生物膜法在城市污水处理中的研究

龙 源

（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553000）

生物膜法最开始运用在工业废水处理中，人们不断研究曝气生物滤池工艺和高负荷生物滤池工艺。现阶段，诸多城市面临淡水资源短缺的难题，促使城市生活污水处理变得十分重要。随着城市生活污水中的氮、磷含量急剧增加，传统的活性污泥法难以实现与时俱进，其处理效果明显下降。生物膜法逐渐在城市污水处理中占据主导地位，相关技术人员给予高度重视，持续加强对该技术的改进，其前景一片大好[1-2]。

1 生物膜法工艺概述

1.1 曝气生物滤池工艺

曝气生物滤池是一种将生物氧化与悬浮固体同时进行的新技术。其处理污水的原理是利用反应器中滤料的生物膜在水流方向的吸附和降解作用[3]。曝气生物滤池的主要工艺特点是：耐冲击性好、处理效果强、去污能力强、出水水质好、工艺流程短、无二沉池、氧气利用率高；较小的滤层阻力；价格低，性价比高；独特的脉冲反冲洗形式[4-5]。

1.2 高负荷生物滤池工艺

高负荷生物滤池可以使用不同的材料。现阶段，生物滤池主要采用高负荷进行处理。高负荷生物滤池工艺的关键是，让污泥与生物滤池混合，经曝气与生物吸附，让废水中的生物膜沉淀，降解有机污染物[6]。

1.3 生物膜法的原理及特点

生物膜法是指生物膜先吸附着水层的有机物，由好氧层的好氧菌将其分解，再进入厌氧层进行厌氧分解，流动水洗刷老化的生物膜，使生物膜生长出新的生物膜，如此反复达到净化污水的目的。其主要具有以下特点：微生物多样化；微生物量多，设备处理有效能力大；剩余污泥量少；运行管理方便；工艺流程稳定；动力消耗少。

1.4 滤料的选择及其作用

微生物在载体表面繁殖且生存[7]。生物膜法是一种新型的微生物处理工艺，可以提高生物膜的处理效果。曝气生物滤池的核心是滤料。滤料是微生物生存与繁殖的宿主，提供生长环境，保证存活率，控制数量；去除废水中的悬浮物，提高反应器出水效率。滤料粒径一般根据过滤和冲洗两方面来确定，先确定石英砂滤料粒径的大概范围，后计算出轻质滤料的最大粒径和重质滤料的最小颗粒径，以防层间严重混杂。铺装滤料前，可提高石英砂滤料的最小粒径值，或降低其最大粒径值，以便达到标准。在国内，石英砂滤料粒径范围一般为0.5 ～0.8 mm，国外所用的石英砂滤料粒径较小，其有效粒径为0.40 ～0.45 mm。

滤料具有吸附悬浮物的作用。通过研究分析，固体颗粒只要符合下列要求，都可作为过滤材料：具有机械强度，防止冲洗固体颗粒时造成过度损坏；具有良好的化学性；材料简单，性价不高；外形像球，表面粗糙，吸附能力强。

1.5 生物膜的成熟

生物膜是由细菌和各种微生物组成的生态系统，其对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定。对于城市污水来说，在20℃条件下，生物膜从开始形成到成熟，一般需要30 d 左右。其中，微生物高度密集，这些微生物主要起着去除废水中有机污染物的作用，形成了有机污染物-细菌-原生动物的食物链。

1.6 生物膜的运行原则

生物膜运行遵循以下原则：缓减生物膜的老化；抑制厌氧膜的厚度；加快好氧膜的增长；控制好生物膜，使其不集中脱落。

2 生物膜法的效率

2.1 生物膜法的工艺流程

生物膜法与活性污泥法可以溶解有机污染物。微生物在滤料上不断繁殖，当数量达到一定数量，就形成生物膜[8]。生物膜上附着微生物，使其吸附和降解有机污染物的效率提高，达到净化作用。微生物在滤料上增长，生物膜厚度变大，将氧气隔绝，生物膜内部形成厌氧环境。生物膜法工艺由生物滤池工艺、生物转盘工艺、生物接触氧化法工艺、生物流化床法工艺等组成。

