1、4.4.生物膜法生物膜法 4.4.1 概述概述 4.4.2 基本原理基本原理 4.4.3 驯化、挂膜驯化、挂膜 4.4.4 物质传递物质传递 4.4.5 流体力学、动力学流体力学、动力学 4.4.1 概述概述 活性污泥法：活性污泥法：悬浮污泥悬浮污泥 生物膜法：生物膜法：固着污泥固着污泥 生物膜生物膜法和活性污泥法一样，同属好气生物处理法，法和活性污泥法一样，同属好气生物处理法，但活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着的活性污但活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着的活性污泥来净化有机物的，而生物膜法是依靠固着于固体泥来净化有机物的，而生物膜法是依靠固着于固体价、介质表面的微生物来净化有机物的，因而这
2、种价、介质表面的微生物来净化有机物的，因而这种方法亦称为生物过滤法。方法亦称为生物过滤法。生物膜法的特点生物膜法的特点：固着于固体表面上的微生物对废水水质，水量的变化固着于固体表面上的微生物对废水水质，水量的变化有较强的适应性和活性污泥相比，管理较方便；由于有较强的适应性和活性污泥相比，管理较方便；由于微生物固着于固体表面，即使增殖速度慢的微生物也微生物固着于固体表面，即使增殖速度慢的微生物也能生息，从而构成了稳定的生态系。高营养级的微生能生息，从而构成了稳定的生态系。高营养级的微生物越多，污泥量自然就越少，一般认为，生物过滤法物越多，污泥量自然就越少，一般认为，生物过滤法比活性污泥法的剩余污
3、泥量要少。比活性污泥法的剩余污泥量要少。当然，由于固着于固体表面的微生物量较难控制，因当然，由于固着于固体表面的微生物量较难控制，因而在运转操作上伸缩性差；又由于滤料表面积小，而在运转操作上伸缩性差；又由于滤料表面积小，BOD容积负荷有限，因而空间效率差；具有净化功容积负荷有限，因而空间效率差；具有净化功能的有效容积。然而由于新工艺新滤料的研制成功。能的有效容积。然而由于新工艺新滤料的研制成功。生物膜法作为良好的好气生物处理技术仍被广泛地采生物膜法作为良好的好气生物处理技术仍被广泛地采用着。用着。生物膜法分类生物膜法分类 根据生物膜与废水的接触方法及接触介质的种类可根据生物膜与废水的接触方法及
4、接触介质的种类可分为三类：分为三类：润壁型生物膜法：废水和空气沿固定的或转动的润壁型生物膜法：废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等。盘等。浸没型生物膜法：接触滤料固定在曝气池内，完浸没型生物膜法：接触滤料固定在曝气池内，完全浸没在水中，在鼓风曝气作用下，依靠滤料上的全浸没在水中，在鼓风曝气作用下，依靠滤料上的生物膜净化废水，如接触氧化法。生物膜净化废水，如接触氧化法。流动床型生物膜法：使附着有生物膜的活性炭、流动床型生物膜法：使附着有生物膜的活性炭、砂等小粒经接触介质悬浮流动于曝气池。砂等小粒经接触介质悬浮流动于
5、曝气池。4.4.2 基本原理基本原理 生物膜的形成及特点生物膜的形成及特点 在生物膜净化构筑物中，填充着数量相当多的挂膜介质。当在生物膜净化构筑物中，填充着数量相当多的挂膜介质。当有机废水均匀地淋洒在介质表层上后，便沿介质表面向下渗有机废水均匀地淋洒在介质表层上后，便沿介质表面向下渗流。在充分供氧的条件下，按种的或原存在废水中的微生物流。在充分供氧的条件下，按种的或原存在废水中的微生物就在介质表面增殖。这些微生物及附废水中的有机物，迅速就在介质表面增殖。这些微生物及附废水中的有机物，迅速进行降解有机物的生命活动；逐渐在介质表面形成了粘液状进行降解有机物的生命活动；逐渐在介质表面形成了粘液状的生
6、长有极多微生物的膜，即称之为生物膜。的生长有极多微生物的膜，即称之为生物膜。随着微生物的不断繁殖增长，以及废水中悬浮物和微生物的随着微生物的不断繁殖增长，以及废水中悬浮物和微生物的不断沉积，使生物膜的厚度不断增加。其结果，使生物膜的不断沉积，使生物膜的厚度不断增加。其结果，使生物膜的结构发生了变化。膜的表层和废水接触由于吸取营养和溶解结构发生了变化。膜的表层和废水接触由于吸取营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成由好氧微生物和兼氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成由好氧微生物和兼性微生物组成的好气层。在其内部和介质接触的部分，由于性微生物组成的好气层。在其内部和介质接触的部分，由于营养
