0引言众多研究表明,活性污泥和生物膜复合工艺作为一种新型的污水处理工艺,在提高现有污水处理系统的效能、改善污泥沉降性能、降低污泥产率、增强运行稳定性和节约占地等方面具有显著的优势[1~3]。和单纯的活性污泥或生物膜工艺相比,复合工艺的最大特点是微生物悬浮生长和附着生长共存的系统。在反应器中两种不同生长形态的微生物(生物膜和活性污泥)对限制性底物的利用存在竞争[4];同时二者之间存在物质的交换,如悬浮态污泥向载体表面的附着,脱落的生物膜会进入悬浮态污泥中等。如何定量地描述上述这些过程之间的关系,是深入了解和评价复合工艺性能的关键。以活性污泥的Lawrence-McCarty模式、ASM1数学模型和底物在生物膜内的Fickian扩散理论为基础,研究者主要提出了三种复合工艺的数学模型。1生物膜—活性污泥串联组合模型Gebara于1999年[5]提出了将复合反应器看作是生物膜反应器(反应器1)与活性污泥反应器...
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　　随着我国经济的快速发展，各行各业对于水的的需求越来越大，然而水污染日益严重，对生产和生活构成了很大的威胁。其中，生活废水以其产量大、组成成分复杂、常规处理方法难以去除其污染物等特点而成为中的难题。
　　大连热电股份有限公司北海热电厂中水回用的目的是解决购买城市自来水作为工业用水的资金压力以及发电成本的上升等问题，目标是建立一个规模400t/h的中水回用装置，将大连市春柳河污水处理厂排放水进行反渗透深度处理，作为北海热电厂冷却水及锅炉补给水的源水。而反渗透成功的关键是其前期的预处理工作。本试验是在实验室中做的预处理小试试验的一部分。
　　生物膜法是根据土壤自净原理发展起来的水处理法，它和活性法同属于好氧生物处理方法[1]。与传统的生化相比，生物膜法具有以下特点：附着于填料表面的微生物对废水水质、水量的变化有很强适应性；管理方便，操作简单；能构成稳定的生态系；不造成二次污染[2]。本文利用日本NET公司研制的Biofilter作为生物膜填料，对其在反渗透预处理中的应用效果进行了考察。
　　1&&试验装置与方法
　　1.1&&试验装置
　　试验装置如图1所示，反应器材质为有机玻璃，有效容积18.7 L，采用溢流出水方式控制反应器液位，填料以S形固定在支架上，浸没在反应器中，填料的下方设三根微孔曝气管和两个砂头，为微生物提供必要的溶解氧的同时，在反应器中形成湍流使溶液冲刷填料表面。由恒温器控制生物膜反应器的温度在25 ℃。
　　[img=307,217src=&/neteaseivp/resource/paper/doc//image001.jpg&]/[/img]
　　图1&&试验装置(部分)
　　1-生物膜反应器; 2-上层清液出水口; 3-出水口;4-曝气口；5-进水口；6-进水计量泵；7-空气转子流量计；8-夹子； 9-量筒； 10-进水箱；11-气泵
　　1.2&&生物膜填料
　　Biofilter为日本NET化工公司生产的一种新型生物膜填料，该填料的材质为聚乙烯酯，外形为网状，内部有十字支撑，好，有良好的可伸展性，密度约为0.8 g/cm3，由于该填料有很强的挂膜能力，且挂膜密度大，故长满生物膜后的比重大于1。
　　图2&&Biofilter填料照片
　　1.3&&试验用水
　　& &试验用水为人工配制模拟大连市春柳河污水处理厂二沉池出水。选用蔗糖为碳源，尿素为氮源配水，COD∶N为10∶1，并投加少量的MgCl2、CaCl2、NaCl和KCl以提供微量元素，使用NaHCO3调节pH约为7。初始进水的COD值为200mg/L左右，当处理效果稳定一周后逐步增大进水COD的浓度，每次在原水COD浓度的上增大100mg/L。
　　1.4&&分析方法
　　溶解氧DO、pH、流量，MLSS、MLVSS、进出水及上清液的CODCr、NH4＋-N、NO2－-N、NO3－-N及TN和出水悬浮物SS(滤纸法)的检测方法按照《水和废水检测分析方法》[3]。
　　1.5&&污泥驯化
　　取自大连市春柳河污水处理厂回流污泥池，其MLVSS/MLSS为0.58；污泥颜色发黑，有H2S的臭味。首先将取来的污泥反复淘洗，去掉上层漂浮物和下层大块沉积物，留下颗粒细小的污泥；然后空曝气若干小时，利用内源呼吸作用，使异氧菌自身消耗并去掉有毒物质；最后，把污泥倒入塑料桶中进行间歇培养。
