工業廢水之生物膜法處理污水

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關鍵詞:生物膜 膜法處理 生物膜

    關鍵詞:生物膜,廢水,凈化


    生物膜法是屬于好養生物處理的方法,它是將廢水通過好氧微生物和原生動物,后生動物等在載體填料上生長繁殖形成的生物膜,吸附和降解有機物,使廢水得到凈化的方法。根據裝置的不同,生物膜法可分為生物濾池、生物轉盤、接觸氧化法和生物流化床等四類。在石油和化學工業的廢水處理中,其中應用最多的是接觸氧化法。


    1 生物膜法的機理


    【1】生物膜法的發展


    在20世紀50年代以前,生物膜法卻一直未被人們重視,其原因主要是因為生產中最早采用的生物膜法構筑物是以碎石為填料的滴濾池。碎石的比表面積小,能夠為微生物附著生長的表面積小,因而滴濾池的負荷不可能很大,使其占地面積較大,衛生狀況也不好。


    50年代,由于塑料工業的發展以及塑料填料引入生物膜處理系統,使生物膜法出現了許多具有重要意義的發展。因此,出現了許多新型的生物膜法設備。


    20世紀70年代末,為強化生物膜法反應器中的傳質,流化床系統被引人生物膜處理中,稱為生物流化床。生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的待點,又稱為半生物膜和半懸浮生長系統。


    【2】生物膜法的基本流程


    下圖為生物膜法處理系統的基本流程:廢水經初次沉淀池后進入生物膜反應器,廢水在生物膜反應器中經需氧生物氧化去除有機物后,再通過二次沉淀池出水。


    圖1-1生物膜法基本流程


    【3】生物膜凈化污水的機理


    (1)生物膜的構造特征


    生物膜(好氧層+兼氧層+厭氧層)+附著水層(高親水性)。


    (2)降解有機物的機理


    ①微生物:沿水流方向為細菌——原生動物――后生動物的食物鏈或生態系統。具體生物以菌膠團為主、輔以球衣菌、藻類等,含有大量固著型纖毛蟲(鐘蟲、等枝蟲、獨縮蟲等)和游泳型纖毛蟲(楯纖蟲、豆形蟲、斜管蟲等),它們起到了污染物凈化和清除池內生物(防堵塞)作用。


    ②污染物:重→輕(相當多污帶→α中污帶→β中污帶→寡污帶)。


    ③供氧:借助流動水層厚薄變化以及氣水逆向流動,向生物膜表面供氧。


    ④傳質與降解:有機物降解主要是在好氧層進行,部分難降解有機物經兼氧層和厭氧層分解,分解后產生的H2S,NH3等以及代謝產物由內向外傳遞而進入空氣中,好氧層形成的NO3--N、NO2--N等經厭氧層發生反硝化,產生的N2也向外而散入大氣中。


    ⑤生物膜更新:經水力沖刷,使膜表面不斷更新(DO及污染物),維持生物活性(老化膜固著不緊)。


    【4】生物膜法的特征


    (1)微生物相方面


    ①微生物的多樣化:生物膜是由細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物以及一些肉眼可見的蠕蟲、昆蟲的幼蟲組成(濾池蠅具有抑制生物膜過速增長的功能)。


