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生物接觸氧化法全解析!

發(fā)布時(shí)間:2022年11月04日 08:47 作者:環(huán)保小蜜蜂 點(diǎn)擊數(shù):

來源:環(huán)保小蜜蜂


一、生物接觸氧化法的基本原理

1、生物接觸氧化法的特點(diǎn)

生物接觸氧化法是生物膜法的一種形式。它是在生物濾池法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,從生物膜固定和污水流動(dòng)來說,相似于生物濾池法。從污水充滿曝氣池和采用人工曝氣看,它又相似于活性污泥法。所以,生物接觸氧化法兼有生物濾池法和活性污泥法的特點(diǎn)。

實(shí)踐表明,生物接觸氧化法具有BOD負(fù)荷高,處理時(shí)間短,占地面積小,不需污泥回流,不產(chǎn)生污泥膨脹,運(yùn)轉(zhuǎn)比較靈活,維護(hù)管理方便等一系列優(yōu)點(diǎn),因此,是一種有發(fā)展前途的處理方法。

2、生物膜對(duì)廢水的凈化作用

在生物接觸氧化法中,微生物主要以生物膜的狀態(tài)固著在填料上,同時(shí)又有部分絮體或碎裂生物膜懸浮于處理水中。生物接觸氧化池中的生物膜重量,比曝氣池內(nèi)懸浮活性污泥的重量大得多,一般生物膜重量為6000-14000mg/L,而氧化池中呈懸浮狀的微生物(活性污泥)濃度一般為200-1000 mg/L。由此,可粗略地用生物膜重量表示生物接觸氧化法中的微生物重量,用生物膜濃度表示微生物濃度。

附著在填料表面的生物膜對(duì)廢水的凈化作用:

最初,稀疏的細(xì)菌附著于填料表面,隨著細(xì)菌的繁殖逐漸形成很薄的生物膜。在溶解氧和食料(有機(jī)物)都充足的條件下,微生物的繁殖十分迅速,生物膜逐漸加厚。生物膜的厚度通常為1.5-2.0mm,其中外表面到1.5 mm深處為好氣菌,1.5 mm深處到內(nèi)表面與填料壁相接的部分為弱厭氣菌。廢水中的溶解氧和有機(jī)物擴(kuò)散到生物膜內(nèi)為好氣菌利用。但是,當(dāng)生物膜長(zhǎng)到一定厚度時(shí),溶解氧無法向生物膜內(nèi)擴(kuò)散,好氣菌死亡、溶化,而內(nèi)層的厭氣菌得以繁殖發(fā)展。經(jīng)過一段時(shí)間后,厭氣菌在數(shù)量上亦開始下降,加上代謝氣體的逸出,使內(nèi)層生物膜出現(xiàn)許多空隙,附著力減弱,終于大塊脫落。在生物膜脫落的填料表面上,新的生物膜又重新生長(zhǎng)發(fā)展。實(shí)際上,新陳代謝過程在生物接觸氧化池中生物膜發(fā)展的每一個(gè)階段都是同時(shí)存在著的,這樣就使其去除有機(jī)物的能力保持在一個(gè)水平上。

3、流態(tài)

生物接觸氧化法的固定生物膜與一般的生物膜不同。在氧化池中采用曝氣方式,不僅提供較充分的溶解氧,而且由于曝氣攪動(dòng)加速了生物膜的更新,從而更加提高膜的活力與氧化能力。另外,曝氣會(huì)形成水的紊流,使固著在填料上的生物膜可以連續(xù)地、均勻地與污水相接觸,避免生物濾池中存在的接觸不良的缺陷。

對(duì)于接觸氧化池的單池(或單格)來說,其流態(tài)是一種混合型,各點(diǎn)水質(zhì)比較均勻,各部分的工況基本一致,具有完全混合型的特點(diǎn)。

