07 第七章 硝化反应与生物滤池.pptx

第1页：氮在养殖水体中的循环

第七章硝化反应与生物滤池

• 氮在养殖水体中的存在形式：NO3-—N、NO2-—N、氨氮（NH4+、NH3)、N2
• 氮在养殖系统中的循环：氨化反应、硝化反应、反硝化反应Organic matter→NH3+NH4+→NO2-→NO3-→NO2-→N2+N2O第一节综述

第2页：氨化作用的定义

氨化作用•定义：氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨态氮的过程，也称为矿化作用。

• 细菌参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。
• 降解方式：好样和厌氧

第3页：好氧条件下的降解方式

• 好氧条件下主要有两种降解方式：
• 一是氧化酶催化下的氧化脱氨。例如：氨基酸生成酮酸和氨：
• 另一是在水解酶催化作用下的水解脱氨反应。例如尿素能被许多细菌水解产生氨。分解尿素的细菌：有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等。

第4页：厌氧条件下的氨化反应

•在厌氧条件或缺氧的条件厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。还原脱氨水解脱氨脱水脱氨

第5页：硝化作用的概念与细菌

硝化作用(Nitrification)一、概念硝化作用是指将氨氮氧化为亚硝酸氮和硝酸氮的生物化学反应。

• 二、细菌这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成。亚硝化菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝化杆菌属、硝化球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化细菌。

第6页：硝化反应的过程

三、反应过程包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤亚硝化反应硝化反应总反应式

第7页：硝化菌的合成计量关系

发生硝化反应时细菌分别从氧化氨氮和NO2-的过程中获得能量，碳源来自无机碳化合物，如CO32－、HCO3－、CO2等。假定细胞的组成为C5H7NO2（氰乙酸乙酯），则硝化菌合成的化学计量关系可表示为：

第8页：硝化反应的特点

四、硝化反应的特点从上式可以看出硝化过程的重要特点：

• 氨的生物氧化需要大量的氧，大约每去除1g的氨氮需要4.18gO2；
• 硝化过程细胞产率非常低，且难以维持较高生物浓度，特别是在低温的冬季。（每克N由NH4+氧化成NO3ˉ需要7.14g的碳酸离子（如CaCO3）并生成8.59g碳酸和0.17g细胞）。

第9页：温度对硝化反应的影响

五、硝化反应影响因素1、温度在生物硝化系统中，硝化细菌对温度的变化非常敏感，在5～35℃的范围内，硝化菌能进行正常的生理代谢活动。当废水温度低于15℃时，硝化速率会明显下降。当温度低于10℃时已启动的硝化系统可以勉强维持，硝化速率只有30℃时的25%。尽管温度的升高，生物活性增大，硝化速率也升高，但温度过高将使硝化菌大量死亡，实际运行中要求硝化反应温度低于３８℃。

第10页：pH值对硝化反应的影响

2、pH值硝化菌对pH值变化非常敏感，最佳pH值是8.0～8.4，在这一最佳pH值条件下，硝化速度可达最大值。Anthonison认为pH对硝化反应的影响只是表观现象，实际起作用的是两个平衡：H++NH3= NH4+和H++NO2-= HNO2中的NH3和HNO2。pH通过这两个平衡影响NH3和HNO2的浓度起作用。

第11页：溶解氧对硝化反应的影响

3、溶解氧•氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内溶解氧高低，将影响硝化反应的进程。在活性污泥法系统中，溶解氧应该控制在1.5～2.0mg/L内，低于0.5mg/L则硝化作用趋于停止。

• 许多学者认为在低DO（1.5mg/L）下会出现同时进行硝化和反硝化（SND）现象。
• 在DO＞2.0mg/L，溶解氧浓度对硝化过程影响可不予考虑。
• DO浓度不宜太高，因为溶解氧过高能够导致有机物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。
• 溶解氧过高，过量能耗，经济性不适宜。

第12页：生物固体平均停留时间

4、生物固体平均停留时间•为了使硝化菌群能够在连续流反应器系统存活，微生物在反应器内的停留时间（θc）N必须大于自养型硝化菌最小的世代时间（θc）minN，否则硝化菌的流失率将大于净增率，将使硝化菌从系统中流失殆尽。时代时间（generation time）：指某世代起到下一世代止平均所需的时间。从细胞水平来说，是指由本次细胞分裂起到下一次细胞分裂开始为止（一个细胞周期）平均所需时间。

• 一般对（θc）N的取值，至少应为硝化菌最小世代时间的2倍以上，即安全系数应大于2。
• 5、重金属及有毒物质除了重金属离子(Hg+,Pb+,Ag+等)外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：高浓度氨氮、高浓度硝酸盐有机物及络合阳离子等。

