生物膜法在城市污水處理中的研究

龍 源

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553000）

生物膜法最開始運(yùn)用在工業(yè)廢水處理中，人們不斷研究曝氣生物濾池工藝和高負(fù)荷生物濾池工藝?，F(xiàn)階段，諸多城市面臨淡水資源短缺的難題，促使城市生活污水處理變得十分重要。隨著城市生活污水中的氮、磷含量急劇增加，傳統(tǒng)的活性污泥法難以實(shí)現(xiàn)與時(shí)俱進(jìn)，其處理效果明顯下降。生物膜法逐漸在城市污水處理中占據(jù)主導(dǎo)地位，相關(guān)技術(shù)人員給予高度重視，持續(xù)加強(qiáng)對該技術(shù)的改進(jìn)，其前景一片大好[1-2]。

1 生物膜法工藝概述

1.1 曝氣生物濾池工藝

曝氣生物濾池是一種將生物氧化與懸浮固體同時(shí)進(jìn)行的新技術(shù)。其處理污水的原理是利用反應(yīng)器中濾料的生物膜在水流方向的吸附和降解作用[3]。曝氣生物濾池的主要工藝特點(diǎn)是：耐沖擊性好、處理效果強(qiáng)、去污能力強(qiáng)、出水水質(zhì)好、工藝流程短、無二沉池、氧氣利用率高；較小的濾層阻力；價(jià)格低，性價(jià)比高；獨(dú)特的脈沖反沖洗形式[4-5]。

1.2 高負(fù)荷生物濾池工藝

高負(fù)荷生物濾池可以使用不同的材料?，F(xiàn)階段，生物濾池主要采用高負(fù)荷進(jìn)行處理。高負(fù)荷生物濾池工藝的關(guān)鍵是，讓污泥與生物濾池混合，經(jīng)曝氣與生物吸附，讓廢水中的生物膜沉淀，降解有機(jī)污染物[6]。

1.3 生物膜法的原理及特點(diǎn)

生物膜法是指生物膜先吸附著水層的有機(jī)物，由好氧層的好氧菌將其分解，再進(jìn)入?yún)捬鯇舆M(jìn)行厭氧分解，流動(dòng)水洗刷老化的生物膜，使生物膜生長出新的生物膜，如此反復(fù)達(dá)到凈化污水的目的。其主要具有以下特點(diǎn)：微生物多樣化；微生物量多，設(shè)備處理有效能力大；剩余污泥量少；運(yùn)行管理方便；工藝流程穩(wěn)定；動(dòng)力消耗少。

1.4 濾料的選擇及其作用

微生物在載體表面繁殖且生存[7]。生物膜法是一種新型的微生物處理工藝，可以提高生物膜的處理效果。曝氣生物濾池的核心是濾料。濾料是微生物生存與繁殖的宿主，提供生長環(huán)境，保證存活率，控制數(shù)量；去除廢水中的懸浮物，提高反應(yīng)器出水效率。濾料粒徑一般根據(jù)過濾和沖洗兩方面來確定，先確定石英砂濾料粒徑的大概范圍，后計(jì)算出輕質(zhì)濾料的最大粒徑和重質(zhì)濾料的最小顆粒徑，以防層間嚴(yán)重混雜。鋪裝濾料前，可提高石英砂濾料的最小粒徑值，或降低其最大粒徑值，以便達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。在國內(nèi)，石英砂濾料粒徑范圍一般為0.5 ～0.8 mm，國外所用的石英砂濾料粒徑較小，其有效粒徑為0.40 ～0.45 mm。

濾料具有吸附懸浮物的作用。通過研究分析，固體顆粒只要符合下列要求，都可作為過濾材料：具有機(jī)械強(qiáng)度，防止沖洗固體顆粒時(shí)造成過度損壞；具有良好的化學(xué)性；材料簡單，性價(jià)不高；外形像球，表面粗糙，吸附能力強(qiáng)。

1.5 生物膜的成熟

生物膜是由細(xì)菌和各種微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)，其對有機(jī)物的降解功能都達(dá)到了平衡和穩(wěn)定。對于城市污水來說，在20℃條件下，生物膜從開始形成到成熟，一般需要30 d 左右。其中，微生物高度密集，這些微生物主要起著去除廢水中有機(jī)污染物的作用，形成了有機(jī)污染物-細(xì)菌-原生動(dòng)物的食物鏈。

1.6 生物膜的運(yùn)行原則

生物膜運(yùn)行遵循以下原則：緩減生物膜的老化；抑制厭氧膜的厚度；加快好氧膜的增長；控制好生物膜，使其不集中脫落。

2 生物膜法的效率

2.1 生物膜法的工藝流程

生物膜法與活性污泥法可以溶解有機(jī)污染物。微生物在濾料上不斷繁殖，當(dāng)數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量，就形成生物膜[8]。生物膜上附著微生物，使其吸附和降解有機(jī)污染物的效率提高，達(dá)到凈化作用。微生物在濾料上增長，生物膜厚度變大，將氧氣隔絕，生物膜內(nèi)部形成厭氧環(huán)境。生物膜法工藝由生物濾池工藝、生物轉(zhuǎn)盤工藝、生物接觸氧化法工藝、生物流化床法工藝等組成。

生物濾池是由鵝卵石或塑料等填料組成的處理結(jié)構(gòu)。污水與填料表面附著的微生物膜接觸，在污水凈化中起到一定的作用。生物濾池是根據(jù)土壤自凈原理，由之前的間歇砂濾池和接觸濾池的研究發(fā)展而來的人工生物處理技術(shù)。

