生物膜法

6 污水的好氧生化处理（II）

——生物膜法

生物膜法和活性污泥法一样，同属好气生物处理方法。但活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着的活性污泥来分解有机物的，而生物膜法则主要依靠固着于载体表面的微生物膜来净化有机物。

与活性污泥法相比，生物膜法具有以下特点：

（1）固着于固体表面上的生物膜对废水水质、水量的变化有较强的适应性，操作稳定性好。

（2）不会发生污泥膨胀，运转管理较方便。

（3）由于微生物固着于固体表面即使增值速度慢的微生物也能生长繁殖。而在活性污泥法中，世代期比停留时间长的微生物被排出曝气池。因此，生物膜中的生物相更为丰富，且沿水流方向，膜中生物种群具有一定分布。

（4）因高营养级的微生物存在，有机物代谢时较多的转移为能量，合成新细胞即剩余污泥量较少。

（5）采用自然通风供氧。

（6）活性生物难以人为控制，因而在运行方面灵活性较差。

（7）由于载体材料的比表面积小，故设备容积负荷有限，空间效率较低。国外的运行经验表明，在处理城市污水时，生物滤池处理厂的处理效率比活性污泥法处理厂略低。50%的活性污泥法处理厂BOD去除率高于91%，50%的生物滤池处理厂BOD去除率为83%，相应的出水BOD分别为14和28MG/L。

生物膜法设备类型很多，按生物膜法与废水的接触方式不同，可分为填充式和浸渍式两类。在填充式生物膜法中，废水和空气沿固定的填料或转动的盘片表面流过，与其上生长的生物膜接触，典型设备有生物滤池和生物转盘。在浸渍式生物膜法中，生物膜载体完全浸没在水中，通过鼓风曝气供氧。如载体固定，称为接触氧化法；如载体流化则称为生物流化床。

目前所采用的生物膜法多数是好氧装置，少数是厌氧形式，如厌氧滤池和厌氧流化床等。本章主要讨论好氧生物膜法。

６.1 基本原理

生物膜法处理废水就是使废水与生物膜接触，进行固、液相的物质交换，利用膜内微生物将有机物氧化，使废水获得净化。同时，生物膜内微生物不断生长与繁殖。生物膜在载体上的生长过程是这样的：当有机废水或由活性污泥悬浮液培养而成的接种液流过载体

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时，水中的悬浮物及微生物呗吸附于固相表面上，其中的微生物利用有机底物而生长繁殖，逐渐在载体表面形成一层粘液状的生物膜。整层生物膜具有生物化学活性，又进一步媳妇、分解废水中呈悬浮、胶体和溶解状态的污染物。

为了保持好气性生物膜的活性，除了提供废水营养物外，还应创造一个良好的好氧条件，亦即向生物膜供氧。在填充式生物膜法社百种常采用自然通风或强制自然通风供氧。氧透入生物膜的深度取决于它在膜中的扩散系数，固-液界面处氧的浓度和膜内微生物的氧利用率。对给定的废水流量和浓度，好气层的厚度是一定的。增大废水浓度将减少好气层的厚度，而增大废水流量则将增大好气层的厚度。

生物膜中物质传递过程如图6.1所示。由于生物膜的吸附作用，在膜的表面存在一个很薄的水层（附着水层）。废水流过生物膜时，有机物经附着水层向膜内扩散。膜内微生物在氧的参加下对有机物进行肺结核机体新陈代谢。代谢产物沿底物扩散相反的方向，从生物膜传递返回水相和空气中。

图6.1 生物膜中的物质传递

随着废水处理过程的发展，微生物不断生长繁殖，生物膜厚度不断增大，废水底物及氧的传递阻力逐渐加大，在膜表层仍能保持足够的营养以及处于好氧状态，而在膜深处将会出现营养物或氧的不足，造成微生物内源代谢或出现厌氧层，此处的生物膜因与载体的附着力减小及水力冲刷作用而脱落。老化的生物膜脱落后，载体表面又可重新吸附、生长、增厚生物膜直至重新脱落。从吸附到脱落，完成一个生长周期。在正常运行情况下，整个反应器的生物膜各个部分总是交替脱落的，系统内活性生物膜数量相对未定，膜厚2~3mm，净化效果良好。过厚的生物膜并不能增大底物利用速度，却可能造成堵塞，影响正常通风。因地，当废水浓度较大时，生物膜增长过快，水流的冲刷力也应加大，如依靠原废水不能保证其冲刷能力时，可以采用处理出水回流，以稀释进水和加大水力负荷，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度。