第13页：几种细菌的世代时间表

几种细菌在最适条件下生长的世代时间：下表列出相关数据。

第14页：硝化细菌的繁殖周期

• 影响微生物对数期增代时间的因素:
• 主要有：菌种、营养成分、营养物浓度、培养温度。
• 硝化细菌繁殖周期约为24~36小时，繁殖速率远比一般异养菌（约20分钟）慢，用新水初期，硝化细菌的数量远比一般异养菌少得多，是产生新池症候群（new pond syndrome）的主要原因。是鱼虾发生氨中毒最危险期。

第15页：生物膜阶段三态氮的变化

生物膜阶段三态氮的变化情况硝酸氮硝酸氮

第16页：反硝化作用的概念

反硝化作用（Denitrification）一、概念反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO<0.3-0.5mg/L）条件下，硝酸盐或亚硝酸盐在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮（N2）的过程。

• 二、细菌•反硝化菌属异养型兼性厌氧菌，并不是一类专门的细菌，大量存在于土壤和污水处理系统中，如变形杆菌、假单胞菌等。
• 反硝化菌能在缺氧条件下，以或为电子受体，以有机物为电子供体将氮还原。
• 或中的N可以有两种转化途径：

第17页：同化与异化反硝化

①同化反硝化，即最终产物是有机氮化合物；②异化反硝化，即最终产物为氮气。

第18页：反硝化过程

三、反硝化过程[H]可以是任何能提供电子，且能还原NO3―及NO2―的物质，包括有机物、硫化物、H+等。

第19页：温度对反硝化的影响

四、反硝化反应影响因素1、温度反硝化细菌对温度变化虽不如硝化细菌那样敏感，但反硝化效果也会随温度变化而变化。温度越高，反硝化速率也越高，在30～35℃时，反硝化速率增至最大。当低于15℃时，反硝化速率将明显降低；至5℃时，反硝化将趋于停止。

• 2、pH值pH值是反硝化反应的重要影响因素，对反硝化最适宜的pH值是6.5～7.5，在这个pH值的条件下，反硝化速率最高，当pH值高于8或者低于6时，反硝化速率将大为下降。

第20页：外加碳源与碳氮比

3、外加碳源反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌，在厌氧的条件下以NOx-N为电子受体，以有机物（有机碳）为电子供体。由此可见，碳源是反硝化过程中不可少的一种物质，水中的C/N直接影响生物脱氮除氮效果。一般BOD/TKN＝3～4，有机物充分，反应速度快，当废水中BOD/TKN小于3时，需要外加碳源才能达到理想的脱氮目的。因此碳源对反硝化效果影响很大。反硝化碳源的主要来源：

• 废水本身：如各种有机酸、淀粉、碳水化合物等；
• 废水处理过程中添加碳源，一般可以添加附近一些工业副产物，如乙酸、丙酸和甲醇等；
• 活性污泥自身死亡自溶释放的碳源，称为内源碳。

第21页：溶解氧对反硝化的抑制

4、溶解氧•反硝化菌是异养兼性厌氧菌，存在条件：无分子氧+硝酸和亚硝酸离子同时存在，才能利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。

• 如反应器内溶解氧较高，将使反硝化菌利用氧进行呼吸，抑制反硝化菌体内硝酸盐还原酶的合成，或者氧成为电子受体，阻碍硝酸盐的还原。
• 另一方面，在反硝化菌体内某些酶系组分只有在有氧条件下才能合成，这样，反硝化菌可以在厌氧、好氧交替环境中生活为宜，溶解氧应控制在0.5mg/L。

第22页：生物脱氮过程示意图

碱度增大好氧或厌氧条件碱度减小好氧条件碱度增大无氧、厌氧条件氨化细菌氨化作用亚硝化细菌＋O2硝化细菌＋O2反硝化细菌＋C源有机氮NH4+-NNO-2-NNO-3-NN2生物脱氮过程示意图

第23页：生物膜法的类型

一、生物膜法的类型：

• （1）润壁型生物膜法废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等；
• （2）浸没型生物膜法生物膜载体完全浸没在水中，通过鼓风曝气供氧。如载体固定，称为接触氧化法；如载体流化则称为生物流化床。生物膜法润壁型生物膜法生物滤池生物转盘浸没型生物膜法接触氧化法生物流化床第二节生物膜法

第24页：生物膜的组成与净化机理

真菌藻类原生动物后生动物一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫细菌（好氧、厌氧、兼性）生物膜的组成二、生物膜的构造与净化机理生物膜法定义：污水生物处理的一种方法。采用各种不同载体，通过污水与载体的不断接触，微生物细胞在载体表面生长和繁殖，由细胞内向外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成孔状结构，称之为生物膜。利用生物膜的生物吸附和氧化作用，以降解去除污水中的有机污染物。

第25页：生物膜的形成

生物膜的形成•有机物浓度差：在生物膜外附着一层薄薄的水层，称附着水层。附着水层的水流动很慢，其中有机物大多已被生物膜中的微生物摄取，其浓度要比流动水层中低得多。在浓度差的作用下，废水在滤料表面流动时，有机物从流动水层转移到附着水层，进而被生物膜所吸附。

