《生物处理技术》课件

生物处理技术生物处理技术是环境工程领域的核心技术之一，它巧妙地利用微生物的自然代谢能力来降解各种有机污染物这项技术以其能耗低、成本低、环境友好的特点，成为现代污水处理和环境修复的主流方法课程大纲1生物处理技术基本原理2微生物学基础掌握微生物代谢机制与污染物降解的基础理论深入了解参与生物处理的各类微生物及其特性3活性污泥法与生物膜法新兴技术与实际应用学习两大主流生物处理工艺的原理与应用第一章生物处理技术概述定义与范围重要地位发展趋势生物处理技术利用微生物的代谢作用处在环境工程中占据核心地位，是实现污从传统工艺向高效节能、智能化方向发理各类环境污染物，包括废水、废气和染控制与资源回收的重要技术手段，对展，结合新材料和新技术不断优化处理固体废物的生物转化处理环境保护具有重大意义效果生物处理技术的定义核心原理广义范畴利用微生物的代谢作用将有害污包含废水生物处理、废气生物净染物转化为无害或低害的物质，化、固体废物生物处理等多个应实现污染物的生物降解和转化用领域的综合技术体系狭义概念主要指废水生物处理技术，通过微生物群体的协同作用去除水中的有机污染物和营养物质生物处理技术的分类按氧气需求按微生物固定方式按处理对象分为好氧处理、厌氧处包括悬浮生长系统和附涵盖废水处理、废气净理和兼性处理三种基本着生长系统，前者如活化和固体废物处理，每类型，各自适用于不同性污泥法，后者如生物种处理对象都有相应的的污染物处理需求膜法专门技术按工艺特点分为常规工艺和新型工艺，新型工艺更注重效率提升和资源回收利用生物处理技术的发展历史世纪末期世纪末期1920早期活性污泥法开始出现，标志着现代生物处理技术的膜生物反应器技术兴起，将生物处理与膜分离技术相结起步，为后续技术发展奠定了基础合，显著提高了处理效率和出水质量1234世纪中期世纪初期2021厌氧消化技术逐步发展成熟，在高浓度有机废水处理和生物强化技术和合成生物学开始应用，为难降解污染物污泥稳定化方面发挥重要作用处理和资源化利用开辟新途径生物处理的优势与局限性技术优势运行成本低、能耗少、二次污染少，能够实现污染物的彻底矿化，具有良好的环境兼容性和可持续性技术局限对环境条件敏感，启动周期较长，处理效率受温度、等因素显著影响，系统稳定性需要精心维护pH环境敏感性微生物活性受温度变化影响明显，低温条件下处理效率下降，需要采取保温或加热措施维持系统运行处理范围限制对于某些难降解有机物和有毒物质的处理效果有限，需要与物化处理技术联合使用以达到更好效果第二章微生物学基础微生物分类生长动力学12包括细菌、真菌、原生动物等多种类型描述微生物增殖规律的数学模型生态系统环境因素微生物群落结构与功能关系温度、、营养等对微生物的影响pH43微生物的分类与功能细菌群体作为主要的降解者，细菌在生物处理系统中数量最多，负责大部分有机物的分解转化工作，包括碳源去除和硝化反硝化过程真菌作用真菌具有强大的胞外酶系统，能够有效降解纤维素、木质素等复杂有机物，在处理含有难降解物质的废水中发挥重要作用原生动物通过捕食游离细菌和有机颗粒，原生动物有助于澄清出水，减少悬浮固体含量，是生物处理系统水质改善的重要指标藻类贡献在有光照的处理系统中，藻类通过光合作用产生氧气，为好氧微生物提供所需的溶解氧，同时吸收营养物质减少富营养化微生物生长曲线滞缓期微生物适应新环境的准备阶段对数增长期微生物快速繁殖的最佳状态稳定期生长与死亡达到动态平衡衰退期死亡率超过生长率的下降阶段方程准确描述了微生物比增长速率与基质浓度的关系，为生物处理系统的设计和运行提供了重要的理论依据Monodμ=μmax·S/Ks+S这个方程揭示了在低基质浓度下增长速率与基质浓度成正比的规律影响微生物生长的环境因素微生物种群动态与群落结构功能多样性种间关系不同微生物种群承担特定功能，形成复微生物之间存在竞争、合作、共生等复杂的代谢网络，提供系统稳定性和处理杂关系，这些相互作用决定了群落结构效率的保障的演替方向群落稳定优势种群通过种群间的相互制衡和环境适应，建在特定环境条件下形成的优势微生物种立稳定的微生物群落结构，确保长期有群，往往决定了整个系统的处理性能和效运行稳定性第三章活性污泥法基本原理利用悬浮微生物群体的代谢作用微生物组成多样化的微生物群落结构运行参数关键控制指标与操作条件问题解决常见故障诊断与处理方案活性污泥法基本原理3-

