水污染控制工程13.ppt

第十三章活性污泥法 第一节基本原理与分类第二节活性污泥法参数第三节曝气第四节曝气池的构造与设计第五节运行与管理 第一节基本原理与分类 一 基本原理二 活性污泥法的基本流程三 活性污泥指标四 活性污泥法的分类 图13 1活性污泥形状图 一 基本原理 活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水一类好氧生物的处理方法 这种生物絮体叫做活性污泥 它由好气性微生物 包括细菌 真菌 原生动物和后生动物 及其代谢的和吸附的有机物 无机物组成 具有降解废水中有机污染物 也有可部分利用无机物 的能力 显示生物化学活性 活性污泥法净化废水的三个主要过程 1 吸附废水与活性污泥微生物充分接触 形成悬浊混合液 废水中污染物被比表面积巨大且表面上含有多糖类粘性物质的微生物吸附和粘连 是胶态的大分子有机物被吸附后 首先被水解酶作用 分解为小分子物质 然后这些小分子与溶解性有机物一道在透膜酶的作用下或在浓差推动下选择性渗入细胞体内 2 微生物的代谢微生物吸收进入细胞体内的污染物通过微生物的代谢反应而被降解 一部分经过一系列中间状态氧化为最终产物CO2和H2O等 另一部分则转化为新的有机体 使细胞增殖 一般地说 自然界中的有机物都可以被某些微生物所分解 多数合成有机物也可以被经过驯化的微生物分解 不同的微生物对不同的有机物其代谢途径各不相同 对同一种有机物也可能有几条代谢途径 3 凝聚与沉淀产生凝聚的主要原因 细菌体内积累的聚 羟基丁酸释放到液相 促使细菌间相互凝聚 结成线粒 微生物摄食过程释放的粘性物质促进凝聚 在不同的条件下 细菌内部的能量不同 当外界营养不足时 细菌内部能量降低 表面电荷减少 细菌颗粒间的结合力大于排斥力 形成线粒 而当营养物充足时 细菌内部能量大 表面电荷增大 形成的线粒重新分散 沉淀是混合液中固相活性污泥颗粒同废水分离的过程 固液分离的好坏 直接影响出水水质 1 产生 从间歇式发展到连续式2 基本工艺流程 图13 2活性污泥法基本流程图 二 活性污泥法的基本流程 废水经过适当预处理 如初沉 后 进入曝气池与池内活性污泥混合成混合液 并在池内充分曝气 废水中有机物在曝气池内被活性污泥吸附 吸收和氧化分解后 混合液进入二次沉淀池 进行固液分离 净化的废水排出 3 活性污泥法特征1 曝气池是一个生物化学反应器2 曝气池内混合是一个三相混合系统 液相 固相 气相3 传质过程 气相中O2 液相中DO 进入微生物体内 固相 液相中的有机物 被微生物 固相 所吸收降解 降解产物返回空气相 CO2 和液相 H2O 4 物质转化过程 有机物降解 活性污泥增长5 污泥回流的目的是使曝气池内保持足够数量的活性污泥 污泥回流后 净增值的细胞物质将作为剩余污泥排入污泥处理系统 1 污泥沉降比 SV 指一定量的曝气池混合液液静置30min后 沉淀污泥与原混合液的体积比 用百分数表示 即 三 活性污泥指标 通常 曝气池混合液的沉降比正常范围为15 30 2 污泥浓度指1升混合液内所含的悬浮固体 常表示为MLSS 或挥发性悬浮固体 MLVSS 的重量 单位为g L或mg L 污泥浓度的大小可间接地反映混合液中所含微生物的浓度 一般在活性污泥曝气池内常保持MISS浓度在2 6g L之间 多为3 4g L 3 污泥容积指数 SVI 指曝气池混合液经30min沉淀后 1克干污泥所占有沉淀污泥容积的毫升数 单位为mL g 但一般不标注 SVI的计算式为 当SVI 100时 沉淀性良好 当SVI 100 200时 沉淀性一般 当SVI 200时 沉淀性较差 污泥易膨胀 4 生物相指示活性污泥中出现的生物是普通的微生物 钟虫的出现频率高 数量大 而且在生物演替中有着较为严密的规律性 因此 一般都以钟虫属作为活性污泥法的特征指示生物 按废水和回流污泥的进入方式及其在曝气池中的混合方式 