6.3　生物膜法

生物膜法是利用固著生長的微生物-生物膜的代謝作用去除有機物，有厭氧、好氧兩種。

6.3.1　基本原理與特點

生物膜法主要適用于處理溶解性有機物。污水同生物膜接觸后，溶解性有機物和少量懸浮物被生物膜吸附降解為穩定的無機物。其反應過程是：①基質向生物膜表面擴散；②在生物膜內部擴散；③微生物分泌的酵素與催化劑發生化學反應；④代謝生成物排出生物膜。其基本流程如圖6-22所示。

廢水經初沉池去除懸浮物后進入生物膜法反應池去除有機物。生物膜法反應池出水入二沉池去除脫落的生物體，澄清液排放。污泥濃縮后進一步處理。

生物膜法的分類和特點如下。

（1）分類

按生物膜與廢水接觸方式的不同，可分為充填式和浸沒式兩類。充填式生物膜法的填料不被廢水浸沒，自然通風或強制供氧，廢水流過填料表面或轉盤旋轉浸過廢水。浸沒式生物膜法的填料完全浸沒于水中，一般采用鼓風曝氣供氧。

（2）特點

1）微生物相復雜，能去除難降解有機物。固著生長的膜生物受水力沖刷影響小，所以生物膜中存在各種微生物，包括細菌、原生動物等，形成復雜的生物相。世代時間長的硝化細菌在生物膜上生長良好，硝化效果好。

2）微生物量大，凈化效果好。生物膜含水率低，微生物濃度是活性污泥法的5～20倍。有機負荷高，容積小。

3）生物膜上的微生物營養級高，食物鏈長，有機物氧化率高，剩余污泥少。

4）填料表面脫落的污泥比較密實，沉淀性好，容易分離。

5）耐沖擊負荷，能處理低濃度污水。

6）生物量大，無需污泥回流，有的為自然通風，所以操作簡單，運行費用低。

7）不易發生污泥膨脹。即絲狀菌占優勢也不易脫落而引起污泥膨脹。

8）生物膜法需要填料和支撐結構，投資費用較大。

生物膜法應用較為廣泛的工藝有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化、生物流化床等。

6.3.2　處理工藝與裝備

（1）生物濾池

生物濾池是最早的生物膜法反應池。生物濾池的填料一般不被水淹沒。按運行方式可以分為普通生物濾池、高負荷生物濾池和塔式生物濾池三種。

普通生物濾池是在較低負荷率下運行的生物濾池，以BOD計的有機負荷率為0.15～0.30kg/（m³·d）。水力停留時間長，凈化效果好，出水穩定，污泥沉淀性好，剩余污泥少。但占地面積大，水力沖刷作用小，易堵塞和短流，生長灰蠅，散發臭氣，衛生條件差，目前已趨于淘汰。

高負荷生物濾池在高負荷率下運行，有機負荷率為1.1kg/（m³·d）左右。微生物生長營養充足，生物膜增長快。為防止濾料堵塞，需進行出水回流，又叫回流式生物濾池。回流使流速提高，沖刷作用強，能防止濾料堵塞。與普通生物濾池相比，高負荷生物濾池剩余量多，穩定度小。占地面積小，投資費用低，衛生條件好，適于處理濃度較高、水質水量波動大的廢水。

塔式生物濾池的負荷很高，有機負荷率為1.0～3.0kg/（m³·d）。塔式生物濾池的膜生長快，沒有回流，為防止濾料堵塞，采用的濾池面積小，以獲得較高的濾速。凈化效果較差，占地面積小，投資運行費用低，耐沖擊負荷能力較強，適用于處理濃度較高的廢水。其構造如圖6-23所示。

曝氣生物濾池（BAF）是在生物接觸氧化法的基礎上發展起來的一種新的好氧生物膜法，如圖6-24所示。其原理是在一級處理的基礎上以顆粒狀填料及其附著生長的生物膜為處理介質，充分發揮生物代謝作用、物理過濾作用、膜及填料的吸附作用以及反應器內多級生物間的捕食作用，實現污染物在同一單元反應器內去除。與別的工藝相比，該技術具有容積負荷高、水力負荷大、水力停留時間短、出水水質好、占地面積小、基建投資少、能耗及運行成本低等優點。楊平等就該方法在焦化廢水處理上的可行性進行了研究。結果表明單級BAF法對焦化廢水中的COD、酚和氰的去除率均在90%以上。其中出水的COD含量達到國家二級排放標準，而酚和氰低于國家一級排放標準。由此可以看出曝氣生物濾池在焦化廢水的處理上應該有很好的應用前景。

