水 质 工 程 学

1. 国家级精品课程 水 质 工 程 学 第18讲-【流化床、生物膜运行】 主讲教师：杨庆

2. 原理及应用 工艺及应用 主要内容 • 概述 • 生物膜法的基本概念 • 生物膜的增长及动力学* • 生物滤池 • 生物转盘 • 生物接触氧化法 • 生物流化床 • 其他新型生物膜反应器和联合处理工艺 • 生物膜法的运行管理

4. 在工艺方面 • 使用多种型式的填料，填料表面布满生物膜，微生物丰富，能生长氧化能力较强的球衣菌属的丝状菌。正是由于丝状菌的大量滋生，形成一个呈立体结构的密集的生物网，污水在其中通过，起到类似“过滤”的作用，提高净化效果； • 通过曝气，在池内形成液、固、气三相共存体系，有利于氧的转移，适于微生物存活增殖，使池内保持较高浓度的活性生物量。

5. 在功能方面 具有多种净化功能，除有机污染物，如运行得当可脱氮，可作为三级处理技术。 缺点 • 去除有机物效率不如活性污泥法高，工程造价也较高； • 如设计或运行不当，填料可能堵塞; • 布水、曝气不易均匀，可能在局部出现死角; • 大量产生的后生动物易造成生物膜瞬时大量脱落，影响出水水质。

6. 4、生物接触氧化处理技术的工艺流程 一般可分为：一段(级) 、二段(级)和多段(级)处理流程。 二沉池 初沉池 生物接触氧化池 处理水 原污水 排泥 生物接触氧化技术一段(级)处理流程

7. 原污水经初次沉淀池预处理后进入接触氧化池，出水经过二次沉淀池进行泥水分离后作为处理水排放，从填料上脱落的老化生物膜，作为剩余污泥排出系统。

8. 两段接触氧化池串联运行，更能适应原水水质的变化，使处理水水质趋于稳定。其中间可设有中间沉淀池或免设。 原污水 处理水 二沉池 初沉池 一级接触 氧化池 中沉池 二级接触 氧化池 排泥 生物接触氧化技术二段(级)处理流程

9. 多段(级)生物接触氧化是由连续串联3座或3座以上的接触氧化池组成的系统 原污水 处理水 二沉池 初沉池 一级接触 氧化池 二级接触 氧化池 n级接触 氧化池 生物接触氧化技术多段处理流程 排泥 • 前端接触氧化池内的微生物处于对数增殖期的末期和减速增殖期的前期，生物膜增长较快，BOD负荷率较高，有机物降解速率也较大。 • 串联运行的后续接触氧化池内微生物处于减衰增殖期的后期或内源呼吸期，生物膜增长缓慢，处理水水质逐步提高。

10. 第七节 生物流化床 • 概述 • 生物流化床的构造 • 生物流化床的特点 液流动力流化床 • 生物流化床的工艺类型 气流动力流化床 机械搅拌流化床

11. 脱膜装置 载体分离区 载体 处理水 原水 泵 脱除生物膜 空气 7.1 概述 生物流化床（Biological Fluidised Bed）是在20世纪70年代初由美国首先开始对其进行研究和应用。 所谓生物流化床，就是以砂、活性炭、焦炭一类的较小的惰性颗粒为载体充填在床体内，因载体表面覆盖着生物膜而使其质变轻，污水以一定流速从下向上流动，使载体处于流化状态。

12. 特点概述 利用流态化的概念进行传质操作，是一种强化生物处理、提高微生物降解有机物能力的高效生物处理工艺，克服了作为固定床生物膜法容易堵塞的弊病。

13. 7.2 生物流化床的构造 由床体、载体、布水装置、充氧装置和脱膜装置等组成 平面多呈圆形，多由钢板焊制，需要时也可以由钢筋混凝土浇灌砌制。 床体 石英砂，无烟煤，焦炭，颗粒活性炭，聚苯乙烯球 载体

