美麗鄉(xiāng)村污水處理一體化系統(tǒng)
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生物膜的形成原理(掛膜過程)
生物膜的形成過程是微生物吸附、生長、脫落等綜合作用的動(dòng)態(tài)過程。
首先，懸浮于液相中的有機(jī)污染物及微生物移動(dòng)并附著在載體表面上;然后，附著在載體上的微生物對有機(jī)污染物進(jìn)行降解，并發(fā)生代謝、生長、繁殖等過程，并逐漸在載體的局部區(qū)域形成薄的生物膜，這層生物膜具有生化活性，又可進(jìn)一步吸附、分解廢水中有機(jī)污染物，直至后形成一層將載體*包裹的成熟的生物膜。
微生物膜的形成通常經(jīng)歷載體表面改良、可逆附著、不可逆附著、生物膜形成四個(gè)階段，具體描述如下：
微生物在載體上的掛膜可分為微生物吸附和固著生長兩個(gè)階段。載體加入水體以后，首先進(jìn)入吸附期。有部分微生物和絲狀物質(zhì)已經(jīng)附著在載體表面，附著了較多物質(zhì)的位置往往是載體的凹處，不容易被水流剪切的地方。此時(shí)懸浮液中的微生物大量增長，出現(xiàn)較明顯的一個(gè)污泥層。
經(jīng)過不可逆附著以后，微生物在載體表面獲得一個(gè)比較穩(wěn)定的生長環(huán)境，在供氧和底物充足的情況下，吸附在載體上的污泥中的微生物很快就開始生長。
隨著培養(yǎng)馴化時(shí)間的增長，在載體表面生長的生物膜也迅速增長，逐漸覆蓋整個(gè)載體表面，并開始增厚。但生物膜的生長并不均勻，在載體比較突出的地方，生物膜比較薄，而凹處則會(huì)長出相當(dāng)繁盛的菌落，可見水力剪切對生物膜的生長具有重要的影響。在載體表面附著生長的微生物種類也很繁多，除了累枝蟲、鐘蟲外，還可觀察到絲狀菌、球菌、桿菌等，還有一些游泳性的細(xì)菌在活動(dòng)。隨著載體上附著了越來越多的生物膜，載體的表觀密度逐漸會(huì)下降，變得更輕，更容易流態(tài)化，同時(shí)在下降區(qū)的載體下降速度有所變慢。
生物膜形成的影響因素
生物膜的形成與載體表面性質(zhì)(載體表面親水性、表面電荷、表面化學(xué)組成和表面粗糙度)、微生物的性質(zhì)(微生物的種類、培養(yǎng)條件、活性和濃度)及環(huán)境因素(PH值、離子強(qiáng)度、水力剪切力、溫度、營養(yǎng)條件及微生物與載體的接觸時(shí)間)等因素有關(guān)。
載體表面性質(zhì)
載體表面電荷性、粗糙度、粒徑和載體濃度等直接影響著生物膜在其表面的附著、形成。在正常生長環(huán)境下，微生物表面帶有負(fù)電荷。如果能通過一定的改良技術(shù)，如化學(xué)氧化、低溫等離子體處理等可使載體表面帶有正電荷，從而可使微生物在載體表面的附著、形成過程更易進(jìn)行。載體表面的粗糙度有利于細(xì)菌在其表面附著、固定。
一方面，與光滑表面相比，粗糙的載體表面增加了細(xì)菌與載體間的有效接觸面積;另一方面載體表面的粗糙部分，如孔洞、裂縫等對已附著的細(xì)菌起著屏蔽保護(hù)作用，使它們免受水力剪切力的沖刷。
研究認(rèn)為，相對于大粒徑載體而言，小粒徑載體之間的相互摩擦小，比表面積大，因而更容易生成生物膜。另外，載體濃度對反應(yīng)器內(nèi)生物膜的掛膜也很重要。Wagner在用氣提式反應(yīng)器處理難降解物廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，在載體質(zhì)量濃度很低情況下，即使生物膜厚達(dá)295μm，還是不能達(dá)到穩(wěn)定的去除率。但是，在載體濃度為20-30g/L時(shí)，即使只有20%的載體上有75μn厚的生物膜，反應(yīng)器依然能達(dá)到穩(wěn)定的(98%)去除率，COD負(fù)荷zui高可達(dá)58kg/(m3·d)。
懸浮微生物濃度
在給定的系統(tǒng)中，懸浮微生物濃度反映了微生物與載體間的接觸頻度。一般來講，隨著懸浮微生物濃度的增加，微生物與載體間可能接觸的幾率也增加。許多研究結(jié)果表明，在微生物附著過程中存在著一個(gè)臨界的懸浮微生物濃度;隨著微生物濃度的增加，微生物借助濃度梯度的運(yùn)送得到加強(qiáng)。
在臨界值以前，微生物從液相傳送、擴(kuò)散到載體表面是控制步驟，一旦超過此臨界值，微生物在載體表面的附著、固定受到載體有效表面積的限制，不再依賴于懸浮微生物的濃度。但附著固定平衡后，載體表面微生物的量是由微生物及載體表面特性所決定的。
懸浮微生物的活性
微生物的活性通常可用微生物的比增長率(μ)來描述，即單位質(zhì)量微生物的增長繁殖速率。因此，在研究微生物活性對生物膜形成的初階段的影響時(shí)，關(guān)鍵是如何控制懸浮微生物的比增長率。研究結(jié)果表明，硝化細(xì)菌在載體表面的附著固定量及初始速率均正比于懸浮硝化細(xì)菌的活性。異養(yǎng)生物膜的形成時(shí)也得出同樣結(jié)果。
影響懸浮微生物活性的因素主要有如下幾種：
