污水处理生物接触氧化法解析

一、 生物接触氧化法的基本原理   
1、生物接触氧化法的特点 
生物接触氧化法是生物膜法的一种形式。它是在生物滤池法的基础上发展起来的，从生物膜固定和污水流动来说，相似于生物滤池法。从污水充满曝气池和采用人工曝气看，它又相似于活性污泥法。所以，生物接触氧化法兼有生物滤池法和活性污泥法的特点。 
实践表明，生物接触氧化法具有BOD负荷高，处理时间短，占地面积小，不需污泥回流，不产生污泥膨胀，运转比较灵活，维护管理方便等一系列优点，因此，是一种有发展前途的处理方法。 
2、生物膜对废水的净化作用 
在生物接触氧化法中，微生物主要以生物膜的状态固着在填料上，同时又有部分絮体或碎裂生物膜悬浮于处理水中。生物接触氧化池中的生物膜重量，比曝气池内悬浮活性污泥的重量大得多，一般生物膜重量为6000-14000mg/L，而氧化池中呈悬浮状的微生物(活性污泥)浓度一般为200-1000 mg/L。由此，可粗略地用生物膜重量表示生物接触氧化法中的微生物重量，用生物膜浓度表示微生物浓度。 
附着在填料表面的生物膜对废水的净化作用： 
最初，稀疏的细菌附着于填料表面，随着细菌的繁殖逐渐形成很薄的生物膜。在溶解氧和食料(有机物)都充足的条件下，微生物的繁殖十分迅速，生物膜逐渐加厚。生物膜的厚度通常为1.5-2.0mm，其中外表面到1.5 mm深处为好气菌，1.5 mm深处到内表面与填料壁相接的部分为弱厌气菌。废水中的溶解氧和有机物扩散到生物膜内为好气菌利用。但是，当生物膜长到一定厚度时，溶解氧无法向生物膜内扩散，好气菌死亡、溶化，而内层的厌气菌得以繁殖发展。经过一段时间后，厌气菌在数量上亦开始下降，加上代谢气体的逸出，使内层生物膜出现许多空隙，附着力减弱，终于大块脱落。在生物膜脱落的填料表面上，新的生物膜又重新生长发展。实际上，新陈代谢过程在生物接触氧化池中生物膜发展的每一个阶段都是同时存在着的，这样就使其去除有机物的能力保持在一个水平上。 
3、流态 
生物接触氧化法的固定生物膜与一般的生物膜不同。在氧化池中采用曝气方式，不仅提供较充分的溶解氧，而且由于曝气搅动加速了生物膜的更新，从而更加提高膜的活力与氧化能力。另外，曝气会形成水的紊流，使固着在填料上的生物膜可以连续地、均匀地与污水相接触，避免生物滤池中存在的接触不良的缺陷。 
对于接触氧化池的单池(或单格)来说，其流态是一种混合型，各点水质比较均匀，各部分的工况基本一致，具有完全混合型的特点。 
对于将氧化池分格按照推流式设置的接触氧化池来说，则全池又具有推流式活性污泥法的特点。由于按推流式设置时，水在池子内不断地沿着池的纵向逐步推流至出口，使生物膜上的微生物与污水中的有机物得到充分混合和接触，从而使污水逐渐净化。全池的水质是有变化的，进水端COD值最大，以后逐渐减小，出口端最小。

4、生物相及其演化规律 
生物接触氧化法生物膜上的生物相是丰富的，起作用的微生物包括许多门类，由细菌、真菌、原生动物、后生动物组成比较稳定的生态系。 
（1）细菌类 
生物相中数量最多的是细菌。它们的形态有：
①游离菌 
大多为体形较小的杆状菌，有时也可能是比较大型而自身又能运动的螺旋菌。细菌的种属因处理的污水种类不同而异，一般生长繁殖的细菌有无色杆菌属、假单孢菌属、芽孢杆菌属、产碱杆菌属等。它们多数在挂膜培菌初期出现，然后消失。 
②菌胶团 
它是低等细菌建立的胶粘物，有良好的吸附能力，对被粘附的有机物加以分解利用，使有机物无机化。菌胶团多半呈垂丝状，也有呈蘑菇状、分枝状。 
③丝状菌
这是由低等细菌密切结合的高等细菌。丝状菌多数是真菌球衣细菌，是生物膜中起重要作用的微生物。它们的菌丝体较长，常呈乱发状。丝状菌的繁殖和废水的硝化有着密切联系。在生物接触氧化法中，丝状菌是固着在填料表面上的，它的繁殖不仅不会引起活性污泥法中的那种污泥膨胀，反而使出水水质变好。
（2）真菌类 
