1、生物催化工程生物催化工程研究生课程（2015-2016) 王永泽生物催化反应器生物催化反应器l生物反应器概述l酶反应器l发酵（细胞）反应器l污水处理的反应器（厌氧）l污水处理的反应器（好氧） Air heat Raw materials Bioreactor Downstream process Biocatalyst process control Product在生物反应过程中，生物反应器具有中心的作用，它是连接原料和产物的桥梁。第一节第一节 生物反应器概述生物反应器概述1.1 生物反应器的特征生物反应器的特征 我们期望反应器的生产能力（我们期望反应器的生产能力（g/Lh）越高越好。）越高
2、越好。 反应器的生产能力主要取决于两方面的因素：（1） 生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力l单位反应器体积的酶或细胞活性（活性）l更多的酶活性回收（回收性）l更长的使用寿命（稳定性） （2） 反应器的传质和传热能力反应器的传质和传热能力l生物催化剂的浓度较高且比活力也较高时，反应器传质和传热能力就成为提高反应器生产能力的限制因素。 流体的传质流体的传质活塞流活塞流滞流滞流湍流湍流dL现实中不存在，现实中不存在，层流比较接近活塞流。层流比较接近活塞流。全混流全混流是种理想的流动模型。是种理想的流动模型。生物反应器温度的控制生物反应器温度的控制1.2 生物
3、反应器的分类-反应器的流体连续操作的反应器连续操作的反应器活塞流反应器活塞流反应器(CPFR)(CPFR)填充床反应器填充床反应器膜反应器膜反应器管式反应器管式反应器全混式反应器全混式反应器（CSTRCSTR）搅拌罐反应器搅拌罐反应器非理想反应器非理想反应器1.2 生物反应器的分类-综合操作方式传质（液体混合）催化剂的回收结构特征分类搅拌罐STR固定床管式反应器1.3 生物反应器开发的趋势和未来方向（1）开发活力高和选择性高的生物催化剂将继续占主要地位。（2）生物反应器正向大型化和自动化方向发展。（3）自动检测和控制系统将会在生物工程中发挥越来越重要的作用。 （4）一些特殊用途生物反应器得到较
4、快的应用和开发。l 例如，动物和植物细胞培养用反应器，固体发酵反应器，边发酵边分离的特殊反应器都得到了不同程度的发展。第二节第二节 酶催化反应器酶催化反应器特点：l与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能较少。 l与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再生）。分类：l搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR）l鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR )l填充床式反应器(packed column reactor, PCR )l流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR)l膜反应器(M
5、embrane Reactor, MR) 2.1 酶反应器的分类酶反应器的分类-搅拌罐（全混）搅拌罐（全混）（1）批次反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。u其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。 u优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。u缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶。（2 2）搅拌罐）搅拌罐( (连续式酶连续式酶) )反应器反应器l又称为连续搅拌釜式反应
6、器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。l优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。l缺点是：反应效率低（单位空间酶少)，回收过程酶易损失;搅拌动力消耗大，搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。在CSTR中催化剂通常采用颗粒状的固定化酶，为不致使反应器中的酶随反应液流失，故在其出口处通常装有滤膜，有的也采用磁性的固定化酶粒。2.1 酶反应器的分类酶反应器的分类-填充床填充床l填充床反应