(1)當(dāng)懸浮微生物的生物活性較高時(shí)，其分泌胞外多聚物的能力較強(qiáng)。這種粘性的胞外多聚物在細(xì)菌與載體之間起到了生物粘合劑的作用，使得細(xì)菌易于在載體表面附著、固定;
(2)微生物所處的能量水平直接與它們的增長率相關(guān)。當(dāng)盧增加時(shí)，懸浮微生物的動(dòng)能隨之增加。這些能量有助于克服在固定化過程中微生物載體表面間的能壘，使得細(xì)菌初始積累速率與懸浮細(xì)菌活性成正比;
(3)微生物的表面結(jié)構(gòu)隨著其活性的不同而相應(yīng)變化。Herben等人研究發(fā)現(xiàn)，懸浮細(xì)菌活性對細(xì)菌在載體表面的附著固定過程有影響，而且，細(xì)菌表面的化學(xué)組成、官能團(tuán)的量也隨細(xì)菌活性的變化有顯著變化。同時(shí)，Wastson等人的研究表明，細(xì)胞膜等隨懸浮細(xì)菌活性的變化而有顯著變化。細(xì)菌表面的這些變化將直接影響微生物在載體表面的附著、固定。因此，通常認(rèn)為，由懸浮微生物活性變化而引起的細(xì)菌表面生理狀態(tài)或分子組成的變化是有利于細(xì)菌在載體表面附著、固定的;
廢水生物處理法是通過微生物的代謝作用，使廢水中呈溶解、膠體以及微細(xì)懸浮狀態(tài)的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無害的物質(zhì)的方法。根據(jù)作用微生物的不同，生物處理法又可分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩種類型。
美麗鄉(xiāng)村污水處理一體化系統(tǒng)生物處理對水質(zhì)的要求
（1）溶解氧（DO）
好氧生物處理必須有充足的氧氣供應(yīng)，處理構(gòu)筑物中的溶解氧必須滿足微生物的要求。
（2）pH值
（3）溫度
一般來講，對好氧處理，水溫在10～50℃之間，可取得相當(dāng)好的處理效果。對厭氧處理，當(dāng)污泥消化溫度位5～15℃時(shí)，稱為低溫消化，消化過程較長，一般需要3至4個(gè)月才能完成，當(dāng)污泥消化溫度加至30～40℃時(shí)，為中溫消化，消化過程較短，通常采用人工加熱。當(dāng)污泥消化溫度提高到50～55℃時(shí)，稱為高溫消化，消化過程很短，但提升溫度耗費(fèi)的能源過高，一般生物處理常用中溫消化。
（4）養(yǎng)料
細(xì)菌的生長繁殖需要有各種養(yǎng)料。其中包括碳、氮、磷、硫以及微量的鉀、鎂、鈣、鐵等和維生素。生活污水具有以上全部養(yǎng)料，而工業(yè)廢水則可能缺乏某些養(yǎng)料，特別是氮和磷。因此，工業(yè)廢水在進(jìn)行生物處理時(shí)，需投加生活污水或氮、磷類化合物（即營養(yǎng)鹽）
（5）有毒物質(zhì)
多數(shù)重金屬如鋅、銅、鉑、鉻等離子，對細(xì)菌都具有毒性，某些非金屬物質(zhì)，如酚、甲醛、qing化物、硫化物等也有毒性。有毒物質(zhì)能控制其他物質(zhì)的生物氧化作用，對大多數(shù)細(xì)菌的生產(chǎn)繁殖具有抑制作用，但他們本身卻能被某些微生物所分解氧化。
2.常用生物處理方法
目前國內(nèi)較成熟的被廣泛采用的生物處理方法主要為生物膜法、活性污泥法、厭氧生物處理法。
（1）生物膜法
生物膜法主要用于從污水中去除溶解性有機(jī)污染物，主要優(yōu)點(diǎn)是對水質(zhì)、水量變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。生物膜法是一大類生物處理法的統(tǒng)稱，共同的特點(diǎn)是微生物附著在介質(zhì)“濾料”表面上，形成生物膜，污水同生物膜接觸后，污水得到凈化，所需氧氣一般來自大氣。污水如含有較多的懸浮固體，應(yīng)先用沉淀池去除大部分懸浮固體后再進(jìn)入生物膜法處理構(gòu)筑物，以免引起堵塞，并減輕其負(fù)荷。老化的生物膜不斷脫落下來，隨水流入二次沉淀池被沉淀去除。
（2）活性污泥法
活性污泥法能從污水中去除溶解的和膠體的可生物降解有機(jī)物以及能被活性污泥吸附的懸浮固體和其他一些物質(zhì)。無機(jī)鹽類（磷和氮的化合物）也能部分的被去除。既適用于大量的污水處理，也適用于小流量的污水處理，運(yùn)行方式靈活，日常運(yùn)行費(fèi)用較低，但管理要求較高，活性污泥法本質(zhì)上與天然水體（江、湖）的自凈過程相似，二者都為好氧生物過程，只是它的凈化強(qiáng)度大，因而活性污泥是天然水體自凈作用的人工化和強(qiáng)化。
（3）厭氧生化法
隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)的不供氧（無氧）或厭氧的生物處理，用于污泥的消化、高濃度有機(jī)廢水和溫度較高的有機(jī)工業(yè)廢水的處理，有更為明顯的效果。菌種的厭氧反應(yīng)一般經(jīng)歷水解、酸化、乙酸化、甲烷化等四個(gè)階段。
