排水工程（水处理工程）

1. 排水工程（水处理工程） 主讲教师： 王培风 浙江水利水电专科学校

2. 第四章 水的生物处理（二）生物膜法 一、概述（生物膜法基本原理、特点） 二、生物膜法处理工艺 • 生物滤池（润壁型生物膜法） • 生物转盘（润壁型生物膜法） • 生物接触氧化（浸没型生物膜法） • 生物流化床（流动床型生物膜法）

3. 一、概述 （一）生物膜法：使微生物在固体介质表面（滤料或某些载体）生长、繁殖，形成膜状活性污泥（生物膜），当污水与之接触时，生物膜上的微生物摄取污水中的有机物为营养，从而使污水得以净化的方法。——自然界土壤自净的（强化）模拟。 （二）生物膜法的分类：根据生物膜与废水的接触方法及接触介质的种类分为3类（润壁型生物膜法、浸没型生物膜法、流动床型生物膜法）

4. 1、润壁型生物膜法：废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，达到污水净化的目的的方法。如生物滤池、生物转盘等。1、润壁型生物膜法：废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，达到污水净化的目的的方法。如生物滤池、生物转盘等。 2、浸没型生物膜法：接触滤料固定在曝气池内，在鼓风曝气作用下，依靠滤料上的生物膜净化废水。如接触氧化法。 3、流动床型生物膜法：使附着有生物膜的活性炭、砂等小粒径接触介质悬浮流动于曝气池内。如生物流化床。 生物滤池是最早的技术，生物转盘、接触氧化法、生物流化床是近几十年的新工艺。

5. （三）生物膜的形成及特点 1、生物膜的形成：在填充了固体介质的净化构筑物中，当有机废水通过介质表面时，在充分供氧的条件下，接种的或原存在于废水中的微生物便以水中的有机物为营养，在介质表面增殖并逐渐在介质表面形成黏液状的、生长有极多微生物的膜，即为生物膜。

6. 2、生物膜的特点（好氧层、厌氧层）： 由于微生物的不断增殖，使生物膜的厚度不断增加，膜的表层吸取营养和溶解氧容易，微生物增长迅速，形成了由好氧微生物和兼性微生物组成的1~2mm厚的好氧层。生物膜的内部由于营养和溶解氧供应条件差，好氧微生物受到抑制，厌氧微生物活性增强，从而形成了以由厌氧、兼性微生物为主的厌氧层。

7. 3、生物膜中物质的迁移 由于生物膜的吸附作用，在其表面有一层很薄的水层，称之为附着水层。附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比滤池进水的有机物浓度低的多。因此，进入池内的废水沿膜面流动时，由于浓度差的作用，有机物会从废水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧在溶入废水后，继而进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成，产生的二氧化碳和其它代谢产物一部分溶入附着水层，一部分析出到空气中去，如此循环往复，使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。

8. 附着水层 流动水层 厌氧 好氧 CO2 CO2 BOD BOD BOD BOD O2 O2 H2O O2 O2 CO2 CO2 NH3 NH3 生物膜 空 气 滤 料

10. （四）、生物膜净化废水的原理 生物膜呈蓬松的絮状结构，微孔多表面积大，具有很强的吸附能力。生物膜微生物以吸附和沉积于膜上的有机物为营养料。增殖的生物膜脱落后进入废水，在二次沉淀池中被截留下来，成为污泥。如果有机物负荷比较高，生物膜对吸附的有机物来不及氧化分解时，能形成不稳定的污沉，这类污泥需要进行再处理。生物膜处理水的NO3-可在2mg／L左右，BOD5去除率为80～90％。若负荷低，废水经过处理后，BOD5可以降到25mg／L以下，硝酸盐(NO3-)含量在10mg／L以上。

11. （五）生物膜法的特征 1、微生物相特征 （1）参与净化反应的微生物多样化（环境稳定、停留时间长） （2）生物的食物链长（从细菌到昆虫） （3）能够存活世代期较长的微生物（生物固体停留时间长，与污水停留时间无关，硝化菌可繁衍、增殖） （4）分段运行各具优占种属（通过条件控制，生物膜法可分段运行，各段都可繁衍与进入本段污水水质相适应的微生物）

12. 2、处理工艺特征 （1）对水质、水量变动有较强的适应性（耐冲击试验证明） （2）污泥沉降性能良好，宜于分离（污泥颗粒大、比重大） （3）能够处理低浓度污水（可将BOD20~30mg/L降至5~10mg/L） （4）易于维护运行、节能（生物滤池靠自然通风供氧）

