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生物膜法的历史及其发展

古罗马人和古希腊人都很注意将局部沼译地排干,并用他们简陋的用水道和下水道系统将废物冲走。虽然他们并没有正确的微生物学知识来指导这些行动。
在中世纪的欧洲,已记载有具有古代卫生措施的城市发展情况。个别的城镇和乡村还通过了一些针对有排出物的屠宰场,制革厂以及针对来自市区及水源上游的其他污染源的法律,那时,人们仍不了解有关微生物和其他污染物的特殊作用。
到了文艺复兴时代,在荷兰和意大利北部已可见到完善的明渠系统。在英格兰开始了沼泽排水;在伦敦已有截断人工河道来补充供水。在整个这一时期,人们已能懂得一些简单的水处理工艺,在个别家庭有供水澄清的砂容器,特别是用砂做的水井;在浑浊河道的岸边用向下挖入砂层以获得清水的方法也很普遍,这些行动可以说是水处理的萌芽,但这些行动还只是局限于给水处理。
18世纪中叶,在欧洲兴起了产业革命,产业节命的工业化要求开辟了西欧人口增长的新区城,出现了许多新城镇。这些新的城镇最初是有助于解决由于人口的重新分布而引起的水和人口的比例问题,但在后来,产业革命从各方面增大了城市的密度,随之便出现了氶待解决污水处理问题的局面。
到了19世纪30年代,由于工业化的结果推动了世界贸易的发展,把长期在亚洲流行的霍乱病带到了欧洲,并逐渐蔓延。例如在开罗,爆发一次霍乱病的死亡率竟高达31%,随后伦敦也开始出现霍乱。19世纪30年代和40年代霍乱在伦敦反复流行,霍乱的流行最终有助于1858年控制污水排放法律(有害物去除条例)的制定。此后,许多皇家委员会被指定来专门研究有关污水处理问题,但当时的处理工艺水平可以归纳为不是灌溉就是化学沉淀和过滤。过滤和灌溉通常都与土地处理有关,但当时这些技术没有一项涉及生物处理。
当水通过过滤使伦敦有效地消除了霍乱之后,人们的注意力便集中于该技术工程上的最优化。19世纪50年代末和60年代初,随着砂滤饮用水的普及,开始了过滤对污水处理效果的研究。除了污水造成的公害(如霍乱等)之外,还有一些原因使人们认识到污水必须处理,这就直接导致了污水处理工作的开展,并很快形成了三种主要的处理技术:化学沉淀、灌溉和过滤。
当时,化学沉淀在美洲是比较重要的工艺,但在欧洲则较少使用,欧洲较多的还是采用灌溉的方法。在当时看来,用灌溉的方法来处理污水较为便利,初看起来只是延伸了农民用动物废料给土地施肥的古老方法。但是在实践上,由于19世纪城市的扩大,其所需的灌溉规模也增大,这就导致了如下问题:首先,由于城市的扩大,将废水从城市运住农村所需的运费增加了,其次,由于污水量的增大,大量这样的污水灌溉引起了土壤的饱和、地面漫流和恶臭等问题。特别是雨水充沛和土壤孔隙性小的地区常常如此。因此,在初期强烈的兴趣过后,灌溉的应用就趋于下降了。
当1865年德国杰出的科学家Alexandex Mueller在演示带有活微生物的过滤柱可以净化污水时,生物过滤便显现出是一个重要的方法。在英国,1868年Edward Frankland发现了填装有各种卵石、砂和土壤的过滤柱具有净化污水的作用,他的工作建立在过滤净化过程中曝气的作用,同时模拟了若干间隙式过滤方式。但上述两种方法大多数都涉及灌溉的利用,正因如此,他的工作没能持续多久。紧接着上述两项开拓性的工作之后,英国和德国的研究人员弄清楚了细菌在过滤柱中的作用,使环境卫生与微生物学相互联系起来了。1890年,英国Allan Hazen发表的研究成果确切地证明:通过间隙投配污水,在过滤池中生长的需软性微生物可以完成污水在有氧环境中的降解,使出流污水达到完全卫生,这一结果导致了美国广泛采用间隙过滤法。在美国,土壤的渗透性通常要比欧洲好,并由于土地价格便宜,采用较大型的滤池也就变得可行。同时,在欧洲则普遍采用较粗糙的过滤填料做试验来解决空隙率的问题,其中有些过滤滤料如碎焦炭本身就是工业化的副产品。滤池就是利用这种粗糙过滤材料而建造的。
在欧洲,Edward Frankland还进行了砾石过滤性能的研究。他利用伦敦的原污水,在充填过滤填料的实脸室过滤柱中。成功地进行了4个月以上的过滤性能演示试脸,污水投配频率为每天2次。Edward Frankland工作的重要意义在于:确定了间隙过滤要求在两次污水投加之间要有一个吸气时间,其结果受到了皇家专门调查委员会的极大注意,并被许多设计工程师所接受。与此同时,美国也在更进一步地研究过滤技术,各式各样的过滤方法均有使用。这样,美国对欧洲大量采用过的传统慢滤池做了重要的改进,诸如旋转的或固定的喷射臂、上向流辅助动力装置和反冲洗等改革措施。所有这些都提高了工艺过程的速率,并且节省了劳力和资本。