7、料和溶解氧的供应条件较差，微生物生长繁殖受到限制，营养料和溶解氧的供应条件较差，微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，兼性微生物转为厌氧代谢方式，某些好氧微生物难以生活，兼性微生物转为厌氧代谢方式，某些厌氧微生物恢复了活性，从而形成了由厌氧微生物和兼性微厌氧微生物恢复了活性，从而形成了由厌氧微生物和兼性微生物组成的厌气层。厌气层是在生物膜达到一定厚度时才出生物组成的厌气层。厌气层是在生物膜达到一定厚度时才出现的，随着生物膜的增厚和外伸，厌气层也随着变厚。现的，随着生物膜的增厚和外伸，厌气层也随着变厚。在负荷你的净化构筑物内，由于有机物氧化分解比较完全，在负荷你的净化构筑物内，由于有机物氧
8、化分解比较完全，生物膜的增长速度较慢，好气层和厌气层的分界比较明显。生物膜的增长速度较慢，好气层和厌气层的分界比较明显。生物膜并不是毫无变化地附着在滤料表面上，而且不断地增生物膜并不是毫无变化地附着在滤料表面上，而且不断地增长更新脱落的。造成生物膜不断脱落的原因有：水力冲刷，长更新脱落的。造成生物膜不断脱落的原因有：水力冲刷，由于膜增厚而造成其中以水力冲刷最为重要。从处理要求看，由于膜增厚而造成其中以水力冲刷最为重要。从处理要求看，生物膜的更新脱落是完全必要的。生物膜的更新脱落是完全必要的。生物膜是生物处理的基础，必须保持足够的数量，才能达到生物膜是生物处理的基础，必须保持足够的数量，才能达到
9、净化的目的。一般认为，生物膜厚度介于净化的目的。一般认为，生物膜厚度介于2-3mm时较为理想，时较为理想，生物膜太厚，会影响通风，甚至造成堵塞。厌气层一旦产生，生物膜太厚，会影响通风，甚至造成堵塞。厌气层一旦产生，会使处理水质下降，而且厌气代谢产物会恶化环境卫生。会使处理水质下降，而且厌气代谢产物会恶化环境卫生。生物膜中的物质迁移生物膜中的物质迁移 由于生物膜的吸附作用，在其表面有一层很薄的水层，称之由于生物膜的吸附作用，在其表面有一层很薄的水层，称之为吸附水层。附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比为吸附水层。附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比滤池进水的有机物浓度低得多。因此，进入池
10、内的废水沿膜滤池进水的有机物浓度低得多。因此，进入池内的废水沿膜不流动时，由于浓度差的作用，有机物会从废水中转移到附不流动时，由于浓度差的作用，有机物会从废水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧在溶着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧在溶于废水后，继而进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物于废水后，继而进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成。产生的进行氧化分解和同化合成。产生的CO2和其它代谢产物一部和其它代谢产物一部分溶入附着水层，一部分析出到空气中去。如此循环往复，分溶入附着水层，一部分析出到空气中去。如此循环往复，使废水中的有机物不
11、断减少，从而得到净化。使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。在向生物膜细菌供氧的过程中，由于存在着气液膜阻抗，在向生物膜细菌供氧的过程中，由于存在着气液膜阻抗，因而速度甚慢，所以随着生物膜所耗尽，致使其深层内氧不因而速度甚慢，所以随着生物膜所耗尽，致使其深层内氧不足而发生厌气分解，积蓄了足而发生厌气分解，积蓄了H2S、NH3，有机酸等代谢产物。，有机酸等代谢产物。但当氧的供给充足时，厌气层的厚度发展是有限度的，此时但当氧的供给充足时，厌气层的厚度发展是有限度的，此时产生的有机酸类能被异养菌及时地氧化成产生的有机酸类能被异养菌及时地氧化成CO2和和HO2、NH3、H2S、NO-2-、NO3和和