13. 二、生物滤池 生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉实践基础上，经较原始的间歇砂滤池和接触滤池发展起来的人工生物处理技术，已有百余年的历史。 （一）生物滤池的分类 （按发展历史分类） 1、普通生物滤池（负荷低）（第一代）：水量负荷1~4m3/（m2滤池.d）；BOD负荷0.1~0.4kg/（m3滤料.d）；净化效果好，BOD去除率达90~95%；占地多，易堵塞。

14. 2、高负荷生物滤池（负荷高）（第二代）：水量负荷5~40m3/（m2滤池.d）（是普通负荷的10倍以上）；BOD负荷0.5~2.5kg/（m3滤料.d）；运行条件要求进水BOD在200mg/L以下，因此采用回流水措施。2、高负荷生物滤池（负荷高）（第二代）：水量负荷5~40m3/（m2滤池.d）（是普通负荷的10倍以上）；BOD负荷0.5~2.5kg/（m3滤料.d）；运行条件要求进水BOD在200mg/L以下，因此采用回流水措施。 3、塔式生物滤池（负荷高）（第三代）：构筑物向空间发展，8~24米高，径高比为1：6~1：8，负荷高，通风好，占地少。

15. （二）普通生物滤池 1、组成：生物滤池主要出滤料、池壁、池底，布水设备等组成。 2、滤料 （1）对滤料的要求 a、比表面积大；b、孔隙率高、均匀；c、材质轻、强度高；d、物化性质稳定，对微生物增殖无毒害作用；e、价廉、取材方便 （2）滤料的填充 一般以块状滤料为多，炉渣、石块、焦炭等，总厚度1.5~2.0m，分2层。承托层和工作层，工作层厚度1.3~1.8m，粒径25~40mm；承托层0.2m，粒径70~100mm。

16. 3、池壁 作用：围挡滤料保护布水。为保证布水均匀，池壁应高出滤料层表面0.5~0.9m。 4、池底：包括支撑渗水结构（支撑滤料和渗水，常用混凝土孔板）、底部空间（通风和布气）、排水系统、通风口等 5、布水设备 • 作用：在规定的表面负荷下，将污水均匀地分配到整个滤池表面上。 • 类型：固定式、可动式（旋转布水器，仅用于圆形滤池）（电力驱动、水力驱动）

19. 6、普通生物滤池的设计 （1）设计内容：滤料的选择、滤料容积的计算；池体、池底的设计；布水装置 （2）滤料容积的计算的方法：按负荷率计算（水力负荷1~4、BOD负荷0.1~0.4）

20. （三）高负荷生物滤池 1、构造：基本同普通负荷，滤料粒径大（40~100mm），滤料层厚2~4m。 2、运行特点： （1）负荷高：BOD负荷比普通生物滤池高6~8倍；水力负荷高10倍； （2）回流水措施（稀释进水、冲刷生物膜）：为保证进水BOD不大于200mg/L，常采用回流水措施。

21. （3）回流水的作用（优点）：a、增大水力负荷、促进生物膜的脱落、防止堵塞；b、废水被稀释，降低了基质浓度；c、可向生物滤池连续接种，促进生物膜的生长；d、提高进水溶解氧；e、由于进水量增加，提供了采用旋转布水器的条件；f、防止滤池孳生蚊蝇。缺点：缩短废水在滤池中的停留时间；洒水量大，降低生物膜吸附有机物的速度；回流水中难降解物质产生积累。（3）回流水的作用（优点）：a、增大水力负荷、促进生物膜的脱落、防止堵塞；b、废水被稀释，降低了基质浓度；c、可向生物滤池连续接种，促进生物膜的生长；d、提高进水溶解氧；e、由于进水量增加，提供了采用旋转布水器的条件；f、防止滤池孳生蚊蝇。缺点：缩短废水在滤池中的停留时间；洒水量大，降低生物膜吸附有机物的速度；回流水中难降解物质产生积累。 3、设计计算：池体设计计算、布水器设计计算 （四）塔式生物滤池

22. 布水器 格栅 检修口 塔身 滤料 集水槽 通风口

23. 1、特点 塔式生物滤池系由民主德国化学工程师舒尔兹于1 951年应用气体洗涤塔原理创立的一种新型污水处理构筑物。目前国内已在城市污水和石油化工、焦化、化纤、造纸、针织、冶金等行业的污水处理方面应用。 塔式滤池滤料料的总高度一般为8～1 2米，塔内装有轻质塑料填料或其他填料。污水自上而下滴流，水流紊动剧烈，通风良好。污水，生物膜和空气三者可获得充分接触，加快物质的传质速度和生物膜的更新速度，使单位滤料体引的有机负荷大大提高。 由于污水在塔内的停留时间很短，一般仅为几分钟，因此对有机物的处理往往不够完全，BOD去陆率较低，一般为60～85％。但是，塔式生物滤池对有机负荷和有毒物质的冲击适应性较强，所以，常常被用于高浓度有机工业废水的预处理，以保证第二级生物处理构筑物有稳定的处理效果。

