污水的生物處理---活性污泥法

1、污水的生物處理-活性污泥法(Biological Treatment of Wastewater:The Activated Sludge Process) 水體自凈，氧化塘 自然條件下 土壤自凈，土地處理 好氧處理 人工條件下 活性污泥法生物處理 生物膜法 厭氧處理 自然條件下 ：高溫堆肥、厭氧塘人工條件下 厭氧處理技術(shù) 污泥消化(Aerobic/Anaerobic Suspended-Growth Treatment Processes Attached-Growth Treatment Processes)4.1.1. 活性污泥處理法的基本概念與流程 Wastewater Air Aer

2、ation tank Secondary clarifier Return Sludge Excess sludge4.1.2 活性污泥的形態(tài)與活性污泥微生物1 活性污泥的形態(tài): 顏色，味，形狀，比重，含水率 表面積20-100cm2/ml；有機(jī)（75-85%）/無機(jī)成分， 活性污泥組成：Ma +Me+Mi+Mii 微生物 惰性有機(jī)物 無機(jī)物 自身氧化殘留物2 活性污泥微生物（Ma）及其在活性污泥反應(yīng)中作用細(xì)菌：產(chǎn)堿干菌屬，芽胞干菌屬，動(dòng)膠桿菌屬，假單胞菌屬，大腸桿菌屬，無色桿菌屬等 （增殖世代時(shí)間20-30min）； 數(shù)量：107-108個(gè)/mL真菌：絲狀菌，霉菌；凈化能力與不利影響原生動(dòng)物

3、： 肉足蟲類：如變形蟲、滴蟲，鞭毛蟲類，：豆形蟲、腎形蟲、草履蟲；纖毛蟲類：鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲 原生動(dòng)物- 細(xì)菌的捕食者后生動(dòng)物：輪蟲；水質(zhì)良好的標(biāo)志 微 生 殘留食物量 物 量 微生物總量 自由游泳 纖毛蟲類 有柄纖毛蟲類 鞭毛蟲類 肉足蟲類 輪蟲類 Time圖：原生動(dòng)物在活性污泥反應(yīng)過程中數(shù)量和種類的增長(zhǎng)與遞變模式3 活性污泥微生物的增殖與活性污泥的增長(zhǎng)多種屬的活性污泥微生物增殖規(guī)律與純種微生物增殖規(guī)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有機(jī)物量/活性污泥量-有機(jī)負(fù)荷 量 對(duì)數(shù)增殖 減速增殖 內(nèi)源呼吸 C d X （Sludge） 氧利用速率 b S（

4、BOD） a 適應(yīng)期X0Time靜態(tài)培養(yǎng)條件下，活性污泥增長(zhǎng)曲線、有機(jī)物降解和氧利用速率4 活性污泥絮體的形成意義與作用活性污泥絮凝體形成的骨干-菌膠團(tuán)活性污泥形成機(jī)制： 能含量-F/M； 電斥力與范德華引力細(xì)菌種類：分泌粘著物的細(xì)菌：動(dòng)膠桿菌、黃桿菌、蠟狀芽孢桿菌等4.1.3 活性污泥凈化反應(yīng)過程 有機(jī)物污染物凈化-有機(jī)物被微生物攝取、代謝與利用1、 初期吸附去除 初期：5-10 min 30min內(nèi)BOD去除率達(dá)到70% ¯活性污泥強(qiáng)吸附能力的產(chǎn)生源：1） 具有很大的表面積：2000-10000m2/m3混合液2） 多糖類粘質(zhì)層 ¯吸附能力影響因素：1）微生物的生理狀態(tài)

