《生物法污水处理》课件

生物法污水处理本课程是高等学校环境工程专业的核心课程，系统介绍以微生物为核心的水污染治理技术通过理论与实践相结合的方式，全面阐述生物法在污水处理中的基本原理、工艺流程和应用案例课程内容涵盖微生物基础知识、各种生物处理工艺原理、运行参数控制、故障诊断与解决方案等多个方面，旨在培养学生掌握现代污水生物处理技术的核心能力和创新思维课程引言污水排放现状生物法核心地位随着工业化和城市化进程的加速，我国污水排放量持续增长，水在众多污水处理技术中，生物法因其处理效率高、运行成本低和环境承受巨大压力据环保部门统计，全国每年产生污水超过环境友好等特点，已成为现代污水处理的主导技术超过85%700亿吨，其中工业废水和生活污水分别占比约40%和60%的城市污水处理厂采用生物法作为核心工艺生物法污水处理技术不断创新发展，从传统活性污泥法到新型未经处理的污水直接排放不仅造成水体富营养化，还会导致水生MBR膜生物反应器，为我国水环境保护提供了强有力的技术支态系统崩溃，严重威胁人类健康和生态环境安全撑水资源与水污染现状全球淡水资源现状中国水资源特点污染排放危害地球表面虽有71%被水覆盖，但淡水我国水资源总量为

2.8万亿立方米，居未经处理的污水直接排放导致水体富仅占

2.5%，且大部分以冰川形式存世界第六位，但人均水资源量仅为世营养化、黑臭水体形成、地下水污染在，可直接利用的淡水不足1%随着界平均水平的四分之一，且时空分布等一系列生态问题同时，水污染还人口增长和工业发展，全球淡水资源不均北方占国土面积的

63.5%，水通过食物链累积，最终危害人体健日益紧张，超过20亿人面临用水短缺资源仅占全国的

19.1%，水资源短缺康，造成经济损失和社会问题问题问题尤为突出污水类型与来源城镇生活污水主要来源于居民日常生活和公共服务设施，包括厨房、卫生间、洗衣等排放的废水特点是有机物含量高，BOD/COD比值较高（约

0.5），氮磷含量相对稳定，水量和水质波动较小工业废水来源于各类工业生产过程，如纺织、造纸、食品加工、石化等行业特点是污染物种类复杂，常含有难降解物质、重金属和有毒有害物质，水质变化大，有些具有高温、高色度、高盐度等特征农业径流主要是农田灌溉回流水和畜禽养殖废水特点是面源污染，季节性强，常含有大量氮磷营养物质和农药残留，畜禽养殖废水则有机物和氨氮浓度极高废水中的主要污染物有机物（）COD/BOD包括碳水化合物、蛋白质、脂肪、表面活性剂等，是污水中最主要的污染物微生物降解有机物消耗水中溶解氧，导致水体缺氧、黑臭，破坏水生态系统通常用COD和BOD指标来衡量有机物含量氮、磷等营养盐主要来源于生活污水和农业径流，是造成水体富营养化的关键因素过量的氮磷会刺激藻类过度繁殖，形成水华，导致水体溶解氧降低，鱼类死亡，水质恶化氨氮还具有一定毒性，对水生生物有害悬浮物和重金属悬浮物降低水体透明度，影响光合作用，沉积后形成污泥床重金属（如铅、汞、铬等）难以降解，通过食物链富集，对生物和人体具有长期毒性和致癌性，是工业废水处理的难点常用污水水质指标指标名称单位生活污水典型排放标准指标意义值化学需氧量mg/L300-50050表示水中还原（COD）性物质含量生化需氧量mg/L150-30010表示可被微生（BOD）物降解的有机物悬浮物（SS）mg/L150-30010表示水中不溶性颗粒物总氮（TN）mg/L40-6015表示水中各种形态氮的总和总磷（TP）mg/L6-

