污水的生物处理---活性污泥法.doc

污水的生物处理-活性污泥法(Biological Treatment of Wastewater:The Activated Sludge Process) 水体自净，氧化塘 自然条件下 土壤自净，土地处理 好氧处理 人工条件下 活性污泥法生物处理 生物膜法 厌氧处理 自然条件下 ：高温堆肥、厌氧塘人工条件下 厌氧处理技术 污泥消化(Aerobic/Anaerobic Suspended-Growth Treatment Processes Attached-Growth Treatment Processes)4.1.1. 活性污泥处理法的基本概念与流程 Wastewater Air Aeration tank Secondary clarifier Return Sludge Excess sludge4.1.2 活性污泥的形态与活性污泥微生物1 活性污泥的形态: 颜色，味，形状，比重，含水率 表面积20-100cm2/ml；有机（75-85%）/无机成分， 活性污泥组成：Ma +Me+Mi+Mii 微生物 惰性有机物 无机物 自身氧化残留物2 活性污泥微生物（Ma）及其在活性污泥反应中作用细菌：产碱干菌属，芽胞干菌属，动胶杆菌属，假单胞菌属，大肠杆菌属，无色杆菌属等 （增殖世代时间20-30min）； 数量：107-108个/mL真菌：丝状菌，霉菌；净化能力与不利影响原生动物： 肉足虫类：如变形虫、滴虫，鞭毛虫类，：豆形虫、肾形虫、草履虫；纤毛虫类：钟虫、等枝虫、盖纤虫 原生动物- 细菌的捕食者后生动物：轮虫；水质良好的标志 微 生 残留食物量 物 量 微生物总量 自由游泳 纤毛虫类 有柄纤毛虫类 鞭毛虫类 肉足虫类 轮虫类 Time图：原生动物在活性污泥反应过程中数量和种类的增长与递变模式3 活性污泥微生物的增殖与活性污泥的增长多种属的活性污泥微生物增殖规律与纯种微生物增殖规律相似微生物增殖=活性污泥增殖活性污泥的增殖受活性污泥能含量的控制 F/M有机物量/活性污泥量-有机负荷 量 对数增殖 减速增殖 内源呼吸 C d X （Sludge） 氧利用速率 b S（BOD） a 适应期X0Time静态培养条件下，活性污泥增长曲线、有机物降解和氧利用速率4 活性污泥絮体的形成意义与作用活性污泥絮凝体形成的骨干-菌胶团活性污泥形成机制： 能含量-F/M； 电斥力与范德华引力细菌种类：分泌粘着物的细菌：动胶杆菌、黄杆菌、蜡状芽孢杆菌等4.1.3 活性污泥净化反应过程 有机物污染物净化-有机物被微生物摄取、代谢与利用1、 初期吸附去除 初期：5-10 min 30min内BOD去除率达到70% 活性污泥强吸附能力的产生源：1） 具有很大的表面积：2000-10000m2/m3混合液2） 多糖类粘质层 吸附能力影响因素：1）微生物的生理状态 处于饥饿状态的微生物具有最强吸附能力2）反应器中流态吸附不等于降解，吸附能力是有限的，提高吸附能力污泥曝气2、 微生物代谢小分子有机物-细胞壁微生物体内内酶代谢大分子有机物水解酶小分子细胞壁微生物体内有机物的氧化方程： 新细胞的合成： 微生物自身氧化：分解代谢与合成代谢模式图： H2O，CO2，NH3 +能量 分解代谢（1/3）有机物 +O2 合成（2/3） 内源呼吸产物+能量 合成细胞物质+O2 80% 内源呼吸残留物 20%4.2 活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数4.2.1 活性污泥净化反应影响因素1. 营养物质平衡：C：N：P= 100：5：1其他微量元素：钠、钾、钙、镁、铁2. 溶解氧含量： DO2mg/L3. PH值 6.5-8.54. 水温 适宜：10-450C 最佳：15-350C5. 有毒物质：重金属、酚类、甲醛 经过培养驯化后， 微生物对有毒物质有适应与降解能力 （表4-4 p105）4.2.2活性污泥处理系统的控制指标与设计、运行操作参数使活性污泥系统正常、高效运行的基本条件：适当的污水水质、水量具有活性和足够量的活性污泥生物量满足微生物需要的溶解氧良好的流态，气、液、固充分接触控制指标（设计、运行操作参数）1、 表示及控制混合液中活性污泥微生物量的指标(1)Mixed liquor suspended solids (MLSS)(2)Mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS) f=MLVSS/MLSS 0.752、 活性污泥的沉降性能及其评价指标（1） 