60.2-

0.5范围比值SRT F/M污泥龄控制在天，平衡微生物增殖与食微比控制，确保充足的食物供应和良好3-6系统稳定性的处理效果2-4浓度DO溶解氧维持在，保证好氧微生2-4mg/L物正常代谢活性污泥法通过悬浮微生物吸附、氧化有机物，微生物在充足氧气条件下增殖并形成絮状活性污泥通过污泥的重力沉降实现固液分离，回流部分污泥维持系统中足够的微生物浓度，确保处理效果的稳定性活性污泥工艺流程预处理单元格栅拦截大颗粒物质，初沉池去除悬浮固体生物反应曝气池内微生物降解有机污染物固液分离二沉池实现污泥与处理水的分离污泥系统污泥回流与剩余污泥排放控制活性污泥微生物组成活性污泥是一个复杂的微生物生态系统，主要细菌包括假单胞菌属、硝化细菌等功能菌群丝状菌如诺卡氏菌虽然有助于絮体形成，但过量生长会导致污泥膨胀原生动物和后生动物作为高级消费者，通过捕食游离细菌改善出水水质活性污泥系统运行参数活性污泥法变型工艺传统活性污泥法氧化沟工艺工艺工艺A²/O SBR最基础的工艺形式，采用推流采用环形反应池设计，实现长结合厌氧、缺氧、好氧三个阶序批式活性污泥法，在同一反式曝气池，适用于有机物浓度时间曝气，具有良好的抗冲击段，能够同时实现有机物去应器内完成进水、反应、沉相对稳定的城市污水处理负荷能力和脱氮效果除、脱氮和除磷的综合处理目淀、排水等工序，适合小规模标处理活性污泥系统常见问题问题类型主要原因影响后果识别特征污泥膨胀丝状菌过度生沉降性能差SVI150mL长/g污泥上浮反硝化释放₂出水升高污泥漂浮N SS针刺虫危害捕食活性污泥下降镜检可见MLSS泡沫问题表面活性剂积美观和运行影持久性泡沫累响这些问题往往相互关联，需要通过系统性的诊断和调整来解决及时的监测和预防措施比问题发生后的治理更为经济有效活性污泥系统问题解决方案参数调节策略环境条件控制通过调整比至，控维持在范围内，温F/M

0.2-

0.3pH

6.5-

8.5制浓度在，优化度控制在℃，确保微生DO2-3mg/L15-35营养比例为，建物群落的正常代谢和增殖活动C:N:P100:5:1立稳定的运行环境化学辅助处理适量添加或等絮凝剂改善污泥沉降性能，必要时投加消毒剂控PAC PAM制病原微生物的繁殖第四章生物膜法生物膜形成微生物在载体表面的附着、增殖和膜结构建立过程工艺分类生物滤池、生物转盘、接触氧化等不同工艺类型运行管理系统启动、稳定运行和优化控制的关键技术生物膜形成机理初始附着微生物通过范德华力、静电作用等物理化学力在载体表面进行可逆性附着，这是生物膜形成的第一步不可逆附着微生物分泌胞外聚合物质（）加强与载体的结合，形成不可逆的稳定附着，开始微殖群的建立EPS膜层发育微生物继续增殖并分泌更多，形成具有三维结构的成熟生物膜，内部形成微环境梯度EPS脱落更新成熟生物膜的外层部分脱落，为新的微生物附着提供空间，形成动态平衡的更新机制生物膜内物质传递特性生物滤池工艺传统生物滤池高负荷生物滤池生物曝气滤池采用碎石或陶粒作为填料，具有良好的使用塑料蜂窝填料，比表面积大，空隙结合生物处理和过滤功能，采用陶粒或生物膜附着表面水力负荷通常为率高水力负荷可达火山岩滤料具有良好的脱氮除磷效果1-10-，适用于中等浓度的城市污，处理效率高且占地面积和去除能力4m³/m².d40m³/m².d SS水处理小•比表面积•滤料粒径150-300m²/m³2-6mm填料粒径•20-60mm空隙率大于气水比•90%•1-3:1•滤池高度

