8第1污水处理中的生物膜与生物膜反应器 流动床两大类。在固定床中附着生长载体固定不动,在反应器内的相对位置基本不变;而 在流动床中附着生长载体不固定,在反应器内处于连续流动的状态。基于操作时是否有氧 气的参与,各生物膜反应器或者处于好氧状态,或者处于缺氧和厌氧状态。 近年来,生物膜反应器已经渗透和复合到污水生物处理的其他工艺中,形成各种各样 的复合式生物膜反应器,其主要类型有 活性污泥-生物膜反应器 复合式生物膜反应器序批式生物膜反应器 升流式厌氧污泥床-厌氧生物滤池 附着生长污水稳定塘 下面对上述各生物膜反应器及技术应用现状加以简要介绍。 1.生物滤池 生物滤池是生物膜反应器的最初形式,随着对其研究的不断深入和实际运行经验的不 断积累,生物滤池已由原来承受较低负荷的普通生物滤池逐步发展成为承受较高负荷的高 负荷生物滤池和塔式生物滤池,此外还有处于无氧操作条件下的厌氧生物滤池和与活性污 泥曝气池串联在起的活性生物滤池。在生物滤池处理污水的过程中,经过预处理的污水 以滴状喷洒在滤池表面,经过一段时间在填料表面形成生物膜,待生物膜成熟后,栖息在 生物膜上的微生物即摄取流经膜表面的污水中的有机物作为营养,从而使污水得以净化。 因为生物滤池已是比较成型的生物膜反应器工艺,近年来人们研究的主要目标是它的 硝化与反硝化功能,如 Parker等人(1997)对两座实际生产规模的用于硝化的生物滤池 的处理效率和生物膜控制技术进行研究,认为控制反冲洗和捕食性做生物可以达到良好的 除氮效果; Palsdottir& Bishop(199)对实际生产规模的塔式生物滤池的研究表明,干 扰硝化进行的主要因素是存在于生物膜内的捕食性蜗牛; arenas等人(1997)推导出了 描述生物滤池的硝化与反硝化过程的动态模式并且由中试规模生物滤池的实验数据进行了 验证,用以预测氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮沿滤池深度和生物膜厚度方向的浓度分布 Schramm等人(1997)经研究发现硝化菌在生物膜表层形成的细胞生物膜较厚,等等。 2.生物转盘 生物转盘亦称旋转生物接触器(RBC),是由一系列平行的旋转圆盘、转动横轴、动 力及减速装置和氧化槽等部分组成。自1954年在当时的西德建造第一套半生产性生物转 盘以来,目前已在国际范围内得到普遍应用。当圆盘面积的40%~50%浸没于污水时,盘 片上的生物膜吸附污水中的有机物,圆盘转动离开污水,生物膜上的固着水层从空气中吸 收氧,被吸附的有机物在微生物酶的作用下氧化分解,从而使污水得到净化,此种操作的 称之为好氧生物转盘。当圆盘面积全部浸于污水中时,由于没有吸氧过程,圆盘盘片仅是 微生物的附着生长载体,此种操作的称之为厌氧生物转盘。 与生物滤池的状况相似,近年来人们多开展RBC用于硝化与反硝化的研究并取得积 极成果( Gupta et al.,1994; Okabe et al.,1996)。 Martin等人(1997)为改进处理生活污 水和工业废水的实际生产规模的三级RBC处理厂,将二次沉淀池污泥进行回流,对BOD 和SS的去除率分别提高约50%和40%。Su& Ouyang(1997)将RBC生物膜引人到厌氧
13生物膜反应器9 缺氧好氧工艺(A3O)中,把较长生物固体停留时间(SRT)的生物膜和较短SRT的悬 浮生长污泥有效地结合在一起,用以去除城市污水中的有机碳、氮和磷带来很大的实际效 益。还有一项对RBC改进的工艺是在RBC后设置固体接(SC燥作单元,即形成RBC/SC 处理系统来提高总的污染物去除效率,如SS、总COD和溶解性COD的去除率可分别提 高26%、18%和17%(d" Antonio et al,1997)。在增加RBC的盘片比表面积和提高生物 膜量方面, Radwan& Ramanujam(1997a,1997b)采用多孔的尼龙纸附着于盘片上,用于 在实验室内处理合成的24二氯酚的研究,并讨论水力负荷、进水浓度和CN比对24 氯酚去除的影响,推导出相应的数学模式。对于超负荷运转的RBC进行补充曝气可改善 其性能并能适应不同的有机负荷率( Surampalli& Bauman,1997)。采用总有机碳(TOC 而非BOD和COD来表达处理高浓度食品加工污水RBC的高负荷率,发现反应器处理效 率和进水的一些参数相关性较好( wilson,1997)。