• 氧气：空气中的氧气通过水层进入生物膜。生物膜上的微生物在有充足氧的条件下对有机物进行分解，将其转化为无机盐和二氧化碳，二氧化碳沿着相反方向从生物膜经过水层排到空气中。
• 厌氧分解及生物膜老化：随着生物膜厚度增大，其深层因氧不足而发生厌氧分解，积蓄硫化氢、氨气、有机酸等代谢产物。这些物质会减弱生物膜在惰性载体上的固着力，形成老化生物膜，容易脱落。供氧充足时，可以加快好氧膜的更新，使生物膜不集中脱落。

第26页：生物膜的构造与挂膜

生物膜的构造挂膜：污水流经滤料，污水中的微生物附着在滤料表面，有机物被分解形成生物膜并逐渐成熟。挂膜方式：自然、活性污泥、接种结构：

• 从外到里顺序：流动水层、附着水层、生物膜（分为好氧层和厌氧层）、滤料。
• 膜的表面吸取营养和溶解氧容易，微生物生长繁殖迅速，形成了好氧微生物和兼性微生物组成的好氧层（1～2mm）。
• 内部营养和溶解氧的供应条件差，生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，形成了厌氧微生物和兼性微生物组成的厌氧层。

第27页：生物膜的增长过程

生物膜的增长过程:生物膜的增长过程主要经历了适应期、对数增长期、稳定期及衰减期。根据生物膜法的具体运行情况，在四个阶段的基础上划分成六个阶段。当水温20℃，而且有机物含量适当时，滤床的挂膜只需一周时间，但达到完全成熟约需20d～30d时间。

• 二、生物膜的增长及动力学潜伏期或适应期微生物在经历不可逆附着过程后，开始逐渐适应生存环境，并在载体表面逐渐形成小的、分散的微生物。这些初始菌落首先在载体表面不规则处形成，这一阶段的持续时间取决于进水底物浓度以及载体表面特性。氨化微生物首先生长繁殖，有机氮通过氨化作用转化成氨氮，因此，出水口的总氨氮反而比处理前高。

第28页：对数期或动力学增长期

对数期或动力学增长期分散菌落迅速增长，逐渐覆盖载体表面。生物膜厚度可以达到几十μm。多聚糖及蛋白质产率增加，大量消耗溶解氧，后期氧成为限制因素。此阶段结束时，出水底物浓度基本达到稳定值，这个阶段决定了生物膜反应器内底物的去除效率及生物膜自身增长代谢的功能。线性增长期生物膜以恒速率增长，出水浓度变化不显著；耗氧速率保持不变。生物膜总量的积累主要源于非活性物质，活性生物量所占比例很小，且随生物膜总量的增长呈下降趋势。原因是：剩余有效载体表面饱和；禁锢作用明显，有毒或抑制性物质积累。对底物的去除没有明显效果。

第29页：减数增长期

减数增长期由于生存环境质量的改变以及水力学的作用，出现了生物膜增长速率变慢，这一阶段生物膜在质量和厚度上达到了稳定的过渡期。此时生物膜结构疏松，对水力学剪切作用极为敏感。出水中悬浮物的浓度明显增高，末期，生物膜质量及厚度都趋于稳定，运行系统也接近稳定。生物膜稳定期生物膜新生细胞与各种物理力所造成的生物膜损失达到平衡。此阶段，生物膜相及液相均已达到稳定状态。

第30页：脱落期

脱落期随着生物膜的成熟，部分生物膜发生脱落。生物膜成熟后，微生物继续增殖，生物膜不断增厚，代谢产物过多，好氧生物膜与厌氧生物膜之间失去平衡，致使好氧性生物膜的生态系统遭到破坏，生物膜则呈现老化脱落。故生物膜不宜太厚或太薄，一般以0.5mm～1.5mm为佳。此阶段中，出水悬浮物浓度增高，直接影响出水水质；底物降解过程受到影响，其结果是底物去除率降低。在运行生物膜反应器时应该尽量避免生物膜同时大量脱落。

第31页：细菌的生长曲线

1—适应期；2—对数生长期；3—稳定期；4—衰亡期细菌的生长曲线

第32页：生物膜的物质传递过程

多种物质的传递过程：微生物代谢产物空气流动水层附着水层生物膜微生物呼吸污染物流动水层附着水层生物膜生物降解生物膜附着水层流动水层CO2、H2S、NH3流动水层溢入空气中

第33页：硝化反应生物滤池的种类

第三节硝化反应生物过滤装置硝化反应生物滤池的种类：

• 浸没式(submerged)
• 滴流式（trickling）
• 生物转筒(biodrums)
• 生物转盘(biodisk)
• 流化床(fluidized beds)
• 念珠式(bead filters)过滤器等。