對(duì)于將氧化池分格按照推流式設(shè)置的接觸氧化池來說,則全池又具有推流式活性污泥法的特點(diǎn)。由于按推流式設(shè)置時(shí),水在池子內(nèi)不斷地沿著池的縱向逐步推流至出口,使生物膜上的微生物與污水中的有機(jī)物得到充分混合和接觸,從而使污水逐漸凈化。全池的水質(zhì)是有變化的,進(jìn)水端COD值最大,以后逐漸減小,出口端最小。

4、生物相及其演化規(guī)律

生物接觸氧化法生物膜上的生物相是豐富的,起作用的微生物包括許多門類,由細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物組成比較穩(wěn)定的生態(tài)系。

(1)細(xì)菌類

生物相中數(shù)量最多的是細(xì)菌。它們的形態(tài)有:

①游離菌

大多為體形較小的桿狀菌,有時(shí)也可能是比較大型而自身又能運(yùn)動(dòng)的螺旋菌。細(xì)菌的種屬因處理的污水種類不同而異,一般生長(zhǎng)繁殖的細(xì)菌有無色桿菌屬、假單孢菌屬、芽孢桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬等。它們多數(shù)在掛膜培菌初期出現(xiàn),然后消失。

②菌膠團(tuán)

它是低等細(xì)菌建立的膠粘物,有良好的吸附能力,對(duì)被粘附的有機(jī)物加以分解利用,使有機(jī)物無機(jī)化。菌膠團(tuán)多半呈垂絲狀,也有呈蘑菇狀、分枝狀。

③絲狀菌

這是由低等細(xì)菌密切結(jié)合的高等細(xì)菌。絲狀菌多數(shù)是真菌球衣細(xì)菌,是生物膜中起重要作用的微生物。它們的菌絲體較長(zhǎng),常呈亂發(fā)狀。絲狀菌的繁殖和廢水的硝化有著密切聯(lián)系。在生物接觸氧化法中,絲狀菌是固著在填料表面上的,它的繁殖不僅不會(huì)引起活性污泥法中的那種污泥膨脹,反而使出水水質(zhì)變好。

(2)真菌類

生物膜中的真菌主要是鐮刀霉菌、地霉菌和各類酵母菌等。真菌對(duì)某些人工合成的有機(jī)物(如丙烯腈等)有一定降解能力。

(3)原生動(dòng)物

在正常運(yùn)行和生物膜降解能力良好時(shí),生物相中占優(yōu)勢(shì)的原生動(dòng)物以固著性的纖毛蟲為主,如鐘蟲、小口鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲、無柄鐘蟲等。有時(shí)也有游泳性纖毛蟲,如草履蟲、豆形蟲、漫游蟲等。

運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),生物膜上的生物相也是相對(duì)穩(wěn)定的,細(xì)菌和原生動(dòng)物之間存在著制約關(guān)系。一方面,原生動(dòng)物纖毛蟲吞噬細(xì)菌,抑制細(xì)菌群體的蔓延;另一方面,細(xì)菌被破壞后,又不斷繁殖生長(zhǎng),這就需要以廢水中的大量有機(jī)物作為食料,從而凈化了廢水。所以,原生動(dòng)物纖毛蟲特別是鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲是生物接觸氧化系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好的有價(jià)值的指示性生物。

在運(yùn)行時(shí),若有機(jī)物負(fù)荷或營養(yǎng)狀況有較大變化,則原生動(dòng)物中的固著性鐘蟲、等枝蟲突然消失,絲狀菌稀少,菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)松散,而游泳性草履蟲、鐘蟲游泳體大量出現(xiàn),出水水質(zhì)變差;反之,若原來出水水質(zhì)較差,一旦出現(xiàn)鐘蟲、等枝蟲、絲狀菌叢生,菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)緊密,而游泳性纖毛蟲減少,則說明環(huán)境條件有了改善,出水水質(zhì)變好。

