《环境工程学》第三章水的生物化学处理方法.ppt

第三章 水的生物化学处理方法 自然界存在大量的微生物，可以在有氧或无氧的条件 下将有机物分解，获得能量以繁殖，生长。 水的生物化学处理法就是利用微生物的这种特性去除 污水中的有机物，降低水中的氮、磷等营养物的含量。 悬浮生长系统 附着生长系统 悬浮生长系统 附着生长系统 好氧 厌氧 本章内容 n1、微生物基础 n2、好氧悬浮生长技术（重点） n3、好氧附着生长技术 n4、厌氧生物处理技术 n5、生物脱氮除磷技术（难点） n6、水处理厂污泥处理技术 n7、废水土地处理技术 一 微生物的分类：按微生物结构与功能的不同，可 将微生物分为5组，分别为动物，植物，原生动物， 真菌，细菌。 真核生物（细胞具有 核膜和细胞器） 原核生物（没有明 显的核和细胞器） 动物（多细胞，能运动，具 有分化的细胞组织，异养） 植物（多细胞，不运动，具有 细胞组织，主要有光合作用） 真菌（大部分为多细胞，不 运动，异养，分解者） 原生生物（大部分为单细胞 ，运动，异养，分解者） 细菌（单细胞，部分能运动，部分 异养，分解者，部分有光合作用） 轮虫 苔藓， 藻类 酵母， 蘑菇 鞭毛 虫 废水处理中重要的微生物： 细菌 真菌 藻类 原生动物 轮虫以及甲壳类动物 指示生物 第二节 好氧悬浮生长系统处理技术 生物处理过程分为好氧悬浮生长生物处理工艺和附 着生长生物处理工艺。 好氧悬浮生长生物处理 活性污泥法 曝气氧化塘 好氧消化法 高负荷氧化塘 活性污泥法 重点： 活性污泥法基本概念与流程、活性污泥法的净化机理与影响因素、活 性污泥法的动力学基础、曝气池的需氧与供氧、活性污泥法的脱氮除 磷原理及应用。 难点： 活性污泥法的净化机理与影响因素、活性污泥法的动力学基础、曝气 池的需氧与供氧、活性污泥法的脱氮除磷原理及应用。 13.6 活性污泥法污水处理系统的过程 控制与运行管理 13.7 活性污泥法的脱氮除磷原理及应用 13.0 概述 13.1 活性污泥法的理论基础 13.2 活性污泥法的性能指标及其有关参数 13.3 活性污泥法反应动力学及其应用 13.4 活性污泥法的各种演变及应用 13.5 曝气及曝气系统 13.8 活性污泥法的发展与新工艺 13.0 概述 污水生物处理是通过微生物的新陈代谢作用,将污水中 有机物的一部分转化为为微生物的细胞物质,另一部分转 化为比较稳定物质的方法。 生物处理的主要作用者是微生物，根据反应中氧气的 需求，可把细菌分为好氧菌兼性厌氧菌和厌氧菌。 主要依赖好氧菌和兼性厌氧菌的生化作用来完成处理 过程的工艺，称为好氧生物处理法；主要依赖厌氧菌和 兼性厌氧菌的生化作用来完成处理过程的工艺，称为厌 氧生物处理法。 活性污泥法的重要地位 我国的河流97%以上都受到 有机物的污染 1.应用的普遍性： 95%以上的城市污水 35%以上工业废水 2.高效性：SS ，COD、90%以上 3.灵活性 ： 大，中，小水厂 高，中，低负荷 4.连续运行，可自动化 5.工艺(运行方式多样)，功能多样化， 可脱氮，除磷 活性污泥法研究及应用的 现状和发展 1.超大型化(集中化) 微型化 2.高效快速(高负荷，节省体积) 3.节能，减少运行费用 4.深度净化功能，多功能化(N，P) 5.自动化控制管理 6.提高氧利用率 7.减少占地面积 返回 目前，活性污泥法是生活污水、城市污水以及有机性工业废 水处理中最常用的工艺 13.1 活性污泥法的理论基础 13.1.1 基本概念与流程 活性污泥 污水经过一段时间的曝气后，水中会产生一种以好氧菌为主体 的茶褐色絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮体就是 活性污泥。活性污泥是以细菌，原生动物和后生动物所组成的活性 微生物为主体，此外还有一些无机物，未被微生物分解的有机物和 微生物自身代谢的残留物。 活性污泥法 以活性污泥为主体的污水生物处理技术 活性污泥法来源 河流自净启示人工强化 命名 根据生物反应器中微生物存在状态(悬浮，附着)可将污水生物 处理技术分为活性污泥法(悬浮的有活性的生物絮体)和生物膜法 (附着的有活性的生物膜)，及后来的复合式(悬浮，附着)生物处 理、技术。 基本流程 污水格栅泵间沉砂池初沉池活性污泥曝气池二沉池消毒 1.曝气池：微生物降解有机 物的反应场所 2.二沉池：泥水分离 3.污泥回流：确保曝气池内 生物量稳定 4.曝气：为微生物提供溶解 氧，同时起到搅拌 混合的作用。 曝气系统与空 气扩散装置 活性污泥反应器 来自空压 机的空气 剩余污泥 污泥井 混合液 回流污 泥系统 二沉池 处理水 进水 活性污泥法处理系统有效运行得基本条件 1.污水中有足够的可溶解性易降解有机物 2.混合液中含有足够的溶解氧 3. 活性污泥再曝气池中呈悬浮状态 4.活性污泥连续回流 5.及时排除剩余污泥 6.没有对微生物有毒害作用的物质进入 13.1.2 活性污泥的形态，组成 形态 多为黄色或褐色絮体，含水率超过99 ，比表面积大。 组成 活性污泥由四部分组成 （1） Ma活性污泥微生物； （2） Me活性污泥代谢产物； （3） Mi活性污泥吸附的难降解惰性有机物； （4） Mii活性污泥吸附的无机物。 