（检测技术与自动化装置专业论文）污水生物曝气系统的模糊pid控制技术研究.pdf

摘要 污水的生物处理过程具有大滞后、非线性、随机性和多变量的特 点，曝气环节的传统p i d 控制虽然在工程上广泛采用，但在实际应用 中还存在着一些问题。 本文在分析污水处理厂现有活性污泥法曝气原理、国内污水处理 厂管理现状、传统控制策略和现有的检测仪表及过程控制计算机等硬 件设备的基础上，阐明了在污水处理厂曝气控制的环节上，传统控制 策略( p i d ) 的使用及其局限性，并提出解决好曝气系统控制的两个 改进方法：一是解决曝气池空气流量的平衡和稳定问题；二是解决溶 解氧的控制策略问题。前者采用曝气流量的p i d 改进控制方法，后者 采用溶解氧曝气量的模糊控制方法。目的在于避免传统控制方法对类 似生物反应复杂对象传递函数的依赖，保证曝气池溶解氧指标稳定并 快速接近设定值目标，同时，减少曝气池调节阀频繁动作带来的危害， 减少气量消耗，也减轻运行人员的工作强度。 关键词：污水处理厂；活性污泥处理过程；生物需氧量；化学需 氧量；溶解氧；氧的转移；曝气池；曝气均衡；空气质量流量；p i d 控制；串级控制：模糊控制。 a b s t r a c t t 1 1 es e w a g eb i o l o g yt r e a t m e n tp r o c e s sh a ss u c hs o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s l a r g el a g n o n 1 i n e a r i t y , r a n d o m n e s sa n dm u l t i v a r i a b l e t h o u g h 血ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o li sa p p l i e dw i d e l yt oi n d u s t r i a lp r o c e s so ft h ea e r a t i o nl i n k s o m ep r o b l e m s e x i s ts t i t li na c t u a la p p l i c a t i o n b a s e so na n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft h ea c t i v es u l l a g ea e r a t i o n ，t h em a n a g e m e n t s i t u a t i o no fd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ，t h et r a d i t i o n a lc o n t r 0 1s t r a t e g y , t h e m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t sa n dp r o c e s sc o n t r o lc o m p u t e r s ，t h i st h e s i sc l a r i f i e st h e l i m i t m i o n so fn l et r a d i t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g yf p i d ) o nt h ea e r m i o nc o n t r 0 1 l i n kf o rt h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，a n db r i n g sf o r w a r dt w oi m p r o v e ds t r a t e g i e sf o rt h e a e r a t i o ns y s t e mc o n t r 0 1 f i r s t l y , t h eb a l a n c ea n ds t a b i l i z a t i o no ft h ea i rf l u xi nt h e a e r a t i o nt a n ks h o u l db es o l v e d ；s e c o n d l y , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ed i s s o l v e do x y g e n s h o u l db es o l v e d t h ef o r m e ra d o p t si m p m v e dp i dc o n t r o lf o rt h ea e r a t i o na i rf l u x t h el a t t e ra d o p t sf u z z yc o n t r o ls t r a t e g ya c c o r d i n gt od i s s o l v e do x y g e nf o rt h ea e r a