污水处理技术工艺

污水处理技术之生物挂膜

发布日期:2019-08-07 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

生物膜法是一种高效的废水处理方法。具有污泥少、无污泥膨胀、对水质、水量变化适应性强、操作管理简单等特点。

生物膜的方法是使微生物附着在载体表面,形成生物膜。当污水通过载体表面时,污水中的有机物和溶解的氧气会扩散到内生物膜中。在有氧微生物的存在下,有机物被身体分解代谢。同时,分解后的代谢物从生物膜向水相和空气扩散,使废水中的有机物得以降解。

活性污泥法和生物膜法的区别不仅是微生物的悬浮和附着,而且扩散过程也是生物膜处理系统必须考虑的一个因素。

在生物膜反应器中,有机污染物,溶解氧和所有必需的营养物必须首先从液相扩散到生物膜表面,然后进入生物膜,只有扩散到生物膜表面或内部的污染物。它可以被生物膜中的微生物分解和转化,并最终形成各种代谢物。

此外,在生物膜反应器中,由于微生物被固定在载体上,SRT和HRT(水力停留时间)被分离,从而使增殖速度较慢的微生物得以生长和繁殖。因此,生物膜是一个稳定多样的微生物生态系统。

生物膜的形成原理01(膜的形成过程)

生物膜的形成过程是微生物吸附、生长、脱落等动态过程。

首先,悬浮在液相中的有机污染物和微生物移动并粘附在载体表面上;然后,附着在载体上的微生物降解有机污染物,进行新陈代谢,生长,繁殖等,并逐渐在载体中形成薄的生物膜,具有生化活性,可进一步吸附和分解有机污染物。在废水中直到形成完全包封载体的成熟生物膜。

根据Characklis和Liu等人的研究,微生物膜的形成通常经历四个阶段:载体表面改善、可逆附着、不可逆附着和生物膜形成。

微生物附着膜可分为微生物吸附和固体生长两个阶段。载体加入水体后,首先进入吸附期。一些微生物和丝状物质已经附着在载体表面,而更多材料的位置往往是载体的凹部,不容易被水流切割。此时,悬浮液中的微生物大量生长,出现了更明显的污泥层。

经过不可逆附着后,微生物在载体表面获得了稳定的生长环境。在供氧和底物充足的条件下,吸附在载体上的微生物开始迅速生长。

随着培养和驯化时间的增加,在载体表面上生长的生物膜也快速生长,逐渐覆盖载体的整个表面,并开始变稠。然而,生物膜的生长并不均匀。在载体更突出的地方,生物膜相对较薄,并且凹陷将生长相当增殖的菌落。可以看出,水力剪切对生物膜的生长具有重要影响。还有许多类型的微生物附着在载体表面上。除了蠕虫和铃虫,丝状细菌,球菌,杆菌等,还有一些游泳细菌也很活跃。随着越来越多的生物膜附着到载体上,载体的表观密度逐渐降低,变得更轻,并且变得更加流化,而下降区中载体的下降速率变慢。

02生物膜形成的影响因素

生物薄膜的形成和载体表面特性(载体表面亲水性、表面电荷、表面化学成分和表面粗糙度)、微生物特性(微生物种类、培养条件、活性和浓度)和环境因素(ph值、离子强度、水力)温度、营养条件和微生物与载体的接触时间等因素也有关系。

载体表面性质

载体的表面电荷、粗糙度、粒径和载体浓度直接影响到生物膜在其表面的附着和形成。在正常生长环境中,微生物表面存在负电荷。如采用化学氧化、低温等离子体处理等改进技术,可使载体表面具有正电荷,使微生物更容易附着在载体表面,更容易进行形成过程。载体表面的粗糙度有利于细菌在载体表面的附着和固定。

一方面,与光滑表面相比,粗糙载体表面增加了细菌和载体之间的有效接触面积;另一方面,载体表面的粗糙表面,例如孔,裂缝等,屏蔽附着的细菌免受屏蔽,从而保护它们免受液压剪切的影响。

