固定化微生物废水处理技术.doc

给水与废水处理原理论文给水与废水处理原理论文 题题 目目_ _ 固定化微生物污水处理技术固定化微生物污水处理技术 学号学号_ 091015091015 _ 学生姓名学生姓名_ _ 贺浩耘贺浩耘 _ _ _ _ 指导教师指导教师_ _ 孙越孙越 马金霞马金霞_ _ _ 目录目录 1.摘要：摘要：.2 2.绪论绪论.2 2.1.固定化微生物污水处理技术2 2.2.固定化微生物技术分类及主要特征2 3.固定化生物膜污水处理技术固定化生物膜污水处理技术.3 3.1.生物膜及其载体3 3.1.1.生物膜及其除污机理3 3.1.2.生物膜载体3 3.2.生物膜性能评价指标3 3.2.1.生物膜的活性3 3.2.2.生物膜的重量3 3.2.3.生物膜的厚度3 3.2.4.生物膜的结构4 3.3.固定化生物膜污水处理工艺4 3.3.1.生物滤池4 3.3.2.生物转盘4 3.3.3.生物接触氧化工艺4 3.3.4.生物流化床4 3.3.5.膜生物反应器5 3.4.固定化生物膜污水处理工艺的运行控制5 4.固定化细胞污水处理技术固定化细胞污水处理技术.5 4.1.细胞固定化方法5 4.1.1.表面吸附固定技术5 4.1.2.键交联固定技术6 4.1.3.多聚包埋技术6 4.1.4.细胞间自交联固定技术6 4.1.5.孔网状载体截陷固定技术6 4.1.6.各种固定技术的比较6 4.2.固定化细胞的性能评价指标7 4.2.1.固定化颗粒的物理性质7 4.2.2.固定化细胞的最适温度、PH 值7 4.2.3.固定化细胞的生物量7 4.2.4.固定化细胞活性7 4.3.典型固定化细胞污水处理工艺7 4.3.1.纯种固定化细胞反应器7 4.3.2.升流式厌氧污泥床反应器8 4.3.3.厌氧折流板反应器8 4.3.4.好氧颗粒活性污泥工艺8 5.总结总结.9 固定化微生物污水处理技术固定化微生物污水处理技术 1.1.摘要摘要： 固定化微生物技术是生物工程领域中的一项新兴技术，随着生物工程的迅速发展，固 定化微生物技术的研究和应用日益广泛。固定化微生物废水处理技术与传统的悬浮生物处 理工艺比较，具有处理效率高、运行稳定、可纯化和保持高效优势菌种、反应器中生物量 大、污泥少、固液分离效果好等优点。本文较全面地介绍了微生物固定化技术、固定化微 生物废水处理工艺及其优缺点。 关键字：固定化关键字：固定化 微生物微生物 生物膜生物膜 固定化细胞固定化细胞 2.2.绪论绪论 2.1.2.1.固定化微生物污水处理技术固定化微生物污水处理技术 在传统的污水处理工艺中，微生物通常是在水中以悬浮态生长，因而易于从反应器中 流失，又由于其与水的密度差小，因而从流出的水中回收微生物进行重复利用将变得较为 困难或复杂。为此，采用固定化技术，将微生物通过一定的技术手段使微生物固着生长， 有利于提高生物反应器内微生物的数量，利于反应后的固液分离，利于去除氮、高浓度有 机物或难以生物降解的物质，提高系统的处理能力和适应性，是一项高效低耗、运行管理 简单的十分有前途的污水生物处理技术。 2.2.2.2.固定化微生物技术分类及主要特征固定化微生物技术分类及主要特征 固定化微生物技术是通过固定化技术，使微生物固着生长，在适宜条件下保持高的生 物活性进行生物处理的一系列污水生物处理技术，根据固定化工艺的不同可以分为两大类： 固定化生物膜技术、固定化细胞技术。 （1）固定化生物膜技术 固定化生物膜技术是使细菌、原生动物、后生动物等微型生物附着在滤料或其他载体 上生长繁殖，并形成膜状生物污泥，以到达微生物固着生长目的的污水生物处理技术。固 定化生物膜技术主要包括：生物滤池、生物转盘、生物接触氧化工艺、生物流化床、膜生 物反应器等几种污水处理工艺。