6.3　生物膜法

生物膜法是利用固着生长的微生物-生物膜的代谢作用去除有机物，有厌氧、好氧两种。

6.3.1　基本原理与特点

生物膜法主要适用于处理溶解性有机物。污水同生物膜接触后，溶解性有机物和少量悬浮物被生物膜吸附降解为稳定的无机物。其反应过程是：①基质向生物膜表面扩散；②在生物膜内部扩散；③微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应；④代谢生成物排出生物膜。其基本流程如图6-22所示。

废水经初沉池去除悬浮物后进入生物膜法反应池去除有机物。生物膜法反应池出水入二沉池去除脱落的生物体，澄清液排放。污泥浓缩后进一步处理。

生物膜法的分类和特点如下。

（1）分类

按生物膜与废水接触方式的不同，可分为充填式和浸没式两类。充填式生物膜法的填料不被废水浸没，自然通风或强制供氧，废水流过填料表面或转盘旋转浸过废水。浸没式生物膜法的填料完全浸没于水中，一般采用鼓风曝气供氧。

（2）特点

1）微生物相复杂，能去除难降解有机物。固着生长的膜生物受水力冲刷影响小，所以生物膜中存在各种微生物，包括细菌、原生动物等，形成复杂的生物相。世代时间长的硝化细菌在生物膜上生长良好，硝化效果好。

2）微生物量大，净化效果好。生物膜含水率低，微生物浓度是活性污泥法的5～20倍。有机负荷高，容积小。

3）生物膜上的微生物营养级高，食物链长，有机物氧化率高，剩余污泥少。

4）填料表面脱落的污泥比较密实，沉淀性好，容易分离。

5）耐冲击负荷，能处理低浓度污水。

6）生物量大，无需污泥回流，有的为自然通风，所以操作简单，运行费用低。

7）不易发生污泥膨胀。即丝状菌占优势也不易脱落而引起污泥膨胀。

8）生物膜法需要填料和支撑结构，投资费用较大。

生物膜法应用较为广泛的工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。

6.3.2　处理工艺与装备

（1）生物滤池

生物滤池是最早的生物膜法反应池。生物滤池的填料一般不被水淹没。按运行方式可以分为普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池三种。

普通生物滤池是在较低负荷率下运行的生物滤池，以BOD计的有机负荷率为0.15～0.30kg/（m³·d）。水力停留时间长，净化效果好，出水稳定，污泥沉淀性好，剩余污泥少。但占地面积大，水力冲刷作用小，易堵塞和短流，生长灰蝇，散发臭气，卫生条件差，目前已趋于淘汰。

高负荷生物滤池在高负荷率下运行，有机负荷率为1.1kg/（m³·d）左右。微生物生长营养充足，生物膜增长快。为防止滤料堵塞，需进行出水回流，又叫回流式生物滤池。回流使流速提高，冲刷作用强，能防止滤料堵塞。与普通生物滤池相比，高负荷生物滤池剩余量多，稳定度小。占地面积小，投资费用低，卫生条件好，适于处理浓度较高、水质水量波动大的废水。

塔式生物滤池的负荷很高，有机负荷率为1.0～3.0kg/（m³·d）。塔式生物滤池的膜生长快，没有回流，为防止滤料堵塞，采用的滤池面积小，以获得较高的滤速。净化效果较差，占地面积小，投资运行费用低，耐冲击负荷能力较强，适用于处理浓度较高的废水。其构造如图6-23所示。

曝气生物滤池（BAF）是在生物接触氧化法的基础上发展起来的一种新的好氧生物膜法，如图6-24所示。其原理是在一级处理的基础上以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为处理介质，充分发挥生物代谢作用、物理过滤作用、膜及填料的吸附作用以及反应器内多级生物间的捕食作用，实现污染物在同一单元反应器内去除。与别的工艺相比，该技术具有容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短、出水水质好、占地面积小、基建投资少、能耗及运行成本低等优点。杨平等就该方法在焦化废水处理上的可行性进行了研究。结果表明单级BAF法对焦化废水中的COD、酚和氰的去除率均在90%以上。其中出水的COD含量达到国家二级排放标准，而酚和氰低于国家一级排放标准。由此可以看出曝气生物滤池在焦化废水的处理上应该有很好的应用前景。