7、器（Packed Reactor,PBR）,又称固定床反应器。将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集输出的转化液（含产物）。l优点是：（1）产物分离方便，可作连续化生产；（2）单位体积反应床的固定化酶密度大，可以提高催化反应的速度。填充床反应器填充床反应器l缺点 （1）传质系数和传热系数相对较低。温度和pH难以控制。（2）固定化酶受到的压力大,颗粒容易破碎。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，更不宜采用PBR。 床层底部的酶颗粒所受压力大，容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎，因此常在反应器中间加托板分隔。（3）清洗和更换部
8、分固定化酶较麻烦（4）底物和产物会产生轴向浓度分布。2.1 酶反应器的分类酶反应器的分类-流化床流化床l流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。l特点是：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。lFBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。流化床反应器流化床反应器 优点：(1)具有良好的传质及传热的性能。pH、温度控制及气体的供给比较容易。(2)不易堵塞，可适用于处
9、理粘度高的液体；能处理粉末状底物；即使应用细粒子的催化剂（固定化酶），压力降也不会很高。缺点：(1)需保持一定的流速，运转成本高，且难于放大。(2)由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械破损。(3)由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。(4)由于底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。2.1 酶反应器的分类酶反应器的分类-鼓泡塔鼓泡塔l鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR)是利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混合两种作用的一类反应器。也是一种无搅拌装置的反应器。反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。l鼓泡式反应
10、器的结构简单，操作容易, 剪切力小，物质与热量的传递效率高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。鼓泡式反应器鼓泡式反应器2.1 酶反应器的分类酶反应器的分类-膜反应器膜反应器l膜反应器（membrane reactor, MR）是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。l用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的一种生物反应器。l膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种形状。常用的是中空纤维反应器。膜反应器特点膜反应器特点p 酶分布于反应器外壳和纤维管外壁之间，
11、反应液在中空纤维内部流动，通过扩散底物进入纤维管外反应，产物再扩散回管中。酶於产物分离容易，且底物产物传质容易。p 同时还具有固定化酶的容易分离特性，确无传质困难无传质困难缺点。p 经过较长时间使用，酶和其它杂质会被吸附于膜上，造成膜的通透性降低，且清洗较困难，单位体积催化剂少。（1）平板状或螺旋状反应器特点：压力降小； 膜清洗容易； 放大容易 ；单位体积催化剂有效面积小。 （2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个装置浸在底物溶液中 更换催化剂方便； 酶与底物接触较好； （3）空心酶管反应器 酶固定在细管的内壁上，底物溶液流经
