生物膜法在市政污水處理中的應用研究進展

鐘仁超

貴州協同建筑設計有限公司 貴州貴陽 550002

生物膜處理技術是一種固定膜處理技術，微生物以膜狀附著生在填料表面，污水流經生物膜表面時，利用生物膜吸附污水中的有機物并進行生物氧化，達到凈水的目的。

1 生物膜法工藝原理分析

生物膜法的核心在于其微生物的生長方式為附著生長，不同于活性污泥法的懸浮生長。微生物附著生長，并形成了一定厚度的膜，這種方式使得生物膜法普遍具有較長的食物鏈和種類更為豐富的微生物種類，帶來的好處是這類工藝污泥量更少，耐沖擊負荷性能更優[1]。生物膜法中還能滋生絲狀菌且不會出現污泥膨脹現象，因此生物膜法還能處理低濃度污水，適應目前普遍存在進水濃度低、水量波動大的應用環境。

1.1 生物膜法微生物相方面特征

生物膜法是相對于活性污泥法而言，活性污泥發法微生物在池內懸浮生長，生物膜法中微生物是附著在載體表面生長。不同的生長方式造就了不同的微生物相方面的特征，相比于懸浮生長，附著生長的生物膜存在以下一些特征：

首先，生物膜中能形成比懸浮生長方式更長的食物鏈，不但能出現輪蟲等后生動物，甚至還能出現蚊、蠅等小型昆蟲，生物膜可以看成是一個微型的生態系統，從細菌、真菌、原生動物、后生動物一直到小型昆蟲，這是活性污泥法所不能具備的。由于食物鏈比較長，因此其微生物種類也明顯多于懸浮生長工藝。

其次，生物膜從開始形成，到具有一定厚度，再到成熟、老化脫落有一個過程。污水和氧一般滲入到生物膜表面2mm深度位置，因此生物膜表面2mm左右主要棲息著好氧微生物，再往里面棲息著缺氧和厭氧微生物，好氧、缺氧和厭氧微生物共存，不再需要人為地通過控制曝氣來實現好氧、缺氧和厭氧環境。

第三，絲狀菌是活性污泥法發生污泥膨脹的重要原因，然而由于是附著生長，生物膜工藝中即使滋生大量的絲狀菌，也不會隨水流漂走造成污泥膨脹，而且絲狀菌可以在濃度較低、水相對比較干凈的環境下生長，給生物膜法工藝帶來特有的優勢。

1.2 生物膜法工藝方面特征

基于以上微生物相方面的特征，生物膜法在工藝性能方面具有獨特的優勢，也存在一些劣勢。

由于食物鏈長、生物膜中厭氧層厚度遠大于好氧層，因此老化脫落的生物膜一般比活性污泥更為密實，污泥量少，不會出現污泥膨脹現象，泥水分離效果好，出水效果優。由于食物鏈長、微生物種類多，使得生物膜法工藝耐沖擊負荷性能好，水質水量大幅度波動也不至于出現微生物集中死亡或者出水水質大受影響的情況發生。由于絲狀菌等真菌的合理生長又不會導致污泥膨脹，使生物膜法能處理微污染水，一方面絲狀菌能消化吸收一部分污染物質，另一方面絲狀菌結成的網狀菌體還能起到過濾凈化的效果。進一步優化了出水水質。

雖然生物膜法具備以上諸多優點，但實際上的應用卻遠不及活性污泥法廣泛，其主要原因還是工藝存在的一些缺點：由于生物膜存在形成—成熟—脫落等生長周期，因此處理效果上會有周期性的不穩定現象存在；厭氧微生物降解效率相對于好氧微生物低，且附著生長方式在微生物、氧、有機物三者接觸的程度方面要劣于懸浮生長的活性污泥，因此其總體處理效率、負荷率不及活性污泥法[2]。某些傳統的生物膜如普通濾池等存在散發臭味、滋生蚊蠅等情況，其衛生環境較差。

