生物膜法概述及原理第1頁(yè)/共41頁(yè)13.0概述生物膜法和活性污泥法一樣，都是利用微生物來(lái)去除廢水中有機(jī)物的方法，兩者是平行發(fā)展起來(lái)的污水好氧處理工藝。生物膜法和活性污泥法的區(qū)別

活性污泥法中的微生物在曝氣池內(nèi)以活性污泥的形式呈懸浮狀態(tài)，屬于懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)；

生物膜法中的微生物附著生長(zhǎng)在填料或載體上，形成膜狀的活性污泥，屬于附著生長(zhǎng)系統(tǒng)或固定膜工藝。第2頁(yè)/共41頁(yè)生物膜法是土壤自凈的人工強(qiáng)化。最早人們利用污水酒澆農(nóng)田，發(fā)現(xiàn)了土壤滲濾作用對(duì)污水中有機(jī)物有凈化作用?；钚晕勰喾ㄊ撬w自凈的人工強(qiáng)化。

第3頁(yè)/共41頁(yè)生物膜法的實(shí)質(zhì)是使細(xì)菌和菌類一類的微生物和原生動(dòng)物、后生動(dòng)物一類的微型動(dòng)物附著在濾料或某些載體上生長(zhǎng)繁育，并在其上形成膜狀生物污泥——生物膜。污水與生物膜接觸，污水中的有機(jī)污染物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為生物膜上的微生物所攝取，微生物自身得到繁衍增殖，同時(shí)污水得到凈化。

凈化機(jī)理概述第4頁(yè)/共41頁(yè)初沉池生物膜反應(yīng)器進(jìn)水回流排泥排泥出水二沉池生物膜法的基本流程初沉池的作用是去除大部分懸浮固體物質(zhì)，防止生物膜反應(yīng)器堵塞，尤其對(duì)孔隙小的填料是必要的二沉池的作用是去除脫落的生物膜，提高出水水質(zhì)。

出水回流的主要作用是當(dāng)進(jìn)水濃度較大時(shí)，生物膜增長(zhǎng)過(guò)快，采用出水回流，以稀釋進(jìn)水有機(jī)物濃度和提高生物膜反應(yīng)器的水力負(fù)荷，加大水流對(duì)生物膜的沖刷作用，更新生物膜，避免生物膜的過(guò)量累積，從而維持良好的生物膜活性和合適的膜厚度，但出水回流并不是必不可少的。第5頁(yè)/共41頁(yè)空氣曝氣池進(jìn)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第6頁(yè)/共41頁(yè)13.1生物膜法的基本概念