活性污泥法可分为推流式和完全混合式两大类 推流式是废水从一端进入 另一端流出 随着水流的过程 废物降解 微生物增长 F M沿程变化 系统处于生长曲线某一段上工作 完全混合式是废水进入曝气池后 在搅拌下与池内活性污泥混合液混合 从而使污泥与废水得到充分混合 池内各点水质均匀 F M一定 系统处于生长曲线某一点上工作 四 活性污泥法的分类 第二节活性污泥法参数 一 污泥负荷在活性污泥法中 一般将有机底物与活性污泥的重量比值 F M 也即单位重量活性污泥 kgMLSS 或单位体积曝气池 m3 在单位时间 D 内所承受的有机物量 kgBOD 称为污泥负荷 常用L表示 式中Q S0和V分别代表废水流量 BOD浓度和曝气池容积 1 污泥负荷与处理效率的关系 由右图可见 BOD负荷增大 BOD去除率下降 一般来说 负荷在0 4kgBOD kgMLSS d以下时 可得到90 以上的BOD去除率 对不同的底物 L 关系有很大差别 所含底物是糖类 有机酸 蛋内质等一般性有机物 的废水 容易降解 即使污泥负荷升高 BOD去除率下降的趋势也较缓慢 相反地 醛类 酚类的分解需要特种微生物 当污泥负荷超过某一值后 BOD去除率显著下降 2 污泥负荷对活性污泥特性的影响 如图所示SVI L曲线是具有多峰的波形曲线 有三个低SVI的负荷区和两个高SVI的负荷区 如果在运行时负荷波动进入高SVI负荷区 污泥沉淀性差 将会出现污泥膨胀 一般在高负荷时应选 择在1 5 2 0kgBOD kgMSS d范围内 中负荷时为0 2 0 4kgBOD kgMLSS d 低负荷时为0 03 0 05kgBOD kgMLSS d 温度对微生物的新陈代谢作用有很大影响 在一定的水温范围内 提高水温 可以提高BOD的去除速度和能力 此外 还可以降低废水的粘性 从而有利于活性污泥絮体的形成和沉淀 水温变化时 污泥负荷的选定也有一定的变化 应注意温度变化带来的不利影响 一方面 水温过高 微生物受到抑制 另一方面 水温的变化速率对污泥分离效果也有很大影响 3 水温对污泥负荷的影响 4 污泥负荷对污泥生成量的影响 活性污泥在混合液中的浓度净增长速度为式中Y 微生物增长常数 kd 微生物自身氧化率在工程上常采用平均值计算 即式中 x 每天污泥增加量 kg d a 污泥合成系数 b 污泥自身氧化系数 d 1 5 污泥负荷对需氧量的影响 当污泥负荷大时 废物在系统中的停留时间短 一些只被吸附而未经氧化的有机物可能随污泥排出处理系统 使去除单位BOD的需氧量减少 相反 在低负荷情况下 有机物能彻底氧化 甚至过量自身氧化 因此需氧量值耗大 从需氧量看 高负荷系统比低负荷系统经济 过程总需氧量包括有机物去除 用于分解和合成 的需氧量以及有机体自身氧化需氧量之和 在工程上 常表示为 6 污泥负荷对营养比要求的影响 采用不同污泥负荷时 微生物处于不同生长阶段 在低负荷时 污泥自身氧化程度较大 在有机体氧化过程中释出氮 磷成分 所以氮 磷的需要量减小 如在延时曝气法中 BOD N P 100 1 0 2时即可使微生物正常生长 而在一般负荷下 则要求BOD N P 100 5 1 二 细胞平均停留时间 细胞平均停留时间 c也称泥龄 表示微生物在曝气池中的平均培养时间 也即曝气池内活性污泥平均更新一遍所需的时间 在间歇实验装置里 细胞平均停留时间与水力停留时间相等 在实际的连续流活性污泥系统中 由于存在污泥回流 细胞平均停留时间比水力停留时间大得多 在图13 8所示的系统内 细胞平均停留时间可以通过排出的微生物量与系统容积的关系求得 假定有机物的降解和稳定化仅在曝气池中发生 由以上可知 通过控制从系统中排出的污泥量 即可控制细胞平均停留时间 细胞平均停留时间 c与污泥负荷的关系 系统微生物 累积 进入 流出 净增长 在稳态情况下 dx dt 0 若假定进水中x0 0 则上式变为 由此可求得曝气池内污泥浓度 