活性污泥法的工艺设计及原理

活性污泥法工艺的设计与运行管理 一、曝气池设计在进行曝气池容积计算时，应在一定范围内合理地确定污泥负荷（Ns）和污泥浓度（X）值，此外，还应同时考虑处理效率、污泥容积指数（SVI）和污泥龄等参数。设计参数的来源主要有两个途径，一是经验数据，另一个是通过试验获得。以生活污水为主体的城市污水，主要设计参数已比较成熟，可以直接取用于设计，但是对于工业废水，则应通过试验和现场实测以确定其各项设计参数。在工程实践中，由于受试验条件的限制，一般也可根据经验选取。1.曝气池容积的设计计算（1）污泥负荷的确定（2）混合液污泥浓度的确定2.需氧量和供气量的计算（1）需氧量（2）供气量影响氧转移的因素A.氧的饱和浓度B.水温C.污水性质a.污水中含有的各种杂质对氧的转移产生一定的影响，将适用于清水的KLa用于污水时，需要用系数进行修正。污水的KLa = 清水的KLa修正系数值可通过试验确定。一般值为0.80.85。b.污水中的盐类也影响氧在水中的饱和度（Cs），污水Cs值用清水Cs值乘以值来修正，值一般介于0.90.97之间。c.大气压影响氧气的分压，因此影响氧的传递，进而影响Cs。气压增高，Cs值升高。对于大气压不是1.013105Pa的地区，Cs值应乘以压力修正系数， = 所在地区的实际气压/（1.013105Pa）。d.对于鼓风曝气池，空气压力还与池水深度有关。安装在池底的空气扩散装置出口处的氧分压最大，Cs值也最大。但随着气泡的上升，气压逐渐降低，在水面时，气压为1.013105Pa（即1大气压），气泡上升过程中一部分氧已转移到液体中。鼓风曝气池内的Cs值应是扩散装置出口和混合液表面两处溶解氧饱和浓度的平均值。 另外，氧的转移还和气泡的大小、液体的紊动程度、气泡与液体的接触时间有关。空气扩散装置的性能决定气泡直径的大小。气泡越小，接触面积越大，将提高KLa值，有利于氧的转移；但另一方面不利于紊动，从而不利于氧的转移。气泡与液体的接触时间越长，越利于氧的转移。氧从气泡中转移到液体中，逐渐使气泡周围液膜的含氧量饱和，因而，氧的转移效率又取决于液膜的更新速度。紊流和气泡的形成、上升、破裂，都有助于气泡液膜的更新和氧的转移。从上述分析可见，氧的转移效率取决于气相中氧分压梯度、液相中氧的浓度梯度、气液之间的接触面积和接触时间、水温、污水的性质和水流的紊动程度等因素。供气量的计算1.空气扩散装置空气扩散装置的类型较多，目前应用较多的是微孔曝气器。该类型曝气器氧利用率高，阻力损失小，混合效果好，不易堵塞，并且联接部位具有可靠、有效的密封性能。微孔曝气器直径为215260mm，服务面积为0.30.8m2/个。根据曝气池池底面积和曝气器的服务面积，可以计算出所需曝气器的数量。2.曝气器管网设计曝气器的一般采用回环式管网布置（见图6-33），可使每个曝气器的进气压力相等，达到沿池面均匀曝气的效果。根据供气量和选取的流速计算空气管道的直径和阻力损失。空气干管流速一般取1015m/s，支管流速取5m/s。曝气池外采用焊接钢管，池内采用ABS管连接。3.鼓风机的选择根据所需的供气量和空气管道的阻力损失选择鼓风机。鼓风机的升压（H）微孔曝气器的膜片距曝气池液面的距离（H0）+ 阻力损失（hf）。在缺少数据的情况下，也可按H H0 + 1(m)估算。中、小型污水处理厂（站）一般选用罗茨鼓风机，大、中污水处理厂还可选用离心鼓风机。在同一供气系统中，应尽量选择同一型号的鼓风机。当工作鼓风机3台时，备用1台；工作鼓风机4台时，备用2台。