第一章 生物膜法的基本原理与生态学基础

1.1 生物膜的形成机理与结构特征

生物膜法作为与活性污泥法并行的两大生物处理技术体系之一，其核心在于微生物在固体载体表面的固定化生长。这一过程的生物膜形成遵循着严格的生态学规律：

生物膜形成的五个阶段：

1. 初期附着阶段（0-2小时）：水中有机物和微生物通过布朗运动、范德华力等物理作用在载体表面初步吸附

2. 不可逆附着阶段（2-12小时）：微生物分泌胞外聚合物（EPS），形成化学键结合

3. 微菌落形成阶段（12-48小时）：附着微生物增殖，形成微菌落结构

4. 成熟生物膜阶段（48-96小时）：形成完整的三维结构，包含多种微生物群落

5. 稳定更新阶段（96小时后）：外层微生物不断脱落，内部持续生长，维持动态平衡

成熟生物膜的结构特征：

• 厚度控制：好氧生物膜通常0.1-1.0mm，缺氧/厌氧生物膜可达2-5mm

• 分层结构：从载体表面到液体界面依次为：

• 固定层：紧贴载体，主要为胞外聚合物

• 致密层：微生物密度最高，代谢最活跃

• 松散层：新生微生物，易脱落

• 传质梯度：溶解氧从外向内递减，形成好氧、缺氧、厌氧的微环境

1.2 生物膜内的微生物生态学

与活性污泥的悬浮生长不同，生物膜内的微生物呈现明显的空间分布特征：

垂直方向分布（从外到内）：

1. 外层（0-100μm）：主要为好氧异养菌，如假单胞菌、芽孢杆菌，负责碳氧化

2. 中间层（100-300μm）：硝化菌群为主，包括亚硝化单胞菌和硝化杆菌

3. 内层（300μm以上）：厌氧菌、反硝化菌、产甲烷菌等

水平方向分布：

• 沿水流方向形成微生物演替序列

• 进水端：快速生长型细菌占优势

• 出水端：慢速生长型细菌富集

胞外聚合物（EPS）的关键作用：

• EPS占生物膜干重的50-90%

• 主要成分：多糖（40-95%）、蛋白质（1-60%）、核酸、脂类

• 功能：结构支撑、营养储存、保护屏障、信号传递

第二章 传统生物膜工艺的技术体系

2.1 滴滤池（生物滤池）工艺

滴滤池的基本构造：

1. 滤料层系统：

• 传统滤料：碎石、卵石，粒径50-100mm，孔隙率45-55%

• 新型滤料：塑料填料（鲍尔环、拉西环）、陶粒等

• 滤床高度：1.5-3.0m，分2-3层布置

2. 布水系统：

• 旋转布水器：直径5-20m，转速0.5-2r/min

• 固定喷嘴布水：喷水强度1-3m³/m·h

• 水力负荷：1-3m³/m²·d

3. 排水系统：

• 底部通风排水层：厚度0.3-0.5m

• 集水槽：坡度0.5-1%

• 通风孔：保证自然通风，气温差≥3℃时效果最佳

滴滤池的运行控制：

1. 水力负荷调节：

• 低负荷：0.5-1.5m³/m²·d，用于碳氧化

• 中负荷：1.5-3.0m³/m²·d，碳氧化+部分硝化

• 高负荷：3-10m³/m²·d，预处理或工业废水

2. 回流控制策略：

• 回流比：50-200%，根据进水浓度调整

• 回流目的：稀释进水、保持生物膜湿润、调节pH

• 多点回流：不同回流点控制不同功能

3. 工艺参数控制：

• 有机负荷：0.1-1.0kgBOD/m³·d

• 温度影响：最适温度15-25℃，冬季效率下降20-30%

• pH控制：6.5-8.5，硝化时需要补充碱度

2.2 生物接触氧化工艺

接触氧化池的完整设计：

填料系统设计：

1. 填料类型选择：

• 软性填料：纤维束，比表面积大但易结块

• 半软性填料：塑料片状，不易结块，寿命长

• 弹性填料：PE或PP材质，兼具柔性与刚性

• 蜂窝填料：规整结构，通风效果好

2. 填料布置参数：

• 填充率：40-70%，过高影响水流，过低降低处理能力

• 填料高度：3-5m，分层布置

• 支撑系统：底层承托层高度0.5-0.8m

曝气系统设计：

1. 曝气方式选择：

• 鼓风曝气：微孔曝气器，氧利用率15-25%

• 表面曝气：适用于较浅池体

• 射流曝气：兼具充氧和搅拌功能

2. 气水比控制：

• 城市污水：3-5:1（气:水）

• 工业废水：5-10:1

• 硝化需求：6-8:1

运行控制要点：

1. 生物膜厚度控制：

• 适宜厚度：0.2-0.5mm

• 控制方法：调节曝气强度、反冲洗频率

• 脱落观察：定期显微镜观察生物膜状态

2. 堵塞预防措施：

• 预处理要求：SS≤150mg/L

• 定期反冲洗：气水联合反冲，强度10-15L/m²·s

• 填料更新：5-8年更换一次

2.3 生物转盘工艺

转盘系统的技术细节：

转盘构造设计：

1. 盘片材料与结构：

• 材质：聚氯乙烯、聚丙烯、玻璃钢

