生物膜法的净化机理
（一）工作原理
污水通过滤池时，滤料截留了污水中的悬浮物质，并把污水中的胶体物质吸附在自己的表面，它们中的有机物使微生物很快繁殖起来，这些微生物又进一步吸附了污水中呈溶解状态的物质，填料表面逐渐形成了一层生物膜，如图6-17、图6-18所示。
图6-17 生物膜的形成
图6-18 生物膜工作过程示意图
生物膜主要由细菌的菌胶团和大量的真菌丝组成，其中还有许多原生动物和较高等动物生长。生物膜不仅具有很大的比表面积，能够大量吸附污水中的有机物，而且具有很强的降解有机物的能力。当有足够的氧时，生物膜就能分解氧化所吸附的有机物。在有机物被降解的同时，微生物不断进行自身的繁殖，当生物膜的厚度达到一定值时，由于氧传递不到较厚的生物膜中，使好氧菌死亡并发生厌氧作用，厌氧微生物开始生长。当厌氧层不断加厚，由于水力冲刷和生物膜自重的作用，再加上滤池中某些动物的活动，生物膜将会从滤料表面脱落下来，随着污水流出池外。由此可见，生物膜的形成是不断发展变化、不断新陈代谢的。去除有机物的活性生物膜，主要是表面的一层好氧膜，其厚度视充氧条件而定。
（二）工作过程
为有助于分析研究生物膜对废水的净化作用，把小块滤料放大以显示生物膜的工作过程，如图6-17所示。从图上可以看出，滤料表面的生物膜可分为厌氧层和好氧层。通过布水装置流到处理设备的废水，以滴流形式下落，或以一定速度流过填料表面，由于微生物的作用，在填料表面上慢慢形成一层水膜，这就是附着水层，其余废水则以薄层状流过其表面，成为流动水层，因为附着水层直接与微生物接触，其中的有机物大多已被微生物所氧化，因此，有机物浓度很低。而流动水层是进入生物滤池的待处理废水，有机物浓度较高。
生物膜去除有机物的过程包括：有机物从流动水中通过扩散作用转移到附着水中，同时氧也通过流动水、附着水进入生物膜的好氧层中，生物膜中生长着大量好氧性微生物，形成了有机污染物→细菌→原生动物（后生动物）的食物链。通过细菌的代谢活动，有机物被降解，使附着水层得到净化，代谢产物如水及二氧化碳等无机物沿相反方向排至流动水层及空气中，而在传质的作用下，流动水层中的有机污染物传递给附着水层，从而使流动水层在流动的过程中逐步得到净化。内部厌氧层的厌氧菌利用死亡的好氧菌及部分有机物进行厌氧代谢，代谢产物如有机酸等转移到好氧层或流动水层中。生物膜成熟的标志是生物膜沿填料长度垂直分布具有一定厚度，生物膜是细菌和各种微生物组成的一个稳定生态体系，有机物的降解功能达到了平衡和相对稳定状态。生物膜成熟后，微生物仍继续增殖，使膜的厚度不断增加。但当厌氧性膜过厚，代谢产物过多，两种膜间的平衡失调，好氧性膜上的生态系统遭到破坏，生物膜呈老化状态而脱落（自然脱落），新的生物膜又重新形成。生物膜法就是通过生物膜的挂膜→成熟一老化一脱落的周期周而复始地进行着，从而使废水不断得到净化。
（三）生物膜法的处理构筑物
在纺织印染废水处理中，常用的生物膜法主要有生物接触氧化法、生物转盘法和生物活性炭法等。
1.生物接触氧化法
生物接触氧化法早在20世纪40年代已有应用，到了70年代，由于塑料工业的发展，为接触氧化法提供了轻质、高强、比表面积大的填料，使生物接触氧化法获得了广泛的应用。由于生物接触池内采用与曝气池相同的曝气方法，提供微生物氧化有机物所需要的氧量，并起搅拌混合作用，所以又称接触曝气池。而氧化池内的填料，全部淹没在废水之中，相当于浸没于废水中的生物滤池，所以也称淹没式滤池。由此可见，生物接触氧化法是一种具有活性污泥法特点的生物膜法。它综合了曝气池和生物滤池的优点，避免了两者的缺点，因此，深受人们重视。
