10_活性污泥2_5-动力学与曝气.ppt

水污染控制工程 唐玉朝安徽建筑工业学院环境科学与工程系E mail tangyc DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering AnhuiUniversityofArchitecture 第四节 曝气原理与设备 1 曝气原理 1 曝气原理 1 1气体传递原理Fick定律 vd D 1 vd表示物质的扩散速度 单位时间内单位断面面积上通过物质的质量 kg m2 h D表示物质扩散系数 某物质在介质中的扩散能力 m2 h 表示浓度梯度 kg m3 m WaterPollutionControlEngineering 曝气原理 vd 2 单位时间内单位断面面积上通过物质的质量 M表示质量 dM dt D A 3 WaterPollutionControlEngineering 曝气原理 根据双膜理论 由于氧气的溶解度低 所以其阻力主要在于液膜 对于浓度梯度在液膜处为 CS C L L表示液膜厚度 CS C表示颗粒内外的浓度差 CS液膜外溶解氧的饱和浓度 C表示膜内的实际浓度 dM dt D A CS C L 4 同除以V dC dt CS C D L A V 5 WaterPollutionControlEngineering 曝气原理 由于A值无法测 将D L A V以KLa代替 KLa相当于氧气的总传质系数 KLa CS C 6 dC dt表示液相氧浓度变化速率 kg m3 hKLa氧总传递速率 单位1 h 表示氧的传递性能 KLa大 说明传递快 传递阻力小 KLa小反之 KLa倒数是时间h 表示氧浓度从C提高到CS需要的时间 需要时间长 说明阻力大 即KLa小 反之亦然 WaterPollutionControlEngineering 曝气原理 根据气体传递原理 曝气效率 dC dt CS C D A V L 增大比表面积 A V 增加气液的接触面 曝气需要用小气泡 但不宜过小 从气浮原理 增加紊流程度 以减小液膜厚度 L 剧烈紊流 过分剧烈曝气是否合适 增加气相氧分压 可以提高水中氧饱和浓度CS 纯氧曝气 在较高的气压下 如深井曝气 WaterPollutionControlEngineering 曝气原理 1 2 氧扩散速率 曝气效率 的影响因素 与分子O2在水中的扩散系数D 气体液体界面面积A 液膜的氧饱和浓度差CS C成正比 与液膜厚度 L成反比 污水水质 关于系数 和 污水KLa 清水Kla 比1小 污水中氧传递性能比清水要差 污水CS 清水CS 污水中氧饱和浓度与清水中的比值 小于1 WaterPollutionControlEngineering 曝气原理 温度 温度增加 扩散系数D提高 液膜厚度 L减小 使氧传递速率KLa大 但由于氧饱和浓度CS减小 所以反而可能导致氧扩散速率降低了 温度对扩散速率的影响取决于对KLa和CS的影响哪个更显著 KLa T KLa 20 1 024 T 20 30比20增加27 1 02 1 06根据克劳修斯 克拉帕龙方程 从20增加到30 约CS降20 WaterPollutionControlEngineering 曝气原理 氧分压 根据Henry定律 气体在液体中的溶解度与气体压力成正比 所以在池底的曝气出口处氧分压最大 氧饱和浓度CS也最大 随气泡上升 分压减小 曝气池DO浓度 越低效率越高 要远远低于饱和浓度Cs 常温下Cs在8 9左右 WaterPollutionControlEngineering 曝气原理 1 3 氧转移率和供气量计算标准状态下 转移到无氧清水中总氧量 Os KLa 20 CS 20 V实际情况下转移量 O2 KLa 20 1 024 T 20 Cs T C V FF是堵塞系数 将实际生化反应需氧量O2转换为标准Os WaterPollutionControlEngineering 实际需要供氧量S考虑到氧利用效率EA 标准状态需要空气量Gs 最终计算实际非标准状态的需要空气量 曝气原理 WaterPollutionControlEngineering 2 曝气设备 2 曝气设备 曝气装置曝气装置作用 1供氧 2搅拌与混合曝气装置类型 1鼓风曝气 2机械曝气 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 2 1鼓风曝气组成 空气净化器 鼓风机 空气输配管 空气扩散装置 根据空气扩散装置分散空气大小分 小气泡 多孔性材料制的微孔扩散板 扩散管 扩散罩等 气泡直径1 5mm 中气泡 穿孔管 大气泡 竖管 气泡直径15mm左右 气泡微小则氧利用率高 但气压损失大 容易堵塞 空气需要过滤处理 反之气泡大 氧利用率低 不堵塞 空气可不净化 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 微孔曝气盘的清水曝气 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 微孔曝气设备 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 微气泡曝气 水力剪切 冲击和空气剪切射流曝气 