L.1污水与污水生物处理3 英国共有处理厂约3000座,几乎全部是二级生物处理厂;日本有城市污水处理厂630座, 村镇污水处理厂2000座,其中二级生物处理厂和深度处理厂占98%左右;瑞典人口虽少, 但却有1540座城市污水处理厂,其中有91%为二级生物处理厂(钱易与米祥友,1993) 以上这些数字均表明,污水生物处理工艺在改善水体卫生状况及水污染控制方面起着不容 低估的作用。 按照反应过程中有无氧气的参与,污水生物处理可分为好氧处理工艺和厌氧处理工艺 两大类,前者多用于处理中等浓度以下的城市污水,而后者则多用于处理高浓度的有机污 水和污水生物处理中所产生的污泥。 按照污水处理生物反应器中微生物的生长状态,污水生物处理还可划分为悬浮生长工 艺和附着生长工艺(固定膜),前者以活性污泥法为代表,微生物在曝气池内以活性污泥 的形式呈悬浮状态,而后者则以生物膜法为代表,微生物以膜状固着在某种载体的表面上。 活性污泥法是当今世界范围内应用最为广泛的一种生物处理工艺,具有处理能力高、出水 水质好等优点,但传统活性污泥法的基建与运行费用较高、能耗较大、管理也较复杂、易 出现污泥膨胀和污泥上浮等问题,对N、P等营养物质去除效果有限,因而近20多年来 研究者们在对活性污泥法本身改进的同时,又致力于寻找活性污泥法的替代工艺或革新与 代用处理技术。生物膜法作为与活性污泥法平行发展起来的生物处理工艺,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,而且还具有一些独特的优点,如运 行稳定、抗冲击负荷、更为经济节能、无污泥膨胀问题、具有一定的硝化与反硝化功能 可实现封闭运转防止臭味等。正是因为如此,自70年代以来,生物膜工艺又引起广大研 究者和工程师们的极大兴趣( Marshell1984) 12生物膜 121生物膜及其形成过程 微生物细胞几乎能在水环境中的任何适宜的载体表面牢固地附着,并在其上生长和繁 殖,由细胞内向外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维状的缠结结构,便被称之为生 物膜。可见,生物膜是由固定在附着生长载体上的并经常镶嵌在有机多聚物结构中的细胞 所组成。 生物膜是在惰性载体表面形成的,有时均匀地分布在整个载体表面,而有时却非常不 均匀;有时仅由单层的细胞所组成,而有时却相当厚,随着营养底物、时间和空间的改变 而发生变化。由于生物膜主要是由微生物细胞和它们所产生的胞外多聚物所组成,因而生 物膜通常具有孔状结构,并具有很强的吸附性能。结果,我们所观察到的生物膜通常还含 有大量被吸附和镶嵌于内的溶质和无机颗粒,从这个角度上说,生物膜是由有生命的细胞 和无生命的无机物所组成的结构。 按照 Characklis(1990)的研究,生物膜的累积形成是以下物理、化学和生物过程综 合作用的结果 1.有机分子从水中向生物膜附着生长载体表面运送,其中有些被吸附便形成了被微 生物改良的载体表面(图1-1a) 2.水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面,其中碰撞到载体表面的细