100.5表示水中各种形态磷的总和水质指标超标常见原因包括污水处理设施不完善、工业废水偷排、雨季冲刷和污水处理工艺运行不稳定等指标之间存在相互关系，如BOD/COD比值可反映废水的可生化性，对选择处理工艺有重要指导意义污水处理总流程深度处理阶段二级处理阶段主要采用物理化学法和高级生物法，针对二预处理阶段主要采用生物法，是污水处理的核心环节级处理后仍未达标的指标进行深度处理常主要采用物理法，包括格栅去除大颗粒杂利用微生物的新陈代谢作用，去除溶解性有见工艺有混凝沉淀、过滤、消毒、高级氧化物、沉砂池去除砂粒、初沉池去除可沉降悬机物和部分氮磷等营养物质常见工艺包括等，可进一步去除悬浮物、难降解有机物、浮物此阶段可去除30-40%的悬浮物和20-活性污泥法、生物膜法等，可去除80-90%的病原体和特定污染物30%的BOD，为后续处理创造良好条件有机物生物法污水处理定义核心定义处理原理生物法污水处理是利用微生物在适宜的环境条件下，微生物群落的新陈代谢活动，将污水通过吸附、分解、转化等作中的有机污染物转化为简单无用，以污水中的有机物为碳源机物（如CO₂、H₂O等）或微和能源，进行生长繁殖，最终生物细胞物质的过程，同时通实现污染物的降解和转化这过特定微生物的作用实现氮、一过程模拟了自然界中的物质磷等营养物质的去除循环和自净作用，但在人为控制的条件下大大提高了效率微生物中心作用微生物是生物法污水处理的核心执行者，包括细菌、真菌、原生动物等多种类型不同微生物在污水处理过程中扮演不同角色，形成复杂的食物链和生态系统，共同完成污染物的转化和去除生物法优势与局限生物法优势生物法局限•能耗低与化学法相比，能源消耗较低，运行成本经济•启动周期长需要培养足够的微生物量，启动期通常需要2-4周•出水稳定处理效果稳定，有机物去除率高达90%以上•对环境敏感温度、pH、有毒物质等因素会影响微生物活性•二次污染少不添加或少添加化学药剂，减少二次污染•适应性强通过驯化，微生物可适应不同类型废水•难降解物质处理效果差对某些合成有机物降解能力有限•自动调节微生物群落具有一定的自我调节能力•产生剩余污泥需要进一步处理剩余污泥，增加处理成本•占地面积大传统生物法工艺需要较大的反应池容积微生物的主要类型细菌真菌单细胞原核生物，是活性污泥中最主要在pH值较低的环境中具有优势，能降解的微生物，约占微生物总量的95%主某些细菌难以分解的复杂有机物在处要负责有机物降解和硝化反硝化过程理某些特殊工业废水（如纺织、造纸废典型种类包括假单胞菌、硝化菌、反硝水）时发挥重要作用化菌和聚磷菌等轮虫和线虫原生动物多细胞生物，位于污水处理微生态系统单细胞真核生物，在活性污泥中主要以食物链的顶端它们的存在表明系统运鞭毛虫、纤毛虫和肉足虫为主通过捕行良好，污泥龄较长主要作用是消化食细菌澄清出水，是污泥状态的重要指细菌和有机颗粒，减少剩余污泥量示生物微生物代谢分类好氧微生物需氧气参与代谢，降解效率高兼氧微生物能在有氧和无氧条件下生存厌氧微生物在无氧环境中进行代谢活动好氧微生物利用分子氧作为电子受体，将有机物完全氧化为二氧化碳和水，释放能量效率高，生长速度快，是传统活性污泥法的主要微生物类群代表菌种包括假单胞菌、硝化菌等兼氧微生物具有代谢灵活性，能在有氧和缺氧条件下生存，对环境适应性强许多反硝化菌属于这类微生物，可以利用硝酸盐代替氧气作为电子受体在A/O等工艺中发挥重要作用厌氧微生物在无氧环境中生长，通过发酵或厌氧呼吸获取能量主要包括产酸菌、产甲烷菌等，在UASB等厌氧处理工艺中起核心作用能量转化效率较低，但产泥量少微生物净化机理吸附过程微生物表面吸附溶解性物质酶解过程细胞外酶分解大分子物质代谢过程转化有机物为CO₂和H₂O合成过程形成新细胞物质和胞外聚合物氮的去除通常通过硝化-反硝化过程完成硝化过程由硝化菌（亚硝酸菌和硝酸菌）在好氧条件下将氨氮氧化为硝酸盐；反硝化过程则由反硝化菌在缺氧条件下将硝酸盐还原为氮气释放到大气中磷的去除主要依靠聚磷菌的过量摄取机制在厌氧条件下，聚磷菌释放体内储存的磷并摄取有机物；在好氧条件下，它们氧化有机物获取能量并过量摄取环境中的磷通过排放富含磷的剩余污泥实现磷的最终去除生物法主要工艺分类1活性污泥法利用悬浮生长的活性污泥微生物群落降解污染物，包括传统活性污泥法及其变型工艺（如A/O、A²/O、氧化沟等）特点是适应性强，处理效果稳定，但污泥回流系统复杂，能耗相对较高2生物膜法利用附着生长在固体载体上的微生物膜降解污染物，包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法等特点是抗冲击负荷能力强，不需污泥回流，但易出现堵塞，控制难度大3序批式活性污泥法（）SBR在同一反应器中按时间顺序完成进水、反应、沉淀、排水等过程的间歇式工艺特点是工艺灵活，占地面积小，但自动化要求高，不能连续进水4厌氧生物处理法在无氧条件下，利用厌氧微生物将有机物转化为甲烷和二氧化碳的处理方法包括UASB、厌氧滤池等工艺，适用于高浓度有机废水处理，能耗低但启动周期长活性污泥法基本原理进水与曝气生物絮体形成固液分离废水进入曝气池，通过曝气装置提供氧在适宜条件下，微生物分泌胞外聚合物，混合液进入二沉池进行固液分离，澄清出气，微生物在有氧条件下氧化分解有机形成微生物絮体（活性污泥），内部形成水排放，沉淀的活性污泥部分回流至曝气物，形成絮状污泥曝气同时提供混合动氧浓度梯度，外层好氧区主要降解有机池维持足够的微生物浓度，剩余部分排出力，确保污水与微生物充分接触物，内层缺氧区可进行反硝化作用系统作为剩余污泥处理活性污泥系统主要参数混合液悬浮固体污泥龄氧气需求量MLSS SRT表示曝气池中活性污泥的浓表示活性污泥在系统中的平均微生物降解有机物所需的氧气度，通常控制在2000-停留时间，常用值为5-15天量，理论上每去除1kg BOD需4000mg/L范围内MLSS过污泥龄短，系统处理负荷高但要约1kg氧气实际运行中，低会导致处理效率下降，过高效率较低；污泥龄长，处理效溶解氧DO通常控制在2-则增加曝气能耗和二沉池负果好但产生的剩余污泥少，易4mg/L，过高会增加能耗，过荷出现污泥老化低会抑制微生物活性曝气强度表示单位时间内每立方米池容积所提供的空气量，一般为10-20m³/m³·h足够的曝气强度确保有机物充分降解和污泥絮体悬浮状态，但过高会增加能耗活性污泥动力学活性污泥法优缺点活性污泥法优点活性污泥法缺点•处理效果稳定可靠，出水水质好，BOD去除率可达90-95%•产生剩余污泥量大，需要专门的污泥处理系统•适应性强，通过工艺调整可处理多种类型废水•能耗较高，尤其是曝气系统的电力消耗•工艺成熟，运行经验丰富，维护简便•占地面积大，基建投资较高•具有一定的抗冲击负荷能力，系统恢复性好•对有毒物质敏感，易受冲击负荷影响•可通过工艺变型实现脱氮除磷等深度处理•容易出现污泥膨胀、泡沫等运行问题•管理要求高，需要专业人员操作维护曝气池的类型插流式曝气池推流式曝气池又称完全混合式曝气池，废水和回流污废水和回流污泥从一端进入，沿长方向泥在入口处迅速混合，整个池内污染物流动至另一端，形成明显的浓度梯度浓度基本均匀特点是抗冲击负荷能力特点是有机物去除率高，污泥沉降性能强，但有机物去除率相对较低，易出现好，但抗冲击负荷能力较弱适用于水短流现象适用于水质水量波动较大的质水量较稳定的情况情况•水力停留时间6-10小时•水力停留时间4-8小时•容积负荷