如果同样列出废物衡算式 有在稳态情况下 而且得将式 13 24 代人上式 整理得系统出水浓度为 细胞平均停留时间 c与出水浓度的关系 实践表明 活性污泥系统的氧吸收速率随 c增大而减小 但 c增大至一定程度后 氧吸收速率的减小甚微 考虑到 c增大后活性污泥的量也增加了 故采用较大的 c值 但曝气池的运行费用将较高 由图可见 c较短时 微生物量小 营养物质相对丰富 因而细菌具有较高的能量水平 运动性强 絮凝沉淀性差 相当大比例的生物群体处于分散状态 不易沉淀而易随二次沉淀池出流 扩散过程的基本规律 菲克 Fick 定律 式中 氧传递速率 mg L h KL 氧传送系数 m h A 气液界面面积 m2 cs c 分别为液体的饱和溶解氧的和实际溶解氧的浓度 mg L 一 氧传送原理 第三节曝气 在活性污泥系统中 气液界面面积无法测量 为此 引入一个总传递系数 故式 13 30 可改写为 KLa同曝气设备及水的特性有关 可以通过试验求得 测得的KLa为清洁水的氧总传递系数 由于废水含有大量有机物和无机物 饱和溶解氧不同于清水饱和溶解氧 混合液含有大量活性污泥颗粒 氧扩散阻力比清水大 当试验曝气设备在混合液中曝气时 氧传递速率应修正为式中 混合液合污泥颗粒降低传送系数的修正值 废水饱和溶解氧的修正值 1 Csw 废水的饱和溶解氧的浓度 试验温度和实际废水温度不同时 KLa应进行温度修正式中 温度特性系数 一般为1 006 1 047之间 常取值1 024 KLa除与废水温度有关外 还与水质及曝气池和曝气设备的形式和构造有关 废水中存在表面活性剂时 对KLa有很大影响 一方面由于表面活性剂在界面上集中 增大了传质阻力 降低KLa 另一方面 由于表面张力降低 使形成的空气泡尺寸减小 增大了气泡的比表面积 许多时候由于A V的增大超过了KLa的降低 从而使传质速率增加 KLa一般随着废水杂质浓度的增大而减小 KLa也与空气扩散设备的淹没深度有关 其关系可表示为 当采用气泡曝气时 总传质系数为大多数扩散装置 m在0 71 0 78 n在1 20 1 38之间 当采用叶轮将鼓入水平的空气分散 总传质系数为式中 v 叶轮的圆周线速度 G 鼓入空气量 D 叶轮直径 P 搅拌功率 k k1 k2 常数 x y z 特性指数 由于氧的溶解度除受水质 水温的影响外 还受气压的影响 在气压不足1 013 105Pa的地区 尚应对饱和溶解氧cs作压力修正 即乘以修正系数 在鼓风曝气系统 氧的溶解度与空气扩散装置浸没深度有关 一方面随深度增加 鼓入空气中氧分压增大 另一方面 气泡在上升过程中其氧分压减小 一般取气体释放点处及曝气池水面处的溶解氧饱和值的平均值作为计算依据 即 以N0表示单位时间由于曝气向清水传递的氧量 N表示单位时间向混合液传递的氧量 并且假定脱氧清水的起始溶解氧为零 即得两种情况下供氧量之比为 曝气池在稳态下操作供氧速度将等于系统的耗氧速度rr 即测定耗氧速度rr时 先将混合液曝气 直到接近饱和溶解氧值 停止曝气 测定一定时间内溶液溶解氧降低量 值的测定方法比较简单 用脱氧清水及经消毒或用HgCl2 CuSO4抑制的混合液曝气至氧饱和 测定混合液饱和溶解氧和清水饱和溶解氧 计算其比值即得 如果已知曝气池混合液的耗氧量Rt 用某一曝气器供氧 要求该曝气器向清水的供氧量为R0 有如果实际供气量为W 则废水的氧吸收率为当采用空气曝气时 上式中W G 21 1 43 0 3G 对于鼓风曝气 鼓入气量可以实测 从而可以预先测定标准状态下的EA 利用式 13 43 由要求的R0可求出供气量G 如果采用机械曝气 则可由所需的R0值计算叶轮直径和转速 理论上 每去除1kgBOD需消耗1kgO2 即相当于标准状态下的空气3 5m3 因鼓风曝气的利用率为5 10 故去除1kgBOD需供给空气量为35 70m3 实际上 由于曝气池的负荷和运行方式不同 供气量需放大1 5 2 0倍 