废水处理理论与技术（邵健）

废水处理理论与技术（邵健）

课程论文课程名称：废水处理理论与技术学院：土木建筑学院专业：市政工程学号：20100190330103姓名：邵健指导教师：胡锋平教授完成日期：2011.06.19n生物膜法在城市污水处理中的应用邵健（华东交通大学，土木建筑学院，江西南昌330013）摘要：生物膜法是与活性污泥法并行的一种好氧型生物污水处理方法，因为生物膜法的经济性而广泛的应用于工业废水和城市污水处理的二级处理中，也是污水处理的关键环节。与传统活性污泥法相比，生物膜法无需污泥回流，运行管理容易，无污泥膨胀问题，易于微生物生存，运行稳定等。本文简要介绍几种生物膜法处理工艺及其改良和发展趋势。关键词：生物膜法生物滤池生物转盘生物反应器接触氧化生物流化床TheapplicationofbiomembranceprocessinmunicipalwastewatertreatmentShaoJian（SchoolofCivilEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China）Abstract:Biomembranceprocessandactivatedsludgeprocessaregoodmodelofthebiologicalwastetreatment,becausetheeconomyofbiomembranceprocesswidelyappliedtoindustrialwastewaterandmunicipalwastewatertreatmentoflightprocessing,asewagedisposalisalsotheprocess.withtraditionalactivityasthesludge,withoutthereturnofthesludge,runningeasily,andmanagementofsolidexpansion,microorganisms,stable,etc.thisarticlethatwebrieflyintroducethemethodoflivingwithtechnologyanditsreformanddevelopmenttrendKeywords:biomembranceprocesstricklingfilterrotatingbiologicalcontactorbio-reactorbio-contactoxidationbiologicalfluidizedbed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。生物膜法降解有机污染物的原理是，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，使污水得到净化。[1]生物膜法具有以下特点：（1）对水量、水质、水温变动适应性强；（2）处理效果好并具良好硝化功能；（3）污泥量小（约为活性污泥法的3／4）且易于固液分离；（4）动力费用省。生物膜法60年代末期开始出现，在工业废水处理方面曾研究了高负荷生物滤池、塔式生物滤池等，后来则主要研究了接触氧化法，并在纺织、印染、化纤等行业废水中广泛应用。 接触氧化工艺由于缺乏经久耐用和价格低廉的填料、大型池的均匀布水布气尚有困难等原因，在市政污水处理上特别是在大中型污水处理厂中没有得到应用。[2]常用几种生物膜处理方法，生物膜处理技术的原理都类同，但根据其所用设备不同，可分为生物滤池、塔式滤池、生物转盘、生物接触氧化和生物流化床等。(一)生物滤池n生物滤池一般由滤池、布水装置、滤料和排水系统组成。1．滤池一般用砖或混凝土构筑而成，池壁可砌成带小孔的壁或用石料自然堆放。滤池深度一般为1．8～3m，池底应有一定坡度，处理好的水能自动流人集水沟，再汇入0.总排水管，其水流量应小于0．6m／s。[3]2．布水装置其作用是使废水均匀分散在整个池面，其设计是否合理，直接影响滤池的工作效率。它一般由进水竖管和可旋转的布水横管(也可带有分支管)组成。在布水管的下面一侧开有直径为10—15mm的小孔。3．滤料是作为生物膜的附着物。一般要求有一定的强度，表面积大，空隙率大，而成本低。常用碎石块、煤渣、矿渣或轧制成蜂窝型或波纹型的塑料膜片组成。滤料可分成上层一工作层；下层一承托层。4．排水系统装在池底的排水系统除作排水用外，还起着支撑滤料和保证滤池的通风作用。它由渗水装置、集水沟和排水泵组成。渗水装置可用带小孔的混凝土板或半圆形的陶土管组成，渗水装置上的小孔面积应不小于滤池面积的20％。