5、 處于饑餓狀態(tài)的微生物具有最強(qiáng)吸附能力2）反應(yīng)器中流態(tài)吸附不等于降解，吸附能力是有限的，提高吸附能力污泥曝氣2、 微生物代謝小分子有機(jī)物-細(xì)胞壁微生物體內(nèi)內(nèi)酶代謝大分子有機(jī)物水解酶小分子細(xì)胞壁微生物體內(nèi)有機(jī)物的氧化方程： 新細(xì)胞的合成： 微生物自身氧化：分解代謝與合成代謝模式圖： H2O，CO2，NH3 +能量 分解代謝（1/3）有機(jī)物 +O2 合成（2/3） 內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量 合成細(xì)胞物質(zhì)+O2 80% 內(nèi)源呼吸殘留物 20%4.2 活性污泥凈化反應(yīng)影響因素與主要設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)4.2.1 活性污泥凈化反應(yīng)影響因素1. 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)平衡：C：N：P= 100：5：1其他微量元素：鈉、鉀、鈣、鎂、

6、鐵2. 溶解氧含量： DO³2mg/L3. PH值 6.5-8.54. 水溫 適宜：10-450C 最佳：15-350C5. 有毒物質(zhì)：重金屬、酚類、甲醛 經(jīng)過培養(yǎng)馴化后， 微生物對(duì)有毒物質(zhì)有適應(yīng)與降解能力 （表4-4 p105）4.2.2活性污泥處理系統(tǒng)的控制指標(biāo)與設(shè)計(jì)、運(yùn)行操作參數(shù)使活性污泥系統(tǒng)正常、高效運(yùn)行的基本條件：·適當(dāng)?shù)奈鬯|(zhì)、水量·具有活性和足夠量的活性污泥生物量·滿足微生物需要的溶解氧·良好的流態(tài)，氣、液、固充分接觸控制指標(biāo)（設(shè)計(jì)、運(yùn)行操作參數(shù)）1、 表示及控制混合液中活性污泥微生物量的指標(biāo)(1)Mixed liquor su

7、spended solids (MLSS)(2)Mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS) f=MLVSS/MLSS 0.752、 活性污泥的沉降性能及其評(píng)價(jià)指標(biāo)（1） 30min污泥沉降比（%） 30%Settling Velocity / Sludge （settling） Volume（SV） （2）污泥容積指數(shù)，Sludge Volume Index （SVI） 定義：曝氣池出口處混合液經(jīng)過30min沉降后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占有的容積（mL/g）：§SVI的意義：SVI¯沉降性能­；SVI

8、73;沉降性能¯§SVI正常范圍：SVI=70-100（120） 城市和生活污水SVI<100 沉降性能好；100<SVI<200 一般；SVI>200，不好§SVI與BOD-污泥負(fù)荷的關(guān)系（城市污水）：SVI 分散礬花 絮凝污泥 膨脹污泥400 SVI 差 優(yōu) 差300200 高負(fù)荷 一般負(fù)荷 SVI ZSV100 0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 0.3 0.6 0.9 1.2 BOD-污泥負(fù)荷（kgBOD/kgMLSS.d） BOD-污泥負(fù)荷（kgBOD/kg.d）BOD-污泥負(fù)荷與SVI之間的關(guān)系3.污泥齡 （Sl

9、udge age，Mean cellresidence time） 污泥增長(zhǎng)與剩余污泥的產(chǎn)生與排出剩余污泥產(chǎn)量： DX=QWXr+（Q-QW）Xe （g/d）污泥齡：曝氣池內(nèi)活性污泥總量與每日排放污泥量之比 （d） 當(dāng)二沉池處于最佳沉淀狀態(tài)下： 污泥齡的重要性：系統(tǒng)控制參數(shù)，生物種類控制4.BOD-污泥負(fù)荷 F/MFood-to-microorganism ratio kgBOD/kgMLSS.dX=MLSS ； Q=進(jìn)水流量； Sa=BODin；V=曝氣池體積§BOD容積負(fù)荷 kgBOD/m3.d§BOD負(fù)荷對(duì)有機(jī)物降解與活性污泥增長(zhǎng)以及污泥沉降性能的影響（生物處理過程中