    ②生物的食物鏈長:生物膜上的食物鏈要長于活性污泥,因此污泥量少于活性污泥系統。


    ③能夠存活時間長的微生物:SRT與HRT無關,因此硝化菌和亞硝化菌也得以繁衍、增殖,因此生物膜法的各種工藝都具有硝化功能,采取適當運行方式,可脫氮。


    ④分段運行與優勢菌種:生物膜法多分多段運行,每段繁衍與本段水質相適應的微生物。


    (2)處理工藝方面的特征


    ①對水質、水量變動有較強的適應性:一段時間中斷進水,對生物膜也不會有致命影響,通水后易恢復。


    ②污泥沉淀性良好:污泥比重較大,且顆粒較大,易沉淀;但厭氧層過厚時,脫落的細小非活性懸浮物分散于水中,使水的澄清度下降。


    ③微生物量多,處理能力大、凈化功能強:附著生長,故生物膜含水率低,單位池容的生物量是活性污泥法的5~20倍,因而具有較大處理能力,凈化功能顯著提高。


    ④能夠處理低濃度廢水:生物膜能處理活性污泥法不能處理的低濃度污水和微污染的原水,使B0D5降至5~10mg/L。


    ⑤易于維護運行,節能,動力費用低;如生物轉盤、生物濾池等,去除單位BOD的耗電量較少。


    2 生物濾池


    【1】生物濾池的基本原理:土壤自然凈化原理


    含有污染物的廢水從上而下從長有豐富生物膜的濾料的空隙間流過,與生物膜中的微生物充分接觸,其中的有機污染物被微生物吸附并降解,使得廢水得以凈化。主要凈化功能是依靠濾料表面的生物膜對廢水中有機物的吸附氧化降解作用。


    【2】生物濾池的分類


    生物濾池按其結構可分為普通生物濾池、高負荷生物濾池及塔式生物濾池三種。


    【3】生物濾池的構造與組成


    生物濾池一般主要由池體、濾料、布水裝置、排水系統等四部分組成。


    (1)池體在平面上多為方形、矩形或圓形,高出濾池1.5~0.9m。在寒冷地區,有時需要考慮防凍、采暖、或防蠅等措施。


    池壁:圍護填料,應該能承受壓力,分為有孔池壁和無孔池壁。有孔洞的池壁有利于濾料的內部通風,但在冬季易受低氣溫的影響;池底:支撐濾料和排除處理后的水,池底四周設置通風口。


    (2)濾料


    一般為實心拳狀濾料,如碎石、卵石、爐渣等;工作層的濾料粒徑為25~40mm,承托層濾料粒徑為70~100mm;同一層濾料要盡量均勻,以提高孔隙率;濾料的粒徑愈小,比表面積就愈大,處理能力可以提高;但粒徑過小,孔隙率降低,則濾料層易被生物膜堵塞;一般當濾料的孔隙率在45%左右時,濾料的比表面積約為65~100m2/m3。


    (3)布水裝置


    布水裝置的目的是將廢水均勻地噴灑在濾料上;主要有兩種:固定式布水裝置、旋轉式布水裝置。普通生物濾池多采用固定式布水裝置;高負荷生物濾池和塔式生物濾池則常用旋轉布水裝置。


    (4)排水系統


    排水系統處于濾床的底部,其作用是收集、排出處理后的廢水和保證良好的通風。一般由滲水頂板、集水溝和排水渠所組成。滲水頂板用于支撐濾料,其排水孔的總面積應不小于濾池表面積的20%;滲水頂板的下底與池底之間的凈空高度一般應在0.6m以上,以利通風,一般在出水區的四周池壁均勻布置進風孔。


    3 生物轉盤法


    【1】生物轉盤的構造特點


    生物轉盤由盤片、接觸反應槽、轉軸、驅動裝置4部分組成。


    (1)盤片


    盤片的形狀:外緣:圓形、多角形及圓筒形;


    盤面:平板、凹凸板、波形板、蜂窩板、網狀板等以及各種組合。


    盤片的厚度與材質:要求質輕、薄,強度高,耐腐蝕,同時還應易于加工,價格低等;一般厚度為0.5~1.0cm;常用材料有聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯以及玻璃鋼等。