固定化微生物处理技术对水质、水量变动适应性强，污泥 沉降性能好，可以处理低浓度污水，并且易于维护运行。 （2）固定化细胞技术 固定化细胞技术是将微生物固定在载体上使其高度密集并保持其生物活性功能，在适 宜条件下还可以满足应用之需的生物技术。固定化方法主要有：表面吸附固定化技术、交 联固定化技术、包埋固定化技术、自身固定化技术等几种方法。微生物固定化技术有利于 提高生物反应器内的微生物浓度，有利于反应后的固液分离，缩短处理所需时间，还可以 有效地实现对氮以及其他重金属离子的去除。 3.3.固定化生物膜污水处理技术固定化生物膜污水处理技术 3.1.3.1.生物膜及其载体生物膜及其载体 3.1.1.生物膜及其除污机理 生物膜是由微生物群体组成的粘状物，是生物处理过程的主角。生物膜通过下列物理、 化学和生物过程综合作用形成： （1）污水中有机分子向生物膜附着生长的载体表面输送； （2）污水中的悬浮微生物细胞在载体表面的不可逆吸附； （3）生长在为生物膜内部的微生物对污水中的营养物质的利用与氧化分解。 成熟后的生物膜对污染物的降解是通过污染物、溶解氧、分解代谢产物以及各种必须 的营养元素以水为媒介、在生物膜内外的扩散、传质过程实现的。污染物、溶解氧、分解 代谢产物以及各种必须的营养元素首先经过液相扩散到生物膜的表面，进而在浓度差以及 微生物吸收等因素的作用下进入到生物膜内部。因而只有扩散到生物膜表面并被吸附，继 而进入生物膜内部的有机物才能有机会被微生物利用和分解氧化，并最终形成各种代谢产 物。代谢产物以基质传递相反的方向有生物膜内部及时向外层生物膜、生物膜表面及液相 传质。 在生物膜内部，由于较大的阻力，溶解让向内扩散传递受阻，在一定厚度后形成厌氧 区。又由于生物膜反应器中水力停留时间与固体停留时间分离，增长速率缓慢、时代周期 长的微生物（如硝化细菌）可以生长繁殖，通过合理的运行条件控制能实现污水的硝化等 处理功能。 3.1.2.生物膜载体 目前在污水生物处理中所用的载体有有机和无机两大类。 （1）无机类载体 无机类载体主要有沙子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、陶瓷材料、碳纤维、矿 渣、活性炭等。无机类载体普遍具有机械强度相对较高的特点，且大部分化学性质稳定， 可提供较大的比表面积。其主要不足是密度较大，在悬浮生物膜反应器工艺的应用中受到 限制。 （2）有机类载体 有机类载体主要有 PVC、PE、PS、PP、各类树脂、塑料、纤维以及明胶等等。有机类 载体可以根据处理工艺过程的需要，加工成各种形状，以便更好的满足反应器的物理、生 物特性的需要，同时也可以尽可能的提高载体的比表面积。因此有机类载体是微生物固定 化技术中使用的主要载体材料。 选取合适的载体材料时要考虑的因素主要有以下几个方面：足够的机械强度、优良的 稳定性、良好的表面带电特性、优越的物理性状、无毒性或抑制性，此外，就得取材、价 格合理也必须加以考虑。 3.2.3.2.生物膜性能评价指标生物膜性能评价指标 3.2.1.生物膜的活性 生物膜的活性是指生物膜中各种微生物对有机物分解能力的总和。在污水生物处理过 程中，微生物的耗氧速率可以反映微生物对有机物的氧化降解和合成利用速率。脱氢酶的 脱氢活性与生物的耗氧速率有良好的线性关系。而微生物对污染物的降解过程实际上是能 量的代谢过程，产能代谢直接反映气僧无活性的高低。因此，评价生物膜活性的方法主要 有好样速率测定法、脱氢酶脱氢测定法和 ATP 测定法等。 3.2.2.生物膜的重量 污水处理的处理效果、处理能力与污水中的微生物量有直接关系，因此生物膜的重量 是生物膜性能的重要指标之一。