微生物组成 细菌（9095，甚至100）、 真菌、原生动物、后生动物 13.1.3 活性污泥微生物的作用 水处理微生物复习 活性污泥中的有机物、细菌、原生动物与后生动物组成了小型的相对 稳定的生态系统和食物链。 活性污泥中的细菌以异养型细菌为主。 菌胶团细菌构成活性污泥絮凝体的主要成分，有很强的吸附、氧 化分解有机物能力。也可防止被微型动物所吞噬，并在一定程度上可 免受毒物的影响，沉降性好。 丝状菌 形成活性污泥的骨架，增强沉降性，保持高的净化效率， 但是大量会引起污泥膨胀。 净化污水的第一承担者细菌 净化污水的第二承担者原生动物 指示性动物原生动物，通过显微镜镜检是对活性污泥质量评价的 重要手段之一 活性污泥微生物的增殖曲线 1.在温度适宜，溶解氧充足、营养物 质一次充分投加，微生物种群随时间 以量表示增殖和衰减动态。 2.在这样的环境下，不存在抑制物质 的条件下，活性污泥微生物的增殖速 率主要取决于有机物(F)与微生物量 (M)的比值，它也是有机物降解速率 、氧利用速率和活性污泥的凝聚、吸 附性能的重要影响因素 13.1.4 活性污泥微生物的增殖规律 1.适应期: 在未充分适应基质条件时，开始 会经历一个适应、迟缓期或调整期。 长短取决于污水的主要成分和微生 物对它的适应。 2.对数增长期: F/M较大，营养充分，氧利用最大，微 生物增殖速率和有机物降解速率最大。 污泥活动力强，污泥松散，不易沉降(利 用有机物不足) 活性污泥增长曲线的四个阶段 3.减速期 F/M减小，有机物量成为增殖的限 制因素，微生物增殖速率和有机物降 解速率下降，污泥沉降性好，出水效 果好。 4.衰减期 F/M最小，(内源呼吸期)微生物活 动能力低，絮凝体，沉降性好，此时 污泥量出现下降，出水水质较好。 1. 在活性污泥混合液中，如果营养与污泥之间的比值（常用F/M表 示）高，F/M大于2.2，微生物处于对数增长期，能量水平高，污泥 凝聚性能差； F/M小于2.2，营养与污泥微生物比值下降，致使微生 物增长处于增长率缓慢降段； F/M小于0.1，营养物很少，营养相对 不足和能量水平较低，细菌活力低，运动能力弱，致使微生物增长 处于增长率下降段或其后期，彼此结合成絮凝体，故易于凝聚。 2. 当有机营养物质和氧气充足时，活性污泥以合成为主。在新细胞合 成的同时，还进行着部分老细胞物质的氧化分解。在有机营养缺乏 时，这种自身分解则成为主要的获能方式，生物处理的内源呼吸也 就是指的这种情况。 活性污泥絮凝体的形成： 13.1.6 活性污泥净化污水的过程 活性污泥净化污水的作用是由吸附和氧化两个阶段完成的，活性污 泥在与废水初期接触的2030min内，就可以去除75%以上的BOD，在 于活性污泥具有巨大的表面积（200010000m2/m3）,且其表面具有多 糖类粘液层。氧化分解在吸附阶段之后，所需时间比吸附时间长的多， 可见暴气池的大部分容积是在进行有机物的氧化和微生物的合成。 可降解 有机物 氧化 合成 1/3 2/3 无机物能量 新细胞 物质 无机物能量 残留物质 80 20 内源代谢 构成活性污泥三要素 微生物 吸附氧化分解作用(污泥) 有机物 废水的处理对象 微生物底物(营养) 充足氧气、充分接触好氧处理的条件 生物絮体形成机理 目前认为絮体是由细菌内源代谢分泌的聚合物在微生物之间起粘 胶剂的作用，因此只有当内源代谢分泌聚合物与微生物成适当比例 才能形成良好的生物絮体。如果微生物增殖率过高，内源代谢分泌 的聚合物不是以粘连吸附新增殖的微生物，就不可能形成良好的絮 体。如果有机物浓度过低，内源代谢产生的聚合物质被微生物当成 食物消耗，则絮体也难以形成。 污泥净化反应过程 对有机物的降解可分两个阶段： a.吸附阶段巨大的比表面积 b.微生物降解作用 有机物 合成 有机固形物胶体有机物溶解性有机物 微生物 分解 13.1.7 环境因素对活性污泥微生物的影响 BOD负荷率（污泥负荷） Ns过低，丝状菌膨胀 Ns过高，絮体活性高，不易沉降 Ns， （污泥增长）， （底物降解） ，Se，V，c Ns， （污泥增长）， ， Se，V ，c BOD负荷在1.50.5kg/kgd范围内时，SVI控制在100左右比较合适。 营养物质： 平衡用BOD5:N:P的关系来表示，一般需求为100:5:1 生活污水和城市污水含足够的各种营养物质，但工业废水含量低。 溶解氧： DO， ， Se 运行费用高 对于游离细菌来说应保持在0.3mg/L 对于活性污泥的絮凝体应保持在2mg/L，不低于1mg/L pH值 ： 最适宜在6.58.5 PH9时， 菌胶易解体活性污泥凝体遭到破坏。 温度： 最适宜温度：在这一温度下，微生物的生理活动强劲、旺盛，表现 在增殖方面则是裂殖速率快，世代时间短。 活性污泥微生物多为嗜温菌，其适宜温度1530。 小型工业污水和城市污水应保温。 水温过高的工业废水要降温。 有毒物质（抑制物质）： 重金属、氰化物、H2S等无机物，酚、醇、醛、燃料等有机物。 但是毒害作用也是当有毒物质在环境中达到某一浓度时才能显露出 来，这个浓度焦灼有毒物质的极限允许浓度。 有毒物质的毒害作用还与pH值、水温、溶解氧、有无其他有毒物 质、微生物数量以及是否驯化等因素有关。 返回 13.2 活性污泥法的性能指标及其有关参数 13.2.1活性污泥法的性能指标 混合液中活性污泥微生物的指标 1.