• 直径：2-4m，厚度0.8-1.5mm

• 间距：20-30mm，大型转盘可设30-40mm

2. 转盘布置形式：

• 单轴多级：3-4级，每级独立隔室

• 多轴串联：处理高浓度废水

• 浸没率：40-45%，保证充分接触

驱动系统设计：

1. 机械传动：

• 电机功率：0.5-2.2kW/1000m²盘片面积

• 转速：2-4r/min，线速度15-20m/min

• 减速机构：摆线针轮减速机或齿轮减速

2. 能耗控制：

• 优化转速：找到充氧与能耗的最佳平衡点

• 变频控制：根据负荷自动调节

• 润滑维护：定期检查，减少摩擦损耗

运行特征分析：

1. 工艺性能参数：

• 面积负荷：5-20gBOD/m²·d

• 水力负荷：40-80L/m²·d

• 处理效率：BOD去除率85-95%

2. 污泥特征：

• 产泥系数：0.3-0.5kgSS/kgBOD

• 污泥沉降性：SVI 80-120mL/g

• 污泥回流：通常不需要

第三章 现代生物膜工艺的技术演进

3.1 移动床生物膜反应器（MBBR）

MBBR系统的核心技术：

载体选择与设计：

1. 载体材料科学：

• 基础材料：高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）

• 密度控制：0.94-0.96g/cm³，保证悬浮状态

• 表面改性：增加粗糙度、引入官能团促进挂膜

2. 载体结构优化：

• 比表面积：500-1000m²/m³（有效）

• 几何形状：圆柱形、雪花形、海绵状

• 尺寸规格：直径10-25mm，长度8-15mm

3. 填充率确定：

• 最大填充率：67%（理论值）

• 实用填充率：40-60%

• 有效比表面积：200-400m²/m³反应器

反应器流体力学设计：

1. 混合特性研究：

• 载体流化状态：完全流化需能量输入20-40W/m³

• 流态控制：推流式、完全混合式或复合式

• 死区避免：优化曝气器布置和反应器形状

2. 传质效率优化：

• 氧传质系数：KLa 50-150h⁻¹

• 载体-液体传质：控制边界层厚度

• 生物膜内部传质：优化生物膜厚度

工艺运行控制体系：

1. 负荷控制策略：

• 有机负荷：2-10kgCOD/m³·d

• 硝化负荷：0.2-1.5kgN/m³·d

• 脱氮负荷：0.1-0.5kgN/m³·d

2. 生物膜管理：

• 厚度监控：目标0.1-0.3mm

• 更新控制：通过剪切力调节

• 微生物种群调控：选择压力控制

3. 系统稳定性维护：

• 冲击负荷应对：最大耐受2-3倍设计负荷

• 温度适应性：10-35℃稳定运行

• pH缓冲能力：自动调节至6.5-8.0

3.2 生物滤池工艺升级

曝气生物滤池（BAF）技术：

滤料系统创新：

1. 滤料选择标准：

• 密度：1.4-1.6g/cm³

• 粒径：3-6mm，均匀系数≤1.4

• 磨损率：<3%

• 酸溶率：<1%

2. 常用滤料性能：

• 陶粒：比表面积大，挂膜快

• 膨胀页岩：强度高，寿命长

• 活性炭：吸附能力强，适合难降解有机物

• 火山岩：天然多孔，价格低

反冲洗系统设计：

1. 反冲洗方式：

• 气水联合反冲：效果最佳

• 单独水反冲：适用于轻污染

• 脉冲反冲：节能但控制复杂

2. 反冲洗参数：

• 气冲强度：15-20L/m²·s，时间3-5min

• 水冲强度：8-12L/m²·s，时间5-8min

• 频率控制：根据水头损失（1.5-2.0m）或时间（24-48h）

工艺运行优化：

1. 负荷分配策略：

• 碳氧化滤池：负荷3-5kgCOD/m³·d

• 硝化滤池：负荷0.5-1.2kgNH₃-N/m³·d

• 反硝化滤池：需要碳源，负荷1-2kgNO₃-N/m³·d

2. 脱氮除磷组合：

• 前置反硝化：利用原水碳源

• 后置反硝化：需要外加碳源

• 化学除磷集成：在滤池前或后投加药剂

第四章 生物膜工艺的工程应用体系

4.1 工艺选择与设计原则

技术选择决策矩阵：

工艺类型	适用规模	进水浓度	占地面积	能耗	管理难度	投资成本
滴滤池	小中型	低中	大	低	易	低
接触氧化	中小型	中高	中	中	中	中
生物转盘	小型	低中	中	低	易	中
MBBR	全规模	全范围	小	中	中	中高
BAF	大中型	低中	小	中高	较难	高

设计参数确定方法：

1. 基于进水水质的负荷计算：

   有机负荷 = Q × (S₀ - Sₑ) / V硝化负荷 = Q × N₀ / V其中：Q-流量，S-COD，N-氨氮，V-有效体积

   
   