生物膜中的微生物主要有细菌（包括好气、厌氧及兼气细菌）、真菌、放线菌、原生动物（主要是纤毛虫）和较高等的动物，其中藻类、较高等生物比活性污泥法多见。微生物沿水流方向在种属和数目上具有一定的分布。在塔式生物滤池中，这种分层现象更为明显。在填料下层则可能出现世代期长的硝化菌和营养水平较高的固着型纤毛虫。真菌在生物膜中普遍存在，在条件合适时，可能成为优势种。在填充式生物膜法装置中，当气温较高和负荷较低时，好容易滋生灰蝇，它的幼虫色白透明，头粗尾细，常分布在生物膜表面，成虫后在生物膜周围翔栖。

生物相的组成随有机负荷、水力负荷、废水成分、pH值、唯独、通风情况及其他影响因素的变化而变化。

生物膜法是一种通过附着在某种物体上的生物膜来处理废水的好氧生物处理法。生物膜法的主要优点是对水质、水量变化的适应性较强。生物膜法从本质上说与土地处理的过程类似，是污水灌溉和土地处理的人工化和高效化。生物膜法的主要处理设施有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池和生物流化床等。

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生物膜法的共同特点是微生物附着在介质滤料表面上，形成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解性的有机物被微生物吸收转化为CO2、H2O、NH3，污水得到净化，同时繁殖更多的微生物，所需的氧气一般直接来自大气。如果污水中含有较多的悬浮物，则应先用沉淀法去除大部分悬浮固体，然后再进入生物膜法处理构筑物，以免引起堵塞，并减轻其有机物负荷。老化的生物膜自行则脱落，随水流进入二次沉淀池沉淀除去。

６.2 生物滤池

6.2.1 生物滤池的构造

生物滤池的基本构造由滤床、布水设备和排水系统三部分组成。比较典型的2种生物滤池如图5-1和图5-2所示。

6.2.1.1 滤床

滤床由滤料组成。滤料是微生物生长栖息的场所，理想滤料应具备下述性质：① 具有较大的比表面积，供微生物附着生长；② 有足够的空隙率，保证通风供氧和脱落微生物能随水流出滤池；③ 污水能以液膜状态流过滤床；④ 具有较好的化学稳定性，不被微生物分解，也不会抑制微生物的生长；⑤ 具有一定的机械强度；⑥ 价格低廉，来源广泛。

早期一般以天然的碎石、碎钢渣及焦碳等为滤料。60年代中期开始，塑料滤料取得了广泛的应用。图5-3所示的环状塑料滤料的比表面积在98～340m2/m3之间，空隙率为93%～95%。图5-4所示的波纹状塑料滤料的比表面积在81～195m2/m3之间，空隙率为93%～95%。

图5-1 采用回转布水器的普通生物滤池

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图5-2 塔式生物滤池

滤床的可设高度与滤料的密度有密切的关系。石质拳状滤料组成的滤床高度一般仅在1～2.5m之间。而塑料滤料每立方米重只有100kg左右，空隙率则高达93%～95%，可以采用双层或多层构造，滤床高度可达10米以上。

滤床四周一般设池壁，其作用是围护滤料、减少污水飞溅。常用砖、石混凝土块砌筑。

图5-3 环状塑料滤料

图5-4 波纹塑料滤料

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图5-5 采用固定式喷嘴布水系统的普通生物滤池

6.2.1.2 布水设备

布水设备的作用是使污水均匀地分布在整个滤床表面。生物滤池的布水设备分为两大类：移动式（回转式）布水器和固定式喷嘴布水系统。

回转式布水器的中央是一根空心的立柱，底端与设在池底下面的进水管相接（见图5-1）。布水横管的一侧开有喷水孔，孔径一般10～15mm，间距不等，目的是使水在整个滤池表面均匀分布。污水通过中央立柱流入布水横管，由喷水孔分配到滤池表面。布水横管可根据需要设2根或4跟。污水喷出孔口的水头大于0.6～1.5m时，污水喷出时的反作用力可使布水器绕立柱旋转，否则需用电机驱动。

