生物膜法

十九世紀二、三十年代，建造了較多的生物濾池。當時是生物過濾法和活性污泥法並列。這兩種方法相比，由於生物過濾法體積負荷和BOD去除率都較低，環境衞生條件也較差，處理構築物又有可能堵塞等缺點，於是在四十至六十年代有逐漸被活性污泥法代替的趨勢。但到了六十年代，由於新型合成材料的大量生產和環境保護對水質要求的進一步提高，生物膜法又獲得了新的發展。近年來，屬於生物膜法的塔式生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化法和生物流化牀得到比較多的研究和應用。 ^[1] 

生物膜法是在充分供氧條件下，用生物膜穩定和澄清廢水的污水處理方法。 ^[2]  生物膜是由高度密集的好氧菌、厭氧菌、兼性菌、真菌、原生動物以及藻類等組成的生態系統，其附着的固體介質稱為濾料或載體。生物膜自濾料向外可分為厭氧層、好氧層、附着水層、運動水層。

在污水處理構築物內設置微生物生長聚集的載體（一般稱填料），在充氧的條件下，微生物在填料表面聚附着形成生物膜，經過充氧(充氧裝置由水處理曝氣風機及曝氣器組成)的污水以一定的流速流過填料時，生物膜中的微生物吸收分解水中的有機物，使污水得到淨化，同時微生物也得到增殖，生物膜隨之增厚。當生物膜增長到一定厚度時，向生物膜內部擴散的氧受到限制，其表面仍是好氧狀態，而內層則會呈缺氧甚至厭氧狀態，並最終導致生物膜的脱落。隨後，填料表面還會繼續生長新的生物膜，週而復始，使污水得到淨化。

微生物在填料表面聚附着形成生物膜後，由於生物膜的吸附作用，其表面存在一層薄薄的水層，水層中的有機物已經被生物膜氧化分解，故水層中的有機物濃度濃度比進水要低得多，當廢水從生物膜表面流過時，有機物就會從運動着的廢水中轉移到附着在生物膜表面的水層中去，並進一步被生物膜所吸附，同時，空氣中的氧也經過廢水而進入生物膜水層並向內部轉移。

生物膜上的微生物在有溶解氧的條件下對有機物進行分解和機體本身進行新陳代謝，因此產生的二氧化碳等無機物又沿着相反的方向，即從生物膜經過附着水層轉移到流動的廢水中或空氣中去。這樣一來，出水的有機物含量減少，廢水得到了淨化。

生物膜法的這些新工藝和新設備，與原有以碎石為填料的生物濾池相比具有以下優點：

1．供氧充分，傳質條件好。

2．處理效果受氣温影響小。

3．採用輕質填料以後構築物輕巧、填料表面積較大。

4．設備處理能力大，處理效果好。

5．不生長灰蠅，氣味小，衞生條件較好。特別是在生物膜法中微生物固着生長，能夠和介質中的有機物濃度形成動平衡，故可應用於低濃度污水的深度處理。近年來，國內外用生物膜法作為對生物處理構築物出水的補充處理進行了不少研究。生物膜法用於含氨氮(包括有機氮)污水的硝化、脱氮，獲得了很好效果。

生物膜法與活性污泥法的主要區別是：生物膜固定生長；附着生長在固體填料(或稱載體)的表面上。與活性污泥法比較，生物膜法具有如下特徵：

1.生物相多樣化

生物膜是固定生長的，具有形成穩定生態的條件，能夠棲息增殖速度慢、世代時間長的細菌和較高級的微型生物，如硝化菌，它的繁殖速度要比一般的假單胞菌慢40—50倍，故用生物膜法可獲得很高的脱氮能力。在生物膜上出現的生物，在種屬上要比在活性污泥中豐富得多，除細菌、原生動物外，而且還能出現在活性污泥中比較少見的真菌、藻類、後生動物以及大型的無脊椎生物等。