12、SO42-等等,仍维持着生物膜的活性，若供仍维持着生物膜的活性，若供氧不足，从总体上讲，厌气菌将起主导作用，不仅丧失好气氧不足，从总体上讲，厌气菌将起主导作用，不仅丧失好气生物分解的功能，而且将使生物膜发生百政党脱落。生物分解的功能，而且将使生物膜发生百政党脱落。净化废水的原理净化废水的原理 在生物膜净化构筑物里，生物膜呈蓬松絮状结构，在生物膜净化构筑物里，生物膜呈蓬松絮状结构，微孔多，表面积大，具有很强的吸附能力。生物膜微孔多，表面积大，具有很强的吸附能力。生物膜微生物以吸际和沉积于膜上的有机物为营养料，将微生物以吸际和沉积于膜上的有机物为营养料，将一部分物质转化为细胞物质，进行繁殖生长，成
13、为一部分物质转化为细胞物质，进行繁殖生长，成为生物膜中新的活性物质；另一部分物质转化为排泄生物膜中新的活性物质；另一部分物质转化为排泄物，在转化过程中放出能量，供应微生物繁殖生长物，在转化过程中放出能量，供应微生物繁殖生长的需要。增殖生物膜脱落后进入废水，在二次沉淀的需要。增殖生物膜脱落后进入废水，在二次沉淀池中被截留下来，成为污泥。池中被截留下来，成为污泥。如果有机物负荷比较高，生物膜对吸附的有机物来如果有机物负荷比较高，生物膜对吸附的有机物来不及氧化分解时，能形成不稳定的污泥，一定类污不及氧化分解时，能形成不稳定的污泥，一定类污泥需要进行再处理，其处理水的泥需要进行再处理，其处理水的NO3
14、-又在又在2mg/L左左右，右，BOD5去除率为去除率为60-90%。一般若负荷低，废水经。一般若负荷低，废水经过处理后，过处理后，BOD5可以降到可以降到25mg/L以下，硝酸盐以下，硝酸盐（NO3-）含量在）含量在10mg/l以上。以上。4.4.3 4.4.3 驯化，挂膜驯化，挂膜 固定膜载体代谢产物营养物、废水O2滞止膜细胞菌种培养、驯化：污泥、废水、营养，通入空气，COD 降低，驯化 3 天挂膜：先闷曝，控制气液量，挂膜，进一步驯化（1 周数周）适应性强、稳定性好微生物分布：广泛、丰富微生物固定，不随水流走剩余污泥少不发生污泥膨胀效率高4 4.4 4.4 4.物物质质传传递递 厌氧 0
15、.5mm好氧 1.5mm滞止层基质主体相（1）外传质三相传质生物膜反应基质通过对流、扩散固体界面液固界面传质SsSb基质浓度SsSb基质浓度SsSb基质浓度SsSb基质浓度)(sbLSSSKNKL:对流扩散传质层流边界层理论 KL0.817uSc-2/3Re-1/2基质传递基质消耗sssmsSKSqr (A-1)Ss:生物膜表面基质浓度，很难测量qm:最大比基质去除率生物膜稳定时，基质不积累：基质消耗基质供应sssmsbLSKSqSSK)(5.024)(21bsLmsbLmsbsSKKqKSKqKSS5.025.0244)(bsLmsbLmbsbsLmsbLmsbmsSKKqKSKqSKSKK
16、qKSKqKSqr没有传质阻力：KL，Ss=Sb一级反应：KSSs，rs=(qm”/Ks)SsbbSLmsmsSKSKKqKqr0/1/smLKqKK/1110外传质阻力反应产生传质阻力（2）内传质Sb固定膜滞止膜主体相假设：微生物均匀分布传质：扩散Fick 定律dxdSDNsdxdSDNesDeD/，有效扩散系数；孔隙率，曲折系数膜内基质不积累：022sseardxxdD单位体积微生物群体表面积bfsmseSSLxdxdSxSKSqadxSdD,0,0022数值方法求解1 1动动力力学学 （1 1）基基质质动动力力学学 （2 2）微微生生物物增增殖殖动动力力学学 SKSVVmmSKSsm2 2流体流动流体流动 zeeDuLPzSzSPtS/,1223 3强强化化 提提高高填填料料表表面面积积 采用优势菌种采用优势菌种 增加传质推动力增加传质推动力 纯纯氧氧曝曝气气 加加压压曝曝气气 4.4.54.4.5 动力学动力学、流体流体力学力学 Internal structure of biofilm by CSLM