第34页：浸没式生物滤池

浸没式生物滤池（Submerged biofilter）生物接触氧化法实质上是生物膜法与活性污泥法的混合型式，国外又称为浸没式生物滤池法。滤料：砂粒、陶粒、聚乙烯等,片状网纤滤料较理想特点：

• 滤料完全浸没在水中，生物膜所需的氧气由水流带入。
• 分为向下流动式和向上流动式两种。
• 前者水自上而下过滤，底部出水；
• 后者则自下而上过滤，池顶溢水。能量消耗：
• 能量的应用取决于需把水抽入容器的高度；
• 反冲洗的能量消耗

第35页：浸没式生物滤池构造

浸没式生物滤池构造

第36页：滴流式生物滤池

滴流式生物滤池（Trickling Filters）•进出水：过滤器顶部为进水口，采用喷淋管设计，使所有填料都能均匀接触到向下通过的水流，经过硝化降解后的水体由底部出水口流出。

• 采用底部供气方式，顶部设有排气口：由于热气流上升冷气流下沉，使过滤器内部形成一个气流循环，并且与喷淋的水流形成反向切割，进一步加速了水体溶氧的速度，为硝化反应提供了高氧环境。
• 生物填料被空气和水交替接触：有利于寄生在填料表面的好氧性硝化菌更好地利用空气中的氧气，加速硝化反应，减少电力供氧的能耗。
• 过滤器外形：圆形和矩形两种；容器材料分为玻璃钢和防腐金属等；设备使用分为：串联和并联两种。

第37页：滴流式生物滤池构造

滴流式生物滤池

第38页：生物转盘

生物转盘（Biodisk）60年代起源于德国，我国70年代引进，能耗低，效果好,目前我国在养殖中应用较少。

第39页：生物转盘的构造特点

生物转盘的构造特点构造：盘片、接触反应槽、转轴、驱动装置4部分组成一、盘片：盘片的形状：外缘：圆形、多角形等；盘面：平板、凹凸板、波形板、蜂窝板、网状板等各种组合。盘片的厚度与材质：要求质轻、薄、强度高，耐腐蚀，易于加工、价格低等；一般厚度为0.5~1.0cm；常用材料：聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯以及玻璃钢等。转盘的直径：一般直径为2.0、2.5、3.0、3.5m等，常用的是3.0m。盘片间的间距：一般为30mm，高密度型则为10~15mm。

第40页：接触反应槽与驱动装置

2 .接触反应槽•用钢板或钢筋混凝土制成，横断面呈半圆形或梯形；

• 槽内水位一般达到转盘直径的40%，超高为20~30cm；
• 转盘外缘与槽壁之间的间距一般为20~40cm。
• 3.驱动装置
• 驱动方式——电力，空气，水力驱动
• 转速——0.8-3.0r/min，外缘线速度15-18m/min

第41页：生物转盘的水质净化原理

水质净化原理废水处于半静止状态，微生物附着在转动的盘面上1 .当转盘浸没水中时，有机物被生物膜吸附；2 .当转盘离开水面时，固着水层从空气中吸收氧，固着水层氧过饱和，转移到生物膜和污水中；3 .圆盘的搅动也使大气中的O2进入水中（O2有两部分来源）；4 .盘上的“生物膜”与“水”及“空气”交替接触，水质得到净化。

第42页：

第43页：生物转筒

生物转筒（Biodrums）生物转筒是生物转盘的变型，是20世纪70年代中期发展起来的。丹麦研制了单转筒型，德国则发展了多转筒型，转筒内的填料有塑料球、塑料环和波纹盘片等。有些生物转筒外还设有集气装置以增加水中溶氧量。生物转筒形式：

• （1）外壳为硬聚乙烯塑料，内装聚氯乙烯波纹圆盘片，转筒由16只小转筒组成；
• （2）外壳为钢制，筒内固定硬聚乙烯多边形波纹盘面；
• （3）筒体四周装有小容器，当转筒向上转时，小容器内盛满了水，向下转动时，水被洒在塑料球上，空容器内充满空气进入水中，净化水的体积为生物转筒体积的15～25倍。

第44页：生物转筒的转速控制

生物转筒的速度：一方面是为避免细菌在水中浸泡的时间太长而导致缺氧，另一方面也是为了避免细菌在空气中待的时间太长而干死。研究表明在低氨和亚硝酸盐条件下，养殖用硝化生物滤池作用效果的限制因素往往是氨或亚硝酸盐（胜过氧气）。生物转筒的转动速度应根据氨或亚硝酸盐的浓度来定。生物转筒模型图

第45页：生物流化床的原理

流化床是以砂、活性炭、焦炭一类的较小的惰性颗粒为载体充填在床内，载体表面被覆着生物膜，污水以一定流速从下向上流动，使载体处于流化状态。生物流化床工作原理生物流化床示意图