30min污泥沉降比（%） 30%Settling Velocity / Sludge （settling） Volume（SV） （2）污泥容积指数，Sludge Volume Index （SVI） 定义：曝气池出口处混合液经过30min沉降后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占有的容积（mL/g）：SVI的意义：SVI沉降性能；SVI沉降性能SVI正常范围：SVI=70-100（120） 城市和生活污水SVI100 沉降性能好；100SVI200，不好SVI与BOD-污泥负荷的关系（城市污水）：SVI 分散矾花 絮凝污泥 膨胀污泥400 SVI 差 优 差300200 高负荷 一般负荷 SVI ZSV100 0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 0.3 0.6 0.9 1.2 BOD-污泥负荷（kgBOD/kgMLSS.d） BOD-污泥负荷（kgBOD/kg.d）BOD-污泥负荷与SVI之间的关系3.污泥龄 （Sludge age，Mean cellresidence time） 污泥增长与剩余污泥的产生与排出剩余污泥产量： DX=QWXr+（Q-QW）Xe （g/d）污泥龄：曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比 （d） 当二沉池处于最佳沉淀状态下： 污泥龄的重要性：系统控制参数，生物种类控制4.BOD-污泥负荷 F/MFood-to-microorganism ratio kgBOD/kgMLSS.dX=MLSS ； Q=进水流量； Sa=BODin；V=曝气池体积BOD容积负荷 kgBOD/m3.dBOD负荷对有机物降解与活性污泥增长以及污泥沉降性能的影响（生物处理过程中的两个重要关系）：5.有机物降解与活性污泥增长活性污泥的增殖有机物的降解活性污泥的增殖=合成反应-内源代谢活性污泥增长基本方程：污泥净增长速率=合成速率-内源代谢速率合成速率与有机物利用有关： Y-产率系数内源代谢速率与生物量有关： Kd-衰减系数d-1 （霍克来金 Heukelekian方程）净增长速率以天（d）计时：Sa-BODin；Se-BODout；Xv-MLVSSOr： Sr=Sa-Se ；X=MLSSa，b-Y， Kd （Y=0.5-0.65；Kd=0.05-0.1）污泥泥龄与BOD污泥去除负荷的关系的推导：由：两边同以XVV除： 令： BOD污泥去除负荷（kg/kg.d）而根据泥龄的定义： 则推导出：思考题：推导出水BOD浓度与污泥泥龄的关系（城市污水20OC：Y=0.4-0.8 mgVSS/mgBOD；0.25-0.4mgVSS/mgCOD Kd=0.04-0.075 d-1）6. 有机物降解与需氧 kg O2/d ；a- kg O2/kgBOD去除 ；b- kg O2/kg污泥自身氧化由以上式子也可导出两个重要关系：F单位重量活性污泥需氧量与BOD污泥去除负荷： F每降解1kgBOD的需氧量与BOD污泥去除负荷：a=0.42-0.53；b=0.188-0.11 (生活污水)系数 Y，Kd，a，b，；a，b 的确定：j DX/XVV Yk Kd QSr/XVV O2/XVV l a b QSr/XVV4.3 活性污泥反应动力学基础g 活性污泥反应：活性污泥对有机物的代谢；活性污泥的增长；活性污泥微生物对氧的利用等生化反应 g活性污泥反应动力学主要研究活性污泥生化反应速率及其影响因素.主要内容： E有机物降解速率与有机物浓度、活性污泥生物量 E活性污泥增殖速率与有机物浓度、活性污泥生物量 4.3.2 Monod 方程式 1.基本方程 由描述酶（纯酶）促反应的米-门公式-描述纯种微生物在单一基质上增殖速率的Monod方程 基质降解速度 微生物增殖速度 Vmax V=Vmax mMAX V=Vmax/2 m=mMAX/2 V=f（S） Km S S=KS S 米-门关系曲线 Monod 曲线E + S ES E+ P m-微生物比增殖速度，t-1 酶 基质 复合物 酶 产物 mmax-微生物最大比增殖速度，t-1 V-基质降解速度 Km饱和常数 进一步应用到污水处理过程（混合的活性污泥菌群）中： 因为微生物的比增殖速度（m）与有机物的比降解速度（v）成正比： m v 则有机物比降解速度也可以用米门公式描述： vmax-有机物的最大比降解速度，t-1有机物比降解速度的定义： S0，S 进出水有机物浓度 t 反应时间所以： 有机物降解速度 X=MLVSS 当 ； 2. Monod方程式的两点推论 （在两种极限有机物浓度下，Monod方程式的两种简化表示式）（1） S KS 忽略KS 零级反应（2） S1）： 同样也得到：BOD污泥去除负荷Nrs与出水有机物浓度的关系： kgBOD/kg .d以及BOD容积去除负荷Nrv与出水有机物浓度的关系： kgBOD/m3.d4.