0.5-

1.0kg BOD/m³·d•容积负荷

0.8-

1.5kg BOD/m³·d氧化沟呈环形或椭圆形的沟渠，通过机械曝气设备推动水流循环流动兼具推流式和完全混合式特点，形成好氧、缺氧和厌氧区交替，有利于脱氮除磷特点是工艺稳定，抗冲击负荷能力强•水力停留时间8-12小时•容积负荷

0.3-

0.6kg BOD/m³·d曝气系统设计要点动力消耗曝气效率曝气系统是污水处理厂最大的用电单表示单位能耗下传质到水中的氧量，是元，占总能耗的50-70%合理设计曝1衡量曝气系统经济性的关键指标一般气系统可显著降低运行成本一般按每鼓风曝气的标准氧利用率为15-25%，去除1kg BOD需要

0.8-

1.2kWh电力计机械曝气为

1.5-

2.0kgO₂/kWh算维护便捷性气泡分布曝气设备需要定期维护，包括清洗、更均匀的气泡分布确保整个反应池内有足换膜片等良好的设计应考虑维护的便够的混合强度和氧气供应微孔曝气产捷性，如采用可提升式曝气器、模块化生的小气泡比大气泡具有更大的比表面设计等，减少维护停机时间积，氧传质效率更高活性污泥法变型工艺1工艺A/OAnoxic/Oxic工艺，由前置缺氧区和后续好氧区组成，主要用于脱氮硝化液内循环将好氧区产生的硝酸盐回流至缺氧区进行反硝化，典型内循环比为100-200%总氮去除率可达70-80%2工艺A²/OAnaerobic/Anoxic/Oxic工艺，在A/O基础上前增加厌氧区，用于同时脱氮除磷厌氧条件促使聚磷菌释放磷酸盐并摄取有机物，随后在好氧区过量摄取磷总氮去除率可达70-80%，总磷去除率可达85-95%工艺UCTUniversity ofCape Town工艺，改进的A²/O工艺，设置两个回流系统活性污泥从二沉池回流至缺氧区而非厌氧区，混合液从缺氧区回流至厌氧区这种设计可避免硝酸盐进入厌氧区，提高生物除磷效率4工艺Bardenpho四段式工艺，由缺氧-好氧-缺氧-好氧四个区域串联组成第一缺氧区用于反硝化，第二缺氧区用于进一步脱氮，最后的好氧区用于除去残余氨氮和释放氮气总氮去除率可达90%以上氧化沟工艺结构特点氧化沟是一种改进的活性污泥法，采用环形或椭圆形封闭式沟渠作为生物反应器沟内设置推进装置（如转刷、转盘或水下推进器）使混合液沿水平方向循环流动，形成水流流速为

0.3-

0.6m/s的环流曝气方式常用的曝气设备包括表面曝气器（如立式转刷、水平转刷）和深水曝气器（如射流曝气器、鼓风曝气器）曝气器既提供氧气又产生推动力，使混合液沿沟渠循环流动，确保污水与活性污泥充分接触工艺优势由于水流循环路径长，水力停留时间通常为15-30小时，形成低负荷长时间曝气的工艺特点沟内形成好氧、缺氧甚至厌氧区交替分布，有利于同时实现有机物降解、硝化反硝化和部分生物除磷应用范围氧化沟适用于中小型城镇污水处理，处理规模一般为

0.5-10万吨/日由于其抗冲击负荷能力强、运行稳定、管理简便，在我国县级及以下城镇污水处理中应用广泛氧化沟出水水质好，BOD去除率可达95%以上，总氮去除率可达70-80%序批式活性污泥法SBR进水阶段污水进入反应池，与上一周期留下的活性污泥混合进水比例通常为30-70%，进水时间为总周期的15-35%反应阶段开启曝气设备，微生物在有氧条件下降解有机物可根据需要设置好氧/缺氧交替运行，实现脱氮除磷反应时间为总周期的35-50%沉淀阶段停止曝气和搅拌，活性污泥在静止条件下沉降沉淀时间通常为总周期的15-25%，确保固液分离效果排水阶段通过静态排水装置排出上清液排水量等于进水量，排水深度控制在水面下

0.5-

1.5米，以避免排出活性污泥排水时间为总周期的5-15%闲置阶段完成一个周期后的等待时间，可用于排放剩余污泥或作为调节余地闲置时间为总周期的0-10%生物膜法原理总览生物膜形成机理工艺特点与分类生物膜是附着在固体载体表面的微生物群落及其分泌的胞外聚合与活性污泥法相比，生物膜法具有生物量高、抗冲击负荷能力物所形成的复杂生物结构生物膜形成经历四个阶段初始粘强、不需污泥回流、占地面积小等优点，但控制难度大，易出现附、不可逆粘附、生长成熟和脱落更新堵塞生物膜内部存在明显的微环境梯度，外层为好氧区，中间为缺氧根据载体形式和污水流动方式，生物膜法主要分为区，内层可能形成厌氧区这种分层结构使得生物膜能同时进行•滴滤池污水从上往下流经填料，空气从下往上流动有机物降解、硝化、反硝化等多种生化反应•生物滤池污水和空气同向流动通过填料层•生物转盘转动的圆盘交替浸入污水和空气中•生物接触氧化法填料固定在池中，污水和空气流经填料•移动床生物膜反应器填料在水中自由移动生物滤池结构与组成生物滤池是最早应用的生物膜工艺，主要由配水系统、滤料层、承托层、排水系统和通风系统组成传统生物滤池使用卵石或碎石作为填料，现代生物滤池多采用塑料填料、陶粒或活性炭等材料提高比表面积工作原理污水自上而下流经填料层，填料表面生长的生物膜吸附和降解污水中的有机物滤池底部和侧壁设有通风口，利用自然通风或机械通风提供氧气随着生物膜厚度增加，底层微生物因缺氧而死亡脱落，形成生物膜的自我更新性能与应用生物滤池负荷率通常为