第46页：流化过程的三个阶段

流化过程的三个阶段

第47页：固定床阶段

1.固定床阶段当液体以很小的速度流经床层时，固体颗粒处于静止不动的状态，床层高度也基本维持不变，这时的床层称固定床。在这一阶段，液体通过床层的压差Ap随空塔速度v的上升而增加，呈幂函数关系。当液体流速增大到压差Ap约等于单位面积床层重量时，固体颗粒间的相对位置略有变化，床层开始膨胀，固体颗粒仍保持接触但不流态化。

第48页：流化床阶段

2.流化床阶段当液体流速大于b点流速，颗粒被液体托起而呈悬浮状态，此时由颗粒所形成的床层完全处于流化状态，这类床层称流化床。在此阶段，流化层的高度h是随流速上升而增大，床层压差△p则基本上不随流速改变，bc段所示。b点的流速Vmin是达到流态化的起始速度，称临界流化速度。临界速度值随颗粒的大小、密度和液体的物理性质而异。

第49页：液体输送阶段

3.液体输送阶段当液体流速超过c点后，床层上部的界面消失，载体随液体从流化床带出，此阶段称液体输送阶段。在水处理工艺中，这种床称“移动床”或“流动床”。c点的流速Umax称颗粒带出速度或最大流化速度。流化床的操作应控制流体的流速介于临界流化速度Vmin与最大流化速度Vmax之间。载体床中的流体速度与载体间的孔隙率密切相关，二者之间的关系确定了膨胀的行为，这也是流化床工艺设计的关键。

第50页：生物流化床的类型

流化床的类型根据生物流化床的供氧、脱膜和床体结构的不同，好氧生物流化床主要有两种类型两相生物流化床三相生物流化床

第51页：两相生物流化床

1、两相生物流化床亮相生物流化床工艺流程图两相生物流化床工艺流程图

第52页：三相生物流化床

2、三相生物流化床三相生物流化床工艺流程图

第53页：三相生物流化床的特点

三相流化床设备较简单，操作亦较容易，此外，能耗也较二相流化床低。三相生物流化床是气、液、固三相直接在流化床体内进行生化反应，不另设充氧设备和脱膜设备，载体表面的生物膜依靠气体的搅动作用，使颗粒之间剧烈摩擦而脱落。三相生物流化床的设计应注意防止气泡在床内合并成大气泡而影响充氧效率。充氧方式减压释放空气充氧射流曝气充氧

第54页：生物流化床的优点

生物流化床的优缺点主要优点：

• 1、容积负荷高，抗冲击负荷能力强滤料颗粒小，比表面积大，单位床体的生物量很高（10～14g/L）2、微生物活性强由于生物颗粒在床体内不断相互碰撞和摩擦，其生物膜厚度较薄且较均匀。据研究，对于同类废水，在相同处理条件下，其生物膜的呼吸率约为活性污泥的两倍。
• 3、传质效果好由于载体颗粒在床体内处于剧烈运动状态，气-固-液界面不断更新，有利于微生物对污染物的吸附和降解，加快了生化反应速率。
• 4、对充气设备要求不高。由于曝气同时搅拌，空气利用率及动力效率高，对充气设备要求不高。

第55页：生物流化床的缺点

缺点：

• 设备磨损及生产放大的问题，防堵塞、曝气方法、进水配水系统的选用和生物颗粒流失等。
• 滤料的问题：砂质载体虽耐磨但比重大，不易流化；颗粒活性炭则不耐磨。比重略大于水而又耐磨的粒状（即体积小）载体。生物流化床工作性能的提高，关键在于载体的革新。

第56页：微珠生物滤器

微珠生物滤器（Bead filters）•微珠生物滤器与生物流化床外形十分相似。主要区别在于微珠生物滤器的滤材是比水轻的塑料颗粒。颗粒大小不一，但一般直径都在几毫米以下。微小的滤材颗粒使得比表面积较大。因此这类过滤器体积较小。

• 水从底端流入顶端流出。过滤器上下端都安装多孔板。顶部的多孔板用来挡住介质，而底端多孔板允许下面的水流过并在反冲洗或水流有间断时防止介质下漏。微珠生物滤器相对来说是比较新的产品，优势在于它是生物学与机械工程技术的结合产品。采用比表面积很大体积较小的滤材，比其它硝化生物滤池小巧。

第57页：微珠生物滤器模型图

微珠生物滤器模型图

第58页：温度对生物过滤的影响

第三节影响生物过滤的因素物理因素一、温度•一般，水温越高，过滤器的氨氮转化速度越快。但如果水温在一定范围内缓慢变化，氨氮转化菌对温度有一定的调节适应能力，对生物滤器的效率影响不大。