t i o n a i rf l u x m si sa i m e da ta v o i d i n gt h et r a d i t i o n a lc o n t r o ld e p e n d e n c eo nt h et r a n s f e r f u n c t i o no fac o m p l i c a t e do b j e c t ，s u c ha sb i o l o g i cr e a c t i o n ，e n s u r i n gt h e , p e r f o r m a n c e i n d e xo nt h ed i s s o l v e do x y g e ni nt h ea e r a t i o nt a n kt ob es t a b l e ，a n da p p r o x i m a t i n gt h e g o a lf l e e t l y ；a tt h es a l a l et i m e ，r e d u c i n gt h eh a r mf o rt h er e g u l a t i n gv a l v ei na e r a t i o n t a n k ，d u et ot h ef r e q u e n to p e r a t i o n ，s a v i n gt h ec o n s u m eo ft h ea i r ，a n dt h ew o r k e r l a b o u ri n t e n s i t y k e y w o r d ： w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s b i o l o g i c a lo x y g e nd e m a n d c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d d i s s o l v e do x y g e n o x y g e nt r a n s f e r a e r a t i o nt a n k a e r a t i o ne q u i l i b r i u m m a s sf l u xo f a i r p i dc ：o n t r o l s e r i e sc o n t r o l f u z z yc o n t r o l 日i j 吾 第一章污水生物处理理论和工艺概述介绍了城市污水处理的活性污泥 法的机理和工程上采用的曝气原理以及溶解氧控制的意义。 第二章活性污泥法曝气控制策略分析介绍了现有国内污水处理厂的自动 化控制和检测仪表系统的构成，分析了曝气控制的特点并指出传统控制的局限 性，在此基础上提出曝气流量p i d 控制和模糊流量计算的改进控制方法。 第三章曝气流量控制具体勾画了串级控制的系统结构，阐述了流量p i d 控制的设计过程和要解决的问题。 第四章模糊控制策略具体介绍了模糊控制的机理，详述了以溶解氧为依 据的空气质量流量模糊控制器的设计方法。 第五章实验和结论摘录了实际工程实验的数据报告和说明，以此证明前 述改进控制方法取得的实际效果。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘查盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：莎纬 签字目期：。r年，月旷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：z 象 签字日期：气哞 f 月l 日 导师签名： 多 乜弱，7 1 签字日期：妙广年f 月f 扩日 第一章污水生物处理理论和工艺概述 第一章污水生物处理理论和工艺概述 1 1中国城市污水处理发展历程 经济发展推进社会进步，但是也带来不同程度的环境污染。污水是环境污染 的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注。 建国以来我国污水处理行业的成长历程如下： ( 1 ) 5 0 6 0 年代的状况 解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，且提倡利用 污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，如 著名的沈抚灌渠等，所以全国仅有几个城市建设了近十座污水处理厂( 还包括 1 9 2 1 1 9 2 6 年间外国人兴建3 座污水处理厂) ，其处理工艺有的还是一级处理， 处理的规模也很小，每天只有几千立方米，最大的也只有每天5 万立方米左右， 污水处理技术和管理水平处于较落后的状态。 ( 2 ) 7 0 8 0 年代的发展变化 随着工农业生产的不断发展，人民生活水平的逐步提高，城市污水的成分也 随之而变化，污染程度由低向高逐渐演变，一些发达国家由于污水的污染，使人 民身体健康受到威胁的沉痛教训( 如，日本骨疼病、水俣病的出现) ，引起人们 的关注和我国政府的高度重视，建立了国家级环保组织( 国务院环境保护办公 室) ，大学也陆续设置环境工程系或环境工程专业。