生物膜法處理工藝在生活污水處理中的應(yīng)用

    在污水生物處理的發(fā)展和應(yīng)用中，活性污泥和生物膜法一直占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著新型環(huán)保填料的開發(fā)和配套技術(shù)的不斷完善，與活性污泥法平行發(fā)展起來的生物膜法處理工藝在近年來得以快速發(fā)展。由于生物膜法具有處理效率高，耐沖擊負荷性能好，產(chǎn)泥量低，占地面積少，便于運行管理等優(yōu)點，在城市生活污水處理中極具競爭力。

　　1、生物膜法污水處理：

　　生活污水的有機污染物主要包括：蛋白質(zhì)(40%-60%)，碳水化合物(25%-50%)和油脂(10%)，此外還含有一定量的尿素。生物膜法依靠固定于載體表面上的微生物膜來降解有機物，由于微生物細胞幾乎能在水環(huán)境中的任何適宜的載體表面牢固地附著、生長和繁殖，由細胞內(nèi)向外伸展的胞外多聚物使微生物細胞形成纖維狀的纏結(jié)結(jié)構(gòu)，因此生物膜通常具有孔狀結(jié)構(gòu)，并具有很強的吸附性能。生物膜附著在載體的表面，是高度親水的物質(zhì)，在污水不斷流動的條件下，其外側(cè)總是存在著一層附著水層。生物膜又是微生物高度密集的物質(zhì)，在膜的表面上和內(nèi)部生長繁殖著大量的微生物及微型動物，形成由有機污染物→細菌→原生動物(后生動物)組成的食物鏈。生物膜是由細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物和其他一些肉眼可見的生物群落組成。其中細菌一般有：假單苞菌屬、芽苞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬和動膠菌屬以及球衣菌屬，原生動物多為鐘蟲、獨縮蟲、等枝蟲、蓋纖蟲等。后生動物只有在溶解氧非常充足的條件下才出現(xiàn)，且主要為線蟲。污水在流過載體表面時，污水中的有機污染物被生物膜中的微生物吸附，并通過氧向生物膜內(nèi)部擴散，在膜中發(fā)生生物氧化等作用，從而完成對有機物的降解。生物膜表層生長的是好氧和兼氧微生物，而在生物膜的內(nèi)層微生物則往往處于厭氧狀態(tài)，當(dāng)生物膜逐漸增厚，厭氧層的厚度超過好氧層時，會導(dǎo)致生物膜的脫落，而新的生物膜又會在載體表面重新生成，通過生物膜的周期更新，以維持生物膜反應(yīng)器的正常運行。

　　生物膜法通過將微生物細胞固定于反應(yīng)器內(nèi)的載體上，實現(xiàn)了微生物停留時間和水力停留時間的分離，水處理填料的存在，對水流起到強制紊動的作用，同時可促進水中污染物質(zhì)與微生物細胞的充分接觸，從實質(zhì)上強化了傳質(zhì)過程。生物膜法克服了活性污泥法中易出現(xiàn)的污泥膨脹和污泥上浮等問題，在許多情況下不僅能代替活性污泥法用于城市污水處理廠的二級生物處理，而且還具有運行穩(wěn)定、抗沖擊負荷強、更為經(jīng)濟節(jié)能、具有一定的硝化反硝化功能、可實現(xiàn)封閉運轉(zhuǎn)防止臭味等優(yōu)點。通過人工強化作用將生物膜引入到城市生活廢水處理的污水處理反應(yīng)器中，便形成了生物膜反應(yīng)器。生物膜反應(yīng)器發(fā)展迅速，由單一到復(fù)合，有好氧也有厭氧，逐步形成了一套較完整的生物處理系統(tǒng)。填料是生物膜技術(shù)的核心之一，它的性能對城市生活污水處理工藝過程的效率、能耗、穩(wěn)定性以及可靠性均有直接關(guān)系。

　　2、厭氧生物膜法處理工藝在生活污水處理中的應(yīng)用：

　　(1)、高分子有機物的厭氧降解階段：

　　在廢水的厭氧處理過程中，廢水中的有機物經(jīng)大量微生物的共同作用，被最終轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳、水、硫化氫和氨，高分子有機物的厭氧降解過程可以被分為四個階段。

