悬浮生长生物处理工艺.doc

第八章 悬浮生长生物处理工艺在第七章我们已经详细的介绍和讨论了生用物发处理废水的理论。如第七章所述，生物处理过程可分为有氧和无氧的悬浮生长、附着生长及其它多种派生组合形式。本章的焦点是，通过对废水的BOD和硝化、脱氮、除磷的活性污泥处理来说明悬浮生长的处理工艺。至于附着型会在第九章讨论，其它的在第十章将会有所涉猎。本章内容主要有：（1）对活性污泥工艺处理对象的范围的大体描述；（2）对影响活性污泥工艺设计的参数的污水的主要性质介绍；（3）工艺分析和控制的基本原理；（4）BOD去除和废水硝化工艺；（5）废水脱氮工艺；（6）废水除磷工艺；(7)活性污泥工艺物理因素的选择和设计；（8）曝气污水塘；（9）生物膜处理法和（10）活性污泥建模方法的回顾。稳定塘，即非曝气塘，不包括在本书内。因为它们是用于小型农村社区，在提供足够的土地和排放要求可能不会像在城市地区严格。若需要稳定塘设计的信息，请参阅MetealfEddy（1991），Reedetal.（1995年），与Crities和Tchobanoglous（1998年）。8-1 活性污泥工艺简介为提供一个基础设计的过程，在本章后面的章节中将有必要描述：（1）活性污泥工艺的历史发展情况的简要总结；（2）对基本过程的描述；（3）活性污泥法演变的简要回顾；（4）对最近的工艺发展过程的概述。历史回溯活性污泥法是目前使用于市政和工业废水的常规处理技术。该技术方法可以追溯到19世纪80年代初，对调查曝气池中废水的有机物氧化的Angus Smith博士的研究。随后有部分研究学者对曝气对废水的作用进行了前期的研究工作，并在1910年Black和Phelps报告说，空气进入污水池后可大量减少水中污染物。在劳伦斯实验站中，Clark和Gage于1912年和1913年间进行曝气废水实验，并得出生物体在部分充满屋顶石板的池子中种植，间距约25毫米时，将大大提高污水净化度的结论（Clark和Adams，1914）。基本过程根据定义，基本活性污泥处理工艺，包括以下三个基本部分组成：（1）负责微生物处理和曝气的反应器；（2）固液分离，通常在沉淀池；及（3）从固液分离机回到反应器的回收系统。活性污泥法的一个重要特点是絮状沉淀物形成过程可在沉淀池中因重力沉淀。活性污泥法的演变自从此工艺在20世纪20年代初的普遍使用到20世纪70年代末，采用活性污泥工艺类型使用最为普遍的是在其中的一种长宽比的比率（通常10:1）的反应器（见图8-1a）。60年代末，生活污水系统收集的工业废物排放增加了，这在活性污泥工艺的演变中是值得重要注意的地方。由于排放的一些有毒物质，使整个推流过程中，工业废料的处理成为了问题。完全的混合反应器的开发，一部分是因为大体积反应器能够更多的允许和稀释废水，从而减轻了排放有毒物质的影响。在70年代和80年代活性污泥更常见的类型往往是单级的，完全混合的工艺（见图8-1b）（CMAS）。随着廉价的简单程序逻辑控制器开发（PLCs）和水平传感器和自动操作阀的应用，序列间歇式活性污泥法（SBR）（见图8-1c）在20世纪70年代后期被广泛推广，尤其适用于小流量间歇社区和工业设施。近年来，SBR法在世界某些地方服务于大型城市。SBR是充满和有序反应的系统类型，包含一个所有活性污泥过程都发生的完全混合反应器。混合液依然在所有反应器中循环，从而解除了对单体沉淀池的需要。一个典型的SBR工艺周期由以下几个阶段说明：流入： 已被过滤的原废水流入池内与上一阶段处理的混合液混合。在阶段注水后，进水阀门关闭，进水流到其他区域。反应：该反应器的曝气生物氧化类似于曝气池的传统活性污泥法。沉淀：停止曝气和搅拌，静止，固体沉淀于池体底部与上清液分离。排放：使用调迁机制排除上清液的水。闲置：从池体底部用泵排去多余污泥。二沉池初沉池污泥曝 气 池污泥回流污泥出水进水曝 气 池二沉池出水污泥回流初沉池进水污泥污泥沉淀按时间顺序调节反应/曝气流入进气出水进水.图8-1典型的活性污泥处理工艺与反应器不同的类型：（a）塞流过程和推流式反应器流程示意图；（b）完全混合工艺流程图和成套混合活性污泥反应器示意图；（c）SBR工艺原理流程图和序批式反应器示意图。8-2废水表征活性污泥工艺设计需要确定（1）曝气池容积；（2）污泥产量；（3）所需的氧气量；（4）出水浓度的重要参数。