生物膜法綜述
生物膜法又稱(chēng)固定膜法。是與活性污泥法并列的一類(lèi)廢水好氧生物處理技術(shù)，是一種固定膜法，是土壤自?xún)暨^(guò)程的人工化和強化。主要去除廢水中溶解性的和膠體狀的有機污染物。
生物膜法是利用附著(zhù)生長(cháng)于某些固體物表面的微生物（即生物膜）進(jìn)行有機污水處理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厭氧菌、兼性菌、真菌、原生動(dòng)物以及藻類(lèi)等組成的生態(tài)系統，其附著(zhù)的固體介質(zhì)稱(chēng)為濾料或載體。生物膜自濾料向外可分為厭氧層、好氧層、附著(zhù)水層、運動(dòng)水層。
生物膜法的原理是，生物膜首先吸附附著(zhù)水層有機物，由好氧層的好氧菌將其分解，再進(jìn)入厭氣層進(jìn)行厭氧分解，流動(dòng)水層則將老化的生物膜沖掉以生長(cháng)新的生物膜，如此往復以達到凈化污水的目的。
廢水中微生物沿固體（可稱(chēng)載體）表面生長(cháng)的生物處理方法的統稱(chēng)。因微生物群體沿固體表面生長(cháng)成粘膜狀，故名。廢水和生物膜接觸時(shí)，污染物從水中轉移到膜上，從而得到處理。其基本機理見(jiàn)水的生物處理法。
生物膜法的典型流程中的生物器可以是生物濾池、生物轉盤(pán)、曝氣生物濾池或厭氧生物濾池。前三種用于需氧生物處理過(guò)程，后一種用于厭氧過(guò)程。最早出現的生物膜法生物器是間歇砂濾池和接觸濾池（滿(mǎn)盛碎塊的水池）。它們的運行都是間歇的，過(guò)濾-休閑或充水-接觸-放水-休閑，構成一個(gè)工作周期。它們是污水灌溉的發(fā)展，是以土壤自?xún)衄F象為基礎的。接著(zhù)就出現了連續運行的生物濾池。
生物膜工藝
1.生物濾池
生物膜法中最常用的一種生物器。使用的生物載體是小塊料(如碎石塊、塑料填料)或塑料型塊，堆放或疊放成濾床，故常稱(chēng)濾料。與水處理中的一般濾池不同，生物濾池的濾床暴露在空氣中,廢水灑到濾床上。布水器有多種形式，有固定式的,有移動(dòng)式的。回轉式布水器使用最廣。它以?xún)筛蚨喔鶎ΨQ(chēng)布置的水平穿孔管為主體，能繞池心旋轉。穿孔管貼近濾床表面,水從孔中流出。布水器的工作是連續的，但對局部床面的施水是間歇的，這承繼了污水灌溉間歇灌水的概念。濾床的下面有用磚或特制陶塊、混凝土塊鋪成的集水層。再下面是池底。集水層和池外相通，既排水又通風(fēng)。工作時(shí),廢水沿載體表面從上向下流過(guò)濾床，和生長(cháng)在載體表面上的大量微生物和附著(zhù)水密切接觸進(jìn)行物質(zhì)交換。污染物進(jìn)入生物膜，代謝產(chǎn)物進(jìn)入水流。出水并帶有剝落的生物膜碎屑，需用沉淀池分離。生物膜所需要的溶解氧直接或通過(guò)水流從空氣中取得。在普通生物濾池中，生物粘膜層較厚，貼近載體的部分常處在無(wú)氧狀態(tài)。