10、的兩個(gè)重要關(guān)系）：5.有機(jī)物降解與活性污泥增長(zhǎng)活性污泥的增殖Ü有機(jī)物的降解活性污泥的增殖=合成反應(yīng)-內(nèi)源代謝活性污泥增長(zhǎng)基本方程：污泥凈增長(zhǎng)速率=合成速率-內(nèi)源代謝速率合成速率與有機(jī)物利用有關(guān)： Y-產(chǎn)率系數(shù)內(nèi)源代謝速率與生物量有關(guān)： Kd-衰減系數(shù)d-1 （霍克來金 Heukelekian方程）凈增長(zhǎng)速率以天（d）計(jì)時(shí)：Sa-BODin；Se-BODout；Xv-MLVSSOr： Sr=Sa-Se ；X=MLSS¨a，b-Y， Kd （Y=0.5-0.65；Kd=0.05-0.1）¨污泥泥齡與BOD污泥去除負(fù)荷的關(guān)系的推導(dǎo)：由：兩邊同以XVV除： 令： BOD污

11、泥去除負(fù)荷（kg/kg.d）而根據(jù)泥齡的定義： Þ 則推導(dǎo)出：思考題：推導(dǎo)出水BOD濃度與污泥泥齡的關(guān)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. 有機(jī)物降解與需氧 kg O2/d ；a¢- kg O2/kgBOD去除 ；b¢- kg O2/kg污泥自身氧化由以上式子也可導(dǎo)出兩個(gè)重要關(guān)系：F單位重量活性污泥需氧量與BOD污泥去除負(fù)荷： F每降解1kgBOD的需氧量與BOD污泥去除負(fù)荷：a¢=0.42-0.53；b¢=0.188-0.11 (生活

12、污水)系數(shù) Y，Kd，a，b，；a¢，b¢ 的確定：j DX/XVV Yk Kd QSr/XVV O2/XVV l a¢ b¢ QSr/XVV4.3 活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)g 活性污泥反應(yīng)：活性污泥對(duì)有機(jī)物的代謝；活性污泥的增長(zhǎng)；活性污泥微生物對(duì)氧的利用等生化反應(yīng) g活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要研究活性污泥生化反應(yīng)速率及其影響因素.主要內(nèi)容： E有機(jī)物降解速率與有機(jī)物濃度、活性污泥生物量 E活性污泥增殖速率與有機(jī)物濃度、活性污泥生物量 4.3.2 Monod 方程式 1.基本方程 由描述酶（純酶）促反應(yīng)的米-門公式-描述純種微生物在單一基質(zhì)上增殖速率的Mono

13、d方程 基質(zhì)降解速度 微生物增殖速度 Vmax V=Vmax mMAX V=Vmax/2 m=mMAX/2 V=f（S） Km S S=KS S 米-門關(guān)系曲線 Monod 曲線E + S ES E+ P m-微生物比增殖速度，t-1 酶 基質(zhì) 復(fù)合物 酶 產(chǎn)物 mmax-微生物最大比增殖速度，t-1 V-基質(zhì)降解速度 Km飽和常數(shù) 進(jìn)一步應(yīng)用到污水處理過程（混合的活性污泥菌群）中： ¾ 因?yàn)槲⑸锏谋仍鲋乘俣龋╩）與有機(jī)物的比降解速度（v）成正比： mµ v 則有機(jī)物比降解速度也可以用米門公式描述： vmax-有機(jī)物的最大比降解速度，t-1有機(jī)物比降解速度的定義： S0，

