生化过滤系统

4 同化作用

        微生物将部分NH4+-N和有机N吸收为细胞组分。量少，氮只占细胞本身重量的12．5％。不是主要途径。

        生化处理法是生物化学处理法的简称，是利用自然环境中的微生物，并通过微生物体内的生物化学作用来分解废水中的有机物和某些无机毒物(如氰化物、硫化物)，使之转化为稳定、无害物质的一种水处理方法。以下着重讨论水族馆中运用生物膜法去除有机物的过滤系统。生物膜法属好氧生物处理方法。主要依靠固着于载体表面的微生物膜来净化有机物。具有以下特点：

          (1)生物膜对污水水质、水量的变化有较强的适应性，管理方便；

          (2)微生物固着在载体表面、世代时间较长的高级微生物也能增殖，生物相更为丰富、稳定，产生的剩余污泥少；

          (3)能够处理低浓度的污水；

        生物膜法处理废水就是使废水与生物膜接触，进行固、液相的物质交换，利用膜内微生物将有机物氧化，使废水获得净化，同时，生物膜内微生物不断生长与繁殖。生物膜在载体上的生长过程是这样的：当有机废水或由活性污泥悬浮液培养而成的接种液流过载体时，水中的悬浮物及微生物被吸附于固相表面上，其中的微生物利用有机底物而生长繁殖，逐渐在载体表面形成一层粘液状的生物膜。这层生物膜具有生物化学活性，又进一步吸附、分解废水中呈悬浮、胶体和溶解状态的污染物。

        为了保持好氧性生物膜的活性，除了提供废水营养物外，还应创造良好的好氧条件，亦即向生物膜供氧。在填充式生物膜法设备中常采用自然通风或强制自然通风供氧。氧透入生物膜的深度取决于它在膜中的扩散系数，固一液界面处氧的浓度和膜内微生物的氧利用率。对给定的废水流量和浓度，好氧层的厚度是一定的。增大废水浓度将减小好氧层的厚度，而增大废水流量则将增大好氧层的厚度。

        由于生物膜的吸附作用，在膜的表面存在很薄的水层(附着水层)。废水流过生物膜时，有机物经附着水层向膜内扩散。膜内微生物在氧的参加下对有机物进行分解和机体新陈代谢。代谢产物沿底物扩散相反的方向，从生物膜传递返回水相和空气中。

        随着废水处理过程的发展，微生物不断生长繁殖，生物膜厚度不断增大，废水底物及氧的传递阻力逐渐加大，在膜表层仍能保持足够的营养以及处于好氧状态，而在膜深处将会出现营养物或氧的不足，造成微生物内源代谢或出现厌氧层，此处的生物膜因与载体的附着力减小及水力冲刷作用而脱落。老化的生物膜脱落后，载体表面又可重新吸附、生长、增厚生物膜直至重新脱落，从吸附到脱落，完成一个生长周期。在正常运行情况下，整个反应器的生物膜各个部分总是交替脱落的，系统内活性生物膜数量相对稳定，膜厚2"-'3mm，净化效果良好。过厚的生物膜并不能增大底物利用速度、却可能造成堵塞，影响正常通风。因此，当废水浓度较大时，生物膜增长过快，水流的冲刷力也应加大，如依靠原废水不能保证其冲刷能力时，可以采用处理出水回流，以稀释进水和加大水力负荷，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度。

        生物膜中的微生物主要有细菌(包括好氧、厌氧及兼性细菌)、真菌、放线面、原生动物(主要是纤毛虫)和较高等的动物，其中藻类、较高等生物比活性污泥法多见。微生物沿水流方向在种属和数目上具有一定的分布。在塔式生物滤池中，这种分层现象更为明显。在填料上层以异养细菌和营养水平较低的鞭毛虫或肉足虫为主，在填料下层则可能出现世代期长的硝化菌和营养水平较高的固着型纤毛虫。真菌在生物膜中普遍存在，在条件合适时，可能成为优势种。在填充式生物膜法装置中，当气温较高和负荷较低时，还容易孽生灰蝇，它的幼虫色白透明，头粗尾细，常分布在生物膜表面，成虫后在生物膜周围翔栖。