　　由于普通活性污泥以异氧菌为主，硝化菌数量极少，必须要进行驯化培养，才能满足正常硝化的需要。另外，硝化菌为高度好氧菌，专性化能自养，生长缓慢，产率低，对环境条件反应敏感，所以驯化培养的时候要特别注意控制反应条件。用NaHCO3控制pH在7~8，温度维持在25℃左右。连续曝气，每隔一天换一次水。时，停止曝气，污泥沉淀后，倒出上清液的三分之二，换以新配制的水。经数次后，污泥外观颜色转为棕褐色，在显微镜下，可观察到污泥絮体密实，菌胶团透明度高，原生动物较多，主要为钟虫和累枝虫，这说明污泥的驯化培养过程结束。
　　1.6&&载体挂膜
　　所谓载体挂膜就是将培养好的污泥移入反应器中，使菌胶团和少量的细菌截留附着在载体表面，这些固着的微生物将摄取废水中的营养物质，进行新陈代谢等生命活动，并在载体表面生长繁殖，逐渐形成薄的胶质粘膜。随着时间的推移，微生物不断增长，从载体表面向外扩散，逐步覆盖已形成的膜层，进而形成成熟的生物膜[4]。
　　将培养好的污泥倒入反应器中，同时加入碳源、氮源和微量元素，使反应器中的COD∶N=20∶1，调节pH至7.5~8.0，维持反应器温度在25℃ 左右。本实验挂膜方法采用排泥挂膜法[5]，整个挂膜共分两个阶段进行。
　　（1） 静态挂膜期间，不连续进出水，定时向反应器内投加一些营养物质，连续曝气。静态生物挂膜主要起生物接种作用，即将接种污泥加入反应器，为部分污泥截留附着在载体表面并在其上繁殖生长创造适宜的条件，期间每运行到24h重新添加碳源和氮源，静态挂膜一般持续2-3d。
　　（2） 动态挂膜：静态挂膜2-3d后，开始对反应器进行动态挂膜。动态挂膜期间，连续进水和出水。并根据COD的降解情况逐步缩短水力停留时间（从6h开始逐步缩短）。
　　1.7&&生物膜电子显微镜照片观察分析
　　从反应器中取一小部分生物膜，置于电子显微镜（JXA840）下进行不同放大倍数的观察和拍照。通过观察发现反应器中生物膜的微生物分为生物膜微生物和生物膜面生物。
　　2&&试验结果与讨论
　　2.1&&载体挂膜
　　图3为静态挂膜期间的填料照片，从图中可以看出，白色的载体略微变黄，已有部分污泥被附着在填料上。
　　动态挂膜后，可观察到几乎所有载体表面都有浅黄色半透明的生物膜分布，但此时生物膜发育尚不成熟，表现为仅覆盖载体部分表面，厚度较小，絮状物松散，不致密，在此后的运行中，生物膜不断发育，标志生物絮体发育良好的固着型纤毛虫、钟虫的数量也越来越多[6]，大约一个月左右，生物膜发育成熟，此时，生物膜均匀分布于载体表面，越靠近载体表面越致密，反之越松散，同时载体颜色变深，标志整个反应器系统挂膜成功。
　　通过挂膜前后反应器溶液的MLSS，可以计算出填料上所附着活性污泥的质量，进而求出挂膜阶段初期平均每克填料上负载0.42g活性污泥。
　　挂膜2~3星期后，生物膜进入成熟期，此时生物膜生长与衰亡的速率达到平衡，在反应器中形成了稳定的生态，因此对污染物的去除效果趋于稳定。
　　2.2&&污染物质去除效果
　　2.2.1&&生物膜对COD的去除效果
　　从图6可以看出，挂膜后大约两个星期的时间属于停滞期；在这个阶段，细菌不立即生长繁殖，经一段适应期才能在新的环境中生长繁殖，有的细菌产生适应酶，菌体的细胞物质开始增加，细菌总数不增加，有的细菌不适应新环境而死亡，所以，细菌数有所减少，造成COD的去除效果不是十分明显；两个星期后，适应的细菌生长到一定程度便开始细胞分裂，进入加速期；此时细菌的生长繁殖速度逐渐加快，细菌总数迅速增加，生物膜处于高速生长阶段，呈浓密羊毛状，流动性很大，且生物膜已经生长成熟，反应器中形成了稳定的生态体系，反应器有足够的生物活性，对原水COD的处理能力可达90%以上；在运行28d后将原水COD的负荷从250mg/L增加到350mg/L，运行42d后将原水COD的负荷从350mg/L增加到450mg/L，运行56d后将原水COD的负荷从450mg/L增加到600mg/L，以及运行72d后将原水COD负荷从600mg/L增加到700mg/L时，生物膜反应器均需要一定的时间使系统重新达到平衡，实验发现，COD负荷增加以后，需要5d左右的时间使反应器达到平衡，COD的降解能力重新达到90%以上。
　　2.2.2&&生物膜对TN的去除效果