(4)后生動(dòng)物

與活性污泥法不同的是,在生物接觸氧化法中的生物膜上存在著大量的后生動(dòng)物如輪蟲、線蟲、紅斑瓢體蟲。這些是以食死肉為主的動(dòng)物,能軟化生物膜,促進(jìn)生物膜脫落,從而經(jīng)常保持活性和良好的凈化功能。當(dāng)輪蟲等后生動(dòng)物數(shù)量多且活躍,個(gè)體肥大,則處理后出水水質(zhì)好;反之,則處理效果差。一旦發(fā)現(xiàn)生物呆滯,個(gè)體死亡,則預(yù)示著處理效果急劇下降。

二、影響處理效果的因素

1、進(jìn)水水質(zhì)

①PH值

環(huán)境條件對(duì)生物處理的影響是重要的,有時(shí)甚至是決定性的。其中PH值是重要的環(huán)境因素之一。

對(duì)于大多數(shù)細(xì)菌來說,雖然PH的最廣范圍為4-10,但是由于異常的PH值會(huì)損害細(xì)胞表面的滲透功能和細(xì)胞內(nèi)部的酶反應(yīng),因此適宜的PH值范圍應(yīng)為6-8。

在污水處理中,特別是在工業(yè)廢水處理中,污水的PH值往往不能適應(yīng)微生物的生長(zhǎng)繁殖。此時(shí),當(dāng)在培菌馴化時(shí)考慮到PH值因素,并使PH值逐漸偏于某一側(cè),那么,即使在較高的堿性和酸性條件下,也能夠使整個(gè)經(jīng)過馴化的微生物群體具有一定的凈化能力。

運(yùn)行實(shí)踐表明,生物接觸氧化法對(duì)PH值的適應(yīng)性比較強(qiáng),當(dāng)污水的PH值為8-9時(shí),微生物仍然有適應(yīng)能力,對(duì)處理效果沒有多大影響。因此,生物接觸氧化池進(jìn)水PH值可為6.5-9.0。否則,應(yīng)考慮預(yù)先的PH調(diào)整措施。

②水溫

在生物接觸氧化池中接觸停留時(shí)間較短,因此處理過程中污水受氣溫的影響不大,主要起作用的是水溫。

溫度對(duì)生物處理有一定的影響。一般地,溫度高,微生物活力強(qiáng),新陳代謝旺盛,氧化與呼吸作用強(qiáng),處理效果較好。但溫度過高,會(huì)抑制通常的嗜中溫微生物的生長(zhǎng)。同樣,溫度過低,微生物的生命活動(dòng)受到抑制,處理效果受到影響。

為了保持基本正常運(yùn)行,生物接觸氧化池的進(jìn)水水溫宜控制在10-35℃之間。

③硫化物及其它有害物質(zhì)

污水中的大量硫化物對(duì)生物接觸氧化法處理是有害的。一是,硫化物是還原劑,要消耗生物接觸氧化池中的大量溶解氧;二是,硫化物在充氧作用下,易產(chǎn)生難聞的硫化氫氣體;三是,硫化物對(duì)微生物代謝過程有抑制作用。為此,生物接觸氧化池進(jìn)水中的硫化物含量應(yīng)在30mg/L以下。

其它有害物質(zhì)的情況,在此從略。

2、有機(jī)負(fù)荷

有機(jī)負(fù)荷是反映生物接觸氧化法凈化效能的主要指標(biāo)。它通常用單位容積填料的污染物(BOD)負(fù)荷量來表示,即

BOD負(fù)荷=單位時(shí)間內(nèi)供給生物膜的有機(jī)物數(shù)量(BOD)÷填料總?cè)莘e單位:Kg BOD/(m3·d)

①BOD負(fù)荷同被處理水的污染物質(zhì)有關(guān)

處理對(duì)象不同,BOD負(fù)荷亦不同。易于生物降解的污水,例如城市污水、酵母廢水等,BOD負(fù)荷較高。而可生化性較低的廢水,如印染廢水等,BOD負(fù)荷較低。