24. （1）工艺特点：塔式滤池水流落差大紊动强烈，使生物膜受到强烈的水力冲刷，从而保持良好的活性，当进水BOD浓度较高时，由于生物膜生长迅速容易引起滤料堵塞，所以进水BOD5值控制在500mg/L以下，否则需采取处理水回流措施；其水力负荷可达80～200m3／(m2d)，为一般高负荷生物滤池的2～10倍，BOD5容积负荷达1000～3000gBOD5／(m3·d)，较高负荷生物滤池高2～3倍；由塔内微生物存在分层的特点，所以能承受较大的有机物和有毒物质的冲击负荷；占地面积小，经常运行费用较低，但基建投资较大，BOD去除率较低，适用于处理城市污水和各种工业有机废水，但只适宜于少量污水的处理。（1）工艺特点：塔式滤池水流落差大紊动强烈，使生物膜受到强烈的水力冲刷，从而保持良好的活性，当进水BOD浓度较高时，由于生物膜生长迅速容易引起滤料堵塞，所以进水BOD5值控制在500mg/L以下，否则需采取处理水回流措施；其水力负荷可达80～200m3／(m2d)，为一般高负荷生物滤池的2～10倍，BOD5容积负荷达1000～3000gBOD5／(m3·d)，较高负荷生物滤池高2～3倍；由塔内微生物存在分层的特点，所以能承受较大的有机物和有毒物质的冲击负荷；占地面积小，经常运行费用较低，但基建投资较大，BOD去除率较低，适用于处理城市污水和各种工业有机废水，但只适宜于少量污水的处理。 （2）构造特点 塔身：平面形状多呈圆形或方形，一般用砖、钢筋混凝土或钢板制成。塔身高8~24m，直径为0.55～3.5m，塔身直径与塔高之比为1：6～8，塔顶高出上层滤料表面0.5m左右，塔身上开有观察窗，供观察、采样和更换滤料用。

25. 滤料：宜于采用轻质滤料，塔内滤料分层装填，每层填料均由钢制格栅承托，每层滤料高度不宜大于2m，以免压坏滤料。层与层之间留有一定空隙，以利布水均匀。滤料：宜于采用轻质滤料，塔内滤料分层装填，每层填料均由钢制格栅承托，每层滤料高度不宜大于2m，以免压坏滤料。层与层之间留有一定空隙，以利布水均匀。 通风与集水设备：滤塔底部设有一集水池，以收集处理水，并由管渠连续排入二沉池或气浮池进行泥水分离。集水池水面以上开有许多通风窗口。为保证空气流畅，集水池最高水位与最下层滤料层底面之间空间高度，一般不应小于0.5m。当污水中含有易挥发的有毒物质时，为防止污染空气，一般应采用机械通风，尾气应经水洗去除有毒物质后才能排入大气。 优缺点：a、处理的污水量大，容积负荷高，占地面积小，经常的运转费用较低。 b、由于塔内微生物存在着分层的特点、所以能承受较大的有机物和有毒物质的冲击负荷。

26. c、由于塔身较高，自然通风良好，氧气供给充足，产泥量比普通活性污泥法少。c、由于塔身较高，自然通风良好，氧气供给充足，产泥量比普通活性污泥法少。 d、当进水的BOD浓度较高时，由于生物膜生长迅速，容易引起滤料堵塞。所以，进水的BOD浓度应控制在500毫克／升以下。否则必须采用处理后的水回流稀释的措施。 e、基建投资较大，BOD去除率较低。 2、塔式生物滤池的计算与设计 （五）生物滤池的运行 1、挂膜与驯化：用取来的活性污泥喷灌滤料并进一步培养挂膜；通过控制进水比例和二沉池出水检测进行驯化 2、运行：控制环境条件、进水有机物浓度、通风条件、进水悬浮物浓度等

27. 三、生物转盘 生物转盘工作原理和生物滤池基本相同，但构造不同。为润壁型旋转式处理设备。 1、生物转盘的工作原理及过程 生物转盘是一个装有很多盘片的水池，水池中充满了待处理的废水，盘片的约一半浸没在废水水面之下，盘片在水平轴的带动下缓慢转动，盘片的作用同生物滤池中填料的作用，其上生长着一层生物膜。当盘片的某一部分浸入废水时，生物膜吸附废水中的有机物，使微生物获得营养，当转出水面时，生物膜又从空气中直接吸收所需的氧气，如此反复循环，使废水中的有机物在好氧微生物的作用下，得到了氧化分解，盘片上脱落下的生物膜在后设的二沉池中去除。生物转盘的最后阶段多半有硝化作用。