    轉盤的直徑:一般直徑為2.0m、2.5m、3.0m、3.5m等,常用的是3.0m。


    盤片間的間距:一般為30mm,高密度型則為10~15mm。


    (2)接觸反應槽


    一般可以用鋼板或鋼筋混凝土制成,橫斷面呈半圓形或梯形;槽內水位一般達到轉盤直徑的40%,超高為20~30cm;轉盤外緣與槽壁之間的間距一般為20~40cm。


    (3)轉軸


    長度:0.5~7.0m,其直徑50~80mm,軸中心高于槽液面150mm,b/D=0.06-0.1,b為軸心與液面的距離。


    (4)驅動裝置


    驅動方式——電力、空氣,水力驅動轉速——0.8~3.0r/min,外緣線速度15~18m/min。


    【2】凈化原理


    廢水處于半靜止狀態,而微生物則在轉動的盤面上;轉盤40%的面積浸沒在廢水中,盤面低速轉動;盤面上生物膜的厚度與廢水濃度、性質及轉速有關,一般0.1~0.5mm。


    【3】工藝流程


    (1)生物轉盤的布置


    生物轉盤的轉速一般為18m/min;有一軸一段、一軸多段、以及多軸多段等形式;廢水的流動方式,有軸直角流與軸平行流。多極布置:盤片面積不變,能提高處理水水質和DO含量。


    (2)生物轉盤為主體的工藝流程


    需要有預處理,調節池可小點(與活性污泥相比),高濃度有機廢水,中間設沉淀池。


    (3)以去除BOD為主要目的的工藝流程


    廢水→沉砂池→沉淀池→生物轉盤→二沉池→出水


    4 生物接觸氧化法


    【1】生物接觸氧化池的構造


    生物接觸氧化池由池體、填料、布水系統和曝氣系統等組成。


    (1)池型:方形、園形,頂部穩定水層。


    (2)填料:其特性對接觸氧化池中生物量、氧的利用率、水流條件和廢水與生物膜的接觸反應情況等有較大影響;分為硬性填料、軟性填料、半軟性填料、及球狀懸浮型填料等。填料高度一般為3.0m左右,填料層上部水層高約為0.5m,填料層下部布水區的高度一般為0.5~1.5m之間。


    (3)曝氣裝置:設在填料底部,可充分利用池容,填料間紊流激烈,生物膜更新快,活性高,不易堵塞;但檢修較困難。


    【2】接觸氧化池的分類


    按曝氣與填料的相對位置可為分流式和直流式。


    (1)分流式


    國外多用分流式,其特點是填料區水流較穩定,有利于生物膜的生長,但沖刷力不夠,生物膜不易脫落;可采用鼓風曝氣或表面曝氣裝置;較適用于深度處理。


    (2)直流式


    國內用直流式,曝氣裝置多為鼓風曝氣系統;可充分利用池容;填料間紊流激烈,生物膜更新快,活性高,不易堵塞;檢修較困難。


    【3】生物接觸氧化法的特征


    (1)工藝方面


    ①采用多種形式填料,形成氣液固三相共存,有利于氧的轉移;


    ②填料表面形成生物膜立體結構;


    ③有利于保持膜的活性,抑制厭氧膜的增殖;


    ④負荷高,處理時間短。


    (2)運行方面


    ①耐沖擊負荷,有一定的間歇運行功能;


    ②操作簡單,勿需污泥回流,不產生污泥膨脹、濾池蠅;


    ③生成污泥量少,易沉淀;


    ④動力消耗低。


    (3)缺點


    ①去除效率低于活性污泥法,工程造價高;


    ②運行不當,填料可能堵塞,布水曝氣不易均勻,出現局部死角;


    ③大量后生動物容易造成生物膜瞬時大量脫落,影響出水水質。


    5 生物流化床


    【1】生物流化床基本原理

    關鍵詞:生物膜,廢水,凈化


    生物膜法是屬于好養生物處理的方法,它是將廢水通過好氧微生物和原生動物,后生動物等在載體填料上生長繁殖形成的生物膜,吸附和降解有機物,使廢水得到凈化的方法。根據裝置的不同,生物膜法可分為生物濾池、生物轉盤、接觸氧化法和生物流化床等四類。在石油和化學工業的廢水處理中,其中應用最多的是接觸氧化法。


    1 生物膜法的機理


    【1】生物膜法的發展


    在20世紀50年代以前,生物膜法卻一直未被人們重視,其原因主要是因為生產中最早采用的生物膜法構筑物是以碎石為填料的滴濾池。碎石的比表面積小,能夠為微生物附著生長的表面積小,因而滴濾池的負荷不可能很大,使其占地面積較大,衛生狀況也不好。