12、细管时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。 管内径1mm，管内流动属于层流。（酶与底物混合接触不良） 多与自动分析仪等组装在一起，用于定量分析。（传输和反应为一体） （4）中空纤维膜反应器由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维(内径200m -500m，外径300m -900m)。组成。内层紧密、光滑，具有一定分子量截流值，可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过。 外层为多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵状支持层中 。反应器的形状为管式或列管式，中空纤维可承受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内壁与海绵状介质上的酶起反应。 几种酶催化反应器的对比几种酶催化反应器的对比2.2 酶反应器的选
13、择酶反应器的选择（1）酶l 酶不容易流失（因载体流失而出反应器）；l 酶的填充密度（催化剂的数量）；l 酶的稳定性（流体的剪切力）；（2）反应体系中底物传递（传质和传热）l 底物或产物进出体系（堵塞问题）；l 底物传递到酶的活性中心（全混流；塞流）；（3）其它（微生物污染）选择酶反应器考虑的因素选择酶反应器考虑的因素！第三节第三节 发酵（细胞）反应器发酵（细胞）反应器3.1 3.1 微生物发酵培养反应器微生物发酵培养反应器 发酵罐是微生物大量生长繁殖的空间，是一类重要的发酵罐是微生物大量生长繁殖的空间，是一类重要的生物反应器。生物反应器。 发酵罐发酵罐 厌氧式发酵罐厌氧式发酵罐 不需要通入氧气
14、不需要通入氧气 好氧式发酵罐好氧式发酵罐 通氧气通氧气好氧发酵罐好氧发酵罐 机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐 气升式发酵罐气升式发酵罐 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 鼓泡塔式发酵罐鼓泡塔式发酵罐 l传递：传递：罐体、搅拌器、挡板、罐体、搅拌器、挡板、空气分布器空气分布器、消泡器、消泡器、人孔人孔l传热：传热：换热器换热器l检测（信号传递）：检测（信号传递）：传感器传感器、视镜等。视镜等。 3.1 3.1 微生物发酵培养反应器微生物发酵培养反应器-机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐l工业规模搅拌釜反应器的搅拌速度不快，对反应器内的物料混合程度有了一定的限制，传质效果一般；l它包含搅动件对密封性
15、能存在一定制约l不适合高压反应不需要压缩空气不需要压缩空气，利用特殊，利用特殊的机械搅拌吸气装置或液体的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置，将无菌空气喷射吸气装置，将无菌空气吸入罐中，同时实现发酵液吸入罐中，同时实现发酵液的混合与溶氧传质。的混合与溶氧传质。3.1 3.1 微生物发酵培养反应器微生物发酵培养反应器-自吸式发酵罐自吸式发酵罐l搅拌器的关键部件是吸气转子，在电动搅拌器的关键部件是吸气转子，在电动机的驱动下，轴上的空心叶轮快速旋转，机的驱动下，轴上的空心叶轮快速旋转，液体被甩出，在叶轮中心形成负压，将罐液体被甩出，在叶轮中心形成负压，将罐外的无菌空气吸到罐内。外的无菌空气吸到罐内。l
16、随着叶轮的转动，吸入的气体在叶轮周随着叶轮的转动，吸入的气体在叶轮周围分散成细碎的气泡，形成了强烈的气液围分散成细碎的气泡，形成了强烈的气液湍流，气泡中的氧气随之扩散到发酵液中湍流，气泡中的氧气随之扩散到发酵液中l在搅拌的同时完成了氧气的溶解过程。在搅拌的同时完成了氧气的溶解过程。 优点：优点： 抽吸力不强，吸程不高，适用于对氧气需要量较低的醋酸抽吸力不强，吸程不高，适用于对氧气需要量较低的醋酸和酵母的发酵生产。机械搅拌自吸式发酵罐的叶轮转速较高，和酵母的发酵生产。机械搅拌自吸式发酵罐的叶轮转速较高，在转子周围形成较强烈的剪切区，不适用于对剪切力敏感的在转子周围形成较强烈的剪切区，不适用于对剪
17、切力敏感的微生物。微生物。缺点缺点气液固三相混合均匀，分散度高，溶氧速率高，传热气液固三相混合均匀，分散度高，溶氧速率高，传热性能好，结构简单，附属设施少，投资省，能耗低。性能好，结构简单，附属设施少，投资省，能耗低。液体喷射环流式JLR3.1 3.1 微生物发酵培养反应器微生物发酵培养反应器-喷射反应器喷射反应器l喷射反应器的工作原理是利用高速流动相去卷吸气相卷吸气相，使各相密切接触，达到充分混合的效果来完成反应。l喷射反应器使反应物充分混合，有利于强化传质与传热，加快反应速率，改善浓度和温度分布3.1 3.1 微生物发酵培养反应器微生物发酵培养反应器-鼓泡塔式发酵罐鼓泡塔式发酵罐l 压缩空
