污水的生物处理---活性污泥法.pdf

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1、1/23 污水的生物处理-活性污泥法(Biological Treatment of Wastewater:The Activated Sludge Process)水体自净，氧化塘 自然条件下 土壤自净，土地处理 好氧处理 人工条件下 活性污泥法 生物处理 生物膜法 厌氧处理 自然条件下：高温堆肥、厌氧塘 人工条件下 厌氧处理技术 污泥消化(Aerobic/Anaerobic Suspended-Growth Treatment Processes Attached-Growth Treatment Processes)4.1.1.活性污泥处理法的基本概念与流程 Wastewater Air

2、 Aeration tank Secondary clarifier Return Sludge Excess sludge 4.1.2 活性污泥的形态与活性污泥微生物 2/23 1 活性污泥的形态:颜色，味，形状，比重，含水率 表面积 20-100cm2/ml；有机（75-85%）/无机成分，活性污泥组成：Ma+Me+Mi+Mii 微生物 惰性有机物 无机物 自身氧化残留物 2 活性污泥微生物（Ma）及其在活性污泥反应中作用 细菌：产碱干菌属，芽胞干菌属，动胶杆菌属，假单胞菌属，大肠杆菌属，无色杆菌属等（增殖世代时间 20-30min）；数量：107-108个/mL 真菌：丝状菌，霉菌；净化

3、能力与不利影响 原生动物：肉足虫类：如变形虫、滴虫，鞭毛虫类，：豆形虫、肾形虫、草履虫；纤毛虫类：钟虫、等枝虫、盖纤虫 原生动物-细菌的捕食者 后生动物：轮虫；水质良好的标志 微 生 残留食物量 物 量 微生物总量 自由游泳 纤毛虫类 有柄纤毛虫类 鞭毛虫类 肉足虫类 轮虫类 Time 图：原生动物在活性污泥反应过程中数量和种类的增长与递变模式 3/23 3 活性污泥微生物的增殖与活性污泥的增长 多种属的活性污泥微生物增殖规律与纯种微生物增殖规律相似 微生物增殖=活性污泥增殖 活性污泥的增殖受活性污泥能含量的控制 F/M有机物量/活性污泥量-有机负荷 量 对数增殖 减速增殖 内源呼吸 C d

4、X（Sludge）氧利用速率 b S（BOD）a 适应期 X0 Time 静态培养条件下，活性污泥增长曲线、有机物降解和氧利用速率 4 活性污泥絮体的形成 意义与作用 活性污泥絮凝体形成的骨干-菌胶团 活性污泥形成机制：能含量-F/M；电斥力与 X 德华引力 细菌种类：分泌粘着物的细菌：动胶杆菌、黄杆菌、蜡状芽孢杆菌等 4/23 4.1.3 活性污泥净化反应过程 有机物污染物净化-有机物被微生物摄取、代谢与利用 1、初期吸附去除 初期：5-10 min 30min 内 BOD 去除率达到 70%活性污泥强吸附能力的产生源：1）具有很大的表面积：2000-10000m2/m3混合液 2）多糖类粘

5、质层 吸附能力影响因素：1）微生物的生理状态 处于饥饿状态的微生物具有最强吸附能力 2）反应器中流态 吸附不等于降解，吸附能力是有限的，提高吸附能力污泥曝气 2、微生物代谢 小分子有机物-细胞壁微生物体内内酶代谢 大分子有机物水解酶小分子细胞壁微生物体内 有机物的氧化方程：HOHyxCOOzyxOHCzyx2222)24(新细胞的合成：HOHynCOxnNOHCOzyxnnNHOHnCnzyx2227523)4(2)5()()524(微生物自身氧化：5/23 HOnHnCOnONOHCn222275255)(分解代谢与合成代谢模式图：H2O，CO2，NH3+能量 分解代谢（1/3）有机物+O2