国家和地方都为筹备建设国 内大型污水处理厂做前期工作，此刻天津市政府与建设部及有关部委率先决定建 设天津市纪庄子污水处理厂，并于1 9 8 2 年破土动工，1 9 8 4 年4 月2 8 日竣工投 产运行，处理规模2 8 万m 3 d 。 天津市纪庄子污水处理厂的设计、施工、管理的成功经验，为我国大型城市 综合污水处理厂的建设起到了工程建设的示范作用，也为我国8 0 年代污水处理 事业大规模的发展起到了奠基作用。 ( 3 ) 2 0 世纪宋污水处理技术的发展和污水处理厂建设的成就 国家“七五”、“八五”、“九五”、“十五”科技攻关课题的建立，使 第一章污水生物处理理论和工艺概述 我国污水处理的新技术、污泥处理的新技术、再生水回用的新技术都取得了可喜 的科研成果，某些项目达到国际先进水平。随着改革开放大好形势的不断深入， 我国的污水处理事业也得到了快速的发展。国外污水处理新技术、新工艺、新设 备被引进到我国，在活性污泥工艺应用的同时，a b 法、a o 法、a a o 法、c a s s 法、s b r 法、氧化沟法、稳定塘法、土地处理法等也在污水处理厂的建设中得到 应用。 由于建设大型城市污水处理厂的投资很大，我国的建设资金有限，无法适应 水污染治理的需要。为此引进国外资金建设污水处理厂成为建设资金的重要组成 部分，从而也加快了我国城市污水处理厂的建设速度。一批大型的城市污水处理 厂利用国外贷款项目相继建成投产。如：我国2 0 世纪最大的污水处理规模为6 0 万m ：1 d ；天津东郊污水处理厂、成都三瓦窑污水处理厂、沈阳北部污水处理厂、 郑州王新庄污水处理厂处理规模均为4 0 万m 3 d 。 1 2 污水生物处理的基本概念 污水生物处理的目的是使污水中挟带的污染物质，主要是有机物，通过微生 物的代谢活动予以转化及稳定，达到无害化。在这无害化过程中，有窖物质转化 和稳定运动的主体是微生物。因此，认识污水生物处理的本质，必然要对微生物 的生理活动特性有清晰的理解。 1 2 i 微生物的新陈代谢 微生物同所有生物一样，在生命活动过程中，不断从外界环境中摄取营养物 质，通过生物酶催化的复杂生化反应，提供能量并合成新的生物机体，不断进行 着生长繁殖和自我更新，并向外界环境排泄废物。这种生物体在生命活动过程中 从外界周围环境吸取养料并在体内不断进行物质转化和交换作用的过程称之为 新陈代谢，或物质代谢，简称代谢。 新陈代谢大体上分为两大类：物质代谢及提供能量的代谢，称分解代谢；消 耗能量合成生物体的代谢，称合成代谢。这两种代谢，在生命体的生命活动过程 中，不是单独进行的，而是互相依赖，密切配合，共同进行，构成了一个有机结 合的新陈代谢体系。合成代谢过程需要能量和物质，而分解代谢过程中产生的物 第一章污水生物处理理论和工艺概述 质和能量用之于合成代谢。合成代谢是在分解代谢的基础上进行的，而分解代谢 又是为合成代谢而进行的。它们是生物体内进行新陈代谢运动的不可分割、互为 依存的两个重要组成部分。 1 2 2 底物的降解 微生物和其他生物一样，为了生活，进行各项生理活动，必须从外界周围环 境摄取营养物质，予以利用。这些营养物质，在生物体内，通过酶的催化作用， 发生一系列的生化反应，从中获得需要的能量和合成新的细胞物质。在污水中存 在着各种有机物和无机物。这些物质，一般来说，几乎大部分有机物和部分无机 物，都能作为微生物的营养源，而加以利用。这些可被微生物利用的物质，我们 通常称之为底物或基质。更确切地说，一切在生物体内可通过酶的催化作用而进 行生物化学变化的物质称为底物。 在污水处理中，所谓底物的降解，就是污水中含有的营养物质，被微生物代 谢，予以利用、转化，使得原有的复杂的高分子氧化分解为简单的低分子的过程。 若污水中的底物主要是有机物，那么，这个过程也称为有机物的降解。 在污水处理工程中，可生化降解的有机物量，人们以b o d 量相对表示之。而 可生物降解的底物量，则其意义更为广泛，它不仅包括有机物，也包括了无机物。 如在氮硝化过程中，可生物降解的底物量以n h 。一n 量表示之。 底物降解在污水处理中具有十分重要的意义。如果污水中的底物是可降解 的，说明该污水采用生物法进行无害化处理是可行的。因此，一般由于生物处理 法的运转管理较方便、经济，人们首先要研究观察污水生物处理的可能性，通常 简称为污水的可生化性。考察这种可能性的试验，则称之为污水的可生化性试验。 试验的方法有多种，一般较常用的是测定微生物的耗氧量或耗氧速率，测定的仪 器可采用瓦勃呼吸仪或溶解氧仪。将不同时间测得的耗氧量累计值或耗氧速率绘 制成微生物的呼吸过程线，即累计耗氧量和时间( o t ) 的关系曲线或耗氧速率 j 九 和时间( 竺兰r ) 的关系曲线。通过微生物的内源呼吸过程线和污水按接触后的 蹦 生化呼吸过程线的比较，确定污水的可生化性。当生化呼吸过程线位于内源呼吸 过程线之上，说明污水中的物质是可生物降解的。当前者位于后者之下，说明污 水中含有对微生物产生毒害或抑制作用的物质。当这两条呼吸过程线发生重合 第一章污水生物处理理论和 。：艺概述 时，则说明污水中的物质是生物难降解的，但不是有毒物质。 