高速叶轮剪切压缩空气等 射流曝气 气泡直径可达到0 1mm 高速的水流使得气泡和水被粉碎成雾样 混合液可以充分接触 氧传递效率高 氧转移率可达20 动力效率一般 如果用自吸空气 则无需鼓风机 曝气设备的空气扩散装置 一般在水下 也可以在水表面 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 曝气链在水中做蛇形摆动 无曝气死区属于浅层曝气 曝气头的维护简单 方便 不需停产放空 不影响生产 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 2 2机械曝气表面曝气 机械搅拌水被抛向空中 或者空气被搅拌进入水中 竖式 转动轴与水面垂直 通过叶轮旋转使水产生飞跃 水在空气中获得氧 卧式 转动轴与水面平行 液流单向 所以多用氧化沟 分转刷和转碟 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 曝气转盘 转碟 盘片上有许多突出的槽 提高曝气效率 推动水流 WaterPollutionControlEngineering 工作中的曝气转盘 曝气设备 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 TNOCage转刷 几种水平转刷曝气机示意图 Mamnoth转刷 WaterPollutionControlEngineering 曝气转刷 转刷转动 将空气带入水 同时推动水流 对微生物絮体有破坏作用 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 曝气设备 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 工作中的曝气转刷 WaterPollutionControlEngineering 立式低速表曝机 曝气设备 WaterPollutionControlEngineering 微气泡空气扩散装置 曝气设备 WaterPollutionControlEngineering 曝气设备 2 3曝气装置的性能动力效率 kgO2 kW h 每消耗1kW h电能转移到水中的氧量 根本的指标 氧转移率 单位时间内转移到水中的氧量 mgO2 L h 氧利用率 鼓风曝气进入水中的氧量与供氧量的比 WaterPollutionControlEngineering 第三节 活性污泥数学模型基础 活性污泥数学模型基础 1 生化反应动力学2 劳麦模型3 数学模型的发展 WaterPollutionControlEngineering 水污染控制工程 1 生化反应动力学 1 米氏方程 酶反应速率方程 V Vmax S Km S V 酶反应速度 t 1Vmax 最大反应速度 t 1Km 饱和常数 米氏常数 半速度常数 当反应速率是最大速率1 2时的底物浓度 mg L 质量 容积 S 底物浓度 mg L 质量 容积 米氏方程在低浓度和高浓度时的结论 Pseudo 一级动力学 WaterPollutionControlEngineering 1 生化反应动力学 关于米氏常数Km的意义 A 是酶的特性常数 与酶的性质有关 与底物浓度无关 B 受pH及温度等影响 对不同的底物有不同常数 Km最小的底物是最适底物或天然底物 C Km反映了酶对底物的亲和性能 Km越小亲和力越强 米氏常数的求解 作图可求 WaterPollutionControlEngineering 1 生化反应动力学 2 Monod方程 微生物的比增殖速度方程 max S Ks S 微生物的比增殖速度 max 微生物的最大比增殖速度S 限制微生物增长的底物浓度 BOD Ks 饱和常数 半速度常数Monod方程的推论 当Ks 底物S则0级反应 反之1级反应 WaterPollutionControlEngineering 1 生化反应动力学 3 劳 麦方程 有机底物比降解速度方程 由于微生物的增殖是底物降解的结果 所以无论产率系数多少 Monod方程实际上可反映底物降解 以Y表示产率系数 X微生物浓度 S底物浓度 Y产率系数 即微生物增殖 底物消耗 微生物增殖速率 比增殖速率 底物降解速率 底物比降解速率 WaterPollutionControlEngineering 1 生化反应动力学 产率系数 表观 微生物的比增殖速度 r底物比降解速度 再根据 Y r max Y rmax 严格地说 Y应该是Yobs 根据Monod方程 有r 有机底物比降解速度 劳 麦方程 WaterPollutionControlEngineering 1 生化反应动力学 WaterPollutionControlEngineering 底物降解速度 1 生化反应动力学 4 产率系数 微生物生长与有机物降解 微生物物料的平衡 微生物净增殖速率 微生物合成速率 微生物内源代谢速率微生物内源代谢速率与微生物现存量成正比 微生物的合成速率 底物降解速率即产率系数 WaterPollutionControlEngineering 1 生化反应动力学 推导出 两边除以X 即底物比降解速率r rY Kd 注意区别此式与前面不同 扣除内源代谢 微生物的净增殖速率是 