在这一时期,欧洲的研究是采用过滤填料(焦渣、煅烧黏土、砾石等)来提高过滤效率。例如Scott-Moocrief和J. Worbett进行了污水通过填料床的过滤研究,F. Wallis Stod-dart进行了经粗填料滤池连续滴流的应用研究。1891年,由W. j. Didbin首先提出了接触床的概念,他们将经化学处理后的污水注入粗填料过渡床,16h后再排放,发现焦渣处理污水的能力令人满意,而砂则由于经常会堵塞而不十分令人满意。这些试验促成了用较小填料的一级床和二级床这种两级接触方法的发展,其中第一级作为粗滤池使用。这种接触床的安装和运行在技术上都受到英国皇家委员会的支持。之后,Waring和Lowcock对流量分布均衡性和间歇滤池负荷均匀性方面做了改善; Stoddart开发了具有对称排水孔口的波形金属板填料;Corbeff开发了开缝木槽和固定喷嘴;Carfiel开发了经虹吸投配池的固定布水装置;另外,这一时期如旋转臂布水器、带有气压扬水器的喷水装置和旋转木槽等都引入了污水处理中。这些(如接触床、间隙过滤池和滴滤池)便是生物滤池的雏形,都属于固定生物膜法。
1901年,美国威斯康星州的Madison市市政局率先将滴滤池应用于市政工程中。早期的滴滤池通常都采用固定喷嘴和虹吸投配池进行布水,虽然有几个社区采用了旋转布水器,但当时这种布水在美国没有引起多少注意,在欧洲却很受欢迎。当时美因使用的摘滤池采用了粗过滤填料,所以运行时可以采用较高的负荷,这大大降低了标准过滤所需的占地面积,同时也出现了一些描述这些滴滤池的数学模型。1925-1950年间,由于人们对滴滤池的兴趣增大,自然对接触床、间隙过滤池的兴趣大大减少了。而滴滤池采用的旋转布水器因布水均匀而逐渐受到欢迎。同时由于摘睡池具有运行方便、结构简单、费用·效益性能良好、能耗较低等特点,最终使滴滤池被广泛推广应用。当然,滴滤池在当时的运行过程中也经常出现由于出现厌氧状态使出水水质变差,同时悬浮物和微生物膜经常堵塞过滤填料等问颐。经过分析,当时人们认为上述问题的产生主要是由填料引起的,所以为解决堵塞等问题,人们又将眼光投向填料的改进上,并不断开发出一些塑料合成填料。20世纪50年代,美国Dow化学公司的研究者们开始生产和利用塑料合成填料进行滤池试验,当时试验中选用了改良的"马鞍型"和嵌套的波形板捆扎组件填料分别试验,并取得了良好的去除效果。从石料填料改变到塑料填料生物滤池,首次满足了对高浓度废水处理的要求,并使生物滤池的堵塞间隙得到了大大改善。当时塑料填料与石料填料相比具有高比表面积和高孔隙率的优点,同时由于质量轻而降低了结构上的投资,并在受冲击负荷时运行稳定性高。
20世纪70-80年代,生物滤池在我国也逐渐兴起,并被广泛运用于一些工业废水处理(如印染度水、啤酒度水、化工废水处理以及部分城市污水处理)中,而采用的生物滤池形式主要是滴滤池和塔式生物滤池,填料主要还是以碎石、卵石和废焦渣为主,也有一些工程采用纸蜂窝、交错木格板等。
由于滴滤池和塔式生物滤池在运行中生长在填料表面的微生物膜增厚后不能很好地脱落更断,使得微生物膜表层的活性变差,所以长时间运行后处理效率会有所下降。同时,由于滴滤池和塔式生物滤池中填料的截污能力较差,导致生物滤池出水中含有大量的悬浮物(SS)和脱落的剩余生物膜,所以其出水还必须二次沉淀来进行固液分离。另外,由于滴滤池和塔式生物滤池均采用自然通风供氧,供氧量和供氧效果不佳,受制条件也多,所以对处理效果也将会产生较大影响。为克服上述问题,在20世纪80年代末至90年代初,法因德利满公司结合其V形滤池的专利技术,开发成功了具有人工强制供氧,并具有过滤功能进行固液分离的曝气生物滤池技术。
目前,生物滤池的类型较多,根据生物滤池运行是否需氧气来分,可分为厌氧生物滤池和好氧生物滤池。厌氧生物滤池主要针对高浓度废水的处理,而好氧生物滤池主要针对中、低浓度污水的处理。根据好氧生物滤池的池型结构、供氧方式、填料及运行方式的不同,又可分为普通生物滤池、塔式生物滤池以及曝气生物滤池等。

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