混合液悬浮固体浓度(mg/L) 混合液悬浮固体是指曝气池中废水和活性污泥共同的混合液体的 悬浮固体浓度。用MLSS表示。 MLSS=Ma+Me+Mi+Mii 2.混合液挥发性悬浮固体浓度(mg/L) 混合液悬浮固体中的有机物量称为混合液体挥发性悬浮固体 （MLVSS），用它表示活性污泥微生物量比用MLSS更为切合实际。 MLVSS=Ma+Me+Mi MLVSS与MLSS有一定的比值，例如生活污水的比值为0.7左右。 沉降性与浓缩性评价指标 1.污泥沉降比：SV% 又称30min沉降比、混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀污混 容积占混合液容积的百分比，SV值在1530%左右 。 2.污泥容积指数：SVI 静置30min后，1g干污泥所占的容积，（ml/g） 一般为70150(ml/g)时沉降性能较好 ，过低无机物含量过高， 污泥活性不好，过高易出现污泥膨胀。 活性污泥的活性评定指标 活性污泥的比耗氧速率（SOUR一般用OUR）：单位重量的活性污 泥在单位时间内所能消耗的溶解氧量，其单位mgO2/(gMLVSSh)或 mgO2/(gMLSSh) OUR在运行中的重要作用在于反映有机物降解速率，以及活性污泥 是否中毒，将用于系统的自动报警。 活性污泥的OUR一般为820 mgO2/(gMLVSSh)，温度对OUR的 影响很大，不同温度的OUR没有可比性，一般在20测OUR 13.2.2 活性污泥法的设计与运行参数 BOD负荷 BOD负荷有污泥负荷和容积负荷 1.污泥负荷Ns（Ls）：指单位重量活性污泥在单位时间内所承受的有 机污染物量，污泥负荷的实质是F/M。 2. 容积负荷Nv （LV）：指单位暴气池有效容积在单位时间内所承受的 有机污染物量，单位是kg（BOD5）/m3D 污泥龄 c（ts） 污泥在曝气池内的平均停留时间 式中 QW剩余污泥排除量（m3/d） Xe净化水的污泥浓度（mg/L） Xr剩余污泥浓度（mg/L）。 由于随着净化水排出的Xe很小，所以： 污泥回流比（R） 从二沉池返回到曝气池的回流污泥量QR 与污水流量Q之比， 常用表示。 则曝气池内混合液满足： 曝气时间 污水进入曝气池后，在曝气池中的平均停留时间，也称水力停留 时间。 返回 细菌的生长曲线： 时间 细菌数 对数生长期 二、细菌生长曲线及Monod公式 （1）微生物生长动力学：在对数生长期间，某种 基质供给不足，则这种基质成为细菌生长的限制因素，可 用Monod公式表示： ：细菌的生长速率常数，d1 m：细菌的最大生长速率常数，d1 S：基质浓度，mg/L Ks：半饱和常数，即 m/2时的基质浓度 细菌的增长速率可表示为：X为水中细菌浓度 Monod公式 (3-2) 微生物生长动力学 限制基质可能是细胞生长所必需的任何一种最基本的物质， 但碳源常常是限制因素，因此，一般情况下，基质指有机物 1 当基质浓度足够高时，SKs，上式简化为： 2 基质浓度比较低时， SKs，上式简化为： 与基质浓度有关，符合一级反应规律 考虑到细胞的自然死亡，因此细胞的净增长速 率为： Kd为内源性衰减系数 注意：课本中细胞的净增长速率与细菌的增长 速率他用了相同的符号表示，在这里我们为了 便于区别，将细胞的净增长速率改动一下。 （37） 由于基质按一定比例转化为细胞，因此细菌的增长与基质的消 失有以下关系： Y 为产率系数 微生物 代谢产物（H2O,CO2,NH3等）能 细胞物质（C5H7NO5) 净增物质 有机物O2 (3-5) （2）基质的利用速率 13.3 活性污泥法反应动力学及其应用 活性污泥动力学研究的假定条件 曝气池为完全混合式； 在稳定状态下； 进水和出水中没有微生物； 二沉池中不发生微生物对有机物的降解； 底物浓度、用可降解的有机物浓度表示； 温度不变，进水有机物成分性质不变。 13.3.1 反应动力学的基本理论 有机物降解与微生物增殖 1. 微生物增殖基本方程 活性污泥法处理过程中，微生物量的增加是同化合成和内源分 解两种作用的共同结果 活性污泥微生 物净增殖速率 活性污泥微生 物合成速率 活性污泥微生物 内源代谢速率 则“净增=合成-内源”得： 积分 因为 Y产率系数，kgMLVSS/kgBOD Kd自身氧化率，d-1 其中： XvMLVSS 处理 转换成污泥龄的计算式 其中：Se出水中残留的有机物浓度 S0原污水中有机物浓度 qBOD比降解速率，量纲与污泥负荷相同，单位kgBOD/kgMLSS.d 劳伦斯麦卡蒂方程式 有机物降解与需氧量 微生物的总需氧速率=降低底物的氧速率+自身氧化的需要速率 式中 曝气池中的微生物需氧速率(kgO2/d) 去除单位底物的需氧量(kgO2/kgBOD.d) 单位污泥自身氧化的需氧量(kgO2/kgMLSS.d) 剩余污泥量计算 微生物静增长量=微生物增长量微生物衰减量 返回 13.4 活性污泥法的各种演变及应用 13.4.1 传统活性污泥法 （推流式） 曝气池内污水与污泥混合后呈推流式从池首向池尾流动，活性污 泥微生物在此过程中连续完成吸附和代谢过程。曝气池混合液在二 沉池去除活性污泥悬浮固体后，澄清液作为净化水流出。 