WaterPollutionControlEngineering 1 生化反应动力学 区别 11 36 与 11 33 11 36 两边同除以X Yobs r Y Yobs 1 Yobs 1 Kd c 这些是产率系数与表观产率系数之间的关系 WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 2 劳麦模型 1 污泥龄 污泥龄的含义 稳态下物料平衡 流入 排出 合成 内源代谢稳态下曝气池内污泥浓度是稳定的 WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 流入的污水中含有的微生物浓度X0忽略不计 有 两边除以XV得到 根据污泥龄的含义 对比 11 34 可知 WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 结论1 1 污泥龄是比增殖速率的倒数 增殖越快 泥龄越短 2 保持高的泥龄只能降低比增殖速率 增加内源代谢 污泥处于内源代谢期 3 污泥龄是容易控制的 所以比增殖速率可以控制 WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 2 出水浓度 将劳 麦方程 带入到对于完全混合反应器 S Se 即解出Se WaterPollutionControlEngineering 从图可见 c值提高 处理水Se值下降 而有机物去除率E值提高 当 c值低于某一最小值 c min时 Se值将急剧升高 E值则急剧下降 Se c min E 0 E c Se c 实际活性污泥法处理系统工程中所采用的 c值 应大于 c min值 实际取值为 c 2 20 c min Se c与E c关系图 2 劳麦模型 WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 结论2 1 活性污泥工艺出水浓度 溶解性有机底物 与进水浓度无关 与水力停留时间无关 2 出水浓度取决于动力学的参数 包括产率系数 半速度常数 内源代谢系数和rm等 和污泥龄 3 计算的Se一般较小 实际工程中出水BOD5主要受到SS影响 故提高出水水质一般从削减SS入手 WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 3 污泥浓度 根据以 S0 Se t dS dt代入 并除以VX得到 式左为污泥龄倒数 污泥浓度 WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 结论3 1 仅从动力学分析 曝气池内污泥浓度与进水底物浓度 出水底物浓度 产率系数 水力停留时间t 内源代谢系数和污泥龄等多种因素有关 2 工程中曝气池污泥浓度 X 取决于回流污泥浓度Xr和回流比r 而Xr和回流比r都取决于污泥容积指数SVI和沉降比SV 改善污泥沉降性能是提高曝气池污泥浓度的途径 WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 4 劳 麦模型中参数的测定 反应器中很容易测定的参数 污泥浓度X 一般以MLVSS 水力停留时间t 进水 出水浓度S0和Se 反应器容积V 污泥龄 c 不易直接测的参数 内源代谢系数Kd 半速度常数Ks 底物最大比降解速率rm 产率系数Y WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 求rm和Ks 取倒数 在不同的实验条件下 以为纵坐标 为横坐标作图 截距为 斜率为 即求出rm和Ks WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 求产率系数Y和内源代谢系数Kd Y Yobs 1 Kd c 因为 所以 取倒数 作图 可知Y和Kd WaterPollutionControlEngineering 2 劳麦模型 WaterPollutionControlEngineering 城市污水的动力学参数典型值 比较 Ls 生物反应池的五日生化需氧量污泥负荷 kgBOD5 kgMLSS d 一般取0 2 0 5 3 数学模型的发展 1 从处理废水有机物发展到以脱氮除磷的目的 所以水质指标细化 WaterPollutionControlEngineering 3 数学模型的发展 2 将水质参数和生化反应过程结合 给出数学关系式 开发出软件 ASM1 ASM2 ASM3等 WaterPollutionControlEngineering ASM1 1985年 IAWQ推出该模型 ASM1包含了13种组分 8种反应过程 模型的特点在于既描述了碳氧化过程 还包括硝化与反硝化 缺陷是未包含磷的去除 ASM1 13组分 8工艺过程 3 数学模型的发展 WaterPollutionControlEngineering ASM2 1995年IAWQ推出了ASM2 它不仅包含碳有机物和氮的去除 还包括了生物与化学除磷过程 ASM2包含19种组分 19种反应过程 22个化学计量系数和42个动力学参数 它已成为国际上开展污水处理新技术开发 工艺设计和计算机模拟软件开发的通用平台 