生物膜技術(shù)何曉龍講師知識點(diǎn)水生態(tài)修復(fù)技術(shù)生物膜技術(shù)生物膜主要內(nèi)容1.生物膜的概念2.生物膜的形成過程3.生物膜的微生物相生物膜技術(shù)1.生物膜的概念微生物細(xì)胞幾乎能在水環(huán)境中的任何適宜的載體表面牢固地附著，并在其上生長和繁殖。而由細(xì)胞內(nèi)向外伸展的胞外多聚物，使微生物細(xì)胞形成纖維狀的纏結(jié)結(jié)構(gòu)，便形成了生物膜。生物膜技術(shù)生物膜在附著生長載體表面的形成過程生物膜技術(shù)2.生物膜的形成過程生物膜技術(shù)3.生物膜的微生物相細(xì)菌真菌藻類原生生物后生生物生物膜技術(shù)3.生物膜的微生物相（1）細(xì)菌細(xì)菌是微生物膜的主體，而其產(chǎn)生的胞外多聚物為生物膜結(jié)構(gòu)的形成奠定了基礎(chǔ)。生物膜中常出現(xiàn)的細(xì)菌種類有：球衣菌、動膠菌、硫桿菌屬、無色桿菌、埃希式大腸桿菌、副大腸桿菌、亞硝化單胞菌屬和硝化桿菌等。生物膜技術(shù)3.生物膜的微生物相（2）真菌真菌是具有明顯細(xì)胞核而沒有葉綠素的真核生物，大多數(shù)具有絲狀形態(tài)，包括單細(xì)胞的酵母菌和多細(xì)胞的霉菌。生物膜中常出現(xiàn)的絲狀菌有：瘤胞屬、燦爛微重真菌、紅色槳霉、水鐮刀霉、白地霉、皮狀絲胞酵母等。生物膜技術(shù)3.生物膜的微生物相（3）藻類藻類是受陽光照射下的生物膜中的主要成分。生物膜中常出現(xiàn)的藻類有：小球藻屬、綠球藻屬、席藻屬、顫藻屬、毛枝藻屬和環(huán)絲藻屬等。生物膜技術(shù)3.生物膜的微生物相（4）原生動物原生動物是動物界中最低等的單細(xì)胞動物，在成熟的生物膜中它們不斷捕食生物膜表面的細(xì)菌，因而在保持生物膜細(xì)菌處于活性物理狀態(tài)方面起著積極作用。原生動物主要包括鞭毛類、肉足類、纖毛類和孢子類等。生物膜技術(shù)3.生物膜的微生物相（5）后生動物

后生動物是由多個細(xì)胞組成的多細(xì)胞動物，屬無脊椎型。生物膜中經(jīng)常出現(xiàn)的有輪蟲類、線蟲類、寡毛類和昆蟲及其幼蟲類。輪蟲類線蟲類寡毛類各種蟲類小結(jié)生物膜技術(shù)1.生物膜的概念2.生物膜的形成過程3.生物膜的微生物相（1）細(xì)菌（2）真菌