1、生物膜的形成及其凈化過(guò)程

2、生物膜的載體

3、生物膜法的特征

4、生物膜反應(yīng)器第7頁(yè)/共41頁(yè)1、生物膜的形成及其凈化過(guò)程生物膜法處理污水就是使污水與生物膜接觸，進(jìn)行固、液相的物質(zhì)交換，利用膜內(nèi)微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解，使污水得到凈化，同時(shí)生物膜內(nèi)的微生物不斷生長(zhǎng)與繁殖。因此，生物膜廢水處理技術(shù)的關(guān)鍵是形成性能良好的生物膜，而生物膜的形成及其生長(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)廢水有效處理的前提。第8頁(yè)/共41頁(yè)生物膜的構(gòu)造（剖面圖）料濾生物膜厭氧好氧空氣流動(dòng)水層附著水層左圖所示是附著在生物濾池濾料上的生物膜的構(gòu)造。生物膜是高度親水的物質(zhì)，在污水不斷在其表面更新的條件下，其外側(cè)總是存在著一層附著水層。生物膜又是微生物高度密集的物質(zhì)，在膜的表面和一定深度的內(nèi)部生長(zhǎng)繁殖著大量的各種類型的微生物和微型動(dòng)物，并形成有機(jī)污染物—細(xì)菌—原生動(dòng)物(后生動(dòng)物)的食物鏈。大量微生物第9頁(yè)/共41頁(yè)當(dāng)廢水中含有足夠數(shù)量的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物、微量元素及溶解氧時(shí)，微生物在作為載體的填料表面生長(zhǎng)繁殖。微生物可以在其自身通過(guò)代謝途徑產(chǎn)生的膠質(zhì)粘膜內(nèi)活動(dòng)，使微生物的數(shù)量不斷增長(zhǎng)，并使其從載體表面向外伸展。好氧層的形成由于微生物的不斷繁殖增長(zhǎng)，生物膜的厚度不斷增加，當(dāng)膜厚增到一定程度后，在氧不能透入的膜內(nèi)側(cè)深部即轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)。厭氧層的形成由好氧微生物和兼性微生物組成，由于吸收營(yíng)養(yǎng)和溶解氧比較容易，微生物生長(zhǎng)繁殖迅速，其厚度一般為2mm左右好氧層的特征內(nèi)部和載體接觸的部分，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧的不足，微生物的生長(zhǎng)繁殖受到限制，好氧微生物難以存活，兼性微生物轉(zhuǎn)為厭氧代謝方式，而某些厭氧微生物卻恢復(fù)了活性，厭氧層在生物膜達(dá)到一定厚度時(shí)才出現(xiàn)厭氧層的特征第10頁(yè)/共41頁(yè)abcd載體載體載體載體水流水流而微生物的生長(zhǎng)則是通過(guò)廢水中有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的吸附、傳遞及氧向生物膜內(nèi)部的傳遞擴(kuò)散等過(guò)程促進(jìn)生物膜中微生物對(duì)有機(jī)基質(zhì)的氧化降解作用維持的。生物膜的形成是廢水在流經(jīng)載體表面的過(guò)程中，微生物與向載體表面輸送的物質(zhì)結(jié)合固定化的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的.生物膜生長(zhǎng)于載體的表面，其中的絲狀菌相互纏繞并漫伸于水中，使生物膜呈現(xiàn)出立體結(jié)構(gòu)。第11頁(yè)/共41頁(yè)液相中懸浮微生物微生物向載體表面運(yùn)送固定微生物增長(zhǎng)、形成生物膜不可逆附著可逆附著第12頁(yè)/共41頁(yè)AnoverviewofbiofilmattachmentMaturation第13頁(yè)/共41頁(yè)生物膜的構(gòu)造（剖面圖）料濾生物膜厭氧好氧空氣流動(dòng)水層O2O2BODBODNH3H2SCO2NH3CO2H2OCO2H2OO2BODO2BOD附著水層在生物膜內(nèi)、外，生物膜與水層之間進(jìn)行著多種物質(zhì)的傳遞過(guò)程。