固定式布水器由虹吸装置、馈水池、布水管道和喷嘴组成（如图5-5），目前已很少应用。这类布水器所需的水头约为2m。

6.2.1.3 排水系统

池底排水系统的作用是：① 收集滤床流出的污水和生物膜；② 保证通风；③ 支撑滤料。池底排水系统由池底、排水假底和集水沟组成，见图5-6、图5-7。

图5-6 生物滤池池底排水系统示意图

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图5-7 混凝土栅板式排水假底

6.2.2 影响生物滤池性能地主要因素

6.2.2.1 负荷

负荷是影响生物滤池性能地主要参数.通常分有机负荷和水力负荷2种。

有机负荷是指每天供给单位体积滤料的有机物,用N表示，单位是kg（BOD5）/m3（滤料）·d。由于一定的滤料具有一定的比表面积，滤料体积可以间接地表示生物膜面积和生物数量，所以，有机物负荷实质上表征了F/M值。普通生物滤池的有机负荷范围为0.15~0.3kg（BOD5）/m3·d；高负荷生物滤池在1.1 kg（BOD5）/m3·d左右。在此负荷下，BOD5去除率可达80%~90%。为了达到处理目的，有机负荷不能超过生物膜的分解能力。

水力负荷是指单位面积滤池或单位体积滤料每天流过的废水量（包括回流量），前者用qF表示，单位为m3/m2·d。后者以qV表示，单位为m3/m3·d。水力负荷表征滤池的接触时间和水流的冲刷能力。水力负荷太大，接触时间短，净化效果差，水力负荷太小，滤料不能充分利用，冲刷作用小。一般生物滤池的水力负荷为1~4 m3/m2·d。高负荷生物滤池为5~28 m3/m2·d。

有机负荷、水力负荷和净化效率是全面衡量生物滤池工作性能的三个重要指标，它们之间的关系是

N?SqSQS0?qVe?Fe （6-1） V1??H1??式中S0为进入滤池废水的有机物浓度；Se为二沉池出水的有机物浓度。η为有机物去除率。

由式（6-1）可知：（1）当进水浓度和净化效率一定时，出水浓度也一定，则qv与N成正比；（2）当出水浓度和水力负荷qV一定时，效率越高意味着N也越高；（3）当水力负荷和出水浓度一定时，处理效率随着H的增加而提高。由于不同深度出的废水组成不同，膜中微生物种类和数量也不同，因而实际的有机物去除率是不同的。一般沿水流方向，有机物去除率递减。当滤池深度超过某一数值后，处理效率提高不大。通常滤池的深度为

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2~3m。

6.2.2.2 处理水回流

在高负荷生物滤池的运行中，多用处理水回流，其优点是：（1）增大水力负荷，促进生物膜的脱落，防止滤池堵塞；（2）稀释进水，降低有机负荷，防止浓度冲击；（3）可向生物滤池连续接种，促进生物膜生长；（4）增加进水的溶解氧，减少臭味；（5）防止滤池孳生蚊蝇。但缺点是：缩短废水在滤池中的停留时间；降低进水浓度，将减慢生化反应速度；回流水中难降解的物质会产生积累；冬天使池子中的水温降低等。

可见，回流对生物滤池性能的影响是多方面的，采用时应做周密分析和试验研究。一般认为在下述三种情况下应考虑出水回流：（1）进水有机物浓度高（如COD＞400mg/L）；（2）水量很小，无法维持水力负荷在最小经验值以上时；（3）废水中某种污染物在高浓度时可能抑制微生物生长。

6.2.2.3 供氧

向生物滤池供给充足的氧是保证生物膜正常工作的必要条件，也有利于排除代谢产物。影响滤池自然通风的主要因素是滤池内外的气温差以及滤池的高度。温差愈大，滤池内的气流阻力愈小、通风量也就愈大。

滤池内的气温和水温一般比较接近，因废水温度比较稳定，故池内气温变化幅度也不大。但滤池外气温不单在一年内随季节的转换而有很大的变化，而且在一日内也有较大变化。所以，生物滤池的通风随时都在变化。当池内温度大于池外温度时，池内气流由下向上流动，反之，气流由上向下流动。

供氧条件与有机负荷密切相关。当进水有机物浓度较低时，自然通风供氧是充足的。但当进水COD＞400~500mg/L时，则出现供氧不足，生物膜好氧层厚度较小。为此，有人建议限制生物滤池的COD＜400mg/L。当入流浓度高于此值时，采用回流稀释或机械通风等措施，以保证滤池供氧充足。

6.2.3 生物滤池系统的设计

生物滤池处理系统包括生物滤池和二次沉淀池，有时还包括初次沉淀池和回流泵。生物滤池系统的设计包括：① 滤池类型和流程的选择；② 滤池个数和滤床尺寸的确定；③ 二次沉淀池形式、个数和工艺尺寸的确定；④布水设备计算。