沉淀的污泥一部分以回流形式返回曝气池，再起净化作用：另一 部分作为剩余污泥排出。传统活性污泥法的BOD负荷是0.2 0.4kg/kgd，一般在0.3左右净化效果和沉降性能均甚好。 运行 水流一端进，另一端出， 沿途曝气，推流前进。 特点 1.吸附减速增长内源呼吸，BOD降解曲线是呈缓慢下降曲线 2.耐冲击负荷能力差(尤其对有毒或高浓度工业废水) 3.不易污泥膨胀 4.供氧与需氧不平衡 5.处理效果好 13.4.2 渐减曝气活性污泥法 需氧量 定常供氧速率 渐减供养速率变化曲线 供需氧量 曝气过程（曝气池长度） 针对传统活性污泥法 中由于沿曝气池池长均 匀供氧，在池末端供氧 与需氧量之间的差距较 大，严重浪费能量，而 提出的一种能使供氧量 和混合液需氧量相适应 的运行方式。目前的传 统活性污泥法一般都采 用这种供氧方式。 13.4.3 分段进水（阶段曝气）活性污泥法 传统活性污泥法的BOD负荷在池首过高，需氧率沿池长逐渐降低， 而氧气却沿池长均匀供给，造成了浪费。阶段曝气活性污泥法将废水 沿曝气池长分数处注入， 即形成阶段进水方法，这种方法除了能平衡 曝气池供气量外，还能使微生物营养供应均匀。 另一个特点是BOD浓度沿池长是变化的，曝气池出流混合液浓度降 低，对二沉池工作有利。 型式 廊道式 流态 推流式(多点进水) 特点： 1.需氧和供氧较平衡 2.耐冲击负荷力强 3.处理效果好 4. BOD降解曲线是呈 锯齿缓慢下降曲线 13.4.4 吸附再生活性污泥法 普通活性污泥法把活性污泥对基质的吸附凝聚和氧 化分解混在同一曝气池内进行，适于处理溶解的BOD。 对含有大量胶体的和悬浮性的混合 基质的废水， 因初期吸附量大，以及吸附的有机固体物在生物酶作用下 变成可溶性物质再向水中扩散，遂产生了把吸附凝聚和氧化分解分别在 两个曝气池中进行的构想，从而出现了吸附再生法。 由于再生池仅对回流污泥进行曝气(剩余污泥不必再生)，故节约空气 量，且可缩小池容。经过再生的活性污泥处于营养不足状态，因而吸附 活性高。再则，再生池的污泥微生物很快在池末端遇到营养不足环境， 丝状菌不适应这样的空曝环境，所以其繁殖受到限制，有利于防止污泥 膨胀。在使用上，吸附再生法具有很大的灵活性。 型式： 廊道式(吸附池和再生池可合建) 流态：中间进水，推流 特点： 处理质量较差 耐冲击负荷强 适合处 理胶体物质含量高的工业废水 BOD降解曲 线是呈急剧下降、缓慢下降曲线 13.4.5 完全混合活性污泥法 完全混合法中的入流废水进 入曝气池后,即与池内废水完 全混合，曝气池内营养物和 需氧率都是均匀的，微生物 接触的是浓度与出水浓度一 样的废水，故可承受一定的 冲击负荷。 完全混合法的，曝气池与沉 淀池有分建与合建两种类型。 完全混合法的工作点可以处 于微生物对数增长期也可处于 衰减增长期或内源呼吸期。 特点 1.抗冲击负荷能力强，BOD降解曲线是呈缓慢下降型直线曲线 2.池中各点水质相同，各部分有机物降解工况点相同，便于调控 3.处理效率差于推流式 4.易出现污泥膨胀 13.4.6 延时曝气活性污泥法 特点 1.由于负荷低，延时曝气池容积大，占地面积较大 2.对水质水量变动性强 3.产污泥量少 4.处理效果好 13.4.7 高负荷活性污泥法 特点 1.由于负荷高，高负荷活性污泥法曝气池容积小，占地面积较小。 2.处理效果差，6070 3.产污泥量高 4.适合做预处理 13.4.8 纯氧曝气活性污泥法 特点： 1.溶解氧Do8mg/L 2.污泥浓度MlSS很高，高达40007000 3.剩余污泥量x很少 4.污泥指数SVI低，沉降性能好 缺点： 建设和运行费用高 13.4.9 深水曝气和深井曝气活性污泥法 特点： 氧利用率高、占地面积小，可以处理较高 浓度的废水。 13.4.10 选择器活性污泥法 剩余污泥 曝气池沉淀池 进水 选择器 回流污泥 出水 该工艺是在曝气池前加一个水力停留时间很短的小反应器，全部 污水和部分回流污泥进入选择器，形成高负压区。从而使有机物浓 度高，有利于菌胶团的优先生长而抑制丝状菌的过量生长，改善污 泥的沉降性能。 选择器可以用好氧选择器也可用厌氧选择器 返回 13.5 曝气及曝气系统 曝气的作用是向活性污泥法系统的液相供给溶解氧，并起搅拌和 混合作用。 通常采用的曝气方法有鼓风曝气，机械曝气以及二者联合使用的 混合曝气，某些情况下也采用射流曝气。 鼓风曝气是将压缩空气通过管道系统送入池内的散气设备，以气 泡形式分散进入混合液。机械曝气则利用装设在曝气池内的叶轮 的转动，剧烈地搅动水面，使液体循环流动，不断更新液面并产 生剧烈水跃，从而使空气中的氧与水滴或水气的界面充分接触， 转入液相中去。射流曝气则是利用水射流泵将空气吸入，使空气 与水充分混合并溶解的曝气方式。 常用曝气方式 b.机械曝气 c.鼓风曝气 d.射流曝气 曝气作用 a.充氧-生化反应 b.搅拌,使水,气,液三相良好接触提高氧利用率 c.维持液体的足够速度以使水中固体物悬浮 13.5.0 曝气方式和曝气作用 鼓风曝气系统和扩散装置 1.微气泡扩散器， 它常称为射流曝气器，气泡直径在100m左右，射流 曝气器通过混合液的高速射流，将鼓风机引入的空气切割粉碎为微细 气泡，与混合液充分接触混合，促进氧的传递，氧利用率20%-30% ； 扩散板与扩散管 膜片式微孔空气扩散器 固定式平板型空气扩散器 2. 