面，各种生物膜工艺中参与净化反应的微生物多样化，微生物的食物链较长，世代时间较长的微生物易于存活，在分段运行中每段都能够形成优势菌种;

（2）在处理工艺上，各种生物膜工艺对水质水量变化均有较强的适应性，污泥沉降性能良好、易于固液分离，能够处理低浓度的污水，易于维护、节能。

五、生物膜法的培养与驯化

生物膜挂膜过程使用的方法一般有直接挂膜法和间接挂膜法两种。

在各种形式的生物膜处理设施中，生物接触氧化池和塔式生物滤池由于具有曝气系统，而且填料量和填料空隙均较大，可以使用直接挂膜法;而普通生物滤池和生物转盘等设施需要使用间接挂膜法。

1、直接挂膜法

该方法是在合适的水温、溶解氧等环境条件及合适的pH、BOD5、C/N等水质条件下，让处理系统连续进水正常运行。对于生活污水、城市污水或混有较大比例生活污水的工业废水可以采用直接挂膜法，一般经过7～10d就可以完成挂膜过程。

2、简接挂膜法

对于不易降解的工业废水，尤其是使用普通生物滤池和生物转盘等设施处理时，为了保证挂膜的顺利运行，可以通过预先培养和驯化相应的活性污泥，然后再投加到生物膜处理系统中，进行挂膜，也就是分布挂膜。通常的做法是先将生活污水或其与工业废水的混合污水培养出活性污泥，然后将该污泥或其它类似污水处理厂的污泥与工业废水一起放入一个循环池内，再用泵投入生物膜法处理设施中，出水和沉淀污泥均回流到循环池。

循环运行形成生物膜后，通水运行，并加入要处理的工业废水。可先投配20%的工业废水，经分析进出水的水质，生物膜具有一定处理效果后，再逐步加大工业废水的比例，直到全部都是工业废水为止。也可以用掺有少量(20%)工业废水的生活污水直接培养生物膜，挂膜成功后再逐步加大工业废水的比例，直到全部都是工业废水为止。

培养和驯化生物膜过程中需要注意以下事项：

（1）开始挂膜时，进水流量应小于设计值，可按设计流量的20%～40%起动运转。在外观可见已有生物膜生成时，流量可提高至60%～80%，待出水效果达到设计要求时，即可提高流量至设计标准。

（2）在生物转盘法中，用于硝化的转盘，挂膜时间要增加2～3周，并注意进水BOD应低于30mg/L，因自养性硝化细菌世代时间长，繁殖生长慢，若进水有机物过高，可使膜中异养细菌占优势，从而抑制了自养菌的生长。

（3）当水中出现亚硝酸盐时，表明生物膜上硝化作用进程已开始;当出水中亚硝酸下降，并出现大量硝酸盐时，表明硝化菌在生物膜上已占优势，挂膜工作宣告结束。

（4）挂膜所需的环境条件与活性污泥培菌时相同，要求进水具有合适的营养、温度、pH等，尤其是氮磷等营养元素的数量必须充足，同时避免毒物的大量进入。

（5）因初期膜量较少，反应器内充氧量可稍少。使溶解氧不致过高;同时采用小负荷进水的方式，减少对生物膜的冲刷作用，增加填料或填料的挂膜速度。

（6）在冬季13℃时挂膜，整个周期比温暖季节延长2～3倍。

（7）在生物膜培养挂膜期间，由于刚刚长成的生物膜适应能力较差，往往会出现膜状污泥大量脱落的现象，这可以说是正常的，尤其是采用工业废水进行驯化时，脱膜现象会更严重。

（8）要注意控制生物膜的厚度，保持在2mm左右，不使厌氧层过分增长，通过调整水力负荷(改变回流水量) 等形式使生物膜脱落均衡进行。同时随时进行镜检，观察生物膜生物相的变化情况，注意特征微生物的种类和数量变化情况。

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