要使设计的活性污泥处理工艺得当，废水特性也许是最关键的一步废水工艺设计的关键废水的特点在活性污泥设计过程中的重要性可以分为以下几类：碳基，含氮化合物，磷化合物，总悬浮固体和挥发性悬浮固体（TSS和VSS）和碱度。典型的废水量化设计中使用污水处理过程，见表8-1。一个完整的废水组成与本章所用的术语，见表8-2。表8-1 生活污水表征参数及含量组成成分 mg/lCODBODTSSVSSTKNNH4-NNO3-NTP碱度430190210160402507200（以CaCO3计）*美国典型的中等强度废水碳质成分由BOD或COD测定的碳成分分析对于活性污泥工艺的设计是至关重要的。高浓度COD和BOD的降解导致（1）曝气池体积的增大；（2）氧气转移需要量的增加以及（3）污泥量的提高。虽然BOD在废水中已被普遍的用来表现碳成分的量，而COD却越来越常见并且作为目前大多数的综合计算机仿真设计模型中碳的主要参数。通过利用COD的质量平衡，碳元素被氧化的量抑或被生物体利用的量都将更容易确定。废水中BOD和COD的各种形式见表8-2。表8-2 生物污水处理工艺中废水的成分分析和设计的重要术语的定义成分定义BOD BOD sBOD UBOD 5天的生化学氧量5天的溶解性生化学氧量总生化需氧量COD COD bCOD pCOD sCOD nbCOD rbCOD rbsCOD sbCOD bpCOD nbpCOD nbsCOD 化学需氧量可生物降解的化学需氧量颗粒的化学需氧量溶解性化学需氧量不可生物降解的化学需氧量易于生物降解的化学需氧量易于生物降解的溶解性化学需氧量低速生物降解物的化学需氧量可生物降解的微粒的化学需氧量不可生物降解的微粒的化学需氧量不可生物降解的溶解性化学需氧量 氮 TKN bTKN sTKN ON bON nbON pON sON nbsON总凯氏氮可生物降解的总凯氏氮可溶物的总凯氏氮有机氮可生物降解的有机氮不可生物降解物的有机氮颗粒的有机氮溶解性有机氮不可生物降解的溶解性有机氮悬浮物 TSS VSS nbVSS iTSS总固体含量挥发性悬浮固体不可生物降解的悬浮固体总惰性悬浮固体备注：b=可生物降解；i=惰性物；n=不；p=颗粒；s=可溶物。在本表中给出的术语的基础上，成分测量值将运用于分馏某一成分的技术上。不同于BOD，COD中的一些部分是不可生物降解的，因此COD可分为可生物降解和不可生物降解的两种浓度。CODDE 另外一级划分是按照水中溶解物、固体颗粒、胶体物质及悬浮固体的成分划分的。在活性污泥污水中存在不可生物降解的溶解性化学需氧量（nbsCOD），并且不可生物降解的微粒将会促进污泥的生产。总CODbCODnbCODnbpCODnbsCODsbCOD/bpCODrbsCOD合成物挥发性脂肪酸胶体颗粒图8- 2废水中COD分类。COD组分信息将用于详细设计的活性污泥工艺。不叫由于不可生物降解的微粒的化学需氧量（nbpCOD）是有机物质，在活性污泥工艺中它同样有助于废水VSS和混合液的浓度，即不可生物降解的挥发性悬浮固体（nbVSS）。在活性污泥处理中，进水污水会增加悬浮物和污泥浓度。这些进水固体会影响惰性TSS（iTSS），并可量化的差异废水的TSS和VSS的浓度。对于可生物降解的COD，馏分的掌握是衡量可溶性的前提，易于生物降解的可溶性化学需氧量（rbCOD）和颗粒都是活性污泥工艺设计极为重要的参数。该rbCOD部分是由生物质迅速吸收，而微粒与胶体化学需氧量必须首先胞外酶消化，从而以更低的速率慢慢同化可生物降解的COD(sbCOD)如图8- 2。过滤方法，如0.45微米的过滤器，可在化学需氧量滤液用于确定溶解性COD（sCOD）。这种sCOD包含rbCOD，胶体化学需氧量的一小部分及不可生物降解的可溶性COD（nbsCOD）。对于生活废水，当活性污泥工艺的污泥停留时间（SRT）4天时，nbsCOD的浓度等于溶解性COD的浓度。一些特殊的检验技术可用于测试“真正的“溶解性rbsCOD。 COD中部分的rbCOD直接影响着活性污泥法的生物动力学及工艺性能（见表8-3）。表8-3 废水进水中易降解COD（rbCOD）对生物过程的影响进程rbCOD的影响污泥曝气对于推流或分期曝气区，在进水COD中越高的rbCOD在池前需求的氧气量也越多；生物脱氮对于预缺氧池，在进水COD中越高的rbCOD，其脱氮效率越高。