中气泡扩散器， 常用穿孔管， 孔直径为23mm，孔眼气体流速 不小于10m/s,以防堵塞，其特点是 氧利用率8%-12%，但空气压力损 失较小； 4. 大气泡扩散器， 常用曝气竖管，直径为15mm左右，底口敞开，其 特点是气泡大（直径3mm以上），分布不匀，氧利用率4%-6% ，不 易堵塞； 3.小气泡扩散器， 有微孔材料制成的扩散 板和扩散管等，其特点是气泡小（直径在 1.5mm以下），氧利用率15%-20%，但阻 力大，易阻塞； 5.水力剪切空气扩散器 6.水力冲击式空气扩散器 7.水下空气扩散器 机械曝气装置 机械曝气设备有泵型轮，倒伞型叶轮，平板型叶轮和卧式曝气转刷 。曝气叶轮一般装于水下，淹没深度为10100mm,可调节。淹没深 度大时，提升水量大。叶轮转速一般为20100r/min。卧式曝气转刷 淹没深度为直径的1/31/4,转速在70120r/min,转动时转刷将大量液 滴抛向空中，并使液面剧烈波动，促进氧的溶解。 曝气机理 1.形成水跃，卷入空气 2.提升与输出，更新水面从 空气复氧 3.形成负压，吸入空气 1.竖轴曝气装置 2. 横轴曝气装置 返回 13.6 活性污泥法污水处理系统的过程控制与 运行管理 活性污泥的培养驯化 1. 异步培养法：先培养再驯化 2. 同步培养法：培养驯化同时进行 3. 接种培养法 将其他相以污水厂污泥作为种泥 进水方式 1. 连续进水： 适合以生活污水为主的城市污水 2. 间歇进水： 一般， 闷曝沉淀排除上清夜加新鲜水闷曝沉淀 13.6.1 活性污泥的培养驯化 13.6.2 活性污泥系统的主要控制方法与控制参数 试运行 确定最佳的运行条件 正常运行 1. 对供气量（曝气量）的调节 每天早晚各调节一次供气，大型的废水处理厂每周调节一次。 2. 回流污泥量的调节 使曝气池内的悬浮固体浓度保持相对稳定 3.剩余污泥排放量的调节 排放的剩余污泥应大致等于污泥增长量。 活性污泥处理系统检测 处理效果指标 COD ，BOD， TOD， TOC， SS 有毒物质 污泥营养及环境指标 PH 温度 N P 污泥沉降性 SV% MLSS MLVSS SVI DO 生物相 生物相观察 13.6.3 活性污泥系统运行中的异常情况 污泥膨胀 活性污泥系统种的污泥沉降性质发生改变，不易沉降的现象。污泥变质时 ，不易沉淀，SVI增高，污泥结构松散，体积膨胀 1.危害： a.污泥不易沉降，污泥流失，反应器中处理的污泥浓度不够 b.污泥浓度不足，处理率下降 c.排入水体，生物污染 2.分类： a.丝状菌膨胀 b.结合水膨胀 3.原因: 丝状菌膨胀: a.C/N过高，缺少营养 b.DO不足 c.水温高 d.PH过低 结合水膨胀 : 排泥不通畅, 高负荷运转 污泥解体 出现的絮凝体细小，沉淀水浑浊等污泥絮凝体解体的现象 原因：曝气过量：紊动过分剧烈，使絮状体破裂 中毒：微生物活性抑制或死亡 污泥腐化 二沉池污泥长期滞留而产生厌氧发酵产生H2S，CH4等气体而上升 污泥上浮 缺氧状态下，污泥反消化,产生 的气体促使污泥上浮。 泡沫问题 表面活性物质造成。 处理方法有消泡剂、消泡水管。 在工程计算中常用的工艺及计算，可在 课程设计中参考 13.7 活性污泥法的脱氮除磷原理及应用 13.7.1 脱氮原理与工艺技术 氮污染的危害 1.富营养化N、P引起，藻类问题（滇池，太湖）； 2. 提高制水成本污水消毒时，增加投氯量； 3.污水回用填塞管道NH3N可促进设备中微生物的繁殖； 4. 农业灌溉TN不大于1mg/l，否则对农作物有影响。 1.有机氮 2.氨态氮（NH3N、NH4+N） 3. NO2N、NO3N 4. N2 氮的存在形式 二级处理技术的局限性 合成代谢对氮磷的去处率低，水中氮磷过剩 nCxHyOz+nNH3+n(x+y/4-z/2-5)O2 (C5H7NO2)n+n(x-5)CO2+n/2(y-4)H2O 13.7.1.1 氮的吹脱处理 NH3+H2O NH4+OH- PH=7时，以NH4+存在 PH=11时，90%NH3存在 PH升高，去除NH3上升 T上升，去除NH3上升 脱氮塔技术的特点：除氮的效果稳定；操作简便，容易控制； NH3 二次污染（可回收）；使用CaO易结垢（改用NaOH） 水温下降时，效果差 原理 脱氮塔 1.PH值PH升高到10.5以上，去除率增加缓慢 2.水温水温升高，效率升高 3.布水状态滴状下落最好，膜状下落，效果大减 4.布水负荷率填料6m高以上时，其值不超过 180m/m.d 5.气液比填料6m高以上时，2200-2300以下为好。 脱氮塔工作影响因素与设计参数 13.7.1.2 生物脱氮原理 活性污泥法的传统功能去除水中溶解性有机物 N、P只满足生理要求即可，因此对二者去除率低，仅为20-40%；5-20% 概述 污水生物处理中氮的转化过程 1、氨化反应 氨化反应原理 RCHNH2COOH+O2 RCOOH+CO2+NH3 氨化菌 氨化菌为异氧菌 一般在氨化过程与微生物去除有机物同时进行，有机物去除结束时 ，已经完成了氨化反应 2、硝化反应 硝化反应原理 总反应 NH4+1.5O2 NO2-+H2O+2H+-F（F=278.42kJ） NO2-+0.5O2 NO3-F（F=72.27kJ) 亚硝酸菌 硝酸菌 NH4+2O2 NO3+H2O+2H+-F（F=351kJ） 硝化菌 硝化菌的特点 硝化菌亚硝酸菌和硝酸菌的统称; 硝化菌属于化能自养菌，可生芽孢的短杆状细菌 . 