14. 当进水流量不断增加而使床断面流速大于临界流速时，滤床高度不断增加，载体流化程度加大当进水流量不断增加而使床断面流速大于临界流速时，滤床高度不断增加，载体流化程度加大 载体流化的过程 当进入床底部的污水使床断面流速等于临界流速时，滤床开始松动，载体开始流化 脱膜装置 载体分离区 载体 处理水 原水 泵 脱除生物膜 空气

15. 载体流化的过程 脱膜装置 载体颗粒不再为床底所承托,而为液体流动对载体产生的上托力所承托，在载体下沉力和流体上托力平衡时，整个滤床内颗粒出现流化状态。 载体分离区 载体 处理水 泵 原水 脱除生物膜 空气 此时，滤床膨胀率通常为20%～70%，颗粒在床中做无规则运动，载体颗粒的整个表面都将和污水相接触，使滤床内载体具有更大的接触面积。

16. 布水装置 均匀布水是生物流化床能够发挥正常净化功能的重要环节，特别是对液动流化床(二相流化床)更为重要。布水装置又是填料的承托层，在停水时，载体不流失，并易于再次启动。 圆锥布水结构 泡罩分布板 多孔板 加砾多孔板

18. 脱膜装置 及时脱除老化的生物膜，使生物膜经常保持一定的活性，是生物流化床维持正常净化功能的重要环节。 脱膜装置 脱膜装置主要用于液动流化床，可单独另行设立，也可以设在流化床的上部。 载体分离区 载体 处理水 泵 原水 脱除生物膜 空气

19. 利用叶轮旋转产生的剪切使生物膜与载体分离；利用叶轮旋转产生的剪切使生物膜与载体分离； • 脱落的生物膜从沉淀分离室的排泥管排出； • 载体沉降返回流化床体。

20. 7.3 生物流化床的特点 在生物流化床中，生物膜随载体颗粒在水中呈悬浮状态，加之反应器中同时存在或多或少的游离生物膜和菌胶团，故它同时具备悬浮生长法的一些特征。 从本质上讲，生物流化床是一类既有固定生长法特征又有悬浮生长法特征的反应器，在微生物浓度、传质条件、生化反应速率等方面有一些优点。

21. 除了具有生物膜法的优点之外 • 生物量大，容积负荷高 小粒径固体颗粒作载体，为微生物提供巨大的表面积，使微生物浓度可达4～10g/L，容积负荷可达3～6kg/(m3·d)，甚至更高。 • 微生物活性高 由于不断相互碰撞和摩擦，生物膜厚度较薄，一般在0.2m以下，且较均匀。在相同条件下，生物膜呼吸率约为活性污泥两倍，微生物活性较强，故流化床负荷较高。

22. 传质效果好 流态化为反应器创造了良好的传质条件，气—固—液界面不断更新，氧与基质的传递速率均明显提高，有利于污染物的吸附和降解，加快反应速率。 对于像食品、酿造这类可生化性较好的工业废水，生化反应速率较快，在传质上的优势更能明显体现。 • 反应器容积小及占地面积小，节省投资

23. 尽管生物流化床具有上述的诸多优点，且近年来应用范围和规模都日益扩展，但其普及程度始终远不及活性污泥法、生物接触氧化法。在投资和运转费用方面，根据国外的比较，生物流化床投资及占地面积仅相当于传统活性污泥曝气池的70％和50％，但运转费用却相对较高，这主要缘于载体流化的动力消耗。

24. 7.4 生物流化床的工艺类型

25. 液流动力流化床（二相流化床） 以液流（污水）为动力使载体流化，在流化床内只有污水(液相)与载体(固相)相接触 脱膜后载体 附有生物膜的载体 脱除的生物膜 脱膜设备 充氧设备 在单独的充氧设备内对污水进行充氧 处理水 生物流化床 回流水 泵 二沉池 原水 空气或纯氧

26. 经过充氧后的污水与回流水的混合液，从底部通过布水装置进入流化床，缓慢而又均匀地沿床体横断面上升，一方面推动载体使其处于流化状态，另一方面又广泛、连续地与载体上的生物膜相接触。