1.3 生物膜法應用展望

經過二十年左右的快速建設，我國鄉鎮及以上級別的城鎮基本已污水處理工程，大多數都采用了活性污泥法工藝。然而發現許多污水處理工程由于水量波動大、進水濃度低而導致污水處理廠不能正常運行，在這種情況下，我們有必要把目光轉向生物膜法，重新研究生物膜工藝的發展前景，依托近幾年材料工業的新發展和生物膜工藝的新進展，做到既能發揮其優勢，又能最大限度地避免其劣勢，讓其在未來市政污水處理工程建設中發揮更好的作用。

2 生物膜法在市政污水處理中的應用

2.1 高負荷生物濾池技術

高負荷生物濾池是專門為市政污水處理而開發的工藝。該工藝需要加入大量的濾料，微生物附著在填料上形成穩定的生物膜處理系統，同時增加了生物與水的接觸面積，從而達到凈化的目的。濾料不同，生物濾池的處理效率也不同，應用較多的是卵石、塑料，主要原因是它的價格相對低廉。高負荷生物濾池目前主要用于處理污水中的難降解有機物，生化需氧量（BOD5）的去除率一般保持在50%以下。高負荷生物濾池中的關鍵環節是將污泥和生物濾池混合，然后曝氣，同時進行生物吸附，有效降解有機污染物，這樣縮短了反應池中水力停留時間，大多高負荷生物濾池的停留時間一般控制在1h左右，而且其處理負荷要高于普通濾池。隨著市政污水處理難度及處理要求的不斷提高，有關高負荷生物濾池的研究越來越多，高負荷生物濾池具有負荷高、工程成本低、能耗較低的特點。有研究表明，高負荷生物濾池與傳統活性污泥法相比可減少20%的資金投入，而且比傳統活性污泥法操作更簡便、運行更穩定，抗沖擊負荷更強，出水效果更好，其出水中SS濃度可降低至15mg/L以下[3]。但高負荷生物濾池還需要解決一些自身的缺點，如濾料間的空隙和進水有機物的含量比例，其比例的失調會影響濾料孔隙，空隙過小或者進水負荷過高都會導致生物膜無法順利脫落或者會過度生長，反而會堵塞生物濾池，降低污水處理效果。

2.2 生物轉盤技術

生物轉盤是生物膜法的一個過程，是對生物膜法的優化。生物轉盤表面可形成穩定的生物膜，污水中的污染物通過與污水接觸可被降解轉化。微生物將一些有機污染物轉化為它們需要的營養物質，有機污染物得到凈化。生物轉盤工藝出現于20世紀50年代，首先在德國進行了生物轉盤的試驗，隨后該工藝在其他地區得到了廣泛的推廣。生物轉盤工藝具有能耗低、運行簡便等優勢，但其造價和運行成本較高，大規模應用困難較大。研究指出，我國生物轉盤技術應用實例的設計處理規模可以達到4萬t/d，轉盤的直徑為3m，每臺轉盤的面積大約為1600m2。在轉盤之間還需要設置鼓風機。此外，為了保證處理效果，生物轉盤通常設置于室內。隨著生物轉盤工藝應用的增多，研究不斷深入，自動化技術不斷提升，生物轉盤工藝有了更大的進步，運行成本更低，操作更為簡便，為污水處理提供了更多的技術支持。