曝气方法可分成以下三种 1 鼓风曝气 空气加压设备 管道系统 扩散装置2 机械曝气 借叶轮 转刷等对液面进行搅动3 鼓风 机械曝气 由上述两者组合 二 曝气设备 1 鼓风曝气 新型高效曝气器 鼓风曝气就是用鼓风机 或空压机 向曝气池充入一定压力的空气 或氧气 气量要满足生化反应所需的氧量和能保持混合液悬浮固体均匀混合 气压要足以克服管道系统和扩散的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压 扩散器将空气分散成空气泡 增大气液接触界面 把空气中的氧溶解于水中 1 小气泡扩散器气泡直径在1 5mm以下 2 中气泡扩散器常用穿孔管 孔眼直径为3 5mm 3 大气泡扩散器常用竖管 直径为15mm左右 4 射流扩散器用泵打入混合液 在射流器的喉管处形成高速射流 与吸入或压入的空气强烈混合搅拌 将气泡粉碎为100 m左右 使氧迅速转移至混合液中 5 固定螺旋扩散器由圆筒组成 内部装着按180度扭曲的固定螺旋元件5 6个 相邻两个元件的螺旋方向相反 空气由底部进入曝气筒 形成气水混合液在筒内反复与器壁及螺旋板碰撞 分割 迂回上升 2 机械曝气机械曝气大多以装在曝气池水面的叶轮快速转动 进行表面充氧 表面曝气叶轮的供氧是通过下述三种途径来实现的 由于叶轮的提升和输水作用 使曝气池内液体不断循环流动 更新气液接触面 不断从大气中吸氧 叶轮旋转时 在周边处形成水跃 使液面剧烈搅动 从大气中将氧卷入水中 叶轮旋转时 叶轮中心及叶片背水侧出现背压 通过小孔可以吸入空气 第四节曝气池的构造与设计 一 曝气池的构造按水力特征可分为推流式和完全混合式及二者结合式三类 1 推流式曝气池 1 平面布置推流曝气池的长宽比一般为5 10 受场地限制时 长池可以折流 废水从一端进 另一端出 进水方式不限 出水多用溢流堰 一般采用鼓风曝气扩散器 2 横断面布置推流曝气池的池宽和有效水深之比一般为1 2 有效水深最小为3m 最大为9m 超高0 5m 根据横断面上的水流情况 又可分为平推流和旋转椎流 在平推流曝气池底铺满扩散器 池中水流只有沿池长方向的流动 在旋转推流曝气池中 扩散器装于横断面的一侧 由于气泡形成的密度差 池水产生旋流 即除沿池长方向流动外 还有侧向流动 为了保证池内有良好的旋流运动 池两侧墙的墙脚都宜建成外凸45度的斜面 根据扩散器在竖向上的位置不同 又可分为底层曝气 中层曝气和浅层曝气 2 完全混合曝气池 1 分建式曝气池和沉淀池分别设置 既可使用表曝机 也可用鼓风曝气装置 当采用泵型叶轮且线速在4 5m s时 曝气池直径与叶轮的直径之比宜为4 5 7 5 水深与叶轮直径比宜为2 5 4 5 当采用倒伞型和平板型叶轮时 曝气池直径与叶轮直径之比宜为3 5 分建式虽不如合建式紧凑 且需专设污泥回流设备 但调节控制方便 曝气池与二次沉淀池互不干扰 回流比明确 应用较多 2 合建式曝气和沉淀在一个池子不同部位完成 我国称为曝气沉淀池 国外称为加速曝气池 由曝气区 导流区 回流区 沉淀区几部分组成 曝气区相当于分建式系统的曝气池 它是微生物吸附和氧化有机物的场所 混合液经曝气后由导流区流入沉淀区进行泥水分离 导流区既可使曝气区出流中挟带的小气泡分离 又可使细小的活性污泥凝聚成较大的颗粒 3 两种池型的结合 在推流曝气池中 也可用多个表曝机充氧和搅拌 对于每一个表曝机所影响的范围内 流态为完全混合 而就全池而言 又近似推流 此时相邻的表曝机旋转方向应相反 否则两机间的水流会互相冲突 也可用横挡板将表曝机隔开 避免相互干扰 二 曝气池的设计计算 曝气池 区 的经验设计计算方法主要有负荷法和泥龄法 污泥负荷法是通过试验或参照同类型企业的设备工作状况 选择合适的污泥负荷计算曝气池容积V 或 采用泥龄作设计依据时 由式 13 20 有 根据Lawrence McCarty模式 13 24 有 表13 