　　水解階段：高分子有機物因相對分子質(zhì)量巨大，不能透過細胞膜，因此不可能為細菌直接利用。因此它們在第一階段被細菌胞外酶分解為小分子。例如纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被蛋白酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過細胞膜為細菌所利用。

　　發(fā)酵(或酸化)階段：在這一階段，上述小分子的化合物在發(fā)酵細菌(即酸化菌)的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡單的化合物并分泌到細胞外。這一階段的主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸(簡寫作VFA)、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等。與此同時，酸化菌也利用部分物質(zhì)合成新的細胞物質(zhì)，因此未酸化廢水厭氧處理時產(chǎn)生更多的剩余污泥。

　　產(chǎn)乙酸階段：在此階段，上一階段的產(chǎn)物被進一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細胞物質(zhì)。

　　產(chǎn)甲烷階段：這一階段里，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質(zhì)。

　　在以上階段里，還包含著以下這些過程：a、水解階段里有蛋白質(zhì)水解、碳水化合物的水解和脂類水解；b、發(fā)酵酸化階段包含氨基酸和糖類的厭氧氧化與較高級的脂肪酸與醇類的厭氧氧化；c、產(chǎn)乙酸階段里有從中間產(chǎn)物中形成乙酸和氫氣和由氫氣和氧化碳形成乙酸；d、甲烷化階段包括由乙酸形成甲烷和從氫氣和二氧化碳形成甲烷。除以上這些過程之外，當(dāng)廢水含有硫酸鹽時還會有硫酸鹽還原過程。

　　(2)厭氧生物膜法處理工藝：

　　a、厭氧濾器(AF)：

　　傳統(tǒng)的好氧生物系統(tǒng)一般容積負荷在2KgCOD/(m3·d)以下，而在AF發(fā)明之前的厭氧反應(yīng)器一般容積負荷也在4-5kgCOD/(m3·d)以下。但AF在處理溶解性廢水時負荷可高達10-15kgCOD/(m3·d)。因此AF的發(fā)展大大提高了城市生活廢水處理的厭氧反應(yīng)器的處理速率，使反應(yīng)器容積大大減少。由于采用了生物固定化的技術(shù)，AF作為高速厭氧反應(yīng)器，使污泥在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間(SRT)極大地延長。SRT的提高可以大大縮短廢水的水力停留時間(HRT)，從而減少反應(yīng)器容積，或在相同反應(yīng)器容積時增加處理的水量。這種采用生物固定化延長SRT，并把SRT和HRT分別對待的思想推動了新一代高速厭氧反應(yīng)器的發(fā)展。SRT的延長實質(zhì)是維持了反應(yīng)器內(nèi)污泥的高濃度，在AF內(nèi)，厭氧污泥的濃度可以達到10-20gVSS/L。AF內(nèi)厭氧污泥的保留由兩種方式完成：其一是細菌在AF內(nèi)固定的填料表面(也包括反應(yīng)器內(nèi)壁)形成生物膜；其二是在填料之間細菌形成聚集體。高濃度厭氧污泥在反應(yīng)器內(nèi)的積累是AF具有高速反應(yīng)性能的生物學(xué)基礎(chǔ)，在一定的污泥比產(chǎn)甲烷活性下，厭氧反應(yīng)器的負荷與污泥濃度成正比。同時，AF內(nèi)形成的厭氧污泥較之厭氧接觸工藝的污泥密度大、沉淀性能好，因而其出水中的剩余污泥不存在分離困難的問題。由于AF內(nèi)可自行保留高濃度的污泥，也不需要污泥的回流。