0.2-

0.4kg BOD/m³·d，水力负荷为1-4m³/m²·d低负荷生物滤池能同时实现碳氧化和硝化，BOD去除率可达85-95%生物滤池运行稳定，抗冲击负荷能力强，但占地面积大，对温度敏感，冬季效率降低主要应用于中小型污水处理厂和一些特殊工业废水的处理滴滤池工艺流程配水系统配水系统通常采用旋转喷臂，由中心管向四周均匀分配污水喷臂靠水力或电力驱动旋转，确保污水均匀分布在整个滴滤池表面配水均匀性直接影响处理效果，一般要求变异系数小于

0.1填料层现代滴滤池多采用塑料填料，比表面积可达100-200m²/m³，远高于传统石料填料的40-60m²/m³填料形状多样，如格栅式、蜂窝式等，设计为大孔隙率结构以避免堵塞填料层高度一般为

1.5-3米，高负荷滴滤池可达到5-6米生物膜控制滴滤池生物膜厚度控制在1-3mm为宜过厚的生物膜会导致内部缺氧、填料堵塞和水流短路通过调整水力负荷、定期冲洗或加入捕食生物如蠕虫等可控制生物膜厚度夏季高温时生物膜生长快，需增加水力冲刷；冬季低温时生物膜生长慢，应减少冲刷强度生物转盘工艺结构组成运行原理生物转盘由一系列圆盘（直径2-4米）安装转盘以1-2转/分钟的速度缓慢旋转，当浸在水平轴上，盘片部分浸没在污水中（40-没在污水中的部分转出水面时，生物膜与45%）盘片材料多为聚乙烯、聚苯乙烯空气接触获得氧气；当露出水面的部分重等轻质塑料，表面设有凹凸结构增加比表新浸入污水时，生物膜吸附和降解有机面积转盘通常分为3-4个串联的隔室，每物这种交替过程持续进行，实现污染物个隔室的生物膜特性不同的生物降解工艺优势生物膜特性生物转盘能耗低（

0.2-

0.3kWh/kg生物转盘的生物膜厚度通常为1-4mm，各4BOD），抗冲击负荷能力强，操作简单，隔室生物膜组成不同第一隔室以异养菌适用于中小规模污水处理（1000-10000吨3为主，负责降解有机物；后续隔室逐渐以/日）BOD去除率可达85-95%，如设置自养菌为主，进行硝化作用生物膜定期足够的级数还能实现良好的硝化效果但脱落并随出水排出，需要二沉池进行固液受温度影响大，冬季需要保温措施分离生物流化床和悬浮载体生物流化床生物流化床利用上升液流或气液混合流使附着生物膜的小颗粒载体（直径

0.2-3mm）呈悬浮流化状态载体材料通常为砂粒、活性炭、轻质陶粒等流化状态大大增加了生物膜与污水的接触面积，提高了传质效率生物流化床具有生物量高（10-40kg/m³）、反应速率快、占地面积小等优点，特别适用于高浓度工业废水处理，如石化、食品加工废水等但能耗较高，控制难度大移动床生物膜反应器MBBRMBBR采用自由移动的塑料载体（填充率通常为30-60%）作为生物膜生长介质载体被设计成比重略小于水且具有大内表面积（300-500m²/m³）的结构通过曝气或机械搅拌使载体在反应器内循环移动MBBR结合了活性污泥法和生物膜法的优点，无需污泥回流，抗冲击负荷能力强，可在现有活性污泥池中改造实施主要应用于市政污水处理的升级改造和特种工业废水处理，如造纸、制药废水等一体化悬浮填料生物反应器一体化悬浮填料生物反应器在同一反应池中同时存在悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜软性填料（如纤维束、海绵等）悬浮在反应池中，提供了生物膜附着的场所这种双模式生长方式提高了单位体积的生物量，改善了系统的脱氮除磷效果，同时提高了系统的抗冲击能力适用于需要提高处理能力但空间有限的污水处理厂改造生物除磷基本机理厌氧阶段在厌氧条件下，聚磷菌（如鞘磷菌属、假单胞菌属）分解体内储存的多聚磷酸盐释放磷酸盐，获取能量用于吸收和储存易降解有机物（如挥发性脂肪酸VFA）转化为聚β-羟基烷酸（PHA）此阶段水中磷酸盐浓度升高好氧阶段在好氧条件下，聚磷菌氧化利用厌氧阶段储存的PHA获取能量，同时过量吸收水中的磷酸盐形成胞内多聚磷酸盐此阶段水中磷酸盐浓度显著降低，通常低于进水浓度，实现奢侈摄取剩余污泥排放通过排放富含磷的剩余污泥，将磷从系统中最终去除聚磷菌在好氧条件下吸收的磷远超过其细胞合成所需的量，磷含量可达干重的5-7%，是普通微生物（

1.5-2%）的3-4倍生物除磷效果受多种因素影响厌氧区VFA浓度是关键因素，VFA/P比值应大于4；硝酸盐进入厌氧区会抑制除磷效果，应控制硝酸盐回流；pH值应控制在

7.0-

7.5；温度适宜范围为15-35℃；SRT应控制在3-5天，过长会导致聚磷菌被其他微生物竞争淘汰生物脱氮原理氨氮转化（硝化作用）1在好氧条件下分两步进行亚硝化2亚硝化菌将NH₄⁺氧化为NO₂⁻硝化3硝化菌将NO₂⁻进一步氧化为NO₃⁻反硝化4缺氧条件下NO₃⁻还原为N₂硝化过程由自养菌（如硝化单胞菌、硝化螺菌）在好氧条件下完成，需要消耗大量氧气（每去除1g氨氮需要

4.57g氧气）硝化菌生长速率慢，对环境条件敏感，是脱氮过程的限速步骤影响硝化的主要因素包括溶解氧（2mg/L）、pH值（

7.5-

8.5）、温度（25-35℃）、有毒物质（重金属、氰化物等）反硝化过程由异养菌（如假单胞菌、芽孢杆菌）在缺氧条件下完成，需要有机碳源作为电子供体（如甲醇、乙醇等）反硝化每还原1g硝酸盐氮需要

2.86g碳源反硝化的最佳条件是溶解氧

0.5mg/L、pH值

6.5-

7.