鼓风机选好后，再按鼓风机的实际流量校核管网系统的流速和阻力，并进行适当调整。三、污泥回流设备的设计回流污泥量是关系到污水处理效果的重要设计参数，应根据不同的水质、水量和运行方式确定适宜的回流比回流比的大小取决于混合液污泥浓度和回流污泥浓度，而回流污泥浓度又与SVI有关。在曝气池的实际运行中，由于SVI值在一定范围内变化，并且需要根据进水负荷的变化调整混合液污泥浓度，因此，在进行污泥回流设备的设计时，应按最大回流比设计，并使其具有在较小回流比时工作的可能性，以便使回流污泥量可以在一定幅度内变化。活性污泥的回流设备有提升设备和输泥管渠等，常用的污泥提升设备是污泥泵和空气提升器。污泥泵的型式主要有螺旋泵和轴流泵，其运行效率较高，可用于各种规模的污水处理工程。选择污泥泵时，应首先考虑的因素是不破坏污泥的特性，且运行稳定可靠等。空气提升器结构简单、管理方便，并可在提升过程中对污泥进行充氧，但效率较低，因此，常用于中、小型鼓风曝气系统。四、二沉池设计二次沉淀池的作用是泥水分离，使混合液澄清，污泥浓缩，并且将分离的活性污泥回流到曝气池，由于水质、水量的变化，还要暂时贮存污泥。其工作性能对活性污泥处理系统的出水水质和回流污泥浓度有着直接的影响。初沉池的设计原则一般也适用于二次沉淀池，但由于进入二次沉淀池的活性污泥混合液浓度高，具有絮凝性，属于成层沉淀，并且密度小，沉速较慢，因此，设计二次沉淀池时，最大允许水平流速（平流式、辐流式）或上升流速（竖流式）都应低于初沉池。由于二次沉淀池起着污泥浓缩的作用，所以需要适当地增大污泥区容积。二次沉淀池设计的主要内容包括：池型的选择；沉淀池的面积；有效水深的计算；污泥区容积计算；污泥排放量计算等。1.二次沉淀池池型的选择带有刮吸泥设施的辐流式沉淀池，比较适合大、中型污水处理厂；小型污水处理厂则多采用竖流式沉淀池或多斗式平流式沉淀池。2.二次沉淀池面积和有效水深计算3.污泥斗容积的计算污泥斗的作用是贮存和浓缩沉淀污泥，由于活性污泥因缺氧而失去活性和腐败，所以污泥斗容积不宜过大。对于分建式二次沉淀池，一般污泥斗的贮泥时间为2h，故可采用下列公式计算污泥斗容积。4.污泥排放量的计算（2）确定混合液污泥浓度（3）确定曝气池容积(4)确定曝气池各部尺寸3.曝气系统的计算与设计（1）平均时需氧量的计算（2）最大时需氧量（3）每日去除BOD5值（4）去除每kgBOD的需氧量（5）最大时需氧量与平均时需氧量之比4.供气量的计算采用微孔曝气器，敷设于距池底0.2m处，淹没水深4.0m，计算温度按最不利条件考虑，本设计定为30。查表6-2得：水中溶解氧饱和度 Cs(20)=9.17mg/L； Cs(30)=7.63mg/L（1）空气扩散器出口处的绝对压力 (2) 空气离开曝气池面时氧气的百分比（3）曝气池混合液中平均氧饱和度（4）换算为在20条件下，脱氧清水的充氧量 （5）曝气池平均时供气量 （6）曝气池最大时供气量 （7）去除每kgBOD5的供气量 （8）每m3污水的供气量 （9）曝气系统六、活性污泥法运行管理在活性污泥系统投产运行时，运行管理人员不仅应熟悉处理设备的构造和功能，还要深入掌握设计内容和设计意图。对于城市污水和性质与其相类似的工业废水，在投产前首先进行的是培养活性污泥，对于其他工业废水，除培养活性污泥外，还需要对活性污泥进行驯化，使其适应所处理废水的特点。当活性污泥的培养驯化结束后，还应进行试运行，以确定系统的最佳运行条件。1.