一般生物膜的重量难以直接测定，需要先将生物膜从载体 表面剥落。剥落技术的优劣将直接影响测定的精度。 3.2.3.生物膜的厚度 生物膜在不同生长阶段厚度不同，而生物膜的厚度不同将导致其内部生物、化学等一 系列反应过程及其特性发生变化，因此而改变底物传递、代谢产物的种类、反应过程的特 性乃至整个系统的处理功效。分析和研究生物膜的生长离不开对其厚度变化的观察分析和 测定，目前常用的测定方法有直接显微法、微米阻力法、微米计电导法、膜侧线法和间接 计算法。 3.2.4.生物膜的结构 生物膜的结构与所处理的污水类型、设计参数、生长时间、水利条件以及环境因子等 因素密切相关。同时，生物膜的结构还影响到其活性的高低、生长状况、处理效果及运行 的稳定性。因此，深入了解和掌握生物膜结构的状况与变化，对于改善其性能、提高处理 效果非常有必要。 3.3.3.3.固定化生物膜污水处理工艺固定化生物膜污水处理工艺 3.3.1.生物滤池 生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的间歇沙滤 池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术，已有 100 年的发展历史。 当污水长时间以滴状喷洒在块状滤料层表面时，在污水流经的滤料表面上就会逐渐形 成生物膜，待生物膜成熟后，栖息在生物膜上的微生物即社区流经污水中的有机物作为营 养，从而使污水得到净化。污水必须通过预处理去除其中的悬浮物等能够堵塞滤料的污染 物，并使水质均化后方可进入生物滤池。因此，在生物滤池前需设初次沉淀池。滤料上的 生物膜，由于水流的冲刷和膜的老化，不断脱落更新，脱落的生物膜随处理水流出，因此， 生物滤池后也应设沉淀池予以截留。 生物滤池的发展经历了几个阶段：从低负荷发展为高负荷；突击破传统采用的滤料层 高度；随着材料工业的发展，滤料的改进，使生物固体浓度得以提高，应用范围得以扩大。 目前发展起来的常用生物滤池有：普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池、曝气 生物滤池、厌氧生物滤池。 3.3.2.生物转盘 生物转盘是原联邦德国 Pople、Hartman 开发研究出的一种污水生物处理技术。 生物转盘处理系统由生物转盘、污水预处理设备、二次沉淀池组成。二次沉淀池的作 用是去除经生物转盘处处理后的污水所携带的脱落生物膜。生物转盘有盘片、接触反应槽、 转轴、驱动装置组成。盘片串联成组，中心贯以转轴，转轴两端安设在半圆形接触反应槽 两端支座上。转盘面积 40%左右浸没在槽内的污水中，转轴高出槽内水面 10-25cm。 生物转盘上附着的生物膜与污水以及空气之间，进行有机物、O2、CO2 等物质传递， 随着生物膜加厚，在其内部形成厌氧层，并开始老化。老化的生物膜在污水水流与盘面之 间产生的剪切力作用下剥落，剥落的破碎生物膜在二沉池内被截留。生物转盘系统若运行 得当能够具有硝化、脱氮与除磷的功能。 3.3.3.生物接触氧化工艺 生物接触氧化技术其实质一种是在池内填充填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并 以一定的流速流经填料。在填料上布满生物膜，污水与生物膜广泛接触，在生物膜上微生 物的新陈代谢功能作用下去除有机污染物，因此，又称淹没式生物滤池， ；另一种是采用曝 气池相同的曝气方法，向微生物提供其所需的氧，并起到搅拌与混合的作用，这种技术也 称接触曝气法。 接触氧化是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物处理技术，它具有两种处理方 法的优点。