一、生物接觸氧化法的基本原理
1、生物接觸氧化法的特點
生物接觸氧化法是生物膜法的一種形式。它是在生物濾池法的基礎上發展起來的，從生物膜固定和汙水流動來說，相似於生物濾池法。從汙水充滿曝氣池和採用人工曝氣看，它又相似於活性汙泥法。所以，生物接觸氧化法兼有生物濾池法和活性汙泥法的特點。
實踐表明，生物接觸氧化法具有BOD負荷高，處理時間短，佔地面積小，不需汙泥迴流，不產生汙泥膨脹，運轉比較靈活，維護管理方便等一系列優點，因此，是一種有發展前途的處理方法。
2、生物膜對廢水的淨化作用
在生物接觸氧化法中，微生物主要以生物膜的狀態固著在填料上，同時又有部分絮體或碎裂生物膜懸浮於處理水中。生物接觸氧化池中的生物膜重量，比曝氣池內懸浮活性汙泥的重量大得多，一般生物膜重量為6000-14000mg/L，而氧化池中呈懸浮狀的微生物（活性汙泥）濃度一般為200-1000 mg/L。由此，可粗略地用生物膜重量表示生物接觸氧化法中的微生物重量，用生物膜濃度表示微生物濃度。
附著在填料表面的生物膜對廢水的淨化作用：
最初，稀疏的細菌附著於填料表面，隨著細菌的繁殖逐漸形成很薄的生物膜。在溶解氧和食料（有機物）都充足的條件下，微生物的繁殖十分迅速，生物膜逐漸加厚。生物膜的厚度通常為1.5-2.0mm，其中外表面到1.5 mm深處為好氣菌，1.5 mm深處到內表面與填料壁相接的部分為弱厭氣菌。廢水中的溶解氧和有機物擴散到生物膜內為好氣菌利用。但是，當生物膜長到一定厚度時，溶解氧無法向生物膜內擴散，好氣菌死亡、溶化，而內層的厭氣菌得以繁殖發展。經過一段時間後，厭氣菌在數量上亦開始下降，加上代謝氣體的逸出，使內層生物膜出現許多空隙，附著力減弱，終於大塊脫落。在生物膜脫落的填料表面上，新的生物膜又重新生長髮展。實際上，新陳代謝過程在生物接觸氧化池中生物膜發展的每一個階段都是同時存在著的，這樣就使其去除有機物的能力保持在一個水平上。
3、流態
生物接觸氧化法的固定生物膜與一般的生物膜不同。在氧化池中採用曝氣方式，不僅提供較充分的溶解氧，而且由於曝氣攪動加速了生物膜的更新，從而更加提高膜的活力與氧化能力。另外，曝氣會形成水的紊流，使固著在填料上的生物膜可以連續地、均勻地與汙水相接觸，避免生物濾池中存在的接觸不良的缺陷。
對於接觸氧化池的單池（或單格）來說，其流態是一種混合型，各點水質比較均勻，各部分的工況基本一致，具有完全混合型的特點。
對於將氧化池分格按照推流式設置的接觸氧化池來說，則全池又具有推流式活性汙泥法的特點。由於按推流式設置時，水在池子內不斷地沿著池的縱向逐步推流至出口，使生物膜上的微生物與汙水中的有機物得到充分混合和接觸，從而使汙水逐漸淨化。全池的水質是有變化的，進水端COD值最大，以後逐漸減小，出口端最小。
4、生物相及其演化規律
生物接觸氧化法生物膜上的生物相是豐富的，起作用的微生物包括許多門類，由細菌、真菌、原生動物、後生動物組成比較穩定的生態系。
（1）細菌類
生物相中數量最多的是細菌。它們的形態有：
①遊離菌
大多為體形較小的桿狀菌，有時也可能是比較大型而自身又能運動的螺旋菌。細菌的種屬因處理的汙水種類不同而異，一般生長繁殖的細菌有無色桿菌屬、假單孢菌屬、芽孢桿菌屬、產鹼桿菌屬等。它們多數在掛膜培菌初期出現，然後消失。
②菌膠團
它是低等細菌建立的膠粘物，有良好的吸附能力，對被粘附的有機物加以分解利用，使有機物無機化。菌膠團多半呈垂絲狀，也有呈蘑菇狀、分枝狀。
③絲狀菌
這是由低等細菌密切結合的高等細菌。絲狀菌多數是真菌球衣細菌，是生物膜中起重要作用的微生物。它們的菌絲體較長，常呈亂髮狀。絲狀菌的繁殖和廢水的硝化有著密切聯繫。在生物接觸氧化法中，絲狀菌是固著在填料表面上的，它的繁殖不僅不會引起活性汙泥法中的那種汙泥膨脹，反而使出水水質變好。
（2）真菌類
生物膜中的真菌主要是鐮刀黴菌、地黴菌和各類酵母菌等。真菌對某些人工合成的有機物（如丙烯腈等）有一定降解能力。