空氣中的氧溶解于流動(dòng)水層中，從那里通過(guò)附著水層傳遞給生物膜，供微生物呼吸；污水中有機(jī)污染物則由流動(dòng)水層傳遞給附著水層，然后進(jìn)入生物膜，并通過(guò)細(xì)菌的代謝活動(dòng)而被降解。這樣就使污水在其流動(dòng)過(guò)程中逐步得到凈化。微生物的代謝產(chǎn)物如H2O等則通過(guò)附著水層進(jìn)入流動(dòng)水層，并隨其排走，而CO2和厭氧層分解產(chǎn)物如H2S、NH3以及CH4等氣態(tài)代謝產(chǎn)物則從水層逸出進(jìn)入空氣中。第14頁(yè)/共41頁(yè)生物膜的構(gòu)造（剖面圖）料濾生物膜厭氧好氧空氣流動(dòng)水層O2O2BODBODNH3H2SCO2NH3CO2H2OCO2H2OO2BODO2BOD附著水層根據(jù)Characklis的研究，生物膜的積累形成是一系列物理、化學(xué)和生物過(guò)程綜合作用的結(jié)果。即：1.廢水中有機(jī)分子向生物膜附著生長(zhǎng)的載體表面輸送；2.廢水中的浮游微生物細(xì)胞在載體表面的不可逆吸附；3.生長(zhǎng)在生物膜內(nèi)部的微生物對(duì)廢水中營(yíng)養(yǎng)物的利用與氧化分解第15頁(yè)/共41頁(yè)生物膜的再生當(dāng)厭氧層逐漸加厚，并達(dá)到一定的程度后，其代謝產(chǎn)物也逐漸增多，這些產(chǎn)物向外側(cè)逸出，必然要透過(guò)好氧層，使好氧層生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，從而失去了這兩種膜層之間的平衡關(guān)系，又因氣態(tài)代謝產(chǎn)物的不斷逸出，減弱了生物膜在惰性載體上的固著力，處于這種狀態(tài)的生物膜即為老化生物膜，老化生物膜凈化功能較差而且易于脫落。生物膜脫落后生成新的生物膜，新生生物膜必須在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才能充分發(fā)揮其凈化功能。比較理想的情況是：減緩生物膜的老化進(jìn)程，不使厭氧層過(guò)分增長(zhǎng)，加快好氧膜的更新，并且盡量使生物膜不集中脫落。第16頁(yè)/共41頁(yè)生物膜成熟的標(biāo)志生物膜沿水流方向分布，在其上由細(xì)菌及各種微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)及其對(duì)有機(jī)物的降解功能都達(dá)到了平衡和穩(wěn)定的狀態(tài)。從開(kāi)始形成到成熟，生物膜要經(jīng)歷潛伏和生長(zhǎng)兩個(gè)階段，一般的城市污水，在20℃左右的條件下大致需要30d的時(shí)間。第17頁(yè)/共41頁(yè)2、生物膜的載體為生物膜提供附著生長(zhǎng)固定表面的材料稱為填料（或載體），在生物膜法的發(fā)展和性能特征方面填料有著重要的影響。生產(chǎn)中最早采用的生物膜法構(gòu)筑物是以碎石為填料的滴濾池。碎石能夠?yàn)槲⑸锔街L(zhǎng)的表面積小，因而滴濾池的負(fù)荷不可能很大，使其占地面積較大，加之廢水以噴灑方式在滴濾池表面布水，衛(wèi)生狀況也不好。所以生物膜法一直未被重視。由于塑料工業(yè)的發(fā)展以及塑料填料引入生物膜處理系統(tǒng)，有力地推動(dòng)了生物膜法的進(jìn)一步發(fā)展。第18頁(yè)/共41頁(yè)廢水生物處理中所使用的載體材料有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類無(wú)機(jī)類載體無(wú)機(jī)類載體主要有沙子、碳酸鹽類、各種玻璃材料、沸石類、陶瓷類、碳纖維、礦渣、活性炭等。無(wú)機(jī)類載體普遍具有機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，可提供較大的比表面積。主要不足是密度較大，使其在懸浮生物膜反應(yīng)器中的應(yīng)用受到限制。有機(jī)類載體有機(jī)類載體是生物膜法中使用的主要載體材料。主要有PVC、PE、PS、PP、各類樹(shù)脂、塑料、纖維以及明膠等，其中有機(jī)高分子類載體適用于懸浮狀態(tài)完全混合反應(yīng)器工藝（生物流化床、曝氣生物濾池等）的微生物固定化，而塑料類載體多適用于固定床（普通生物濾池）或混合型（如流化床）工藝。第19頁(yè)/共41頁(yè)選擇生物膜載體的基本原則