硝化反应的控制指标 硝化菌对环境条件的变化极为敏感，所以有以下指标： 溶解氧： 氧是电子受体，DO不能低于1.0mg/l 硝化需氧量（NOD）4.57g(氧)/g（N） 碱度：7.1g碱度（以CaCO3计）/1g氨态氮（以N计）,一般碱度 不低于50mg/l PH：硝化菌对PH变化敏感,最佳值8.0-8.4,效率最高 温度：适应20-30，15时硝化速度下降，低于5完全停止 有机物：BOD应低于15-20mg/l 污泥龄（SRT）：微生物在反应器内的停留时间（c） N(c)Nmin，硝化菌最小的世代时间(c)Nmin 有害物质：对硝化反应抑制，某些重金属，高浓度NH4+N， 高浓度NOxN，有毒有机物、络合物阳离子。 3、反硝化反应 2HNO22HNO2HNO3 2NH2OH2NH3 NO N2 +4H +2H -2H2O +2H -2H2O -H2O +4H+4H -2H2O -2H2O 反硝化反应：指NO3N和NO2N在反硝化菌的作用下，还原 成气态N2的过程。 NO3- NO2-NH2OH 有机体(同化反硝化) NO2- N2O N2(异化反硝化 ) 同化反硝化反应原理 异化反硝化反应原理 反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌； 以NO3N为电子受体，以有机碳为电子供体，合成的细胞物质较少 。 污水中的碳源：BOD5/TN3-5时，勿需外加碳源 PH：主要的影响因素，适当的值为（6.5-7.5）， PH8，或PH600% 氮的氧化还原态 厌氧氨氧化 NH(-) - - 羟胺NH2OH0 +硝酸基NOH +亚硝酸基+ +NO3- 3. A/0系统的除氮与回流关系 NO3- NO2- NO N2O N2 亚硝酸醛 还原酮 硝酸醛 还原酮 氧化亚氮 还原酮 氧化还 原醛 NO3-N2 13.7.2 除磷原理与工艺技术 13.7.2.1 概述 富营养化的限制因素 2.P0.5mg/l，促进富营养化； 磷的存在形式 1.生活污水中的含磷量：10-15mg/l，70%为可溶性； 经过二级处理进水中，90%左右的磷以磷酸盐存在。 2.污水中的磷不同于氮，不能形成氧化体和还原体，但有固态和溶 解态转化的特点。 1.化学除磷法：混凝沉淀和晶析法除磷 2.生物除磷法：设想于1955年提出的，60年代人们对上述方法 广泛应用。 污水处理中磷的情况 污水处理中磷的去除方法 13.7.2.2 化学除磷法 石灰混凝除磷 pH值，如P9.5；原污水 PH11 磷的形式 正磷酸盐（PO4） 聚磷酸盐:去除难易程度 焦磷酸盐(P2O74-)90%,除磷率90% 2.工艺功能： 1.工艺流程： AAO法同步脱氮除磷工艺 厌氧反应池缺氧反应池 原污水 (释放磷氨化) 沉淀池 （脱氮） 回流污泥（含磷污泥） 好氧反应池 （硝化吸收磷 去除BOD ） 处理水 内循环 2Q N2 2.反应器单元功能： 厌氧反应池：释放磷+氨化（有机氮） 缺氧反应器：脱氮 好氧反应器：去除BOD，硝化，吸收磷 3.工艺特点 除磷效果很难提高 脱氮效果难于进一步提高，内循环量2Q，不宜太高 进入沉淀池的处理水要保持一定的溶解氧 最简单的同步脱氮除磷技术 总的HRT很短 丝状菌不能大量繁殖（好氧，厌氧交替运行），无污泥膨胀,SVI100 污泥中含磷浓度高，肥效高 勿需投药，两个A段只用轻搅拌， 运行费用低 4.缺点 13.7.2.4 污水生物脱氮除磷理论与技术的新进展 传统的废水脱氮除磷工艺存在的问题 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，增加基建投资和运 行费用。 系统为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥 回流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用。 抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌生长。 新突破 硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用。 某些微生物好氧条件下也可以进行反硝化作用 在厌氧条件下，NH4+N减少。 聚磷菌能利用硝酸盐实现反硝化和过量吸收磷。 SHARON工艺 1.原理： 短程硝化反硝化，将氨氮 氧化控制在亚硝化阶段，然后反 硝化。 NO3- NO2- N2 2.应用： 污泥硝化池上清液处理 3.基本特点： 硝化与反硝化在一个反应器中完成，简化工艺流程，节省碳源。 硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和，减少供气量。 缩短水利停留时间，减少反应器体积和占地面积。 OLAND工艺 比利时微生物生态实验室于1998年培养了一种用于高浓度含氨废水 处理的自养硝化菌，其关键特征是能通过自身供氧而将硝化过程控制在 亚硝化阶段，电子受体不足时可消耗其自身(即消耗NO2-)来氧化氨。 