（3）藻類（4）原生動物

（5）后生動物生物膜技術(shù)微生物在載體表面的固定機(jī)理與生物膜載體的選擇主要內(nèi)容1.微生物在載體表面的固定機(jī)理（1）微生物向載體表面的運(yùn)送（2）可逆附著過程（3）不可逆附著過程2.生物膜載體的選擇（1）生物膜載體的種類（2）生物膜載體的選擇原則生物膜技術(shù)1.微生物在載體表面的固定機(jī)理微生物在載體表面的附著固定過程，可以看作為載體表面與微生物表面間的相互作用。從理論上講，微生物在載體表面附著、固定過程可以劃分為以下幾個步驟：生物膜技術(shù)1.微生物在載體表面的固定機(jī)理（1）微生物向載體表面的運(yùn)送主動運(yùn)送：這種方式是指微生物借助于水力動力學(xué)及各種擴(kuò)散力向載體表面遷移。被動運(yùn)送：它是由布朗運(yùn)動、微生物自身運(yùn)動、重力或沉降作用完成。生物膜技術(shù)1.微生物在載體表面的固定機(jī)理（2）可逆附著微生物被運(yùn)送到載體表面后，二者間將直接發(fā)生接觸，通過各種物理或化學(xué)力作用使微生物附著固定于載體表面。在細(xì)菌與載體表面接觸的最初階段，微生物與載體間首先形成的是可逆附著。生物膜技術(shù)1.微生物在載體表面的固定機(jī)理（3）不可逆附著不可逆附著過程是可逆過程的延續(xù)。這種不可逆附著過程通常是由于微生物分泌一些粘性代謝物質(zhì)所造成的，例如多聚糖等。這些體外多聚糖類物質(zhì)起到了生物“膠水”作用。經(jīng)過不可逆附著過程后，微生物在載體表面獲得一個相對穩(wěn)定的生存環(huán)境，它將利用周圍環(huán)境所提供的養(yǎng)分進(jìn)一步增長繁殖，逐漸形成成熟的生物膜。生物膜技術(shù)2.生物膜載體的選擇（1）生物膜載體的種類目前所應(yīng)用的生物膜載體種類非常廣泛，但從根本上可以劃分為兩大類，即：無機(jī)類載體有機(jī)類載體生物膜技術(shù)2.生物膜載體的選擇無機(jī)類載體：砂子、碳酸鹽類石、各種玻璃材料、沸石類、陶瓷材料、碳纖維、礦渣、活性炭、金屬類等。生物膜技術(shù)石英砂活性炭礦渣無煙煤2.生物膜載體的選擇有機(jī)類載體：PVC、PS、PE、PP、各類樹脂、塑料（包括各類泡沫材料）、纖維、明膠等。生物膜技術(shù)PVCPP樹脂纖維明膠2.生物膜載體的選擇（2）生物膜載體的選擇原則生物膜技術(shù)機(jī)械強(qiáng)度物理形態(tài)2.生物膜載體的選擇（2）生物膜載體的選擇原則生物膜技術(shù)物理形態(tài)空間體積形狀生物、化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定性親疏水性及表面電性孔隙度及表面粗糙度比重對生物膜活性的影響可再用性價格機(jī)械強(qiáng)度小結(jié)生物膜技術(shù)1.微生物在載體表面的固定機(jī)理（1）微生物向載體表面的運(yùn)送（2）可逆附著過程（3）不可逆附著過程2.生物膜載體的選擇（1）生物膜載體的種類（2）生物膜載體的選擇原則微生物固定技術(shù)生物膜技術(shù)主要內(nèi)容1.表面吸附固定技術(shù)2.鍵聯(lián)固定技術(shù)3.細(xì)胞間自交聯(lián)固定技術(shù)4.多聚體包埋技術(shù)5.孔網(wǎng)狀載體截陷固定技術(shù)6.各種固定技術(shù)的比較生物膜技術(shù)1.表面吸附固定技術(shù)表面吸附固定技術(shù)是指微生物與載體表面間直接發(fā)生作用，進(jìn)而實現(xiàn)微生物在載體表面的固定，它可分為自然吸附固定以及通過化學(xué)鍵作用產(chǎn)生表面吸附的兩種形式。生物膜技術(shù)2.鍵聯(lián)固定技術(shù)鍵聯(lián)固定技術(shù)是指微生物可以通過與載體表面的某些活性基團(tuán)形成共價鍵的形式固定到載體表面，這種固定方式要求生物膜載體表面具有某種活性基團(tuán)，通常可對載體表面進(jìn)行改性，達(dá)到攜帶活基的目的。生物膜技術(shù)3.細(xì)胞間自交聯(lián)固定技術(shù)細(xì)胞間自交聯(lián)是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象，如活性污泥系統(tǒng)中菌膠團(tuán)的形成以及厭氧污泥床中顆粒污泥的產(chǎn)生均是通過細(xì)胞間自交聯(lián)實現(xiàn)的。生物膜技術(shù)4.多聚體包埋技術(shù)多聚體包埋是指通過某些多聚體化合物包裹微生物，從而達(dá)到固定微生物的目的。在污水生物處理中，人們應(yīng)用較多的包埋劑為PVA及海藻酸等。生物膜技術(shù)PVA海藻酸5.孔網(wǎng)狀載體截陷固定技術(shù)