6、 合成（2/3）内源呼吸产物+能量 合成细胞物质+O2 80%内源呼吸残留物 20%4.2 活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数 4.2.1 活性污泥净化反应影响因素 1.营养物质平衡：C：N：P=100：5：1 其他微量元素：钠、钾、钙、镁、铁 2.溶解氧含量：DO2mg/L 3.PH 值 6.5-8.5 4.水温 适宜：10-450C 最佳：15-350C 5.有毒物质：重金属、酚类、甲醛 经过培养驯化后，微生物对有毒物质有适应与降解能力（表 4-4 p105）4.2.2 活性污泥处理系统的控制指标与设计、运行操作参数 6/23 使活性污泥系统正常、高效运行的基本条件：适当的污水水

7、质、水量 具有活性和足够量的活性污泥生物量 满足微生物需要的溶解氧 良好的流态，气、液、固充分接触 控制指标（设计、运行操作参数）1、表示及控制混合液中活性污泥微生物量的指标(1)Mixed liquor suspended solids(MLSS)(2)Mixed liquor volatile suspended solids(MLVSS)f=MLVSS/MLSS 0.75 2、活性污泥的沉降性能及其评价指标（1）30min 污泥沉降比（%）30%Settling Velocity/Sludge（settling）Volume（SV）（2）污泥容积指数，Sludge Volume Inde

8、x（SVI）定义：曝气池出口处混合液经过 30min 沉降后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占有的容积（mL/g）：）（）（）悬浮固体干重（）静沉形成的污泥容积（LgMLSSSVLgLmLSVI/10%/min30SVI 的意义：SVI沉降性能；SVI沉降性能 SVI 正常 X 围：SVI=70-100（120）城市和生活污水 SVI100 沉降性能好；100SVI200 一般；SVI200，不好 SVI 与 BOD-污泥负荷的关系（城市污水）：7/23 SVI 分散矾花 絮凝污泥 膨胀污泥 400 SVI 差 优 差 300 200 高负荷 一般负荷 SVI ZSV 100 0 2.5 2.0

9、 1.5 1.0 0.5 0 0 0.3 0.6 0.9 1.2 BOD-污泥负荷（kgBOD/kgMLSS.d）BOD-污泥负荷（kgBOD/kg.d）BOD-污泥负荷与 SVI 之间的关系 3.污泥龄（Sludge age，Mean cellresidence time）污泥增长与剩余污泥的产生与排出 剩余污泥产量：X=QWXr+（Q-QW）Xe （g/d）污泥龄：曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比 XVX （d）rWewrWXQVXXQQXQVX)(当二沉池处于最佳沉淀状态下：10001000/110)(6maxLmgmLggmLSVIXr 污泥龄的重要性：系统控制参数，生物种类控

10、制 4.BOD-污泥负荷 8/23 F/MFood-to-microorganism ratio XVQSNMFas kgBOD/kgMLSS.d X=MLSS ；Q=进水流量；Sa=BODin；V=曝气池体积 BOD 容积负荷 VQSNav kgBOD/m3.d BOD 负荷对有机物降解与活性污泥增长以及污泥沉降性能的影响（生物处理过程中的两个重要关系）：5.有机物降解与活性污泥增长 活性污泥的增殖有机物的降解 活性污泥的增殖=合成反应-内源代谢 活性污泥增长基本方程：污泥净增长速率=合成速率-内源代谢速率 esgdtdXdtdXdtdX 合成速率与有机物利用有关：usdtdSYdtdX Y

11、-产率系数 内源代谢速率与生物量有关：vdeXKdtdX Kd-衰减系数 d-1 vdugXKdtdSYdtdX（霍克来金 Heukelekian 方程）净增长速率以天（d）计时：9/23 vdeaVXKQSSYX)(Sa-BODin；Se-BODout；Xv-MLVSS Or：bVXQaSXr Sr=Sa-Se；X=MLSS a，b-Y，Kd（Y=0.5-0.65；Kd=0.05-0.1）污泥泥龄与 BOD 污泥去除负荷的关系的推导：由：vdeaVXKQSSYX)(两边同以 XVV 除：dvrVKVXYQSVXX 令：VXSSQVXQSNveavrrs)(BOD 污泥去除负荷（kg/kg.d