4第L章泞水处理中的生物膜与生物膜反应器 胞一部分在被表面吸附一段时间后因水力剪切或其他物理、化学和生物作用又解吸出来 而另一部分则被表面吸附一定时间后变成了不可解吸的细胞(图1-1b); 3.不可解吸的细胞摄取并消耗水中的底物与营养物质,其数目增多;与此同时,细 跑可能产生大量的产物,有些将排出体外。这些产物中有一些就是胞外多聚物,将生物膜 紧紧地结合在一起,由此,微生物细胞在消耗水中底物能量进行新陈代谢时便使得生物膜 形成累积(图1-lc); 4.进入水中,或者细胞在增殖时亦可以向水中释放出游离的细胞(图1-1d)。 水流 a我体/b 水流 0→ d 图11生物膜在附着生长载体表面的形成过程 12.2生物膜的微生物相 如前所述,生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物所组成,这些只有在光学显微镜下 才能观察到具体形态的微生物,形态迥异,种类繁多,但归纳起来主要有细菌、真菌、藻 类(在有光条件下)、原生动物和后生动物等,此外还有病毒。这些微生物体,有的细胞 结构简单(如原核生物),有的细胞结构则较复杂(如真核生物),而病毒只是非细胞的 组织结构。 1.细菌 细茵是微生物膜的主体,而其产生的胞外多聚物为生物膜结构的形成奠定了基础。生 物膜上细菌的种类取决于其生长速率和微生物膜所处的环境,诸如水中营养状况、附着生 长状况、细菌在生物膜中所处的位置和温度等环境条件。根据所需营养的不同,细菌可分 为无机营养型的自养菌和有机营养型的异养菌,其中异养菌是生物膜中的主要细菌类型, 能够从流经生物膜表面的水中获得足够的能量底物。 按照细菌的生存是否需要和有无氧气,异养菌又可分为好氧异养菌、厌氧呼吸型异养 菌、厌氧异养菌和兼性厌氧菌四类。好氧异养菌只能在有氧气存在的条件下生长,它们在 呼吸过程中分解复杂的有机分子并从中获得能量,并将电子通过一系列电子受体最终传给 氧气,氧气便形成水。化学能以这种形式被转化成三磷酸腺苷(ATP)形式,以便用于微
12生物膜5 生物合成,在呼吸过程中,每个分子葡萄糖约形成38个分子的ATP( Brock et a,1984)。 呼吸是最为有效的能量代谢过程,底物中的C除了用于细胞自身合成外,其余的C均以 CO2的形式释放出来。厌氧呼吸型异养菌是在厌氧条件下用氧以外的物质作为电子受体 如硝酸盐等,电子通过电子传递系统转移给硝酸盐并使硝酸盐还原成N2。尽管毎mo葡 萄糖释放出的ATP少于有氧的情况,但厌氧呼吸仍是一个有效的能量产生过程。厌氧异 养菌仅在没有氧气的条件下生长,这些细菌从发酵反应中获得能量,使有机化合物部分分 解成低分子的化合物如乙醇、乳糖、乙酸、琥珀酸等及释放一些CO2。与好氧呼吸相比, 发酵反应是不完全的,每分子的葡萄糖仅产生2个分子的ATP( Brock et aL.,1984)。其 他厌氧还能进步发酵分解低分子的有机物,如硫酸盐还原菌,在更低氧化还原电位和 没有硫酸盐存在的条件下,甲烷菌亦可以利用这些低分子产物(包括CO2和H2)并从中 获得能量,最终产生甲烷。兼性厌氧菌既能在厌氧条件下进行发酵反应,也能在有氧的条 件下利用电子传递链将电子传递给氧,这类细菌的数量亦相当大 生物膜中常出现的细菌种类有(俞辉群等,1988):球衣菌、动胶菌、硫杆菌属、无 色杆菌属、产碱菌属、甲单胞菌属、诺卡式菌属、色扦菌属、八叠球菌属、粪链球菌、埃 希式大肠杄菌、副大肠杆菌属、亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属等。 2.真菌 真菌是具有明显细胞核而没有叶绿素的真核生物,大多数具有丝状形态,包括单细胞 的酵母菌(在一定条件下亦形成菌丝)和多细胞的霉菌。真菌可利用的有机物范围很 特别是多碳类有机物,故有些真菌可降解木质素等难降解有机物。当污水中有机物的成分 变化、负荷增加、温度降低、pl降低和溶解氧水平下降时,很容易滋生丝状菌。 生物膜中常出现的丝状菌有(俞辉群等,198):瘤胞属、灿烂微重真菌、红色桨霉、 水镰刀霉、白地霉、皮状丝胞酵母等;此外,有时也出现茎点霉属、乳节水霉、纤细腐霉、 红酵母属、毛霉属和水霉属等。 