濾床的深度和濾率、濾料有關(guān)。碎石濾床的深度在一個(gè)相當長(cháng)的時(shí)間內大多采用1.8～2米左右。深度如果提高,濾床表層容易堵塞積水。濾率在1～4左右，如果提高床面也容易積水。首先突破的是濾率的提高。水力負荷率(即濾率)提高到8～10以上時(shí)，水流的沖刷作用使生物膜不致堵塞濾床，而且有機物負荷率，可從0.2左右提高到1以上。為了滿(mǎn)足水力負荷率的要求,來(lái)水常用回流稀釋。為了穩定處理效率，可采用兩級串聯(lián)。這種流程革新、負荷率提高、構造不變的生物濾池稱(chēng)高負荷率生物濾池。繼而發(fā)現，濾床深度從2米左右提高到8米以上時(shí)，通風(fēng)改善，即使水力負荷率提高，濾床也不再堵塞，濾池工作良好，同時(shí)有機物負荷率也可以提高到1左右。因為這種濾池的平面直徑一般為池高的1/6～1/8左右，外形像塔，故稱(chēng)塔式濾池。自塑料型塊問(wèn)世后，通風(fēng)、堵塞等不再成為問(wèn)題，濾床深度和濾率可根據需要進(jìn)行設計。
2.生物轉盤(pán)
是隨著(zhù)塑料的普及而出現的。數十片、近百片塑料或玻璃鋼圓盤(pán)用軸貫串，平放在一個(gè)斷面呈半圓形的條形槽的槽面上。盤(pán)徑一般不超過(guò)4米,槽徑約大幾厘米。有電動(dòng)機和減速裝置轉動(dòng)盤(pán)軸，轉速1.5～3轉/分左右，決定于盤(pán)徑，盤(pán)的周邊線(xiàn)速度在15米/分左右。
廢水從槽的一端流向另一端。盤(pán)軸高出水面，盤(pán)面約40%浸在水中，約60%暴露在空氣中。盤(pán)軸轉動(dòng)時(shí),盤(pán)面交替與廢水和空氣接觸。盤(pán)面為微生物生長(cháng)形成的膜狀物所覆蓋，生物膜交替地與廢水和空氣充分接觸，不斷地取得污染物和氧氣，凈化廢水。膜和盤(pán)面之間因轉動(dòng)而產(chǎn)生切應力，隨著(zhù)膜的厚度的增加而增大，到一定程度，膜從盤(pán)面脫落，隨水流走。
同生物濾池相比，生物轉盤(pán)法中廢水和生物膜的接觸時(shí)間比較長(cháng)。而且有一定的可控性。水槽常分段，轉盤(pán)常分組，既可防止短流，又有助于負荷率和出水水質(zhì)的提高，因負荷率是逐級下降的。生物轉盤(pán)如果產(chǎn)生臭味，可以加蓋。生物轉盤(pán)一般用于水量不大時(shí)。
3.曝氣生物濾池（BAF）
曝氣生物濾池與普通活性污泥法相比，具有有機負荷高、占地面積小（是普通活性污泥法的1/3）、投資少（節約30%）、不會(huì )產(chǎn)生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，但它對進(jìn)水SS要求較嚴（一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L），因此對進(jìn)水需要進(jìn)行預處理。同時(shí)，它的反沖洗水量、水頭損失都較大。
曝氣生物濾池作為集生物氧化和截留懸浮固體于一體，節省了后續沉淀池(二沉池)，具有容積負荷、水力負荷大，水力停留時(shí)間短，所需基建投資少，出水水質(zhì)好：運行能耗低，運行費用少的特點(diǎn)。
4.接觸氧化
接觸氧化法是一種兼有活性污泥法和生物膜法特點(diǎn)的新的廢水生化處理法。這種方法的主要設備是生物接觸氧化濾池。在不透氣的曝氣池中裝有焦炭、礫石、塑料蜂窩等填料，填料被水浸沒(méi)，用鼓風(fēng)機在填料底部曝氣充氧，這種方式稱(chēng)為鼓風(fēng)曝氣；空氣能自下而上，夾帶待處理的廢水，自由通過(guò)濾料部分到達地面，空氣逸走后，廢水則在濾料間格自上向下返回池底。