    50年代,由于塑料工業的發展以及塑料填料引入生物膜處理系統,使生物膜法出現了許多具有重要意義的發展。因此,出現了許多新型的生物膜法設備。


    20世紀70年代末,為強化生物膜法反應器中的傳質,流化床系統被引人生物膜處理中,稱為生物流化床。生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的待點,又稱為半生物膜和半懸浮生長系統。


    【2】生物膜法的基本流程


    下圖為生物膜法處理系統的基本流程:廢水經初次沉淀池后進入生物膜反應器,廢水在生物膜反應器中經需氧生物氧化去除有機物后,再通過二次沉淀池出水。




    圖1-1生物膜法基本流程


    【3】生物膜凈化污水的機理


    (1)生物膜的構造特征


    生物膜(好氧層+兼氧層+厭氧層)+附著水層(高親水性)。


    (2)降解有機物的機理


    ①微生物:沿水流方向為細菌——原生動物――后生動物的食物鏈或生態系統。具體生物以菌膠團為主、輔以球衣菌、藻類等,含有大量固著型纖毛蟲(鐘蟲、等枝蟲、獨縮蟲等)和游泳型纖毛蟲(楯纖蟲、豆形蟲、斜管蟲等),它們起到了污染物凈化和清除池內生物(防堵塞)作用。


    ②污染物:重→輕(相當多污帶→α中污帶→β中污帶→寡污帶)。


    ③供氧:借助流動水層厚薄變化以及氣水逆向流動,向生物膜表面供氧。


    ④傳質與降解:有機物降解主要是在好氧層進行,部分難降解有機物經兼氧層和厭氧層分解,分解后產生的H2S,NH3等以及代謝產物由內向外傳遞而進入空氣中,好氧層形成的NO3--N、NO2--N等經厭氧層發生反硝化,產生的N2也向外而散入大氣中。


    ⑤生物膜更新:經水力沖刷,使膜表面不斷更新(DO及污染物),維持生物活性(老化膜固著不緊)。




    【4】生物膜法的特征


    (1)微生物相方面


    ①微生物的多樣化:生物膜是由細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物以及一些肉眼可見的蠕蟲、昆蟲的幼蟲組成(濾池蠅具有抑制生物膜過速增長的功能)。


    ②生物的食物鏈長:生物膜上的食物鏈要長于活性污泥,因此污泥量少于活性污泥系統。


    ③能夠存活時間長的微生物:SRT與HRT無關,因此硝化菌和亞硝化菌也得以繁衍、增殖,因此生物膜法的各種工藝都具有硝化功能,采取適當運行方式,可脫氮。


    ④分段運行與優勢菌種:生物膜法多分多段運行,每段繁衍與本段水質相適應的微生物。


    (2)處理工藝方面的特征


    ①對水質、水量變動有較強的適應性:一段時間中斷進水,對生物膜也不會有致命影響,通水后易恢復。


    ②污泥沉淀性良好:污泥比重較大,且顆粒較大,易沉淀;但厭氧層過厚時,脫落的細小非活性懸浮物分散于水中,使水的澄清度下降。


    ③微生物量多,處理能力大、凈化功能強:附著生長,故生物膜含水率低,單位池容的生物量是活性污泥法的5~20倍,因而具有較大處理能力,凈化功能顯著提高。


    ④能夠處理低濃度廢水:生物膜能處理活性污泥法不能處理的低濃度污水和微污染的原水,使B0D5降至5~10mg/L。


    ⑤易于維護運行,節能,動力費用低;如生物轉盤、生物濾池等,去除單位BOD的耗電量較少。


    2 生物濾池


    【1】生物濾池的基本原理:土壤自然凈化原理


    含有污染物的廢水從上而下從長有豐富生物膜的濾料的空隙間流過,與生物膜中的微生物充分接觸,其中的有機污染物被微生物吸附并降解,使得廢水得以凈化。主要凈化功能是依靠濾料表面的生物膜對廢水中有機物的吸附氧化降解作用。