生物膜中的真菌主要是镰刀霉菌、地霉菌和各类酵母菌等。真菌对某些人工合成的有机物(如丙烯腈等)有一定降解能力。 
（3）原生动物 
在正常运行和生物膜降解能力良好时，生物相中占优势的原生动物以固着性的纤毛虫为主，如钟虫、小口钟虫、等枝虫、盖纤虫、无柄钟虫等。有时也有游泳性纤毛虫，如草履虫、豆形虫、漫游虫等。
运行稳定时，生物膜上的生物相也是相对稳定的，细菌和原生动物之间存在着制约关系。一方面，原生动物纤毛虫吞噬细菌，抑制细菌群体的蔓延；另一方面，细菌被破坏后，又不断繁殖生长，这就需要以废水中的大量有机物作为食料，从而净化了废水。所以，原生动物纤毛虫特别是钟虫、等枝虫、盖纤虫是生物接触氧化系统运转良好的有价值的指示性生物。
在运行时，若有机物负荷或营养状况有较大变化，则原生动物中的固着性钟虫、等枝虫突然消失，丝状菌稀少，菌胶团结构松散，而游泳性草履虫、钟虫游泳体大量出现，出水水质变差；反之，若原来出水水质较差，一旦出现钟虫、等枝虫、丝状菌丛生，菌胶团结构紧密，而游泳性纤毛虫减少，则说明环境条件有了改善，出水水质变好。 
（4）后生动物
与活性污泥法不同的是，在生物接触氧化法中的生物膜上存在着大量的后生动物如轮虫、线虫、红斑瓢体虫。这些是以食死肉为主的动物，能软化生物膜，促进生物膜脱落，从而经常保持活性和良好的净化功能。当轮虫等后生动物数量多且活跃，个体肥大，则处理后出水水质好；反之，则处理效果差。一旦发现生物呆滞，个体死亡，则预示着处理效果急剧下降。

二、影响处理效果的因素   
1、进水水质 
①PH值
环境条件对生物处理的影响是重要的，有时甚至是决定性的。其中PH值是重要的环境因素之一。 
对于大多数细菌来说，虽然PH的最广范围为4-10，但是由于异常的PH值会损害细胞表面的渗透功能和细胞内部的酶反应，因此适宜的PH值范围应为6-8。 
在污水处理中，特别是在工业废水处理中，污水的PH值往往不能适应微生物的生长繁殖。此时，当在培菌驯化时考虑到PH值因素，并使PH值逐渐偏于某一侧，那么，即使在较高的碱性和酸性条件下，也能够使整个经过驯化的微生物群体具有一定的净化能力。 
运行实践表明，生物接触氧化法对PH值的适应性比较强，当污水的PH值为8-9时，微生物仍然有适应能力，对处理效果没有多大影响。因此，生物接触氧化池进水PH值可为6.5-9.0。否则，应考虑预先的PH调整措施。 
②水温 
在生物接触氧化池中接触停留时间较短，因此处理过程中污水受气温的影响不大，主要起作用的是水温。 
温度对生物处理有一定的影响。一般地，温度高，微生物活力强，新陈代谢旺盛，氧化与呼吸作用强，处理效果较好。但温度过高，会抑制通常的嗜中温微生物的生长。同样，温度过低，微生物的生命活动受到抑制，处理效果受到影响。 
为了保持基本正常运行，生物接触氧化池的进水水温宜控制在10-35℃之间。 
③硫化物及其它有害物质 
污水中的大量硫化物对生物接触氧化法处理是有害的。一是，硫化物是还原剂，要消耗生物接触氧化池中的大量溶解氧；二是，硫化物在充氧作用下，易产生难闻的硫化氢气体；三是，硫化物对微生物代谢过程有抑制作用。为此，生物接触氧化池进水中的硫化物含量应在30mg/L以下。 
2、有机负荷 
有机负荷是反映生物接触氧化法净化效能的主要指标。它通常用单位容积填料的污染物(BOD)负荷量来表示，即 
BOD负荷=单位时间内供给生物膜的有机物数量(BOD)÷填料总容积
 　　单位：Kg BOD/(m3·d) 
① BOD负荷同被处理水的污染物质有关 
处理对象不同，BOD负荷亦不同。易于生物降解的污水，例如城市污水、酵母废水等，BOD负荷较高。而可生化性较低的废水，如印染废水等，BOD负荷较低。
② BOD容积负荷与处理水水质亦有密切关系
实践表明，在一定范围内，出水BOD愈高，则BOD容积负荷也愈高；出水BOD愈低，则BOD容积负荷也就愈低。在保持相同处理水水质的情况下，允许的BOD容积负荷愈高，则证明处理设备效率愈高。
③ BOD容积负荷的实际取值范围 