2.3 曝氣生物濾池（BAF）技術

曝氣生物濾池（BAF）作為一種利用BAF輔助廢水處理反應的處理技術，兼具對懸浮顆粒物的截留和生物氧化降解作用，可為廢水后續處理有效節約成本。通過該技術可有效去除SS、COD、BOD等，是膜生物反應技術中使用比較普遍的一種技術方法。近年來，BAF技術的改進得到了充分的研究與發展，內循環BAF技術就是該研究方面的代表成果。內循環BAF技術解決了制約BAF技術處理效率的關鍵因素，相較于傳統BAF技術具有更高的處理效率、處理量和穩定性。大量學者就內循環BAF工藝的處理效果做了深入研究[4]。通過內循環BAF處理煉油污水的實驗發現，在進水中各類污染物質量濃度不穩定的情況下，經內循環BAF技術處理后的出水水質十分穩定，同時相較于傳統BAF工藝抗沖擊負荷能力更強，處理容量更大；使用內循環BAF技術對煉廠重油裂解廢水處理進行中試實驗，對于含有高濃度硫化物、NH3-N和COD等污染物的煉廠重油裂解廢水，通過該技術僅經兩級處理，硫化物的平均去除率達到90%以上，NH3-N的平均去除率達到60%以上，COD的平均去除率達80%以上，使出水污染物濃度符合排放標準。通過目前內循環BAF技術的研究進展和應用來看，內循環BAF是一種穩定且高效的污水處理技術，對于高濃度污水處理的效果顯著。同時，隨著研究的不斷深入，技術的不斷成熟，內循環BAF技術在中國高濃度污廢水的處理中擁有廣闊的應用前景和較大的發展意義。

2.4 生物接觸氧化（BCO）技術

生物接觸氧化是生物膜處理技術中廣泛應用的工藝，是指在生物反應池中安裝一些固定填料，在反應池中進行曝氣處理，為微生物提供良好的生長繁殖環境，微生物大量的以膜狀生物污泥（生物膜）的狀態附著在填料上，進而通過填料上高密度的生物膜來實現污染物的降解。該技術可通過調整填料的數量和材料來提高生物膜上的微生物數量和附著密度，因此該技術一般具有處理效率高、生物量大、填料比表面積大、生物污泥密度高等特點。就目前而言，生物接觸氧化與其他處理技術的組合工藝一直是比較熱門的研究課題，張文德等以模擬生活污水為研究對象，進行了A/O生物接觸氧化—人工濕地組合工藝生活污水處理實驗，結果顯示各污染物降解效果顯著，出水水質穩定在《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準的規定限值內，在城鎮污水處理方面有巨大的應用價值。近年來，材料領域發展勢頭迅猛，生物接觸氧化技術的填料類型越來越豐富，與此同時，基于新材料的新問題也不斷涌現，且新填料帶來處理效率提高的同時往往會引起處理成本的提升，經濟性與技術性的平衡點仍需要不斷研究探索。

3 生物膜法在市政污水處理中應用的有效措施

3.1 選用更優的填料

生物膜法長期得不到重用的一大原因是填料問題，傳統的填料比重大、孔隙率低，微生物密度低，導致容積負荷低，為達到同樣的處理程度，必須配備更大的池體空間，大大增加了土建成本。過去幾年，隨著化學工藝、材料工業的快速發展，出現了許多質輕、價廉、孔隙率大、生化性質穩定的新型填料，在工藝設計時要多關注填料的進展，優化選擇。

3.2 出水回流

在運行管理上，為了避免生物膜出現堵塞、集中脫落等影響運行穩定性的因素，工藝設計中可設置出水回流裝置來實現對生物膜保持一定強度的沖刷，盡可能使生物膜長期保持在合理的厚度。

3.3 提高自動化水平

科學地運行管理是發揮污水處理廠環保功能的重要因素之一，小規模城鎮污水處理廠往往缺乏專業水平比較高的運行管理人員，因此在生物膜法工藝污水處理建設時應盡可能應用自動控制、遠程控制、無人值守等新技術。

3.4 低溫地區抗凍技術

生物膜法如濾池、生物轉盤等工藝在低溫地區要注意保溫、防止冰凍，在設計時可采用室內布置、轉盤加保護殼等方式實現。

3.5 進一步提高負荷

污水處理負荷是衡量生物膜法工藝性能的一個重要指標，隨著新型填料的使用，生物膜工藝的負荷已得到大大提升。主要通過提高生物密度，增加接觸反應面積、控制生物膜厚度避免其老化等措施。

4 結語

生物膜法在污水處理微生物相和工藝方面具有獨特的優勢，隨著相關科技的不斷發展，生物膜工藝獲得了進一步發展的契機，采取合理的措施可以實現充分發揮其獨特優勢又能抑制其劣勢，目前由于管網問題導致的污水廠進水沖擊負荷大、進水濃度低的情況出現。