27. 脱膜设备 附有生物膜的载体 脱膜后载体 脱除的生物膜 充氧设备 处理水 生物流化床 回流水 二沉池 泵 原水 空气或纯氧 本工艺以纯氧或空气为氧源，原污水与部分回流水在专设的充氧设备中与氧或空气相接触，氧转移至水中。 处理后的污水从上部流出床外，进入二次沉淀池，分离脱落的生物膜，处理水得到澄清。 在流程中另设脱膜装置，脱膜装置间歇工作，脱除老化生物膜的载体再次返回流化床，脱除下来的生物膜作为剩余污泥排出系统外。

28. 气流动力流化床（也称之为三相流化床） 载体分离区 • 以气体为动力使载体流化，液、气、相三相相互接触； • 空气由输送混合管的底部进入，在管内形成气、液、固混合体，空气起到扬水作用，混合液上升，气、液、固三相间产生强烈的混合与搅拌作用， 流化床 处理水 原污水 二沉池 污泥排放 载体下降区 输送混合管 空气 载体之间也产生强烈的摩擦作用，外层生物膜脱落，输送混合管起到了脱膜作用.

29. 一般不采用处理水回流，但当原污水浓度较高时，可考虑处理水回流，稀释污水。一般不采用处理水回流，但当原污水浓度较高时，可考虑处理水回流，稀释污水。 • 技术关键：防止气泡在床内合并，形成大气泡，影响充氧效果。 • 可采用减压释放充氧，采用射流曝气充氧也有一定效果。

30. 高速去除有机污染物； • 便于维护运行，对水质、水量变动有一定适应性； • 占地少，相同条件下，设备占地面积只为活性污泥法的1/5～1/8。 工艺优点 • 脱落在处理水中的生物膜，颗粒细小，用单纯沉淀法难于全部去除， • 如在其后用混凝沉淀法或气浮法进行固液分离，则能够取得优质的处理水。 工艺缺点

31. 机械搅拌流化床（也称悬浮粒子生物膜处理工艺）机械搅拌流化床（也称悬浮粒子生物膜处理工艺） • 结构:分反应室与固液分离室两部分，中央接近于处理水底部安装有叶片搅拌机，由电动机驱动，带动载体转动，使其呈流化悬浮状态。 • 载体：粒径为0.1～0.4mm之间的砂、焦炭或活性炭，粒径小于一般的载体。 • 充氧：采用普通的空气扩散器装置。 M 反应室 处理水 分离室 分离室 空气 原污水 空气扩散装置

32. 特征： • 降解速率高，反应室单位容积载体的比表面积大； • 用机械搅拌的方式使载体流化、悬浮、反应可保持均一性，生物膜与污水的接触效率高。

33. 生物膜法处理工艺的缺点 • 固定床反应器需定期反冲洗; • 流化床需使载体流化; • 淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料、更换曝气器的复杂操作.

34. 第八节 其他新型生物膜反应器和联合处理工艺 移动床生物膜反应器 微孔膜生物膜反应器 • 其他新型生物膜反应器 复合式生物膜反应器 • 生物膜/悬浮生长联合处理工艺

35. 7mm 10mm 8.1 其他新型生物膜反应器 移动床生物膜反应器（Moving-Bed Biofilm Reactor, MBBR） 有固定膜填料的活性污泥工艺——《废水工程》 穿孔板栅网 原水 在稳态运行条件下，当反应器承受较高的有机负荷时，表现出良好的有机物去除速率。 处理水 塑料填料 曝气装置 空气 好氧移动床生物膜反应器 该处理工艺可靠，易于操作，适用于小型污水处理厂或超负荷运转的活性污泥处理系统的改造。

39. 复合式生物膜反应器 • 在活性污泥曝气池中投加（如粉末活性碳、无烟煤、多孔泡沫塑料等）载体，在悬浮MLSS基础上，可固定的MLSS达2～19g/L，提高了生物量。 • 活性污泥和生物膜共同去除有机物。 • 生物膜厚度很大程度上取决于曝气强度或由曝气而引起的水力剪切力。