对于可生化性较高的有机废水，如城市污水、食品工业废水等，BOD容积负荷宜取1.0-3.0Kg BOD/(m3·d)；对于可生化性较差的废水，如印染废水等， BOD容积负荷取0.5-1.0Kg BOD/(m3·d)更为稳妥。 
3、接触停留时间 
①接触停留时间同处理效果有很大关系 
在相同的进水水质条件下，若接触停留时间愈长，则处理水BOD值愈低，处理效果亦就愈好；反之亦然。 
这是因为，微生物对有机物的转化过程同微生物机体的化学过程紧密地联系着。不论是将复杂的有机物分解氧化成简单的无机物，还是将比较简单的无机物合成复杂的细胞物质，都需要一定时间。特别是被吸附与附着在生物膜上的有机物经氧化分解和细胞合成作用全部转化为稳定物质(有机物无机化)所需时间较长，一般为数小时乃至数十天。因此，处理效果对接触停留时间的依赖性很大。 
②接触停留时间同所采用的处理工艺流程有关 
在原水水质和处理水质都相同的条件下，一段法同多段法相比较，所需要的接触停留时间是不相同的。一般地，二段法或多段法的总接触停留时间短于一段法。 
对于BOD浓度较低的城市污水，宜采用二段法工艺流程，总接触停留时间1.0-3.0h，一氧池接触停留时间约占总接触停留时间的2/3，二氧池约占1/3。 
对于中等浓度的工业废水(如BOD浓度为150-300mg/L)，接触停留时间宜采用3-6h。 
对于高浓度的工业废水(BOD浓度为500mg/L以上)，接触停留时间宜采用8-16h。 
 三、填料选择   
（1）填料的作用及要求 
填料是生物膜的载体，同时兼有截留悬浮物质的作用。因此载体填料是氧化池的关键，直接影响着生物接触氧化法的效能。同时，载体填料费用在生物接触氧化处理系统的基建费用中又占较大比重，所以填料关系到接触氧化技术的经济合理性。 
通常，对载体填料的要求是：
①生物膜的附着性 
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，挂膜快；表面粗糙度小，挂膜慢。 
生物膜附着还同微生物和载体填料表面的静电作用有关。一般微生物常带负电，若填料表面的电位愈高，则可以推测生物膜附着愈易；反之亦然。由于微生物可以视为亲水性粒子，所以在亲水性填料表面易附着微生物。于是，有的塑料填料在使用前先进行了提高表面亲水性处理。
②水力学特性 
载体填料的水力学特性包括空隙率、比表面积、形状尺寸、填充率等。 
空隙率影响水的实际停留时间和生物膜量。空隙率愈高，氧化池阻力愈小，同时需要填料少，降低造价。但是，空隙率高时机械强度和比表面积都比较小。比表面积影响氧化池单位容积的生物膜量。
若载体填料的比表面积大，则不仅对溶解性底质，而且对悬浮物质的去除效果较好。但是，比表面积大的填料带来的问题是，流经填料内的水流阻力增大，能量消耗随之增大，同时易于堵塞填料。为了防止堵塞，就要提高反冲洗强度，这样使原生动物、后生动物受到冲刷，微生物的食物链变短，产生的剩余污泥量就大。因此，一般固定床氧化法载体填料的比表面积宜在一至数个100m2/m3之间。
 　　填料的形状尺寸除了同空隙率和比表面积密切相关以外，也是影响填料间水流态的重要因素，一般用雷诺数Re表示。Re小于2000为层流，大于2000为紊流。若填料间紊流愈甚，则水与生物膜接触效率愈高，生物膜更新愈快，增大了去除污染物质的能力。但是，为了提高Re，势必要增大流速，从而增大能量消耗。若比表面积小，则Re值大，提高单位生物膜表面积的净化效率。因此，从这一点考虑，则采用比表面积小的填料是有利的。 
若空隙率大、比表面积大、形状尺寸均一，则水流阻力小；反之亦然。从节能观点来看，填料间的水流阻力愈小愈好，这是一个方面。但另一方面由于填料自身具有整流作用，阻力愈大，则填料内流速分布比较均一，因此克服氧化池内流速偏差是有效的。 
③经济性 
影响填料成本的主要因素是材质、填料形状与厚度、加工工艺过程等。不言而喻，采制价格低廉、厚度小、加工工艺简单，则成本低。