②BOD容積負(fù)荷與處理水水質(zhì)亦有密切關(guān)系

實(shí)踐表明,在一定范圍內(nèi),出水BOD愈高,則BOD容積負(fù)荷也愈高;出水BOD愈低,則BOD容積負(fù)荷也就愈低。在保持相同處理水水質(zhì)的情況下,允許的BOD容積負(fù)荷愈高,則證明處理設(shè)備效率愈高。

③BOD容積負(fù)荷的實(shí)際取值范圍

對(duì)于可生化性較高的有機(jī)廢水,如城市污水、食品工業(yè)廢水等,BOD容積負(fù)荷宜取1.0-3.0Kg BOD/(m3·d);對(duì)于可生化性較差的廢水,如印染廢水等, BOD容積負(fù)荷取0.5-1.0Kg BOD/(m3·d)更為穩(wěn)妥。

3、接觸停留時(shí)間

①接觸停留時(shí)間同處理效果有很大關(guān)系

在相同的進(jìn)水水質(zhì)條件下,若接觸停留時(shí)間愈長(zhǎng),則處理水BOD值愈低,處理效果亦就愈好;反之亦然。

這是因?yàn)?,微生物?duì)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化過程同微生物機(jī)體的化學(xué)過程緊密地聯(lián)系著。不論是將復(fù)雜的有機(jī)物分解氧化成簡(jiǎn)單的無機(jī)物,還是將比較簡(jiǎn)單的無機(jī)物合成復(fù)雜的細(xì)胞物質(zhì),都需要一定時(shí)間。特別是被吸附與附著在生物膜上的有機(jī)物經(jīng)氧化分解和細(xì)胞合成作用全部轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定物質(zhì)(有機(jī)物無機(jī)化)所需時(shí)間較長(zhǎng),一般為數(shù)小時(shí)乃至數(shù)十天。因此,處理效果對(duì)接觸停留時(shí)間的依賴性很大。

②接觸停留時(shí)間同所采用的處理工藝流程有關(guān)

在原水水質(zhì)和處理水質(zhì)都相同的條件下,一段法同多段法相比較,所需要的接觸停留時(shí)間是不相同的。一般地,二段法或多段法的總接觸停留時(shí)間短于一段法。

對(duì)于BOD濃度較低的城市污水,宜采用二段法工藝流程,總接觸停留時(shí)間1.0-3.0h,一氧池接觸停留時(shí)間約占總接觸停留時(shí)間的2/3,二氧池約占1/3。

對(duì)于中等濃度的工業(yè)廢水(如BOD濃度為150-300mg/L),接觸停留時(shí)間宜采用3-6h。

對(duì)于高濃度的工業(yè)廢水(BOD濃度為500mg/L以上),接觸停留時(shí)間宜采用8-16h。

三、填料選擇

(1)填料的作用及要求

填料是生物膜的載體,同時(shí)兼有截留懸浮物質(zhì)的作用。因此載體填料是氧化池的關(guān)鍵,直接影響著生物接觸氧化法的效能。同時(shí),載體填料費(fèi)用在生物接觸氧化處理系統(tǒng)的基建費(fèi)用中又占較大比重,所以填料關(guān)系到接觸氧化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)合理性。

通常,對(duì)載體填料的要求是:

①生物膜的附著性

表面粗糙度是能否很快形成初期生物膜的主要因素。表面粗糙度大,掛膜快;表面粗糙度小,掛膜慢。

生物膜附著還同微生物和載體填料表面的靜電作用有關(guān)。一般微生物常帶負(fù)電,若填料表面的電位愈高,則可以推測(cè)生物膜附著愈易;反之亦然。由于微生物可以視為親水性粒子,所以在親水性填料表面易附著微生物。于是,有的塑料填料在使用前先進(jìn)行了提高表面親水性處理。