活性污泥附在填料表面，不會(huì )隨水流動(dòng)，因生物膜直接受到上升氣流的強烈攪動(dòng)，不斷更新，從而提高了凈化效果。生物接觸氧化法具有處理時(shí)間短、體積小、凈化效果好、出水水質(zhì)好而穩定、污泥不需回流也不膨脹、耗電小等優(yōu)點(diǎn)。
5.厭氧生物濾池
厭氧生物濾池內部填充固體填料，如爐渣、瓷環(huán)、塑料等，厭氧微生物部分附著(zhù)生長(cháng)在填料上，形成厭氧生物膜，另一部分在填料空隙間處于懸浮狀態(tài)。
厭氧濾池的優(yōu)點(diǎn)是：生物固體濃度高，可以承擔較高的有機負荷；生物固體停留時(shí)間長(cháng)，抗沖擊負荷能力較強；啟動(dòng)時(shí)間短，停止運行后再啟動(dòng)比較容易；不需污泥回流；運行管理方便。厭氧生物濾池的缺點(diǎn)是在污水懸浮物較多時(shí)容易發(fā)生堵塞和短路。厭氧生物濾池可采用中溫（30~35℃）、高溫（50~55℃）或常溫（8~30℃）運行，適用于溶解性有機物較高的廢水，適用COD濃度范圍為1000~20000mg/L。為了避免堵塞，可回流部分處理水以對進(jìn)水進(jìn)行稀釋和加大水力表面負荷。
厭氧生物濾池按水流的方向可分為升流式厭氧濾池和降流式厭氧濾池。廢水向上流動(dòng)通過(guò)反應器的為升流式厭氧濾池，反之為降流式厭氧濾池。如果將升流式厭氧生物濾池的填料床改成兩層，下半部不用填料使成為懸浮污泥層，上半部仍用填料床，成為復合式厭氧生物濾池，則可有效避免堵塞并提高處理效率。降流式厭氧生物濾池由于水流下向流動(dòng)、沼氣上升以及填料空隙間懸浮污泥的存在，混合情況良好，屬于完全混合工藝；而升流式則屬于推流式工藝。
生物膜運行過(guò)程
1.生物膜法生物膜的形成
●前提條件：起支撐作用的載體物——填料或稱(chēng)濾料
●營(yíng)養物質(zhì)——有機物、N、P以及其它
●接種微生物
生物膜的形成過(guò)程：含有營(yíng)養物質(zhì)和接種微生物的污水在填料的表面流動(dòng)，一定時(shí)間后，微生物會(huì )附著(zhù)在填料表面而增殖和生長(cháng)，形成一層薄的生物膜。
2.生物膜法生物膜的組成
在生物膜上由細菌及其它各種微生物組成的生態(tài)系統以及生物膜對有機物的降解功能都達到了平衡和穩定。
對于城市污水，在20°C條件下，生物膜從開(kāi)始形成到成熟，一般需要30天左右。
性質(zhì)：高度親水，存在著(zhù)附著(zhù)水層
微生物高度密集：各種細菌以及微型動(dòng)物，這些微生物起著(zhù)主要去除廢水中的有機污染物的作用，形成了有機污染物——細菌——原生動(dòng)物(后生動(dòng)物)的食物鏈
3.生物膜法生物膜的更新與脫落
厭氧膜的出現過(guò)程：
1.生物膜厚度不斷增加，氧氣不能透入的內部深處將轉變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)
2.成熟的生物膜一般都由厭氧膜和好氧膜組成
3.好氧膜是有機物降解的主要場(chǎng)所，一般厚度為2mm。
厭氧膜的加厚過(guò)程：
1. 厭氧的代謝產(chǎn)物增多，導致厭氧膜與好氧膜之間的平衡被破壞
2.氣態(tài)產(chǎn)物的不斷逸出，減弱了生物膜在填料上的附著(zhù)能力
3. 成為老化生物膜，其凈化功能較差，且易于脫落。
生物膜的更新：