2. 基于处理目标的工艺组合：

• 仅碳氧化：单级生物膜工艺

• 碳氧化+硝化：两级或多级串联

• 完全脱氮：缺氧+好氧组合

• 除磷：化学辅助或厌氧/好氧组合

4.2 组合工艺设计与优化

生物膜-活性污泥复合工艺：

1. IFAS工艺（集成固定膜活性污泥）：

• 原理：在活性污泥系统中投加生物膜载体

• 优势：提高处理能力30-50%，增强硝化效果

• 设计要点：载体填充率20-40%，保证充分混合

2. MBBR与活性污泥串联：

• 前置MBBR：强化预处理，减轻活性污泥负荷

• 后置MBBR：深度处理，提高出水水质

• 并联运行：分流处理，提高系统稳定性

多级生物膜系统：

1. 分级处理设计：

• 第一级：高负荷，去除易降解有机物

• 第二级：中负荷，完成碳氧化和部分硝化

• 第三级：低负荷，深度硝化和反硝化

2. 流向控制优化：

• 上向流：适用于BAF，防止堵塞

• 下向流：传统滴滤池，通风好

• 平流式：接触氧化，混合均匀

4.3 工业废水生物膜处理

难降解有机物处理：

1. 预处理要求：

• 有毒物质控制：重金属<1mg/L，有毒有机物<10mg/L

• 可生化性改善：BOD/COD>0.3

• 营养平衡：C:N:P=100:5:1

2. 工艺适应性调整：

• 延长水力停留时间：HRT 12-48h

• 提高污泥龄：控制生物膜更新速率

• 强化曝气：保证溶解氧>3mg/L

高氨氮废水处理：

1. 硝化强化措施：

• 增加碱度：硝化消耗7.14g碱度/g氨氮

• 温度控制：最适温度20-30℃

• pH调节：最适范围7.5-8.0

2. 脱氮工艺选择：

• 短程硝化反硝化：节省碳源和曝气

• 同时硝化反硝化：利用生物膜内的缺氧微环境

• 厌氧氨氧化：适合高氨氮低C/N废水

第五章 运行管理与维护体系

5.1 日常运行监控

关键参数监测：

1. 生物膜状态监测：

• 厚度测量：显微镜法或超声法

• 活性检测：脱氢酶活性（TTC法）

• 微生物组成：镜检观察，定期PCR分析

2. 工艺性能监测：

• 进出水水质：每小时采样分析

• 溶解氧分布：多点监测

• 生物量浓度：载体取样分析

运行记录与分析：

1. 数据记录系统：

• 运行参数：流量、DO、温度、pH

• 水质参数：COD、氨氮、TN、TP

• 设备状态：电流、压力、振动

2. 趋势分析：

• 负荷变化趋势

• 去除效率趋势

• 能耗变化趋势

5.2 维护保养规程

定期维护项目：

1. 机械维护：

• 每月：检查转动部件润滑

• 每季：检查曝气系统、布水系统

• 每年：全面检查，更换磨损部件

2. 填料维护：

• 每季：检查填料完整性

• 每年：补充缺失填料

• 每3-5年：部分更换老化填料

故障诊断与处理：

1. 常见问题诊断：