活性污泥的培养根据污水水量、水质和污水处理厂（站）的条件，可采用的活性污泥培养法有下列几种：（1）全流量连续直接培养法 全部流量通过活性污泥系统的曝气池和二次沉淀池，连续进水和出水。二次沉淀池不排放剩余污泥，全部回流曝气池，直到MLSS和SV达到适宜数值为止。为了加快培养速度，减少培养时间，可考虑污水不经初次沉淀池处理，直接进入曝气池；在不产生大量泡沫的前提下，提高供气量，以保证向混合液提供足够的溶解氧，并使其充分混合。也可以从同类的正在运行的污水处理厂提取一定数量的活性污泥进行接种。活性污泥培养驯化期间必须考虑满足微生物的营养物质保持平衡。（2）流量分段直接培养法采用连续进水和出水方式运行，控制污水投配流量，使其随形成的污泥量的增加而增加。即将培养期分为几个阶段，最后使污水投配流量达到设计流量，MLSS达到适宜浓度。（3）间歇培养法适用于生活污水所占比例较小的城市污水处理厂。将污水引入曝气池，水量约为曝气池容积的5070，曝气46h，再静止11.5h。排放上清液，排放量约占总水量的50%左右。此后再注入污水，重复上述操作，每天13次，直到混合液中的SV达到1520为止。水温在15以上的条件下，一般营养比较平衡的城市污水，经715d的培养，即可达到上述情况。为了缩短培养时间，也可以考虑用同类污水处理厂的剩余活性污泥进行接种。2.活性污泥的驯化对工业废水，除培养外，还需对活性污泥进行驯化，使其适应所处理的废水。常用的驯化方法可分为异步驯化法和同步驯化法。异步驯化法是先培养后驯化，即先用生活污水或粪便稀释水将活性污泥培养成熟，此后再逐步增加工业废水在混合液中的的比例，以逐步驯化污泥。同步驯化法则是在用生活污水培养活性污泥的开始，就投加少量的工业废水，以后则逐步提高工业废水在混合液中的的比例，逐步使活性污泥适应工业废水的特性。驯化阶段以全部使用工业废水而结束。3.活性污泥系统的试运行活性污泥培驯成熟后，就开始试运行。试运行的目的是确定活性污泥系统的最佳运行条件。在系统的运行中，作变数考虑的因素有混合液污泥浓度、空气量、污水注入方式等；如采用生物吸附法，则还有污泥再生时间和吸附时间的比值；如采用曝气沉淀池，还要确定回流窗孔开启高度；如工业废水养料不足，还应确定氮、磷的投加量等。将这些变数组合成几种运行条件分阶段试验，观察各种条件的处理效果，并确定最佳运行条件，这就是试运行的任务。活性污泥法要求在曝气池内保持适宜的营养物与微生物的比值，供给所需要的氧，使微生物与有机污染物很好地接触，并保持适当的接触时间等。如前所述，营养物与微生物的比值一般用污泥负荷率加以控制，其中营养物数量由流入污水量和浓度所决定，因此应通过控制活性污泥的浓度来维持适宜的污泥负荷率。不同的运行方式有不同的污泥负荷率，运行的混合液污泥浓度就是以其运行方式的适宜污泥负荷率作为基础确定的，并在是试运行过程中确定最佳条件下的Ns值和MLSS值。MLSS值最好每天都能够测定，如SVI值稳定时，也可用污泥沉降比暂时代替MLSS值的测定。根据测定的MLSS值或污泥沉降比，便可控制污泥回流量和剩余污泥量，并获得这方面的运行规律。此外，也可通过相应的污泥龄加以控制。关于空气量，应满足供氧和搅拌这两者的要求。在供氧上应使最高负荷时混合液溶解氧含量保持在12mg/L左右。搅拌的作用是使污水与污泥充分混合，因此搅拌程度应通过测定曝气池表面、中间和池底各点的污泥浓度是否均匀而定。活性污泥系统有多种运行方式，在设计中应予以充分考虑，各种运行方式的处理效果，应通过试运行阶段加以比较观察，然后确定出最佳效果的运行方式及其各项参数。