    【2】生物濾池的分類


    生物濾池按其結構可分為普通生物濾池、高負荷生物濾池及塔式生物濾池三種。


    【3】生物濾池的構造與組成


    生物濾池一般主要由池體、濾料、布水裝置、排水系統等四部分組成。


    (1)池體在平面上多為方形、矩形或圓形,高出濾池1.5~0.9m。在寒冷地區,有時需要考慮防凍、采暖、或防蠅等措施。


    池壁:圍護填料,應該能承受壓力,分為有孔池壁和無孔池壁。有孔洞的池壁有利于濾料的內部通風,但在冬季易受低氣溫的影響;池底:支撐濾料和排除處理后的水,池底四周設置通風口。


    (2)濾料


    一般為實心拳狀濾料,如碎石、卵石、爐渣等;工作層的濾料粒徑為25~40mm,承托層濾料粒徑為70~100mm;同一層濾料要盡量均勻,以提高孔隙率;濾料的粒徑愈小,比表面積就愈大,處理能力可以提高;但粒徑過小,孔隙率降低,則濾料層易被生物膜堵塞;一般當濾料的孔隙率在45%左右時,濾料的比表面積約為65~100m2/m3。


    (3)布水裝置


    布水裝置的目的是將廢水均勻地噴灑在濾料上;主要有兩種:固定式布水裝置、旋轉式布水裝置。普通生物濾池多采用固定式布水裝置;高負荷生物濾池和塔式生物濾池則常用旋轉布水裝置。


    (4)排水系統


    排水系統處于濾床的底部,其作用是收集、排出處理后的廢水和保證良好的通風。一般由滲水頂板、集水溝和排水渠所組成。滲水頂板用于支撐濾料,其排水孔的總面積應不小于濾池表面積的20%;滲水頂板的下底與池底之間的凈空高度一般應在0.6m以上,以利通風,一般在出水區的四周池壁均勻布置進風孔。


    3 生物轉盤法


    【1】生物轉盤的構造特點


    生物轉盤由盤片、接觸反應槽、轉軸、驅動裝置4部分組成。


    (1)盤片


    盤片的形狀:外緣:圓形、多角形及圓筒形;


    盤面:平板、凹凸板、波形板、蜂窩板、網狀板等以及各種組合。


    盤片的厚度與材質:要求質輕、薄,強度高,耐腐蝕,同時還應易于加工,價格低等;一般厚度為0.5~1.0cm;常用材料有聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯以及玻璃鋼等。


    轉盤的直徑:一般直徑為2.0m、2.5m、3.0m、3.5m等,常用的是3.0m。


    盤片間的間距:一般為30mm,高密度型則為10~15mm。


    (2)接觸反應槽


    一般可以用鋼板或鋼筋混凝土制成,橫斷面呈半圓形或梯形;槽內水位一般達到轉盤直徑的40%,超高為20~30cm;轉盤外緣與槽壁之間的間距一般為20~40cm。


    (3)轉軸


    長度:0.5~7.0m,其直徑50~80mm,軸中心高于槽液面150mm,b/D=0.06-0.1,b為軸心與液面的距離。


    (4)驅動裝置


    驅動方式——電力、空氣,水力驅動轉速——0.8~3.0r/min,外緣線速度15~18m/min。


    【2】凈化原理


    廢水處于半靜止狀態,而微生物則在轉動的盤面上;轉盤40%的面積浸沒在廢水中,盤面低速轉動;盤面上生物膜的厚度與廢水濃度、性質及轉速有關,一般0.1~0.5mm。


    【3】工藝流程


    (1)生物轉盤的布置


    生物轉盤的轉速一般為18m/min;有一軸一段、一軸多段、以及多軸多段等形式;廢水的流動方式,有軸直角流與軸平行流。多極布置:盤片面積不變,能提高處理水水質和DO含量。