此外,Yeh等人(997)还研究∫流 量与进水有机负荷对厌氧RBC性能的影响,其结论是当水力停留时间HRT=32h时,厌 氧RBC处理进水COD为3248~12150mg/L的高浓度污水非常有效。 3.淹没式生物滤池 淹没式生物滤池亦称生物接触氧化法,1971年在日本首创,近20余年来,该技术在 国内外都得到了广泛的研究与应用,用于处理生活污水和某些工业的有机污水。所谓淹没 式生物滤池就是在池内充填一定密度的填料,污水浸没全部填料并与填料上的生物膜广泛 接触,在微生物新陈代谢功能的作用下,污水中的有机物得以去除,污水得以净化。淹没 式生物滤池多在好氧状态下运行,充氧方式可以是污水预先充氧曝气再流经填料,也可以 是在池内设有人工曝气装置。 由于污水处理厂内传统的悬浮生长工艺占地面积较大,在场地有限的条件下,为较大 程度地去除营养物质,便可考虑釆用类似于淹没式生物滤池的附着生长工艺,如采用较大 比表面积的聚苯乙烯球的 Biostyr反应器系统便使得所设计的处理厂非常紧凑( Borregaard 1997)。有关的实际运行结果表明( Renolds et al.,1997),采用淹没式生物滤池处理污 水,COD去除率大于70%,出水中NHN浓度低于5mg/L,且几乎不含有苯、单体硫、 油脂和酚等污染物。 Terayama等人(1997)对中试规模的淹没式生物滤池和硝化池进行 连续18个月的试验研究表明,BOD和SS的去除率均大于95%,总氮TN的去除率约为 75%,这种独待的硝化技术对于寒冷地区特别适用。采用塑料做为生物膜载体的厌氧好 氧淹没式生物滤池还可有效地处理垃圾渗滤液并抗冲击负荷(Smit,195)。关于pH对 淹没式生物滤池的影响, Villaverde等人(1997)认为具体表现在不适的p值会造成微 生物失活、底物受限制和游离氨的抑制等方面。此外, Sakai等人(1994)还考查了淹没 式滤池采用磁各向异性的管状生物膜载体的情形,因磁力作用,可在15min内于载体表 面形成生物膜,这种反应器在HRT=1h及进水COD为200mg的条件下,总COD去除 率可达80%左右 4.生物流化床与气提式生物膜反应器 生物流化床用于污水处理领域始于70年代初期并率先在美国和日本进行广泛的研究 与应用。所谓生物流化床,就是以砂和活性炭等颗粒物质为载体充填于生物反应器内,因 载体表面附着生长着生物膜而使其质变轻,当污水以一定流速从下向上流动时,载体便处 于流化状态。按照使载体流动的动力来源的不同,生物流化床一般可分为以液流为动力的
10第1章污水处理中的生物膜与生物膜反应器 流化床和以气流为动力的三相流化床两大类。在两相流化床中,按照进入流化床的污水是 否预先充氧曝气,床体又可处于好氧状态和厌氧状态,前者主要用于处理污水中的有机污 染物,而后者则主要用于去除污水中的亚硝酸盐和硝酸盐等 气提式生物膜反应器和机械搅动床是与三相流化床相似的生物膜反应器,只不过是作 用于填料生物膜上的剪切力更大(如前者)或此力来源于空气以外的其他驱动力,如后者 的机械搅拌 近年来,生物流化床已经发展成为一种较有前景的污水生物处理工艺,这主要归因于 反应器内微生物流失速率较低、勿需污泥回流、不堵塞且保持较高的固液接触面积等 ( Cooper& atkinson,1981)。在这类生物膜反应器中,硝化与反硝化仍然是研究者最为 关注的,如 Lazarova等人(1997)曾釆用循环流的气提式生物膜反应器研究其硝化性能, 发现在较高COD/NHN比值的条件下具有较高的硝化速率; Welander等人(1997)采用 悬浮载体生物膜技术用以对垃圾渗滤液进行硝化,在20%℃和水力停留时间HRT=14h时 可达40gNHN/m3h)的硝化速率;运行在负荷率为5 kg NH4-N/(m3h气提式生物膜 反应器在硝化时可达到99%的氨的转化率( Garrido et al.,1997)。此外,流化床与气提式 生物膜反应器的水力学状况也是研究者感兴趣的课题,因为它影响到使载体悬浮的状况和 传质,如 Heijnen等人(1997)推导出内循环式三相气提式生物膜反应器处理污水时的简 化水力学模式; Galema等人(1997)对气提式反应器进行一系列研究,发现水力学状况 和载体颗粒间碰撞控制生物膜的形成,载体的粗糙度越大越利于生物膜的形成,这与Liu (1994)的研究结果一致。