在正式运行过程中，还可以对各种运行方式的效果进行验证。4.活性污泥系统运行效果的检测试运行确定最佳条件后，即可转入正常运行。为了经常保持良好的处理效果，积累经验，需要对处理情况定期进行检测。检测项目如下：1)反映处理效果的项目：进出水总的和溶解性的BOD、COD，进出水总的和挥发性的SS，进出水的有毒物质（对应工业废水）；2)反映污泥情况的项目：污泥沉降比（SV）、MLSS、MLVSS、SVI、溶解氧(DO)、微生物观察等；3)反映污泥营养和环境条件的项目：氮、磷、pH、水温等。一般SV和溶解氧最好24h测定一次，至少每班一次，以便及时调整回流污泥量和空气量。微生物观察最好每班一次，以预示污泥异常现象。除氮、磷、MLSS、MLVSS、SVI可定期测定外，其他各项应每天测定一次。此外，每天要记录进水量、回流污泥量和剩余污泥量，还要记录剩余污泥排放规律、曝气设备的工作情况、空气量和电耗等。上述检测项目如有条件，应尽可能进行自动检测和自动控制。5.活性污泥系统运行过程中的异常情况活性污泥系统在运行过程中，有时会出现异常情况，使处理效果降低，污泥流失。下面介绍运行中可能出现的几种主要的异常现象和对其采取的相应措施。（1）污泥膨胀正常的活性污泥沉降性能良好，含水率在99左右。当污泥变质时，污泥不易沉淀，SVI值增高，污泥的结构松散和体积膨胀，含水率上升，澄清液稀少（但较清澈），颜色也有异变，这就是污泥膨胀。污泥膨胀主要是由于丝状菌大量繁殖所引起，也有由污泥中结合水异常增多导致的污泥膨胀。一般污水中碳水化合物较多，缺乏氮、磷、铁等养料，溶解氧不足，水温高或pH值较低等都容易引起丝状菌大量繁殖，导致污泥膨胀。此外，超负荷、污泥龄过长或有机物浓度梯度小等，也会引起污泥膨胀。排泥不通畅则引起结合水性污泥膨胀。为了防止污泥膨胀，首先应加强操作管理，经常检测污水水质、曝气池内溶解氧、污泥沉降比、污泥指数和进行显微镜观察等。如发现不正常现象，就需采取预防措施。一般可调整、加大空气量，及时排泥，在有可能时采取分段进水，以减轻二次沉淀池的负荷等。当污泥发生膨胀后，解决的办法可针对引起膨胀的原因采取措施。如缺氧、水温高等，可加大曝气量，或降低进水量以减轻负荷，或适当降低MLSS值，使需氧量减少等；如污泥负荷率过高，可适当提高MLSS值，以调整负荷。必要时还要停止进水，“闷曝”一段时间。如缺乏氮、磷、铁等养料，可投加硝化污泥或氮、磷等成分。如pH值过低，可投加石灰等调节pH值。若污泥大量流失，可投加510mg/L氯化铁，帮助凝聚，刺激菌胶团生长；也可投加漂白粉或液氯（按干污泥的0.30.6投加），抑制丝状菌繁殖，特别能控制结合水性污泥膨胀。也可投加石棉粉末、硅藻土、粘土等惰性物质，降低污泥指数。污泥膨胀的原因很多，以上只是污泥膨胀的一般处理措施。（2）污泥腐化在二次沉淀池有可能由于污泥长期滞留而产生厌气发酵，生成H2S、CH4等气体，从而使大块污泥上浮的现象。上浮的污泥腐败变黑，产生恶臭。此时也不是全部污泥上浮，大部分污泥都是正常排出或回流。只有积在死角长期滞留的污泥才腐化上浮。防止污泥腐化上浮的措施有：安设不使污泥外溢的浮渣清除设备；消除沉淀池的死角区；加大池底坡度或改进池底刮泥设备不使污泥滞留于池底；及时排泥和疏通堵塞等。（3）污泥上浮污泥在二次沉淀池呈块状上浮的现象，并不是由于腐败所造成的，而是由于在曝气池内污泥龄过长，硝化进程较高（一般硝酸铵达5mg/L ），在沉淀池底部产生反硝化，硝酸盐中的氧被利用，氮即呈气体脱出附于污泥上，从而使污