生物滤池根据其承受负荷的能力可分为普通生物滤池[其处理能力为1.75kg(BOD)／m3(滤池容积)·d)和高负荷滤池[其处理能力为8.75kg(BOD)／m3(滤池容积)．d]。[4]生物滤池的优点是结构简单，基建费用低，且因生物膜的含水量比活性污泥低，所以沉降性好，这样二次沉淀池的容积就可减少。另外，生物膜法不需要污泥回流系统。其缺点是占地面积大，处理量小，卫生条件差，所以限制了它的使用。(二)塔式滤池塔式滤池是根据填料洗涤塔发展而来。其高可达20余m，故延长了污水、生物膜和空气的接触时间，因此处理废水的能力较高。塔式滤池的通气大部分采用自然通风，高温季节时可采用人工通风。塔式滤池一般均采用轻质塑料滤料，滤料上部大多附着生长着菌胶团和游离的细菌，它们能去除大部分有机物。下层多为原生动物和轮虫，它们能进一步改善水质，在下层还可进行硝化作用，进一步降解有机含氮化合物。塔式滤池对于去除废水中的BOD、COD及酚、氰、丙烯氰等有毒物质均有较好的效果。为了控制滤池的工作，使各层滤料都能发挥较大的作用，有的塔式滤池采取分层进水，分层进风的措施来提高设备效率。采用塔式滤池要注意对废水进行预处理，防止废水中的悬浮物及油脂堵塞滤料空隙，破坏滤池工作。塔式滤池的主要优点是占地面积小，适用于大城市处理负荷大的废水。另外，塔式滤池对水量和水质的突然变化适应性较强，允许的进水毒物浓度也较大，当其受到突变负荷冲击后，一般只是上层滤膜受些影响。即能较快地恢复正常工作，所以适用于水质不稳定的废水处理。但塔式滤池也有其缺点，即塔身高，运行管理不方便，且要消耗许多废水提升费用。(三)生物转盘也称为浸没生物滤池，它是在生物滤池的基础上发展起来的。是由许多块能旋转的圆盘代替了滤料,各圆盘之间有一定空隙，n圆盘是用硬质聚氯乙烯塑料、酚醛树脂、玻璃钢或环氧树脂玻璃钢制成的，也可用竹席或尼龙布包在框架上制成，总之盘片宜用轻质材料制成。圆盘在电动机的带动下，缓慢转动，圆盘一半浸在废水中，另一半暴露在空气中，在水中部分的生物膜吸附废水中的有机物，当转出水面后，就从空气中吸收所需的氧，进行生化反应，如此反复循环，将废水中的有机物氧化分解。转盘上的生物膜生长到一定厚度时会自行脱落，所以在经转盘处理后，废水还需进入二次沉淀池。生物转盘法在正常运转前，与生物滤池一样也应有一个生物膜形成(挂膜)的过程。在生物转盘中，第一级圆盘上的生物膜最厚，随着废水中有机物的逐步减少，后几级圆盘上的生物膜也逐步减薄。当处理生活废水时，第一、二级圆盘上占优势的微生物为菌胶团和球衣细菌，三、四级圆盘则是原生动物如钟虫以及轮虫等占优势。如阳光照射充足时，转盘上也会生成大量的藻类植物。生物转盘的圆盘直径可为1～4m。厚度为2～l0mm，圆盘数可多达100～200片，相邻圆盘的间距应保证有良好的通风，一般为15—25mm，使转盘面积的40％～50％浸没在水中。转盘的转速不宜过快，一般圆盘直径为2—3m时，其转速为0．013—0．05r/s，最大线速度不大于0．33m／s。[5]由于生物转盘上的生物膜能够周期性地交替运动于空气和废水两相中，所以生化过程进行较快。转盘中生物膜生长的表面积很大，不会发生像生物滤池中滤料被堵塞的现象或活性污泥法中污泥膨胀的现象，因此，容许的进水浓度较高，适宜于处理高浓度的工业废水。但废水量很大时，需要很多圆盘，因此目前只用于较小水量的高浓度废水处理中。(四)生物接触氧化法又称为曝气生物滤池，它实际上是生物滤池和曝气池的结合体，即在装有曝气装置的曝气池中放上滤料。废水在压缩空气或机械装置的带动下，与滤料上的生物膜广泛接触，废水中有机物被吸附氧化分解。与其他生物膜法一样，其生物膜的形成也要经过挂膜、生长、增厚和脱落等过程，一部分生物膜脱落后成为污泥，在循环流动中，可进一步吸附和氧化分解废水中的有机物，多余的污泥则在沉淀池中除去。生物接触氧化法在实际运行中有多种形式，常用的有鼓风式、洒水式，另外还有曝气式和管式等。生物接触氧化的滤料也可选用碎石、石棉板、塑料波纹板和人造纤维软滤料，后者不仅表面积大，而且因其柔软，可随废水在曝气池中飘动，进一步增加与废水的接触，效果很好　　一般若出水口BOD在40—60mg／L时，用一级处理就能满足要求：若进水浓度高而出水口BOD在40mg／L以下，则应选用二级处理。[6]生物接触氧化法BOD去除率高，一般在85％一95％之间，负荷变化适应性强(因为它的水量和空气量都可以调节)，不会发生污泥膨胀现象，日常操作管理也较方便，且占地面积小，所以当前被广泛采用。[6](五)生物流化床法生物流化床是以小颗粒的固体作为生物膜的载体，因此在流化床中悬浮固体既有附着生物膜的小颗粒，又有活性污泥菌胶团，所以它是一种活性污泥和生物膜的结合形式。流化床的载体可用沙粒(直径约0．