6.2.3.1 滤池类型的选择

低负荷率生物滤池现在已经基本上不用，仅在污水量小、地区比较偏僻、石料不贵的场合尚有可能选用。目前，大多数采用高负荷率生物滤池。高负荷生物滤池主要有两种类型：回流式生物滤池和塔式（多层式）生物滤池。滤池类型的选择，只有通过方案比较，才能作出合理的结论。同时还要考虑占地面积、基建费用和运行费用等因素。

6.2.3.2 流程的选择

在确定流程时，通常要解决的问题是：① 是否设初次沉淀池；②采用几级滤池；③是否采用回流，以及回流方式和回流比的确定。

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当废水含悬浮物较多，采用拳状滤料时，需要设初次沉淀池，以免生物滤池阻塞。处理城市污水时，一般均设初次沉淀池。

下述三种情况应考虑用二次沉淀池出水回流：① 原水有机物浓度较高，可能引起供氧不足时。有人建议生物滤池的入流BOD5应小于400mg/L；② 水量小，无法维持水力负荷率在最小经验值以下时；③ 污水中某种污染物在高浓度时可能抑制微生物生长的情况下，应考虑回流。

6.2.3.3 滤池个数和滤床尺寸的确定

生物滤池的工艺设计内容是确定滤床的总体积、总面积和高度。可以按负荷率进行设计计算，也可经过试验后用经验公式计算。生物滤池的负荷率有水力负荷率、表面水力负荷率和有机物负荷率三种。对于城市污水常采用有机物负荷率进行计算。

（1）滤床总体积（V）

V?(La?Lt)qV?10?8 （5-1）

N式中：La——污水进入滤池前的BOD5平均值，mg/L；

La——滤池出水的BOD5平均值，mg/L；

qV——污水日平均流量，m3/d，采用回流式生物滤池时，此项应为qV(1+r)，回流比

r可根据经验确定；

N——滤料容积负荷率，kgBOD5/m3·d。

生物滤池处理城市污水的负荷率 表5-1

生物滤池类型 低负荷率 回流式 塔 滤 BOD5负荷率 （kgBOD5/m3·d） 0.15～0.30 <1.2 1.0～3.0 水力负荷率 （m3/m2·d） 1～3 <10～30 80～200 处理效率 （%） 85～95 75～90 65～85 采用生物滤池处理城市污水时，低负荷率生物滤池的负荷率取0.2kgBOD5/m3·d左右，回流式生物滤池的负荷率取1.1kgBOD5/m3·d左右。表5-1是生物滤池处理城市污水的一些经验数据。

生物滤池处理工业废水时，应根据试验确定负荷率，而且，试验生物滤池的滤料和滤床高度应与设计相一致。

（2）滤床高度的确定

滤床高度通常根据经验或试验确定。例如低负荷率生物滤池取2m左右，两级回流生物滤池的滤床取1.0～1.8m，塔式生物滤池可取8m以上。在滤床和滤料高度确定以后，就可以算出滤床的总面积。当总面积不大时，可采用1个或2个滤池。目前生物滤池的最大直径为60m，通常在35m以下。

最后，还需进行滤率校核。回流生物滤池的滤率一般不超过30m/d，滤率的确定与进水的BOD5有关，见表5-2。

回流式生物滤池的滤率 表5-2

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进水BOD5（mg/L） 滤率（m/d） 120 25 150 20 200 15 6.2.3.4 回转布水器的设计

回转布水器的设计计算包括以下一些内容。 （1）布水管根数与管径

布水管的根数取决于池子和滤率的大小，布水管水量大时用4根，一般用2根。布水横管的管径（D1）用下式计算：

D1?2000??qV?qV?? （5-2）

(1?r)qV （5-3） n?——每根布水横管的最大设计流量，m3/s； 式中：qVυ——横管进水端流速，m/s； qV——每个滤池的设计流量，m3/s； n——横管数。