结果表明,与大粒径载体相比,小粒径载体具有较小的摩擦系数和较大的比表面积,这使得生物膜的制备更加容易。此外,载体浓度对反应器中生物膜的形成也很重要。瓦格纳发现,即使在非常低的载体浓度下,生物膜厚度达到295微米,难降解废水的去除率也不能达到稳定的水平。然而,当载体浓度为20-30g/L时,即使只有20%的载体有75μN厚的生物膜,反应器仍能达到稳定的去除率(98%),最大COD负荷可达58kg/(m3.d)。

悬浮微生物浓度

在给定的系统中,悬浮微生物的浓度反映了微生物与载体接触的频率。一般来说,随着悬浮微生物浓度的增加,微生物与载体之间可能接触的概率也随之增加。结果表明,微生物粘附过程中存在临界悬浮微生物浓度。随着微生物浓度的增加,浓度梯度的迁移使微生物增强。

在临界值之前,微生物从液相到载体表面的迁移和扩散是一个控制步骤。一旦超过临界值,载体表面的微生物附着量就受到载体有效表面积的限制,不再依赖于悬浮微生物的浓度。然而,在附着和固定平衡后,载体表面的微生物数量取决于微生物和载体的表面特性。

悬浮微生物的活性

微生物的活性通常可以通过微生物的比生长速率(μ),即微生物的单位质量的生长速率来描述。因此,在研究微生物活性对生物膜形成初期的影响时,关键是如何控制悬浮微生物的比生长速率。结果表明,载体表面硝化细菌的定量和初始速率与悬浮硝化细菌的活性成正比。 Bryers等人。在研究异养生物膜的形成时也发现了相同的结果。

影响悬浮微生物活性的主要因素如下:

(一)悬浮微生物的生物活性较高时,其分泌细胞外聚合物的能力较强。这种粘稠的细胞外聚合物作为细菌和载体之间的生物粘合剂,使细菌易于附着并固定在载体表面;

(2)微生物的能量水平与其生长速率直接相关。随着浓度的增加,悬浮微生物的动能增加。这些能量有助于克服固定化过程中微生物载体表面之间的能量屏障,使细菌的初始积累速率与悬浮菌的活性成正比。

(3)微生物的表面结构根据其活性而相应地改变。Herben等人结果表明,悬浮菌的活性对载体表面细菌的附着和固定过程有影响。此外,随着细菌活性的变化,细菌表面的化学成分和官能团数量也发生了显著变化。同时,"Wastson"等人的研究表明,细胞膜随着悬浮细菌活动的变化而有明显的改变。细菌表面的这些变化将直接影响微生物在载体表面的附着和固定。因此,通常认为由悬浮微生物的活性变化引起的细菌表面的生理状态或分子组成的变化有利于细菌附着和固定在载体表面上;

(4)微生物与载体的接触时间。微生物在载体表面的附着和固定是一个动态过程。当微生物接触载体表面时,它们需要一个相对稳定的环境。因此,必须保证微生物在载体表面停留一定时间,才能完成微生物在载体表面的生长过程。

(五)水停留时间(hrt)。HeUnen等人认为hrt在形成一个完整的生物膜中扮演了重要的角色。在其他条件下,有机体积负荷大,体积短。当稀释速率大于最大生长速率时,可以在反应器中的载体上产生完整的生物膜。huis等人的试验证实了这一观点。当鳕鱼的负荷为2.5公斤/(m3·d)而hrt为4h时,载流子上几乎没有完整的生物膜,而液压停留时间为1h。在相同的操作时间内,几乎所有的载流子都有完整的生物膜,较高的表面鳕鱼负荷更有可能产生较厚的生物膜,即鳕鱼负荷越高,生物膜越厚。周平等人也证明,水力停留时间较短有利于载流膜;