　　从图7可以看出，TN的去除效果不是十分理想。这是由于系统的曝气量为0.2 m3/h，DO平均值为6.0 mg/L，供氧充分，且大曝气量的冲刷作用使得菌胶团较小，主要是好氧菌存在，硝化反应占绝对优势，故反硝化作用不明显，TN去除率较低。
　　2.2.3 出水SS变化效果
　　出水SS是水质一个十分重要的指标，它的大小直接关系着该工艺流程的经济性和可行性。出水SS越小，对二沉池和装置的要求越低，从而降低了成本，具有很高的应用价值。
　　从图8可以看出，出水SS一直保持在100mg/L以下。这是由于Biofilter填料外形为网状，内部有十字支撑，这些特点使得生物膜在填料表面生长得十分牢固，具有很强的耐冲刷能力，不易脱落；而且反应器中存在大量的滤池扫除生物，例如轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕等，它们有去除反应器污泥、防止污泥积聚和堵塞的功能，降低了出水SS[7]。
　　2.3 生物膜电子显微镜照片观察分析
　　生物膜微生物是以菌胶团为主要组分，辅以球衣菌、藻类等。生物膜面生物是固着型的纤毛虫（例如钟虫、累枝虫、独缩虫等）及游泳型纤毛虫（例如楯纤虫、斜管虫、尖毛虫、豆形虫等），它们促进反应器净化速度，提高反应器整体的处理效率；此外，还有大量的滤池扫除生物。
　　图9和图10中分别是通过电子显微镜观察到的生物膜的菌胶团中轮虫和丝状菌的照片。
　　另外，从反应器中取出几块填料，将填料上负载的生物膜用水冲刷掉，取平行样测定生物膜的MLVSS/MLSS，从而推断出生物膜的活性大小；并可以计算出单位质量填料所负载生物膜的质量。本实验测得该填料上所负载生物膜的MLVSS/MLSS=90.1；平均每克填料上负载0.54g生物膜，与挂膜初期阶段相比，平均每克填料上负载的生物膜的量增加了0.12g。以上数据说明Biofilter填料有很强的挂膜能力，单从负载能力来说，Biofilter填料是普通填料的3~5倍；而且从MLVSS/MLSS可以分析出Biofilter填料上所负载的生物膜不仅多，而且有很强的生物活性。
　　3&&结 论
　　（1） 通过实验发现Biofilter填料挂膜速度快，一般只需一周左右的时间即可完成；挂膜能力强，其挂膜能力是普通填料的3~5倍。
　　（2） 在6h的水力停留时间下，对原水COD的处理效果可达90%以上，减少了有机物对的几率。
　　（3） 出水SS始终保持在100mg/L以下，因此对二沉池和膜过滤装置的要求比较小，减少了占积，降低了成本，这被视为是Biofilter填料最大的优点。
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移动床生物膜反应器技术
　　一、概述　　移动床生物膜反应器是近年来颇受重视的一种新型生物膜反应器，是为避免固定床反应器需要定期反冲洗，流化床需使载体流化，生物滤池因阻塞需要清洗滤料、更换曝气器而发展起来的，是悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法相结合的一种生物处理工艺。　 移动床生物膜反应器的填料具有很高的比表面积和与水接近的密度，生物膜能在填料内外表面大量地生长。　 该反应器建造简单、操作方便、不需回流，可以单独使用，也可以组合使用，有机物去除率较高，并且可以实现脱氮除磷，具有很好的发展和应用前景。　　二、原理　　通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体，提高反应器中的生物量及生物种类，从而提高反应器的处理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝气的时候，与水呈完全混合状态，微生物生长的环境为气、液、固三相。载体在水中的碰撞和剪切作用，使空气气泡更加细小，增加了氧气的利用率。另外，每个载体内外均具有不同的生物种类，内部生长一些厌氧菌或兼氧菌，外部为好养菌，这样每个载体都为一个微型反应器，使硝化反应和反硝化反应同时存在，从而提高了处理效果。