得到了广泛的认可 ASM2D是ASM2的修正 包括了能进行反硝化的聚磷菌 解决了ASM2中有关聚磷菌反硝化的问题 ASM2D 3 数学模型的发展 ASM3 1998年IWA推出了ASM3 它引入有机物在微生物体内的贮藏及内源呼吸 强调细胞内部的活动过程 ASM3对于反应速率 普遍采用了 开关函数 来反映反应过程中受到的促进或抑制作用 而用矩阵形式表示化学计量系数 转换系数以及反应过程 WaterPollutionControlEngineering ASM3 13组分 12个工艺过程 作业 1 活性污泥工艺 MLSS MLVSS SVI SV SRT HRT Kd c各表示什么含义 2 实验确定了稳态下某活性污泥工艺的各项动力学参数分别是 rm为3gCOD gVSS d Ks为70gBOD5 m3 Y为0 6gVSS gBOD5 Kd为0 06d 1 如果还确定了表观产率系数为0 46gVSS gBOD5 进水BOD5为190mg L 求曝气池理论出水浓度 3 活性污泥曝气池内MLSS为2820mg L 曝气池内水力停留时间为4 0h 二次沉淀池内水力停留时间为1 5h 若实验得到二沉池污泥的SV为26 计算污泥回流比 求回流污泥的浓度和SVI WaterPollutionControlEngineering 作业 4 推导出产率系数和表观产率系数关系的表达式 5 曝气效果是影响活性污泥性能的重要因素 根据气体传递的原理 讨论影响曝气效率的因素 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 谢谢 WaterPollutionControlEngineering 第九节活性污泥的运行与管理 活性污泥 1 活性污泥的运行参数1 1水力负荷对工艺的影响是水力负荷过大破坏污水厂的运行 针对高峰流量 系统的冲击负荷问题 水位不稳定 特别是氧化沟的机械曝气影响更大 泵的组合流量问题 采用变频系统 管网的输配距离对水力负荷有调节作用 包含部分雨水的合流制排水系统 或有截流措施的系统 WaterPollutionControlEngineering 1 2有机负荷负荷直接影响曝气池容积 高负荷容积小 影响出水水质 负荷低 水质好 水力停留时间长 影响污泥沉淀性能 影响剩余污泥量 影响污泥龄 高负荷比增殖速率快 泥龄短 现在一般采用低的污泥的负荷 可脱氮且剩余污泥少 剩余污泥处理简单 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 1 3污泥浓度适当高一些是合适的 受沉淀池沉淀性能的控制 最高浓度也受到曝气氧传递速率限制 过高的MLSS 可能造成沉淀困难 高MLSS意味着污泥龄大 实际运行中氧化沟工艺多有采用6000mg L甚至更高可正常运行 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 1 4曝气时间 水力停留时间曝气时间 污泥龄 微生物世代时间关系 取决于曝气池容积 影响出水水质 影响表观产率系数 污泥龄 是否脱氮有关 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 1 5污泥龄 微生物平均停留时间SRT与HRT的关系 SRT与世代时间的关系 取决于微生物增殖速率 剩余污泥排放量 合理增加污泥龄是有效的 影响出水水质 影响污泥沉淀性能 剩余污泥量及剩余污泥处理 微生物组成 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 1 6氧传递氧传递速率的影响因素 取决于曝气设备的结构和性能 曝气池构造影响效率 氧化沟工艺效率高 节省能耗 紊动条件也很重要 气泡不宜过小 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 1 7污泥回流决定了MLSS 回流污泥浓度是关键 沉淀池沉淀效果 回流比过大 二沉池污泥无法浓缩 Xr小 MLSS小 回流比过小 MLSS小 污泥流失 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 1 8曝气池结构推流 出水水质好 运行不稳定 完全混合 耐冲击负荷能力强 封闭环流 CLR 氧化沟 兼具优点 序列批反应器 SBR 运行灵活 水质好 构筑物少 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 1 9pH碱度pH中性 水中有碱度 密封反应器CO2不能释放 造成pH降低 抑制了硝化作用 有机N过少 缺乏蛋白质 缺乏NH3的缓冲 容易形成低pH pH过低 容易抑制细菌而促进真菌 造成污泥膨胀 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 1 10DO浓度要求不严 长时间严重缺氧不妥 短时间缺氧 厌氧微生物可以承受 一般要求DO 2 但实践证明好氧池DO 0 3可以满足要求 如微生物菌胶团过大 DO需要高一些 过度曝气造成浪费 氧传递速率低 过度曝气 微生物不易凝聚 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 