由于曝气，池内形成液、固、气三相共存体系，有利于氧的转移，溶解氧充沛， 适于微生物的存活增殖，因此生物膜上微生物种类丰富，能形成稳定的生态系统和生物链。 3.3.4.生物流化床 流化床是以砂、活性炭、焦炭一类的较小的惰性颗粒为载体填充在床内，载体表面被 覆生物膜，其质变轻，污水以一定流速从下向上流动，使其载体处于流化状态。载体颗粒 小，总表面积大，提高了处理设备单位容积内的生物量，又由于载体处于流化状态，污水 从其下部、左右侧流过，广泛而频繁的多次与生物莫接触，且载体间在床内相互摩擦碰撞， 强化了传质作用，加速有机物从污水中向微生物细胞的传质过程，还能有效防止堵塞现象。 总之生物流化床用于污水处理具有负荷率高、处理效果好、效率高、占地少以及投资省等 优点，运行适当还可取得脱氮效果。 流化床系统由床体、载体、布水装置、充氧装置和脱膜装置组成，按其载体流化动力 来源可分为液流动力流化床、气流动力流化床、机械动力流化床，此外也可分为好样流化 床和厌氧流化床。 3.3.5.膜生物反应器 膜生物反应器是利用高分子膜固定或回收微生物，防止微生物从反应器内流失，同时 使大分子物质与小分子物质分离，得到高度净化出水的一种反应器。膜生物反应器通常使 用通过性超滤膜，如：中空纤维、活性炭膜和硅橡胶膜等。 膜生物反应器主要用来处理含有毒性或挥发性有机污染物工业废水，因为这些工业废 水中某些特定的污染物一般需要适应该类污染物的微生物进行处理，而这些微生物的的培 养驯化往往需要漫长的时间，因在一般的悬浮生长微生物处理反应器中微生物易随水流失， 而采用膜生物反应器可以避免有毒物质与微生物直接接触，还可对经过驯化后的问生物加 以固定化，因而膜生物反应器处理有毒工业废水具有较好的处理效果。 膜生物反应器按反应器形式分，主要有膜循环生物反应器和中空纤维膜生物反应器， 膜循环生物反应器常采用悬浮生长方式，废水、空气和微生物在反应器中充分接触混合， 通过微生物的代谢作用使污水中的有机物得到降解，混合液经膜分离后保持了反应器内的 微生物浓度，防止了微生物的流失，同时也保证了很好的出水水质。 3.4.3.4.固定化生物膜污水处理工艺的运行控制固定化生物膜污水处理工艺的运行控制 在固定化生物膜处理系统中，净化有机污染物的过程都是或部分是由附着生长在载体 表面的微生物来完成，因而，固定化生物膜处理系统的运行控制应使附着于生物膜上的微 生物充分发挥其氧化分解有机物的生理功能，使的处理系统实现以下控制目标： （1）通过对被处理污水的水质水量进行控制，使其适应固定化生物膜处理系统的适宜 运行条件和要求。 （2）保证固定化生物膜处理系统中微生物数量和活性相对稳定。 （3）满足固定化生物膜系统中微生物、污染物（微生物的利用底物） 、溶解氧三者的 充分接触，强化传质过程及传质效率。 在各种影响因素中，其中最主要的有生物膜反应器的营养物质、进水底物浓度或负荷、 水力停留时间、溶解氧水平、PH 值、温度和某些污染物对微生物的抑制与毒性作用。在微 生物膜反应器去除污水中有机污染物的工程实际中，需要设法创造微生物适宜的生活环境。 了解影响生物膜反应器运行的主要因素，可以使生物膜反应器达到较佳的运行状态，使处 理后的出水达到令人满意的效果。 4.4.固定化细胞污水处理技术固定化细胞污水处理技术 4.1.4.1.细胞固定化方法细胞固定化方法 4.1.1.表面吸附固定技术 表面吸附固定技术是指微生物与载体表面直接发生作用，进而实现微生物在载体表面 的固定，它可分为物理吸附法与离子吸附法。 物理吸附法实际上是将微生物细胞附着于固体载体上，细胞与载体不起任何作用，所 用载体有多孔砖、瓷环、木屑、蔗渣、聚氯乙烯薄片、硅藻土、玻璃纤维等，这些载体即 耐用又耐压，适于工业应用。 