12、）而根据泥龄的定义：XVXcvVXX1 则推导出：drscKYN1 思考题：推导出水BOD浓度与污泥泥龄的关系 （城市污水 20OC：Y=0.4-0.8 mgVSS/mgBOD；0.25-0.4mgVSS/mgCOD Kd=0.04-0.075 d-1）6.有机物降解与需氧 vrVXbQSaO2 kg O2/d ；a-kg O2/kgBOD 去除；b-kg O2/kg 污泥自身氧化 10/23 由以上式子也可导出两个重要关系：单位重量活性污泥需氧量与 BOD 污泥去除负荷：vrVXbQSaO2 2bNabVXQSaVXOrsvrV 每降解 1kgBOD 的需氧量与 BOD 污泥去除负荷：rsr

13、vrNbaQSVXbaQSO12 a=0.42-0.53；b=0.188-0.11(生活污水)系数 Y，Kd，a，b，；a，b 的确定：dvrVKVXYQSVXXX/XVV Y bVXaQSXVXr Kd QSr/XVV O2/XVV 2bVXQSaVXOvrV a b QSr/XVV 11/23 4.3 活性污泥反应动力学基础 活性污泥反应：活性污泥对有机物的代谢；活性污泥的增长；活性污泥微生物对氧的利用等生化反应 活性污泥反应动力学主要研究活性污泥生化反应速率及其影响因素.主要内容：有机物降解速率与有机物浓度、活性污泥生物量 活性污泥增殖速率与有机物浓度、活性污泥生物量 4.3.2 Mon

14、od 方程式 1.基本方程 由描述酶（纯酶）促反应的米-门公式-描述纯种微生物在单一基质上增殖速率的 Monod 方程 基质降解速度 微生物增殖速度 Vmax V=Vmax MAX V=Vmax/2 =MAX/2 V=f（S）Km S S=KS S 米-门关系曲线 Monod 曲线 E+S ES E+P -微生物比增殖速度，t-1 酶 基质 复合物 酶 产物 max-微生物最大比增殖速度，t-1 12/23 mKSSVVmax V-基质降解速度 sKSSmaxKm饱和常数 进一步应用到污水处理过程（混合的活性污泥菌群）中：因为微生物的比增殖速度（）与有机物的比降解速度（v）成正比：v 则有机物

15、比降解速度也可以用米门公式描述：sKSSvvmax vmax-有机物的最大比降解速度，t-1 有机物比降解速度的定义：XdtSSddtdSXv)(10 S0，S 进出水有机物浓度 t 反应时间 所以：sKSSvdtdSXvmax1sKSXSvdtdSmax 有机物降解速度 X=MLVSS 当 2maxvv ；2maxmaxmax2212vvssssSKSKSKSSKSSvv 2.Monod 方程式的两点推论 （在两种极限有机物浓度下，Monod 方程式的两种简化表示式）（1）S KS 13/23 sKSXSvdtdSmax忽略 KSXkXvSXSvdtdS1maxmax零级反应（2）S KS

16、sKSXSvdtdSmax分母中S 忽略不计 XSkXSKvKXSvdtdSss2maxmax 一级反应 Vmax V=Vmax 一级反应 Vmax/2 零级反应区 S=KS S 在大多数污水生物处理中，用一级反应动力学表示有机物的降解速率是适当的。XSkdtdS2 积分后得：XtKSSt20ln-XtKteSS20 研究动力学公式时的几点假定条件：1）系统处于稳定状态（温度、PH、供氧、水质、水量）2）进水所有可生物降解有机物为溶解性 3）二沉淀池无微生物活动，活性污泥的絮凝、沉淀性能良好 14/23 4）一般都模拟处于完全混合流态的曝气池 3.Monod 方程式的应用 一完全混合活性污泥系