1 2 3 名词解释 1 、生物化学需氧量或生化需氧量b o d ( b i o l o g i c a lo x y g e nd e m a n d ) 在水温为2 0 0 c 的条件下，由于微生物( j a 要是细菌) 的生活活动，将有机 物氧化成无机物所消耗的溶解氧量。在有氧的条件下，可生物降解有机物的降解， 可分为两个阶段：第一阶段是碳氧化阶段，即在异氧菌的作用下，含碳有机物被 氧化( 或称碳化) 为c 0 ：，h 2 0 ，含氮有机物被氧化( 或称氨化) 为n 心，所消耗 的氧以o 。表示。与此同时，合成新细胞( 异氧型) ；第二阶段是硝化阶段，即在 自氧菌( 亚硝化菌) 的作用下，n h 。被氧化为n 0 。和h 2 0 ，所消耗的氧以0 。表示， 在自氧菌( 硝化菌) 的作用下，n o 被氧化为n 町，所消耗的的氧用0 。表示。与 此同时合成新细胞( 自氧型) 。上述两阶段，都能释放出供微生物生活活动所需 要的能。合成的新细胞，在生命活动中进行着新陈代谢，即自身氧化的过程，产 生c 0 ：，h 2 0 与n 0 ”，并释放出能与氧化残渣，这种过程叫内源呼吸，所消耗的 氧量o 。表示。耗氧量仉+ o 。称为第一阶段生化需氧量，用b o d 。表示，耗氧量o 。+ o 。 称为第二阶段生化需氧量。由于有机物生化过程延续时间很长，在2 0 0 c 水温下， 完成两阶段需要i 0 0 天以上。由于5 天的生化需氧量约占总碳氧化需氧量b o d 。 的7 0 8 0 ，工程实用上，b o d 。作为可生物降解有机物的综合浓度指标。 2 、化学需氧量c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 采用强氧化剂( 我国法定用重铬酸钾) ，并在酸性条件下，将有机物氧化成 c 0 2 和h 2 0 所消耗的氧量。化学需氧量c o d 的优点是较精确地表示污水中有机 物的含量，测定时间仅需l 小时，且不受水质的限制。缺点是不能象b o d 那样 反映出微生物氧化有机物，直接从卫生学角度阐明被污染的程度。 1 3城市污水处理的活性污泥法 城市污水中溶解性有机物和悬浮固体是两类重要的污染物。污水中存在的 溶解性有机物，可以大量地消耗自然水体中的溶解氧，使水生生态系统因为缺氧 而遭到破坏；如果溶解氧接近于零，还会使水体发黑发臭，失去使用价值。悬浮 4 第一章污水生物处理理论和二 艺概述 固体包括悬浮固体( 如泥沙等) 和有机悬浮固体( 如食物残渣等) ，前者可以使 水体浑浊、吸纳微生物；而且后者可以逐步释放溶解性有机物质。此外，污水中 还含有许多含氮物质，这些物质如果排放进入自然水体，会造成水体富营养化。 污水处理的目的就是去除这些污染物。 目前，国际水处理领域已经广泛采用二级生化处理的方法处理城市污水。 该方法利用自然界中存在的微生物，吸收、氧化污水中的有机物质，从而达到去 除污染物改良的目的。根据此方法，适应不同污水处理厂的具体需要，工程界开 发了传统活性污泥法、氧化沟、s b r 等多种工艺，这些工艺都已在实践中得到了 检验。 活性污泥法自1 9 1 4 年在英国由e a r d e m 和w t l o e k e t t 创始以来，迄今已 有近9 0 年历史了。随着实际运行经验的积累和科学技术的发展，活性污泥法亦 不断改进和发展。现在，活性污泥法已从原先的传统流程，发展到今天已有多种 多样的工艺流程，使得它的适用性、有效性更竞善、更扩大了。它在城市污水和 一些工业污水的处理中，特别是规模较大的场合，已占有极大优势，成为主体。 图1 - 1 城市污水处理流程 1 3 1 活性污泥法的机理 活性污泥法是采用人工曝气的手段，使得活性污泥( 栖息着大量微生物的絮 花状泥粒) 均匀分散并悬浮于反应器( 曝气池) 中，和污水充分接触，并在有溶 解氧的条件下，对水中所含的有机底物进行着合成和分解的代谢活动。在这活动 第一章污水生物处理理论和工艺概述 过程中，有机物质被微生物所利用，得以降解、去除。同时，亦不断合成新的微 生物去补充、维持反应器中所需的工作主体微生物( 活性污泥) ，与从反应 器中排出的那部分剩余的活性污泥相互平衡。 由上可见，在活性污泥法中，创造微生物所需的环境条件，如温度、p h 、营 养、供氧等，使微生物在反应器中得到正常、良好的生长繁殖是个关键。只有这 样，才能使活性污泥生物处理过程正常进行，污水中的有机污染物质得以去除， 达到无害化处理的目的。 1 3 2 基本流程 活性污泥法的基本流程如图卜2 所示。这个流程是英国最初建立的形式，或 称之为传统的活性污泥法流程。流程中，活性污泥为主体，通过回流和污水一起 进入曝气池，互相混合接触，污水中可生物降解的有机物质被微生物所利用。在 利用过程中，进水b o b 。得以降低，而活性污泥量增加。从曝气池流出的混合液 ( 活性污泥和污水的混合体) ，进入二次沉淀池( 简称二沉池) 予以固、液分离， 污泥沉入底部浓缩后再回流到曝气池，多余部分则排走，进一步予以消化处理( 这 部分污泥称剩余污泥，来自微生物的增殖) 。曝气池和二沉池组成一个整体，称 之为活性污泥法系统。污水经过这个系统，得到无害化处理。 此外，在这个系统中，不断向曝气池注入空气，为微生物提供呼吸氧气以及 供污泥、污水互相混合搅拌需要。