　　在AF內(nèi)，由于填料是固定的，廢水進入反應(yīng)器內(nèi)，逐漸被細菌水解酸化、轉(zhuǎn)化為乙酸和甲烷，廢水組成在不同反應(yīng)器高度逐漸變化。因此微生物種群的分布也呈現(xiàn)規(guī)律性。在底部(進水處)，發(fā)酵菌和產(chǎn)酸菌占有最大的比重，隨反應(yīng)器高度上升，產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌逐漸增多并占主導(dǎo)地位。細菌的種類與廢水的成分有關(guān)，在已酸化的廢水中，發(fā)酵與產(chǎn)酸菌不會有太大的濃度。細菌在反應(yīng)器內(nèi)分布的另一特征是反應(yīng)器進水處(例如上流式AF的內(nèi)部)細菌由于得到營養(yǎng)最多因而污泥濃度最高，污泥的濃度隨高度迅速減少。污泥的這種分布特征賦予AF一些工藝上的特點。首先，AF內(nèi)廢水中有機物的去除主要在AF底部進行(指上流式AF)，AF反應(yīng)器在1m以上COD的去除率幾乎不再增加，而大部分COD是在0.3m以內(nèi)去除的。因此在一定的容積負荷下，淺的AF反應(yīng)器比深的反應(yīng)器能有更好的處理效率。其次，由于反應(yīng)器底部污泥濃度特別大，因此容易引起反應(yīng)器的堵塞。堵塞問題是影響AF應(yīng)用的最主要問題之一。據(jù)報道，上流式AF底部污泥濃度可高達60g/L。厭氧污泥在AF內(nèi)的有規(guī)律分布還使得反應(yīng)器對有毒物質(zhì)的適應(yīng)能力較強，可以生物降解的毒性物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)的濃度也呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，加之厭氧生物膜形成各種菌群的良好共生體系，因此在AF內(nèi)易于培養(yǎng)出適應(yīng)有毒物質(zhì)的厭氧污泥。例如在處理三氯甲烷和甲醛廢水中，發(fā)現(xiàn)AF反應(yīng)器內(nèi)的污泥產(chǎn)生了良好的適應(yīng)性，這些有毒物質(zhì)的去除效果和允許的進液濃度逐漸上升。AF同時也具有較大的抗沖擊負荷能力。一般認為在相同的溫度條件下，AF的負荷可高出厭氧接觸工藝2～3倍，同時會有較高的COD去除率。

　　AF在應(yīng)用上的問題除了堵塞和由局部堵塞引起的溝流以外，另一個問題是它需要大量的填料，填料的使用使其成本上升。由于以上問題，國外生產(chǎn)規(guī)模的AF系統(tǒng)應(yīng)用也不是很多。

　　作為升流式厭氧濾池的革新技術(shù)——厭氧膜床，采用較大顆粒及孔隙率的填料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小粒徑填料，有效地解決了反應(yīng)器的堵塞問題。厭氧膜床具有如下特點：

　　·有效克服了厭氧濾池易堵塞和出水水質(zhì)差的缺點；

　　·生物固體濃度高，因此可獲得較高的有機負荷；

　　·在厭氧膜床內(nèi)微生物通過附著在填料表面形成生物膜，以及懸浮于填料孔隙間形成細菌聚集體，因此在厭氧膜床內(nèi)可以保持較高的生物量。因此可縮短水力停留時間，耐沖擊負荷能力較強；

　　·啟動時間短，停止運行后再啟動也較容易；

　　·不需要回流污泥，運行管理方便；

　　·在水量和負荷有較大變化的情況下，耐沖擊性較好。

　　b、厭氧流化床反應(yīng)器(AFBR)：

　　在流化床系統(tǒng)中依靠在惰性的填料微粒表面形成的生物膜來保留厭氧污泥，液體與污泥的混合、物質(zhì)的傳遞依靠使這些帶有生物膜的微粒形成流態(tài)化來實現(xiàn)。

　　流化床反應(yīng)器的主要特點可歸納如下：

　　流態(tài)化能最大程度使厭氧污泥與被處理的廢水接觸；由于顆粒與流體相對運動速度高，液膜擴散阻力小，且由于形成的生物膜較薄，傳質(zhì)作用強，因此生物化學(xué)過程進行較快，允許廢水在反應(yīng)器內(nèi)有較短的水力停留時間；克服了厭氧濾器堵塞和溝流問題；高的反應(yīng)器容積負荷可減少反應(yīng)器體積，同時由于其高度與直徑的比例大于其它厭氧反應(yīng)器，因此可以減少占地面積。