這種技術(shù)主要是利用孔網(wǎng)狀載體的特殊結(jié)構(gòu)截陷生物，達(dá)到使其固定的目的。這種方法主要是利用載體的特殊空間結(jié)構(gòu)對固定微生物起到屏護(hù)作用。生物膜技術(shù)6.各種固定技術(shù)的比較生物膜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)表面吸附固定技術(shù)1.簡單、便宜2.對微生物活性沒有影響3.可選用載體類型多4.載體可再生回用1.固定初期受各種環(huán)境因素影響2.細(xì)胞與載體間作用力較弱，需長時間完成初始固定過程鍵聯(lián)固定技術(shù)1.受環(huán)境因素影響較小2.細(xì)胞與載體間作用力較強(qiáng)1.可能改變細(xì)胞活性基2.可選用載體相對較少3.費(fèi)用較高細(xì)胞間交聯(lián)固定技術(shù)1.細(xì)胞間交聯(lián)緊密2.可保留大部分細(xì)胞活性3.可選用交聯(lián)劑較多1.準(zhǔn)備過程中損失部分細(xì)胞活性2.不適合應(yīng)用于大分子底物系統(tǒng)3.機(jī)械強(qiáng)度相對較弱多聚體包埋技術(shù)1.沒有對細(xì)胞產(chǎn)生化學(xué)修飾2.易于固液分離3.可工業(yè)化操作1.增加了擴(kuò)散阻力2.準(zhǔn)備工藝復(fù)雜3.導(dǎo)致細(xì)胞部分失活4.不適于大分子底物系統(tǒng)5.機(jī)械強(qiáng)度較弱，可使用壽命較短孔網(wǎng)狀載體截陷固定技術(shù)1.對細(xì)胞活性沒有影響2.易于固液分離3.可工業(yè)化操作4.載體可根據(jù)要求制作5.對固定細(xì)胞有保護(hù)作用1.局部擴(kuò)散阻力增加小結(jié)生物膜技術(shù)1.表面吸附固定技術(shù)2.鍵聯(lián)固定技術(shù)3.細(xì)胞間自交聯(lián)固定技術(shù)4.多聚體包埋技術(shù)5.孔網(wǎng)狀載體截陷固定技術(shù)6.各種固定技術(shù)的比較生物膜的增長過程生物膜技術(shù)主要內(nèi)容生物膜技術(shù)1.潛伏期2.對數(shù)增長期3.線性增長期4.減速增長期5.穩(wěn)定期6.脫落期1.潛伏期潛伏期又稱為適應(yīng)期，這一階段是微生物在經(jīng)歷不可逆固著過程后，開始逐漸適應(yīng)生存環(huán)境，并在載體表面逐漸形成小的、分散的微生物菌落。生物膜技術(shù)2.對數(shù)增長期對數(shù)增長期又稱為動力學(xué)增長期。在適應(yīng)期形成的分散菌落開始迅速增長，逐漸覆蓋載體表面。在此階段由于有機(jī)物、溶解氧及其它營養(yǎng)物的供給超過了消耗的需要，微生物以最大速度在載體表面增長。生物膜技術(shù)3.線性增長期在動力學(xué)增長期結(jié)束后，生物膜在載體表面出現(xiàn)一段以恒定速率增長的階段。此時出水底物濃度不隨生物量的積累而顯著變化；對于好氧生物膜，其好氧率保持不變；在載體表面形成了完整的生物膜三維結(jié)構(gòu)。生物膜技術(shù)4.減速增長期生物膜技術(shù)減速增長期是生物膜在某一質(zhì)量和膜厚上達(dá)到穩(wěn)定的過渡期。在此期間，生物膜對水力學(xué)剪切作用極為敏感，出水中懸浮物濃度明顯增高，這是由于生物膜在水力剪切力作用下脫落所造成的。5.穩(wěn)定期在此階段，生物膜新生細(xì)胞與由于各種物理力所造成的生物膜損失達(dá)到平衡，生物膜相及液相均已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。生物膜穩(wěn)定器的長短，與運(yùn)行條件諸如底物供給濃度、剪切力等密切相關(guān)。生物膜技術(shù)6.脫落期隨著生物膜的成熟，部分生物膜發(fā)生脫落，影響這一現(xiàn)象的因素很多。生物膜技術(shù)小結(jié)生物膜技術(shù)1.潛伏期2.對數(shù)增長期3.線性增長期4.減速增長期5.穩(wěn)定期6.脫落期典型生物膜反應(yīng)器——生物濾池生物膜技術(shù)主要內(nèi)容1.概念和分類2.普通生物濾池3.高負(fù)荷生物濾池4.塔式生物濾池生物膜技術(shù)1.概念和分類