 　　当建设资金充足时，可以考虑一次性采用性能好、使用寿命长而价格又较贵的填料；若建设资金比较短缺时，建议可以先使用性能良好、价格低廉的填料，如软性纤维填料，以满足污水处理的需要，而以后再逐渐更换成其它更为理想的填料。 
（2）种类 
载体填料按形状分，有：蜂窝管状、束状、波纹状、圆环辐射状、盾状、板状、网状、筒状、不规则粒状等；按性状分，有：硬性、半软性、软性；按材质分，有：塑料、玻璃钢、纤维填料等。 
 四、供气量和曝气充氧设备   
（1）供气的作用
 　　①充氧 
生物接触氧化法主要是利用好气性细菌完成生物净化作用。微生物的氧化、合成和内源呼吸全部需要氧。所以，除了营养物质外，氧气是保持微生物正常活动的一个重要条件。供气使氧化池中的溶解氧控制在一个相当的水平上。 
②充分搅拌，形成紊流
供气使池内水流充分搅动，形成紊流。紊流愈甚，被处理水与生物膜的接触效率愈高，传质效应愈好，从而提高处理效果。 
③填料堵塞，促进生物膜更新
供气的搅动作用使填料上衰老的生物膜及时剥落，防止填料堵塞。同时还促进生物膜更新，提高处理效果。
 　　（2）供气量 
 　为了表面层的好气菌维持良好的生物相，通过填料后的溶解氧应是2-3mg/L。 
关于供气量的确定，一般有以下两种方法： 
①根据生物膜需氧量来计算供气量 
生物膜的需氧量(R)包括合成用氧量和内源呼吸用氧量两部分。即 
R = a’·ΔBOD+b’·P 
式中： 
R——生物膜的需氧量(Kg/d) 
ΔBOD——单位时间内去除的BOD量(Kg/d)
 　　P——活性生物膜数量(Kg) 
a’ 、b’——系数(a’≈0.4~0.7、b’≈0.18) 
所需的供气量(Qs)取决于需氧量(R)和曝气装置氧的总转移系数KLa 。 
②根据水气比，确定实际供气量 
在生物接触氧化处理废水实践中，往往是根据水气比确定供气量。水气比为处理水量和供气量体积比，视水质、水温、填料和废水所需的溶解氧而定。正常运行时的水气比为： 
城市污水             1：（3-5） 
一般工业废水        1：（15-20） 
高浓度生产废水     1：（20-25） 
但是，在生物接触氧化中，曝气不仅提供溶解氧，还形成紊流，促进生物膜脱落与更新，防止填料堵塞，还有利于污水中有机物和微生物的代谢产物的扩散与传递。所以，在确定供气量时还应考虑反冲填料时须加大供气量。一般地，反冲填料时的水气比为： 
城市污水        1：（6-8） 
工业废水        1：（20-25） 
（3） 供气方式 
对供气方式总的要求是：能使水流均匀地流经曝气池和载体填料，充氧效果好，能耗低，维护管理方便。 
供气方式可分为：鼓风曝气、机械曝气和射流曝气。 
目前国内用得较多的是鼓风曝气。鼓风曝气就是用鼓风机(或空压机)向曝气池充入一定压力的空气(或氧气)。这种方法动力消耗较低，动力效率较高，供气量较易控制，脱落的生物膜沉淀性能较好。但是，氧的利用率较低，噪声大。 
射流曝气，就是用泵打入混合液，在射流器的喉管处形成高速射流，与吸入(或压入)的空气强烈混合搅拌，将气泡粉碎为100μm左右，使氧迅速转移至混合液中。其氧的利用率较高，管理方便。但是，动力消耗较高，动力效率较低，脱落的生物膜易被击碎，质轻上浮。 
机械曝气大多以装在曝气池水面的叶轮快速转动，进行表面充氧。生物接触氧化法，很少采用这种曝气方式。 
（4）曝气充氧设备 
各种不同方式对氧化池的供气是通过曝气充氧设备来实现的。曝气充氧设备的性能不仅影响污水生物处理的效果，而且关系到处理设施的投资、电耗和运行费用。目前，鼓风曝气充氧设备常采用穿孔管、微孔曝气器、可变孔曝气软管等。 
穿孔管，简单易行，安装方便，一次投资省。但是，其氧的利用率较低，孔口易于堵塞。 
微孔曝气器、可变孔曝气软管等，氧的利用率较高。但是，由于它是采用塑料(或橡胶)制成，很容易老化，使用寿命较低。