一、生物滤池的构造
1、滤床
滤床由滤料组成。滤料是微生物生长栖息的场所，理想的滤料应具备下述特性：
① 能为微生物附着提供大量的表面积：
② 使污水以液膜状态流过生物膜；
③ 有足够的空隙率，保证通风（即保证氧的供给）和使脱落的生物膜能随水流出滤池；
④ 不被微生物分解，也不抑制微生物生长，有较好的化学稳定性；
⑤ 有一定机械强度；
⑥ 价格低廉。
早期主要以拳状碎石为滤料，此外，碎钢渣、焦炭等也可作为滤料，其粒径在3～8cm左右，空隙率在45%一50%左右，比表面积（可附着面积）在65～100 m2/ m3之间。从理论上，这类滤料粒径愈小，滤床的可附着面积愈大，则生物膜的面积将愈大，滤床的工作能力也愈大。但粒径愈小，孔隙就愈小，滤床愈易被生物膜堵塞，滤床的通风也愈差，可见滤料的粒径不宜太小。经验表明在常用粒径范围内，粒径略大或略小些，对滤池的工作没有明显的影响。
60年代中期塑料工业发展起来以后，塑料滤料开始被广泛采用。()和()是两种常见的塑料滤料。图5-1所示滤料比表面积在98-340 m2/ m3之间，空隙率为93%～95%。图 5-2所示滤料比表面积在81～195 m2/ m3之间，空隙率为93%一95%。国内目前采用的玻璃钢蜂窝状块状滤料，孔心间距在20mm左右，孔隙率95%左右，比表面积在200 m2/ m3左右。
滤床高度同滤料的密度有密切关系。石质拳状滤料组成的滤床高度一般在1～2.5m之间。一方面由于孔隙率低，滤床过高会影响通风；另一方面由于太重（每立方米石质滤料重达1.1-1.4t），过高将影响排水系统和滤池基础的结构。而塑料滤料每立方米仅重100kg左右，孔隙率则高达93%一95%，滤床高度不但可以提高，而且可以采用双层或多层构造。国外一般采用双层滤床，高7m左右；国内常采用多层的“塔式”结构，高度常在10m
滤床四周，一般设池壁，池壁起围护滤料、减少污水飞溅的作用。常用砖、石或混凝土块砌筑。
2.布水设备
布水设备作用是使污水能均匀地分布在整个滤床表面上。
生物滤池的布水设备分为两类：移动式（常用回转式）布水器和固定式喷嘴布水系统 （）。
回转式布水器的中央是一根空心的立柱，底端与设在池底下面的进水管衔接。布水横管的一侧开有喷水孔口，孔口直径10～15mm，间距不等，愈近池心间距愈大，使滤池单位平面面积接受的污水量基本上相等。布水器的横管可为两根（小池）或四根（大池），对称布置。污水通过中央立柱流入布水横管，由喷水孔口分配到滤池表面。污水喷出孔口时，作用于横管的反作用力推动布水器绕立柱旋转，转动方向与孔口喷嘴方向相反。所需水头在0.6-1.5m左右。如果水头不足，可用电动机转动布水器。
固定式布水系统是由虹吸装置、馈水池、布水管道和喷嘴组成。这种形式布水设备较少使用。污水经过初次沉淀之后，流入馈水池。当馈水池水位上升到某一高度时，池中积蓄的污水通过设在池内的虹吸装置，倾泻到布水管系，喷嘴开始喷水，且因水头较大，喷水半径较大。由于出流水量大于人流水量，池中水位逐渐下降，因此喷嘴的水头逐渐降低，喷水半径也随之逐渐收缩。当池中水位降落到一定程度时，空气进入虹吸装置，虹吸被破坏，喷嘴即停止喷水。由于馈水池的调节作用，固定喷水系统的喷水是间隙的。这类布水系统需要较大的水头，约在2m左右。
当采用回转式布水系统时，滤池的平面用圆形或正八角形。采用固定式喷嘴布水系统时，池面形状不受限制。
3.排水系统
池底排水系统的作用是：①收集污水与生物膜；②保证通风；③支撑滤料。