• 当生物过滤器在20℃~27℃水温下长期运行时，其氨氮去除率没有明显差异。如果水温突然大幅度下降，则细菌的生长会受到很大抑制，效率将大为下降；如果水温突然上升较多，过滤器的工作效率也不会很快提高。
• 研究表明，如果时间充足，硝化细菌所能适应的温度范围很大。温度在7℃到35℃之间，氨的去除率及硝酸盐的生成率与温度呈线性关系。在养殖水体的硝化生物滤池中，硝化细菌适应温度的范围有所减小。

第59页：氨去除率与温度的关系式

氨去除率与硝酸盐生成率随温度变化的经验关系式：

• AMR = 140 + 8.5T（AMR 为氨去除率，即每天每升水 NH₄⁺-N 的去除量，mg）
• NRTP = 63 + 9.9T（NRTP 为硝酸盐的生成率，即每天每升水 NO₃⁻-N 的生成量，mg）
• T 为温度（℃）：温度在 7℃ 到 35℃ 之间，氨的去除率及硝酸盐的生成率与温度呈线性关系
• Hang and McCarty（1972）给出浸没式生物滤池中氨的消耗速率 ACR =（0.11T－0.2）(S/10)，其中 S 为氨的浓度（mg/L）

第60页：雷诺数与转盘转速

二、雷诺数（Reynolds）和RBC转动速度雷诺数Re，是表征流体流动特性的一个重要参数。流体流动时的惯性力和粘性力之比称为雷诺数。用符号Re表示。是一个无量纲量。硝化生物滤池模型设计需要给出准确的雷诺数。Re＝ρvL／μ•ρ、μ为流体密度和粘度；

• v、L为流场的特征速度和特征长度。
• 外流问题，v、L一般取远前方来流速度和物体主要尺寸(如机翼弦长或圆球直径)；
• 内流问题，则取通道内平均流速和通道直径。

第61页：空隙率和比表面积

三、空隙率和比表面积•孔隙率：材料体积内孔隙体积占材料总体积的百分率。在生物过滤器中，孔隙率是指滤层中的空隙体积与滤层总体积之比。孔隙率与滤料的粒径和不均匀度有关，粒径越小或不均匀度越大，孔隙率越小。滤层的孔隙率太大，过滤装置的截污能力变差，孔隙率太小则滤层的水流阻力增大。

• 比表面积：单位容积滤材的表面积（m2/m3)。比表面积通常与滤材的类型有关。比表面积越大，单位容积内所能附着的生物膜面积越大，滤材表面生长的细菌就越多，单位容积内氨氮的去除率就越高。
• 滤材颗粒大小，空隙率与比表面积三者相互关联：滤材尺寸越小，通常比表面积越大，而空隙率越小，水头损失越大，负荷率越低，氨氮去除率越高，越容易堵塞。

第62页：

第63页：滤材类型与尺寸

四、滤材类型与尺寸滤材是一种固体物质，在滤器中为细菌的生长提供附着空间。滤材的种类：石英砂、陶粒、活性炭、塑料等有几百种。

• 对滤料的基本要求：
• （1）比表面积要大；
• （2）孔隙率要高；
• （3）材质轻而强度高；
• （4）物理化学性质稳定，对微生物的增殖无危害作用；
• （5）价廉，取材方便。

第64页：滤料形状的分类

滤料形状块状板状纤维状天然块状人工块状碎石、矿渣、碎砖、焦碳等陶瓷环等塑料板等软性塑料填料等

第65页：砂粒石子与塑料滤料参数

• 砂粒和石子：比表面积:65~100m2/m3;孔隙率:45%~50%左右;粒径:3~8cm左右。
• 塑料滤料：比表面积可达100～200m2/m3:孔隙率:80～95%;通气性好，布水均匀时可承受高负荷。
• 生物流化床：相对较小、较重的过滤介质，较大的比表面积，并且防止被冲跑。石英砂适合流化床。
• 生物转筒和生物转盘：滤材重量轻，设计时必须考虑轴承的承载和使用寿命。一般使用塑料环、塑料球及其它比重较小的滤材。

第66页：各类生物填料

聚乙烯蜂窝填料半软性填料弹性立体填料YHT型弹性生物填料软性、复合填料漂浮填料岩页陶粒三维立体网状填料

第67页：水力负荷的定义

五、水力负荷（Hydroulic and Mass Loading）定义：单位体积或单位面积滤料每天可处理的废水量。单位：m3/m3·day或m3/m2·day。

• 是生物滤池等设计和运行的重要参数。
• 在浸没式、滴流式过滤器中，是指单位时间内流过过滤器顶端单位表面积的水量。
• 对硝化生物滤池水流载量有最小和最大量，最小载量必须保证能保持滤材的湿润。

第68页：不同类型滤池的水流载量

• 生物转筒或生物转盘：水流载量通常指通过滤器单位介质表面积的水流量。
• 滴流式生物滤池：滤材必须保持湿润以使细菌可以存活。
• 浸没式过滤器：对最低流量的要求是其氧气的供应必须满足生物滤池的要求。
• 生物转盘和生物转筒：最低水流量须保证所提供的营养及水份能保持硝化细菌的生存和湿润。