这样，微生物处于好氧状态并与周围的营养物 质充分、均匀地接触，使得生化过程沿着曝气池( 反应器) 从进口到出口正常进 行。 ! ! 芝# 一曝气池l 一叫二沉池些! 已 l 一 一 回流污泥i 剩余污泥 图卜2 活性污泥法的基本流程 这个流程，实质上是模拟了自然界中存在的水体自净过程，只是人为地将微 生物( 活性污泥) 悬浮于水流中，与有机污染物质不断接触，通过生物代谢活动， 6 第一章污水生物处理理论和工艺概述 污水中的有机污染物质被去除。在这里，曝气池作为个生化反应器，通过回流 新鲜污泥及排出剩余污泥，保持一定量的微生物，去接纳允许进入反应器的有机 污染物。其次，二沉池作为活性污泥法系统的一个重要组成部分，进行着固、液 分离，提供曝气池所需要的回流污泥量，与曝气泡紧密联系，构成一个系统，共 同运行。 要使得这个流程运行正常，从生物处理角度，关键是要创造一个良好的环境 条件，给微生物以正常发育和生长繁殖的可能。应从供氧、提供营养物、固、液 分离、回流活性污泥、p h 、温度等全方面考虑，组成一个良好的整体，为微生物 进行代谢活动，创造十分有利的环境。 自然界中，有机物排入河流后，经微生物降解而大量消耗水中的溶解氧，使 河水亏氧；另一方面，空气中的氧通过河流水面不断地溶入水中，使溶解氧逐步 得到恢复。所以好氧和复氧是同时存在的，河水中的d o 与b o d 5 浓度变化见图 1 3 。 图卜3自然河流中b o d ；及d o 的变化曲线 1 3 3 活性污泥去除有机物的过程 污水中挟带的有机物( 以b o d 计) ，通过活性污泥法系统设备处理后得以去 除，而污水净化。那么，这个有机物被活性污泥降解、去除的过程又是怎样的呢? 众所周知，我们将有机污水同活性污泥放在一起，进行曝气试验，定时取样，并 予以离心分离泥水后测定污水的c o d ( 由于c o d 测定快，通常以此替代b o d ；的测 定) ，可以观测到如图卜4 中所示的污水c o d 的下降过程。在这过程中，c o d ( 替 代b o d ) 的下降在初期( 一般在开始的3 0 分钟左右) 特别快，而后逐渐减慢。 这个现象将引导我们进一步去分析污水中被去除的大量有机物在初期是否全被 ：2 心8 i o 一毫芎i拈t鞋隧窘苗 第一章污水生物处理理论和工艺概述 活性污泥微生物所利用了呢? 事实上没有。因为活性污泥微生物在降解、去除污 水有机物过程中，将消耗水中的溶解氧，溶解氧的消耗量就是通常所说的生化需 氧量( b o d ) 。这样，b o d 这个水质指标就间接地度量了污水中被微生物利用了的 有机物量。因此，在活性污泥法曝气过程中，如果在测定一系列污水b o d 残留量 的同时，相应地测定一系列的溶解氧消耗量，我们就可以知道所有从污水中去除 的有机物是否都已经被微生物所利用。如果b o d 下降量等于氧消耗量，则从污水 中去除的有机物已全部被微生物利用( 一部分转化为细胞物质，另一部分转化为 无机物) ；如果两者不等，则说明从污水中去除的有机物并未全部被微生物利用， 只有同氧消耗量相当的这部分被微生物利用，而两者的差值相当于尚未被微生物 利用的这部分有机物。事实上，在曝气初期，活性污泥表面富集着的许多活性强 的微生物，和污水充分混合、接触后，微生物细胞壁外围的粘液层就能将污水中 的有机物迅速吸附到活性污泥中。这个吸附过程进行的相当快，大约在不到3 0 分钟之内，就可以将污水中的有机物( 以b o d 计) 去除大部分，b o d 去除率可达 7 0 以上。有机物的吸附去除，是微生物摄取营养物质的第一步。只有当这些物 质在微生物胞外酶作用下，进入细胞内部之后，才能在胞内酶的作用下进行代谢、 转化，被微生物利用。因此，在曝气初期，污水中大部分有机物的去除，并不能 说明它们已经全被微生物利用。这一吸附去除过程本身是一个物理过程，只能说 是为下一步进入物质转化过程做了准备。 废水c o d 残留量( ) 1 0 0 厂_ t t _ 二二r 耳l1 0 0 量 蝌 器 榭 誊 曝气时间( 小时) 图1 - 4污水c o d 下降过程 随着曝气过程的延续，被活性污泥吸附的大量有机物将接着为微生物所利 用。先是有机物在好氧微生物的活动下，被氧化分解为中间产物，接着这些中间 8 第一章污水生物处理理论和工艺概述 产物合成为细胞物质，另一些中间产物氧化为无机的终点产物。这个过程，也就 是物质的转化过程，是个生化反应过程，亦称之为稳定过程。这个过程是物质由 不稳定到稳定的过程，即高分子有机物降解为简单的、稳定的、低分子无机物， 如有机碳氧化分解为二氧化碳。这个稳定有机物的过程，较之前面的吸附有机物 过程要长得多。所需曝气时间的长短，视有机物转化的深度而异，如传统的活性 污泥法( 或称普通活性污泥法) 的曝气时间( 包括吸附、稳定两个过程) 为6 8 小时。 由上可见，在活性污泥法曝气过程中，污水中有机物的去除过程，是由吸附 和稳定这两个过程或阶段组成的。在吸附阶段，主要是污水中的有机物转移到活 性污泥上：在稳定阶段，主要是转移到活性污泥上的有机物被微生物所利用。这 两个阶段事实上不能绝对分开，它们在曝气过程中是并存的。前个吸附阶段中 亦存在着物质稳定，但这不是主要的。敞在吸附阶段中必然是以吸附为主；而在 稳定阶段则以稳定为主。 1 3 4 环境因素的影响 i ，溶解氧 活性污泥法是一种利用好氧微生物的污水生物处理工艺。