17、统的物料平衡图：Q S0 V Se X Q+RQ，Se，X Q，Se 进水 曝气池 二沉 出水 RQ，Xr，Se QW，Xr 回流污泥 剩余污泥 列有机物物料平衡方程：（R 污泥回流比）0)(0dtdSVSRQQRQSQSee 进入量 排出 变化量 整理：dtdSVSSQe)(0 1）若代入一级有机物降解的反应动力学方程；XSkdtdS2 eeeeSkXtSSXSkVSSQ2020)()(进而推导出 BOD 污泥去除负荷 Nrs与出水有机物浓度的关系：15/23 eersSkXtSSN20)(kgBOD/kg.d 经过整理：XtkSSe2011 or XtkXtkSSe22011 以及 BOD

18、 容积去除负荷 Nrv与出水有机物浓度的关系：eervXSktSSN20)(kgBOD/m3.d 2）代入 Monod 方程的一般形式（S/KS1）：sKSXSvdtdSmax seeeKSSvXtSSmax0)(同样也得到：BOD 污泥去除负荷 Nrs与出水有机物浓度的关系：seeersKSSvXtSSNmax0)(kgBOD/kg.d 以及 BOD 容积去除负荷 Nrv与出水有机物浓度的关系：seeervKSXSvtSSNmax0)(kgBOD/m3.d 4.动力学常数的确定 16/23 1）一级反应方程中的 k2：XtSeS 0 k2 eeSkXtSS20)(Se 2）Monod 方程中

19、的 vmax，KS：eSSXt0 seeeKSSvXtSSmax0)(KS/vmax 其倒数：maxmax011vSvKSSXtese1/vmax 1/Se 城市污水 20OC：vmax=2-10 d-1，KS=25-100 mgBOD/L 15-70 mgCOD/L 4.3.3 活 性 污 泥 动 力 学 的 另 一 种 表 示 形 式Lawrence-McMarty 方程式：特点：直接研究活性污泥反应过程，强调污泥泥龄的概念：污泥龄：活性污泥在反应器中平均停留时间 （d）c 生物固体平均停留时间 细胞平均停留时间 定义单位底物利用率：qXdtdSau 由 4-20：推出 L-M 第一基本方

20、程-泥龄与单位底物利用率：17/23 vdugXKdtdSYdtdXdcKYq 1 借用 Monod 方程建立 L-M 第二基本方程：设定有机物被微生物利用速率=有机物降解速率 sauKSSXvdtdSmax)(udtdS)(-有机物被微生物利用速率 其含义同 Monod 方程 L-M 推论的 3 个重要关系式：对完全混合活性污泥系统进行生物量、底物质量平衡分析：Q（1+R），Xa （Q-QW），Xe，Se Q，S0 Xa，V，Se R 污泥回流比 RQ，Xr，Se X=QW.Xr 1）Se-c：通过系统中微生物的质量衡算：由基本方程：daucKXdtdSY)(1 和 sauKSSXvdtdS

21、max)(推出：)1()1(m axdcdcsKYvKKSe 2)反应器中 Xa与c：通过进出曝气池的底物的质量衡算：18/23 由 daeaKVXSSYQVXX)(0 得：)1()(0cdecaKtSSYX 3)污泥回流比 R 与c：由进出二沉池污泥量的物料平衡：Q（1+R）Xa=（Q-QW）Xe+X+RQXr Xe 0 有：Q（1+R）Xa=X+RQXr 且 VXXac1 所以有：)1(1arcXXRRVQ 4)活性污泥的表观产率 Yobs Y 微生物增殖总量，没有去除由于微生物内源呼吸作用而使自身质量消亡的那一部分。实际测得的微生物增殖量，是微生物的净增殖量，称之为表观产率：Yobs=Y

22、/（1+Kdc）4.4 活性污泥处理系统的运行方式与曝气池的工艺参数 4.4.1 传统(普通)活性污泥法处理系统 （Conventional activated sludge process）19/23 进水 Air 曝气池 Aeration tank 二沉池 出水 回流污泥 工艺描述：狭长形，多廊道，推流式，吸附与代谢发生在一个池子中，供氧均匀 工艺特征：BOD BOD 降解 O2 需氧与供氧 污泥增长曲线 供氧 量 b x 需氧 a 减 内源代谢 DO 浓度 池长 池长 池长 工艺优点：历史悠久；停留时间长；污泥生长周期长，处理效率高（BOD 去除率 90-95%）；运行稳定，管理操作简单