（1）生物接触氧化池的构造。生物接触氧化法系统由接触氧化池和一次沉淀池组成。常用的接触氧化池按不同的曝气方式有三种种形式，即分流鼓风曝气充氧式、直流鼓风曝气充氧式、分流射流曝气充氧式，如图6-19所示。
图6-19 三种生物接触氧化池
①分流式接触氧化池。曝气器设在池子的一侧，填料设在另一侧，污水在池内不断循环。由于水流的冲刷作用小，生物膜只能自行脱落，更新速度慢，且易于堵塞。
②直流式接触氧化池，在塑料填料下面直接布气，生物膜受气流和水流同时搅动，不仅供氧充足，而且对生物膜起到了搅动作用，加速了生物膜的更新，使生物的活性提高。如果从污泥龄来看，由于平均污泥龄低，微生物总是处在很高的活力下工作，且不易堵塞。目前，国内纺织印染废水处理多数采用直流式接触氧化池。
表面曝气生物接触氧化池由充氧间和填料间组成，废水在池内循环流动，气、水和生物膜三者得到充分接触，水中溶解氧较高，处理效果较好，主要作为三级水处理和给水的预处理。
（2）生物接触氧化法的特点。
①接触氧化池生物膜中的微生物很丰富，除细菌外，球衣菌等丝状菌不断生长，并且繁殖着多种原生动物和后生动物，形成一个复杂的生态系统，其生物量比活性污泥法多几倍，所以生物接触氧化法是一种高效能的废水生物处理方法，而且对进水冲击负荷的适应力强。但生物膜的厚度随负荷的增高而增厚，负荷过高，则生物膜过厚，易引起填料堵塞。故负荷不宜过高，同时要有防堵塞的冲洗措施。
②处理时间短，在处理水量相同的条件下，所需装置的设备较小，因而占地面积小。但布气、布水不易均匀，填料及支架等往往导致建设费用增加。
③克服污泥膨胀。生物接触氧化法与其他生物膜法一样，不存在污泥膨胀问题。对于那些用活性污泥法容易产生膨胀的污水，生物接触氧化法特别显示出优越性。容易在活性污泥法中产生膨胀的菌种，在接触氧化法中，不仅不产生膨胀，而且能充分发挥其分解氧化能力强的优点。并且它还特别适合间歇运转。
④维护管理方便，不需要回流污泥。由于微生物是附着在填料上形成生物膜的，生物膜的剥落与增长可以自动保持平衡，所以无须回流污泥，运转十分方便，且剩余污泥量少。但大量产生的后生动物容易造成生物膜瞬时大块脱落，影响出水水质。
（3）填料的类型。填料是生物膜赖以栖息的场所，是生物膜的载体，同时也有截留悬浮物的作用。因此，载体填料是接触氧化池的关键，直接影响生物接触氧化法的效能。
载体填料的要求是易于生物膜附着，比表面积大，孔隙率大，水流阻力小，强度大，化学和生物稳定性好，经久耐用，截留悬浮物质能力强，不溶出有害物质，不引起二次污染，与水的相对密度相差不大，避免氧化池负荷过重，能使填料间形成均一的流速，价廉易得，运输和施工方便。
废水生化处理中使用的填料大体有蜂窝型填料、软性填料、半软性填料、组合填料、弹性填料、悬浮填料和其他新型填料等种类。
①蜂窝型填料。蜂窝型填料（图6-20）一般有斜管和直管两种形式，材质有聚丙烯、聚氯乙烯和玻璃钢三种。斜管主要用于各种沉淀池、沉砂池；直管主要用于生化滤池、接触氧化池及生物转盘的微生物载体。由于此类填料比表面积大，孔隙率高，通风阻力小，不仅处理效率较高，而且水力负荷、有机负荷均能明显提高；动力消耗低，产生的污泥量少，且沉降性能好；耐水质、水量的冲击负荷。早期的氧化池多数采用此种填料，但如果使用不当可能会产生局部堵塞现象。