足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以抵抗強(qiáng)烈的水流剪切力的作用；優(yōu)良的穩(wěn)定性，主要包括生物穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱力學(xué)穩(wěn)定性；親疏水性及良好的表面帶電特性，通常廢水pH在7左右時(shí)，微生物表面帶負(fù)電荷，而載體為帶正電荷的材料時(shí)，有利于生物體與載體之間的結(jié)合程度；無(wú)毒性或抑制性；優(yōu)越的物理性狀，如載體的形態(tài)、相對(duì)密度、孔隙率和比表面積等；就地取材、價(jià)格合理。第20頁(yè)/共41頁(yè)BiofilmonroughsurfaceBiofilmonsmoothsurface第21頁(yè)/共41頁(yè)第22頁(yè)/共41頁(yè)第23頁(yè)/共41頁(yè)第24頁(yè)/共41頁(yè)第25頁(yè)/共41頁(yè)第26頁(yè)/共41頁(yè)第27頁(yè)/共41頁(yè)第28頁(yè)/共41頁(yè)

3、生物膜法的特征微生物相方面的特征

生物膜中微生物的多樣化由于生物膜上的微生物不象活性污泥法中的懸浮生長(zhǎng)微生物那樣承受強(qiáng)烈的曝氣攪拌沖擊，生物膜反應(yīng)器為微生物的繁衍、增殖及生長(zhǎng)棲息創(chuàng)造了安穩(wěn)的環(huán)境。生物膜上除以細(xì)菌生長(zhǎng)為主外，還可能出現(xiàn)大量絲狀菌，但不會(huì)發(fā)生污泥膨脹。線蟲(chóng)類、輪蟲(chóng)類以及寡毛蟲(chóng)類的微型動(dòng)物出現(xiàn)的頻率也較高。生物膜上的生物固體停留時(shí)間較長(zhǎng)，故還能夠生長(zhǎng)世代時(shí)間較長(zhǎng)、比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。第29頁(yè)/共41頁(yè)微生物種類

活性污泥法

生物膜法

細(xì)菌++++++++真菌+++++藻類一++鞭毛蟲(chóng)+++++肉足蟲(chóng)+++++纖毛蟲(chóng)緣毛蟲(chóng)

++++++++纖毛蟲(chóng)吸管蟲(chóng)

++微生物種類

活性污泥法

生物膜法

其他纖毛蟲(chóng)

+++++輪蟲(chóng)++++線蟲(chóng)+++寡毛類一++其他后生動(dòng)物

一+昆蟲(chóng)類一++生物膜和活性污泥上出現(xiàn)的微生物在類型、種屬和數(shù)量上的比較第30頁(yè)/共41頁(yè)微生物相方面的特征

在生物膜上生長(zhǎng)繁殖的生物中，動(dòng)物性營(yíng)養(yǎng)類所占比例較大，微型動(dòng)物的存活率亦高。也就是說(shuō)，在生物膜上能夠棲息高次營(yíng)養(yǎng)水平的生物，在捕食性纖毛蟲(chóng)、輪蟲(chóng)類、線蟲(chóng)類之上還棲息著寡毛蟲(chóng)類和昆蟲(chóng)，因而在生物膜上形成的食物鏈要長(zhǎng)于活性污泥上的食物鏈。正是這個(gè)原因，在生物膜處理系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的污泥量少于活性污泥處理系統(tǒng)。(2)生物的食物鏈長(zhǎng)污泥產(chǎn)量低，是生物膜法各種工藝的共同特征。第31頁(yè)/共41頁(yè)微生物相方面的特征

由于生物膜固著在惰性載體上，其生物固體平均停留時(shí)間(污泥齡)較長(zhǎng)，因此在生物膜上能夠生長(zhǎng)世代時(shí)間較長(zhǎng)、比增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。因此，生物膜反應(yīng)器不僅能有效地去除有機(jī)污染物，而且更具有一定的硝化功能，如果采取適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式，還可能具有反硝化脫氮的功能。(3)能夠繁殖世代時(shí)間較長(zhǎng)的微生物(4)分段運(yùn)行與優(yōu)勢(shì)菌屬生物膜法多分段進(jìn)行，在正常運(yùn)行的條件下，每段都繁衍與進(jìn)入本段污水水質(zhì)相適應(yīng)的微生物，并形成優(yōu)勢(shì)菌屬，這種現(xiàn)象非常有利于微生物新陳代謝功能的充分發(fā)揮和有機(jī)污染物的降解。第32頁(yè)/共41頁(yè)處理工藝方面的特征