池底排水系统由池底、排水假底和集水沟组成，参看图5-7。排水假底是用特制砌块或栅板铺成滤料堆在假底上面。早期都是采用混凝土栅板作为排水假底，自从塑料填料出现以后，滤料重量减轻，国外多用金属栅板作为排水假底。假底的空隙所占面积不宜小于滤池平面的5%一8%，与池底的距离不应小于0.4-0.6m。
池底除支撑滤料外，还要排泄滤床上的来水，池底中心轴线上设有集水沟，两侧底面向集水沟倾斜，池底和集水沟的坡度约1%～2%。集水沟要有充分的高度，并在任何时候不会满流，确保空气能在水面上畅通无阻，使滤池中空隙充满空气。
二、生物滤池法的流程
低负荷生物滤池又称普通生物滤池，()所示为传统的普通生物滤池的流程。
普通生物滤池的优点是处理效果好，BOD5去除率可达90%以上，出水BOD5可下降到25mg/L以下，硝酸盐含量在10mg/L左右，出水水质稳定。
缺点是占地面积大，易于堵塞，灰蝇很多，影响环境卫生。
后来，人们通过采用新型滤料，革新流程，提出多种型式的高负荷生物滤池，使负荷率比普通生物滤池提高数倍，池子体积大大缩小。回流式生物滤池、塔式生物滤池属于这样类型的滤池。它们的运行比较灵活，可以通过调整负荷率和流程，得到不同的处理效率（65%一90%）。负荷率高时，有机物转化较不彻底，排出的生物膜容易腐化。
()是交替式二级生物滤池法的流程。运行时，滤池是串联工作的，污水经初步沉淀后进人一级生物滤池，出水经相应的中间沉淀池去除残膜后用泵送入二级生物滤池，二级生物滤池的出水经过沉淀后排出污水厂。工作一段时间后，一级生物滤池因表层生物膜的累积，即将出现堵塞，改作二级生物滤池，而原来的二级生物滤池则改作一级生物滤池。运行中每个生物滤池交替作为一级和二级滤池使用。交替式二级滤池法流程比并联流程负荷率可提高两、三倍。
()所示是几种常用的回流式生物滤池法的流程。当条件（水质、负荷率、总回流量与进水量之比）相同时，它们的处理效率不同。图中次序基本上是按效率从较低到较高排列的，符号qv代表污水量，厂代表回流比。当污水浓度不太高，回流系统为重力流时采用图5-10a流程，回流比可以通过回流管线上的闸阀调节，当人流水量小于平均流量时，增大回流量；当人流水量大时，减少或停止回流。图5-10（c，d）是二级生物滤池，系统中有两个生物滤池。这种流程用于处理高浓度污水或出水水质要求较高的场合。由于它的造价和日常费用较高，限制了二级生物滤池的广泛应用。
在处理城市污水时，回流式生物滤池的处理效率大致如下：
（1）单级滤池法 当滤池负荷率在1.7 kg（BOD5）/ m3·d（滤料）以下时，出水的BOD5约为滤池进水的BOD5的1/3。
（2）二级滤池法 二沉池出水的BOD5为二级滤池进水BOD5的1/2；如果一级滤池出水不经沉淀直接流向二级滤池，则一级滤池出水的BOD5为进水BOD5的1/2。
生物滤池的一个主要优点是运行简单，因此，适用于小城镇和边远地区。一般认为，它对人流水质水量变化的承受能力较强，脱落的生物膜密实，较容易在二沉池中被分离。生物滤池处理效率比活性污泥法略低，变化范围略大些。50%的活性污泥法处理厂BOD5去除率高于91%，50%的生物滤池处理厂的BOD5去除率仅83%以上，相应的出水BOD5为 14mg/L和28mg/L。
三、生物滤池的机理
1.生物滤池的工作情况
污水通过布水设备连续地、均匀地喷洒到滤床表面上，在重力作用下，污水以水滴的形式向下渗沥，或以波状薄膜的形式向下渗流。{zh1}，污水到达排水系统，流出滤池。
污水流过滤床时，有一部分污水、污染物和xx附着在滤料表面上，微生物便在滤料表面大量繁殖，不久，形成一层充满微生物的粘膜，称为生物膜。这个起始阶段通常叫“挂膜”，是生物滤池的成熟期。