23、，便于改革发展，污泥沉淀性能好；特别适用于对处理要求高，而水质稳定的废水 工艺缺点：需氧与供氧不平衡；池体积大，占地多；基建费用高；不适应冲击负荷。4.4.2 渐减曝气活性污泥法系统（Tapered Aeration）对普通曝气池的改进，主要解决普通曝气供氧不平衡的问题，供氧20/23 强度沿池长是变化的：优点：节能。O2 供氧 需氧 池长 4.4.3 阶段曝气活性污泥法系统（Step-feed Aeration）针对普通活性污泥法集中一点进水，易受冲击负荷影响，供氧、与需氧不平衡的又一中改进方式。设计多点进水，均负荷 进水 Air 曝气池 Aeration tank 二沉池 出水 回流污泥

24、工艺特征有机物分配均匀 氧均匀 污泥浓度逐渐降低 BOD 供氧 需氧 池长 池长 池长 工艺优点：有利于均化负荷，耐冲击负荷；提高空气利用21/23 率；减轻二沉池污泥负荷 工艺缺点：出水水质稍差于传统法（传统工艺易改为渐减曝气和阶段曝气）4.4.4 吸附-再生活性污泥法系统（Contact stabilization）出现在 40 年代后期美国（Smith），依据活性污泥的初期快速吸附的能力 BOD 0.5-2h 进水 吸附池 沉 回流污泥 再生池 Topt Time 3-5h 特征：吸附与代谢分别在两个池子（或 1 个池子的两部分）进行；高回流比 50-100%，充分利用活性污泥的初期吸附

25、能力 优点：反应器总容积小于普通活性污泥法 对特殊情况，有较多的应变手段（两个池子的污泥更换）有机物降解曲线：微生物增长曲线 BOD 量 吸附 沉淀 再生 吸附 再生 适应：含悬浮性、胶体性有机物较多的废水，可不设初沉池。4.4.4 完全混合活性污泥法系统（plete mixied activated sludge process）22/23 传统法（均化负荷和需氧）-改革为多点进水-完全混合 Air 工艺特点 进水 沉 出水 1）池内各点水质 均匀，具有很好的 稀释作用；回流污泥 剩余污泥 2）微生物生长环境 污泥工况 供氧 稳定，降解速率为恒 污泥 定；3）污泥增长曲 需氧 线为 1 点，

26、有利于控 F/M 时间 制在最佳状态；4）需 氧量稳定，氧利用高 动力消耗低 工艺缺点 1）易发生短路，出水水质不如传统推流式；2）池形大小、形状受到限制（D20m）3）易发生污泥膨胀 4.4.5 延时曝气活性污泥法系统（Extended aeration，Total oxidation）一般活性污泥法在处理污水的同时总要产生相当量的剩余污泥，供氧和处理污泥是活性污泥处理厂的两个主要能耗。延时曝气通过增加曝气时间，加大污泥自身氧化率，使X 0。污泥增长曲线 NS，Se，T 23/23 污泥 工艺特征 1）曝气时间长：大于 24h；2）有机负荷低：0.03-0.05 kg/kg.d 时间 3）污泥泥龄长（15d），MLSS=3000-6000 4）污泥回流比大，R=50-100%。工艺优点：剩余污泥量少，污泥处理费用低；出水水质好 工艺优点：池体大，基建费用高；曝气时间长，能耗大。适用：出水要求高，小水量，中小城镇 4.4.6 其他活性污泥法系统 高负荷活性污泥法，多级活性污泥法，深水曝气法，深井曝气，浅层曝气 纯氧曝气 活性污泥工艺改革：提高处理效率、降低能耗、减少费用，适应不同要求