    (2)生物轉盤為主體的工藝流程


    需要有預處理,調節池可小點(與活性污泥相比),高濃度有機廢水,中間設沉淀池。


    (3)以去除BOD為主要目的的工藝流程


    廢水→沉砂池→沉淀池→生物轉盤→二沉池→出水


    4 生物接觸氧化法


    【1】生物接觸氧化池的構造


    生物接觸氧化池由池體、填料、布水系統和曝氣系統等組成。


    (1)池型:方形、園形,頂部穩定水層。


    (2)填料:其特性對接觸氧化池中生物量、氧的利用率、水流條件和廢水與生物膜的接觸反應情況等有較大影響;分為硬性填料、軟性填料、半軟性填料、及球狀懸浮型填料等。填料高度一般為3.0m左右,填料層上部水層高約為0.5m,填料層下部布水區的高度一般為0.5~1.5m之間。


    (3)曝氣裝置:設在填料底部,可充分利用池容,填料間紊流激烈,生物膜更新快,活性高,不易堵塞;但檢修較困難。


    【2】接觸氧化池的分類


    按曝氣與填料的相對位置可為分流式和直流式。


    (1)分流式


    國外多用分流式,其特點是填料區水流較穩定,有利于生物膜的生長,但沖刷力不夠,生物膜不易脫落;可采用鼓風曝氣或表面曝氣裝置;較適用于深度處理。


    (2)直流式


    國內用直流式,曝氣裝置多為鼓風曝氣系統;可充分利用池容;填料間紊流激烈,生物膜更新快,活性高,不易堵塞;檢修較困難。


    【3】生物接觸氧化法的特征


    (1)工藝方面


    ①采用多種形式填料,形成氣液固三相共存,有利于氧的轉移;


    ②填料表面形成生物膜立體結構;


    ③有利于保持膜的活性,抑制厭氧膜的增殖;


    ④負荷高,處理時間短。


    (2)運行方面


    ①耐沖擊負荷,有一定的間歇運行功能;


    ②操作簡單,勿需污泥回流,不產生污泥膨脹、濾池蠅;


    ③生成污泥量少,易沉淀;


    ④動力消耗低。


    (3)缺點


    ①去除效率低于活性污泥法,工程造價高;


    ②運行不當,填料可能堵塞,布水曝氣不易均勻,出現局部死角;


    ③大量后生動物容易造成生物膜瞬時大量脫落,影響出水水質。


    5 生物流化床


    【1】生物流化床基本原理

    廢水和從生物流化床反應器出水的回流水在充氧設備進口處與空氣混合后,從反應器的底部進入,自下而上通過反應器,使續料保持在流化的工作狀態,經填料上的生物膜處理后的廢水,除部分回流到無氧設備進口處外,最后流人二次沉淀池,以便沉掉懸浮的生物量,排出合格的出水。


    【2】生物流化床的工藝類型


    根據供氧方式、脫膜方式及床體結構等的不同,可分為兩相生物流化床和三相生物流化床。


    (1)兩相生物流化床


    外設充氧設備和脫膜設備,在床體內只有液、固兩相;進入反應器之前,廢水中的DO可達8~9mg/L(以純氧為氣源時,可達30~40mg/L)。


    (2)三相生物流化床


    直接向反應器內充氧,床體內有氣、固、液三相共存;氣體攪動劇烈,載體顆粒之間摩擦劇烈,可使表層的生物膜自行脫落,因此無需體外脫膜裝置。


    【3】生物流化床的特點


    (1)優點


    ①生物固體濃度高(40~50g/l),因此容積負荷較高(3~6kgBOD5/m3.d以上),水力停留時間可大大縮短,基建費用較小;


    ②無污泥膨脹或其它生物膜法中的濾料堵塞;


    ③能適應不同濃度范圍的廢水,能適應較大的沖擊負荷;


    ④由于容積負荷和床體高度較大,占地面積較小;


    ⑤微生物活性高;


    ⑥傳質效果好。


    (2)缺點


    ①投資低,但運轉費用高(載體流化的動力消耗);


    ②實際生產運行的經驗較少,對于床體內的流動特征尚無合適的模型描述,在進行放大設計時有一定的不確定性。


    (審核編輯: 智匯小新)

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