2 活性污泥沉降性能与污泥活性2 1污泥膨胀污泥膨胀是污泥沉降性能恶化 SVI高 污泥流失 出水水质差 回流污泥少 导致系统不能运行 就BOD降解效果看仍是好的 出水差是污泥流失造成 膨胀原因尚没有研究透彻 而且常常是不同研究者结论多有矛盾 许多造成膨胀的原因不是单一的 微生物组成复杂也是膨胀原因复杂的因素 WaterPollutionControlEngineering 二沉池出水浮泥严重 活性污泥 2 1 1膨胀类型 1 丝状菌膨胀 正常污泥是菌胶团 存在少量丝状菌和原生动物 较密实 当丝状菌占主体时 由缠绕交错 结构松散 含水率高而密度小 所以沉降性能差 SVI高 微生物 球衣菌属 各种霉菌等丝状菌丝状微生物导致的污泥膨胀 BOD NBOD P比例高 pH值低 BOD负荷高 流入废水的小分子化合物多 水温低 流入重金属等有毒物质 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 丝状菌膨胀 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 2 非丝状菌膨胀 现象 多在负荷高而温度低发生 细菌表面有大量营养物质 代谢慢 表面多糖类粘性物质 附着水多 比重低 膨胀 镜检无或很少有丝状菌 膨胀原因 溶解氧浓度低 曝气过度 有毒物质 BOD负荷太高或太低等 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 溶解氧不足时出现的微生物优势菌属 贝日阿托氏菌 新态虫菌现象 活性污泥多出现黑色 并出现腐败的气味解决 增加供氧量 WaterPollutionControlEngineering 新态虫菌 活性污泥 曝气过度出现的微生物 轮虫和大量的肉足类微生物现象 溶解氧浓度超过5mg L解决方案 减少曝气 WaterPollutionControlEngineering 轮虫 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 轮虫 活性污泥 BOD负荷很低时出现的微生物 游仆虫属 鳞科虫属等标志 硝化过程正在进行解决 提高BOD负荷或采用两套系统 WaterPollutionControlEngineering 游仆虫 活性污泥 WaterPollutionControlEngineering 游仆虫 鳞科虫 活性污泥 2 1 2影响污泥膨胀的因素 A 水质 水质影响复杂 溶解性碳水化合物高 小分子糖类 有机酸等 浮游球衣细菌 含硫物质高 发硫细菌 CNP失调容易膨胀 过多过少均存在问题 B 温度 菌胶团最佳温度28 30 而浮游球衣细菌最佳25 28 水温低 膨胀少 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 C DO 影响复杂 多或少都容易膨胀 菌胶团一般需要2mg l以上生长良好 而浮游球衣细菌在较广泛的DO都可生长 发硫细菌适宜低的DO 0 5mg l 亮发细菌适宜在较高的DO 3 4mg l 为了避免膨胀 曝气池DO在2 3mg l为佳 D pH 一般认为低pH容易膨胀 霉菌和真菌容易生长 形态上是丝状菌 故pH 6 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 E 污泥负荷 影响复杂 不同性质污水发生膨胀的负荷不同 相同污水可在不同的负荷下发生膨胀 无法简单确定SVI对负荷的关系 很高负荷2 5kgBOD kgd 或者很低0 1以下都容易膨胀 但是在中间负荷0 5 1 5左右也容易膨胀 低负荷认为是丝状菌表面积大 竞争营养物质 F 工艺 不同工艺对污泥沉降性能有影响 如完全混合比推流曝气易膨胀 间歇式比连续曝气好 设置沉砂池而无初沉池 污水直接进入曝气池好 鼓风曝气比叶轮曝气好 射流曝气不容易膨胀 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 2 1 3污泥膨胀的解决措施A 从工艺设计方面避免污泥膨胀 如不设初沉池 SS的存在有利于污泥的沉淀 使用合适的负荷率 采用两级生物工艺 以气浮代替沉淀池 曝气池加填料 生物膜工艺的接触氧化 采用A O SBR AB等新工艺 改变曝气方式等 选择的工艺具有抵御膨胀的能力 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 B 运行过程中措施 a 调整进水水质 调节CNP比例 硫化物高 加铁盐 补充NP pH低 加石灰等 b 控制DO在2 3左右 控制合适的水温度 c 投加化学药剂 无机有机絮凝剂 硅藻土黏土 活性炭 或用杀菌剂 漂白粉等抑制丝状菌 d 控制有机负荷 负荷大 增加污泥回流或减少进水 负荷小反之 普通活性污泥0 2 0 4kg kgd左右 e 短暂间歇曝气 WaterPollutionControlEngineering 活性污泥 2 2污泥上浮原因 污泥膨胀特别严重 泡末存在 沉淀池产生气泡 污泥解体等原因 曝气池的微小气泡带入沉淀池 表面曝气转速大菌胶团打碎 反硝化上浮和腐化上浮 现象是污泥成块状 镜检可看到气泡 曝气时间过长 硝化产生NO3