生物滤池是由鹅卵石或塑料等填料组成的处理结构。污水与填料表面附着的微生物膜接触，在污水净化中起到一定的作用。生物滤池是根据土壤自净原理，由之前的间歇砂滤池和接触滤池的研究发展而来的人工生物处理技术。

生物转盘是一种生物处理结构，由一个水槽和一个部分浸在污水中的旋转圆盘组成。污水在沉淀池中经过一次处理后，采用生物膜法处理。生物膜上的微生物以补给的形式吸附污水中的有机污染物，使污水得到净化。

在生物接触氧化过程中，微生物所需的氧气主要通过曝气风机和曝气器提供。当生物膜的厚度达到较大程度时，填料上的微生物会因缺氧死亡，然后脱落。通过冲洗生物膜脱落的微生物，新生物膜可以取代死亡的老生物膜。然后，掉落下来的生物膜将随冲洗水冲入污水池，使污水得到净化。

生物流化床是生物膜法最快捷、最有效的处理工艺。污水自上而下流过砂床，使载体呈流动状态，使单位时间内生物膜与污水的接触面积变大，充分供氧时间增多，提高污水处理效果。

2.2 生物膜法除磷工艺

水中磷含量过高会导致藻类生长迅速，造成严重的富营养化，整个生物链将被打乱。所以，处理除磷工艺显然十分重要，而生物膜法具有较好的除磷效果。当前，人们要采取有效措施，如控制厌氧条件、充分利用有机物、调节pH 值到中性或微碱性、适当提升温度等，从而降低污水的磷含量，这已然成为防止水体富营养化的重要途径之一。

2.3 生物膜法脱氮工艺

水中的氮含量过高会导致植物快速生长，加剧水体富营养化，影响动植物的正常生长。因此，脱氮工艺具有重要作用，人们要采取有效措施来控制水体的氮含量。在生物膜法中，脱氮工艺是指有机氮与氨氮经过氨化、硝化和反硝化的作用，转化成氨气释放到空气中[9]。要想进一步完善生物膜法脱氮工艺，提升生物脱氮效果，人们就要保证溶解氧浓度、pH 值和反应温度在适宜的范围。

2.4 生物膜法对重金属的去除效果

在工业生产中，含有重金属的污水一旦未经处理而随意排放，不仅会污染土壤，还会污染地表水和地下水，影响水生物生长和人体健康。利用生物膜法去除水中重金属时，其去除效果主要取决于生物膜对重金属的吸附效率。人们要不断改进生物膜法，逐步增强生物膜的重金属吸附能力，展现其应用价值[10]。

3 生物膜法的对比与改进

3.1 生物膜法与活性污泥的对比

与活性污泥法相比，生物膜法的负荷较高，建设费用较低，耗能较少[11]。目前，生物膜法在实际应用中可以取代活性污泥法，弥补活性污泥法的缺陷，其运行管理方便、剩余污泥量少、能耗消耗少。人们要不断完善生物膜法，积极创新，充分发挥其优势，提高工艺应用效果。

3.2 生物膜法的改进技术

生物膜法在我国起步较晚，具有相当大的提升空间，存在许多可以优化和完善的地方[12]。一是要完善污水处理的应用理论知识，我国目前缺少高负荷生物滤池工艺和生物曝气滤池工艺方面的知识结构和理论，这将会影响生物膜法的创新发展；二是要在短时间内完善工艺设计，如完善高负荷生物滤池工艺等，不断研究生物曝气滤池工艺负荷与冲洗的关系；三是要深入研究高负荷生物滤池工艺和生物曝气滤池工艺的滤料，滤料要选用造价低、质量轻、强度高的材料；四是要通过实践进一步改进生物曝气滤池工艺，使其达到污水处理要求。

3.3 生物膜法在城市污水处理的运用

生物膜法在城市污水处理中可以发挥极大的作用，人们要不断改进生物膜法[13]。未来，生物膜法将超越活性污泥法，成为城市污水处理的主要工艺。目前，我国污水处理厂数量远远不能满足要求，人们应采取有效的措施，改进和完善相关技术，有效节约成本，综合治理城市污水。

4 结语

污水处理关系到城市的长远发展，城市污水成分比较复杂，人们可以运用生物膜法来提高城市污水处理效率[14]。随着生物膜法研究的不断深入和创新，未来，其将在城市污水处理中占据一席之地并发挥重要的作用。