生物濾池是根據(jù)土壤凈化原理，在污水灌溉的實踐基礎(chǔ)上，經(jīng)較原始的間歇砂濾池和接觸濾池而發(fā)展起來的人工生物處理技術(shù)。

常見的生物濾池包括：普通生物濾池高負(fù)荷生物濾池塔式生物濾池生物膜技術(shù)普通生物濾池又稱為滴濾池，是生物濾池早期出現(xiàn)的類型，它由池體、濾床、補(bǔ)水裝置和排水裝置四個部分組成。生物膜技術(shù)2.普通生物濾池普通生物濾池在平面上多呈方形或矩形，池壁多用磚石筑造，一般應(yīng)高出濾料表面0.5~0.9m。具有圍護(hù)濾料的作用。濾床一般采用碎石、卵石或爐渣等材料，鋪成厚度約為1.5~2.0m的床體，生物膜便生長在這些濾料上。生物膜技術(shù)2.普通生物濾池高負(fù)荷生物濾池是生物濾池的第二代工藝，是針對普通生物濾池存在的弊端進(jìn)行革新而開創(chuàng)出來的。它大幅度地提高了濾池的負(fù)荷率，其BOD負(fù)荷率高于普通生物濾池6~8倍，水力負(fù)荷率則高達(dá)10倍。生物膜技術(shù)3.高負(fù)荷生物濾池塔式生物濾池是在20世紀(jì)50年代初由德國化學(xué)工程專家應(yīng)用氣體洗滌塔原理開創(chuàng)的第三代生物濾池，它具有占地面積小、基建費(fèi)用低、凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了較為廣泛的應(yīng)用。生物膜技術(shù)4.塔式生物濾池（濾塔）塔式生物濾池一般高達(dá)8~24m，直徑1~3.5m，形似高塔，塔身一般沿高度分層建造，在分層處設(shè)格柵，格柵承托在塔身上，使濾料荷重分層承擔(dān)。生物膜技術(shù)4.塔式生物濾池（濾塔）小結(jié)生物膜技術(shù)1.概念和分類2.普通生物濾池3.高負(fù)荷生物濾池4.塔式生物濾池典型生物膜反應(yīng)器——生物轉(zhuǎn)盤生物膜技術(shù)主要內(nèi)容生物膜技術(shù)1.生物轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)2.凈化機(jī)理3.生物轉(zhuǎn)盤的優(yōu)點(diǎn)4.生物轉(zhuǎn)盤的不足1.生物轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)生物轉(zhuǎn)盤是由固定在一根軸上的許多間距很小的圓盤或多角形盤片組成，盤片可以用聚氯乙烯、聚乙烯、泡沫聚苯乙烯、玻璃鋼、鋁合金等材料制成。盤片可以是平板，也可以是同心圓或放射狀波紋板等形式，也有平板和波紋板組合的形式。生物膜技術(shù)盤片有將近一半的面積浸沒在半圓形或矩形的氧化槽內(nèi)。在電機(jī)的帶動下，盤片組在水槽內(nèi)緩緩轉(zhuǎn)動，廢水在槽內(nèi)流過，水流方向與轉(zhuǎn)軸垂直，槽底設(shè)有排泥管或放空管，以控制槽內(nèi)廢水中懸浮污泥的濃度。生物膜技術(shù)1.生物轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)2.生物轉(zhuǎn)盤的凈化機(jī)理生物轉(zhuǎn)盤的氧化槽內(nèi)充滿污水，生物轉(zhuǎn)盤以較低的速度在氧化槽內(nèi)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤交替地和空氣與污水相接觸。在經(jīng)過一段時間后，在轉(zhuǎn)盤上附著一層棲息著大量微生物的生物膜。生物膜技術(shù)生物轉(zhuǎn)盤在實際應(yīng)用中有多種構(gòu)造類型，最常見的是多級轉(zhuǎn)盤串聯(lián)，以增加生物與污水污染物的接觸概率，提高處理效果。但級數(shù)一般不超過四級。根據(jù)圓盤數(shù)量及平面位置，可以采用單軸多級或多軸多級的形式。生物膜技術(shù)2.生物轉(zhuǎn)盤的凈化機(jī)理3.生物轉(zhuǎn)盤的優(yōu)點(diǎn)（1）微生物濃度高；（2）微生物相分級；（3）污泥齡長；（4）可用于除磷；