溶解氧浓度对活性 污泥的工作关系密切，因此，曝气池中溶解氧的浓度究竟应维持多少，一直是人 们十分关心的问题。关于这个问题，很多人做了不少的研究。据有关报道，当溶 解氧浓度高于0 1 o 3 毫克升时，单个的悬游着的好氧细菌的代谢，不受溶解 氧浓度的影响。但是，活性污泥的泥花是千万个个体微生物集结在一起的絮状体， 要使其内部的溶解氧浓度达到o 1 0 3 毫克升，泥花周围的溶解氧浓度一定要 比这高得多，这个浓度的最低限值同泥花的大小和混合液温度有关，因为它们影 响氧向泥花内部的扩散。为了获得良好性能的活性污泥，据长期的研究观察经验， 认为混合液中的溶解氧浓度应保持不低于2 毫克升，以保证活性污泥法系统的 正常运行。 2 营养物 活性污泥的主体是好氧微生物，培养好活性污泥，就必须提供微生物以营养 物质。其中碳营养源为主，此外还需氮、磷营养源和一些微量元素。通常人们都 取碳、氮、磷三种营养源作为培养活性污泥微生物所需营养物的主体构成，并提 第一章污水生物处理理论和工艺概述 出应满足下述的营养源组成比例，即” b o d 。( 碳源) ；n ( 氮源) ：p ( 磷源) = 1 0 0 ：5 ：l 上述的营养源组成比例，在生活污水中是能够满足的。 3 温度 活性污泥微生物的生理活动和其所处环境的温度有着密切的关系。例如城市 污水处理厂的运行，在温暖季节，水温适宜时，情况就较正常，出水水质较好； 而在严寒季节，水温过低时，处理效果就较差。这是因为微生物酶系统的工作有 一定的适宜温度范围。在这范围内，微生物的生理活动活跃、旺盛，生长、繁殖 正常，物质代谢作用较快。据污水处理厂的运行经验介绍，曝气池系统内的水温， 以2 0 “3 0 。c 为适宜范围。若水温超过3 5 。c 或低于1 0 。c 时，处理效果下降。因此， 对寒冷地区的污水和生物处理构筑物，有时需要采取保温措施，维持一定的水温。 据有关报道，如水温能维持在6 7 0 c ，则再采取提高活性污泥浓度和降低污泥负 荷率的措施，活性污泥仍能有效地发挥作用，达到一定的处理效果。 4 p h 值 曝气池内混合液的p h 值，对于活性污泥微生物也是一个重要的因素。p h 值过低、过高，都是不适宜的。一般位于中性附近，如p h = 6 5 7 5 是最适宜的。 因为在这个范围内，活性污泥微生物的生长繁殖情况最好。如p h 低于6 5 时， 将对霉菌生长有利，如果活性污泥中有大量的霉菌繁殖，由于它们不象细菌那样 可以分泌粘性物质，因而会破坏活性污泥的结构，造成污泥膨胀。同样，如果 d h 值过高，达到9 时，原生动物将由比较活跃转为呆滞，菌胶团粘性物质解体， 活性污泥结构也将遭到破坏。 5 有毒物质 有毒物质是指对活性污泥微生物具有抑制及杀害作用的化学物质。毒物对 微生物的影响是破坏它们的细胞结构，主要是破坏细胞的细胞质膜和机体内的 酶，使酶失去活性，细胞质膜遭到破坏，使机体外界的物质进入细胞体内，而体 内的物质溢流出体外，破坏了微生物的正常生理活动。 1 4 曝气的理论基础 活性污泥法是采用人工措施，创造适宜条件，强化活性污泥微生物的新陈代 1 0 第一章污水生物处理理论和工艺概述 出应满足下述的营养源组成比例，即 b o d j ( 碳源) ：n ( 氨源) ：p ( 磷源) = 1 0 0 ：5 ；t 上述的营养源组成比例，在生活污水中是能够满足的。 3 。温度 活性污泥微生物的生理活动和其所处环境的温度有着密切的关系。例如城市 污水处理厂的运行，在温暖季节，水温适宜时，情况就较正常，出水水质较好： 而在严寒季节，水温过低时，处理效果就较差。这是因为微生物酶系统的工作有 一定的适宜温度范围。在这范围内，微生物的生理活动活跃、旺盛，生长、繁殖 正常，物质代谢作用较快。据污水处理厂的运行经验介绍曝气池系统内的水温， 以2 0 。3 0 “c 为适宜范围。若水温超过3 5 。c 或低于1 0 时，处理效果下降。因此， 对寒冷地区的污水和生物处理构筑物，有时需要采取像湿措施，维持一定的水温。 据有关报道，如水温能维持在6 “7 。c ，则再采取提高活性污泥浓度和降低污泥负 荷率的措施活性污泥仍能有效地发挥作用，达到一定的处理效果。 4 p h 值 曝气池内混合液的p h 值，对于活性污泥微生物也是一个重要的囡素。p h 值过低、过高，都是不适宜的。一般位于中性附近，如p h = 6 5 ”7 5 是最适宜的。 因为在这个范围内，活性污泥微生物的生长繁殖情况最好。如p h 低于6 5 时， 将对霉菌生长有利，如果活性污泥中有大量的霉菌繁殖，由于它们不象细菌那样 可以分泌粘性物质，因而会破坏活性污泥的结构，造成污泥膨胀。同样，如果 埘值过高，达到9 时，原生动物将由比较活跃转为呆滞，菌胶团粘性物质解体， 活性污泥结构也将遭到破坏。 5 有毒物质 有毒物质是指对活性污泥微生物具有手中制及杀害作用的化学物质。毒物对 微生物的影响是破坏它们的细胞结构，主要是破坏细胞的细胞质膜和机体内的 酶，使酶失去活性，细胞质膜遭到破坏，使机体外界的物质进入细胞体内，而体 内的物质溢流出体外，破坏了微生物的正常生理活动。 