（2）孔口数及孔口在布水横管上的位置

假定每个出水孔口喷洒的面积基本相同，孔口数（m）的计算公式如下： m?1?4d??1??1???D2??2 （5-4）

式中：d——孔口直径，一般为10～15mm，孔口流速2m/s左右或更大一些；

D2——回转布水器直径，mm，比滤池内径小200mm。 第i个孔口中心距滤池中心的距离（ri）为：

ri?D22i （5-5） m式中：i——从滤池中心算起，任一孔口在横管上的排列顺序。

（3）布水器的转速

布水横管的回转速度与滤率、横管根数有关，如表5-3所示。也可以近似地用下述经验公式计算：

34.78?106? （5-6） n?qV2mdD2布水横管可以采用钢管或铝管，其管底离滤床表面的距离一般为150～250mm，以避免风力的影响。布水器所需水压为0.5～1.0m水柱。

回流式滤池的布水器回转速度 表5-3

滤率（m/d） 转速（r/min）（4根管） 转速（r/min）（2根管） 83

15 20 25 1 2 2 2 3 4 6.3 生物转盘

6.3.1 生物转盘的构造

生物转盘（转盘式生物滤池）也是一种常见的生物膜法处理设备。由于具有很多优点，因此，自1954年德国建立第一座生物转盘污水处理厂以来，发展迅速。我国已在印染、造纸、皮革及石油化工等行业的工业废水处理中得到了应用，效果较好。

生物转盘去除废水中有机物的原理与生物滤池基本相同，只是构造形式与生物滤池有所不同，见图5-8所示。

图5-8 生物转盘工作原理示意图

生物转盘的主要组成部分有传动轴、转盘、废水处理槽和驱动装置等。生物转盘的核心是垂直固定在水平轴上的一组圆形盘片和一个同它配合的半圆形水槽（图5-8所示）。微生物生长并形成一层生物膜附着在盘片表面，约40%～50%的盘面浸没在废水中，上半部分敞露在大气中。工作时，废水流过水槽，电动机带动转盘转动，生物膜和大气与废水轮替接触，浸没时吸附废水中的有机物，敞露时吸收大气中的氧气。转盘的转动，带进空气，并引起水槽内废水紊动，使槽内废水的溶解氧均匀分布。生物膜的厚度约为0.5～2.0mm，随着膜的增厚，内层的微生物呈厌氧状态，当其失去活性时则使生物膜自盘面脱落，并随同出水流至二次沉淀池。

盘片的材料要求质轻、耐腐蚀、坚硬和不变形。目前多采用聚乙烯硬质塑料或玻璃钢制作盘片。转盘可以是平板或由平板与波纹板交替组成。盘片直径一般是2～3m，最大为5m，轴长通常小于7.6m，盘片净间距为20～30mm。当系统要求的盘片总面积较大时，可分组安装，一组称一级，串联运行。转盘分级布置使其运行较灵活，可以提高处理效率。

水槽可以用钢筋混凝土或钢板制作，断面直径一般比转盘大20～40mm，使转盘既可以在槽内自由转动，脱落的生物膜又不致于在槽内滞留。

驱动装置通常采用附有减速装置的电机。根据情况也可以采用水轮驱动或空气驱动。 为防止转盘设备遭受风吹雨打和日光曝晒，转盘应设置在房屋或雨棚内，或用罩覆盖，罩上应开孔，开孔面积不小于0.01%。

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6.3.2 生物转盘的优缺点

生物转盘是一种较新德生物膜法废水处理设备，国外使用较普遍。与活性污泥法相比，生物转盘在使用上具有以下优点：

（1）操作管理简便，无活性污泥膨胀现象及泡沫现象，无污泥回流系统，生产上易于控制。

（2）剩余污泥数量小，污泥含水率低，沉淀速度大，易于沉淀分离和脱水干化。 （3）设备构造简单，无通风、回流及曝气设备，运转费用低，耗电量低，一般耗电量为0.024~0.03kWh/kgBOD5。

（4）可采用多层布置，设备灵活性大，可节省占地面积。

（5）可处理高浓度的废水，承受BOD5可达1000mg/L，耐冲击能力强。根据所需处理的程度，可进行多级串联，扩建方便。

（6）废水在氧化槽内德停留时间短，一般在1~1.5h左右，处理效率高，BOD5去除率一般可达90%以上。

生物转盘同一般生物滤池相比，也具有一系列优点： （1）无堵塞现象。

（2）生物膜与废水接触均匀，盘面面积利用率高，无沟流现象。

（3）废水与生物膜的接触时间较长，而且易于控制，处理程度比高负荷滤池和塔式生物滤池高。可以调整转速改善接触条件和充氧能力。

（4）同一般地负荷滤池相比，它占地较小，如采用多层布置，占地面积可同塔式生物滤池相媲美。

（5）系统的水头损失小，能耗省。 但是，生物转盘也有一些缺点：

（1）盘材较贵，投资大。从造价考虑，生物转盘仅适用于小水量低浓度的废水处理。 （2）因为无通风设备，转盘的供氧依靠盘面的生物膜接触大气，这样，废水中挥发性物质将会产生污染。采用从氧化槽的底部进水可以减少挥发物的散失，比从氧化槽表面进水好，但是，挥发物质污染依然存在。因此，生物转盘最好作为二级生物处理装置。