1.老化膜脫落，新生生物膜又會(huì )生長(cháng)起來(lái)
2. 新生生物膜的凈化功能較強。
4.生物膜法的運行原則
1.減緩生物膜的老化進(jìn)程
2.控制厭氧膜的厚度
3.加快好氧膜的更新
4.盡量控制使生物膜不集中脫落。
生物膜法特點(diǎn)及基本特征
1.生物膜法特點(diǎn)
1. 生物相方面的特征：
1.微生物多樣化
2. 生物的食物鏈長(cháng)
3. 能夠存活世代時(shí)間較長(cháng)的微生物
4. 分段運行與優(yōu)占種屬
2.處理工藝方面的特征：
1.對水質(zhì)、水量變動(dòng)有較強的適應性
2.污泥沉降性能良好，宜于固液分離
3.能夠處理低濃度的污水
4.易于維護運行、節能
2.生物膜法基本特征
在污水處理構筑物內設置微生物生長(cháng)聚集的載體（一般稱(chēng)填料），在充氧的條件下，微生物在填料表面聚附著(zhù)形成生物膜，經(jīng)過(guò)充氧(充氧裝置由水處理曝氣風(fēng)機及曝氣器組成)的污水以一定的流速流過(guò)填料時(shí)，生物膜中的微生物吸收分解水中的有機物，使污水得到凈化，同時(shí)微生物也得到增殖，生物膜隨之增厚。當生物膜增長(cháng)到一定厚度時(shí)，向生物膜內部擴散的氧受到限制，其表面仍是好氧狀態(tài)，而內層則會(huì )呈缺氧甚至厭氧狀態(tài)，并最終導致生物膜的脫落。隨后，填料表面還會(huì )繼續生長(cháng)新的生物膜，周而復始，使生物膜法污水得到凈化。
微生物在填料表面聚附著(zhù)形成生物膜后，由于生物膜的吸附作用，其表面存在一層薄薄的水層，水層中的有機物已經(jīng)被生物膜氧化分解，故水層中的有機物濃度濃度比進(jìn)水要低得多，當廢水從生物膜表面流過(guò)時(shí)，有機物就會(huì )從運動(dòng)著(zhù)的廢水中轉移到附著(zhù)在生物膜表面的水層中去，并進(jìn)一步被生物膜所吸附，同時(shí)，空氣中的氧也經(jīng)過(guò)廢水而進(jìn)入生物膜水層并向內部轉移。
生物膜上的微生物在有溶解氧的條件下對有機物進(jìn)行分解和機體本身進(jìn)行新陳代謝，因此產(chǎn)生的二氧化碳等無(wú)機物又沿著(zhù)相反的方向，即從生物膜經(jīng)過(guò)附著(zhù)水層轉移到流動(dòng)的廢水中或空氣中去。這樣一來(lái)，出水的有機物含量減少，廢水得到了凈化。
在小規模分散型污水處理中大量使用生物膜污水處理工藝，比使用活性污泥工藝更有優(yōu)勢，具體體現在：
1.微生物相方面，各種生物膜工藝中參與凈化反應的微生物多樣化，微生物的食物鏈較長(cháng)，世代時(shí)間較長(cháng)的微生物易于存活，在分段運行中每段都能夠形成優(yōu)勢菌種;
2.在處理工藝上，各種生物膜工藝對水質(zhì)水量變化均有較強的適應性，污泥沉降性能良好、易于固液分離，能夠處理低濃度的污水，易于維護、節能。
生物膜法的培養與馴化
生物膜掛膜過(guò)程使用的方法一般有直接掛膜法和間接掛膜法兩種。
在各種形式的生物膜處理設施中,生物接觸氧化池和塔式生物濾池由于具有曝氣系統,而且填料量和填料空隙均較大,可以使用直接掛膜法;而普通生物濾池和生物轉盤(pán)等設施需要使用間接掛膜法。
1.直接掛膜法