2活性污泥法的设计参数 三 曝气池的运行方式及特点 1 普通曝气法废水与回流污泥从长方形池的一端进入 另一端流出 全池呈推流型 在曝气池内 废水有机物浓度和需氧量沿池长逐步下降 而供氧量沿池长均匀分布 可能出现前段供氧不足 后段供氧过剩的现象 优点 处理效率高 适于处理要求高而水质稳定的废水 缺陷 1 对水量 水质 浓度等变化的适应件较差 不能处理毒性较大或浓度很高的废水 2 单位池容积的处理能力小 占地大 3 动力消耗高 2 渐减曝气法 这种方式是针对普通曝气法有机物浓度和需氧量沿池长减小的特点而改进的 通过合理布置曝气器 使供气量沿池长逐渐减小 与底物浓度变化相对应 见图13 27和图13 28 这种曝气方式比均匀供气的曝气方式更为经济 3 阶段曝气法 废水沿池长分多点进入 一般进口为3 4个 以均衡池内有机负荷 克服池前段供氧不足 后段供氧过剩的缺点 单位池容积的处理能力提高 同普通曝气法相比 当处理相同废水时 所需池容积可 减小30 BOD去除率一般可达90 此外 由于分散进水 废水在池内稀释程度较高 污泥浓度也沿池长降低 从而有利于二次沉淀油的泥水分离 4 吸附再生 接触稳定法 充分利用活性污泥的初期去除能力 在较短的时间里通过吸附去除废水中悬浮的和胶态的有机物 再通过液固分离 废水即获得净化 BOD5可去除85 90 左右 吸附饱和的活性污泥中 一部分需要回流 引入再生池进一步氧化分解 恢复其活性 另一部分剩余污泥排入污泥处理系统 5 延时曝气法 延时曝气法也称完全氧化法 与普通法相比 由于采用的污泥负荷很低 约0 05 0 2kgBOD5 kg d 曝气时间长 约24 48h 因而曝气池容积较大 处理单位废水所消耗的空气量较多 仅适用于废水流量较小的场合 该法大多采用完全混合曝气池 也不设初次沉淀池 氧化沟是延时曝气法的一种特殊型式 最初的实用设备用于处理小城镇污水 它的平面象跑道 沟槽中设置两个曝气转刷 盘 也有用表面曝气机 射流器或提升管式曝气装置的 曝气设备工作时 推动沟液迅速流动 实现供氧和搅拌作用 6 纯氧 或富氧 曝气法 用纯氧或富氧空气作气源曝气 显著提高了氧在水中的溶解度和传递速度 从而可以使高浓度活性污泥处于好氧状态 在污泥有机负荷相同时 曝气池容积负荷可大大提高 随着氧浓度提高 加大了氧在污泥絮体颗粒内的渗透深度 使絮体中好氧微生物所占比例增大 污泥活性保持在较高水平上 不会发生由于缺氧而引起的丝状菌污泥膨胀 硝化菌的生长不会受到限制 有利于生物脱氮过程 系统耐负荷冲击和工作稳定性都好 7 间歇活性污泥法 间歇活性污泥法也称序批式活性污泥法 SBR 它由个或多个SBR池组成 运行时 废水分批进入池中 依次经历5个独立阶段 即进水 反应 沉淀 排水和闲置 一个运行周期的时间依负荷及出水要求而异 一般为4 12h 其中反应占40 有效池容积为周期内进水量与所需污泥体积之和 一 活性污泥的培养与驯化活性污泥的培养与驯化是活性污泥法试验和生产运行的第一步 通过培养 使微生物数量增加 达到一定的污泥浓度 驯化则是对混合微生物群进行淘汰和诱导 不能适应环境条件和所处理废水特性的微生物被抑制 具有分解废水有机物活性的微生物得到发育 并诱导出能利用废水有机物的酶体系 根据培养和驯化的程序 有异步法和同步法两种 第五节运行与管理 二 日常管理 活性污泥系统的操作管理 核心在于维持系统中微生物 营养 供氧三者的平衡 即维持曝气池内污泥浓度 进水浓度及流量和供氧量的平衡 当其中任一项出现变动应相应调整另外二项 当出现异常情况或故障时 应判明原因并采取相应的对策 使系统处于最佳状态 一般人工控制所需监测的项目有四项 1 反映活性污泥性状的项目 2 反映活性污泥营养状况及环境条件的项目 3 反映活性污泥处理效率的项目 4 反映运转经济性指标的项目 三 异常现象与控制措施 1 污泥膨胀主要特征 污泥结构松散 质量变轻 沉淀压缩性差 SV