2.生物量多、設備處理能力大

生物膜法普遍的特點之一是膜具有較少的含水率，單位體積內的生物量有時可多達活性污泥的5—20倍，因此處理構築物具有較大的處理能力。

3.剩餘污泥的產量少

在生物膜中，較多棲息着高次營養水平的生物，食物鏈較活性污泥的為長、剩餘污泥量較活性污泥法要少。特別是在一些生物膜法工藝中，生物膜是由好氣層和厭氣層組合而成，厭氣層中的厭氣菌能降解好氣過程合成的剩餘污泥，從而使總的剩餘污泥量大大減少，這對於污泥處置是很有利的。

4.運行管理比較方便

生物膜法不需要污泥迴流，因而不需要經常調整污泥量和污泥排除量，易於維護管理。活性污泥法普遍存在污泥膨脹問題，對處理效果影響很大，甚至使處理工藝遭到破壞。而生物膜法由於微生物固着生長，故無此問題。絲狀菌的大量繁殖，可導致活性污泥膨脹，但另一方面，絲狀菌又具有相當強的氧化能力。生物膜法則可充分利用絲狀菌的長處而克服其缺陷。

5.工藝過程比較穩定

有機負荷和水力負荷的波動影響較小，即使工藝遭到較大的破壞，恢復起來也比較快。由於固着生長的特點，處理構築物還可間歇運行。

6.動力消耗較少

當採用在填料下直接曝氣時，由於氣泡的再破裂提高了充氧效率，加上厭氣膜不消耗氧的特性，故一般動力消耗較活性污泥法要小。

生物膜法和活性污泥法相比，也具有一些缺點：

1．需要較多的填料和填料的支承結構，在某些情況下基本建設投資超過活性污泥法。

2．出水常帶有較大、且易沉澱的生物膜片，也帶有許多非常細小的生物碎片，這些碎片由於缺乏類似活性污泥的生物絮凝能力，故出水較混濁。 ^[1] 

●前提條件：起支撐作用的載體物——填料或稱濾料

●營養物質——有機物、N、P以及其它

●接種微生物生物膜的形成過程：含有營養物質和接種微生物的污水在填料的表面流動，一定時間後，微生物會附着在填料表面而增殖和生長，形成一層薄的生物膜。

在生物膜上由細菌及其它各種微生物組成的生態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。

對於城市污水，在20°C條件下，生物膜從開始形成到成熟，一般需要30天左右。

性質：高度親水，存在着附着水層。

微生物高度密集：各種細菌以及微型動物，這些微生物起着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——原生動物(後生動物)的食物鏈。

①生物膜厚度不斷增加，氧氣不能透入的內部深處將轉變為厭氧狀態。

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所，一般厚度為2mm。

① 厭氧的代謝產物增多，導致厭氧膜與好氧膜之間的平衡被破壞。

②氣態產物的不斷逸出，減弱了生物膜在填料上的附着能力。

③ 成為老化生物膜，其淨化功能較差，且易於脱落。

①老化膜脱落，新生生物膜又會生長起來。

② 新生生物膜的淨化功能較強。

①減緩生物膜的老化進程

② 控制厭氧膜的厚度

③加快好氧膜的更新

④儘量控制使生物膜不集中脱落

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、曝氣生物濾池或厭氧生物濾池。前三種用於需氧生物處理過程，後一種用於厭氧過程。最早出現的生物膜法生物器是間歇砂濾池和接觸濾池（滿盛碎塊的水池）。它們的運行都是間歇的，過濾-休閒或充水-接觸-放水-休閒，構成一個工作週期。它們是污水灌溉的發展，是以土壤自淨現象為基礎的。接着就出現了連續運行的生物濾池。新型塑料問世後，又有了新的發展。

