污水的生物处理一 活性污泥法.docx

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污水的生物处理一活性污泥法

第四章　污水的生物处理

（一）――――活性污泥法

人工处理：

活性污泥法、生物膜法

自然处理

§4.1　　活性污泥法的基本原理

一．基本概念和工艺流程

（一）基本概念

1．活性污泥法：

以活性污泥为主体的污水生物处理。

2．活性污泥：

颜色呈黄褐色，有大量微生物组成，易于与水分离，能使污水得到净化，澄清的絮凝体

（二）工艺原理

1．曝气池：

作用：

降解有机物（BOD5）

2．二沉池：

作用：

泥水分离。

3．曝气装置：

作用于①充氧化②搅拌混合

4．回流装置：

作用：

接种污泥

5．剩余污泥排放装置：

作用：

排除增长的污泥量，使曝气也内的微生物量平衡。

混合液：

污水回流污泥和空气相互混合而形成的液体。

二．活性污泥形态和活性污泥微生物

（一）形态：

1、外观形态：

颜色黄褐色，絮绒状

2．特点：

①颗粒大小：

0.02－0.2mm②具有很大的表面积。

③含水率>99%,C<1%固体物质。

④比重1.002－1.006，比水略大，可以泥水分离。

3.组成：

有机物：

{具有代谢功能，活性的微生物群体Ma

{微生物内源代谢，自身氧化残留物Me

{源污水挟入的难生物降解惰性有机物Mi

无机物：

全部有原污水挟入Mii

（二）活性污泥微生物及其在活性污泥反应中作用

1．细菌：

占大多数，生殖速率高，世代时间性20-30分钟；

2．真菌：

丝状菌→污泥膨胀。

3．原生动物

鞭毛虫，肉足虫和纤毛虫。

作用：

捕食游离细菌，使水进一步净化。

活性污泥培养初期：

水质较差，游离细菌较多，鞭毛虫和肉足虫出现，其中肉足虫占优势，接着游泳型纤毛虫到活到活性污泥成熟，出现带柄固着纤毛虫。

☆原生动物作为活性污泥处理系统的指示性生物。

4．后生动物：

（主要指轮虫）

在活性污泥处理系统中很少出现。

作用：

吞食原生动物，使水进一步净化。

存在完全氧化型的延时曝气补充中，后生动物是不质非常稳定的标志。

（三）活性污泥微生物的增殖和活性污泥增长

四个阶段：

1．适应期（延迟期，调整期）

特点：

细菌总量不变，但有质的变化

2．对数增殖期增殖旺盛期或等速增殖期）

细菌总数迅速增加，增殖表速率最大，增殖速率大于衰亡速率。

3．减速增殖期（稳定期或平衡期）

细菌总数达最大，增殖速率等于衰亡速率。

4．内源呼吸期：

（衰亡期）

细菌总数不断减小，增殖速率小于衷亡速率，微生物的增殖要受到有机物含量的控制。

（四）活性污泥絮凝体形成

菌胶团：

P99细菌集团MLSS

原理：

活性絮凝体的形成与曝气池内的能含量有关

☆能含量：

曝气池内的有机物量与微生物量的比值，用F/M表示。

有机物F小，F/M小，能含量低，处于内源呼吸期，有利于絮凝体形成。

F大，F/M大，1/2mv2大，引力小不易结合。

F小，F/M小，V↓，易结合成小的菌胶团→生物絮凝体。

Ma+Me+Mi+Mii

三．活性污泥净化反应过程

１、初期吸附去除阶段

5-10分钟有机物高速去除

定义：

P100，吸附去除的原因→有巨大表面积，吸附力强，外部覆盖着多糖类的粘质层。

吸附去除结果：

有机物从污水中转移到活性污泥上去

2．微生物代谢

酶：

透膜酶

大分子（水解酶）→小分子（透膜酶）→细菌体内→微生物代谢

↗（分解代谢）→无机物+Q↗残存物质（20%）

有机物+O2（异养菌）→（合成代谢）→新细胞（内源代谢）→无机物质+Q（80%）

4.2活性污泥净化反应影响因素与主要设计运行参数

一．影响因素

1．营养物质平衡：

CNP

碳源N源无机盐类

C→BOD5≥100m3/L城市污水满足对某些工业废水，C低，补充碳源

N：

生活污水满足

对某些废水，N不足。

（尿素，（NH4）2SO4

Na3PO4-K3PO4C:

N:

P=100:

5:

1

2．DO：

{过低：

微生物生理活动不能正常进行，处理效果差

{过高：

①有机物降解过快，微生物因缺营养而死亡②耗能过大经济浪费

曝气池出口处DO2mg/L（局部区域进水口处较低，不宜低于1mg/L）

3．PH6.5—8.5偏碱

PH> 8.5粘性物质破坏→活性污泥结构破坏

PH<6.5:

分子结构有变化

4.水温:

{低温细菌

{中温细菌一般化10℃--45℃污水中草药15℃--35℃

{高温细菌↘对常年或半年处于低温地区,曝气池建在室内,建在室外要有保温措施.

5.有毒物质→对微生物抑制和毒害作用

重金属离子CN-酚

S2-

二.活性污泥处理系统的控制指标和设计运行操作参数

目标:

{①使水质,水量得到控制

{②使活性污泥量保持相对稳定

{③控制混合液中DO浓度,满足要求

{④使活性污泥有机物和DO充分接触

控制指标（对活性污泥的评价指标）→（工程上）设计运行操作的参数

1.表示控制混合液中活性污泥微生物量的指标混合液→污泥浓度

⑴混合液悬浮固体浓度（简化混合液污泥浓度）英文:

Mixedliquidsuspendedsolids（mlss）

定义:

P106

MLSS=（活性污泥固体物总重量）/混合液体积

MLSS=Ma+Me+Mi+Mii（Me+Mi）→非活性Mii→无机

⑵混合液挥发性悬浮固体浓度

SS{MLVSS有

{MLSS无

一般用f表示=MLVSS/MLSS城市污水落石出0.7---0.8

2、活性污泥的沉降性能及评定指标

⑴污泥沉降比P107

SV=（混合液30min静沉的沉降污泥体积ml）/（原混合液体积l）

意义:

SV小,沉淀污泥体积小,污泥沉降性能好.

城市污水:

15%---30%

⑵污泥溶积指数:

（SVI）（sludgsVolumeIndex）

SVI=（混合液30min静沉形成的活性污泥溶积ml）/（混合液中悬浮固体干重g）

=（（混合静沉30min的污泥体积）/（混合液体积））/（（混合液悬浮固体干重）/混合液体积））

=SV/MLSS

意义：

SVI过低，无机颗粒多，污泥缺乏活性。

SVI过高，污泥沉降性能不好，易发生膨胀。

SVI：

70-100SVI=100SVI=120

工程意义：

{①SVI与OBD污泥负荷关系

{②SVI－MLSS图

3．污泥龄（sludgeage）

指曝气池内活性污泥平均停留时间，以称生物固体平均停留时间。

在曝气池内，有机物降解过程中，微生物保持系统平衡，必须排除相当于每日增长的污泥量。

所以，排除污泥量=每日增长的污泥量

△X={随上清液排放的污泥土（Q-Qw）Xe

{从二沉池底部排出的污泥QwXr

△X=（Q-Qw）Xe+Qw-Xr

污泥量定义：

曝气池内活性污泥量与每日排放的污泥量之比

Qc=XV/△X=XV/（（Q-Qw）Xe+QwXV）

X:

代表微生物量XXrXeXv

S:

代表有机物量SaSeSo

回流污泥浓度等于排放剩余污泥浓度

（Xr）max=106/SVI

4.BOD—污泥负荷和BOD—容积负荷

F/M=NS=（QSa）/（XV）（kgBOD）/（kgmlssd）

定义：

V=（QSa）/（XNs）Q—日平均流量m3/s

Sa进入曝气池的原污水有机污染物（BOD）浓度

Sa=（1-η）S0（经除尘之后）

Sa=S0直接进入

在工程上：

BOD容积负荷

Nv=（QSa）/v（kgBOD）/（m2曝气池d）

Nv=NsX

Ns选取{过高，有机物降解和微生物繁殖速度都很大

{过低，有机物降解和微生物繁殖速度慢，容积大，增加了基建投资

Ns{高负荷：

1.5-2.5kgBOD5/kgMlssd

｛中负荷（一般）：

0.5-0.2

{低负荷：

≤0.1

SVI0.5-1.5避免易发生污泥膨胀

城市污水：

Ns：

0.5-0.3

５．有机物的降解和活性污泥增长

｛合成代谢---新细胞　　↘

　　　　　　　　　　　　差值---净增值----排放

｛内源代谢---减少新细胞↗

△X=aSr-bxb---自身氧化率　　a---合成产率Sr=Sa-Se

（dx/dt）g=（dx/dt）s-（dx/dt）e

（dx/dt）s=Y（ds/dt）uY—合成产率系数

（dx/dt）e=kdsv

（dx/dt）g=Y（ds/dt）u-kdxv----微生物增值速度基本方程式

（ds/dt）v=（Sa-Se）/t=（Sa-Se）/（V/Q）=Q（Sa-Se）/V

△X/v=YQ（Sa-Se）/v-KdXv同乘v

△X=YQ（Sa-Se）-KdVXv→用来计算排放的剩余污泥量

YKd的确定（上式同除以VXv）

△X/VXv=YQ（Sa-Se）/VXv-Kd

BOD污泥去除负荷

Xv/△X=Qc∴1/Qc=Ynys-Kd

Nys与Qc成反比关系

用图解法确定YKd图

经验数据生活污水:

Y0.4—0.65

Kd0.05—0.1

城市污水;Y0.4—0.5

Kd0.07

工业废水，YKd按实测数据由图解法组成

6．有机物的降解与需氧量

需氧过程{有机物降雨量降解的需氧量

{微生物内源代谢自身氧化需气量

Ov=a’Q（Sa-Se）+b’VXv用来计算曝气池内实际需氧量

a′:

有机物降解需氧量b′:

需氧率图解确定

O2/VXv=a′Q（Sa-Se）/VXv+b′=a′Nrs+b′

同除以Q（Sa-Se）

O2/QSr=a′+b′/Nrs

结论：

降解单位有机物需氧量小，BOD去除率高。

a′b′确定O2/VXv=a′+b′/Nrs

a′0.42---0.53b′0.188---0.11

4.3活性污泥反应动力学基础

一．概述

研究目的{①研究反应速度和环境因素间的关系

　　　　　｛②对反应的机理进行研究，使反应进行控制

反应动力学方程式{米门方程式1913　研究酶促反应速度

{莫诺方程式　1942

　　　　　　　　　｛劳—麦方程式1970

二．莫诺方程式

1．基本方程式形式

　提出人：

莫诺时间:

　１９４２　试验条件：

纯种生物在单一底物的培养基中

试验内容：

研究微生物的增值速度与底物浓度间的关系

结果与米门方程式相同

μ=μmaxS/（Ks+S）μ---比增值速度（单位生物量的增殖速度）

Ｓ―有机底物的浓度

Ｋs－饱和常数当μ=1/2μmax时，有机底物的浓度

有机物比降解速度与底物浓度关系

V=VmaxS/（Ks+S）

（1）

V=-（ds+dt）/xv=f（s）

-ds/dt=vmaxXS/（Ks+S）

（2）

2．推论

（１）对于高底物浓度条件下S>>Ks

V=Vmax=k1

-ds/dt=vmaxx=k1x

结论：

①在高底物浓度下，有机底物以最大速度进行降解，与有机底物浓度无关，其降解速度只与污泥浓度有关。

②低底物浓度，S<

V=VmaxS/Ks=k2S（3）

-ds/dt=VmaxXS/Ks=k2SX（4）

结论：

在低底物浓度下，有机底物降解速度与有机底物浓度有关，且成一级反应（有机物多，无机物少）

由（４）得　　　－∫s0sds/dt=∫0tk2xsdt

S=S0e-k2xt

3．莫诺方程式在曝气池中的应用

　Ｑ（Ｓa-Se）/v=-ds/dt

Q（Sa-Se）/v=Nrv∴ds/dt=Nrv

（1）用来计算Nrv=-ds/dt=Q（Sa-Se）/v=（Sa-Se）/t

k2Xse=Q（Sa-Se）/v

（2）计算Ｎrsk2Se=Q（Sa-Se）/xv=Nrs

（3）计算有机物降解率η=（Sa-Se）/S0=1-Se/S0=k2xt/（1+k2xt）

4．有关k2的确定（图解法）

Q（Sa-Se）/xv作纵轴Se-X　斜率k2

经验数据0.0168---0.0281

三．劳—麦方程式

　１．概念：

　（１）把污泥龄改名为生物固体平均停留时间

（２）提出单位底物利用率概念

２．基本方程式

（１）劳---麦第一方程式　　　１/Qc=Yq-Kd

（２）劳 －麦第二方程式　　v=q

　　　　　　　v=KS/（Ks+S）→（ds/dt）u/xa=KS/（Ks+S）

３．劳-麦方程式的推论及应用

1Se—Qc关系

2Xa—QcXa=YQQc（Sa-Se）/t（1+KdQc）

3R---Qc

4V与q的关系（ds/dt）u/Xa=k2Se→Q（Sa-Se）/XaV=k2Se→v=Q（Sa-Se）/k2XaSe

曝气池容积的计算方法

{①NsV=Q（Sa-Se）/NsX

{②NrsV=Q（Sa-Se）/NrsXv

{③劳麦{v=YQQc（Sa-Se）/Xa（1+KdQc）

{v=Q（Sa-Se）/k2SeXa

5两种产率△X=YQ（Sa-Se）-KdVXv

合成产率微生物的净增值量

Yobs=Y/（1+KdQc）

△X计算{△X=YQ（Sa-Se）-KdVXv

{△X=YobsQ（Sa-Se）

4.4曝气池的理论基础

作用：

充氧搅拌

方法：

鼓风曝气：

从鼓风机中房或空气压缩机房送来的空气，经过设置在曝气池底的空气扩散装置，溶解于水中。

机械曝气：

利用安装在池表面的机械曝气装置，将空气溶于水中。

一．氧转移原理－传质理论

（一）菲克定律－扩散转移

　　　　　　　　Ｖd=-Dldc/dxdc/dx—浓度梯度

Vd=（dm/dt）/A=-Dldc/dx

（二）双膜理论

处理废水量21600m3/d,经过沉淀后的ＢＯＤ５为250mg/l,希望处理后的出水ＢＯＤ５为２０mg/l,温度为２０℃，曝气池悬浮固体浓度为4000mg/l,设计的Ｑc为１０天。

要求：

采用劳-麦方程式计算Ｖ；计算排放的剩余污泥量

　　　计算实际所需的空气量。

1.定义：

双膜－气膜液膜

2.基本点

（1）通过两层膜，两层膜为层流状态，气液两相主体为紊流状态

（2）传质阻力仅存在于两层膜中

（3）在气膜中存在氧分压梯度，在液膜中存在氧浓度梯度

（4）传质阻力又主要集中在液膜上（O2难溶于水）

3.表达式：

4.Kla的确定（Kla-氧总转移系数）

（1）脱氧清水测定法

充氧介质：

清水

条件：

脱氧DO－0

水温：

20℃

大气压：

1个气压

步骤：

（1）脱氧剂（Na2so3N2）DO=0

（2）对清水充氧c1t达饱和→DS

（3）C关系作图

横轴C纵轴

（2）曝气池（了解）

二、氧转移的影响因素

1.污水水质KlaCs

（1）Kla的影响Kla′=&Kla（&﹤1）

（2）对CS的影响CS′＝CS（﹤1）

城市污水

水质越差，取值越小

2.水温Kla、Cs－转移速率增大

（1）对Kla的影响

（2）对CS影响CS查附录1－P607

３、氧分压C:

2㎎/L

（1）鼓风曝气

（２）机械曝气

P＝1C＝㎎/L为定值

4、其他影响因素

气泡大小紊流程度与气液接触时间人为因素

三、氧转移速率与供气量计算

1.标准条件下的氧转移量

（1）机械曝气

（2）鼓风曝气只将CSb→即可

2.实际条件下的氧转移量

（1）鼓风曝气

（２）机械曝气

３.供气量的计算

根据GS确定鼓风机型号及台数

（2）机械曝气QOS＝R

根据QOS可确定叶轮直径与功率

4.5曝气系统与空气扩散装置

技术性能的主要指标

（1）动力效率EP㎏O2/Kwh

每消耗1Kwh的电能，转移到混合液中O2的量

（2）氧利用率EA＝

（3）氧转移效率（充氧能力）EL㎏O2/h

（1）

（2）鼓风

（1）（3）机械

一、鼓风曝气系统与空气扩散装置（Or曝气装置曝气皿）

（一）鼓风曝气系统

1.组成空压机（Or鼓风机）GS

一系列连通管道

空气扩散装置

2.鼓风曝气过程

（二）空气扩散装置

1.微气泡空气扩散装置（多孔性空气扩散装置）

多孔性材料

优点：

EA较高

缺点：

易堵塞

（1）扩散板

EA＝7％－14％EP＝1.8－2.5㎏O2/kwh

安装：

在池底一侧或两侧

（2）扩散管

EA＝10％－13％EP＝2㎏O2/kwh

8－12根扩散管组成管组

（3）固定平板式微孔空气扩散皿

EA＝20％－25％EP＝4－6㎏O2/kwh

服务面积0.3－0.75㎡/个布满池底

（4）固定钟罩型

设计参数同（3）平板式

（5）膜片式微孔扩散皿合成橡胶

EA＝27％－38％EP＝3.4㎏O2/kwh

服务面积1－3㎡/个不易堵塞（与其它相对而言）

（1）

（2）（5）尤其是（5）最常用

（6）摇臂式微孔扩散器服务面积2㎡/个

EA＝18％－30％EP＝4.4－5.5％㎏O2/kwh

2.中气泡空气扩散器

（1）穿孔管塑料或钢管

直径25－50㎜

孔与孔之间距离50－100㎜

EA＝4－6％EP＝1㎏O2/kwh

（2）网状膜扩散器

EA＝12－15％EP＝2.7－3.7㎏O2/kwh

服务面积0.5㎡/个

3.水力剪切式空气扩散装置

特点：

利用装置本身的构造特点，产生水力剪切作用

在气泡吹出装置前，将大气泡剪切成小气泡，从而EA′↑

倒盆式

固定螺旋了解

金山型

4.水力冲击式空气扩散装置

（1）密集多喷嘴

（2）射流式空气扩散皿（射流曝气皿）

原理P157第一段

５、水下空气扩散器（了解）

〖总结〗

扩散装置安装在池底一侧，两侧Or布满池底

属于水下鼓气

二、机械曝气装置

机械曝气特点：

利用安装在曝气池表面的机械曝气装置在电机的驱动下转动，从而将空气中氧转移到水中它属于表面曝气。

它属于表面曝气

（一）机械曝气原理（通过3种作用实现）

1.表面充氧

2.整池充氧

3.吸入部分空气

（二）机械曝气装置

按传动轴的安装方向竖轴（纵轴）

卧轴（横轴）

1.竖轴机械愚昧落后敢装置

传动轴与水面垂直，装有叶轮，叶轮上装有叶片

又称竖轴叶轮曝气机（表曝机）

（1）泵型叶轮表曝机最佳线速度4.5～5m/s

叶轮淹没深度≤4㎝

目前国内已有系列产品，应用最广泛

（2）K型最佳线速度4㎝0～1㎝←叶轮淹没深度

规定叶轮直径与曝气池直径之比为

（３）倒伞型

（４）平板型

2.卧轴式表曝机

传动轴与水面平行由传动轴和叶片组成

应用→转刷曝气器（曝气转刷）

主要用于氧化沟

４．７　活性污泥反应器――曝气池

一、曝气池的分类

1.按混合液的流动形态推流式曝气池

完全混合式曝气池

循环混合式曝气池

2.平面形状

长方廊道形圆形正方形环状跑道形

3.按曝气方法

鼓风～机械～机械－鼓风～

　4.与二沉池的关系

合建式～分建式～

二、推流式曝气池

形状

1.曝气系统与空气扩散装置

多采用鼓风曝气系统

也可以采用机械曝气系统

（1）采用鼓风曝气系统的空气扩散装置的布置形式

一侧布置：

