No. 1 水质工程学－ 水质工程学－ 2 北京工业大学环能学院 北京工业大学环能学院 高景峰 高景峰 副教授 副教授 第三篇：生物处理理论与应用 第三篇：生物处理理论与应用 No. 2 ? 14.0 概述概述 ? 14.1 生物膜法的基本概念生物膜法的基本概念 ? 14.2 生物膜的增长及动力学生物膜的增长及动力学 原原 理理 ? 14.3 生物滤池生物滤池 ? 14.4 生物转盘生物转盘 ? 14.5 生物接触氧化法生物接触氧化法 ? 14.6 生物流化床生物流化床 ? 14.7 其他新型生物膜反应器和联合处理工艺其他新型生物膜反应器和联合处理工艺 ? 14.8 生物膜法的运行管理生物膜法的运行管理 工艺及应用工艺及应用 第14章生物膜法 No. 3 14.0 概 概 述 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 和 活 性 污 泥 法 的 区 别 活性污泥法 中的微生物在曝气池内以活性污 泥的形式呈悬浮状态， 属于悬浮生长系统； 生物膜法 中的微生物附着生长在填料或载体 上，形成膜状的活性污泥， 属于附着生长系统或 固定膜工艺。 ?生物膜法是土壤自净的人工强化。 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 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。 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。 活性污泥法是水体自净的人工强化。 No. 5 生物膜法的实质 是使细菌和菌类一 类的 微生物 和原生 动物、后生动物一 类的 微型动物 附着 在滤料或某些载体 上生长繁育，并在 其上形成膜状生物 污泥 ——生物膜 。 污水与生物膜接 触，污水中的有机 污染物作为营养物 质，为生物膜上的 微生物所摄取，微 生物自身得到繁衍 增殖，同时污水得 到净化。 净化机理概述 No. 6 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 生物膜法的基本流程 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。 空气 曝气池 进水 出水 回流污泥 剩余污泥 Qw 二沉池 活性污泥法的基本流程 活性污泥法的基本流程 No. 8 14.1 生物膜法的基本概念 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 No. 9 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， 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 。 No. 10 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 No. 11 当废水中含 有足够数量的 有机营养物、 微量元素及溶 解氧时，微生 物在作为载体 的填料表面生 长繁殖。 微生物可以 在其自身通过 代谢途径产生 的胶质粘膜内 活动，使微生 物的数量不断 增长，并使其 从载体表面向 外伸展。 好氧层的形成 由于微生物的不断 繁殖增长，生物膜的厚 度不断增加，当膜厚增 到一定程度后，在氧不 能透入的膜内侧深部即 转变为厌氧状态。 厌氧层的形成 由好氧微生物和兼性微生物组 成，由于吸收营养和溶解氧比 较容易，微生物生长繁殖迅 速，其厚度一般为2mm左右 好氧层的特征 内部和载体接触的部分，由 于营养物质和溶解氧的不 足，微生物的生长繁殖受到 限制，好氧微生物难以存 活，兼性微生物转为厌氧代 谢方式，而某些厌氧微生物 却恢复了活性，厌氧层在生 物膜达到一定厚度时才出现 厌氧层的特征 No. 12 a b cd 载体 载体 载体 载体 水流 水流 而微生物的生长 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。 No. 13 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 No. 15 生物膜的构造（剖面图） 料 滤 生物膜 厌氧 好氧 空 气 流 动 水 层 O 2 O 2 BOD BOD NH 3 H 2 S CO 2 NH 3 CO 2 H 2 O CO 2 H 2 O O 2 BOD O 2 BOD 附 着 水 层 在生物膜内、外，生物膜与水 层之间进行着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H 2 O等则通过附着水层 进入流动水层，并随其排走，而CO 2 和厌氧层分解产物如H 2 S、NH 3 以及 CH 4 等气态代谢产物则从水层逸出进 入空气中。 No. 16 生物膜的构造（剖面图） 料 滤 生物膜 厌氧 好氧 空 气 流 动 水 层 O 2 O 2 BOD BOD NH 3 H 2 S CO 2 NH 3 CO 2 H 2 O CO 2 H 2 O O 2 BOD O 2 BOD 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 No. 17 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，并且尽量使生物 膜不集中脱落。 No. 18 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。 