再有,有关生物流化床与气提式生物膜反应器的数学模式也是 研究者在一直探讨的课题,如Yu& Rittmann(1997)针对三相流化床的床体高度、气 液固三相所占比例等条件推导出预测污染物去除的数学模式,与试验数据吻合较好 5.厌氧生物膜膨胀床 厌氧生物膜膨胀床是为优化污水处理甲烷发酵工艺于1974年研究和开发出来的,与 生物流化床相似,它也是在多为圆柱形结构的床内填充细小的砂、砾石、无烟煤和塑料等 固体颗粒作为微生物附着生长的载体,但污水从床底部流入时仅使填料层处于膨胀而非流 化状态,即颗粒间仍保持互相接触。曾经有报道表明( Stronach et al,1986),厌氧生物 膜膨胀床处理系统可用来处理多种不同类型的污水,包括生活污水、糖浆发酵污水、合成 污水、牛粪便污水和乳清污水等,对COD小于600mg/L的低浓度污水的处理亦是非常 有效的。 6.微孔膜生物反应器 微孔膜生物反应器是最近几年引起研究者们关注的一种革新的生物膜反应器,它采用 特制的微孔膜使待处理污染物质与微生物分开的方式、通过逆向扩散进行传质并通过微生 物氧化作用去除污水中的有机污染物。该工艺主要用于处理有机工业废水中毒性或挥发性 的有机污染物( Ergas& MacGrath,1997),如在处理含100mg/L甲苯的污水时对甲苯的 去除率达98%以上。采用多孔纤维的微孔膜生物反应器能使O2从膜的一侧透过微孔膜传 到另一侧的生物膜,可大幅度减少O2散逸到空气中的可能性,并使得应用纯氧更为经济 ( Brindle et al,1997)。 Freitas dos santos等人(1997)曾研究两种微孔膜的生物膜反应 器系统,发现生物膜过厚是运行中的主要问题,并提出了相应的控制措施。 Pavasant等人 (1997)曾推导出数学模式用来预测污染物的轴向浓度分布并用试验数据进行了验证,同
L3生物膜反应器1l 时发现该种反应器的限速步骤主要是污染物在生物膜内的传质阻力。 7.移动床生物膜反应器 移动床生物膜反应器是近年来颇受研究者重视的另一种革新型生物膜反应器,它是为 解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使载体流化、淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料 和更换曝气器的复杂操作而发展起来的( Rusten et al,1995)。在移动床生物膜反应器中, 装填有短管状聚乙烯塑料填料,这些填料随反应器內混合液的回旋翻转作用而自由移动 在好氧反应器中这种回旋力是由曝气提升力而提供的,而在缺氧反应器中则来自于机械搅 拌桨。当采用连续流操作方式时,该反应器可成功地用于经初沉后污水的硝化;而当采用 间歇流操作方式时,则又可成功地用于反硝化( Fitch et aL,1998)。该处理工艺可靠,易 于操作,适用于设计小型污水处理厂或改造已有的超负荷运转的活性污泥处理系统 Pastorelli et al., 1997a, 1997b) 8.复合式生物膜反应器 复合式生物膜反应器是近些年来发展较快、引起研究者极大兴趣的复合处理工艺,这 些反应器将各单一操作的优点复合在一起,使反应器的净化功能极大提高。有代表性且进 行深人研究或应用的复合式生物膜反应器主要有复合式活性污泥-生物膜反应器(赵庆良, 1997, uang et al.,1997; Huang&Zhao,1997)、序批式生物膜反应器( Fang et al,1993)、 升流式厌氧污泥床厌氧生物滤池( Lettinga,1993)及附着生长稳定塘(zhao&wang, 1996),详见本书第9章的内容 综上所述,生物膜反应器的类型众多,有的已经多年应用于污水处理的生产实践,有 的则正处于研究阶段或将要应用于实际,还有的只是刚刚于试验室内研究开发出来的新型 工艺有待于进一步总结研究。还应说明的是,上面所述的生物膜反应器尽管多有好氧与厌 氧之分,但即使在好氧生物膜反应器中,好氧与厌氧微生物总是共存的,尤其是对于生物 膜较厚的情况,溶解氧仅能通过扩散达到微生物膜的表层,深层的生物膜通常处于缺氧或 厌氧状态从而伴随发生着厌氧反应过程 1.3.3生物膜反应器的特征 生物膜反应器用于处理污水技术源远流长,近年来,其各种类型又得到比较多的研究 与应用,这主要是因为它与传统的活性污泥法相比操作方便、剩余污泥少、抗冲击负荷和 适用于小型污水处理厂等( Fitch et al,1998)。