（3）生物转盘的性能受环境气温及其它因素影响较大，所以，在北方设置生物转盘时，一般设置于室内，并采取一定的保温措施。建于室外的生物转盘都应加设雨棚，防止雨水淋洗，使生物膜脱落。

6.3.3 生物转盘的设计

生物转盘工艺设计的主要内容是计算转盘的总面积。表示生物转盘处理能力的指标是水力负荷和有机物负荷。水力负荷可以表示为每单位体积水槽每天处理的水量（m3水/m3槽·d），也可以表示为每单位面积转盘每天处理的水量（m3水/m2盘片·d）。有机物负荷的单位是kgBOD5/m3槽·d或kgBOD5/m2盘片·d。生物转盘的负荷率与废水性质、废水浓度、气候条件及构造、运行等多种因素有关，设计时可以通过试验或根据经验值确定。下面以按有机负荷率进行计算为例说明生物转盘的设计计算。 （1）转盘总面积(A)

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A?(La?Lt)qV (5-7)

N式中：qV——处理水量，m3/d；

La——进水BOD5，mg/L；

Lt——出水BOD5，mg/L；

N——生物转盘的BOD5负荷率，g/m2·d。 （2）转盘片数（m）

m?4A0.64A? （5-8） 222?DD式中：D——转盘直径，m。

（3）废水处理槽有效长度

L?m(a?b)K （5-9）

式中：a——盘片间净间距，m，一般进水端为25～35mm，出水端为10～20mm；

b——盘片厚度，视材料强度决定，m； K——系数，一般取1.2。 （4）废水处理槽有效容积（V）

V?(0.294~0.335)(D?2?)2?L （5-10）净有效容积:

V??(0.294~0.335)(D?2?)2?(L?mb) （5-11）当r/D=0.1时，系数取0.294，r/D=0.06时，系数取0.335。 式中：r——中心轴与槽内水面的距离，m；

δ——盘片边缘与处理槽内壁的间距，m，一般取δ=20～40mm。 （5）转盘的转速（n0）

n0?V6.37 (0.9?1) （5-12）

DqV1式中：qV1——每个处理槽的设计水量，m3/d。

转盘的转动装置最好采用无级变速器，以便运行时可以根据污水的水质和流量进行调节。

6.4 生物接触氧化法

6.4.1 概述

生物接触氧化法的处理构筑物是浸没曝气式生物滤池，也称生物接触氧化池。生物接触氧化法的基本流程见图5-9所示。

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图5-9 生物接触氧化法的基本流程

生物接触氧化池内设有填料，填料淹没在废水中，填料上长满生物膜，废水与生物膜接触过程中，水中的有机物被微生物吸附、氧化分解并生成新的生物膜。从填料上脱落的生物膜随出水流到二次沉淀池后被除去，废水得到净化。

生物接触氧化法具有下述特点：

（1）由于填料的比表面积大，池内的充氧条件良好。生物接触氧化池内单位容积的生物固体量高于活性污泥法曝气池及生物滤池，因此，生物接触氧化法具有较高的容积负荷；

（2）生物接触氧化法不需要污泥回流，因此，不存在污泥膨胀问题，运行管理简便； （3）由于生物固体量多，水流又属于完全混合型，因此生物接触氧化池对水质水量变化的适应能力较强；

（4）生物接触氧化池有机容积负荷较高时，其F/M保持在较低水平，污泥产量较低。

6.4.2 生物接触氧化池的构造

生物接触氧化池的主要组成部分有池体、填料和布水布气装置，其构造示意图见图5-10所示。

图5-10 生物接触氧化池的构造示意图

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图5-11 板状填料与蜂窝状填料

图5-12 纤维状填料的结构

池体用于设置填料、布水布气装置和支撑填料的栅板和格栅。池体可为钢筋结构或钢筋混凝土结构。由于池中水流的速度较低，从填料上脱落的残膜总有一部分沉积在池底，池底可作成多斗式或设置集泥设备，以便排泥。