14、S 進(jìn)出水有機(jī)物濃度 t 反應(yīng)時(shí)間所以： 有機(jī)物降解速度 X=MLVSS 當(dāng) ； 2. Monod方程式的兩點(diǎn)推論 （在兩種極限有機(jī)物濃度下，Monod方程式的兩種簡(jiǎn)化表示式）（1） S >> KS 忽略KS 零級(jí)反應(yīng)（2） S<< KS 分母中S忽略不計(jì) 一級(jí)反應(yīng) Vmax V=Vmax 一級(jí)反應(yīng) Vmax/2 零級(jí)反應(yīng)區(qū) S=KS S在大多數(shù)污水生物處理中，用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表示有機(jī)物的降解速率是適當(dāng)?shù)摹?積分后得： - 研究動(dòng)力學(xué)公式時(shí)的幾點(diǎn)假定條件：1） 系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)（溫度、PH、供氧、水質(zhì)、水量）2） 進(jìn)水所有可生物降解有機(jī)物為溶解性3） 二沉淀池?zé)o微生物活

15、動(dòng)，活性污泥的絮凝、沉淀性能良好4） 一般都模擬處于完全混合流態(tài)的曝氣池3.Monod方程式的應(yīng)用一完全混合活性污泥系統(tǒng)的物料平衡圖： Q S0 V Se X Q+RQ，Se，X Q，Se 進(jìn)水 曝氣池 二沉 出水 RQ，Xr，Se QW，Xr 回流污泥 剩余污泥列有機(jī)物物料平衡方程： （R污泥回流比） 進(jìn)入量 排出 變化量整理： 1）若代入一級(jí)有機(jī)物降解的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程；進(jìn)而推導(dǎo)出BOD污泥去除負(fù)荷Nrs與出水有機(jī)物濃度的關(guān)系： kgBOD/kg .d經(jīng)過整理： or 以及BOD容積去除負(fù)荷Nrv與出水有機(jī)物濃度的關(guān)系： kgBOD/m3.d2）代入Monod方程的一般形式（S/KS>

16、1）： 同樣也得到：BOD污泥去除負(fù)荷Nrs與出水有機(jī)物濃度的關(guān)系： kgBOD/kg .d以及BOD容積去除負(fù)荷Nrv與出水有機(jī)物濃度的關(guān)系： kgBOD/m3.d4.動(dòng)力學(xué)常數(shù)的確定1） 一級(jí)反應(yīng)方程中的k2： k2 Se2） Monod方程中的vmax，KS： KS/vmax其倒數(shù)： 1/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 活性污泥動(dòng)力學(xué)的另一種表示形式Lawrence-McMarty 方程式：特點(diǎn)：直接研究活性污泥反應(yīng)過程，強(qiáng)調(diào)污泥泥齡的概念： 污泥齡：活性污泥在反應(yīng)器中平均停留時(shí)

17、間 （d） qc Q 生物固體平均停留時(shí)間 細(xì)胞平均停留時(shí)間定義單位底物利用率：由4-20：推出L-M第一基本方程-泥齡與單位底物利用率： 借用Monod方程建立L-M第二基本方程： 設(shè)定有機(jī)物被微生物利用速率=有機(jī)物降解速率 -有機(jī)物被微生物利用速率其含義同Monod方程L-M推論的3個(gè)重要關(guān)系式：對(duì)完全混合活性污泥系統(tǒng)進(jìn)行生物量、底物質(zhì)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 DX=QW.Xr1） Se-qc：通過系統(tǒng)中微生物的質(zhì)量衡算：由基本方程： 和 推出：2)反應(yīng)器中Xa與qc：通過進(jìn)出曝氣池的底物的質(zhì)量

18、衡算：由 得：3)污泥回流比R與qc： 由進(jìn)出二沉池污泥量的物料平衡： Q（1+R）Xa= （Q-QW）Xe+DX+ RQXrXe 0 有： Q（1+R）Xa= DX+ RQXr 且 所以有：4)活性污泥的表觀產(chǎn)率 Yobs Y 微生物增殖總量，沒有去除由于微生物內(nèi)源呼吸作用而使自身質(zhì)量消亡的那一部分。實(shí)際測(cè)得的微生物增殖量，是微生物的凈增殖量，稱之為表觀產(chǎn)率：Yobs=Y/（1+Kdqc）4.4 活性污泥處理系統(tǒng)的運(yùn)行方式與曝氣池的工藝參數(shù)4.4.1 傳統(tǒng)(普通)活性污泥法處理系統(tǒng) （Conventional activated sludge process） 進(jìn)水 Air 曝氣池 Aera