1.5-

3.0m回流比出水•50-200%•SS10mg/L去除率•BOD60-85%生物转盘工艺转盘结构旋转圆盘作为生物膜载体膜厚控制生物膜厚度维持在2-4mm有机负荷负荷范围5-30gBOD/m².d运行特点能耗低、抗冲击负荷能力强生物转盘通过慢速旋转使生物膜交替接触废水和空气，实现充氧和生物降解的有机结合转速通常为，的盘面浸没在废水中1-3r/min40%生物接触氧化工艺填料特性池体构造供氧系统软性填料、半软性接触氧化池分为多采用微孔曝气器或填料和硬性填料各格，每格独立曝气射流曝气，气水比有优势，比表面积控制，可实现不同控制在，10-15:1通常为的溶解氧浓度，满确保充分的氧气传100-，为足不同微生物的需递效率300m²/m³微生物提供充足的求附着表面应用领域广泛应用于城市污水处理，特别适合中小型污水处理厂，运行管理简便，处理效果稳定移动床生物膜反应器MBBR技术融合载体设计巧妙结合悬浮载体与活性污泥的双重优悬浮载体密度接近水，填充率控制在势，实现高效的生物处理性能和系统稳，为微生物提供保护性的生长30-70%定性环境抗冲击性传质优化对高负荷和毒性冲击具有优异的缓冲能载体的流动性增强了氧气传递效率，曝力，维持系统的长期稳定运行气系统设计更加灵活，能耗相对较低生物膜法系统培养与驯化初始接种选择合适的菌种来源，通常使用城市污水处理厂的活性污泥作为接种物，确保微生物群落的多样性和活性负荷调节从低负荷开始，逐步提高有机负荷至设计值，让微生物群落逐步适应目标废水的水质特征和运行条件群落建立通过环境选择压力，筛选出适应性强的微生物种群，建立稳定的功能微生物群落结构系统稳定经过周的驯化期，系统达到稳定运行状态，处理效率趋于2-4稳定，生物膜厚度适中生物膜法运行管理7-14反冲周期天数，根据水头损失和处理效果确定反冲洗频率2-4膜厚范围毫米，最适生物膜厚度确保传质效率85-95去除效率百分比，稳定运行时的去除率BOD15-25气水比体积比，保证充足的氧气供应运行管理的关键在于防止填料堵塞，控制生物膜的适度脱落，优化氧气供应系统，以及根据水质变化调节负荷定期监测出水水质和膜厚变化，及时调整运行参数第五章厌氧生物处理厌氧微生物代谢途径水解阶段复杂的大分子有机物如蛋白质、多糖、脂类在胞外水解酶作用下分解为氨基酸、单糖、脂肪酸等可溶性小分子物质酸化阶段可溶性有机物被酸化细菌转化为各种有机酸，主要包括乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸，以及醇类和其他中间产物乙酸生成阶段产乙酸菌将丙酸、丁酸等有机酸进一步转化为乙酸、氢气和二氧化碳，为甲烷生成提供直接基质甲烷生成阶段甲烷菌利用乙酸或氢气二氧化碳作为基质，在严格厌氧条件下产生甲/烷和二氧化碳，完成有机物的最终转化厌氧微生物群落厌氧消化系统中的微生物群落高度专业化，各类微生物在营养链中占据特定位置水解细菌负责大分子分解，发酵细菌产生有机酸，产乙酸菌维持酸碱平衡，甲烷菌完成最终转化这种精细的分工协作确保了系统的高效稳定运行影响厌氧消化的因素温度控制值管理毒性物质pH中温消化°适合大多数应用，最适范围，过低会抑制甲氨氮超过会抑制甲烷菌，35C pH

6.8-

7.23000mg/L高温消化°处理速度快但能耗烷菌，过高会影响酸化过程通过碱硫化物浓度超过有毒，重55C200mg/L高温度波动不应超过±°，否则度控制维持稳定，碱度应为的金属离子需要严格控制，必要时需要2C pHCOD会严重影响甲烷菌活性倍预处理去除

