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一种生物膜处理污水的方法及其设备

一、立项依据

（一）目的意义

随着我国，特别是珠三角地区经济的快速发展，城市基础设施发展跟不上人口的增加，大量的生活污水未经处理直接排入附近水体。许多城镇河涌接纳大量污水，远远超过其自净能力，严重的有机污染导致水中溶解氧快速消耗，河水由于厌氧呈现黑臭状态，严重影响了城镇居民的生产生活和区域水环境质量，甚至阻碍城市的发展，迫切需要发展有效的治理技术控制污染，修复受破坏的河流生态系统。解决河涌污染最根本的办法是截留污水，对城市污水进行集中处理，但是需要大量建设污水处理厂及排水管网，而这些基础设施投资较高，建设周期长，短期内很难实现，因此短期内要解决河涌污染仍需要针对不同河段特点研究开发多种原位或就近旁路处理技术。

原位治理指在河道中进行的治理技术工艺，旁路处理是指将河水提升到岸边处理设施中进行的技术工艺。许多城镇河涌由于排污口较分散且岸边可利用的土地面积有限，因此很难将其收集起来在岸边进行处理，只能采取原位治理。

生物膜技术由于可在单位空间上固定富集大量具有降解功能的微生物，比较有利于流动水环境中有机物、氨氮等可生物降解污染物的去除，已成为采用较多且有效的污染河流原位生物治理技术之一。但已有的河流生物膜原位处理技术工艺，主要是借鉴污水处理中的接触氧化工艺，生物膜及载体完全淹没于水下，这样的处理方式在河水有机物浓度较高时，易受水中低溶解氧的制约，出现厌氧状态，再有就是，大量形成及脱落的生物膜很难收集带走，容易导致新的有机污染。针对这两个问题，本项目致力于研究一种新型悬挂毛细传质生物膜技术，利用介质的毛细作用将可溶性有机物、氨氮转移到水上的生物膜，利用空气中的氧将其氧化，提高污染物的去除效率。

（二）国内外概况

生物膜技术是一种利用附着生长的微生物对水中污染物进行处理的生物技术，具有运行稳定、抗冲击负荷、经济节能等优点，是主要的污水生物处理工艺之一。由于对有机物等良好的降解效果，生物膜法也被应用于受生活污水等污染的河流治理中。

河流原位治理生物膜技术主要措施是在污染河道中放置或填充能附着大量微生物生长的填料，微生物在表面不断生长逐渐形成生物膜，流过生物膜表面的污染物吸附降解，河水被净化。已有的净化河流的生物法有砾间接触氧化法、沟渠内接触氧化法、生物栅法等。

砾间接触氧化法通过在河道内人工填充砾石，使河水与生物膜的接触面积提高数十倍以上，强化自然状态下的河流中的沉淀、吸附和氧化分解。20世纪90年代，日本和韩国有许多受污染的河流采用砾间接触氧化法净化河道水质，最有代表性的是日本野川和韩国的良才川。沟渠内接触氧化法是在单一排水功能的河道内填充各种材质、形状大小的接触材料，如卵石、木炭、废陶、石灰石以及波板纤维或塑料材质的填料等，提高生物膜面积，强化河流的自净作用，日本研究人员曾将沸石粒覆盖的无纺布作为载体投加到污染河流中，无纺布表面富集的硝化细菌对氨氮的削减量达到50mg/L/d，强化氨氮的硝化作用。在国内，上海污染黑臭河流的治理中，黄民生等曾研究应用挂膜的生物栅技术处理河水中有机污染物；金腊华等研究尝试利用混凝土生态膜和悬浮生物膜对广州的污染河涌水进行处理，这些研究表明，利用受污染河水中土著微生物完全可以进行自然挂膜，生长成熟的生物膜对河水中COD、氨氮等具较好的去除效果。

但这些河流原位治理生物膜技术主要借鉴污水处理的接触氧化工艺，生物膜淹没于水下，靠河水流动自然复氧提供生物降解所需溶解氧，比较适用于有机污染较轻的河流，当水中有机物浓度较高时，自然复氧往往不能满足溶解氧的需求，必须强化供氧才能有效的对污染物进行去除，特别是氨氮。目前生物膜原位治理技术强化供氧主要是引入人工曝气装置，而且采用较大的曝气强度才能对污染物等有较高的去除效率，如操家顺等研究表明只有在充分曝气，水中溶解氧达到4mg/L时，COD等才具有70%以上的去除率，中度和微曝气时去除率都在50%以下。但人工曝气装置的动力消耗，以及日常操作、维护管理等极大地增加了投资成本和管理难度，而且机械曝气加快生物膜表面水流，较强的水力剪切力致使生物膜的脱落加快从而形成较多污泥絮体，肖羽堂等对曝气富氧生物膜处理受污染河水研究表明，要保证较高的COD、氨氮去除率必须定期排泥，但在河道原位治理中，脱落的生物膜絮体易随水流带走，较难收集排除，容易导致新的污染。因此，利用生物膜技术原位治理有机污染严重的河水，低成本的强化供氧及实现脱落生物膜的简便收集是关键。

本发明针对这一问题，在已有生物膜原位治理技术基础上，尝试研究将生物膜载体悬挂在水面以上，利用毛细作用将水中部分可溶性污染物转移到载体上培养富集微生物，载体表面形成生物膜暴露于空气中，氧传递速度快，完全可满足高浓度污染物好氧生物降解，