（2）生物接觸氧化

生物接觸氧化簡稱接觸氧化，又名浸沒式生物濾池。生物接觸氧化法的填料浸沒于水中，填料上生長著生物膜。氧化池中的污水還存在著懸浮生長的微生物。接觸氧化主要靠生物膜凈化污染物，但懸浮態微生物也對污染物的凈化有一定的作用，流程如圖6-25所示。

生物接觸氧化法既有生物膜工作穩定、耐沖擊負荷和操作簡單的特點，又有活性污泥混合接觸效果好的特點。

1）接觸氧化法填料的比表面積大，充氧效果好，氧利用率高。所以單位容積的微生物量比活性污泥和生物濾池大，容積負荷高，耐沖擊負荷，凈化效果好。

2）由于單位體積的微生物量大，容積負荷大時，污泥負荷仍然較小，所以污泥產量低。

3）由于采用強制通風供氧，動力消耗比一般的生物膜法大。

4）與活性污泥法和生物濾池法相比，接觸氧化法出水中生物膜的老化程度高，受水力沖擊變得很細碎，沉淀性能較差。

5）接觸氧化法一般不發生污泥膨脹，但當污水的供氧、營養、水質（毒物、pH值）和溫度等條件不利時，生物相的性能會變差，在劇烈的水力沖擊下脫落，隨水流失，發生污泥膨脹的可能性比生物濾池大。

6）占地面積小，管理方便。

（3）生物轉盤

生物轉盤污水處理廠自1954年在德國建成后，目前在歐洲已有上千座。生物轉盤是由一系列平行的旋轉圓盤、轉動橫軸、動力及減速裝置、氧化槽等組成的，如圖6-26所示。

生物轉盤的污水凈化機理和生物濾池基本相同。當圓盤浸沒于污水中時，污水中的有機物被盤片上的生物膜吸附，當圓盤離開污水時，盤片表面形成薄薄一層水膜。水膜從空氣中吸氧，同時生物膜分解吸附有機物。這樣，圓盤每轉動一圈，即進行一次吸附—吸氧—氧化分解過程。圓盤不停轉動，污水得到凈化，同時盤片上的生物膜不斷生長、增厚。老化的生物膜靠圓盤旋轉時產生的剪切力脫落下來，生物膜得到更新。

與生物濾池相比，生物轉盤有許多特點：a.不會發生堵塞現象，可以處理高濃度有機污水；b.管理方便，運轉費低；c.占地面積較大；d.有氣味產生，對環境有影響。

新型的生物轉盤也不斷出現，如空氣驅動生物轉盤；利用藻類與微生物的共生體系來凈化廢水的藻類生物轉盤；在活性污泥法中的曝氣池內設置生物轉盤的活性污泥式生物轉盤；可適用于廢水硝化處理的縮小盤片間距的高密度生物轉盤。此外，還有硝化、反硝化功能的生物轉盤等。

（4）生物流化床

生物流化床是以顆粒粒徑1～1.5mm的砂、活性炭或其他人工材料為載體，并使載體在反應器內流態化（膨脹率30%～100%）的一種高效污水處理工藝。系統供氧可采取純氧或空氣。整個系統由流化床、充氧設備、脫膜設備和二沉池組成。典型的生物流化床工藝如圖6-27所示。

生物流化床與其他生物膜法工藝相比，最顯著的特點是其具有極大的比表面積和有機負荷，見表6-2，因此，它是高效的生物處理反應器，且占地面積小，很適用于工業廢水的處理。

總之，生物膜法作為與活性污泥平行發展起來的生物處理工藝，既是古老的又是發展中的污水生物處理技術。生物膜比活性污泥具有更強的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各種污染物，具有速度快、效率高的特點，在許多情況下不僅能代替活性污泥法用于城市污水的二級生物處理，而且在工業廢水的生物處理工程中，生物膜法在處理規模并不大的場合下，是頗受歡迎并被采用的技術。

6.3.3　技術參數與設計依據

（1）生物濾池負荷

生物濾池負荷取值范圍見表6-3。

（2）工業廢水設計負荷

生物轉盤處理各類工業廢水的設計負荷值見表6-4。

（3）BAF工藝主要設計參數

曝氣生物濾池的容積負荷和水力負荷宜根據試驗資料確定，無試驗資料時可采用經驗數據或按表6-5的參數取值。

（4）生物膜法工藝負荷比較

生物膜法工藝的負荷比較見表6-6。

（5）處理方法比較

生物膜法與普通活性污泥法比較見表6-7。