18、气由罐底导入，经空气分压缩空气由罐底导入，经空气分布器后，穿过筛板气孔，逐板上升。布器后，穿过筛板气孔，逐板上升。l上升后的发酵液释放空气泡，密上升后的发酵液释放空气泡，密度增大，在密度差和重力作用下又度增大，在密度差和重力作用下又沿降液管下降，从而形成循环。沿降液管下降，从而形成循环。l空气泡的上升和发酵液的循环流空气泡的上升和发酵液的循环流动，产生气液混合效果，促进了氧动，产生气液混合效果，促进了氧气的溶解。气的溶解。塔内充满液体，气体从反应器底部通入，分散成气泡沿着液体上升，既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。
19、 鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。 鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。 l 升式环流反应器是在传统的鼓泡塔基础上发传统的鼓泡塔基础上发展起来的一种新型反应展起来的一种新型反应器器l按结构可以分为内环流和外环流反应器两种形式。内循环方式中，又有中央导流筒式和双带导流式。 3.1 3.1 微生物发酵培养反应器微生物发酵培养反应器-气升式发酵罐气升式发酵罐 气升式发酵罐由气升式发酵罐由罐体、导流筒、循罐体、导流筒、循环管、空气喷嘴等环管、空气喷嘴等部件组成。在气升部件组成。在气升式发酵罐中没有机式发酵罐中没有机械搅拌器及相关装械搅拌器
20、及相关装置，采用置，采用高速气流高速气流和密度差带动发酵和密度差带动发酵液流动、混合液流动、混合。由于发酵罐上部液体气泡少密度大，下部液体气泡多密度小，在密度差和重力作用下，上部液体沿循环管下降，下部液体上升，形成发酵液在发酵罐内的循环流动l 气升式发酵罐的优点是气升式发酵罐的优点是结构简单、能耗低、液体结构简单、能耗低、液体中的中的剪切作用小剪切作用小。l在同样的能耗下，在同样的能耗下，氧的氧的传递能力传递能力比机械搅拌式发比机械搅拌式发酵罐要高得多。酵罐要高得多。l气升式发酵罐气升式发酵罐不适用于不适用于黏度高或固含量大的发酵黏度高或固含量大的发酵液。液。3.2 动物细胞培养反应器动物细胞
21、培养反应器（1）动物细胞没有细胞壁，大多数哺乳动物细胞需要附壁（固体或半固体）生长；（2）对培养基的营养要求相当苛刻，要求含有多种氨基酸、维生素、无机盐、血清等物料； （3）对培养环境十分敏感，对温度、pH、溶氧浓度等条件都比微生物培养要严格得多； 动植物细胞培养和微生物培养的区别：动植物细胞培养和微生物培养的区别：动植物细胞培养和微生物培养的区别：动植物细胞培养和微生物培养的区别：（4）动物细胞对流体剪切力十分敏感，动物细胞对流体剪切力十分敏感，强烈的机械与通气鼓泡所引起的过大剪切力都会损伤细胞，使细胞破裂。植物细胞虽然有细胞壁，但对流体剪切力的耐受程度也要比微生物差；（5）由于动植物细胞的
22、生长要比微生物缓慢得多，一般只有在高细胞密度下，才能得到一定浓度的产物。（6）生长慢，又非常容易染菌，因此需要严格的无菌防范措施。 动植物细胞悬浮培养生物反应器- 搅拌罐 l有少数动物细胞，例如杂交瘤细胞和肿瘤细胞可以像微生物那样在通气搅拌灌内悬浮培养。但动物细胞缺少细胞壁的保护，液体的剪切力应小。 特点：a、搅拌转数低（几十转/分）； b、通气方式独特。动物细胞悬浮培养生物反应器- 动物细胞贴壁培养反应器 l大部分动物细胞是属于贴壁依赖性细胞，包括非淋巴组织的细胞和许多异倍体细胞。 这类细胞的特点是它需要附着在固体或者半固体的表面才生长，原来是圆形的细胞一经贴壁就迅速铺展，然后开始有丝分裂，
23、并很快进入对数生长期。一般在数天后铺满表面，形成致密的细胞单层，所以贴壁培养又称为单层培养单层培养。 目前有不少生物制品厂是用430L 大小的滚瓶进行动物细胞贴壁培养来生产疫苗。 特点：特点： a、结构简单，投资少，技术成熟 ； b、劳动强度大，单位体积所能提供的细胞生长的表面积小，按体积计算细胞产率低； c、检测和控制环境条件受到限制。动物细胞悬浮培养生物反应器- 动物细胞培养用中空纤维反应器l该装置由中空纤维管组成，每根中空纤维管内径200m。中空纤维的管壁是半透性的多孔膜。l氧和CO2等小分子可以自由地通过膜双向扩散，而大分子有机物则不能通过。l动物细胞贴附于中空纤维外壁生长，可很方便地