5、温度20-30℃反硝化过程会产生碱度，部分抵消硝化过程的酸化作用脱氮除磷组合工艺A/O工艺由缺氧区和好氧区串联组成，主要用于脱氮污水和回流污泥进入缺氧区，内循环将含硝酸盐的混合液从好氧区回流至缺氧区缺氧区完成反硝化，好氧区完成有机物氧化和硝化氮去除率可达70-80%A²/O工艺在A/O基础上前增加厌氧区，用于同时脱氮除磷污水和回流污泥先进入厌氧区，聚磷菌释放磷酸盐并吸收VFA；随后在缺氧区进行反硝化；最后在好氧区完成有机物氧化、硝化和磷的过量吸收氮去除率可达70-80%，磷去除率可达85-95%UCT工艺和VIP工艺通过改进回流方式，避免硝酸盐进入厌氧区，提高生物除磷效率Bardenpho四段法通过增加第二缺氧区和第二好氧区，进一步提高总氮去除率至90%以上厌氧生物法简介基本原理微生物组成厌氧生物处理是在无分子氧存在的条件下，通过厌氧微生物的代谢活厌氧微生物主要包括水解发酵菌、产酸菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌动将有机物最终转化为甲烷和二氧化碳的过程与好氧处理相比，厌四大类群它们形成复杂的食物链，依次将复杂有机物转化为简单有氧处理能耗低、产泥量少，但处理速率慢、启动周期长、对温度敏机酸，再转化为乙酸、氢气和二氧化碳，最终产生甲烷产甲烷菌生感长速率最慢，是厌氧处理的限速环节应用领域常见反应器厌氧生物法主要适用于高浓度有机工业废水处理，如食品加工、酿传统厌氧反应器包括完全混合式和厌氧消化池，水力停留时间长（15-造、造纸、制糖等行业废水，进水COD浓度通常在2000mg/L以上30天）现代高效厌氧反应器主要有上流式厌氧污泥床（UASB）、同时也广泛应用于污泥消化和产沼气工程处理效率通常为COD去除厌氧流化床、内循环（IC）反应器和厌氧膜生物反应器等，大大缩短率70-85%，BOD去除率80-90%了水力停留时间（6-24小时）厌氧消化工艺厌氧代谢阶段反应器厌氧滤池UASB厌氧消化分为三个主要阶段第一阶段是上流式厌氧污泥床（UASB）是最常用的厌氧滤池内填充固定载体（如塑料填料、水解酸化，复杂有机物（如多糖、蛋白高效厌氧反应器其核心是形成高浓度的活性炭等），微生物以生物膜形式附着生质、脂肪）被水解为单糖、氨基酸和脂肪厌氧颗粒污泥床废水自下而上流经污泥长废水通常自下而上流动，与生物膜接酸；第二阶段是产酸，单糖和氨基酸进一床，与颗粒污泥充分接触后被降解上部触降解厌氧滤池启动快，抗冲击负荷能步发酵为挥发性脂肪酸、氢气和二氧化设有三相分离器，将气、液、固三相分力强，但易堵塞，需定期反冲洗适用于碳；第三阶段是产甲烷，挥发性脂肪酸被离颗粒污泥直径2-4mm，VS含量达70-中低浓度有机废水处理，如食品加工、发转化为乙酸，最终产生甲烷和二氧化碳80%，具有良好的沉降性能和高活性酵工业废水等好氧与厌氧的工艺对比比较项目好氧生物处理厌氧生物处理能量消耗高（曝气需要大量电能）低（不需曝气，有些可产生沼气）污泥产量高（

0.4-

0.6kgVSS/kgCOD）低（

0.05-

0.15kgVSS/kgCOD）处理效率高（BOD去除率95%以上）中等（BOD去除率80-90%）启动时间短（2-4周）长（2-4个月）温度要求对温度不敏感（5-35℃可运行）对温度敏感（最佳35-38℃）抗冲击能力较强弱（需要稳定的进水）占地面积大小（负荷高）营养需求高（N、P需求量大）低（N、P需求量小）适用废水浓度低浓度（BOD1000mg/L）高浓度（BOD2000mg/L）好氧和厌氧工艺常结合使用，形成厌氧-好氧组合工艺，充分发挥各自优势高浓度废水先经厌氧处理降低有机负荷，再经好氧处理进一步降解和去除氮磷这种组合处理方式能耗低、效果好，广泛应用于食品、造纸、制药等行业废水处理微生物种群动态监测活性污泥显微镜观察是了解系统运行状态的重要手段正常活性污泥中应有丰富的微生物种群，包括细菌、原生动物、后生动物等通过观察特定指示生物的数量和活性，可以判断污泥龄、负荷状况和潜在运行问题指示生物与污泥性能关联鞭毛虫多表明系统负荷高、污泥龄短；游动型纤毛虫多表明水质较差、有机负荷较高；固着型纤毛虫（如钟虫）多表明水质较好；轮虫和线虫出现表明污泥龄长、系统稳定；肉足虫（如砂壳虫）多表明硝化作用良好丝状菌过多则可能导致污泥膨胀定期显微镜检查（如每周2-3次）可及时发现问题，指导工艺调整污泥膨胀与丝状菌控制污泥膨胀成因控制措施污泥膨胀是指活性污泥絮体难以沉降，SVI值150mL/g的现污泥膨胀危害严重，会导致二沉池污泥流失、出水水质恶化、处象主要分为丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀两类丝状菌膨胀是最理效率下降有效控制措施包括常见的类型，由丝状菌过度生长形成骨架，阻碍絮体沉降常