生物膜是由xx（好氧、厌氧、兼性）、xx、藻类、原生动物、后生动物以及一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫等组成。
污水流过成熟滤床时，污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附、降解，从而得到净化。生物膜表层生长的是好氧和兼性微生物，其厚度约2mm。在这里，有机污染物经微生物好氧代谢而降解，终点产物是H20、CO2、NH3等。由于氧在生物膜表层已耗尽，生物膜内层的微生物处于厌氧状态。在这里，进行的是有机物的厌氧代谢，终点产物为有机酸、乙醇、醛和H2S等。由于微生物的不断繁殖，生物膜逐渐增厚，超过一定厚度后，吸附的有机物在传递到生物膜内层的微生物以前，已被代谢掉。此时，内层微生物因得不到充分的营养而进人内源代谢，失去其粘附在滤料上的性能，脱落下来随水流出滤池，滤料表面再重新长出新的生物膜。生物膜脱落的速度与有机负荷、水力负荷有关。
在低负荷生物滤池中，造成生物膜脱落的原因可能更复杂些，昆虫及其幼虫的活动可能促进生物膜脱落。在高负荷滤池中，因滤率高，靠着水力冲刷使生物膜不断脱落和被冲走，生物膜的厚度与滤率的大小有关。
有机物的转化深度随滤池的性能而异，对于低负荷滤池，有机物被深度转化，出水中硝酸盐含量较高，残膜呈深棕色，有些类似腐殖质，沉淀性能较好；对高负荷滤池，只有在负荷率较低时，出水才含有较低的硝酸盐，残膜易腐化。
2.影响生物滤池性能的主要因素
生物滤池中有机物的降解过程复杂，同时发生着有机物在污水和生物膜中的传质过程；有机物的好氧和厌氧代谢；氧在污水和生物膜中的传质过程和生物膜的生长和脱落等过程。这些过程的发生和发展决定了生物滤池净化污水的性能。影响这些过程的主要因素如下；
（1）滤池高度 滤床的上层和下层相比，生物膜量、微生物种类和去除有机物的速率均不相同。滤床上层，污水中有机物浓度较高，微生物繁殖速率高，种属较低级以xx为主，生物膜量较多，有机物去除速率较高。随着滤床深度增加，微生物从低级趋向高级，种类逐渐增多，生物膜量从多到少。这是因为微生物的生长和繁殖同环境因素息息相关，所以当滤床各层的进水水质互不相同时，各层生物膜的微生物就不相伺，处理污水（特别是含多种性质相异的有害物质的工业废水）的功能也随着不同。
由于生化反应速率与有机物浓度有关，而滤床不同深度处的有机物浓度不同，自上而下递减。因此，各层滤床有机物去除率不同，有机物的去除率沿池深方向呈指数形式下降。生物滤池的处理效率，在一定条件下是随着滤床高度的增加而增加，在滤床高度超过某一数值（随具体条件而定）后，处理效率的提高是微不足道，不经济的。滤床不同深度处的微生物种群不同，反映了滤床高度对处理效率的影响同污水水质有关。对水质比较复杂的工业废水来讲，这一点是值得注意的。
（2）负荷率 生物滤池的负荷率是一个集中反映生物滤池工作性能的参数，它直接影响生物滤池的工作。
水处理设施的负荷习惯上都以流量为准。生物滤池的负荷以污水流量表示时，负荷率的单位是m3（水）/ m3·d或m3（水）/ m2·d，后一单位相当于m/d，又称平均滤率。但是，由于生物滤池的作用是去除污水中有机物或特定污染物，因此，它的负荷率应以有机物或特定污染物质为准较合理，对于一般污水则常以BOD5为准，负荷率的单位以kg（BOD5或特定物质）/ m3·d表示。这样，生物滤池的负荷率有三种表达方式。以流量为准的负荷率常称水力负荷率，水力负荷率采用滤率为单位时，又称为表面水力负荷率。以BOD5为准的负荷率常称有机负荷率。
