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(chǔ)上發(fā)展起來的，從生物膜固定和污水流動來說，相似于生物濾池法。從污水充滿曝氣池和采用人工曝氣看，它又相似于活性污泥法。所以，生物接觸氧化法兼有生物濾池法和活性污泥法的特點。
實踐表明，生物接觸氧化法具有BOD負荷高，處理時間短，占地面積小，不需污泥回流，不產(chǎn)生污泥膨脹，運轉(zhuǎn)比較靈活，維護管理方便等一系列優(yōu)點，因此，是一種有發(fā)展前途的處理方法。
2、生物膜對廢水的凈化作用
在生物接觸氧化法中，微生物主要以生物膜的狀態(tài)固著在填料上，同時又有部分絮體或碎裂生物膜懸浮于處理水中。生物接觸氧化池中的生物膜重量，比曝氣池內(nèi)懸浮活性污泥的重量大得多，一般生物膜重量為6000-14000mg/L，而氧化池中呈懸浮狀的微生物(活性污泥)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凈化作用：
最初，稀疏的細菌附著于填料表面，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(nèi)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(nèi)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(nèi)擴散，好氣菌死亡、溶化，而內(nèi)層的厭氣菌得以繁殖發(fā)展。經(jīng)過一段時間后，厭氣菌在數(shù)量上亦開始下降，加上代謝氣體的逸出，使內(nèi)層生物膜出現(xiàn)許多空隙，附著力減弱，終于大塊脫落。在生物膜脫落的填料表面上，新的生物膜又重新生長發(fā)展。實際上，新陳代謝過程在生物接觸氧化池中生物膜發(fā)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(tài)
生物接觸氧化法的固定生物膜與一般的生物膜不同。在氧化池中采用曝氣方式，不僅提供較充分的溶解氧，而且由于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(xù)地、均勻地與污水相接觸，避免生物濾池中存在的接觸不良的缺陷。
對于接觸氧化池的單池(或單格)來說，其流態(tài)是一種混合型，各點水質(zhì)比較均勻，各部分的工況基本一致，具有完全混合型的特點。
對于將氧化池分格按照推流式設(shè)置的接觸氧化池來說，則全池又具有推流式活性污泥法的特點。由于按推流式設(shè)置時，水在池子內(nèi)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污水中的有機物得到充分混合和接觸，從而使污水逐漸凈化。全池的水質(zhì)是有變化的，進水端COD值最大，以后逐漸減小，出口端最小。
4、生物相及其演化規(guī)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、后生動物組成比較穩(wěn)定的生態(tài)系。
（1）細菌類
生物相中數(shù)量最多的是細菌。它們的形態(tài)有：
?、儆坞x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污水種類不同而異，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(chǎn)堿桿菌屬等。它們多數(shù)在掛膜培菌初期出現(xiàn)，然后消失。
?、诰z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。
?、劢z狀菌
這是由低等細菌密切結(jié)合的高等細菌。絲狀菌多數(shù)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，常呈亂發(fā)狀。絲狀菌的繁殖和廢水的硝化有著密切聯(lián)系。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污泥法中的那種污泥膨脹，反而使出水水質(zhì)變好。
（2）真菌類
生物膜中的真菌主要是鐮刀霉菌、地霉菌和各類酵母菌等。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，生物相中占優(yōu)勢的原生動物以固著性的纖毛蟲為主，如鐘蟲、小口鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲、無柄鐘蟲等。有時也有游泳性纖毛蟲，如草履蟲、豆形蟲、漫游蟲等。
運行穩(wěn)定時，生物膜上的生物相也是相對穩(wěn)定的，細菌和原生動物之間存在著制約關(guān)系。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，細菌被破壞后，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，從而凈化了廢水。所以，原生動物纖毛蟲特別是鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲是生物接觸氧化系統(tǒng)運轉(zhuǎn)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(yǎng)狀況有較大變化，則原生動物中的固著性鐘蟲、等枝蟲突然消失，絲狀菌稀少，菌膠團結(jié)構(gòu)松散，而游泳性草履蟲、鐘蟲游泳體大量出現(xiàn)，出水水質(zhì)變差；反之，若原來出水水質(zhì)較差，一旦出現(xiàn)鐘蟲、等枝蟲、絲狀菌叢生，菌膠團結(jié)構(gòu)緊密，而游泳性纖毛蟲減少，則說明環(huán)境條件有了改善，出水水質(zhì)變好。
（4）后生動物