1 4 曝气的理论基础 活性污泥法足采用人工措施，创造适宣条件，强化活性污泥微生物的新陈代 活性污泥法是采用人工措施，创造适宜条件，强化活性污泥微生物的新陈代 o 第一章污水生物处理理论和工艺概述 谢功能，加速污水中有机污染物降解的污水生物处理技术。对此，重要的人工措 施之一是向活性污泥反应器曝气池中的混合液提供足够的溶解氧，使混合液 中的活性污泥与污水充分接触，这两项任务是通过曝气这一手段实现的。 现行通行的曝气法有：鼓风曝气、机械曝气和两者联合的鼓风一机械曝气。 鼓风曝气是将由空压机送出的压缩空气通过一系列的管道系统送到安装在曝气 池池底的空气扩散装置( 曝气装置) ，空气从那里以微小气泡的形式逸出，并在 混合液中扩散，使气泡中的氧转移到混合液中去；而气泡在混合液中强烈扩散、 搅动，使混合液处于剧烈混合、搅拌状态。机械曝气则是利用安装在水面上、下 的叶轮高速转动，剧烈搅动水面，产生水跃，使液面与空气接触的表面不断更新， 使空气中的氧转移到混合液中去。 1 4 1 氧转移原理 1f i c k 定律 通过曝气，空气中的氧，从气相传递到混合液的液相中，这既是一个传递过 程，也是一个物质扩散过程。扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差。物 质的分子从浓度较高的一侧向着较低的一侧扩散、转移。 扩散过程的基本规律可以用f i c k 定律加以概括，即 h d ，筹 ( 1 - 1 ) 式中物质的扩散速度，在单位时间内单位断面上通过的物质数量； d ，扩散系数，表示物质在某种介质中的扩散能力，主要决定于扩散 物质和介质的特性及温度： c 物质浓度； x 扩散过程的长度； 筹浓度梯度，即单位长度内的浓度变化。 上式表明，物质的扩散速率与浓度梯度星正比关系。 2 双膜理论与氧总转移系数墨。 以m 表示在单位时间t 内通过界面扩散的物质数量；以a 表示界面面积，则 下式成立： 第一章污水生物处理理论和工艺概述 ( 1 2 ) d m l ：一d ，一d c a“捌 掣：一d_粤(1-4) m d x 在曝气过程中，氧分子通过气、液界面由气相转移到液相，在界面的两侧存 在蓿气膜和液膜。气体分子通过气膜和液膜的传递理论是l e w i s 和w h i l m a n 于 1 9 2 3 年建立的“双膜理论”。这一理论的基本点可归纳如下： ( 1 ) 在气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态的气膜和液膜，在 其外侧分别为气相主体和液相主体，两个主体均处于紊流状态。 气体分子以分子扩散方式从气相主体通过气膜与液膜而进入液相主体。 ( 2 ) 由于气、液两相的主体均处于紊流状态，其中物质浓度基本上是均匀 的，不存在浓度差，也不存在传质阻力，气体分子从气体主体传递到液相主体， 阻力仅存在于气、液两层层流膜中。 ( 3 ) 在气膜中存在着氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，它们 是氧转移的推动力。 ( 4 ) 氧难溶于水，因此，氧转移决定性的阻力又集中在液膜上，因此，氧 分子通过液膜是氧转移过程的控制步骤，通过液膜的转移速度是氧转移过程的控 制速度。 1 2 得丝等州 = 入 代 第一章污水生物处理理论和工艺概述 界面 l 壮 p i c s 图卜5双膜理论模型 在气膜中，氧分子的传递动力很小，气相主体与界面之间的氧分压差值 尸，一p 很低，一般可以认为只* p 。这样，界面处的溶解氧浓度值g ，是在氧分 压力为只条件下的溶解氧的饱和浓度值。如果气相主体中的气压为一个大气压， 则p ，就是一个大气压中的氧分压力( 约为一个大气压的i 5 ) 。 设液膜厚度为z ，( 此值极低) ，则在液膜溶解氧浓度的梯度为 一d c 匹 ( 1 5 ) d x x 1 代入式( 1 - 4 ) ，得 警= 巩巧百c s - c ) 心6 ) 式中掣氧传递率，k g o ：h ； d ，氧分子在液膜中的扩散系数，m 2 h ； 一气、液两相接触界面面积，m 2 ； 曼s = 曼在液膜内溶解氧的浓度梯度，k g o j ( m 3 m ) 。 名， 设液相主体的容积为v ( m 3 ) ，并用其除以上式则得 一一紊流一 一液相主体 。l 。 r j 流 液膜 ，层 一气摸 0 瞻一 气相主体 一 一紊流v 第一章污水生物处理理论和工艺概述 矗m 尘v2 而d l a 峨一c ) ( i - 7 ) i d c = 墨吾忆一c ) 式中 一- d c 液相主体中溶解氧浓度变化速度( 或氧转移速度) ， 彬 k 9 0 。( 一h ) ： 甄液膜中氧分子传质系数，m h ：吒= 导a 由于a 值难铡，采用总转移系数也代替托罟，因此，上式改写为 警= 屯帜一c ) m 8 ) 式中 k 。氧总转移系数，此值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过 程中阻力大，则屯值低，反之则屹值高； k n 。的倒数去的单位为( h ) ，它所表示的是曝气池中溶解氧浓度从c 提高 到g 所需要的时间。当也值低时，去值高，使混合液内溶解氧浓度从c 提高 到c s 所需要的时间长，说明氧传递速度慢；反之，则氧的传递速度快，所需时 间短。 为了提高罂值，可以从两方面考虑： 讲 ( 1 ) 提高置。