离子吸附法常用载体是离子交换树脂。离子与细胞的结合比物理吸附法牢固，但细胞 仍然可以繁殖，在使用中，细胞仍要脱落，需要时常补充新细胞，所以不适合连续培养之 用。 4.1.2.键交联固定技术 键联固定技术通常是指微生物可以通过与载体表面的某些活性基团形成共价键的形式 固定到载体表面。这种固定方式要求生物膜载体表面具有某种活性基团，通常可以对载体 表面进行改性，达到携带活性基团的目的。 4.1.3.多聚包埋技术 多聚体包埋技术是通过某些多聚体化合物包裹微生物，从而达到固定微生物的目的， 是细胞固定化技术中最常用的技术。目前在生物工程领域应用广泛，常用包埋剂有聚丙烯 酰胺、琼脂、海藻酸、卡拉胶、二醋酸纤维、三醋酸纤维、骨胶原、明胶和戊二醛等。这 些包埋剂中，以海藻酸最易管理，醋酸纤维是卷烟烟嘴的原料，烟厂的残余醋酸原料即可 利用，卡拉胶用途最广，但质量难于选取或处理。 4.1.4.细胞间自交联固定技术 细胞间自交联是自然界普遍存在的一种现象，如活性污泥系统中菌胶团的形成以及厌 氧污泥床中颗粒污泥的产生均是通过细胞间自交联实现的。细胞间自交联技术就是人为加 入一些交联剂，进一步强化细胞间或酶间的自交联程度，形成细胞间的稳固结合。常用交 联剂有聚合型电解质、聚氨基葡萄糖等。 4.1.5.孔网状载体截陷固定技术 孔网状载体截陷固定技术主要是利用孔网状载体的特殊结构截陷微生物，达到使其固 定的目的。这种方法主要是利用载体的特殊空间结构对固定微生物起到屏护作用。目前各 国学者开发出的应用于工业实践的孔网状载体截陷固定技术载体有：聚氨酯泡沫塑料、中 空纤维、聚乙烯泡沫塑料、聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、不锈钢球等。 4.1.6.各种固定技术的比较 各种固定化载体和方法各有优缺点，在工程实践中，应按照需要灵活选择，下面是各 种固定技术的比较： 固定方法优点缺点 表面吸附固定技术1.简单，便宜 2.对微生物活性没有改变 3.可选用载体类型多 4.载体可以再生回用 1.固定初期会受到各种环境因素影 响 2.细胞与载体间作用力较弱，需较 长时间完成初步固定过程 键联固定技术1.受环境因素影响较小 2.细胞与载体间作用力较强 1.可能改变细胞活性基团 2.可选载体相对较少 3.费用较高 细胞间自交联技术1.细胞间交联紧密 2.可保留大部分细胞活性 3.可选用交联剂较多 准备过程中损失部分细胞活性 不适合应用于大分子底物系统 机械强度较弱 多聚体包埋技术1.没有对细胞产生化学修饰 2.易于固液分离 3.可工业化操作 1.增加了扩散阻力 2.准备工艺复杂 3.细胞部分失活 4.不适合应用于大分子底物系统 5.机械强度较弱，可使用寿命短 孔网状载体截陷固1.对细胞活性没影响1.局部扩散阻力增加 定技术2.易于固液分离 3.可工业化操作 4.载体可根据要求制作 5.对固定化细胞有保护作用 4.2.4.2.固定化细胞的性能评价指标固定化细胞的性能评价指标 4.2.1.固定化颗粒的物理性质 固定化细胞的物理性质包括：固定化颗粒的密度、固定化颗粒的形状和大小、固定化 颗粒的强度。 4.2.2.固定化细胞的最适温度、PH 值 细胞固定化后，最适 PH 值因固定方法不同而有一些调整，例如用聚丙烯酰胺包埋大肠 杆菌的天门冬氨酸酶和产氨短杆菌的延胡索酸酶，这两者的活性最适 PH 值均较完整细胞偏 向酸性一边。 固定化细胞最适温度余万正细胞一样。 4.2.3.固定化细胞的生物量 固定化细胞的生物量直接影响处理系统的处理效率，是固定化细胞性能的重要评价指 标。测定固定化细胞生物量的方法主要有：测细胞干重、细胞计数、测定细胞蛋白质含量。 