淺談幾種生物膜工藝及其在污水處理中的應(yīng)用

摘要： 本文主要介紹了幾種現(xiàn)今比較常用的生物膜污水處理工藝的特點、原理及其優(yōu)勢所在。包括顆粒型、水力自旋傳質(zhì)填料型、活性污泥一生物膜一體化型、無泡曝氣膜型。每種類型都有其特點與適用性，在使用時應(yīng)該視具體情況進(jìn)行選擇。
關(guān)鍵詞： 生物膜；污水處理工藝

1、顆粒型生物膜反應(yīng)器
1.1上流式污泥床（USB）
　　上流式污泥床（USB）是20世紀(jì)70年代末由荷蘭Lettinga開發(fā)的又一項新的顆粒型生物膜反應(yīng)器，主要用于厭氧生物處理系統(tǒng)中，即UASB。它主要由配水系統(tǒng)、污泥床、三相分離器等組成。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體將污泥和污水進(jìn)行充分混合，三相分離器將顆粒污泥、氣體和污水進(jìn)行分離，污泥保留在反應(yīng)器中，氣體和處理后的出水排出反應(yīng)器。
1.2污泥膨脹床（EGSB）
　　 2O世紀(jì)8O年代后，又出現(xiàn)了新的顆粒污泥反應(yīng)器，其中以污泥膨脹床（EGSB）和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（Ic）最具有代表性。EGSB與USB的結(jié)構(gòu)類似，但其高徑比更大，上升流速更快，顆粒污泥處于膨脹狀態(tài)。
1.3氣提生物膜反應(yīng)器（BAS）
　　以上兩種是在以前污水處理中應(yīng)用較多的兩種類型，隨著技術(shù)的進(jìn)步與提高，在2O世紀(jì)8O年代末，一種新型的顆粒型生物膜反應(yīng)器被開發(fā)并應(yīng)用于 工業(yè) 。它與以往的顆粒型生物膜反應(yīng)器不同的是，混合方式是由外部引入的氣體將污泥和污水進(jìn)行混合，是完全混合的方式，被稱為氣提生物膜反應(yīng)器（BAS）。它主要由上升區(qū)、下降區(qū)和污泥沉降區(qū)組成，根據(jù)氣源的不同，可分為好氧型氣提床和厭氧型氣提床。其中好氧型的氣源為空氣，厭氧型的氣源一般為惰性氣體或循環(huán)利用的空氣。由于它既可用于好氧處理系統(tǒng)，又可用于厭氧處理系統(tǒng)，因此應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。
2.水力自旋傳質(zhì)填料生物膜反應(yīng)器
2.1常規(guī)填料的主要缺陷：
　　填料是生物反應(yīng)器的關(guān)鍵部位，但目前應(yīng)用中的填料所起的作用卻較為單一，只是作為生物的載體，提供反應(yīng)場所，并為生物反應(yīng)器提供較高的微生物量，卻不能為生物反應(yīng)創(chuàng)造良好的傳質(zhì)擴(kuò)散條件。由于結(jié)構(gòu)形式不合理，現(xiàn)有的生物反應(yīng)填料為混合液提供的流道無 規(guī)律 可循，對生物反應(yīng)過程中流體的流態(tài)控制不符合多相流體力學(xué)的物系傳質(zhì)機(jī)理，使得多相物系之間，即生物細(xì)胞與有機(jī)底物之間的傳質(zhì)擴(kuò)散效率不高，從而導(dǎo)致生物底物利用率低、生物反應(yīng)時間長、能耗大、效率低等現(xiàn)象的出現(xiàn)。
　　 SCMT（self-circle-mass-transfer）型自旋傳質(zhì)生物載體填料便是針對上述情況開發(fā)出一種在形狀、結(jié)構(gòu)等方面能夠創(chuàng)造和滿足反應(yīng)器內(nèi)理想傳質(zhì)條件的填料。
2.2 SCMT的特點及優(yōu)勢：
　?。?）SCMT型自旋傳質(zhì)填料與常規(guī)聚丙烯階梯環(huán)填料相比，具有相近的技術(shù)參數(shù)，但卻能夠在保持出水水質(zhì)的前提下，有效地減少反應(yīng)時間和降低能耗，通過對對比試驗數(shù)據(jù)的分析認(rèn)為，其原因在于SCMT型自旋傳質(zhì)填料能夠在反應(yīng)器內(nèi)創(chuàng)造更為理想的傳質(zhì)條件，提高傳質(zhì)速率，從而減少反應(yīng)時間，并降低能耗。
　　（2）SCMT型自旋傳質(zhì)填料在氣流作用下的無規(guī)則旋轉(zhuǎn)，提高了整個反應(yīng)器內(nèi)的水流、氣流的紊流程度。SCMT型自旋傳質(zhì)填料可將水中的氣泡剪切成更加微小的氣泡，增大了傳質(zhì)接觸表面，使物相接觸表面不斷更新，并減小傳質(zhì)接觸表面的氣膜、液膜厚度，從而提高了傳質(zhì)速度。
　?。?）使用SCMT型自旋傳質(zhì)填料生物反應(yīng)器處理城市污水，可以在停留時間為1h，氣水比為4：1的情況下，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）》中規(guī)定的二級標(biāo)準(zhǔn)。
3、活性污泥一生物膜一體化反應(yīng)器：