19、tion tank 二沉池 出水 回流污泥·工藝描述：狹長(zhǎng)形，多廊道，推流式，吸附與代謝發(fā)生在一個(gè)池子中，供氧均勻·工藝特征： BOD BOD降解 O2 需氧與供氧 污泥增長(zhǎng)曲線 供氧 量 b Dx 需氧 a 減 內(nèi)源代謝 DO濃度 池長(zhǎng) 池長(zhǎng) 池長(zhǎng)·工藝優(yōu)點(diǎn)：歷史悠久；停留時(shí)間長(zhǎng)；污泥生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，處理效率高（BOD去除率90-95%）；運(yùn)行穩(wěn)定，管理操作簡(jiǎn)單，便于改革發(fā)展，污泥沉淀性能好； 特別適用于對(duì)處理要求高，而水質(zhì)穩(wěn)定的廢水·工藝缺點(diǎn)：需氧與供氧不平衡；池體積大，占地多；基建費(fèi)用高；不適應(yīng)沖擊負(fù)荷。4.4.2 漸減曝氣活性污泥法系統(tǒng)（Tapere

20、d Aeration）對(duì)普通曝氣池的改進(jìn)，主要解決普通曝氣供氧不平衡的問題，供氧強(qiáng)度沿池長(zhǎng)是變化的： 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能。 O2 供氧 需氧 池長(zhǎng)4.4.3 階段曝氣活性污泥法系統(tǒng)（Step-feed Aeration）針對(duì)普通活性污泥法集中一點(diǎn)進(jìn)水，易受沖擊負(fù)荷影響，供氧、與需氧不平衡的又一中改進(jìn)方式。設(shè)計(jì)多點(diǎn)進(jìn)水，均負(fù)荷 進(jìn)水 Air 曝氣池 Aeration tank 二沉池 出水 回流污泥·工藝特征有機(jī)物分配均勻 氧均勻 污泥濃度逐漸降低 BOD 供氧 需氧池長(zhǎng) 池長(zhǎng) 池長(zhǎng)·工藝優(yōu)點(diǎn)：有利于均化負(fù)荷，耐沖擊負(fù)荷；提高空氣利用率；減輕二沉池污泥負(fù)荷·工藝缺點(diǎn)：出水水

21、質(zhì)稍差于傳統(tǒng)法（傳統(tǒng)工藝易改為漸減曝氣和階段曝氣）4.4.4 吸附-再生活性污泥法系統(tǒng)（Contact stabilization ）出現(xiàn)在40年代后期美國(guó)（Smith），依據(jù)活性污泥的初期快速吸附的能力BOD 0.5-2h 進(jìn)水 吸附池 沉 回流污泥 再生池Topt Time 3-5h特征：· 吸附與代謝分別在兩個(gè)池子（或1個(gè)池子的兩部分）進(jìn)行；· 高回流比 50-100%，充分利用活性污泥的初期吸附能力優(yōu)點(diǎn)： · 反應(yīng)器總?cè)莘e小于普通活性污泥法·對(duì)特殊情況，有較多的應(yīng)變手段（兩個(gè)池子的污泥更換）有機(jī)物降解曲線： 微生物增長(zhǎng)曲線 BOD 量 吸附 沉淀 再生 吸附 再生 · 適應(yīng)：含懸浮性、膠體性有機(jī)物較多的廢水，可不設(shè)初沉池。4.4.4 完全混合活性污泥法系統(tǒng)（Complete mix