②软性填料。为了节省费用和克服局部堵塞问题，可以采用纤维型软性填料（图6-21），它由化学纤维如维纶、腈纶、涤纶和锦纶等模拟天然水草形态加工而成。此类填料的纤维丝在水中横向展开、分布均匀，具有比表面积大、利用率高、生物膜易结、孔隙可变不堵塞、适用范围广、造价低、运费少等优点，但是由于纤维束易于结球，中间呈厌氧状态，大幅减小了比表面积，因而处理效果并不理想。
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图6-20 蜂窝填料
图6-21 软性填料
③半软式填料。为了解决纤维束结死球的问题，开发了半软性填料（图6-22），用雪花状的塑料制品代替纤维束，这在一定程度上克服了软性填料的缺点。
④组合填料。组合填料（图6-23）是在软性填料与半软性填料的基础上发展而成的，它兼有两者的优点。其结构是将塑料圆片压扣改成双圈大塑料环，将醛化维纶或涤纶丝压在环的外圈上，使纤维束均匀；内圈是雪花状塑料枝条，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率。纤维束在中间塑料环片的支撑下，避免了中心结团的现象。同时又能起到良好的布水、布气作用，接触传质条件好，氧的利用率高，使气、水、生物膜得到充分交换，水中的有机物得到高效的处理，对污水浓度适应性强。
图6-22 半软填料
图6-23 组合填料
⑤弹性填料。弹性填料（图6-24）筛选了聚烯烃类和聚酰胺中的几种耐腐、耐温、耐老化的优质品种，混合以亲水、吸附、抗热氧等助剂，采用特殊的拉丝丝条制毛工艺，将丝条穿插固着在耐腐、高强度的中心绳上。由于选材和工艺配方精良，刚柔适度，使丝条呈立体均匀排列辐射状态，制成了悬挂式立体弹性填料的单体。填料在有效区域内能立体全方位地舒展，使气、水、生物膜得到充分接触交换，生物膜不仅能均匀地着床在每一根丝条上，保持良好的活性和孔隙可变性，而且能在运行过程中获得越来越大的比表面积，还能进行良好的新陈代谢。
⑥悬浮填料。悬浮填料（图6-25）由高分子聚合物注塑而成的多孔球状骨架笼和经特殊拉丝而成的弹性丝或多孔球状骨架笼的聚合物凹凸滤网组成。使用时直接投入池中，在水中似沉非沉，能全方位自由活动。微生物挂膜快，生物膜易脱落，材质稳定，耐酸、耐碱、耐老化，长期不需更换，剩余污泥极少，使用方便。
图6-24 弹性填料
图6-25 悬浮填料
2.生物转盘法
生物转盘是从20世纪50年代开发的一种生物膜废水处理设备。由于它具有很多优点，受到人们的重视，并且迅速在各种废水的处理上得到应用。
（1）结构。生物转盘的主体部分由盘片、转轴和氧化槽等组成。氧化槽的断面为半圆形，盘片的盘面近一半浸没在废水水面之下，盘片上长着生物膜。盘片在与之垂直的水平轴带动下缓慢地转动，浸入废水中那部分盘片上的生物膜便吸附废水中的有机物，同时也分解所吸附的有机物，当转出水面时，生物膜又从大气中吸收所需的氧气而不必进行人工曝气，并继续氧化所吸附的有机物，随着盘片的不断转动，盘片上的生物膜交替与废水和大气相接触，反复循环，使废水中的有机物在好氧微生物（即生物膜）作用下不断进行吸附、吸氧和氧化降解等过程，最后得到净化。因而要求转盘的材料质轻、高强、耐腐蚀、不易变形和比表面积大等。常采用聚氯乙烯塑料和聚苯乙烯塑料以及玻璃钢等材料。在处理过程中，盘片上的生物膜不断地生长、增厚，过剩的生物膜靠盘片在废水中旋转时产生的剪切力剥落下来。如果盘片的间距适中就可防止相邻盘片之间空隙的堵塞，因为间距太大，转盘的有效表面积减小，间距太小，通风不良，易于堵塞。脱落下来的絮状生物膜悬浮在氧化槽中随水流出，脱落的膜靠设在后面的二次沉淀池除去，并进一步处置，但不需回流。生物转盘结构如图6-26所示。