28. 单轴单级生物转盘

29. 2、生物转盘工艺的组成：盘片、接触反应槽、转轴、驱动装置2、生物转盘工艺的组成：盘片、接触反应槽、转轴、驱动装置 （1）盘片：一般采用圆形或正多边形平板盘片，也有采用表面波纹板状或两者结合使用的。一般用塑料板、玻璃钢板或金属板材。盘片直径2.0~3.6米，现场制作可达5.0米，盘片标准间距30mm，对多级转盘，前级间距大些25~35mm，后级小些10~20mm。 （2）氧化槽：氧化槽一般做成与盘体外形基本吻合的半圆形，槽底设有排泥和放空管与闸门，槽的两侧面设有进出水设备，常用进出水设备为锯齿形溢流堰。对于多级转盘，氧化槽分为若干格，格与格之间设有导流槽。大型氧化槽一般用钢筋混凝土制成。中小型氧化槽一般用钢板焊制。

30. （3）转动轴：转动轴是支承盘体并带动其旋转的重要部件。转动轴两端安装于固定在氧化槽两端的支座上。转动轴一般采用实心钢轴或无缝钢管。转动轴的长度一般应控制在0.5～7.0米之间。转动轴不能太长，否则往往由于同心度加工不良，容易挠曲变形，发生磨断或扭断。（3）转动轴：转动轴是支承盘体并带动其旋转的重要部件。转动轴两端安装于固定在氧化槽两端的支座上。转动轴一般采用实心钢轴或无缝钢管。转动轴的长度一般应控制在0.5～7.0米之间。转动轴不能太长，否则往往由于同心度加工不良，容易挠曲变形，发生磨断或扭断。 （4）驱动装置：生物转盘的驱动装置包括动力设备和减速装置两部分。动力设备分电力机械传动、空气传动及水力传动等。国内一般采用电力机械传动或空气转动。电力机械传动即用电动机为动力，用链条传动或直接传动。对于大型转盘，一般一台转盘设一套驱动装置。对于中、小型转盘，可由一套驱动装置带动一组(一般为3～4级)转盘工作。空气传动兼有充氧作用，动力消耗较省。

31. 3、生物转盘的特点 （1）适用范围广。可用于生活污水和多种工业污水的处理，可作为污水的二级处理或三级脱氮的处理设备 （2）处理程度较高，出水清澈。 （3）维护管理简单，动力消耗低，卫生条件较好。无盘面堵塞、无苍蝇，无恶臭和低噪声。 （4）通过调节转盘的转速可以控制污水与生物膜的接触时间和曝气强度，运转比较灵活。 （5）承受冲击负荷的能力较强，工作较稳定。 （6）生物膜的培养快，成熟时间短，通常在7～10天内就可完成。 （7）产泥量较少，污泥的沉淀性能较好，易于分离脱水。沉淀速度为0.8～1.20毫米／秒，污泥含水率为95～96％。 （8）容易受低气温的影响，对于北方寒冷地区，生物转盘必须加罩或建在室内，增加基建投资。 （9）对于含有易挥发性有毒物质的工业污水因为挥发出有毒气体，不宜采用生物转盘。

32. 4、生物转盘的布置 生物转盘的布置形式一般分为单轴单级、单轴多级和多轴多级等三种形式。其中单轴单级转盘的处理效果较差，多轴多级转盘需要增加电动机个数或增加传动装置。对于中、小规模处理厂宜采用单轴多级生物转盘。 5、设计计算 （1）生物转盘的组数应不步于2组，并按同时工作设计。当污水量很少，而且允许间歇运行时，可考虑只设l组。 （2）二级处理的转盘设计能力，一般按平均日污水量计算。有季节性变化的污水，应按最大季节的平均日污水量计算。 （3）进入转盘污水的BOD浓度，按经调节沉淀后的平均值计算。 （4）转盘所需面积按BOD面积负荷计算，以水力负荷或停留时间校核。不同性质的污水BOD、水力负荷不同，由实验或经验确定。 （5）转盘的级数不少于三级，转盘的转数0.8~3.0转/分，线速度15~18米/分。 （6）转盘浸没率（转盘浸在水中的面积与总面积之比）20~40%；转盘产泥量0.3~0.5kg污泥/kgBOD5。