填料要求比表面积大、空隙率大、阻力小、强度大、化学和生物稳定性好、能经久耐用。目前常用的填料是聚氯乙烯塑料、聚丙乙烯塑料、环氧玻璃钢等做成的蜂窝状和波纹板状填料，见图5-11。

近年来国内外都进行纤维状填料的研究，纤维状填料是用尼龙、维纶、氰纶、涤纶等化纤编结成束，呈绳状连接（见图5-12）。

为安装检修方便，填料常以料筐组装，带筐放入池中。当需要检修时，可逐筐轮换取出，池子无需停止工作。

布气管可布置在池子中心、侧面和全池。

6.4.3 生物接触氧化池的设计

生物接触氧化池工艺设计的主要内容是计算池子的有效容积和尺寸，空气量和空气管道系统的计算。目前一般是根据有机负荷率计算池子容积。

（1）生物接触氧化池的有效容积（V）

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V?qV(La?Lt) （5-13）

N式中：qV——平均日设计污水量，m3/d；

La、Lt——进水与出水的DOB5，mg/L；

N——有机容积负荷率，kgBOD5/m3·d（城市污水可用1.0～1.8）。 （2）生物接触氧化池的总面积(A)和座数(n)

A?V （5-14） h0A （5-15） n?A1式中：h0——填料高度，一般采用3.0m；

A1——每座池子的面积，m2，一般≤25m2。 （3）池深（h）

h?h0?h1?h2?h3 （5-16）

式中：h1——超高，0.5～0.6m；

h2——填料层上水深，0.4～0.5m； h3——填料至池底的高度，，0.5～1.5m。 （4）有效停留时间（t）

t?V （5-17） qV（5）空气量（D）和空气管道系统计算

D?D0qV （5-18）

式中：D0——1m3污水所需的空气量，一般为15～20m3（气）/m3（污水）。

空气管道系统的计算方法与活性污泥法曝气池的空气管道系统计算方法相同，这里不再赘述。

6.5 生物流化床

生物流化床处理技术是借助流体（液体或气体）使表面生长着微生物的固体颗粒（生物颗粒）呈流态化，同时进行去除和降解有机污染物的生物膜法处理技术。它是70年代开始应于污水处理的一种高效生物处理工艺。

6.5.1 流态化原理

如图5-13，在圆柱形流化床的底部，装置一块多孔液体分布板，在分布板上堆放颗粒载体（如砂、活性炭），液体从床底的进口流入，经过分布板均匀地向上流动，并通过固体床层由顶部出口管流出，流化床上装有压差计，用以测量液体流经床层的压力降。当液体流过床层时，随着液体流速的不同，床层会出现固定床、流化床和液体输送3种不同的状

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态。

图5-13 生物流化床示意图

图5-14 载体颗粒的三种状态

6.5.1.1 固定床阶段

当液体以很小的速度流经床层时，固体颗粒处于静止状态，床层的高度基本维持不变，这时的床层称固定床（见图5-14a）。在这一阶段，液体通过床层的压力降△P随空塔速度υ的上升而增加，呈幂函数关系，在双对数坐标图纸上呈直线，见图5-15中的ab段。

当液体流速增大到压力降△P大致等于单位面积床层重量时（图5-15中的b点），固体颗粒间的相对位置略有变化，床层开始膨胀，固体颗粒仍保持接触且不流态化。

图5-15 h、△P、υ的关系

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6.5.1.2 流化床阶段

当液体流速大于b点流速后，床层不再维持于固定状态，颗粒被液体托起而呈悬浮状态，且在床层内各个方向流动，在床层上部有一个水平界面，此时颗粒所形成的床层完全处于流态化状态，这类床层称流态化床（见图5-14b）。在这阶段，流化床的高度h是随流速上升而增大，床层压力降△P则基本上不随流速改变，如图5-15中的bc段所示。B点的流速υ

min

是达到流态化的起始速度，称临界流态化速度。临界速度值与颗粒的大小、密度

和液体的物理性质有关。

由于生物流化床中的载体颗粒表面有一层微生物膜，因此其流态化特性与普通的流化床不同。流化床床层的膨胀程度可以用膨胀率K或膨胀比R表示。

?V?K??e?1??100% （5-19）

?V?R?he （5-20） h式中：V、Ve——分别为固定床层和流化床层的体积，m3；

h、he——分别为固定床层和流化床层的高度，m。

在生物流化床中，相同的速度下，膨胀率随着生物膜厚度的增加而增大。一般膨胀率采用50%～200%。

6.5.1.3 液体输送阶段

当液体流速提高至超过c点后，床层不再保持流态化，床层上部的界面消失，载体随液体从流化床带出，这阶段称液体输送阶段（见图5-14c）。在水处理工艺中，这种床称“流动床”。c点的流速υ与υ