生物转盘的布置方式一股有单相单级、单轴多级和多轴多级等，如图6-27所示。一股条件下，每级生物转盘的处理效率基本上是一个常数，采用多级的生物转盘可以提高处理效果。
图6-26 生物转盘结构
图6-27 生物转盘的布置
一般认为采用3级或4级，有机物的处理效率已达90%～95%，级数再多就没有必要了，所以一般不宜超过4级。
（2）特点。与活性污泥法相比，生物转盘具有很多特有的优越性，例如，它不会发生活性污泥法中污泥膨胀的现象，因此，可以用来处理浓度高的有机废水；废水与盘片上生物膜的接触时间比较长，可忍受负荷的突变；脱落的生物膜比活性污泥法易沉淀；管理特别方便，节省运转费用。但由于国内塑料价格较高，所以其基建投资还相当高，占地面积也较大。故往往在废水量小的治理工程中采用生物转盘法来处理。
（3）技术条件。生物转盘的转动速度是重要的运行参数，必须适当地选择。转速过大，有损设备的机械强度，耗电量大，而且由于转速过大而引起较大的剪切力，易使生物膜过早地剥离。生物转盘转速过小，影响充氧效果，并使槽内水流混合不好。
（4）生物膜的培养与驯化。生物膜的培养称为挂膜。挂膜就是接种，就是使微生物吸附在固体支撑物（滤料、盘片等）上。但是，只接种，即使接种量再大也不能说形成生物膜了，因为吸附在固体支撑物上的污泥或菌种不牢固，易被水冲走，所以接种后应创造条件，使已接种的微生物大量繁殖，牢固地吸附在固体支撑物上，这就需要连续不断地供给营养物。因此，在挂膜过程中应同时投加菌液和营养物，待挂膜结束后才逐步提高水力负荷。挂膜后应对生物膜进行驯化，使之适应所处理污水的环境。在挂膜过程中，应经常对生物相进行镜检，观察生物相的变化。挂膜驯化之后，系统即可进入试运转，测定生物膜法处理设备的最佳工作运行条件，并在最佳条件下转入正常运行。
3.生物活性炭法
生物净化法和活性炭吸附法是两种有效的水处理技术，均具有各自的优缺点。如生物净化法去除废水中有机物的效率高，运行费用低，但运行管理比较复杂，处理程度受到限制。活性炭吸附法虽然有很高的处理程度，但其价格昂贵，吸附容量较小，在使用上受到一定限制。以往人们总是把它们截然分开，实际上，在同一装置内，活性炭对有机物质的吸附和微生物的氧化相互促进，协同进行，可以大幅提高其处理能力，是一种经济有效的方法。这种方法在城市废水、纺织印染、化工染料等工业废水处理中已取得良好的效果。按不同的运行方式，生物活性炭法可分为粉状炭活性污泥法和粒状炭生物膜法两种，纺织印染废水处理中主要采用后者，故仅介绍粒状炭生物膜法。
采用该法处理废水，在废水净化初期，主要靠活性炭的吸附作用去除有机物，将废水中的有机物溶解氧和微生物富集于其表面，为微生物的生长繁殖创造一个良好的环境。因此，在很短的时间内可以取得较好的处理效果。随着微生物的生长繁殖，在活性炭表面形成不连续的生物膜占据部分吸附表面，有机物去除率下降。随着生物活性逐渐加强，活性炭的吸附与生物氧化协同进行，处理效果上升并趋于稳定。该法增加了系统对冲击负荷和温度变化的稳定性，同时，由于活性炭的吸附作用，大大延长了有机物与微生物的接触时间，使一些较难降解的有机物也能获得氧化分解，提高了难生物降解有机物的去除率和出水水质。由于活性炭吸附与生物氧化协同进行，采用粒状炭生物膜法处理印染废水，活性炭使用周期可达18个月以上，可大大延长活性炭的使用周期。