以往，城市污水厂采用普通生物滤池，滤率一般在1-2m/d左右，不超过 4m/d。在此低负荷率的条件下，随着滤率的提高，污水中有机物的传质速率加快，生物膜量增多，滤床特别是它的表层很容易堵塞；因此，生物滤池的负荷率曾长期停留在较低的水平（当污水浓度和滤床高度为定值时，滤率与负荷率的比值是常数）。但是，当滤率提高到8m/d以上时，下渗污水对生物膜的水力冲刷作用，使生物滤池堵塞现象又获改善。在高负荷条件下，随着滤率的提高，污水在生物滤池中的停留时间缩短，出水水质将相应下降。为此，可以利用污水厂出水回流（回流滤池），或提高滤床高度（塔式生物滤池）来改善进水水质，从而提高滤率和保证出水水质。
滤率对处理效率有影响，但对不同的污染物质，影响不同。如对氰的影响较小，对挥发酚和COD的影响颇为明显。城市污水中低负荷滤池出水硝化程度较高，而高负荷滤池，仅在负荷较低时才可能出现硝化。这也说明滤率对处理效率有影响。
讨论负荷率时，应与处理效率相对应。例如，采用生物滤池处理城市污水，要求处理效率在80%～90%左右（城市污水的BOD5一般在200～300mg/L左右，用生物滤池处理后，出水BOD5一般在25mg/L左右），这时，低负荷生物滤池的负荷率常在0.2kg/ m3·d，高负荷生物滤池的负荷率在1.1 kg/ m3·d左右，若提高负荷率，出水水质将相应有所下降。
（3）回流 利用污水厂的出水，或生物滤池出水稀释进水的做法称回流，回流水量与进水量之比叫回流比。
回流对生物滤池性能有下述影响：①可提高生物滤池的滤率，使生物滤池由低负荷率演变为高负荷率（增大滤床高度也可提高负荷率）；②提高滤率有利于防止产生灰蝇和减少恶臭；③当进水缺氧、腐化、缺少营养元素或含有害物质时，回流可改善进水的腐化状况、提供营养元素和降低毒物浓度；④进水的质和量有波动时，回流有调节和稳定进水的作用。
回流将降低人流污水的有机物浓度，减少流动水与附着水中有机物的浓度差，因而降低传质和有机物去除速率。另一方面，回流增大流动水的紊流程度，增快传质和有机物去除速率，当后者的影响大于前者时，回流可以改善滤池的工作。
一些研究表明，用生物滤池出水回流，增加滤床的生物量，可以改善滤池的工作。但是，悬浮微生物的增加，又可能影响氧向生物膜的转移，影响生物滤池的效率。可见，回流对生物滤池性能的影响是多方面的，不可以一概而论。回流滤池的回流比与污水浓度有关。
（4）供氧 生物滤池中，微生物所需的氧一般直接来自大气，靠自然通风供给。影响生物滤池通风的主要因素是滤床自然拔风和风速。自然拔风的推动力是池内温度与气温之差，以及滤池的高度。温度差愈大，通风条件愈好。当水温较低，滤池内温度低于气温时（夏季），池内气流向下流动；当水温较高，池内温度高于气温时（冬季），气流向上流动。若池内外无温差时，则停止通风。正常运行的生物滤池，自然通风可以提供生物降解所需的氧量。
人流污水有机物浓度较高时，供氧条件可能成为影响生物滤池工作的主要因素。图5-15反映生物滤池可能出现的滤池进水有机物浓度对膜内有机物和氧浓度的影响。曲线表明进水有机物浓度低时，氧的供给是充足的，当COD>400～500mg/L时，生物滤池供氧不足，生物膜好氧层厚度变薄。为保证生物滤池正常工作，有人建议滤池进水COD应小于 400mg/L。当进水浓度高于此值时，可以通过回流的方法，降低滤池进水有机物浓度，以保证生物滤池供氧充足，正常运行。
四、生物滤池系统的功能设计