动力学常数的确定1） 一级反应方程中的k2： k2 Se2） Monod方程中的vmax，KS： KS/vmax其倒数： 1/vmax 1/Se城市污水20OC：vmax=2-10 d-1， KS=25-100 mgBOD/L 15-70 mgCOD/L 4.3.3 活性污泥动力学的另一种表示形式Lawrence-McMarty 方程式：特点：直接研究活性污泥反应过程，强调污泥泥龄的概念： 污泥龄：活性污泥在反应器中平均停留时间 （d） qc Q 生物固体平均停留时间 细胞平均停留时间定义单位底物利用率：由4-20：推出L-M第一基本方程-泥龄与单位底物利用率： 借用Monod方程建立L-M第二基本方程： 设定有机物被微生物利用速率=有机物降解速率 -有机物被微生物利用速率其含义同Monod方程L-M推论的3个重要关系式：对完全混合活性污泥系统进行生物量、底物质量平衡分析： Q（1+R），Xa （Q-QW），Xe ，Se Q，S0 Xa，V，Se R污泥回流比RQ ，Xr ，Se DX=QW.Xr1） Se-qc：通过系统中微生物的质量衡算：由基本方程： 和 推出：2)反应器中Xa与qc：通过进出曝气池的底物的质量衡算：由 得：3)污泥回流比R与qc： 由进出二沉池污泥量的物料平衡： Q（1+R）Xa= （Q-QW）Xe+DX+ RQXrXe 0 有： Q（1+R）Xa= DX+ RQXr 且 所以有：4)活性污泥的表观产率 Yobs Y 微生物增殖总量，没有去除由于微生物内源呼吸作用而使自身质量消亡的那一部分。实际测得的微生物增殖量，是微生物的净增殖量，称之为表观产率：Yobs=Y/（1+Kdqc）4.4 活性污泥处理系统的运行方式与曝气池的工艺参数4.4.1 传统(普通)活性污泥法处理系统 （Conventional activated sludge process） 进水 Air 曝气池 Aeration tank 二沉池 出水 回流污泥工艺描述：狭长形，多廊道，推流式，吸附与代谢发生在一个池子中，供氧均匀工艺特征： BOD BOD降解 O2 需氧与供氧 污泥增长曲线 供氧 量 b Dx 需氧 a 减 内源代谢 DO浓度 池长 池长 池长工艺优点：历史悠久；停留时间长；污泥生长周期长，处理效率高（BOD去除率90-95%）；运行稳定，管理操作简单，便于改革发展，污泥沉淀性能好； 特别适用于对处理要求高，而水质稳定的废水工艺缺点：需氧与供氧不平衡；池体积大，占地多；基建费用高；不适应冲击负荷。4.4.2 渐减曝气活性污泥法系统（Tapered Aeration）对普通曝气池的改进，主要解决普通曝气供氧不平衡的问题，供氧强度沿池长是变化的： 优点：节能。 O2 供氧 需氧 池长4.4.3 阶段曝气活性污泥法系统（Step-feed Aeration）针对普通活性污泥法集中一点进水，易受冲击负荷影响，供氧、与需氧不平衡的又一中改进方式。设计多点进水，均负荷 进水 Air 曝气池 Aeration tank 二沉池 出水 回流污泥工艺特征有机物分配均匀 氧均匀 污泥浓度逐渐降低 BOD 供氧 需氧池长 池长 池长工艺优点：有利于均化负荷，耐冲击负荷；提高空气利用率；减轻二沉池污泥负荷工艺缺点：出水水质稍差于传统法（传统工艺易改为渐减曝气和阶段曝气）4.4.4 吸附-再生活性污泥法系统（Contact stabilization ）出现在40年代后期美国（Smith），依据活性污泥的初期快速吸附的能力BOD 0.5-2h 进水 吸附池 沉 回流污泥 再生池Topt Time 3-5h特征： 吸附与代谢分别在两个池子（或1个池子的两部分）进行； 高回流比 50-100%，充分利用活性污泥的初期吸附能力优点： 反应器总容积小于普通活性污泥法对特殊情况，有较多的应变手段（两个池子的污泥更换）有机物降解曲线： 微生物增长曲线 BOD 量 吸附 沉淀 再生 吸附 再生 适应：含悬浮性、胶体性有机物较多的废水，可不设初沉池。4.4.4 完全混合活性污泥法系统（Complete mixied activated sludge proc