3.藻类 藻类是受阳光照射下的生物膜中的主要成分,如在明渠和溪流的岩石上就经常发现有 藻类,普通生物滤池表层滤料的生物膜中及附着生长污水稳定塘的填料上(Zhao&Wang, 1996)亦有大量的藻类。一些藻类如海藻是肉眼可见的,但绝大多数却只有在显微镜下才 能观察到,有的只是单细胞,而有的则是多细胞结构。由于藻类含有叶绿素,故藻类能够 进行光合成,亦即将光能转化成化学能。尽管藻类不是生物膜主要的微生物类群,但藻类 却作为水生环境中生产者是受阳光照射下水体中的生物膜微生物的主要构成部分。由于出 现藻类的地方只限于生物膜反应器中表层很小部分,因而对污水净化不起很大作用 生物膜中常出现的藻类有〈俞辉群等,1988):小球藻属、绿球藻属、席藻属、颤藻 属、毛枝藻属和环丝藻属等。 4.原生动物 原生动物是动物界中最低等的单细胞动物,在成熟的生物膜中它们不断捕食生物膜表 面的细菌,因而在保持生物膜细菌处于活性物理状态方面起着积极作用。原生动物或者以 胞饮方式(一部分细胞壁凹入摄取外部环境中大分子并夹紧形成其体内液泡)摄取有机物 质,或者以噬菌的方式吞噬细菌、藥类和其他粒子并消化作为它们的营养物质。在诸如滴 滤池的污水处理生物膜反应器中经常可以观察到原生动物捕食并因此而影响生物膜累积和
6第1章污水处理中的生物膜与生物膜反应器 性能的情况。从微观角度上讲,浮游的原生动物甚至通过在生物膜内运动产生紊动而影响 到生物膜的深处的传质情况。原生动物主要包括鞭毛类、肉足类、纤毛类和孢子类 生物膜中经常出现的原生动物有(俞辉群等,1988):鞭毛类,气球屋滴虫、圆珠背 钩虫、粗袋鞭虫、尾波豆虫、粗尾波虫、侧弹跳虫和活泼锥滴虫等;肉足类,变形虫属 简便虫属和表壳虫属等;纤毛虫类,侧盘盖虫、螅状独缩虫、沟钟虫、钩刺斜管虫、集盖 虫、巧盖虫、八条纹钟虫、有肋盾纤虫和珍珠映毛虫等。在1mL的生物滤池的生物膜污 泥中通常可见肉足类100-4600个,鞭毛虫类200-13000个,纤毛虫类500~1000个,无 论在种属和个数方面,纤毛虫类都占有很大比例。 5.后生动物 后生动物是由多个细胞组成的多细胞动物,属无脊椎型。生物膜中经常出现的有轮虫 类(旋轮虫和蛭型轮虫等)、线虫类(如双胃线虫和杆线虫属)、寡毛类(爱胜蚓、颤蚓 属和水丝蚓属)和昆虫(如毛蠓属)及其幼虫类。 综上所述可见,生物膜上的微生物相十分丰富,形成了由细菌、真菌和藻类到原生动 物和后生动物的复杂的生态体系,这些微生物的出现与是否占优势常与污水水质和生物膜 所处的环境条件相关,如负荷适当时常出现独缩虫属、聚缩虫属、累枝虫属、集盖虫属和 钟虫等;负荷过高,真菌类增加,纤毛虫类在绝大多数情况下消失,可以见到的有屋滴虫 属、波豆虫属、尾波虫属等鞭毛类;负荷较低时可观察到盾纤虫属、尖毛虫属、表壳虫属 和鳞壳虫属。后生动物如轮虫和线虫等大量出现时,能使生物膜快速更新,生物膜中的厌 氧层减少,不会引起生物膜肥厚,且生物膜脱落量也少;如果扭头虫属、新态虫属和贝日 阿托氏菌属等出现时,表明生物膜中的厌氧层增厚等。可见,微生物膜上的生物相可以起 到指标生物的作用,由此可以检查、判断生物膜反应器的运转情况及污水处理效果。 13生物膜反应器 如前所述,污水和其中的污染物的产生是不可避免的,只要存在有机污染物,就会滋 生和繁衍大量以细菌为主体的微生物,在合适的环境条件下只要有附着生长载体存在,细 菌等微生物就会在此载体表面形成生物膜,而生物膜上的微生物通过其自身的新陈代谢就 会分解水中的有机污染物。通过人工强化技术将生物膜引入到污水处理反应器中便形成了 生物膜反应器。