第69页：影响生物滤池水流量的因素

影响生物滤池水流量的因素：生物滤池类型、滤材大小、材料等因素有关，而生物滤池类型对水流大小影响最为显著。

• 生物转盘和生物转筒中，硝化细菌是否会被冲掉与水流流量和轴的转速都有关系。
• Kaiser and Wheaton研究发现水流速快且氨含量小时，其氨的去除率高。
• 在对滴流式生物滤池的研究中有类似的发现，认为COD的去除效率与COD的浓度无关。

第70页：生物滤池的深度

六、生物滤池的深度足够的深度以保证氨被亚硝化细菌转化为亚硝酸盐，然后被硝化细菌转化成硝酸盐。生物滤池完成这些转变需要一定的深度。

• 深度对浸没式和滴流式生物滤池非常重要；
• 而生物转盘和生物转筒的浸没深度则比较重要。
• 生物转盘和生物转筒浸入水中的深度为圆盘直径40％。

第71页：浸没式滤池深度的影响

影响浸没式生物滤池深度的因素：浸没式生物滤池的深度与滤材尺寸，水压和氨的载运率，雷诺数等因素有关。以砂粒为滤材的生物滤池只需几厘米水深；以8厘米的塑料环为介质的滴流式生物滤池则需4-5 m深度。因此，没有一个固定的最适深度。设计时须区别对待。除特别好的滤材如砂子，多数过滤器最小深度为1米。

第72页：反应阶段的影响

七、反应阶段的影响对生物转盘的研究发现，采用数个小的生物转盘，串联在一起，在相同容积情况下，比用一个大的生物转盘效果要好，主要因为这样水流可以被更好地混合均匀，同时，也可以让不同的细菌在不同的反应阶段生长，可以更好地处理水质。

• 八、生物滤池横截面积生物滤池横截面积指生物滤池顶部的面积，这部分空间是生物滤池设计过程中的最后一个参数。生物滤池的横截面积部分决定了设计水力负荷率。对转盘和转筒式过滤器意义不大。

第73页：界面水层厚度与光照

九、界面水层厚度界面水层厚度是指生物膜表面浊而不动的水层厚度。这一厚度与流过滤材的水流速度、水的粘度及温度有关。Hochheimer在模型研究中发现，界面水层厚度为1.0－100微米。

• 十、光照硝化生物滤池比较适合于在黑暗环境中运行。光照强度高于阳光强度的1%会抑制硝化细菌的生长。光照能氧化亚硝化细菌和硝化细菌内的细胞色素C。硝化细菌比亚硝化细菌对光照更敏感。对硝化细菌而言，完全黑暗的环境比白天的强光照射更合适。

第74页：pH对生物滤池的影响

影响生物滤池的化学因素一、pH•硝化生物滤池，pH值最佳范围是6—9。特殊生物滤池的pH值适用范围更窄。

• 细菌逐渐适应的话，其pH范围可以从5—10。
• pH值低于6时硝化过程有明显的下降趋势，pH值达到5时完全停止。因此，pH值水平应保持在6以上。
• 由于NH3的含量会随pH值的升高而升高，为减少氨气对养殖鱼类的有害影响，在硝化细菌生长良好的情况下pH值应尽量保持在较低的水平。
• 若pH值变化迅速，几分钟内变化超过0.5－1个单位，会大大降低细菌的过滤效果。适应速度取决于：温度、PH值的变化大小以及氨的浓度。

第75页：碱度对硝化的作用

二、碱度•在NH4+向硝酸盐的转化过程中需要消耗一定的碱。

• 重碳酸盐（小苏打）对硝化细菌的生长是非常关键的。实际上，碳酸盐和重碳酸盐形式的碱对硝化菌来说是一种营养元素。
• 由于在硝化过程中产生了酸性物，碱有助于保持pH值的稳定性。
• 碱度至少要保持在1.5meq/L（mmol/L）才能确保它的最大硝化率。

第76页：氧气对硝化的影响

三、氧气•氧气供应不足时硝化反应速率就会下降。

• 影响氧气含量的因素：水流温度、有机物浓度以及细菌生物量。
• 硝化过程是由有机物到氨到亚硝酸盐再到硝酸盐，污水本身含有高浓度的异养生物，氧气首先被异养细菌利用，然后才是亚硝化细菌和硝化细菌，在氧气只由水流来提供的滤器中，亚硝化菌和硝化细菌经常处于缺氧状态。
• 生活污水，要求氧气含量在1mg/L以上。对于养殖水硝化生物滤池要求最低氧气含量是2 mg/L。
• 养殖生物滤池，氨或亚硝酸盐不足比氧气不足更为重要。