24、获取营养物质和溶氧，生长面积与容积之比达40余倍，其溶氧传质速率也可达到0.6mmol/lh，是大规模动物细胞培养的好方法。 动物细胞悬浮培养生物反应器- 动物细胞微载体悬浮培养反应器 l 用微珠做载体，使单层动物细胞生长于微珠表面，并在培养液中进行悬浮培养。l这种培养方式是将单层培养和悬浮培养相结合，这是大规模动物细胞培养的最有前途的方法。l微载体可用交联葡聚糖、纤维素、聚丙稀酰胺、明胶、硅橡胶做为基质而制成。l微 载 体 球 径 约 为40280m。其密度在1.031.05g/ml，以便在反应器内缓慢搅拌后，微载体能悬浮起来。 微载体悬浮培养可以采用多种反应器型式，如气腔式反应器，流化床反
25、应器。流化床反应器l反应器内支持细胞生长的微载体呈流化状态。接种后不断提供营养成分，产物不断排出。安装了膜式气体交换器，提供高密度细胞需要的氧气，同时能及时排出CO2 ，l特点是可进行高密度细胞的培养。采用微载体悬浮培养的优点 l 单位体积具有的表面积大，如1.0g微载体，有的能提供50006000cm2的表面积，因此它的单位体积培养基单位体积培养基的细胞产率高；的细胞产率高；l由于把悬浮培养和贴壁培养融合在一起，具有两种培由于把悬浮培养和贴壁培养融合在一起，具有两种培养的优点，养的优点，有利于培养环境条件的检测和控制，培养系统重现性好； l放大容易放大容易，现已经有用1000L的规模来生产-
26、干扰素用的二倍体细胞。3.3植物细胞培养设备植物细胞培养设备 植物细胞有细胞壁，其抗剪切性能高于动物细胞，无贴壁植物细胞有细胞壁，其抗剪切性能高于动物细胞，无贴壁生长特性，与微生物培养过程相似。植物细胞的培养设备主生长特性，与微生物培养过程相似。植物细胞的培养设备主要有机械搅拌式、鼓泡塔式、气升式、转鼓式和固定化式生要有机械搅拌式、鼓泡塔式、气升式、转鼓式和固定化式生物反应器。物反应器。（一）机械搅拌式设备（一）机械搅拌式设备 将各式发酵罐的搅拌器和通气系统改造后，即可用来进将各式发酵罐的搅拌器和通气系统改造后，即可用来进行植物细胞培养。行植物细胞培养。 常见植物细胞培养反应器搅拌叶片常见植物
27、细胞培养反应器搅拌叶片（二）气升式设备（二）气升式设备 目前在各式植物细胞培养过程中，使用得较多的是气升式目前在各式植物细胞培养过程中，使用得较多的是气升式发酵罐，其结构已介绍过。发酵罐，其结构已介绍过。 气升式发酵罐结构简明，没有泄露点和死角，既有较好地气升式发酵罐结构简明，没有泄露点和死角，既有较好地防止杂菌污染性能，又能在低剪切力下达到较好的混合与较防止杂菌污染性能，又能在低剪切力下达到较好的混合与较高的氧传递效果，且操作费用较低，但进行高密度培养时混高的氧传递效果，且操作费用较低，但进行高密度培养时混合不够均匀。合不够均匀。（三）鼓泡塔式设备（三）鼓泡塔式设备（四）转鼓式设备（四）转鼓
28、式设备（五）填充床（五）填充床-固定化反应器固定化反应器（六）涓流床（六）涓流床-固定化反应器固定化反应器第四节第四节 污水处理的反应器污水处理的反应器l污水处理的催化剂相当于活性污泥l活性污泥相对于酶和微生物做为催化剂，其催化剂的重复回收利用及流失问题相比容易解决l从催化剂的回收、传质（平流或全混）、底物和产物传输等方面来了解各种反应器差别。l催化剂回收的方式有：不回收（全混反应器）、外部设备回收、反应器内设置回收、固定化活性污泥4.1 不回收活性污泥（催化剂）不回收活性污泥（催化剂）-全混批次反应器（全混批次反应器（BSTR） l通过程序化自动控制充水、反应、沉淀、排水排泥和停置五个阶段，
29、实现对废水的生化处理。4.2 外部设备回收活性污泥外部设备回收活性污泥-厌氧接触池厌氧接触池4.3 反应器内设置回收反应器内设置回收-UASB（三相分离器）（三相分离器）4.3 反应器内设置回收反应器内设置回收-EGSB（三相分离器（三相分离器）相对于相对于UASB高的液体表面上升流速（具有较高的高径比 ）和COD 去除负荷;厌氧污泥颗粒粒径较大,反应器抗冲击负荷能力强; EGSB反应器对布水系统要求较为宽松，但对三相分离器要求更为严格。可用于SS 含量高的和对微生物有毒性的废水处理。EGSB反应器采用处理水回流技术，对于常温和低负荷有机废水，回流可增加反应器的水力负荷，保证处理效果。对于超高
30、浓度或含有毒物质的废水，回流可以稀释进入反应器内的基质浓度和有毒物质浓度，降低其对微生物的抑制和毒害。4.3 反应器内设置回收反应器内设置回收-IC（三相分离器）（三相分离器）IC可以简单的理解为两个UASB叠加在一起 特点：能通过内循环稀释进水，负荷大，处理时间短。4.3 反应器内设置回收反应器内设置回收-折流板反应器（折流板）折流板反应器（折流板）4.3 反应器内设置回收反应器内设置回收-升流式固体厌氧反应器（升流式固体厌氧反应器（USR）l是一种结构简单、适用于高悬浮固体有机物原料的反应器。l原料从底部进入消化器内，与消化器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。l未消化的有机物固体颗粒和