（2）生物接触氧化

生物接触氧化简称接触氧化，又名浸没式生物滤池。生物接触氧化法的填料浸没于水中，填料上生长着生物膜。氧化池中的污水还存在着悬浮生长的微生物。接触氧化主要靠生物膜净化污染物，但悬浮态微生物也对污染物的净化有一定的作用，流程如图6-25所示。

生物接触氧化法既有生物膜工作稳定、耐冲击负荷和操作简单的特点，又有活性污泥混合接触效果好的特点。

1）接触氧化法填料的比表面积大，充氧效果好，氧利用率高。所以单位容积的微生物量比活性污泥和生物滤池大，容积负荷高，耐冲击负荷，净化效果好。

2）由于单位体积的微生物量大，容积负荷大时，污泥负荷仍然较小，所以污泥产量低。

3）由于采用强制通风供氧，动力消耗比一般的生物膜法大。

4）与活性污泥法和生物滤池法相比，接触氧化法出水中生物膜的老化程度高，受水力冲击变得很细碎，沉淀性能较差。

5）接触氧化法一般不发生污泥膨胀，但当污水的供氧、营养、水质（毒物、pH值）和温度等条件不利时，生物相的性能会变差，在剧烈的水力冲击下脱落，随水流失，发生污泥膨胀的可能性比生物滤池大。

6）占地面积小，管理方便。

（3）生物转盘

生物转盘污水处理厂自1954年在德国建成后，目前在欧洲已有上千座。生物转盘是由一系列平行的旋转圆盘、转动横轴、动力及减速装置、氧化槽等组成的，如图6-26所示。

生物转盘的污水净化机理和生物滤池基本相同。当圆盘浸没于污水中时，污水中的有机物被盘片上的生物膜吸附，当圆盘离开污水时，盘片表面形成薄薄一层水膜。水膜从空气中吸氧，同时生物膜分解吸附有机物。这样，圆盘每转动一圈，即进行一次吸附—吸氧—氧化分解过程。圆盘不停转动，污水得到净化，同时盘片上的生物膜不断生长、增厚。老化的生物膜靠圆盘旋转时产生的剪切力脱落下来，生物膜得到更新。

与生物滤池相比，生物转盘有许多特点：a.不会发生堵塞现象，可以处理高浓度有机污水；b.管理方便，运转费低；c.占地面积较大；d.有气味产生，对环境有影响。

新型的生物转盘也不断出现，如空气驱动生物转盘；利用藻类与微生物的共生体系来净化废水的藻类生物转盘；在活性污泥法中的曝气池内设置生物转盘的活性污泥式生物转盘；可适用于废水硝化处理的缩小盘片间距的高密度生物转盘。此外，还有硝化、反硝化功能的生物转盘等。

（4）生物流化床

生物流化床是以颗粒粒径1～1.5mm的砂、活性炭或其他人工材料为载体，并使载体在反应器内流态化（膨胀率30%～100%）的一种高效污水处理工艺。系统供氧可采取纯氧或空气。整个系统由流化床、充氧设备、脱膜设备和二沉池组成。典型的生物流化床工艺如图6-27所示。

生物流化床与其他生物膜法工艺相比，最显著的特点是其具有极大的比表面积和有机负荷，见表6-2，因此，它是高效的生物处理反应器，且占地面积小，很适用于工业废水的处理。

总之，生物膜法作为与活性污泥平行发展起来的生物处理工艺，既是古老的又是发展中的污水生物处理技术。生物膜比活性污泥具有更强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各种污染物，具有速度快、效率高的特点，在许多情况下不仅能代替活性污泥法用于城市污水的二级生物处理，而且在工业废水的生物处理工程中，生物膜法在处理规模并不大的场合下，是颇受欢迎并被采用的技术。

6.3.3　技术参数与设计依据

（1）生物滤池负荷

生物滤池负荷取值范围见表6-3。

（2）工业废水设计负荷

生物转盘处理各类工业废水的设计负荷值见表6-4。

（3）BAF工艺主要设计参数

曝气生物滤池的容积负荷和水力负荷宜根据试验资料确定，无试验资料时可采用经验数据或按表6-5的参数取值。

（4）生物膜法工艺负荷比较

生物膜法工艺的负荷比较见表6-6。

（5）处理方法比较

生物膜法与普通活性污泥法比较见表6-7。