值。这样需要加强液相主体的紊流程度，降低液膜厚度，加速 气、液界面的更新，增大气、液接触面积等； ( 2 ) 提高c s 值。提高气相中的氧分压，如采用纯氧曝气、深井曝气等。 3 氧总转移系数k 。值的确定 氧总转移系数。是评价空气扩散装置供氧能力的重要参数，有数种测定 法。 水中无氧状态下的测定法 第一章污水生物处理理论和工艺概述 用清水进行测定。 1 ) 首先用脱氧剂一亚硫酸钠( 或氮气) 进行脱氧； 2 ) 在溶解氧为0 的状态下，进行曝气充氧，每隔一段时间测定溶解氧值， 直到饱和时为止。 水中溶解氧的变化率或转移速度见公式( 1 - 8 ) 。 根据充氧过程的c t 关系，求出车值，作车c 关系坐标图，得直线，直 d r讲 线的斜率即为屹值。 c ( r n g l ) 图1 6 鲁 c 确定屯值关系图 对曝气池内混合液也值的测定 在混合液中存在着活性污泥微生物，在曝气充氧过程中，始终伴随着活性污 泥微生物的耗氧，设活性污泥微生物的耗氯速率为r ，则混合液内氧的变化率是 氧的转移率与氧的消耗率之差，即 筹= 屹b c ) 一r ( 1 - 9 ) 式中 混合液的溶解氧饱和浓度，m g l 。 上式可改写为下列形式； 警= k g r ) 一瓦c m 1 0 ) 上式可作为直线方程式考虑，做罂与c 之间的坐标图，所得直线的斜率即 为x 。值，而截距即为置，。c ；一r 。 h k 、 f 陟 一口h旨kjwi一p_p)p 第一章污水生物处理理论和工艺概述 先用小曝气量，仅使活性污泥悬浮于水中，由于活性污泥微生物耗氧，混合 液中的溶解氧下降到零，然后再用大曝气量，逐时定点测定混合液的溶解氧量， 以值达到饱和值( q ) 为止。 从式( 1 - 6 ) 可以看到，氧的转移速度与氧分子在液膜的扩散系数d ，、气液 界箍面积a 、气液界面与液相主体之问的氧饱和差缸一c ) 等参数正比关系，与 液膜厚度爿，成反比关系。 1 4 2 氧转移的影响因素 通过曝气，空气中的氧从气相传递到混合液的液相中，影响氧转移速度的因 素： 1 、污水水质 污水中含有各种杂质，它们对氧的转移产生一定的影响。特别是某些表面活 性物质，如短链脂肪酸和乙醇等，这类物质的分子属两亲分子( 极性端亲水、非 极性端疏水) 。它们将聚集在气液晃面上，形成一层分子膜，阻碍氧分子的扩散 转移，总转移系数k 。值将下降，为此引入一个小于1 的修正系数口。 。一污水中的吒 们丽赢 k k = c k k ( 1 1 1 ) ( 1 1 2 ) 由于在污水中含有盐类，因此，氧在水中的饱和度也受水质的影响，对此 引入另一数值小于1 的系数口予以修正。 = 糍 定。 ( 1 一1 3 ) ( 1 1 4 ) 上述的修正系数口、口值，均可以通过对污水、清水的曝气充氧试验予以测 2 、水温 水温对氧的转移影响较大，水温上升，水的粘滞性降低，扩散系数提高，液 6 第章污水生物处理理论和工艺概述 膜厚度随之降低，玩值增高，反之，则屹值降低，其间的关系式为 k k ( 7 ) = 屯( 2 0 ) 1 0 2 4 “o 式中墨。水温为t 。c 时的氧总转移系数 ( 1 一1 5 ) k ( 2 0 ) 水温为2 0 。c 时的氧总转移系数； 卜设计温度； 1 0 2 4 _ 温度系数。 水温对溶解氧饱和度g 值也产生影响，g 值因温度上升而降低。心。值因 温度上升而增大，但液相中氧的浓度梯度却有所降低。因此，水温对氧转移有两 种相反的影响，但并不能两相抵消。总的来说，水温降低有利于氧的转移。 在运行正常的曝气池内，当混合液在1 5 3 0 范围内时，混合液溶解氧浓度 c 能够保持在1 5 2 0 m g l 左右。最不利的情况将出现在温度为3 0 3 5 。c 的盛夏。 3 、氧分压 g 值受氧分压或气压的影响。气压降低，g 值也随之下降；反之则提高。 因此，在气压不是1 0 1 3 x 1 0 5 p a 的地区，c 值应乘以如下的压力修正系数： p ；塑型攀骘罢型 ( 1 _ 1 6 ) 1 0 1 3 1 0 3 对鼓风曝气池，安装在池底的空气扩散装置出口处的氧分压最大，c 值也 最大；但随气泡上升至水面，气体压力逐渐降低，降低到一个大气压，而且气泡 中的一部分氧已转移到液体中，鼓风曝气池中的g 值应是扩散装置出口处和混 合液表面两处的溶解氧饱和浓度的平均僮，按下列公式计算： = 吨南+ 岳 ( 1 - 1 7 ) 式中c 。鼓风曝气池内混合液溶解氧饱和度的平均值m g l ： g 在大气压力条件下，氧的饱和度，m g l ； 只空气扩散装置出口处的绝对压力p a ，其值等于下式： p h - p + 9 8 x 1 0 3 h ( 1 1 8 ) 第一章污水生物处理理论和工艺概述 h 空气扩散装置的安装深度，m ； p 大气压力，p = i 0 1 3 x l o 。p a ； 气泡在离开池面时，氧的百分比按下式求定： q = 鹅( 1 - 1 9 ) 式中e 。空气扩散装置的氧的转移效率，一般在6 1 2 之间。 上述各项因素，基本上是自然形成的，不宜人为改变，只能通过在计算上加 以修正以降低其所造成的影响。 此外还有一系列能够通过人们的行为，而使氧转移速度得以强化的因素。 氧的转移还与气泡的大小、液体的紊流程度和气泡与