0.3-

0.5厌氧反应器类型I完全混合式消化池厌氧接触法厌氧滤池上流式厌氧污泥床是最传统的厌氧反应在基础上增加沉淀池和采用固定填料作为微生物载利用颗粒污泥的优异沉CSTR CSTRUASB器，物料完全混合，适用于高污泥回流系统，提高了微生物体，形成厌氧生物膜，具有较降性能，在反应器内形成高浓固体含量的废物处理，如污泥浓度和处理效率，适用于中等高的微生物浓度和良好的抗冲度的污泥床，是目前应用最广消化和畜禽粪便处理浓度的工业废水击负荷能力泛的高效厌氧反应器厌氧反应器类型II膨胀颗粒污泥床在基础上增加出水回流，提高上升流速，使颗粒污泥床EGSB UASB处于膨胀状态，传质效果更好厌氧膜生物反应器结合厌氧生物处理与膜分离技术，实现完全的固液分离，出AnMBR水水质优异，污泥产量极少内循环反应器反应器具有两级结构，内部循环强化传质，处理负荷高，抗IC UASB冲击能力强，适用于高浓度废水厌氧移动床结合悬浮载体与厌氧污泥的优势，载体为微生物提供保护，系统启动快，运行稳定性好厌氧处理应用领域高浓度有机废水污泥稳定化的工业废水处理城市污水处理厂污泥减量COD2000mg/L•食品加工废水有机物分解••制药工业废水•体积减少50-70%•酒精生产废水•病原菌灭活组合工艺应用沼气能源回收与好氧工艺联合使用生物质能源化利用•厌氧好氧组合•甲烷含量-55-70%成本降低•热值•30-50%22-26MJ/m³•综合处理效果好•发电或供热第六章生物强化技术基本概念通过人工手段强化微生物降解能力生物增强添加特定功能微生物或酶制剂生物刺激优化环境条件促进微生物活性应用效果提高处理效率和降解难降解物质生物强化基本概念2-530-7020-40效率提升倍数难降解物去除率处理时间缩短相比常规处理工艺的处理效率提升范围对传统工艺难以处理的污染物的去除效果相比常规工艺所能节省的处理时间百分比生物强化技术通过人为干预手段，提高微生物对目标污染物的降解能力其核心目的是突破传统生物处理技术的局限性，特别是在处理难降解有机物、重金属污染和复合污染方面发挥重要作用该技术在工业废水处理和污染场地修复中展现出巨大潜力生物增强技术基因工程菌定向改造微生物代谢途径1特效菌株筛选高效降解功能菌固定化技术提高微生物稳定性和活性共代谢作用多种微生物协同降解机制生物增强通过外源添加具有特定降解能力的微生物来提升系统性能关键在于选择合适的功能菌株，确保其在目标环境中的存活和增殖能力，以及与原有微生物群落的兼容性生物刺激技术营养调节表面活性剂电子传递体优化比例至增加疏水性污染物添加醌类化合物或C:N:P，添加微的生物利用度，降金属离子作为电子100:5:1量元素如铁、钴、低表面张力，促进传递介质，加速微镍等，为微生物提污染物向水相转生物呼吸链反应，供充足的营养支移，提高微生物接提高能量转换效率持，促进细胞生长触和降解效率和代谢速率和酶活性载体材料提供微生物附着表面，增加生物量密度，创造有利的微环境条件，保护微生物免受环境冲击影响生物强化应用案例难降解有机物处理重金属污染修复石油污染土壤修复针对含有氯代有机物、多环芳烃、农药利用具有金属抗性和富集能力的微生应用石油降解菌群强化受污染土壤的自等难降解物质的工业废水，通过添加专物，通过生物吸附、沉淀、转化等机制然衰减过程，结合营养调节和表面活性性降解菌株显著提高处理效果去除或固定重金属离子剂提高修复效率•氯酚降解菌处理氯代酚类•硫酸盐还原菌沉淀重金属•假单胞菌降解轻质油类•多环芳烃降解菌处理•铁氧化菌处理酸性矿井水•分枝杆菌处理重质油污染PAHs•硝基化合物还原菌处理炸药废水•磷酸盐沉淀菌固定重金属•混合菌群协同作用机制。