（3）原生動物
在正常運行和生物膜降解能力良好時，生物相中佔優勢的原生動物以固著性的纖毛蟲為主，如鍾蟲、小口鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲、無柄鍾蟲等。有時也有游泳性纖毛蟲，如草履蟲、豆形蟲、漫遊蟲等。
運行穩定時，生物膜上的生物相也是相對穩定的，細菌和原生動物之間存在著制約關係。一方面，原生動物纖毛蟲吞噬細菌，抑制細菌群體的蔓延；另一方面，細菌被破壞後，又不斷繁殖生長，這就需要以廢水中的大量有機物作為食料，從而淨化了廢水。所以，原生動物纖毛蟲特別是鍾蟲、等枝蟲、蓋纖蟲是生物接觸氧化系統運轉良好的有價值的指示性生物。
在運行時，若有機物負荷或營養狀況有較大變化，則原生動物中的固著性鍾蟲、等枝蟲突然消失，絲狀菌稀少，菌膠團結構鬆散，而游泳性草履蟲、鍾蟲游泳體大量出現，出水水質變差；反之，若原來出水水質較差，一旦出現鍾蟲、等枝蟲、絲狀菌叢生，菌膠團結構緊密，而游泳性纖毛蟲減少，則說明環境條件有了改善，出水水質變好。
（4）後生動物
與活性汙泥法不同的是，在生物接觸氧化法中的生物膜上存在著大量的後生動物如輪蟲、線蟲、紅斑瓢體蟲。這些是以食死肉為主的動物，能軟化生物膜，促進生物膜脫落，從而經常保持活性和良好的淨化功能。當輪蟲等後生動物數量多且活躍，個體肥大，則處理後出水水質好；反之，則處理效果差。一旦發現生物呆滯，個體死亡，則預示著處理效果急劇下降。
二、影響處理效果的因素
1、進水水質
①PH值
環境條件對生物處理的影響是重要的，有時甚至是決定性的。其中PH值是重要的環境因素之一。
對於大多數細菌來說，雖然PH的最廣範圍為4-10，但是由於異常的PH值會損害細胞表面的滲透功能和細胞內部的酶反應，因此適宜的PH值範圍應為6-8。
在汙水處理中，特別是在工業廢水處理中，汙水的PH值往往不能適應微生物的生長繁殖。此時，當在培菌馴化時考慮到PH值因素，並使PH值逐漸偏於某一側，那麼，即使在較高的鹼性和酸性條件下，也能夠使整個經過馴化的微生物群體具有一定的淨化能力。
運行實踐表明，生物接觸氧化法對PH值的適應性比較強，當汙水的PH值為8-9時，微生物仍然有適應能力，對處理效果沒有多大影響。因此，生物接觸氧化池進水PH值可為6.5-9.0。否則，應考慮預先的PH調整措施。
②水溫
在生物接觸氧化池中接觸停留時間較短，因此處理過程中汙水受氣溫的影響不大，主要起作用的是水溫。
溫度對生物處理有一定的影響。一般地，溫度高，微生物活力強，新陳代謝旺盛，氧化與呼吸作用強，處理效果較好。但溫度過高，會抑制通常的嗜中溫微生物的生長。同樣，溫度過低，微生物的生命活動受到抑制，處理效果受到影響。
為了保持基本正常運行，生物接觸氧化池的進水水溫宜控制在10-35℃之間。
③硫化物及其它有害物質
汙水中的大量硫化物對生物接觸氧化法處理是有害的。一是，硫化物是還原劑，要消耗生物接觸氧化池中的大量溶解氧；二是，硫化物在充氧作用下，易產生難聞的硫化氫氣體；三是，硫化物對微生物代謝過程有抑制作用。為此，生物接觸氧化池進水中的硫化物含量應在30mg/L以下。
其它有害物質的情況，在此從略。
2、有機負荷
有機負荷是反映生物接觸氧化法淨化效能的主要指標。它通常用單位容積填料的汙染物（BOD）負荷量來表示，即
BOD負荷=單位時間內供給生物膜的有機物數量（BOD）÷填料總容積單位：Kg BOD/（m3·d）
①BOD負荷同被處理水的汙染物質有關
處理對象不同，BOD負荷亦不同。易於生物降解的汙水，例如城市汙水、酵母廢水等，BOD負荷較高。而可生化性較低的廢水，如印染廢水等，BOD負荷較低。
②BOD容積負荷與處理水水質亦有密切關係
實踐表明，在一定範圍內，出水BOD愈高，則BOD容積負荷也愈高；出水BOD愈低，則BOD容積負荷也就愈低。在保持相同處理水水質的情況下，允許的BOD容積負荷愈高，則證明處理設備效率愈高。