（5）耐沖擊負(fù)荷；生物膜技術(shù)3.生物轉(zhuǎn)盤的優(yōu)點(diǎn)（6）生物膜上的微生物的食物鏈較長；（7）氧化槽不需要曝氣，污泥也無需回流；（8）不需要經(jīng)常調(diào)節(jié)生物污泥量，不存在產(chǎn)生污泥膨脹的麻煩，復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備也比較少；（9）不產(chǎn)生濾池蠅、不出現(xiàn)泡沫也不產(chǎn)生噪聲，不存在二次污染的現(xiàn)象；

（10）氧化槽內(nèi)的污水能夠得到良好的混合。生物膜技術(shù)4.生物轉(zhuǎn)盤的不足（1）價格高、投資大

（2）最好作為第二級生物

處理裝置使用

（3）性能受環(huán)境溫度及其

他因素影響較大生物膜技術(shù)小結(jié)生物膜技術(shù)1.生物轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)2.凈化機(jī)理3.生物轉(zhuǎn)盤的優(yōu)點(diǎn)4.生物轉(zhuǎn)盤的不足典型生物膜反應(yīng)器——生物接觸氧化、生物流化床、生物膜反應(yīng)器的特征生物膜技術(shù)主要內(nèi)容生物膜技術(shù)1.生物接觸氧化2.生物流化床3.生物膜反應(yīng)器的特征1.生物接觸氧化生物接觸氧化是一種介于活性污泥法與生物濾池兩者之間的生物處理技術(shù)，亦稱淹沒式生物濾池。其特點(diǎn)是在池內(nèi)設(shè)置填料，池底曝氣向污水進(jìn)行充氧，并使池內(nèi)污水處于流動狀態(tài)，與池內(nèi)的填料充分接觸，污染物被填料上的微生物吸附降解。生物膜技術(shù)1.生物接觸氧化生物膜技術(shù)生物接觸氧化池結(jié)構(gòu)簡圖生物接觸氧化池2.生物流化床生物膜技術(shù)所謂生物流化床，就是以砂、活性炭、焦炭等顆粒為載體填充于生物反應(yīng)器內(nèi)，因載體表面附著生長著生物膜而使其變輕，當(dāng)污水以一定流速自下而上流動時，載體便處于流化狀態(tài)，這是一種強(qiáng)化生物處理