生物膜法受污水水質(zhì)、水量變化而引起的有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷波動(dòng)的影響較小，即或有一段時(shí)間中斷進(jìn)水或工藝遭到破壞，對(duì)生物膜的凈化功能也不會(huì)造成致命的影響，通水后恢復(fù)較快。(1)耐沖擊負(fù)荷，對(duì)水質(zhì)、水量變動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性(2)微生物量多，處理能力大、凈化功能強(qiáng)微生物的附著生長(zhǎng)使生物膜含水率低，單位反應(yīng)器容積內(nèi)的生物量可高達(dá)活性污泥法的5～20倍，因而生物膜反應(yīng)器具有較大的處理能力，凈化功能顯著提高。第33頁(yè)/共41頁(yè)處理工藝方面的特征

由生物膜上脫落下來(lái)的污泥，因所含動(dòng)物成分較多，比重較大，而且污泥顆粒個(gè)體較大，沉降性能良好，易于固液分離。(3)污泥沉降性能良好，易于沉降分離(4)能夠處理低濃度的污水生物膜法處理低濃度污水，能夠取得較好的處理效果，運(yùn)行正常時(shí)可處理進(jìn)水BOD5為20～30mg/L的污水，使其出水BOD5值降至5～10mg/L.而活性污泥法卻不適宜處理低濃度的污水，若原污水的BOD5值長(zhǎng)期低于50～60mg/L，將影響活性污泥絮凝體的形成和增長(zhǎng)，凈化功能降低，處理水水質(zhì)低下。第34頁(yè)/共41頁(yè)生物膜反應(yīng)器由于具有較高的生物量，一般不需要污泥回流，因而不需要經(jīng)常調(diào)整反應(yīng)器內(nèi)污泥量和剩余污泥排放量，易于運(yùn)行、維護(hù)與管理。如生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)等工藝，節(jié)省能源，動(dòng)力費(fèi)用較低，去除單位重量BOD的耗電量較少。另外，在活性污泥法中，因污泥膨脹問(wèn)題而導(dǎo)致的固液分離困難和處理效果降低一直困擾著操作管理者，而生物膜反應(yīng)器由于微生物附著生長(zhǎng)，即使絲狀菌大量繁殖，也不會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹，相反還可以利用絲狀菌較強(qiáng)的分解氧化能力，提高處理效果。（5）易于運(yùn)行管理、節(jié)能，無(wú)污泥膨脹問(wèn)題處理工藝方面的特征

第35頁(yè)/共41頁(yè)生物膜法的不足（1）需要較多的填料和支撐結(jié)構(gòu)，在不少情況下基建投資超過(guò)活性污泥法；（2）出水常常攜帶較大的脫落的生物膜片，大量非活性細(xì)小懸浮物分散在水中使處理水的澄清度降低；（3）活性生物量較難控制，在運(yùn)行方面靈活性差；（4）載體材料的比表面積小，BOD容積負(fù)荷有限；（5）采用自然通風(fēng)供氧，在生物膜內(nèi)層往往形成厭氧層，從而縮小了具有凈化功能的有效容積。第36頁(yè)/共41頁(yè)

4、生物膜反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器的發(fā)展沿革英國(guó)于1893年將污水在粗濾料上噴灑進(jìn)行凈化試驗(yàn)取得了良好的凈化效果，作為生物膜反應(yīng)器的生物濾池開(kāi)始問(wèn)世。在20世紀(jì)20～30年代，開(kāi)始建造許多生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)，主要形式為生物濾池。20世紀(jì)40～50年代，生物濾池由于其水量負(fù)荷和BOD負(fù)荷均較低、環(huán)境