(6)液相pH值。除等电点外,细菌表面在不同的环境中具有不同的电荷,pH值的变化将直接影响微生物在液相环境中的表面电荷特性。当液相的pH值大于细菌的等电点时,由于氨基酸的电离,细菌表面呈现负电;当液相的pH值小于细菌的等电点时,细菌表面呈现正电。细菌的表面电将直接影响细菌在载体表面的附着和固定。

(7)液压剪切力。在生物膜形成的早期阶段,水力条件是一个非常重要的因素,它直接影响生物膜是否能够成功培养。在实际水处理中,水力剪切力的强度决定了生物膜反应器的启动循环。从生物膜形成的角度来看,弱的水力剪切力有利于细菌在载体表面上的附着和固定,但在实际操作中,反应器的操作需要一定程度的液压剪切以维持完整的反应器。混合状态。因此,如何在实际设计操作中确定生物膜反应器的水力条件非常重要。

成膜过程中的影响因素

生物载体薄膜过程中的作用力

生物膜悬挂过程中的作用力直接促进了微生物与载体表面的直接作用,在生物膜形成的全过程中起着重要作用。生物载体在挂膜过程中的作用力更为复杂。本文详细分析了与生物载体表面物理化学性质有关的物理力,如范德华力、静电力、表面张力、水动力、湍流扩散力、表面剪切力、载体运动产生的力等。

亲水性对载体表面的影响

华南理工大学(SCUT)的江帆研究表明,GPUC载体表面含有-OH、酰胺等亲水基团,而大多数微生物具有良好的亲水性,载体表面与MICR之间可形成氢键结构。同时,亲水性载流子的表面自由能低于疏水性载流子的表面自由能。表面自由能使水中微生物更容易在亲水载体表面生长。实验中,将GPUC载体与普通多孔载体进行了比较。结果表明,GPUC载体的用量和生物活性均高于普通多孔载体。

温度对过滤行为的影响

水温是微生物的重要生存因子,微生物可以在适当的水温范围内生长和繁殖。每个微生物具有最佳生长温度。在一定温度范围内,大多数微生物的代谢活性随温度的升高而增加,随温度的降低而减弱。需氧微生物的适宜温度范围为10≤35℃。水温对硝化菌的生长和硝化速率有很大的影响。大多数硝化菌的适宜生长温度在25℃~30℃之间。当温度低于25℃或高于30℃时,硝化菌在10℃以下的生长和硝化明显减慢。

分别在10℃,20℃和35℃下测试江帆。同时,在整个薄膜悬挂过程中测量附着在填料上的微生物的量。根据结果​​,绘制了不同温度下的微生物生物量变化曲线,如图所示。 。在10℃时,膜开始缓慢。 7天后,生物膜粘附。膜成熟21天,最大附着生物量为2.1g / L.在35℃时,生物膜在4天后开始形成。生物膜成熟约19天,附着生物膜的最大量为3.5g / L;在20℃,2d生物膜开始形成后,生物膜成熟约10d,附着的生物膜的最大量为5.7。克/升。可以看出,温度对薄膜的影响不明显。在15℃~30℃的范围内,可以形成填料表面上的生物膜,并且膜更快地启动。

温度是影响生物活性和代谢能力的关键因素。其对硝化过程的影响主要在于硝化细菌的生长规律和生物活性。

温度对生物活性的影响主要表现为:一是对生化反应速率的影响;二是对氧气传质速率的影响。

载体比表面积和表面粗糙度对生物膜附着力的影响

微生物的表面积和表面粗糙度是初始生物膜的主要因素。较大的比表面积和粗糙度增加了载体捕获微生物的能力。

表面粗糙度大的载体对水流具有较强的再分配能力,降低了反应器水流对载体生物膜的剪切力,为微生物与基质的混合和接触提供了良好的内部环境,促进填料表面生物膜的累积。

粗糙的表面比光滑的表面有较厚的层压边界层,可以提供良好的静水环境,避免水剪力对附著微生物生长的不利影响,因此在生物膜形成的初期,较大的比表面积和表面粗糙度可以加速生物膜的形成。

污水处理技术之生物挂膜

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