該方法是在合適的水溫、溶解氧等環(huán)境條件及合適的pH、BOD5、C/N等水質(zhì)條件下,讓處理系統連續進(jìn)水正常運行。對于生活污水、城市污水或混有較大比例生活污水的工業(yè)廢水可以采用直接掛膜法,一般經(jīng)過(guò)7～10d就可以完成掛膜過(guò)程。
2.間接掛膜法
對于不易降解的工業(yè)廢水,尤其是使用普通生物濾池和生物轉盤(pán)等設施處理時(shí),為了保證掛膜的順利運行,可以通過(guò)預先培養和馴化相應的活性污泥,然后再投加到生物膜處理系統中,進(jìn)行掛膜,也就是分布掛膜。通常的做法是先將生活污水或其與工業(yè)廢水的混合污水培養出活性污泥,然后將該污泥或其它類(lèi)似污水處理廠(chǎng)的污泥與工業(yè)廢水一起放入一個(gè)循環(huán)池內,再用泵投入生物膜法處理設施中,出水和沉淀污泥均回流到循環(huán)池。循環(huán)運行形成生物膜后,通水運行,并加入要處理的工業(yè)廢水。可先投配20%的工業(yè)廢水,經(jīng)分析進(jìn)出水的水質(zhì),生物膜具有一定處理效果后,再逐步加大工業(yè)廢水的比例,直到全部都是工業(yè)廢水為止。也可以用摻有少量(20%)工業(yè)廢水的生活污水直接培養生物膜,掛膜成功后再逐步加大工業(yè)廢水的比例,直到全部都是工業(yè)廢水為止。
培養和馴化生物膜過(guò)程中需要注意以下事項：
1.開(kāi)始掛膜時(shí),進(jìn)水流量應小于設計值,可按設計流量的20%～40%起動(dòng)運轉。在外觀(guān)可見(jiàn)已有生物膜生成時(shí),流量可提高至60%～80%,待出水效果達到設計要求時(shí),即可提高流量至設計標準。
2.在生物轉盤(pán)法中,用于硝化的轉盤(pán),掛膜時(shí)間要增加2～3周,并注意進(jìn)水BOD應低于30mg/L,因自養性硝化細菌世代時(shí)間長(cháng),繁殖生長(cháng)慢,若進(jìn)水有機物過(guò)高,可使膜中異養細菌占優(yōu)勢,從而抑制了自養菌的生長(cháng)。
3.當水中出現亞硝酸鹽時(shí),表明生物膜上硝化作用進(jìn)程已開(kāi)始;當出水中亞硝酸下降,并出現大量硝酸鹽時(shí),表明硝化菌在生物膜上已占優(yōu)勢,掛膜工作宣告結束。
4.掛膜所需的環(huán)境條件與活性污泥培菌時(shí)相同,要求進(jìn)水具有合適的營(yíng)養、溫度、pH等,尤其是氮磷等營(yíng)養元素的數量必須充足,同時(shí)避免毒物的大量進(jìn)入。
5.因初期膜量較少,反應器內充氧量可稍少。使溶解氧不致過(guò)高;同時(shí)采用小負荷進(jìn)水的方式,減少對生物膜的沖刷作用,增加填料或填料的掛膜速度。
6、在冬季13℃時(shí)掛膜,整個(gè)周期比溫暖季節延長(cháng)2～3倍。
7.在生物膜培養掛膜期間,由于剛剛長(cháng)成的生物膜適應能力較差,往往會(huì )出現膜狀污泥大量脫落的現象,這可以說(shuō)是正常的,尤其是采用工業(yè)廢水進(jìn)行馴化時(shí),脫膜現象會(huì )更嚴重。
8.要注意控制生物膜的厚度,保持在2mm左右,不使厭氧層過(guò)分增長(cháng),通過(guò)調整水力負荷(改變回流水量) 等形式使生物膜脫落均衡進(jìn)行。同時(shí)隨時(shí)進(jìn)行鏡檢,觀(guān)察生物膜生物相的變化情況,注意特征微生物的種類(lèi)和數量變化情況。