具体说来,该工艺具有如下几个方面的特 征。 微生物相多样化,生物的食物链长,并能存活世代时间较长的微生物 由于生物膜上的微生物没有象活性污泥法中的悬浮生长微生物那样承受强烈的曝气 搅拌冲击,生物膜反应器为微生物的繁衍、増殖及生长栖息创造了安稳的环境,除大量细 菌生长外,还可能出现大量真菌(丝状菌),线虫类、轮虫类及寡毛虫类出现的频率也较 高。由此看来,生物膜上能够梄息高次水平的生物,在捕食性纤毛虫、轮虫类、线虫类之 上还栖息着寡毛虫和昆虫,因而在生物膜上能形成较长的食物链。又由于生物膜附着生长 在固体填料上,其生物固体平均停留时间(即污泥龄)较长,因此在生物膜上能够生长世 代时间较长、增殖速度慢的微生物,如硝化菌等。 2.微生物量多,处理能力大,净化功能显著提高 由于做生物附着生长并使生物膜具有较少的含水率,单位反应器容积内的生物量可高
12第1章污水处理中的生物膜与生物膜反应器 达活性污泥法的5~20倍,因而生物膜反应器具有较大的处理能力。又由于有世代时间较 长的硝化菌生长繁殖,生物膜反应器不仅能有效地去除有机污染物,而且更具有一定的硝 化功能,因而共净化功能显著提高。 3.污泥沉降性能良好,易于固液分离;剩余污泥产量少,降低污泥处理与处置费用 由生物膜上脱落下来的污泥,因所含动物成分较多和比重较大,且污泥颗粒个体较 大,因而具有良好的污泥沉降性能,易于固液分离。在生物膜中,因较多栖息着高次营养 水平的生物、食物链较长,因而剩余污泥量明显减少,特别是在生物膜较厚时,底部厌氧 层的厌氧菌能够降解好氧过程合成的剩余污泥,从而使总的剩余污泥量大大减少,因而可 减轻污泥处理与处置的费用。 4.耐冲击负荷,对水质、水量变动具有较强的适应性,并能处理低浓度的污水 生物膜反应器受水质、水量变化而引起的有机负荷和水力负荷波动的影响较小,即或 有一段时间中断进水或工艺遭到破坏,反应器的性能亦不会受到致命的影响,恢复起来也 较快。再有,生物膜反应器系统可处理进水BOD低于50-60mg/的污水,使其出水BOD 低至5~10mg/L,这点是活性污泥法无可比拟的。 5.易于运行管理,减少污泥膨胀问题 生物膜反应器由于具有较高的生物量,一般不需要污泥回流,因而不需要经常调整反 应器内污泥量和剩余污泥排放量,易于运行的维护与管理。另外,在活性污泥法中,因污 泥膨胀问题而导致的固液分离困难和处理效果降低一直困扰着操作管理者,而生物膜反应 器由于微生物附着生长,即使丝状菌大量繁殖,也不会导致污泥膨胀,相反还可以利用丝 状菌较强的分解氧化能力,提高处理效果。 除了以上所述好氧生物膜反应器的优点。对于厌氧生物膜反应器来讲,它还有一些独 到的特征:不仅适用于处理城市污水和低浓度有机污水,更适合于处理进水BOD浓度高 达15000mg/L的高浓度有机污水;勿需曝气充氧设备,因而节省能源;有机物容积负荷 率高,一般可达5~10 kg COD/(m3d);去除有机物COD的同时可产生035-045m/gCOD 的沼气;耐冲击负荷能力强,并可降解多种有机污染物。 除上面所述的生物膜反应器的好的特征外,当然它也存在着不足,如需要较多的填料 和支撑结构,在不少情况下基建投资超过活性污泥法;出水常常携带较大的脱落的生物膜 片,大量非活性细小悬浮物分散水中使处理水的澄清度降低;厌氧生物膜反应器启动需时 较长且处理水往往达不到排放标准等。但综合比较起来,生物膜反应器还是有着活性污泥 法等其他处理工艺不可代替的优势。 134生物膜反应器的发展趋势 由于生物膜反应器本身内在的优点,近年来国内外一些专家学者均对此进行更为深入 的研究,内容涉及到生物膜载体的开发与改良、微生物在载体表面的固定机理与技术、生 物膜增长与对有机物的去除等,因而使得对生物膜反应器的研究进一步向纵深发展。 随着对生物膜的有关特征的认识和基础理论研究的逐步加深,已有的实际应用工艺诸 如生物滤池和生物转盘等更趋于日臻完善,更出现了生物流化床和微孔膜生物反应器等新 型的生物膜反应器工艺与系统,同时亦有研究者将生物膜的优势引入到悬浮生长污水处理 系统形成各种组合工艺,充分利用各自的优点。在去除污染物方面,研究者从去除不同来 源的有机物、营养物方面更是取得了丰硕的成果