1.工艺调整增加曝气量确保DO2mg/L；增加回流比稀释进见丝状菌包括0041型、0675型、1701型、诺卡氏菌、硫细菌水；调整F/M值至

0.2-

0.3；添加缺乏的营养元素等

2.选择压力设置选择器（接触区），创造高F/M条件，促进丝状菌膨胀的主要原因包括絮体菌生长；增加表面负荷率，冲刷丝状菌•溶解氧不足（

0.5mg/L）

3.化学控制投加氯化铁、PAC等絮凝剂改善沉降性；投加氯或双氧水等氧化剂选择性杀灭丝状菌•有机负荷过高（F/M

0.5）

4.生物控制投加特定噬菌体或捕食性微生物；添加高效菌种•营养不平衡（N、P缺乏）竞争抑制丝状菌•长链脂肪酸和表面活性剂含量高

5.物理控制超声波处理破坏丝状结构；污泥破碎减少长丝状•pH值过低（

6.5）结构•水温过低（15℃）剩余污泥处理与处置污泥浓缩剩余污泥含水率高达99-

99.5%，首先需要进行浓缩减少体积常用方法包括重力浓缩（适用于初沉污泥，TS可达4-6%）、气浮浓缩（适用于剩余活性污泥，TS可达3-5%）和离心浓缩（适用于各类污泥，TS可达4-8%）污泥稳定化稳定化处理降低污泥有机物含量，减少异味和病原体主要方法有厌氧消化（温度35℃，停留时间20-30天，VS去除率40-60%）、好氧消化（温度15-25℃，停留时间10-20天，VS去除率40-50%）和化学稳定（如石灰稳定，pH12）厌氧消化可产生沼气（65-70%甲烷），实现能源回收污泥脱水脱水进一步减少污泥体积，降低后续处置成本常用设备有带式压滤机（含水率70-80%）、板框压滤机（含水率60-70%）、离心脱水机（含水率75-85%）和真空过滤机（含水率75-85%）脱水前通常需添加聚合物等调理剂改善脱水性能最终处置与资源化污泥最终处置方式包括填埋、焚烧和资源化利用资源化是趋势，主要途径有制作建材（如制砖、水泥添加剂）、农用（如制作有机肥、土壤改良剂）、能源利用（如厌氧消化产沼气、热解气化、生物燃料）和资源回收（如磷回收再利用）运行参数与出水水质2-4溶解氧（）mg/L曝气池中的关键参数，过低抑制微生物活性，过高浪费能源

7.0-

7.5值pH影响微生物活性和硝化反硝化效率的重要指标15-35温度（℃）影响生化反应速率，每升高10℃反应速率约增加一倍50-100%污泥回流比维持曝气池中足够的活性污泥浓度的关键操作参数溶解氧是控制活性污泥系统的最重要参数之一，一般在好氧区维持2-4mg/L，缺氧区控制在

0.2-

0.5mg/LDO过低会导致有机物去除不彻底，产生异味；过高则增加能耗，抑制反硝化过程现代污水厂多采用DO在线监测和变频曝气控制，根据负荷变化自动调整曝气量污泥回流比决定了系统内微生物浓度，对处理效果影响显著一般回流比为50-100%，高负荷时可增加至150%温度对生物处理影响大，冬季低温时可能需要延长HRT、增加MLSS或采取保温措施pH值影响酶的活性，硝化细菌对pH特别敏感，应控制在

7.0-

7.5范围内定期监测SVI值（80-120mL/g为宜）可评估污泥沉降性能工艺常见故障与应对曝气不足污泥解体表现DO低、出水浑浊、有机物去除率下降、产生恶臭表现出水SS升高、污泥指数低（60mL/g）、污泥呈现细小颗粒原因曝气设备故障、进水负荷突增、曝气头堵塞原因污泥龄过长、有毒物质冲击、溶解氧过高导致内源呼吸解决方案检修曝气设备、清洗曝气头、临时增加鼓风机运行台数、降低进水量或增加解决方案增加排泥量减少污泥龄、检查进水是否含有毒物质、控制曝气量避免过度曝回流污泥量气泡沫溢出硝化效率下降表现池面大量稳定泡沫、泡沫随风飘散污染环境表现出水氨氮升高、硝酸盐浓度降低原因表面活性剂含量高、丝状菌（如诺卡氏菌、M.parvicella）过度生长、污泥龄过原因温度降低、pH值不适、DO不足、有毒物质抑制、污泥龄不足长解决方案冬季延长HRT、调整pH至

7.5-

8.

0、确保DO2mg/L、延长污泥龄至15天以解决方案投加消泡剂、调整F/M值、增加排泥量、安装泡沫回收装置、使用氯等选择上、添加碱度保持缓冲能力性抑制丝状菌污水生物处理的能耗与经济性典型城镇污水厂应用案例工程概况运行效果某市污水处理厂采用预处理+改良A²/O+深度处理工艺，设计该厂运行3年来，出水稳定达到一级A标准主要指标平均去除规模10万吨/日，服务人口约40万人预处理包括格栅、沉砂和率COD93%、BOD97%、SS95%、TN78%、TP90%、初沉；生物处理采用改良A²/O工艺（厌氧区HRT=2h，缺氧区氨氮98%处理单位水量电耗为

0.38kWh/m³，药剂成本为HRT=4h，好氧区HRT=8h）；深度处理采用混凝沉淀+砂滤+紫

0.15元/m³，总运行成本约为

1.2元/m³外消毒工艺针对冬季低温问题，采取了增加MLSS（4000mg/L→5000mg/L）、延长污泥龄（15d→20d）、提高曝气量等措施，确保硝化效率对于雨季高水量冲击，采用调节池削峰填谷，保持系统稳定运行工业废水生物处理案例造纸废水处理某大型造纸厂废水特点COD2500-3500mg/L，BOD800-1200mg/L，SS1000-1500mg/L，色度500-800倍，pH6-8采用IC厌氧反应器+A/O好氧组合工艺厌氧处理COD去除率达75%，并产生沼气用于厂内锅炉；好氧处理进一步降解有机物和脱色最终出水COD100mg/L，BOD20mg/L，色度40倍初期遇到污泥膨胀问题，通过添加铁盐、调整F/M值和安装选择器成功解决制药废水处理某抗生素厂废水特点COD5000-8000mg/L，BOD2000-3500mg/L，氨氮200-400mg/L，含抗生素和多种难降解物质采用水解酸化+UASB+MBR工艺水解酸化提高可生化性；UASB去除60-70%有机物；MBR进一步去除有机物和氨氮系统采用专门驯化的菌种，逐步适应抗生素，最终出水COD100mg/L，氨氮5mg/L针对高氨氮，采用短程硝化-反硝化工艺，节省60%碳源和25%曝气能耗啤酒废水处理某啤酒厂废水特点COD2000-4000mg/L，BOD1200-2500mg/L，pH波动大（