OLAND工艺即是由自养硝化菌作为生物催化剂所发生的氧化还原 除氮，为氧控自养硝化反硝化的简称10、12。据报道，该工艺可比传 统的硝化反硝化工艺节省供氧62.5%，节省电子供体(碳源)100%。 在上述氧化还原反应中，亚硝化菌可获得足够的能量以维持其生长 。控制该过程的关键参数是氧浓度。目前存在的问题是，在混合菌群连 续运行的条件下尚难以对氧和污泥的pH值进行良好的控制。若可通过化 学计量方法合理地控制氧的供给，即可使污泥处于亚硝化阶段。实验室 研究表明，该工艺对的去除效率相当高50mgTN/(Ld)。 ANAMMOX工艺 由反硝化时氨氮和硝酸盐同时消失的现象开发一种新处理工艺。研究表 明，化能自养型细菌可以在无分子态氧的条件下以CO2(CO32-)作为碳源、 NO2-为电子受体、NH4+作为电子供体，将NH4+和NO2-共同转化为N2。这 一反应过程的发现为利用生物法处理高氨、低BOD的废水找到了一条最优 的途径。理论上利用这一原理将比传统工艺节省62.5%的O2,同时不需任何 外加碱度和有机物(反硝化菌的碳源和电子供体)。ANAMMOX反应过程如 下，该反应是一个自发的过程。 传统脱氮过程：NH4+2O2+0.83CH3OH0.5N2+3.17H2O+H+0.83CO2 亚硝酸盐型硝化+氨的厌氧氧化过程： NH4+0.75O20.5N2+1.5H2O+H+ NH4+NO2-N2+2H2O(G-358kJ/mol) 该反应的微生物属自养型厌氧细菌，生长速率非常低，但将氨氮厌氧 转化能力非常高，可以达到4.8kgTN/(m3d)，最佳运行条件：温度为10 43，pH值为6.78.3 。 Deammonification工艺 Hippen等人报道了一个适用于 处理高浓度含氮废水的新工艺。 该工艺中，氨转化为氮气的过程不 需要按化学计量式消耗电子供体， 这种特殊的转化过程命名为aerobic de-ammonification(好氧反氨 化)工艺。该工艺中涉及到的微生物目前尚不太清楚。工艺的关键是 控制供氧。Muller等人也报道过自养硝化污泥在非常低的氧压力下(1 kPa或气相中约2.0%O2)可以产生氮气。当溶解氧压力在0.3 kPa时 ，氨的最大氧化率达58%。然而，该过程还未实现稳定和可行的工 艺设计。Binswanger等人报道过利用生物转盘反应器通过硝化反 硝化工艺去除高浓度NH4+ ，废水中的氨。结果表明：当表面负荷 为2.5 gN/(m2.d)时，去除速率达90250 gN/(m3.d)。在整个过程中 ，不需要添加任何可生物降解的有机碳化合物。反应机理可假定为 ：反应过程中生成的NO2- 被NAD+还原。 返回 13.8 活性污泥法的发展与新工艺 13.8.1 氧化沟 氧化沟 氧化沟是常规活性污泥法的一种改型和发展，是延时曝气法的一 种特殊形式。它的池体狭长，池体较浅，曝气池一般呈封闭的环行 沟渠装，污水和活性污泥的混合液在其中作不停的循环流动，水利 停留时间长，在曝气池中设有表面曝气装置，曝气装置的转动，推 动沟内液体迅速流动，起到曝气和搅拌两个作用。 氧化沟基本构造 氧化沟的特点 1.氧化沟中形成富氧区和缺氧区，可以脱氮除磷； 2.池型较大，占地面积较大，多在室外，动力效率低，能耗高； 3.负荷低，处理效果好、产泥量少； 4.抗冲击负荷能力强，工艺流程简单，构筑物少，运行管理方便。 5.常不设计初沉池，也可以不单设二次沉淀池。 氧化沟的构造形式及流态 环形沟渠结构， 水流流态循环混合式 ，介于推流式和完全 混合式之间 氧化沟的技术参数 1.污泥负荷 0.070.4kgBOD5/kgMLSSdd 2.容积负荷 0.282.4 kgBOD5/m3d， 3.泥龄 530d 4.产泥率 0.61.2kgss/kgBOD5 5.MLSS 30006000mg/L 6.HRT 424h 氧化沟的曝气装置的功能 1.供氧 2.保证其活性污泥呈悬浮状态，使污水、空气和污泥三者充分混合与接触 3.推动水流以一定的流速沿池长流动，保持氧化沟的净化功能。 常用的氧化沟系统 1.卡罗塞尔氧化沟 渠道更深、效率更高、 机械性能更好，改善和弥补 了转刷式氧化沟的弱点。 2.交替工作氧化沟系统 容积相同的池子串联工 作，交替作为 曝气池和沉淀 池，无需污泥 回流系统，必 须安装自动控 制系统，处理 水质好，污泥 比较稳定。 3.奥贝尔氧化沟系统 同心圆式的多沟串联系 统，用的比较广泛，运行时 ，外、中、内的溶解氧的梯 度很大。 3.曝气沉淀一体化氧化沟 有称合建式氧化沟，减少占 地面积，免除污泥回流系统， 但是有待进一步完善。 4.帕斯韦尔氧化沟系统 5.T型氧化沟系统 13.8.2 AB法废水处理工艺 1.无初沉池 2.A，B段各拥有自己的回流系统，两段分开，有各自的微生物群体 3.由于A段的负荷高，有较好的抗冲击负荷能力 4.可以分期建设，条件成熟建二级。 AB法工艺流程 AB法特点 13.8.3 间歇式活性污泥法（SBR） SBR法的运行方式 SBR法有成序批式活性污泥法，是充排式反应器的改进形式，所 谓序批：一是运行操作在空间上是按顺序、间歇的方式进行，由于 污水是连续排放，所以要至少两个池子。