        生物相的组成随有机负荷、水力负荷、废水成分、pH值、温度、通风情况及其他影响因素的变化而变化。

        在水族馆中，大水体的生化过滤一般都是采用滴流式生化过滤法。主要由生化池体、滤床、布水装置、排水系统组成，通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶解、胶体以及悬浮状态的有机污染物转化为稳定、无害的物质的方法。普通生物滤池池体的平面形状多为方形、矩形和圆形。池壁一般采用砖砌、混凝土建造或用大型玻璃钢水槽，池底铺设带孔的PVC隔板(孔径总面积要求保证来水能通畅地排出)。池壁顶应高出滤层表面0．4～0．5m，池顶通自然风或强制通风(用空气机送风)。滤床由滤料组成，滤料对生物滤池工作有很大的影响，对污水起净化作用的微生物就是生长在滤料表面上。滤料应采用强度高、耐腐蚀、质轻、颗粒均匀、比表面积大、空隙率高的材料。过去常用球状滤料，如碎石、炉渣、焦炭等。一般分成工作层和承托层两层：工作层粒径为25---,40mm，厚度为1．3～1．8m；承托层粒径为60～lOOmm，厚度为0．2m。近年来，常采用塑料滤料，其表面积可达100～200m2／m3，孔隙率高达80％一90％；滤料粒径的选择对滤池工作影响较大，滤料粒径小，比表面积大，但孔隙率小，增加了通风阻力，相反粒径大，比表面积小，影响污水和生物膜的接触面积。粒径的选择还应综合考虑有机负荷和水力负荷的影响，当负荷较高时采用较大的粒径。

        布水装置的作用是将待处理的水均匀地分配到整个滤池的表面。一般水族馆的布水设置主要是将待处理的水由主管道接入到过滤池上方，然后均匀分成若干分支管，每个管上均匀开微孔或在分支水管上均匀安装雾化喷水头，让待处理的水高速、均匀地喷洒在下方的生化过滤材料上。待进行生化过滤的给水，首先要进行预处理(如砂滤、生化棉、臭氧或活性吸附等)，去除悬浮物、大颗粒物质、油膜等可能堵塞滤料的污染物，并使水质均化。而排水只要保持通畅即可。生化过滤的滤材种类很多，水族馆大水体所用的生化滤材主要有塑料生化球、石英生化球、陶瓷生化环、毛刷生化球、生化棉等。其中，生化棉、毛刷生化球造价低，经济性好，但相对表面积小、易损耗；而生化球、陶瓷环相关表面积大，生化效果好。

 5  分析与小结

        从理论上讲，生物膜水处理工艺分为稳态和非稳态两种运行方式。稳态工艺是生物膜随时间变化没有净增长或净死亡的变化，而非稳态生物膜正好相反。就稳态工艺而言，水中基质含量在一定时间内不变或变化很少，生物膜生长和自身氧化得到一个稳态生物厚度，并维持了一定的出水基质含量，也就是说，在一定的生物量下，不能任意变化处理水的能力。而非稳态运行是依靠生物的一种应激性反应，当微生物前期处于相对较高的营养环境中，生物膜生长很好；当进水基质含量减少后，微生物为维持自身生长的需要，就会发挥全部潜力，快速摄取营养水中的有机物，从而被处理微污染水的有机物含量会降到较低水平。虽然生物膜水处理非稳态运行效果较好，且可深度处理，但生物载体需间断性的在高含量有机物水环境中培养微生物，再运到生物滤池处理微污染水，这给水族馆的管理带来负担，并且修建微生物培养池又加大了工程投资，所以在优化设计中不采用生物膜水处理工艺非稳态运行。