4.5-11），水量水质变化大采用调节池+EGSB厌氧+SBR好氧工艺调节池均化水质并调节pH；EGSB处理有机负荷高（10kg COD/m³·d），COD去除率80%，产生沼气发电；SBR灵活应对水量波动，并实现脱氮除磷系统有机负荷冲击时，通过增加厌氧池回流比和延长SBR曝气时间应对，保持稳定运行新型工艺与技术进展膜生物反应器MBRMBR结合了活性污泥法和膜分离技术，用超滤或微滤膜替代传统二沉池膜孔径

0.01-

0.4μm，可完全截留活性污泥和大部分细菌MBR优点是出水水质好（SS1mg/L，浊度

0.5NTU），占地面积小（节省50%），可维持高MLSS（8-12g/L）和长污泥龄，有利于难降解物质处理和硝化主要挑战是膜污染和能耗高（

0.8-

1.2kWh/m³）动态膜工艺DFODFO（Dynamic FlexibleOperation）利用活性污泥自身形成的生物动态膜进行固液分离，克服了传统MBR膜污染和膜更换成本高的缺点动态膜在丝网等廉价材料表面形成，当膜阻力增大时可通过简单冲洗恢复，运行成本低DFO工艺还可根据进水水质变化灵活调整工艺参数，如污泥浓度、膜通量等，实现弹性运行厌氧氨氧化技术厌氧氨氧化（Anammox）是利用特殊细菌在缺氧条件下，将氨氮和亚硝态氮直接转化为氮气的过程相比传统硝化-反硝化，厌氧氨氧化节省60%氧气需求和100%外加碳源，大大降低能耗和运行成本该技术适用于高氨氮、低碳氮比废水处理，如垃圾渗滤液、畜禽养殖废水等目前主要挑战是菌种培养周期长（2-3个月）和温度要求高（30-35℃）生物法与化学法、物理法对比处理方法净化机理适用范围优点缺点物理法利用物理作用SS、油脂、大简单可靠，不不能去除溶解分离污染物分子物质等受生物毒性影性物质，二次响污染化学法通过化学反应重金属、色处理速度快，药剂成本高，转化污染物度、特定有毒适应性强产生化学污泥物质生物法微生物代谢降可生化性有机处理彻底，成启动周期长，解污染物物、氮磷等本低，二次污对环境敏感染少在实际应用中，三种方法常结合使用形成完整处理工艺物理法主要用于预处理和深度处理，如格栅、沉淀、气浮、过滤等；化学法用于预处理和深度处理，如混凝、氧化、消毒等；生物法则是核心处理阶段，负责去除大部分有机污染物和营养物质处理方法选择应考虑废水可生化性（BOD/COD比值，

0.3适合生物法）、有毒物质含量、处理目标、投资和运行成本、占地面积、管理水平等因素现代污水处理厂多采用物理预处理+生物法主体处理+物理化学深度处理的组合工艺，实现污染物的梯级去除污水资源化与循环利用直接饮用水回用最高级别回用，要求极严格工业用水回用2冷却、洗涤、工艺用水农业灌溉回用农田灌溉、园林绿化景观环境回用河道补水、人工湖泊回用水水质标准根据用途不同而异工业用水要求SS10mg/L、浊度5NTU、总硬度450mg/L；农业灌溉要求BOD10mg/L、SS10mg/L、粪大肠菌群1000个/L；景观用水要求TN5mg/L、TP