③BOD容積負荷的實際取值範圍
對於可生化性較高的有機廢水，如城市汙水、食品工業廢水等，BOD容積負荷宜取1.0-3.0Kg BOD/（m3·d）；對於可生化性較差的廢水，如印染廢水等， BOD容積負荷取0.5-1.0Kg BOD/（m3·d）更為穩妥。
3、接觸停留時間
①接觸停留時間同處理效果有很大關係
在相同的進水水質條件下，若接觸停留時間愈長，則處理水BOD值愈低，處理效果亦就愈好；反之亦然。
這是因為，微生物對有機物的轉化過程同微生物機體的化學過程緊密地聯繫著。不論是將複雜的有機物分解氧化成簡單的無機物，還是將比較簡單的無機物合成複雜的細胞物質，都需要一定時間。特別是被吸附與附著在生物膜上的有機物經氧化分解和細胞合成作用全部轉化為穩定物質（有機物無機化）所需時間較長，一般為數小時乃至數十天。因此，處理效果對接觸停留時間的依賴性很大。
②接觸停留時間同所採用的處理工藝流程有關
在原水水質和處理水質都相同的條件下，一段法同多段法相比較，所需要的接觸停留時間是不相同的。一般地，二段法或多段法的總接觸停留時間短於一段法。
對於BOD濃度較低的城市汙水，宜採用二段法工藝流程，總接觸停留時間1.0-3.0h，一氧池接觸停留時間約佔總接觸停留時間的2/3，二氧池約佔1/3。
對於中等濃度的工業廢水（如BOD濃度為150-300mg/L），接觸停留時間宜採用3-6h。
對於高濃度的工業廢水（BOD濃度為500mg/L以上），接觸停留時間宜採用8-16h。
三、填料選擇
（1）填料的作用及要求
填料是生物膜的載體，同時兼有截留懸浮物質的作用。因此載體填料是氧化池的關鍵，直接影響著生物接觸氧化法的效能。同時，載體填料費用在生物接觸氧化處理系統的基建費用中又佔較大比重，所以填料關係到接觸氧化技術的經濟合理性。
通常，對載體填料的要求是：
①生物膜的附著性
表面粗糙度是能否很快形成初期生物膜的主要因素。表面粗糙度大，掛膜快；表面粗糙度小，掛膜慢。
生物膜附著還同微生物和載體填料表面的靜電作用有關。一般微生物常帶負電，若填料表面的電位愈高，則可以推測生物膜附著愈易；反之亦然。由於微生物可以視為親水性粒子，所以在親水性填料表面易附著微生物。於是，有的塑料填料在使用前先進行了提高表面親水性處理。
②水力學特性
載體填料的水力學特性包括空隙率、比表面積、形狀尺寸、填充率等。空隙率影響水的實際停留時間和生物膜量。空隙率愈高，氧化池阻力愈小，同時需要填料少，降低造價。但是，空隙率高時機械強度和比表面積都比較小。比表面積影響氧化池單位容積的生物膜量。
若載體填料的比表面積大，則不僅對溶解性底質，而且對懸浮物質的去除效果較好。但是，比表面積大的填料帶來的問題是，流經填料內的水流阻力增大，能量消耗隨之增大，同時易於堵塞填料。為了防止堵塞，就要提高反衝洗強度，這樣使原生動物、後生動物受到沖刷，微生物的食物鏈變短，產生的剩餘汙泥量就大。因此，一般固定床氧化法載體填料的比表面積宜在一至數個100m2/m3之間。
填料的形狀尺寸除了同空隙率和比表面積密切相關以外，也是影響填料間水流態的重要因素，一般用雷諾數Re表示。Re小於2000為層流，大於2000為紊流。若填料間紊流愈甚，則水與生物膜接觸效率愈高，生物膜更新愈快，增大了去除汙染物質的能力。但是，為了提高Re，勢必要增大流速，從而增大能量消耗。若比表面積小，則Re值大，提高單位生物膜表面積的淨化效率。因此，從這一點考慮，則採用比表面積小的填料是有利的。
若空隙率大、比表面積大、形狀尺寸均一，則水流阻力小；反之亦然。從節能觀點來看，填料間的水流阻力愈小愈好，這是一個方面。但另一方面由於填料自身具有整流作用，阻力愈大，則填料內流速分佈比較均一，因此克服氧化池內流速偏差是有效的。
③經濟性