與活性污泥法不同的是，在生物接觸氧化法中的生物膜上存在著大量的后生動物如輪蟲、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(jīng)常保持活性和良好的凈化功能。當輪蟲等后生動物數(shù)量多且活躍，個體肥大，則處理后出水水質(zhì)好；反之，則處理效果差。一旦發(fā)現(xiàn)生物呆滯，個體死亡，則預(yù)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(zhì)
①PH值
環(huán)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(huán)境因素之一。
對于大多數(shù)細菌來說，雖然PH的最廣范圍為4-10，但是由于異常的PH值會損害細胞表面的滲透功能和細胞內(nèi)部的酶反應(yīng)，因此適宜的PH值范圍應(yīng)為6-8。
在污水處理中，特別是在工業(yè)廢水處理中，污水的PH值往往不能適應(yīng)微生物的生長繁殖。此時，當在培菌馴化時考慮到PH值因素，并使PH值逐漸偏于某一側(cè)，那么，即使在較高的堿性和酸性條件下，也能夠使整個經(jīng)過馴化的微生物群體具有一定的凈化能力。
運行實踐表明，生物接觸氧化法對PH值的適應(yīng)性比較強，當污水的PH值為8-9時，微生物仍然有適應(yīng)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(yīng)考慮預(yù)先的PH調(diào)整措施。
②水溫
在生物接觸氧化池中接觸停留時間較短，因此處理過程中污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(zhì)
污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(chǎn)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(yīng)在30mg/L以下。
其它有害物質(zhì)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凈化效能的主要指標。它通常用單位容積填料的污染物(BOD)負荷量來表示，即
BOD負荷=單位時間內(nèi)供給生物膜的有機物數(shù)量(BOD)÷填料總?cè)莘e
單位：Kg BOD/(m3·d)
① BOD負荷同被處理水的污染物質(zhì)有關(guān)
處理對象不同，BOD負荷亦不同。易于生物降解的污水，例如城市污水、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。
② BOD容積負荷與處理水水質(zhì)亦有密切關(guān)系
實踐表明，在一定范圍內(nèi)，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(zhì)的情況下，允許的BOD容積負荷愈高，則證明處理設(shè)備效率愈高。
③ BOD容積負荷的實際取值范圍
對于可生化性較高的有機廢水，如城市污水、食品工業(yè)廢水等，BOD容積負荷宜取1.0-3.0Kg BOD/(m3·d)；對于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(wěn)妥。
3、接觸停留時間
①接觸停留時間同處理效果有很大關(guān)系
在相同的進水水質(zhì)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(zhuǎn)化過程同微生物機體的化學過程緊密地聯(lián)系著。不論是將復(fù)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復(fù)雜的細胞物質(zhì)，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(jīng)氧化分解和細胞合成作用全部轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定物質(zhì)(有機物無機化)所需時間較長，一般為數(shù)小時乃至數(shù)十天。因此，處理效果對接觸停留時間的依賴性很大。
②接觸停留時間同所采用的處理工藝流程有關(guān)
在原水水質(zhì)和處理水質(zhì)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于一段法。
對于BOD濃度較低的城市污水，宜采用二段法工藝流程，總接觸停留時間1.0-3.0h，一氧池接觸停留時間約占總接觸停留時間的2/3，二氧池約占1/3。
對于中等濃度的工業(yè)廢水(如BOD濃度為150-300mg/L)，接觸停留時間宜采用3-6h。
對于高濃度的工業(yè)廢水(BOD濃度為500mg/L以上)，接觸停留時間宜采用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(zhì)的作用。因此載體填料是氧化池的關(guān)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(tǒng)的基建費用中又占較大比重，所以填料關(guān)系到接觸氧化技術(shù)的經(jīng)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(guān)。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。由于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。