当曝气池宽度较小时采用＝1～2平移推流旋转推流

两侧布置：

当曝气池宽度较大时采用

布满池底：

运动形态为平移推流

（2）采用机械曝气

无隔墙时，相邻两台机械装置之间的旋转方向相反

设隔墙分室，相邻两中机械装置之间的旋转方向相同

2.曝气池的数目和廊道的排列组合

V根据污水厂规模确定曝气池的数目

一座曝气池选用1～5个廊道

廊道数为1、3、5进出水位曝气池的两侧

廊道数为2、4进出水位曝气池的同侧

3.曝气池的长、宽深

L＝50～70m为宜，最长达100m→（一个廊道的长）

（总长）B－1个廊道的宽

选定H后

由H确定B

4.曝气池横向隔墙分室的问题

设置横向隔墙作用

（1）消除纵向混合

（2）消除水流死角（3）使水质稳定

（2）设置方式

（1）一端紧靠

5.曝气池的顶部与底部

45°斜面

顶部外侧设渠道，池底部设排空管（放空管）直径80～100㎜

6.曝气池的进出水设备

三、完全混合式曝气池

多采有机械曝气装置，出可以采用鼓风曝气

1.曝气沉淀池（合建式）

（1）圆形→机械曝气

曝气区：

污水从底部进入，高4m以内

导流区：

高1.5m以上，宽0.6m左右，竖向挡（整）流板作用

沉淀区澄清区

污泥区：

排泥管设在作用

回流缝作用宽度0.15～0.2m

还设池裙

（2）正方形→机械曝所

（3）长方形→鼓风曝气

2.分建式完全混合曝气池

3.曝气沉淀池的优缺点

优点：

结构紧凑占地小

缺点：

去除率很低70％高浓度有机工业废水采用

四、循环混合曝气池－用于氧化沟工艺

４．７　活性污泥处理系统的运行方式

一、传统的活性污泥法系统（普通活性污泥法）

1.工艺流程

2.工艺特征

（1）耗氧速度浓度沿池长逐渐降低（有机物沿池长↓所以

（2）供气速度沿池长均匀分布

　　3.工艺参数T＝4～8HR＝25％～75％

Ns=0.2～0.4

Mlss（X）=1500～3000mg/L

4.优缺点：

优点：

去除效果很好η≥90%

适用于处理水要求高而稳定的水质

缺点：

（1）池容大，占地多，基建费用高

（2）耗氧速度与供氧速度难于吻合适应

（易出现前段氧不足，后段供氧过剩现象）

改进法：

采取分段（阶段）进水，使有机物沿池长均有分布；

采取渐减曝气法，使供气量沿池长减少。

（3）对水质，水量变化适应性差

二、阶段曝气活性污泥法系统（多段进水～or分段进水～）

1.工艺流程：

与传统活性污泥法进水方式不同

采取多点分散，均匀地进入每卒曝气池进水口3～4个

2.工艺特征

（1）耗氧速度沿池长均匀分布

（２）供气速度沿池长均匀分布

3.工艺参数t=3～5hR=25%-95%

NS=0.2～0.4Qc=5～15dMlss=2000～3500mg/L

4.优点

（1）缩小了耗氧速度与供氧速度之间的差距

（2）对水质、水量、冲击负荷的能力有所提高

（3）减轻了＝沉池的负荷

三、再生曝气活性污泥法系统

它是传统活性污泥法工艺的变型

工艺方面增加了再生池

二沉池回流污泥直接进入再生池再生

再生池作用－使活性污泥本身的活性增强

再生池一般不另设：

曝气池1～2个廊道设计过程同传统活性污泥法

（一.二.三均为推流式曝气池）

四、吸附一再生活性污泥法系统（40年代产生于美国）

→生物吸附活性污泥法or接触稳定法

1.工艺流程

分建式、合建式

2.工艺特征

将吸附和微生物代谢分别放在两个反应皿中进行

3.工艺参数

T＝吸附池（30～60min）0.5～1h

再生池3～6h

R=50%～100%Ns=0.2～0.4Qc=5～15d

Mlssi吸附池1000～3000mg/L

再生池4000～10000mg/L

4.优缺点：

优点：

吸附再生池容积小

对水质、水量冲击负荷承受能力更大

缺点对于溶解性有机物含量高的污水作用不大

五、延时曝气活性污泥法系统

（完全氧化活性污泥法）50年代处出现在美国

1.工艺流程:

同传统活