No. 19 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。 由于塑料工 业的发展以及 塑料填料引入 生物膜处理系 统，有力地推 动了生物膜法 的进一步发展。 No. 20 废水生物处理中所使用的载体材料有无机和有机两大类 无 机 类 载 体 无机类载体主要有沙子、碳酸盐类、各种玻璃材料、 沸石类、陶瓷类、碳纤维、矿渣、活性炭等。无机类载 体普遍具有机械强度高，化学性质相对稳定的特点，可 提供较大的比表面积。主要不足是密度较大，使其在悬 浮生物膜反应器中的应用受到限制。 有 机 类 载 体 有机类载体是生物膜法中使用的主要载体材料。主要 有 PVC、 PE、 PS、 PP、 各类树脂、塑料、纤维以及明胶等， 其中有机高分子类载体适用于悬浮状态完全混合反应器 工艺 （生物流化床、曝气生物滤池等） 的微生物固定化，而塑 料类载体多适用于固定床 （普通生物滤池） 或混合型 （如流 化床） 工艺。 No. 21 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 No. 23 No. 24 No. 25 No. 26 No. 27 No. 28 No. 29 3、 生物膜法的特征 微 生 物 相 方 面 的 特 征 (1) 生物膜中微生物的多样化 9由于生物膜上的微生物不象活性污泥法中的悬浮生长微生物那 样承受强烈的曝气搅拌冲击，生物膜反应器为微生物的繁衍、增 殖及生长栖息创造了 安稳的环境 。 9生物膜上除以细菌生长为主外，还可能出现大量丝状菌，但 不 会发生污泥膨胀 。线虫类、轮虫类以及寡毛虫类的微型动物出现 的频率也较高。 9生物膜上的 生物固体停留时间较长 ，故还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。 No. 30 ++纤毛虫吸管虫 + + + ++ + + + 纤毛虫缘毛虫 + + ++ +肉足虫 + + + + +鞭毛虫 + + 一 藻类 + + ++ +真菌 ++++++++细菌 生物膜法活性污泥法微生物种类 + + 一 昆虫类 + 一 其他后生动物 + + 一 寡毛类 + ++线虫 + + ++轮虫 + + ++ + 其他纤毛虫 生物膜法活性污泥法微生物种类 生物膜和活性污泥上出现的微生物 在类型、种属和数量上的比较 No. 31 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。 No. 32 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 (4) 分段运行与优势菌属 生物膜法多分段进行，在正常运行的条件下，每段都繁衍与 进入本段污水水质相适应的微生物，并形成优势菌属，这种现象 非常有利于微生物新陈代谢功能的充分发挥和有机污染物的降解。 No. 33 处 理 工 艺 方 面 的 特 征 生物膜法受污水水质、水量变化而引起的有机 负荷和水力负荷波动的影响较小，即或有一段时间 中断进水或工艺遭到破坏，对生物膜的净化功能也 不会造成致命的影响，通水后恢复较快。 (1) 耐冲击负荷，对水质、水量变动有较强的适应性 (2) 微生物量多，处理能力大、净化功能强 微生物的附着生长使生物膜含水率低，单位反 应器容积内的生物量可高达活性污泥法的5～20 倍，因而生物膜反应器具有较大的处理能力，净化 功能显著提高。 No. 34 处 理 工 艺 方 面 的 特 征 由生物膜上脱落下来的污泥，因所含动物成分 较多，比重较大，而且污泥颗粒个体较大，沉降性 能良好，易于固液分离。 (3) 污泥沉降性能良好，易于沉降分离 (4) 能够处理低浓度的污水 生物膜法处理低浓度污水，能够取得较好的处理 效果，运行正常时可处理进水 BOD 5 为 20～30mg/L 的污 水，使其出水 BOD 5 值降至 5～ 10mg/L.而活性污泥法却不 适宜处理低浓度的污水，若原污水的 BOD 5 值长期低于 50～ 60mg/L，将影响活性污泥絮凝体的形成和增长， 净化功能降低，处理水水质低下。 No. 35 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） 易于运行管理、节能，无污泥膨胀问题 处 理 工 艺 方 面 的 特 征 No. 36 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。 No. 37 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 20～30年 代，开始 建造许多 生物膜反 应器系 统，主要 形式为生 物滤池。 20世纪40 ～ 50年代， 生物滤池由于其水量负 荷和BOD负荷均较低、环 境卫生条件也较差、处 理构筑物占地面积大等 缺点，有逐渐被活性污 泥法取代的趋势。 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。 20世纪70年代，除了普通 的生物滤池外，生物转盘、 曝气生物滤池、淹没式生 物滤池和生物流化床技术 都得到较多的研究与应用。 No. 38 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。 No. 39 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： 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 其他新型生物膜反应器和联合处理工艺