40. 序批式生物膜反应器（Sequencing Biofilm Batch Reactor，简称SBBR） 在序批式活性污泥反应器中引入生物膜。兼具序批式活性污泥法的特征和生物膜反应器所固有的优点。 出水 进水 进水 进水 进水 出水 可透过性膜 流动填料 固定填料 循环泵 供氧 循环泵 供氧 进气 进气 排水 排水 搅拌器 b）固定填料 a）流动填料 c）微孔膜式 载体有软纤维填料、聚乙烯填料和活性炭等。在净化功能方面，该工艺可用于脱氮除磷和去除难降解有机物，并具有更强的抗冲击负荷能力等。

41. 微孔膜生物膜反应器

42. 微孔膜生物反应器的净化原理与过程 为避免有毒挥发性污染物与微生物直接接触，解决传统生物膜反应器中空气吹脱引起的污染物挥发问题。 原水 • 常用逆向扩散的方式，即含挥发性有机物的污水与营养物基质分开，有机物从微孔膜内侧向生物膜扩散； • 空气从微孔膜外侧向生物膜扩散，两者在生物膜内相聚并在微生物作用下使污染物降解。 处理水 底物 O2 空气 曝气装置

43. 8.2 生物膜/悬浮生长联合处理工艺 • 起源：20世纪70年代中期，新型滤料使普通生物滤池的有机负荷能高于传统石质滤料滤池的10～15倍，并没有臭味和堵塞问题。故高负荷普通生物滤池可后续活性污泥工艺。 • 综合优点，克服弱点。两类工艺联合具备普通生物滤池简单、抗冲击负荷与维护管理方便的特点和活性污泥工艺出水水质好、硝化效果好的特点。 分两类：复合式、串联式

45. 1、活性生物滤池（ABF） 将生物滤池与活性污泥曝气池串联运行形成组合的生物膜-活性污泥工艺。 特点：将生物滤池的部分出水回流，汇同二沉池的回流污泥一起进入生物滤池。 滤料 泵 处理水 原水 初沉池 曝气池 二沉池 混合池 回流污泥 剩余污泥 初沉污泥

46. 活性生物滤池（ABF）的净化机理 • 吸附-合成：进水中大量有机物先在此被活性污泥吸附、氧化，并进行微生物合成； • 提高滤床生物量：活性生物滤池的进水中含较多回流活性污泥，故滤床中有大量活性微生物； • 未完全处理：由于混合液在滤池中停留时间较短，微生物对吸附的有机物还未完全氧化，故滤池出水尚需在曝气池中进一步处理。

47. 活性生物滤池（ABF）的特点 • 耐冲击负荷，即使进水负荷变化较大，滤池处理效果也不会有较大的波动。 • 减轻后续负荷：由于活性生物滤池的这种作用，使得后续曝气池的负荷大为减轻且波动减小。 • 显著改善曝气池的运转工况，克服污泥膨胀问题，整个处理系统的工作十分稳定。

48. 2、普通生物滤池/活性污泥(TF/AS)工艺 特点：在生物膜和悬浮生长反应器之间设有中间沉淀池 在生物膜反应器底流进入悬浮生长反应器之前，中间沉淀池去除脱落的生物膜污泥。 生物滤池 底流 二沉池出水 曝气池 回流 二沉池 初沉池出水 沉淀池 剩余污泥 回流污泥

49. 第九节 生物膜法的运行管理 • 生物膜的培养与驯化 • 生物膜处理系统的运行管理

50. 9.1 生物膜的培养与驯化 生物膜培养常称为挂膜 菌种来源：挂膜菌种多采用生活污水或粪便水和活性污泥混合液; • 附着生长 适宜于特殊菌种的生存，故挂膜也可用纯培养的特异菌种菌液。 • 特异菌种可单独使用，也可同活性污泥混合使用； • 因特异菌种比一般自然筛选的微生物更适宜于废水环境，故在混合使用时，仍可保持特异菌种在生物相中的优势。 固定特异菌种