第77页：氨与亚硝酸盐浓度的影响

四、氨/亚硝酸盐浓度事实证明过高浓度的氨与亚硝酸盐对硝化生物滤池的运作有害，亚硝酸和非离子氨（NH3）是限制元素。

• 非离子氨对亚硝化细菌（Nitrosomonas）的有害浓度为：（10－150 mg/L）；对硝化细菌（Nitrobalter）的有害浓度（0.1-1.0 mg/L）。
• 亚硝酸的限制浓度为：0.22－2.8 mg/L之间。
• 研究表明，温度以及硝化细菌数量都影响到硝化细菌对非离子氨或亚硝酸的承受能力。
• 与城市污水过滤器相比，养殖水生物滤池中氨和亚硝酸盐的含量很低。经常低得足以限制过滤器的硝化过程。因此，养殖水体中的硝化过程中，氨和/或亚硝酸盐往往比氧气更能起到限制作用。

第78页：固体颗粒和溶解有机物

五、固体颗粒和溶解有机物固体颗粒的影响•对硝化生物滤池影响：阻塞通道；提供细菌附着的空间；增加有机物。

• 有机颗粒还能为异养细菌提供营养素促使其与硝化细菌争夺生长空间。所以，生物滤器不但要有硝化作用还必须有处理有机物的能力。溶解有机物的影响
• 氨的去除率受有机物含量的影响，当有机物含量升高时氨的去除率就低。
• 当BOD5/TKN比率为0.25时，硝化速率达到最大，而比率升高硝化速率下降。
• Antonie(1976)在研究RBC与生化需氧量（BOD）关系的后期阶段发现，当BOD5过高时，异养细菌快速繁殖，硝化细菌无法与之抗衡，而将通过种群动力的方式变弱。

第79页：盐度对硝化的影响

六、盐度生物过滤器几乎可以在任何盐度条件下工作，从淡水到盐度为40之间。

• 淡水硝化细菌在海水条件下会受到严重影响。
• 在几分钟内盐度的变化若超过5，会严重降低硝化速度，盐度的突变会使硝化细菌受到打击并降低硝化速率，稳定的盐度是保证硝化速率最大的前提。
• 研究表明，硝化细菌从淡水转移到海水中时，硝化细菌的特定生长速度从0.04每小时减弱到0.0028每小时。

第80页：气体扩散速度

七、气体扩散速度•生物过滤器的滤材表面附着一层生物膜。而细菌就生长在其中，因此氧气、氨以及亚硝酸盐必须能渗透进去，亚硝酸盐、硝酸盐和碳氧化物还必须能穿出这层薄膜。

• 在生物膜外面还有一层附着水层，也是这些元素必须穿越的。因此更增加了气体扩散的难度。在一定情况下，气体扩散也就成了限制硝化速率的因素。
• 氧气和氨在生物膜和界面水层扩散速率随温度升高而升高。

第81页：其它化学无机物的影响

八、其它化学无机物的影响•无机盐等化学物质对硝化过程影响的报道非常模糊、笼统，甚至互相矛盾，但公认影响确实存在。

• 有报道，高浓度的钙对亚硝化细菌（Nitrosomonas）的新陈代谢是必不可少的，而高含量的镁对硝化细菌（Nitrobacter）同样必不可少。
• 对硝化过程起积极作用的元素：磷酸盐、Mg、Mn、Fe、Ca、Na。
• 起消极作用的元素：Ca(浓度超过0.5mg/L)、铬、镍，以及有机化合物包括维生素、氨基酸及其它元素。
• 养殖水处理系统中像福尔马林（甲醛溶液），CuSO4溶液，KMnO4溶液，以及NaCl溶液对硝化过程没有影响。

第82页：生物量密度

九、生物量密度•生物量密度指单位体积生物膜内所含细菌细胞的数量。

• 影响生物量密度的因素：营养利用率、水流速度、细胞性质等。
• 同一个过滤器中不同的位置其生物量密度各不相同，不同的过滤器之间的生物量密度差距更大。
• 十、细胞产量定义：平均每单位数量的氨转化成硝酸盐所产生的细胞量。
• 每克氨被氧化成硝酸盐产生0.17克的细胞。
• 生长速度慢，硝化滤池不易阻塞，生长周期长，过滤器作用效果缓慢；生长速度快作用效果好，滤器易堵塞。

第83页：硝化滤池设计总结

总结•综上所述，氨转化为亚硝酸盐进而转化为硝酸盐。硝化过程复杂、影响因素众多，在对硝化滤池进行设计时将所有因素都考虑进去非常困难。

• 如何才能把所有的因素都考虑周到并设计出有效的合理的硝化生物滤池，最有效的方法就是利用数学模型。
• 对复杂的硝化过程及生物滤池的运作性能等进行量化。
• 数学模型的建立需要大量的基础数据，由于消化过程复杂、影响因素众多，许多数据很难获得或不十分准确，对设计的准确度产生影响。模型存在不足，有待进一步研究。