②水力學(xué)特性

載體填料的水力學(xué)特性包括空隙率、比表面積、形狀尺寸、填充率等。空隙率影響水的實(shí)際停留時(shí)間和生物膜量??障堵视?,氧化池阻力愈小,同時(shí)需要填料少,降低造價(jià)。但是,空隙率高時(shí)機(jī)械強(qiáng)度和比表面積都比較小。比表面積影響氧化池單位容積的生物膜量。

若載體填料的比表面積大,則不僅對(duì)溶解性底質(zhì),而且對(duì)懸浮物質(zhì)的去除效果較好。但是,比表面積大的填料帶來的問題是,流經(jīng)填料內(nèi)的水流阻力增大,能量消耗隨之增大,同時(shí)易于堵塞填料。為了防止堵塞,就要提高反沖洗強(qiáng)度,這樣使原生動(dòng)物、后生動(dòng)物受到?jīng)_刷,微生物的食物鏈變短,產(chǎn)生的剩余污泥量就大。因此,一般固定床氧化法載體填料的比表面積宜在一至數(shù)個(gè)100m2/m3之間。

填料的形狀尺寸除了同空隙率和比表面積密切相關(guān)以外,也是影響填料間水流態(tài)的重要因素,一般用雷諾數(shù)Re表示。Re小于2000為層流,大于2000為紊流。若填料間紊流愈甚,則水與生物膜接觸效率愈高,生物膜更新愈快,增大了去除污染物質(zhì)的能力。但是,為了提高Re,勢(shì)必要增大流速,從而增大能量消耗。若比表面積小,則Re值大,提高單位生物膜表面積的凈化效率。因此,從這一點(diǎn)考慮,則采用比表面積小的填料是有利的。

若空隙率大、比表面積大、形狀尺寸均一,則水流阻力??;反之亦然。從節(jié)能觀點(diǎn)來看,填料間的水流阻力愈小愈好,這是一個(gè)方面。但另一方面由于填料自身具有整流作用,阻力愈大,則填料內(nèi)流速分布比較均一,因此克服氧化池內(nèi)流速偏差是有效的。

③經(jīng)濟(jì)性

影響填料成本的主要因素是材質(zhì)、填料形狀與厚度、加工工藝過程等。不言而喻,采制價(jià)格低廉、厚度小、加工工藝簡(jiǎn)單,則成本低。

當(dāng)建設(shè)資金充足時(shí),可以考慮一次性采用性能好、使用壽命長(zhǎng)而價(jià)格又較貴的填料;若建設(shè)資金比較短缺時(shí),建議可以先使用性能良好、價(jià)格低廉的填料,如軟性纖維填料,以滿足污水處理的需要,而以后再逐漸更換成其它更為理想的填料。

(2)種類

載體填料按形狀分,有:蜂窩管狀、束狀、波紋狀、圓環(huán)輻射狀、盾狀、板狀、網(wǎng)狀、筒狀、不規(guī)則粒狀等;按性狀分,有:硬性、半軟性、軟性;按材質(zhì)分,有:塑料、玻璃鋼、纖維填料等。

四、供氣量和曝氣充氧設(shè)備

(1)供氣的作用

①充氧

生物接觸氧化法主要是利用好氣性細(xì)菌完成生物凈化作用。微生物的氧化、合成和內(nèi)源呼吸全部需要氧。所以,除了營養(yǎng)物質(zhì)外,氧氣是保持微生物正?;顒?dòng)的一個(gè)重要條件。供氣使氧化池中的溶解氧控制在一個(gè)相當(dāng)?shù)乃缴稀?/p>

②充分?jǐn)嚢?,形成紊?/p>

供氣使池內(nèi)水流充分?jǐn)噭?dòng),形成紊流。紊流愈甚,被處理水與生物膜的接觸效率愈高,傳質(zhì)效應(yīng)愈好,從而提高處理效果。

③填料堵塞,促進(jìn)生物膜更新

供氣的攪動(dòng)作用使填料上衰老的生物膜及時(shí)剝落,防止填料堵塞。同時(shí)還促進(jìn)生物膜更新,提高處理效果。

(2)供氣量

為了表面層的好氣菌維持良好的生物相,通過填料后的溶解氧應(yīng)是2-3mg/L。

關(guān)于供氣量的確定,一般有以下兩種方法:

①根據(jù)生物膜需氧量來計(jì)算供氣量

生物膜的需氧量(R)包括合成用氧量和內(nèi)源呼吸用氧量?jī)刹糠?。?/p>

R = a’·ΔBOD+b’·P

式中:

R——生物膜的需氧量(Kg/d)ΔBOD——單位時(shí)間內(nèi)去除的BOD量(Kg/d)P——活性生物膜數(shù)量(Kg)a’、b’——系數(shù)(a’≈0.4~0.7、b’≈0.18)

所需的供氣量(Qs)取決于需氧量(R)和曝氣裝置氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa 。

②根據(jù)水氣比,確定實(shí)際供氣量

在生物接觸氧化處理廢水實(shí)踐中,往往是根據(jù)水氣比確定供氣量。水氣比為處理水量和供氣量體積比,視水質(zhì)、水溫、填料和廢水所需的溶解氧而定。正常運(yùn)行時(shí)的水氣比為:

城市污水 1:(3-5)一般工業(yè)廢水 1:(15-20)高濃度生產(chǎn)廢水 1:(20-25)

但是,在生物接觸氧化中,曝氣不僅提供溶解氧,還形成紊流,促進(jìn)生物膜脫落與更新,防止填料堵塞,還有利于污水中有機(jī)物和微生物的代謝產(chǎn)物的擴(kuò)散與傳遞。所以,在確定供氣量時(shí)還應(yīng)考慮反沖填料時(shí)須加大供氣量。一般地,反沖填料時(shí)的水氣比為:

城市污水 1:(6-8)工業(yè)廢水 1:(20-25)

(3)供氣方式

對(duì)供氣方式總的要求是:能使水流均勻地流經(jīng)曝氣池和載體填料,充氧效果好,能耗低,維護(hù)管理方便。

供氣方式可分為:鼓風(fēng)曝氣、機(jī)械曝氣和射流曝氣。

目前國內(nèi)用得較多的是鼓風(fēng)曝氣。鼓風(fēng)曝氣就是用鼓風(fēng)機(jī)(或空壓機(jī))向曝氣池充入一定壓力的空氣(或氧氣)。這種方法動(dòng)力消耗較低,動(dòng)力效率較高,供氣量較易控制,脫落的生物膜沉淀性能較好。但是,氧的利用率較低,噪聲大。

射流曝氣,就是用泵打入混合液,在射流器的喉管處形成高速射流,與吸入(或壓入)的空氣強(qiáng)烈混合攪拌,將氣泡粉碎為100μm左右,使氧迅速轉(zhuǎn)移至混合液中。其氧的利用率較高,管理方便。但是,動(dòng)力消耗較高,動(dòng)力效率較低,脫落的生物膜易被擊碎,質(zhì)輕上浮。

機(jī)械曝氣大多以裝在曝氣池水面的葉輪快速轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)行表面充氧。生物接觸氧化法,很少采用這種曝氣方式。

(4)曝氣充氧設(shè)備

各種不同方式對(duì)氧化池的供氣是通過曝氣充氧設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。曝氣充氧設(shè)備的性能不僅影響污水生物處理的效果,而且關(guān)系到處理設(shè)施的投資、電耗和運(yùn)行費(fèi)用。目前,鼓風(fēng)曝氣充氧設(shè)備常采用穿孔管、微孔曝氣器、可變孔曝氣軟管等。

穿孔管,簡(jiǎn)單易行,安裝方便,一次投資省。但是,其氧的利用率較低,孔口易于堵塞。

微孔曝氣器、可變孔曝氣軟管等,氧的利用率較高。但是,由于它是采用塑料(或橡膠)制成,很容易老化,使用壽命較低。

 

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