生物轉(zhuǎn)盤是一種生物處理結(jié)構(gòu)，由一個(gè)水槽和一個(gè)部分浸在污水中的旋轉(zhuǎn)圓盤組成。污水在沉淀池中經(jīng)過一次處理后，采用生物膜法處理。生物膜上的微生物以補(bǔ)給的形式吸附污水中的有機(jī)污染物，使污水得到凈化。

在生物接觸氧化過程中，微生物所需的氧氣主要通過曝氣風(fēng)機(jī)和曝氣器提供。當(dāng)生物膜的厚度達(dá)到較大程度時(shí)，填料上的微生物會(huì)因缺氧死亡，然后脫落。通過沖洗生物膜脫落的微生物，新生物膜可以取代死亡的老生物膜。然后，掉落下來的生物膜將隨沖洗水沖入污水池，使污水得到凈化。

生物流化床是生物膜法最快捷、最有效的處理工藝。污水自上而下流過砂床，使載體呈流動(dòng)狀態(tài)，使單位時(shí)間內(nèi)生物膜與污水的接觸面積變大，充分供氧時(shí)間增多，提高污水處理效果。

2.2 生物膜法除磷工藝

水中磷含量過高會(huì)導(dǎo)致藻類生長迅速，造成嚴(yán)重的富營養(yǎng)化，整個(gè)生物鏈將被打亂。所以，處理除磷工藝顯然十分重要，而生物膜法具有較好的除磷效果。當(dāng)前，人們要采取有效措施，如控制厭氧條件、充分利用有機(jī)物、調(diào)節(jié)pH 值到中性或微堿性、適當(dāng)提升溫度等，從而降低污水的磷含量，這已然成為防止水體富營養(yǎng)化的重要途徑之一。

2.3 生物膜法脫氮工藝

水中的氮含量過高會(huì)導(dǎo)致植物快速生長，加劇水體富營養(yǎng)化，影響動(dòng)植物的正常生長。因此，脫氮工藝具有重要作用，人們要采取有效措施來控制水體的氮含量。在生物膜法中，脫氮工藝是指有機(jī)氮與氨氮經(jīng)過氨化、硝化和反硝化的作用，轉(zhuǎn)化成氨氣釋放到空氣中[9]。要想進(jìn)一步完善生物膜法脫氮工藝，提升生物脫氮效果，人們就要保證溶解氧濃度、pH 值和反應(yīng)溫度在適宜的范圍。

2.4 生物膜法對重金屬的去除效果

在工業(yè)生產(chǎn)中，含有重金屬的污水一旦未經(jīng)處理而隨意排放，不僅會(huì)污染土壤，還會(huì)污染地表水和地下水，影響水生物生長和人體健康。利用生物膜法去除水中重金屬時(shí)，其去除效果主要取決于生物膜對重金屬的吸附效率。人們要不斷改進(jìn)生物膜法，逐步增強(qiáng)生物膜的重金屬吸附能力，展現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值[10]。

3 生物膜法的對比與改進(jìn)

3.1 生物膜法與活性污泥的對比

與活性污泥法相比，生物膜法的負(fù)荷較高，建設(shè)費(fèi)用較低，耗能較少[11]。目前，生物膜法在實(shí)際應(yīng)用中可以取代活性污泥法，彌補(bǔ)活性污泥法的缺陷，其運(yùn)行管理方便、剩余污泥量少、能耗消耗少。人們要不斷完善生物膜法，積極創(chuàng)新，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高工藝應(yīng)用效果。

3.2 生物膜法的改進(jìn)技術(shù)

生物膜法在我國起步較晚，具有相當(dāng)大的提升空間，存在許多可以優(yōu)化和完善的地方[12]。一是要完善污水處理的應(yīng)用理論知識(shí)，我國目前缺少高負(fù)荷生物濾池工藝和生物曝氣濾池工藝方面的知識(shí)結(jié)構(gòu)和理論，這將會(huì)影響生物膜法的創(chuàng)新發(fā)展；二是要在短時(shí)間內(nèi)完善工藝設(shè)計(jì)，如完善高負(fù)荷生物濾池工藝等，不斷研究生物曝氣濾池工藝負(fù)荷與沖洗的關(guān)系；三是要深入研究高負(fù)荷生物濾池工藝和生物曝氣濾池工藝的濾料，濾料要選用造價(jià)低、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的材料；四是要通過實(shí)踐進(jìn)一步改進(jìn)生物曝氣濾池工藝，使其達(dá)到污水處理要求。

3.3 生物膜法在城市污水處理的運(yùn)用

生物膜法在城市污水處理中可以發(fā)揮極大的作用，人們要不斷改進(jìn)生物膜法[13]。未來，生物膜法將超越活性污泥法，成為城市污水處理的主要工藝。目前，我國污水處理廠數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，人們應(yīng)采取有效的措施，改進(jìn)和完善相關(guān)技術(shù)，有效節(jié)約成本，綜合治理城市污水。

4 結(jié)語

污水處理關(guān)系到城市的長遠(yuǎn)發(fā)展，城市污水成分比較復(fù)雜，人們可以運(yùn)用生物膜法來提高城市污水處理效率[14]。隨著生物膜法研究的不斷深入和創(chuàng)新，未來，其將在城市污水處理中占據(jù)一席之地并發(fā)揮重要的作用。