二是每个SBR反应器的操作 也是按次序的间歇运行。 SBR法的工艺特点 1.工艺简单，可省略二沉池和污泥回流设备 2.反应推动力大，效率高 3.沉淀效果好 4.不易发生污泥膨胀 5.通过运行方式调节(前加缺氧，厌氧时间)可脱N除P 6.便于自动控制(时间参数) 7. 适用于中小型污水处理装置 SBR法的工艺流程 ICEAS工艺（间歇式循环延时曝气） 13.8.3 SBR的发展及其主要的变形工艺 1.ICEAS的循环操作 过程 在反应器的进水端 增加了一个预反应区 运行方式为连续进水，间歇排水。 2.ICEAS的优缺点： 主反应区处于停曝搅拌状态进行反硝化时，连续进入的污水提供碳源 ，提高脱氮效率 连续进水，配水稳定，简化了操作程序。 现有的SBR处理法可较容易的改造成这种运行方式。 在沉淀期时，进水在主反应区底部造成水力紊动影响泥水分离，冲淡 了SBR降解有机物的推动力 3.ICEAS的反应池 反应池由两部分组成，前一部分为预反应区，也称进水曝气区， 后一部分为主反应区。主、预反应区之间的底部有孔洞相连，污水 以很低的流速有预反应区进入主反应区。 CASS工艺 1.CASS的循 环操作过程 2.CASS的反应器及原理 CASS池分预反应区和主反应区。 在预反应区内，微生物能通过酶的 快速转移机理迅速吸附污水中大部 分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，这对进水水 质、水量、PH和有毒有害物质起到较好的缓冲作用，同时对丝状菌的 生长起到抑制作用，可有效防止污泥膨胀；随后在主反应区经历一个较 低负荷的基质降解过程。CASS工艺集反应、沉淀、排水、功能于 一体，污染物的降解在时间上是一个推流过程，而微生物则处于好 氧、缺氧、厌氧周期性变化之中，从而达到对污染物去除作用，同 时还具有较好的脱氮、除磷功能。 在反应器的前部设置了生物选择区，后部设置了可升降的自动滗水装置 。其工作过程可分为曝气、沉淀和排水三个阶段，周期循环进行。污水连 续进入预反应区，经过隔墙底部进入主反应区，在保证供氧的条件下，使 有机物被池中的微生物降解。根据进水水质可对运行参数进行调整。 3.CASS的优势 （1）与SBR相比，CASS法的优点是： 其反应池由预反应区和主反应 区组成，因此，对难降解有机物的去除效果更好。 进水过程是连续的， 因此，进水管道上无需电磁阀等控制元件，单个池子可独立运行；而 SBR进水过程是间歇的，应用中一般要2个或2个以上池子交替使用。 排 水是由可升降的堰式滗水器完成的，随水面逐渐下降，均匀将处理后的 清水排出，最大限度降低了排水时水流对底部沉淀污泥的扰动。 CASS 法每个周期的排水量一般不超过池内总水量的1/3，而SBR则为3/4，所 以，CASS法比SBR法的抗冲击能力更好。 （2）与传统活性污泥法相比，CASS法的优点是： 建设费用低： 省去 了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流设备；工艺流程短，占地面积少 ；运转费用省；管理简单，运行可靠；污泥产量低，污泥性质稳定； 具 有脱氮除磷功能。 无异味。 设备安装简便，施工周期短，具有较好的耐 水、防腐能力，设备使用寿命长； 对原水的水质水量的变化有较强的适 应能力，处理效果稳定，出水水质好， DATIAT工艺（连续曝气-间歇曝气串联工艺） 1.DATIAT工艺流程 DAT 池为预反应池， 也称为连续曝气区，池 中水流呈完全混合流态， 绝大部分有机物在这个 池中降解。IAT相当一个传统的SBR 池，但进水为连续流。 DATIAT 系统的主体构筑物由一个连续曝气池和一个间歇曝气池串 连而成。一般情况下，DAT连续进水、连续曝气，其出水连续流入IAT ，在IAT 完成反应、沉淀、出水等工序。 DAT池和IAT池串联组成，DAT 连续进水，连续曝气（也可间歇曝 气），IAT也是连续进水，但间歇曝气，清水和剩余活性污泥均由IAT 池排出。和典型的SBR 反应池一样，IAT 池运行操作由进水、反应、 沉淀、出水和待机5个阶段组成。 2.DATIAT工艺的特点 增加了工艺处理的稳定性。DAT起到了水力均衡和防止连续进水对出 水水质的影响，特别是在处理高浓度工业废水时，DAT连续曝气加强了系 统对难降解有机物的降解，相对缩短了运行周期。 提高了池容的利用率。由于DAT池连续曝气和IAT 间歇曝气，使该工 艺方法的曝气容积比是最高的。 提高了设备的利用率。由于DAT 池连续进水，因此不需要增设进水的 闸阀及自控装置；DAT池连续曝气，减少了整个系统的曝气强度，提高了 曝气装置的利用率，所需鼓风机的额定风量和功率也减小了。 增加了整个系统的灵活性。该系统可以根据进出水量，水质变化来调 整DAT 池与IAT 池的工作状态和IAT池的运转周期，使之处于最佳工况， 同时也可以根据脱氮除磷要求，调整曝气时间，创造缺氧或厌氧环境 UNITANK工艺 UNITANK 的通用形式是采用三个池子的标准系统这三个池子通过 共壁上的开孔实现水力连接无需用泵输送,每个池中都装有曝气系统( 可以是表曝也可以是鼓风曝气) 同时边缘的两个池子都装有溢流堰用 于排水既可以用作反应区,也可以用作沉淀池每个池子都可以