与微生物的悬浮物培养不同，在固定化细胞中有介质存在，很难直接测定生物量。一般方 法是在分析前先把生物从固定化介质中分离出来，而不能影响细胞数量、细胞活性或破坏 蛋白质。 4.2.4.固定化细胞活性 细胞活性就是细胞对生物化学反应的转化速率。固定化细胞的活性收底物浓度、微生 物动力学的影响，但代谢物在固定化细胞中的扩散速率对细胞活性的影响更大。了解固定 化细胞在生化反应过程中活性的变化，对固定化细胞反应器的优化控制和管理具有重要意 义。 4.3.4.3.典型固定化细胞污水处理工艺典型固定化细胞污水处理工艺 4.3.1.纯种固定化细胞反应器 纯种固定化是指被固定的微生物经过纯化和富集后，采用人为的物理或化学技术进行 固定并保持其原有的生物活性，参与其中的微生物为单独的某一种属或某一类，行使相同 的代谢功能。最早的固定化细胞反应器是法国生物学家巴斯德设计的一种醋化器。当今， 随着生物技术的发展，反映其类型的研究也取得了进展，目前常用的是流化床生物反应器、 固定填充床反应器、搅拌槽式反应器等。 以纯种固定化细胞形成的废水生物处理反应器有以下优点： （1）小型化，节省曝气池与沉淀池，污染物的降解和固液分离可以在同一反应器中进行， 且由于反应的高效性，反应体积相对减少； （2）操作管理方便，实现连续化，无污泥膨胀和生物膜腐败现象，减少运行事故； （3）在保证生物代谢条件的情况下，削弱了水力学等工程条件对处理效果的影响，实现运 行的稳定可靠； （4）剩余污泥少，仅为活性污泥法的 1/51/10，简化了后续处理； （5）利用专一性代谢微生物细胞或专一性酶可行成对有毒、有害废水的针对性处理； （6）在对污染物净化的同事更高效的实现污染物的资源化。 4.3.2.升流式厌氧污泥床反应器 20 世纪 70 年代初，荷兰农业大学的 G.Lettinga 在用厌氧生物滤池处理土豆和田菜加 工废水时，发现在滤料下部区域内厌氧活性污泥的浓度非常高，而且废水中的大部分有机 物是在此部分得到降解的，在逐步减少直到全部取消滤料的情况下，其处理效果并没有下 降，反而提高了。由此他开发出升流式厌氧污泥床反应器。 升流式厌氧污泥床具有以下优点： （1）升流式厌氧污泥床内污泥浓度高，平均浓度为 2040g/L； （2）有机负荷高，水力停留时间短； （3）升流式厌氧污泥床内设三相分离器，一般不另设沉淀池，被沉淀区分离出的污泥重新 回到污泥床反应区内，一般无污泥回流设备； （4）无混合搅拌设备，靠发酵过程中产生的沼气的上升运动，使污泥床上部的污泥处于继 浮状态，对下部的污泥层也有一定程度的搅动； （5）污泥床内不填载体，节省造价； （6）污泥的活性高，对废水中的有机污染物具有良好的吸附凝聚作用，对附着的有机污染 物具有高效的吸收转化作用。 升流式厌氧污泥床的主要缺点是： （1）进水中的悬浮物浓度不宜太高，一般控制在 1000mg/L 以下，否则会磨损已形成的颗 粒污泥，对污泥颗粒化不利； （2）污泥床内有短流现象，影像处理效果； （3）对水质和负荷的突然变化比较敏感，耐冲击能力差。 4.3.3.厌氧折流板反应器 厌氧折流板反应器是一种混合型复杂水力流态厌氧处理工艺，该工艺使用一系列垂直 放置的折流板是废水在反应器内沿折流板上下流动，借助于产气使反应期内的微生物上下 运动，但整个反应器内的水流则以较慢的流速做水平推流。由于污水在折流板的作用下呈 上下锯齿形绕流，水流所流经的总长度加大了，再加上间隔大小不等的折流板的阻挡及污 泥自身的沉陷作用，生物固体被有效的截留在反应器内。由内置竖向导流板分割组成的多 隔室中，每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床系统，水流