生物滤池处理系统包括生物滤池和二次沉淀池，有时还包括初次沉淀池和回流泵。其功能设计一般包括：
①滤池类型和流程选择；
②滤池个数和滤床尺寸的确定；
③二次沉淀池的形式、个数和工艺尺寸的确定；
④布水设备计算。
1.滤池类型的选择
低负荷率生物滤池现在基本上已不常用，仅在污水量小、地区比较偏僻、石料不贵的场合尚有可能选用。
目前，大多采用高负荷率生物滤池。高负荷生物滤池主要有两种类型：回流式和塔式（多层式）生物滤池。滤池类型的选择，只有通过方案比较，才能作出合理的结论。占地面积，基建费用和运行费用的比较，常起关键性作用。
2.流程的选择
在确定流程时，通常要解决的问题是：①是否设初次沉淀池；②采用几级滤池；③是否采用回流，回流方式和回流比的确定。
当废水含悬浮物较多，采用拳状滤料时，需有初次沉淀池，以避免生物滤池阻塞。处理城市污水时，一般都设置初次沉淀池。
下述三种情况应考虑用二次沉淀池出水回流：①人流有机物浓度较高，可能引起供氧不足时。有人建议生物滤池的人流CODB应小于400mg/L；②水量很小，无法维持水力负荷率在最小经验值以下时；③污水中某种污染物在高浓度时可能抑制微生物生长的情况下，应考虑回流。
五、生物滤池的运行及其经验
生物滤池投入运行之前，先要检查各项机械设备（水泵、布水器等）和管道，然后用清水替代废水进行试运行，发现问题时需作必要的整修。
生物滤池正式运行之后，有一个“挂膜”阶段，即培养生物膜的阶段。在这个始运行阶段，洁净的无膜滤床逐渐长了生物膜，处理效率和出水水质不断提高，终于进入正常运行状态。当温度适宜时，始运行阶段历时约一周。
处理含有毒物质的工业废水时，生物滤池的运行要按设计确定的方案进行。一般说来，这种有毒物质正是生物滤池的处理对象，而能分解氧化这种有毒物质的微生物常存在于一般环境中，无需从外界引入；但是，在一般环境中，它们在微生物群体中并不占优势，或对这种有毒物质还不太适应，因此，在滤池正常运行前，要有一个让它们适应新环境，繁殖壮大的始运行阶段，称为“驯化-挂膜”阶段。
工业废水生物滤池的驯化-挂膜有两种方式：一种方式是从其它工厂废水站或城市污水厂取来活性污泥或生物膜碎屑（都取自二次沉淀池），进行驯化，挂膜。可把取来的数量充足的污泥同工业废水、清水和养料（生活污水或培养微生物用的化学品，有些工业废水并不需要外加养料）按适当比例混和后淋洒生物滤池，出水进入二次沉淀池，并以二沉池作为循环水池，循环运行。当滤床明显出现生物膜迹象后，以二次沉淀池出水水质为参考，在循环中逐步调整工业废水和出水的比例，直到出水正常。这时，驯化-挂膜结束，运行进入正常状态。这种方式是目前常用的方式，特别适用于试验性装置；但是，对大型生物滤池，由于需要的活性污泥量太多，这种始运行方式是不现实的。
另一种方式是用生活污水、城市污水，河水或回流出水替代部分工业废水 （必要时投加养料）进行运行（部分工业废水暂时直接排放），运行过程中把二次沉淀池中的污泥不断回流到滤池的进水中。在滤床明显出现生物膜迹象后，以二次沉淀池出水水质为参考，逐步降低稀释用水流量和增加工业废水量，直至正常运行。
在运行中，应用心积累和整理有关水量、水质，能量消耗和设备维修等方面的资料数据，仔细记录出现的特殊情况，并不断总结经验，将不但能在本厂提高运行水平和促进技术革新，而且有助于生物过滤法的研究和革新。这方面的工作，目前做得非常不够。表5-7摘录几个生物滤池的技术数据，以供参考，其中有些是试验性装置。
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