5—0．6mm)、颗粒炭0．44—0．61mm、浮石、石英砂、微料硅球等。生物流化床的特点是比表面积大，可达1000～2000m2／m3，而其他生物膜的比表面积仅为25～200m2／m3。另外，它还具有高浓度的生物量，高者可达40—50g／L(活性污泥约为2—4g／L)，因此流化床的净化能力高，BOD5容积负荷可达16．6kgBOD5／m3·d，而一般生物膜法仅为0．42—1．0kgBOD5／m3·d，即使使用纯氧曝气的活性污泥法也仅为3．32kgBOD5／m3·d。由于生物膜颗粒料的剧烈运动，使系统的传质、传热效果都很佳，在这种运动状态下生物膜表面不断更新，以能保持生物膜上的微生物大多处于对数生长期，处理效率高，并不需污泥回流，流化床所用设备小而简单，耐负荷变化的能力强，丝状菌在此系统中不易交联成团，因此不会产生污泥膨胀和丝状菌堵塞的现象。由于上述优点，生物流化床工艺已被广泛应用于中小型企业的废水处理。[8]80年代中期在研究A/O、AA/O、AB法、SBR工艺、新型氧化沟等悬浮生长工艺技术的同时，也开展了高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)和生物曝气滤池(BAF)等附着生长技术方面的试验研究。研究结果表明生物膜法在市政污水处理方面前景良好。1、高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)工艺高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)是美国在80年代初根据其城市污水处理厂70%为高负荷生物滤池，其出水达不到提高后的出水水质标准而开发出来的新工艺。n生物滤池可以是卵石填料高负荷生物滤池，也可以是塑料填料的深式或塔式滤池。TF/SC工艺中生物滤池系按不完全处理设计，采用了较一般高负荷生物滤池还要高的负荷，美国采用的负荷为0.4～1.4kgBOD5／m3·d，最终出水BOD5可达10mg/L以下。我国的研究结果是卵石填料的负荷在3.5kgBOD5／m3·d时最终出水BOD5可在30mg/L以下。生物滤池设计的BOD5去除率以50%左右较为经济，其主要功能是去除溶解性BOD5和将大分子等难降解的物质降解为易降解物质。在我国采用卵石填料比较经济，因塑料填料的价格要高20倍以上。[9]固体接触池是TF/SC工艺高效的关键之一，它是将回流污泥与生物滤池出水混合曝气，进行生物絮凝和生物吸附，将废水中细小颗粒和凝聚性差的生物膜絮凝成易于沉淀的絮体，同时吸附和降解污水中的有机污染物，因而污水在固体接触池中的停留时间一般都较短(美国典型TF/SC处理厂最短的仅2.0min，一般为30min左右)，我国设计的停留时间较长，多在45min左右，因滤池负荷较美国高。固体接触池的污泥负荷比一般活性污泥法高1倍，若出水BOD5要求低于30mg/L，污泥负荷为0.4～0.8kgBOD5/(kgMLSS.d)。[10]絮凝沉淀池与一般二沉池最大的不同之处是设有进水絮凝区，借助于外力进行再絮凝。它是根据生物可以再絮凝原理设计的，从而较大幅度提高了表面负荷并使细小不易絮凝沉淀的生物膜得以去除，出水悬浮物可达10mg/L。[14]从以上TF/SC工艺的单元特性讨论中说明了TF/SC工艺具有以下优点：①出水水质好。美国的数处工程实例和我国示范工程都说明出水悬浮物和BOD5均可达到10mg/L以下。一般活性污泥法出水悬浮物和BOD5达到20mg/L已是高水准，尤其是悬浮物达到20mg/L以下是很困难的。[11]所以，有人称之为“二级处理工艺，三级出水标准”。②TF/SC的工艺单元--生物滤池、固体接触池和絮凝沉淀池均是高效设施，负荷高、停留时间短，因而工程造价低，运行能耗少。研究结果说明TF/SC工艺污水处理厂工程总投资和运行费用均较传统活性污泥法低约20%(未包括污泥处理，TF/SC工艺污泥量少1/4)。[16]美国Corvallis市政污水处理厂(Oregon州)改造为TF/SC工艺后，节约用电20%，鼓风机所需动力由186.4kW降至44.7kW，尤为重要的是污泥量减少了24%，大幅度减少了污泥处理费用。[12]③具有生物膜法的特点，耐冲击、运行稳定、操作比较简单。2、生物曝气滤池生物曝气滤池(BAF)70年代末起源于欧洲大陆，在90年代初已发展成法国、英国、奥地利和澳大利亚等国设备制造公司的技术和设备产品。使用BAF的污水处理厂规模也已扩大到8.0×104m3/d。同时发展为可以脱氮除磷的工艺。[13]BAF有两种运行方式，一种是从池上进水，水流与空气逆向运行，称之为逆向流或向下流。