在小体积的缺氧池中更能体现；生物除磷高浓度的进水rbCOD除磷效果更好；污泥选择在选择装置中进水COD的rbCOD越高，可为细菌的絮状形成提供更多的COD。对改善污泥容积指数（SVI）有着更大的影响。为获取总的可生物降解COD（bCOD），BOD的一些测试数据是必要的。Grady等人指出，因为在BOD测试中不是所有的bCOD都被氧化，所以bCOD/ BOD的值大于总生化需氧量与BOD的比（UBOD/BOD）。一些bCOD转化为生物量，这些生物量以细胞碎片和一些活性细胞的形式在测定UBOD的反应结束后的很长一段时间内活动。在生活废水中，测定的UBOD/BOD的值为1.5时，根据不同的生物量和小部分细胞碎片，bCOD/ BOD的值可能为1.6或1.7。在长期的试验结果下， BOD测试实验中的bCOD等于氧气消耗量（UBOD）加上其余细胞碎片残存的氧气量，bCOD/ BOD可近似使用下面的公式： (8-1)式中 =其余细胞碎片残存的氧气量，g/g； =异样菌合成产量系数，g VSS/g BOD；例如，典型生活废水值（UBOD/BOD=1.5， =0.15，=0.4），则 bCOD/ BOD=1.64。氮质成分 图8-3说明废水中氮的组成成分。总凯氏氮（TKN）是该污水中总的氨氮和总有机氮。TKN有机氮常规氮不可生物降解氮可生物降解氮溶解性氮颗粒氮溶解性氮颗粒氮碱度碱度是废水是一个重要的特点，影响生物硝化过程的效率。实现废水的完全硝化作用需要充足的碱度。在某些情况下，一个污水样本不可用，废水的总碱度可从引用水的碱度加上生活杂用水的碱度（见表3-16）来估计。废水特性测量方法易于生物降解的COD。该rbCOD浓度可以从生物反应得出或根据物理分离技术来估计。在生物响应方法中氧摄取率（OUR）是在废水样本与驯化的活性污泥样本混合后随时间跟踪记录的。该废水可以使活性污泥与空气预混合，使其有一个高的溶解氧浓度，从而允许我们直接的测量OUR。废水样品和活性污泥在一个单独的分批式反应器中曝气混合。在没有曝气搅拌的情况下，用溶解氧仪的探头观察每小时的溶解氧浓度下降值。当溶解氧浓度降低到约3.0毫克/升时，将强力曝气以提高DO浓度为5到6 mg/L，使我们可以开始另一个测量。图8- 4，用活性污泥中的硝化细菌为我们说明理想的废水样品中OUR的含量。OUR的相对时间变化可分为四个领域，这几个区域可用于测定各区域内的氧消耗。 A区为rbCOD降解需氧量，B区为零级硝化需氧量，C区为微粒COD降解需氧量，D区为内源衰减需氧量。rbCOD浓度是以A区使用的氧气量为基础，通过合计用于细胞合成的rbCOD来计算的： (8-2)式中 -A区的氧气消耗量，mg/l； -异养菌的合成产率系数，单位每克细胞COD/每克COD；Ekama等推荐=0.67； -实验中活性污泥体积，ml； -废水样本体积，ml。时间/h氧摄入率mg/l*h图8-4 进水废水和活性污泥混合液的理想化的氧摄取率（OUR）分批试验曲线。 A区代表rbCOD需氧量一种常用的估算rbCOD浓度的方法是Mamais等在（1993年）试图分开废水样本中真正的溶解性COD时提出的絮凝/过滤方法。该方法需要将絮凝/过滤程序应用在经过与活化污泥充分接触和曝气的废水样本、二级出水样品及沉淀的上清液样品。测得的二级排放水样中的可溶性COD是不可生物降解的溶解性COD（nbsCOD），因为rbsCOD将在活性污泥工艺中被消除。该方法是基于一种假设即悬浮固体和胶体物质，可有效地被氢氧化锌捕获和絮凝，从而沉淀过滤后留下唯一真正溶解的有机物质。该方法在每个样本中的方法步骤如下：（1）1毫升100克/升的硫酸锌溶液，1添加到100毫升的样品中搅拌一分钟；（2）使用6mol（摩尔）氢氧化钠将pH值提高到约10.5，低速搅拌5至10分钟形成絮体；（3）样品沉淀10至20分钟，取上清浓缩，使用0.45m的过滤膜过滤器以及（4）分析滤液COD的浓度。废水和活性污泥处理的样品间COD浓度差异就是rbCOD。不可生物降解挥发性悬浮固体。废水中不可生物降解的挥发性悬浮固体（nbVSS）的浓度可通过假设一个恒定的COD / VSS值为生物降解和不可生物降解的VSS，从COD，sCOD，BOD，sBOD，和VSS的浓度中估计： (8-3) (8-4)式中 -可生物降解的微粒的化学需氧量的浓度， m