从广义上来讲,凡是在污水生物处理的各工艺中引入微生物附着生长载体 (或称之为滤料、填料等,视具体工艺而言)的反应器,本书中均定义为生物膜反应器, 包括以生物膜为主体的生物膜反应器,还包括引入生物膜的复合式生物膜反应器。下面简 要阐述有关生物膜反应器的发展沿革、生物膜反应器的类型与技术现状、生物膜反应器的 技术特征和生物膜反应器的发展趋势,以使读者对此有一个全面而系统的了解。 1.3.1生物膜反应器的发展沿革 生物膜反应器是污水生物处理主要技术之一,它与活性污泥法并列,既是古老的、又 是发展中的污水生物处理技术。 在19世纪末期的1893年,英国进行将污水在粗滤料上喷洒进行净化试验取得了良好 的净化效果,作为生物膜反应器的生物滤池开始问世,并从此开始用于污水处理的实践 在20世纪20-30年代,开始建造了许多生物膜反应器系统,其主要形式就是生物滤
13生物膜反应器7 池。与微生物处于悬浮生长状态的活性污泥法相比,虽然生物滤池具有生物量高和净化效 果较好等优点,但由于其水量负荷和BOD负荷均较低、环境卫生条件也较差、处理构筑 物占地面积较大且有可能被脱落的生物膜堵塞等缺点,在40-50年代生物滤池有逐渐被 活性污泥法取代的趋势。 在此期间,作为生物膜反应器的生物滤池的填料主要是碎石、卵石、炉渣和焦炭等实 心拳状的无机性天然滤料,一般具有比表面积小和空隙率低等缺点。到了60年代,新型 的有机合成材料开始大量生产,广泛使用的有由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的波纹 板状、列管状和蜂窝状等有杋人工合成填料,其比表面积和空隙率大大增加。再加上环境 保护对水质要求的进一步提高,生物膜反应器获得了新的发展。到了70年代,除了普通 生物滤池( Trickling Filters,也称为滴滤池)外,生物转盘(RBC)、淹没式生物滤池 ( Submerged biofilm Reactor)和生物流化( Fluidised Bed)技术都得到了比较多的研究与 应用。近年来,生物膜反应器以其独特的优势更受广大研究者和工程师们的关注,又涌现 出大量新型的单一或复合式生物膜反应器( Hybrid bio-reactors),如微孔膜生物反应器 ( Membrane Biofilm Reactor)、气提式生物膜反应器(Air-lifs)、移动床生物膜反应器 ( Moving Bed Biofilm Reactor)、复合式活性污泥生物膜反应器( Hybrid Activated Sludge Biofilm reactor)、序批式生物膜反应器( Sequencing Batch Biofilm Reactor)、升流式厌氧污 泥床厌氧生物滤池( UASB-AF)及附着生长稳定塘( Attached- -growth ponds),等等。 由此可见,生物膜反应器发展迅速,由单一到复合,有好氧亦有厌氧,逐步形成了 套较完整的污水生物处理工艺系列。 1.3.2生物膜反应器的类型与技术现状 为使读者对生物膜反应器的类型有个概括性的掌握,这里将其系统划分如下: 普通生物滤池好氧 高负荷生物滤池(好氧) 生物滤池塔式生物滤池(好氧) 厌氧生物滤池厌氧 活性生物滤池(好氧) 固定床生物转盘 好氧生物转盘(好氧 厌氧生物转盘(厌氧 淹没式生物滤池(亦称生物接触氧化法)(好氧) 徵孔膜生物反应器(好氧 生物膜反应器 两相流化床(好氧 生物流化末三相流化床好氧 厌氧流化床(厌氧 流动床气提式生物膜反应器好氧 机械搅动床(好氧、厌氧 厌氧生物膜膨胀床(厌氧) 移动床生物膜反应器(好氧、缺氧 根据生物膜反应器内微生物附着生长载体的状态,生物膜反应器可以划分为固定床和