　　活性污泥一生物膜復(fù)合一體化反應(yīng)器的設(shè)計是基于傳統(tǒng)的A／O工藝。反應(yīng)器為同心圓結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外依次分為厭氧區(qū)、曝氣區(qū)和沉淀區(qū)。
　　該反應(yīng)器的主要特點是：
　?。?）反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)在立體空間上的巧妙結(jié)合實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的一體化。結(jié)構(gòu)一體化是針對傳統(tǒng)污水處理方法通常是由多個單元操作組成的復(fù)雜工藝程的弊端而提出和 發(fā)展 起來的。傳統(tǒng)的污水處理工藝各處理單元分設(shè)，必然增加基建投資、污水污泥回流管路設(shè)備投資以及占地面積，而結(jié)構(gòu)一體化裝置具有工藝簡捷、結(jié)構(gòu)緊湊、占地少、管理簡便、投資省等優(yōu)點。
　?。?）反應(yīng)器厭氧區(qū)采用活性污泥法，曝氣區(qū)內(nèi)安裝填料，將活性污泥工藝和生物膜工藝有機(jī)地融合在同一反應(yīng)器內(nèi)來穩(wěn)定和強(qiáng)化處理效果，實現(xiàn)了兩種常規(guī)生物處理工藝的一體化。厭氧區(qū)采用活性污泥法，便于對泥齡進(jìn)行控制，有利于除磷菌的生長繁殖。
　?。?）混合液回流和污泥回流合并為一個系統(tǒng)，節(jié)省了一套回流設(shè)施，可降低基建投資和運(yùn)行費(fèi)用，同時參與回流的污泥均經(jīng)歷了完整的厭氧、好氧過程，具有一種"群體效應(yīng)"，有利于生物除磷。
4、無泡曝氣膜生物反應(yīng)器
4.1工藝原理：
　　 無泡曝氣生物反應(yīng)器（Membrane Aeration Bioiflm Reactor），簡稱為MABR，由中空纖維膜填料部分和水流部分組成。生物膜所需要的氧氣是通過纖維束填料供給的，中空纖維膜不僅起著供氧作用，同時又是固著生物膜的載體。為無泡曝氣膜生物反應(yīng)器處理污水原理圖。即，純氧或空氣通過中空纖維膜的微孔為生物膜進(jìn)行無泡曝氣．在中空纖維膜的外側(cè)形成的生物膜與污水充分接觸．污水中所含的有機(jī)物被生物膜吸附和氧化分解．從而使污水得到凈化。
4.3無泡曝氣的特點:
　　與常規(guī)曝氣相比，采用中空纖維膜進(jìn)行無泡曝氣具有如下優(yōu)點：
　　①由于曝氣不產(chǎn)生氣泡，氧直接以分子狀態(tài)擴(kuò)散進(jìn)入生物膜，幾乎百分之百地被吸收，傳質(zhì)效率可高達(dá)100％，因此溶解氧不再是限制微生物生長的決定因素。
　?、谟捎谏锬どL在中空纖維膜的外表面，所以在供氧過程中，生物膜不會受到氣體摩擦，不易脫落。
　　③氧在傳遞到生物膜的過程中不經(jīng)過液相邊界層，因此，傳質(zhì)阻力比常規(guī)曝氣法小得多，能耗大大降低。根據(jù)PierreCote等的實驗，單位處理水量的能耗可比常規(guī)生物膜法減少30％左右。
　?、芷貧膺^程不產(chǎn)生氣泡，避免了傳統(tǒng)曝氣時污水中易揮發(fā)性物質(zhì)如甲苯、苯酚隨氣泡進(jìn)入大氣而對環(huán)境造成的污染：同時不會由于表面活性劑的存在而產(chǎn)生泡沫。
　?、萜貧膺^程中氣液兩相分離，溶液的混合與供氧互不干擾，因此可以各自獨立設(shè)計．反應(yīng)器的形式更加靈活多變。
　?、拗锌绽w維膜的比表面積可高達(dá)50l8m2/m3，為氧的傳遞和生物膜的生長提供了巨大的表面
　　積，有利于反應(yīng)器向小型化發(fā)展。
　　⑦M(jìn)ABR反應(yīng)器中氣液兩相分離，氣體壓力不受容器內(nèi)混合狀態(tài)的影響．因此．可以通過調(diào)節(jié)氣體壓力的辦法來控制氧的供應(yīng)。對于一般廢水通過供氧控制，在保證生物膜生長需氧的同時，可以避免因過量曝氣而使污水中DO濃度過高，大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用。對于含氮廢水，通過供氧控制只使靠近纖維膜的內(nèi)層生物膜獲得氧，從而達(dá)到同時硝化、反硝化和COD去除的效果Timberlak指出此時的生物膜結(jié)構(gòu)如圖5。
參考文獻(xiàn) ：
　　[1]生物膜法新工藝無泡曝氣膜生物反應(yīng)器，鄭斐， 工業(yè) 用水與廢，2004-3。
　　[2]水力自旋傳質(zhì)填料生物膜反應(yīng)器處理城市污水，王藝，環(huán)境工程學(xué)報，2007-4。
　　[3]顆粒型生物膜反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用，朱鉦，環(huán)境衛(wèi)生工程，2006-12。
　　[4]活性污泥一生物膜一體化反應(yīng)器處理生活污水性能研究，高旭，安全與環(huán)境工程，2007