使用的生物載體是小塊料(如碎石塊、塑料填料)或塑料型塊，堆放或疊放成濾牀，故常稱濾料。與水處理中的一般濾池不同，生物濾池的濾牀暴露在空氣中,廢水灑到濾牀上。布水器有多種形式，有固定式的,有移動式的。迴轉式布水器使用最廣。它以兩根或多根對稱佈置的水平穿孔管為主體，能繞池心旋轉。穿孔管貼近濾牀表面,水從孔中流出。布水器的工作是連續的，但對局部牀面的施水是間歇的，這承繼了污水灌溉間歇灌水的概念。濾牀的下面有用磚或特製陶塊、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。工作時,廢水沿載體表面從上向下流過濾牀，和生長在載體表面上的大量微生物和附着水密切接觸進行物質交換。污染物進入生物膜，代謝產物進入水流。出水並帶有剝落的生物膜碎屑，需用沉澱池分離。生物膜所需要的溶解氧直接或通過水流從空氣中取得。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氧狀態。

濾牀的深度和濾率、濾料有關。碎石濾牀的深度在一個相當長的時間內大多采用1.8～2米左右。深度如果提高,濾牀表層容易堵塞積水。濾率在1～4米³/(米²·日)左右，如果提高,牀面也容易積水。首先突破的是濾率的提高。水力負荷率(即濾率)提高到8～10米³/(米²·日)以上時，水流的沖刷作用使生物膜不致堵塞濾牀，而且有機物（用BOD5衡量）負荷率，可從0.2公斤/(米³·日)左右提高到1公斤/（米³·日）以上。為了滿足水力負荷率的要求,來水常用迴流稀釋。為了穩定處理效率，可採用兩級串聯。這種流程革新、負荷率提高、構造不變的生物濾池稱高負荷率生物濾池。繼而發現，濾牀深度從2米左右提高到8米以上時，通風改善，即使水力負荷率提高，濾牀也不再堵塞，濾池工作良好，同時有機物負荷率也可以提高到1公斤/（米³·日）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，故稱塔式濾池。自塑料型塊問世後，通風、堵塞等不再成為問題，濾牀深度和濾率可根據需要進行設計。

是隨着塑料的普及而出現的。數十片、近百片塑料或玻璃鋼圓盤用軸貫串，平放在一個斷面呈半圓形的條形槽的槽面上。盤徑一般不超過4米,槽徑約大幾釐米。有電動機和減速裝置轉動盤軸，轉速1.5～3轉/分左右，決定於盤徑，盤的周邊線速度在15米/分左右。

廢水從槽的一端流向另一端。盤軸高出水面，盤面約40%浸在水中，約60%暴露在空氣中。盤軸轉動時,盤面交替與廢水和空氣接觸。盤面為微生物生長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，淨化廢水。膜和盤面之間因轉動而產生切應力，隨着膜的厚度的增加而增大，到一定程度，膜從盤面脱落，隨水流走。

同生物濾池相比，生物轉盤法中廢水和生物膜的接觸時間比較長。而且有一定的可控性。水槽常分段，轉盤常分組，既可防止短流，又有助於負荷率和出水水質的提高，因負荷率是逐級下降的。生物轉盤如果產生臭味，可以加蓋。生物轉盤一般用於水量不大時。

設置了塑料型塊的曝氣池。按其過程也稱生物接觸氧化法。它的工作類似活性污泥法中的曝氣池，但是不要回流污泥，曝氣方法也不能沿用，一般採用全池氣泡曝氣，池中生物量遠高於活性污泥法,故曝氣時間可以縮短。運行較穩定，不會出現污泥膨脹問題。也有采用粒料（如砂子、活性炭）的。這時水流向上，濾牀膨脹、不會堵塞。因為表面積高，生物量多,接觸又充分，曝氣時間可縮短，處理效率可提高，尚處在研究階段。

構造和曝氣生物濾池雷同，只是不要曝氣系統。因生物量高，和污泥消化池相比，處理時間可以大大縮短（污泥消化池的停留時間一般在10天以上），處理城市污水等濃度較低的廢水時有可能採用。