max

max

称颗粒带出速度或最大流化速度。流化床的正常操作应控制在υ

min

之间。

6.5.2 生物流化床的类型

根据生物流化床的供氧、脱膜和床体结构等方面的不同，好氧生物流化床主要有两相生物流化床和三相生物流化床2种类型。

6.5.2.1 两相生物流化床

两相生物流化床是在流化床体外设置充氧设备与脱膜装置，用于微生物充氧和脱除载体表面的生物膜。基本工艺流程如图5-16所示。

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图5-16 二相流化床工艺流程图

以纯氧为氧气源时，充氧后水中溶解氧可达30～40mg/L；以压缩空气为氧源时，水中溶解氧一般低于9mg/L。当一次充氧不能提供足够的溶解氧时，可采用处理水回流循环。回流比r可以根据氧量平衡计算来确定。

r?(La?Lt) D?1 （5-21）

Oi?Oe式中：La、Lt——分别为进水和出水BOD5浓度，mg/L； Oi、Oe——分别为进水和出水的溶解氧浓度，mg/L；

D——去除每公斤BOD5所需要的氧量（kgO2/kgBOD5），对于城市污水，取1.2～1.4。

图5-17 三相生物流化床

6.5.2.2 三相生物流化床

三相生物流化床是气、液、固三相直接在流化床体内进行生化反应，不另设充氧设备和脱膜设备，载体表面的生物膜依靠气体的搅动作用，使颗粒之间激烈摩擦而脱落。其工艺流程如图5-17所示。

三相生物流化床的设计应注意防止气泡在床内兼并成大气泡影响充氧效率。充氧方式有减压释放空气充氧和射流曝气充氧等形式。由于有时可能有少量载体被带出床体，因此在流程中通常有载体（含污泥）回流。三相流化床具有设备简单、操作容易、能耗低等优

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点。

生物流化床除用于好氧生物处理外，还可用于生物脱氮和厌氧处理。

6.5.3 生物流化床的特点

6.5.3.1 生物流化床的优点

（1）容积负荷高，抗冲击负荷能力强

由于生物流化床是采用小粒径固体颗粒作为载体，且载体在床内呈流化状态，因此其单位体积表面积比其它生物膜法大很多。单位床体的生物量很高，达10～14g/L，加上传质速度快，废水一进入床内，很快地被混合和稀释，因此生物流化床的抗冲击负荷能力较强，容积负荷也较其它生物处理法高。

（2）微生物活性强

由于生物颗粒在床体内不断相互碰撞和摩擦，其生物膜厚度较薄，一般在0.2μm以下，且较均匀。据研究，对于同类废水，在相同处理条件下，其生物膜的呼吸率约为活性污泥的2倍，可见其反应速率快，微生物活性较强，这也正是生物流化床负荷率较高的原因。

（3）传质效果好

由于载体颗粒在床体内处于剧烈运动状态，气—固—液界面不断更新，因此传质效果好，这有利于微生物对污染物的吸附和降解，加快了生化反应速率。

6.5.3.2 生物流化床的缺点

生物流化床的缺点是设备的磨损较固定床严重，载体颗粒在湍流过程中会被磨损变小。此外，设计时还存在着放大方面的问题，如防堵塞、曝气方法、进水配水系统的选用和生物颗粒的流失等。因此，目前生物流化床在我国废水处理中应用还不多。

思考题：

1、 污水的生物膜法处理主要有哪几种形式？各自有哪些特点？

2、 某别墅区有人口1000人，污水排放量按150L/（人·d）计，BOD5浓度为300mg/L，

出水BOD5不大于50mg/L，拟采用生物滤池法处理，试计算生物滤池的设计参数。 3、 按上题条件，计算生物转盘的设计参数。

4、 某工厂污水污水排放量为3000m3/d，经一级处理后BOD5浓度为150mg/L，污水

可生化性较好，拟采用好氧生物接触法处理，要求出水BOD5浓度小于20mg/L，试设计生物接触氧化池。

5、 生物流化床污水处理系统中，载体的选择要考虑哪些因素？

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