　　但是，厭氧流化床反應(yīng)器存在著幾個尚未解決的問題。其一，為了實現(xiàn)良好的流態(tài)化并使污泥和填料不致從反應(yīng)器流失，必須使生物膜顆粒保持均勻的形狀、大小和密度，但這幾乎是難以做到的，因此穩(wěn)定的流態(tài)化也難以保證。其次，一些較新的研究認為流化床反應(yīng)器需要有單獨的預(yù)酸化反應(yīng)器。同時，為取得高的上流速度以保證流態(tài)化，流化床反應(yīng)器需要大量的回流水，這樣導(dǎo)致能耗加大，成本上升。由于以上原因，流化床反應(yīng)器至今沒有生產(chǎn)規(guī)模的設(shè)施運行。有人認為它在今后應(yīng)用的前景也不大。

　　c、厭氧附著膜膨脹床反應(yīng)器(AAFEB)：

　　厭氧附著膜膨脹床是Jewell等人在1974年研究和開發(fā)出來的一種污水處理工藝。與生物流化床相比，區(qū)別在于載體的膨脹程度。以填料層高度計，膨脹床的膨脹率約為10%～20%，此時顆粒間仍保持互相接觸，而流化床則為20%～70%。通過對比厭氧膨脹床、滴濾池和活性污泥法等工藝的經(jīng)濟性，發(fā)現(xiàn)對于小型污水處理廠而言，厭氧膨脹床后續(xù)滴濾池的設(shè)計是最為經(jīng)濟的選擇，能耗量少，污泥產(chǎn)率量低。但目前此工藝仍主要停留在小試和中試研究階段。綜上所述，采用厭氧生物膜反應(yīng)器為主體的厭氧處理技術(shù)，作為生活污水處理的核心方法，在技術(shù)上已經(jīng)成熟，并且較之其它方法有獨到的一些優(yōu)勢。但是，厭氧方法在濃縮營養(yǎng)物(氮和磷)方面效果不大，同時它僅能除去部分病源微生物。此外，殘存的BOD、懸浮物或還原性物質(zhì)可能影響到出水的質(zhì)量。所以厭氧生物膜反應(yīng)器要成為完整的環(huán)境治理技術(shù)，合適的后處理手段必不可少。

　　3、好氧生物膜法處理技術(shù)——生物接觸氧化：

　　生物接觸氧化法是由生物濾池和接觸曝氣氧化池演變而來的。早在20世紀30年代，已在美國出現(xiàn)生產(chǎn)型裝置。當(dāng)時的生物接觸氧化池，填料的材質(zhì)是砂石、竹木制品和金屬制品，主要用于低濃度、低有機負荷的城市生活廢水處理，它克服了活性污泥法在處理此類污水時，因污泥流失而不能維持正常運行的缺點，并取得了較好的效果。進入70年代，隨著大孔徑、高比表面積的蜂窩直管填料和立體波紋塑料填料的出現(xiàn)，使生物接觸氧化法的應(yīng)用范圍得到拓寬，它不僅可用于處理生活污水，而且可用于處理高濃度有機廢水和有毒有害工業(yè)廢水，與其他生物處理方法相比，在處理效果、動力消耗、經(jīng)濟效益和管理維護等方面都明顯優(yōu)于活性污泥法。

　　與活性污泥法比較，生物接觸氧化具有以下主要優(yōu)點：

　?、偕锝佑|化法以填料作為載體，供生物群棲息生長，形成穩(wěn)定的生態(tài)體系，有較高的微生物濃度，一般可達10～20g/l；氧的利用率高，可達10%。具有較高的耐沖擊負荷能力和對環(huán)境變化的適應(yīng)能力，剩余污泥量少。

　?、谏锝佑|氧化法可以充分利用絲狀菌的強氧化能力且不產(chǎn)生污泥膨脹。并且不需要象活性污泥法那樣采用污泥回流以調(diào)整污泥量和溶解氧濃度，易于管理和操作。隨著十余年的大量實踐，對氧化池結(jié)構(gòu)形式、填料的品種和安裝方式、供氣裝置的種類和布置形式等方面進行了不斷創(chuàng)新、不斷優(yōu)化。

　　目前，生物接觸氧化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用處理生活污水、生活雜用水和不同有機物濃度的工業(yè)廢水。