　　三、特点　 1. 活性污泥浓度高，可达30～40g/l，是普通活性污泥法的5～10倍，单位池容处理能力大；　 2. 填料不会结团堵塞，无需反冲洗和污泥回流，且不会发生污泥膨胀；　 3. 剩余污泥产率低，节省污泥处理和处置费用；　 4. 系统中同时存在好氧和厌氧两种环境，可以实现生物脱氮除磷；　 5. 抗冲击负荷和毒性负荷能力强；　 6. 传质效果好，氧气利用率高，节省能源；　 7. 实施简单，基本不需要土建施工。 　 四、应用
　现有废水处理设施的扩能改造。浅谈几种生物膜工艺及其在污水处理中的应用
浅谈几种生物膜工艺及其在污水处理中的应用
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摘要：本文主要介绍了几种现今比较常用的生物膜污水处理工艺的特点、原理及其优势所在。包括颗粒型、水力自旋传质填料型、活性污泥一生物膜一体化型、无泡曝气膜型。每种类型都有其特点与适用性，在使用时应该视具体情况进行选择。关键词：生物膜；污水处理工艺1、颗粒型生物膜反应器1.1上流式污泥床（USB）上流式污泥床（USB）是20世纪70年代末由荷兰Lettinga开发的又一项新的颗粒型生物膜反应器，主要用于厌氧生物处理系统中，即
摘要：&本文主要介绍了几种现今比较常用的生物膜污水处理工艺的特点、原理及其优势所在。包括颗粒型、水力自旋传质填料型、活性污泥一生物膜一体化型、无泡曝气膜型。每种类型都有其特点与适用性，在使用时应该视具体情况进行选择。 关键词：&生物膜；污水处理工艺 1、颗粒型生物膜反应器& 1.1上流式污泥床（USB）& 　　上流式污泥床（USB）是20世纪70年代末由荷兰Lettinga开发的又一项新的颗粒型生物膜反应器，主要用于厌氧生物处理系统中，即UASB。它主要由配水系统、污泥床、三相分离器等组成。反应过程中产生的气体将污泥和污水进行充分混合，三相分离器将颗粒污泥、气体和污水进行分离，污泥保留在反应器中，气体和处理后的出水排出反应器。 1.2污泥膨胀床（EGSB）& 　　&2O世纪8O年代后，又出现了新的颗粒污泥反应器，其中以污泥膨胀床（EGSB）和内循环反应器（Ic）最具有代表性。EGSB与USB的结构类似，但其高径比更大，上升流速更快，颗粒污泥处于膨胀状态。& 1.3气提生物膜反应器（BAS）& 　　以上两种是在以前污水处理中应用较多的两种类型，随着技术的进步与提高，在2O世纪8O年代末，一种新型的颗粒型生物膜反应器被开发并应用于&工业&。它与以往的颗粒型生物膜反应器不同的是，混合方式是由外部引入的气体将污泥和污水进行混合，是完全混合的方式，被称为气提生物膜反应器（BAS）。它主要由上升区、下降区和污泥沉降区组成，根据气源的不同，可分为好氧型气提床和厌氧型气提床。其中好氧型的气源为空气，厌氧型的气源一般为惰性气体或循环利用的空气。由于它既可用于好氧处理系统，又可用于厌氧处理系统，因此应用领域非常广泛。& 2.水力自旋传质填料生物膜反应器& 2.1常规填料的主要缺陷：& 　　填料是生物反应器的关键部位，但目前应用中的填料所起的作用却较为单一，只是作为生物的载体，提供反应场所，并为生物反应器提供较高的微生物量，却不能为生物反应创造良好的传质扩散条件。由于结构形式不合理，现有的生物反应填料为混合液提供的流道无&规律&可循，对生物反应过程中流体的流态控制不符合多相流体力学的物系传质机理，使得多相物系之间，即生物细胞与有机底物之间的传质扩散效率不高，从而导致生物底物利用率低、生物反应时间长、能耗大、效率低等现象的出现。& 　　&SCMT（self-circle-mass-transfer）型自旋传质生物载体填料便是针对上述情况开发出一种在形状、结构等方面能够创造和满足反应器内理想传质条件的填料。& 2.2&SCMT的特点及优势：& 　　（1）SCMT型自旋传质填料与常规聚丙烯阶梯环填料相比，具有相近的技术参数，但却能够在保持出水水质的前提下，有效地减少反应时间和降低能耗，通过对对比试验数据的分析认为，其原因在于SCMT型自旋传质填料能够在反应器内创造更为理想的传质条件，提高传质速率，从而减少反应时间，并降低能耗。& 　　（2）SCMT型自旋传质填料在气流作用下的无规则旋转，提高了整个反应器内的水流、气流的紊流程度。SCMT型自旋传质填料可将水中的气泡剪切成更加微小的气泡，增大了传质接触表面，使物相接触表面不断更新，并减小传质接触表面的气膜、液膜厚度，从而提高了传质速度。