另一种是池底进水，与空气流同向运行，即同向流或向上流。同向流负荷高，出水水质略差，必须设二沉池。而逆向流在流速较小时，可不设二沉池。[17]3、生物膜法与传统活性污泥法比较a．活性污泥法优缺点。长期以来，城市生活污水的二级生物处理多采用活性污泥法，它是当前世界各国应用最广的一种二级生物处理工艺，具有以下几个特点：一是采用传统的活性污泥法，往往基建费、运行费高，能耗大，管理较复杂，易出现污泥膨胀现象；工艺设备不能满足高效低耗的要求。二是随着污水排放标准的不断严格，对污水中氮、磷等营养物质的排放要求较高，传统的具有脱氮除磷功能的污水处理工艺多以活性污泥法为主，往往需要将多个厌氧和好氧反应池串联，形成多级反应池，通过增加内循环来达到脱氮除磷的目的，这势必要增加基建投资的费用及能耗，并且使运行管理较为复杂。三是活性污泥法产生大量的剩余污泥，需要进行污泥无害化处理，增加了投资。nb．生物膜法优缺点。生物膜法也是城市污水二级生物处理的一种常用方法，与活性污泥法相比具有以下特点：一是生物膜对污水水质、水量的变化有较强的适应性，管理方便，不会发生污泥膨胀。二是微生物固着在载体表面、世代时间较长的微生物也能增殖，生物相对更为丰富、稳定，产生的剩余污泥少。三是能够处理低浓度的污水。另外，生物膜法的不足之处在于生物膜载体增加了系统的投资；载体材料的比表面积小，反应装置容积有限、空间效率低，在处理城市污水时处理效率比活性污泥法低；附着于固体表面的微生物量较难控制，操作伸缩性差；靠自然通风供氧，不如活性污泥供氧充足，容易产生厌氧。参考文献：［1］WalkerMJ．TheLanguageofBiotechnology［M］．WashingtonDC:AmericanChemicalSociety，1995．［2］SchorerM，EiceleM．Accumulationofinorganicandorganicpollu-tantsbybiofilmintheaquaticenvironment［J］．Water，AirandSoilPollution，1997，99：651－659．［3］张金莲，吴振斌．水环境中生物膜的研究进展［J］．环境科学与技术，2007，30（11）：102-106．［4］TomStephenson，AllanManandJohnUpton．Thesmallfootprintwastewatertreatmentprocess［J］．Chemistry＆Industry，1993，19：533．［5］MannAllanT，MendozaEspinet．StemphensonTom．Performanceoffloatingandsunkenmediabiologicalaeratedfilterunderunsteadystatecontitions［J］．Wat．Res．，1999，33（4）：1108-1113．［6］杨学华．超轻多孔陶瓷滤料的研制［D］．武汉：武汉理工大学，2007．［7］李方文，吴建锋，等．应用多孔陶瓷滤料治理环境污染［J］．中国安全科学学报，2006（7）：112-117．［8］余汉青，顾国维．填料技术在废水生物处理中的应用和发展［J］．环境科学研究，1992，5（5）：46-49．［9］迟玉霞．填料在水处理中的应用［J］．北工给排水设计，1998（2）：21-23．［10］蒋战洪．污水处理用填料的种类、性能和发展趋势［J］．环境污染与防治，1994，16（4）：13-16．［11］刘灿灿，沈耀良．曝气生物滤池的工艺特性及运行控制［J］．工业用水与废水，2008（39）：20-23．［12］刘柳，沸石－火山岩双层滤料曝气生物滤池处理城市生活污水的试验研究［D］．兰州：兰州理工大学，2008．［13］白琴，董延军．曝气生物滤池工艺在炼油污水处理中的应用研究［J］．现代商贸工业，2008（11）：377-378．［14］RebeccaMoore，JoanneQuarmby，Tomstephensn．Theeffectsofmediasizeontheperformanceofbiologicalaeratedfilters［J］.Wat．Sci．Tech．，2001，35（10）：2514-2522．［15］王建翔，陈洪斌．生物膜法除磷的研究进展［J］．环境科学与管理．2006，31（1）：47-51．［16］ClarkTA，StephensonT，PearceS．1997．Phosphorusremovalbychemicalprecipitationinabiologicalaeratedfilter［J］．WatRes，31（10）：2557-2563．