31、沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部出4.4 固定化活性污泥固定化活性污泥-厌氧（生物）滤池厌氧（生物）滤池AF4.4 固定化活性污泥固定化活性污泥-生物转盘生物转盘4.4 固定化活性污泥固定化活性污泥-厌氧流化床厌氧流化床AFB和厌氧膨胀床和厌氧膨胀床AEB以膨化或者更高程度的流化床增加了混合效果。不同于UASB是靠细砂去运载微生物防止流失而非形成颗粒。4.4 固定化活性污泥固定化活性污泥-厌氧复合反应器厌氧复合反应器UBF第五节第五节 污水处理的反应器（好氧）污水处理的反应器（好氧）按固定化与否分：l活性污泥法 流体推动（混合）方式 氧气传输的方式 氧气传输的效率 好
32、氧和厌氧的工艺安排l生物膜法5.1 活性污泥法活性污泥法5.1.1 流体推动（混合）方式流体推动（混合）方式5.1.2 氧气传输的方式氧气传输的方式5.1.3 氧气传输的效率氧气传输的效率5.1.4 好氧和厌氧的工艺安排好氧和厌氧的工艺安排-氧化沟氧化沟l氧化沟在空间上形成了好氧区、缺氧区和厌氧区, 沟内存在明显的溶解氧浓度梯度，具有良好的脱氮功能。l因此氧化沟具有特殊的水力学流态,既有完全混合式反应器的特点,又有推流式反应器的特点,5.1.4 好氧和厌氧的工艺安排好氧和厌氧的工艺安排-ABlAB 工艺属于两端活性污泥, 整个工艺分为A 段和B 段, 其中A 段为吸附段, B 段为生物氧化段。
33、整个工艺中, A 段之前一般不设初沉池, 以便充分利用原污水存在的微生物和有机物, 促进有效稳定地运行。l其优点为: 第一, 与单段系统相比与单段系统相比, 微生物群体完全隔开的微生物群体完全隔开的两段系统能取得更佳和更稳定的处理效果两段系统能取得更佳和更稳定的处理效果; 第二, 对于一个连续工作的A 段, 由外界连续不断的接种具有很强繁殖能力和抗环境变化能力的短世代原核微生物( 其世代时间为20 min, 相当于每天72 个世代) , 使处理工艺的稳定性大大提高了。A 段对污染物的去除主要是通过A 段活性强、世代周期短的细菌絮凝吸附作用和生物降解作用来对水中的悬浮固体和溶解性有机物去除, 其
34、中絮凝、吸附起主导作用。5.1.4 好氧和厌氧的工艺安排好氧和厌氧的工艺安排-AOlA/O是Anoxic/Oxic的缩写，它的优越性是除了使有机污染物得到降解之外，还具有一定的脱氮除磷功能 l缺氧池在前，污水中的有机碳被反硝化菌所利用，可减轻其后好氧池的有机负荷，反硝化反应产生的碱度可以补偿好氧池中进行硝化反应对碱度的需求。 l好氧在缺氧池之后，可以使反硝化残留的有机污染物得到进一步去除，提高出水水质。 l在缺氧段异养菌将蛋白质、脂肪等污染物进行氨化（有机链上的N或氨基酸中的氨基）游离出氨（NH3、NH4+），在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将NH3-N（
35、NH4+）氧化为氧化为NO3-，通过回流控制返回至，通过回流控制返回至A池，池，在缺氧条件下，异氧菌的反硝化作用将NO3-还原为分子态氮（N2）完成C、N、O在生态中的循环，实现污水无害化处理。5.2 生物膜法生物膜法5.3 接触氧化接触氧化l接触氧化法是一种兼有活性污泥法和生物膜法特点的一种新的废水生化处理法.l这种方法的主要设备是生物接触氧化滤地.在不透气的曝气地中装有焦炭、砾石、塑料蜂窝等填料,填料被水浸没,用鼓风机在填料底部曝气充氧；空气能自下而上,夹带待处理的废水,自由通过滤料部分到达地面,空气逸走后,废水则在滤料间格自上向下返回池底.l活性污泥附在填料表面,不随水流动；生物膜直接受
36、到上升气流的强烈搅动,不断更新,从而提高了净化效果 优点l容积负荷高，耐冲击负荷能力强，处理时间短，节约占地面积；l生物活性高，有较高的微生物浓度；l污泥产量低，不需污泥回流；l出水水质好而且稳定；l动力消耗低，节约能源及运行费；l挂膜方便，可以间歇运行；l不存在污泥膨胀问题。缺点l填料上的生物膜储量视BOD负荷而异；2）生物膜只能自行脱落，剩余污泥不易排走，滞留在滤料之间易引起水质恶化，影响处理效果；l当采用蜂窝填料时，如果负荷过高，则生物膜较厚，易堵塞填料；l大量产生后生动物（如轮虫类）；l组合状的接触填料有时会影响曝气与搅拌。曝气生物滤池曝气生物滤池 滤池运行过程中通过反冲洗去除滤层中截留的污染物和脱落的生物膜