于是，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(zhì)，而且對懸浮物質(zhì)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(jīng)填料內(nèi)的水流阻力增大，能量消耗隨之增大，同時易于堵塞填料。為了防止堵塞，就要提高反沖洗強度，這樣使原生動物、后生動物受到?jīng)_刷，微生物的食物鏈變短，產(chǎn)生的剩余污泥量就大。因此，一般固定床氧化法載體填料的比表面積宜在一至數(shù)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(guān)以外，也是影響填料間水流態(tài)的重要因素，一般用雷諾數(shù)Re表示。Re小于2000為層流，大于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，增大了去除污染物質(zhì)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凈化效率。因此，從這一點考慮，則采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(jié)能觀點來看，填料間的水流阻力愈小愈好，這是一個方面。但另一方面由于填料自身具有整流作用，阻力愈大，則填料內(nèi)流速分布比較均一，因此克服氧化池內(nèi)流速偏差是有效的。
③經(jīng)濟性
影響填料成本的主要因素是材質(zhì)、填料形狀與厚度、加工工藝過程等。不言而喻，采制價格低廉、厚度小、加工工藝簡單，則成本低。
當建設(shè)資金充足時，可以考慮一次性采用性能好、使用壽命長而價格又較貴的填料；若建設(shè)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，以滿足污水處理的需要，而以后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(huán)輻射狀、盾狀、板狀、網(wǎng)狀、筒狀、不規(guī)則粒狀等；按性狀分，有：硬性、半軟性、軟性；按材質(zhì)分，有：塑料、玻璃鋼、纖維填料等。
四、供氣量和曝氣充氧設(shè)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凈化作用。微生物的氧化、合成和內(nèi)源呼吸全部需要氧。所以，除了營養(yǎng)物質(zhì)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?shù)乃缴稀?br />
?、诔浞謹嚢?，形成紊流
供氣使池內(nèi)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(zhì)效應(yīng)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，通過填料后的溶解氧應(yīng)是2-3mg/L。
關(guān)于供氣量的確定，一般有以下兩種方法：
①根據(jù)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(nèi)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(nèi)去除的BOD量(Kg/d)
P——活性生物膜數(shù)量(Kg)
a’ 、b’——系數(shù)(a’≈0.4~0.7、b’≈0.18)
所需的供氣量(Qs)取決于需氧量(R)和曝氣裝置氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa 。
②根據(jù)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(jù)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(zhì)、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：
城市污水 1：（3-5）
一般工業(yè)廢水 1：（15-20）
高濃度生產(chǎn)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，還有利于污水中有機物和微生物的代謝產(chǎn)物的擴散與傳遞。所以，在確定供氣量時還應(yīng)考慮反沖填料時須加大供氣量。一般地，反沖填料時的水氣比為：
城市污水 1：（6-8）
工業(yè)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(jīng)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(nèi)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，脫落的生物膜沉淀性能較好。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(zhuǎn)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(zhì)輕上浮。
機械曝氣大多以裝在曝氣池水面的葉輪快速轉(zhuǎn)動，進行表面充氧。生物接觸氧化法，很少采用這種曝氣方式。
（4）曝氣充氧設(shè)備
各種不同方式對氧化池的供氣是通過曝氣充氧設(shè)備來實現(xiàn)的。曝氣充氧設(shè)備的性能不僅影響污水生物處理的效果，而且關(guān)系到處理設(shè)施的投資、電耗和運行費用。目前，鼓風曝氣充氧設(shè)備常采用穿孔管、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，孔口易于堵塞。
微孔曝氣器、可變孔曝氣軟管等，氧的利用率較高。但是，由于它是采用塑料(或橡膠)制成，很容易老化，使用壽命較低。