& 　　（3）使用SCMT型自旋传质填料生物反应器处理城市污水，可以在停留时间为1h，气水比为4：1的情况下，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB）》中规定的二级标准。 3、活性污泥一生物膜一体化反应器： 　　活性污泥一生物膜复合一体化反应器的设计是基于传统的A／O工艺。反应器为同心圆结构，由内到外依次分为厌氧区、曝气区和沉淀区。& 　　该反应器的主要特点是：& 　　（1）反应区和沉淀区在立体空间上的巧妙结合实现了结构的一体化。结构一体化是针对传统污水处理方法通常是由多个单元操作组成的复杂工艺程的弊端而提出和&发展&起来的。传统的污水处理工艺各处理单元分设，必然增加基建投资、污水污泥回流管路设备投资以及占地面积，而结构一体化装置具有工艺简捷、结构紧凑、占地少、管理简便、投资省等优点。& 　　（2）反应器厌氧区采用活性污泥法，曝气区内安装填料，将活性污泥工艺和生物膜工艺有机地融合在同一反应器内来稳定和强化处理效果，实现了两种常规生物处理工艺的一体化。厌氧区采用活性污泥法，便于对泥龄进行控制，有利于除磷菌的生长繁殖。& 　　（3）混合液回流和污泥回流合并为一个系统，节省了一套回流设施，可降低基建投资和运行费用，同时参与回流的污泥均经历了完整的厌氧、好氧过程，具有一种&群体效应&，有利于生物除磷。& 4、无泡曝气膜生物反应器& 4.1工艺原理：& 　　&无泡曝气生物反应器（Membrane&Aeration&Bioiflm&Reactor），简称为MABR，由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给的，中空纤维膜不仅起着供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。为无泡曝气膜生物反应器处理污水原理图。即，纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气．在中空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触．污水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解．从而使污水得到净化。& 4.3无泡曝气的特点:& 　　与常规曝气相比，采用中空纤维膜进行无泡曝气具有如下优点：& 　　①由于曝气不产生气泡，氧直接以分子状态扩散进入生物膜，几乎百分之百地被吸收，传质效率可高达100％，因此溶解氧不再是限制微生物生长的决定因素。& 　　②由于生物膜生长在中空纤维膜的外表面，所以在供氧过程中，生物膜不会受到气体摩擦，不易脱落。& 　　③氧在传递到生物膜的过程中不经过液相边界层，因此，传质阻力比常规曝气法小得多，能耗大大降低。根据PierreCote等的实验，单位处理水量的能耗可比常规生物膜法减少30％左右。& 　　④曝气过程不产生气泡，避免了传统曝气时污水中易挥发性物质如甲苯、苯酚随气泡进入大气而对环境造成的污染：同时不会由于表面活性剂的存在而产生泡沫。& 　　⑤曝气过程中气液两相分离，溶液的混合与供氧互不干扰，因此可以各自独立设计．反应器的形式更加灵活多变。& 　　⑥中空纤维膜的比表面积可高达50l8m2/m3，为氧的传递和生物膜的生长提供了巨大的表面& 　　积，有利于反应器向小型化发展。& 　　⑦MABR反应器中气液两相分离，气体压力不受容器内混合状态的影响．因此．可以通过调节气体压力的办法来控制氧的供应。对于一般废水通过供氧控制，在保证生物膜生长需氧的同时，可以避免因过量曝气而使污水中DO浓度过高，大幅度降低运行费用。对于含氮废水，通过供氧控制只使靠近纤维膜的内层生物膜获得氧，从而达到同时硝化、反硝化和COD去除的效果Timberlak指出此时的生物膜结构如图5。& 参考文献&：& 　　[1]生物膜法新工艺无泡曝气膜生物反应器，郑斐，&工业&用水与废，2004-3。& 　　[2]水力自旋传质填料生物膜反应器处理城市污水，王艺，环境工程学报，2007-4。& 　　[3]颗粒型生物膜反应器在污水处理中的应用，朱钲，环境卫生工程，2006-12。& 　　[4]活性污泥一生物膜一体化反应器处理生活污水性能研究，高旭，安全与环境工程，2007
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