• 处理效率下降：检查生物膜状态、负荷变化

• 填料堵塞：检查预处理、反冲洗效果

• 能耗升高：检查曝气系统、载体流化状态

2. 应急处理措施：

• 冲击负荷：增加回流、减少进水

• 生物膜脱落：降低水力负荷、补充营养

• 设备故障：启用备用设备、手动操作

5.3 能耗管理与优化

能耗分析：

1. 能耗构成：

• 曝气能耗：占总能耗50-70%

• 泵送能耗：20-30%

• 其他能耗：10-20%

2. 节能措施：

• 优化曝气控制：根据DO自动调节

• 变频控制：水泵、风机变频运行

• 能量回收：利用出水势能

第六章 经济性分析与技术评估

6.1 投资成本分析

不同工艺的投资比较（以1万吨/日为例）：

项目	接触氧化	MBBR	BAF
土建工程	150-200	100-150	120-180
设备购置	200-300	250-350	300-400
填料费用	50-80	100-150	80-120
安装调试	80-120	60-100	70-110
合计	480-700	510-750	570-810

6.2 运行成本分析

单位处理成本（元/m³）：

• 接触氧化：0.15-0.25

• MBBR：0.18-0.28

• BAF：0.20-0.30

• 传统滴滤池：0.10-0.18

6.3 综合效益评估

技术优势总结：

1. 处理效果稳定：生物膜系统抗冲击负荷能力强

2. 污泥产量低：产泥系数0.2-0.4kgSS/kgCOD

3. 运行管理简单：无需污泥回流，控制参数少

4. 占地面积小：特别是MBBR和BAF工艺

适用性评估：

• 中小城镇污水处理：推荐接触氧化或MBBR

• 工业废水处理：根据水质选择合适工艺

• 污水厂升级改造：MBBR为优选方案

• 深度处理需求：BAF具有优势

结语：生物膜法的技术传承与创新

生物膜法作为污水处理技术的重要分支，历经百年发展，从传统的滴滤池发展到现代的MBBR、BAF等高效工艺，始终保持着强大的生命力。其核心价值在于利用微生物的固定化生长特性，创造了稳定的生态系统，实现了高效的污染物去除。

传统生物膜工艺如滴滤池、生物转盘，虽然在效率上不及现代工艺，但其简单可靠、运行成本低的优势，使其在某些特定场合仍具有应用价值。现代生物膜工艺则在继承传统工艺原理的基础上，通过材料科学、流体力学、自动控制等领域的创新，实现了处理效率和处理质量的全面提升。

未来生物膜技术的发展，应注重以下几个方向：一是进一步优化载体材料，提高比表面积和生物亲和性；二是完善工艺控制理论，实现更精准的运行管理；三是加强组合工艺研究，发挥不同技术的协同效应；四是推动智能化发展，提高自动化水平。

无论技术如何演进，对生物膜生态学的深刻理解、对工艺原理的准确把握、对运行细节的精细控制，始终是确保生物膜系统高效稳定运行的根本。生物膜法这一传统技术，必将在新时代焕发新的光彩，为水环境保护做出更大贡献。