0.5mg/L，避免富营养化典型回用工艺流程为二级生物处理出水→混凝沉淀→过滤→消毒→回用对水质要求较高的工业用水可能还需增加超滤→反渗透处理回用系统投资成本为1000-2000元/吨·日，运行成本为1-3元/吨，远低于自来水成本污水资源化不仅节约淡水资源，还减少污染物排放，实现经济和环境双重效益生物安全与环境影响病原体风险城市污水含有多种病原微生物，包括细菌（如大肠杆菌、沙门氏菌）、病毒（如肠道病毒、诺如病毒）、寄生虫卵和囊肿等传统生物处理可去除90-99%的病原体，但出水仍可能含有一定数量的病原微生物，特别是耐环境病毒因此，消毒处理是保障生物安全的关键环节消毒技术常用消毒方法包括氯消毒（气态氯、次氯酸钠、二氧化氯）、紫外线消毒和臭氧消毒氯消毒成本低但可能产生三卤甲烷等消毒副产物；紫外线消毒无残留物但对浊度敏感；臭氧消毒效果好但投资运行成本高不同消毒方法对不同病原体灭活效果各异，通常需综合考虑出水用途、经济性和安全性选择最适合的消毒方式回用风险评估污水回用前应进行全面的健康和环境风险评估，包括病原体、有毒有害物质、新型污染物（如抗生素、内分泌干扰物、微塑料）等评估方法包括定性风险评估、半定量风险矩阵和定量微生物风险评估（QMRA）基于评估结果制定相应的处理要求和管理措施，确保回用安全安全保障措施建立多重屏障体系是保障污水回用安全的核心策略，包括源头控制、先进处理工艺、严格消毒、实时监测和应急预案回用水系统应与饮用水系统严格分离，采用特殊标识和管道颜色建立回用水水质在线监测系统，对关键指标如浊度、余氯、pH值等实时监控，确保系统安全稳定运行智能化与自动化管控在线监测系统智能控制策略现代污水处理厂配备多种在线监测仪表，如基于在线监测数据的智能控制包括DO变频DO、pH、ORP、MLSS、氨氮、硝酸盐、控制（根据实际需氧量调整曝气量，节能COD等传感器这些传感器提供实时数据，15-30%）；氨氮反馈控制（基于出水氨氮反映系统运行状态，是智能控制的基础新调整曝气量和内循环比）；SRT自动控制型传感器如光谱分析仪、呼吸计、ATP分析（根据温度和负荷自动调整排泥量）；药剂仪等可直接监测微生物活性，提前预警系统智能投加（根据水质实时调整投药量）异常优化管理平台数学模型预测集成自动化控制、数据分析、远程监控和决高级控制系统采用ASM（活性污泥模型）等策支持的智能管理平台是现代污水厂的核数学模型，结合实时数据预测系统行为，实心平台通过大数据分析历史运行数据，发现前馈控制例如，根据进水负荷预测未来现最佳运行模式；通过机器学习不断优化控24小时的氧需求，提前调整曝气量；或基于制策略；通过云平台实现远程监控和专家诊降雨预报预测水量冲击，调整处理工艺参断智能化管理可减少人力投入70%，降低数这类数字孪生技术可提高系统稳定能耗20-30%，提高处理效率10-20%性，应对复杂工况未来发展趋势生态污水处理碳达峰碳中和导向生态污水处理结合人工湿地、稳定塘、土壤渗滤等自然生态系统处理污污水处理将从污染物去除向资源能源回收转变厌氧产甲烷回收能水，能耗低、管理简单且景观效果好未来将深入研究植物-微生物-基质源、短程硝化反硝化节省曝气、厌氧氨氧化减少碳源需求、污泥热解气化三者相互作用机制，优化设计参数，扩大应用规模结合传统生物处理与等技术将广泛应用发展产能污水厂，通过沼气发电、热泵回收水热能生态系统的混合工艺将成为小型分散式污水处理的主流方向等实现能源自给甚至外供，助力碳达峰碳中和目标合成生物学应用数字化与智慧水务合成生物学通过基因编辑技术设计新型微生物，提高降解效率和特异性5G、物联网、大数据、人工智能等技术将深度融入污水处理建立涵盖例如，开发能高效降解难降解污染物（如抗生素、PAHs）的工程菌；构污水收集、处理、回用全过程的智慧水务平台，实现全程监控和智能优建同时具备氮磷去除能力的微生物；开发适应极端环境（高盐、低温）的化利用AI技术预测设备故障和系统异常，实现预测性维护；通过区块链特种菌群这些技术将显著提高生物处理能力，降低能耗和成本技术保障水质数据真实可靠；发展云专家系统远程诊断处理问题，提高管理效率实验操作与实训活性污泥培养从城市污水厂收集回流活性污泥，置于曝气条件下适应合成废水，通常需要1-2周驯化期合成废水配方葡萄糖500mg/L、NH₄Cl100mg/L、KH₂PO₄20mg/L、MgSO₄·7H₂O50mg/L、CaCl₂10mg/L和微量元素每日观察污泥状态，测定MLSS（3000-4000mg/L为宜）和SVI（80-120mL/g为佳）水质指标测定COD测定采用重铬酸钾法，样品在强酸性条件下与过量重铬酸钾在150℃回流2小时，未被氧化的重铬酸钾用硫酸亚铁铵标准溶液滴定BOD测定测定样品在20℃、5天培养前后的溶解氧差值氨氮测定纳氏试剂比色法总磷测定过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法悬浮物玻璃纤维滤膜过滤重量法微生物观察取新鲜活性污泥样品一滴，置于载玻片上，盖上盖玻片，在光学显微镜下观察（100-400倍）识别常见微生物如纤毛虫、轮虫、钟虫、砂壳虫等，并记录丝状菌的多少通过显微镜观察可判断污泥龄、负荷状况和潜在运行问题使用特殊染色技术如革兰氏染色、尼罗蓝染色可进一步识别特定微生物群落复习与思考题基础理论题计算与设计题

1.简述活性污泥法的基本原理及工艺流程

1.一座处理规模为5万m³/d的城市污水厂，进水BOD为200mg/L，设计BOD去除率为90%，MLSS为3000mg/L，

2.比较好氧生物处理和厌氧生物处理的优缺点曝气池有效水深4m计算

①BOD负荷kg/d；

②所需曝气

3.解释F/M比、SRT和DO对活性污泥系统的影响池容积m³，假设F/M=

0.2kg BOD/kg MLSS·d；

③曝气池

4.描述生物脱氮的硝化和反硝化过程，并说明影响因素HRTh

5.分析生物除磷的原理及聚磷菌在厌氧/好氧条件下的代谢特

2.某氧化沟处理系统，MLSS=4000mg/L，污泥产率Y=

0.5kg点VSS/kg BOD去除，日排泥量为100m³/d，排泥中

6.比较活性污泥法和生物膜法的工作原理和应用特点SS=8000mg/L计算系统SRTd

7.解释污泥膨胀的原因及控制措施

3.设计一个生物接触氧化池处理日处理量1000m³的生活污水，进水BOD=180mg/L，要求出水BOD20mg/L已知填料比表面积为100m²/m³，容积负荷为3kg BOD/m³·d计算所需填料体积和停留时间总结与展望生物法重大意义生物法污水处理是当代水污染治理的核心技术，其能耗低、处理效果好、环境友好等特点使其成为全球水环境保护的主要支撑技术生物法充分利用微生物的自净能力，模拟自然界物质循环过程，实现污染物的降解转化，体现了人与自然和谐共生的生态理念前沿研究方向生物法污水处理的前沿研究集中在提高处理效率、降低能耗和资源回收三个方向厌氧氨氧化、短程硝化反硝化等新型脱氮工艺大幅降低能耗；膜生物反应器和生物载体技术提高处理效率；资源回收技术从污水中回收能源、营养物质和水资源，实现循环经济目标可持续发展贡献生物法污水处理对实现可持续发展目标具有多重贡献保护水环境减少水体污染；节约淡水资源促进水循环利用；降低能耗减少碳排放；回收资源减少自然资源消耗；创造就业促进绿色产业发展随着技术不断创新，生物法污水处理将在构建人与自然生命共同体中发挥更加重要的作用。