34. 四、生物接触氧化池（淹没式生物膜法）

35. 1、工艺特点 供微生物固着生活的填料，全部淹没在污水之中，相当于一种浸没在污水中的生物滤池，所以称为淹没式生物滤池。采用与曝气池相同的曝气方法，提供微生物氧化有机物所需要的氧量，并起搅拌混合作用。相当于在曝气池中添加填料，供微生物栖息，所以又称生物接触氧化池。净化污水除主要依靠填料上的生物膜外，滤池中尚存在一定浓度类似活性污泥的悬浮生物量，它对污水也有一定的净化作用。

36. 所以，生物接触氧化池是一种具有活性污泥法特点的生物膜法处理构筑物。它综合了曝气池和生物滤池两者的优点。可用于污水的二级、三级处理。所以，生物接触氧化池是一种具有活性污泥法特点的生物膜法处理构筑物。它综合了曝气池和生物滤池两者的优点。可用于污水的二级、三级处理。 生物接触氧化池具有容积负荷高，停留时间短，有机物去除效果好，运行管理简单和占地面积小等优点。但如果设计或运行不当容易引起填料堵塞。 淹没式生物滤池在厌氧条件下也可脱氮。 2、构造 生物接触氧化池由池体、滤料、布水装置和曝气系统等部分组成。常用型式有两种（鼓风曝气生物接触氧化池、表面曝气生物接触氧化池）。

37. （1）鼓风曝气生物接触氧化池在填料层下面装有鼓风曝气装置，一般多采用穿孔管曝气装置。填料表面上的生物膜直接受上升气水混合体的强烈搅动，加速生物膜的更新速度，使生物膜经常保持较高的活性，避免填料堵塞。此种形式多作为二级处理设备，进水BOD浓度一般应控制在100～300毫克／升之间。目前，国内污水处理多数采用这种形式。

38. （2）表面曝气生物接触氧化池由充氧间和填料间组成。污水在池内循环流动，气、水和生物膜可得到充分接触，水中溶解氧含量较高，处理效果较好。但因通过填料孔隙的气水混合体的流速较小，对填料表面上的生物膜冲刷作用很小，生物膜一般只能自身脱落。因此，当进水BOD浓度较高时，往往容易造成填料堵塞。所以，仅适用于处理BOD5<100毫克／升的低浓度污水或作为污水三级处理设备。（2）表面曝气生物接触氧化池由充氧间和填料间组成。污水在池内循环流动，气、水和生物膜可得到充分接触，水中溶解氧含量较高，处理效果较好。但因通过填料孔隙的气水混合体的流速较小，对填料表面上的生物膜冲刷作用很小，生物膜一般只能自身脱落。因此，当进水BOD浓度较高时，往往容易造成填料堵塞。所以，仅适用于处理BOD5<100毫克／升的低浓度污水或作为污水三级处理设备。 （3）填料的类型和规格 生物接触氧化池常用蜂窝型硬性填料和纤维型软性填料两种。其中纤维型软性填料是近年来发展的一种新型填料，由化学纤维，如维纶、睛纶、涤纶和锦纶纤维制作而成。在水中处于自由漂动状态。具有不易堵塞和价格低廉的优点，但纤维的使用寿命与处理效果都不如蜂窝型填料。

39. 软性填料

41. 3、设计与计算 （1）生物接触氧化池的个数或分格数应不少于两个，并按同时工作设计。 （2）填料的体积按填料容积负荷和平均日污水量计算。填料的容积负荷一般应通过试验确定。当无试验资料时，对于生活污水或以生活污水为主的城市污水，容积负荷一般为1000～1800克BOD5／米3·日。 （3）污水在滤池内的有效接触时间一般为l～2小时。 （4）进水BOD5浓度应控制在100~250毫克／升范围内。 （5）填料层总高度一般为3米，当采用蜂窝填料时，一般应分层装填，每层高为l米，蜂窝孔径应不小于25毫米。 （6）生物接触氧化池中溶解氧含量一般应维持在2.5～3.5毫克/升之间，气水比为l0～15：l。 （7）为保证布水布气均匀，每格滤池面积一般应不大于25米2。

42. 五、生物流化床 生物流化床以砂、焦炭或活性炭等颗粒材料为载体，水流以一定的速度自下而上流动，使载体处于流化状态。载体表面上的生物膜吸附与氧化污水中的有机物，使污水净化。由于载体不停地流动，从而防止载体被生物膜所堵塞。 国内外的试验研究表明，生物流化床具有BOD容积负荷高，处理效果好，占地少，投资省等优点。

44. 六、曝气生物滤池（BAF）