影響填料成本的主要因素是材質、填料形狀與厚度、加工工藝過程等。不言而喻，採製價格低廉、厚度小、加工工藝簡單，則成本低。
當建設資金充足時，可以考慮一次性採用性能好、使用壽命長而價格又較貴的填料；若建設資金比較短缺時，建議可以先使用性能良好、價格低廉的填料，如軟性纖維填料，以滿足汙水處理的需要，而以後再逐漸更換成其它更為理想的填料。
（2）種類
載體填料按形狀分，有：蜂窩管狀、束狀、波紋狀、圓環輻射狀、盾狀、板狀、網狀、筒狀、不規則粒狀等；按性狀分，有：硬性、半軟性、軟性；按材質分，有：塑料、玻璃鋼、纖維填料等。
四、供氣量和曝氣充氧設備
（1）供氣的作用
①充氧
生物接觸氧化法主要是利用好氣性細菌完成生物淨化作用。微生物的氧化、合成和內源呼吸全部需要氧。所以，除了營養物質外，氧氣是保持微生物正常活動的一個重要條件。供氣使氧化池中的溶解氧控制在一個相當的水平上。
②充分攪拌，形成紊流
供氣使池內水流充分攪動，形成紊流。紊流愈甚，被處理水與生物膜的接觸效率愈高，傳質效應愈好，從而提高處理效果。
③填料堵塞，促進生物膜更新
供氣的攪動作用使填料上衰老的生物膜及時剝落，防止填料堵塞。同時還促進生物膜更新，提高處理效果。
（2）供氣量
為了表面層的好氣菌維持良好的生物相，通過填料後的溶解氧應是2-3mg/L。
關於供氣量的確定，一般有以下兩種方法：
①根據生物膜需氧量來計算供氣量
生物膜的需氧量（R）包括合成用氧量和內源呼吸用氧量兩部分。即
R = a’·ΔBOD+b’·P
式中：
R——生物膜的需氧量（Kg/d）ΔBOD——單位時間內去除的BOD量（Kg/d）P——活性生物膜數量（Kg）a’、b’——係數（a’≈0.4~0.7、b’≈0.18）
所需的供氣量（Qs）取決於需氧量（R）和曝氣裝置氧的總轉移係數KLa 。
②根據水氣比，確定實際供氣量
在生物接觸氧化處理廢水實踐中，往往是根據水氣比確定供氣量。水氣比為處理水量和供氣量體積比，視水質、水溫、填料和廢水所需的溶解氧而定。正常運行時的水氣比為：
城市汙水 1：（3-5）一般工業廢水 1：（15-20）高濃度生產廢水 1：（20-25）
但是，在生物接觸氧化中，曝氣不僅提供溶解氧，還形成紊流，促進生物膜脫落與更新，防止填料堵塞，還有利於汙水中有機物和微生物的代謝產物的擴散與傳遞。所以，在確定供氣量時還應考慮反衝填料時須加大供氣量。一般地，反衝填料時的水氣比為：
城市汙水 1：（6-8）工業廢水 1：（20-25）
（3）供氣方式
對供氣方式總的要求是：能使水流均勻地流經曝氣池和載體填料，充氧效果好，能耗低，維護管理方便。
供氣方式可分為：鼓風曝氣、機械曝氣和射流曝氣。
目前國內用得較多的是鼓風曝氣。鼓風曝氣就是用鼓風機（或空壓機）向曝氣池充入一定壓力的空氣（或氧氣）。這種方法動力消耗較低，動力效率較高，供氣量較易控制，脫落的生物膜沉澱性能較好。但是，氧的利用率較低，噪聲大。
射流曝氣，就是用泵打入混合液，在射流器的喉管處形成高速射流，與吸入（或壓入）的空氣強烈混合攪拌，將氣泡粉碎為100μm左右，使氧迅速轉移至混合液中。其氧的利用率較高，管理方便。但是，動力消耗較高，動力效率較低，脫落的生物膜易被擊碎，質輕上浮。
機械曝氣大多以裝在曝氣池水面的葉輪快速轉動，進行表面充氧。生物接觸氧化法，很少採用這種曝氣方式。
（4）曝氣充氧設備
各種不同方式對氧化池的供氣是通過曝氣充氧設備來實現的。曝氣充氧設備的性能不僅影響汙水生物處理的效果，而且關係到處理設施的投資、電耗和運行費用。目前，鼓風曝氣充氧設備常採用穿孔管、微孔曝氣器、可變孔曝氣軟管等。
穿孔管，簡單易行，安裝方便，一次投資省。但是，其氧的利用率較低，孔口易於堵塞。
微孔曝氣器、可變孔曝氣軟管等，氧的利用率較高。但是，由於它是採用塑料（或橡膠）製成，很容易老化，使用壽命較低。
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