水污染控制工程XXXX湖南科技大学(二).doc

幻灯片1第五篇 有机污染物的生物化学转化处理第十三章 生物处理基本概念和原理 幻灯片213.1 生化处理方法及其分类 生化处理法定义（高式P81、82）及分类（P81）底物（有机物）P82、酶（生物）生物分解代谢（异化 P82）有机物降解生物合成代谢（同化，P82）细胞增殖异养微生物有机物（营养源或底物）自养微生物无机物（营养源或底物）分解代谢包括发酵（实为厌氧）和呼吸两类，而呼吸又分为好氧和缺氧两种方式（P8286）生物脱氮与除磷（P8687）幻灯片3自然条件好氧塘（教材P248）等 好氧法生物处理法悬浮生物法活性污泥法及其变种、氧化沟等人工条件固着生物法生物滤池及转盘、接触氧化、流化床自然条件厌氧塘（教材P255）等厌氧法悬浮生物法厌氧消化、UASB法、化粪池人工条件固着生物法厌氧滤池、厌氧流化床幻灯片4l 13.2 污泥微生物增长规律及其影响因素l 污泥微生物混合群体l 污泥的增长过程，类似于纯种微生物（P88图114），可分为驯化期（适应期）、对数增殖期、稳定期（减速增殖期）和衰亡期（内源呼吸期）等几个阶段。每个阶段，污泥增殖速率（类似P88图114）、有机物(BOD)去除率、氧的利用速率等都各不相同。幻灯片51.污泥微生物增长曲线对数增殖期 污泥经培养驯化后,F/M较大，营养充分，氧利用最大，微生物增殖速率和有机物降解速率最大。污泥活动力强，污泥松散，不易沉降(利用有机物不足) (F/M系营养与微生物之比)减速增殖期(稳定期) F/M减小，有机物量成为增殖的限制因素，微生物增殖速率和有机物降解速率下降，污泥沉降性好，出水效果好。幻灯片6内源呼吸期(衰减期) F/M最小，(内源呼吸期)微生物活动能力低，絮凝体沉降性好，此时污泥量出现下降，出水水质较好。2.污泥微生物生长的影响因素（P9091）温度:好氧法2037;厌氧法3338(中温发酵)pH值:好氧法pH6.58.5;厌氧法pH6.58.0(7.07.5)营养物质:C(BOD5):N:P=100:5:1;其它如微量元素废水成份:主要是控制有毒物浓度,以防微生物中毒废水BOD5浓度:好氧法500mg/l,厌氧法2000mg/l溶解氧DO:好氧法23(缺氧0.5)mg/l;厌氧法 0幻灯片713.3 生化处理两个基本前提l 对于工业废水,采用生化法处理时,宜满足两个基本前提:可生化性及毒物浓度限制l (1)可生化性l 采用BOD5判断法:l BOD5 /COD0.45时,生物法处理具优越性.l 其中,对于城市污水,一般BOD5 /COD=0.50.7.幻灯片8l 可生化性的判断,除上述BOD5判断法外,还有耗氧曲线法(微量呼吸仪或生化需氧量测定瓶测定) 、生化线与呼吸线法、可生化性试验法等.l (2) 毒物浓度l 工业废水生物处理时,其有毒物质含量不宜超过其允许浓度. 参考有关参考书或相关资料.l 注意:允许浓度可随环境(处理工艺及构筑物)及驯化情况而变化.幻灯片913.4 生化反应动力学基础 13.4.1 微生物增长及有机物降解动力学 1.微生物增长莫诺特(Monod)方程 (P94中11-16式)幻灯片10单位质量微生物的增殖速率(kg/kgd)d-1 微生物最大比增殖速度f-1 饱和常数 S微生物周围即反应器中的底物浓度(mg/L)2. 有机物降解劳伦斯麦卡蒂方程(P96) 底物降解速率幻灯片11城市污水一般有机物浓度低，常用 描述，一级反应:13.4.2 微生物增长与有机物降解的关系生化处理工程基本数学模式 1. 基本方程的推导 假定: 反应器为完全混合式,即整个反应器中的微生物(M)浓度和底物(S)浓度不随位置而变化； 整个处理系统处于稳定状态,即整个反应器中的微生 物(M)浓度和底物浓度(S)不随时间而变化; 氧的供应是充分的（好氧处理）.注意: M浓度和S浓度不随时间而变化,分别意味着剩余污泥及时排走(连续流)和废水水质得到充分均和整个反应器系统按完全混合、连续流运行考虑。幻灯片12M净增 = 合成 内源消耗 (1951年霍克莱金实验) 而其中 -有机物利用速率 Y-产率系数，kgMLVSS/kgBOD。 -自身氧化率，d-1。 幻灯片13对dv积分2. 剩余污泥量计算 微生物净增长量=微生物增长量微生物衰减量式中X污泥增长量(kg/d)，Y产率系数(污泥/BOD) Q污水流量，S0、Se污水进、出时的底物浓度 Kd微生物自身氧化(减)速率常数(kg污泥/kg污泥)幻灯片14幻灯片15习题与思考题l 1.底物的含义?F/M呢?l 2.对废水生物处理而言,重金属离子属有毒物,其允许浓度较低,如何从理论上解释?l 3.某有机废水, BOD5400mg/L,COD900mg/L,能否采用何种生化法处理?为什么?l 4.污水生物处理中，应将活性污泥控制在其生长期的哪个阶段较好？为什么？l 5.废水生化处理时,其反应级数多少?其中的城市污水呢?l 6.废水中有机物经生物处理后, 转变成什么物质?l 7某种污水在一连续进水和完全混合的反应器内进行处理，假设反应不可逆，且符合一级反应（v=kSA），反应速率常数k为150.0d-1, 求解当反应池容积为20m3、反应效率为98时，该反应器能够处理的污水流量为多大？(参考P122图12-24) 幻灯片16第十四章 活性污泥法 Activated Sludge Processes幻灯片1714.1 基本概念及原理l 14.1.1活性污泥及其评价指标l 来历:l 1912年英国的克拉克(Clark)和盖奇(Gage)首先发现污泥.1916年建成第一个活性污泥法污水处理厂.（P101）l 定义:l 向污水注入空气进行曝气，并持续一段时间以后，污水中即生成一种絮凝体。这种絮凝体主要是由大量繁殖的微生物群体所构成，它有巨大的表面积和很强的吸附性能，称为活性污泥。幻灯片18评价指标：l （1）混合液悬浮固体浓度(mixed liquor suspension solid, MLSS)、混合液挥发性悬浮固体浓度 (mixed liquor volatile suspension solid, MLVSS) l 单位均为mg/L或g/L，工程上还常用kg/m3。前者也称混合液污泥浓度（一般用X表示），后者则指混合液悬浮固体中的有机物浓度。l 一般活性污泥法中，MLSS浓度为24g/L。幻灯片19l （2）污泥沉降比(settling volume, sludge sedimentation ratio, SV%) l 污泥沉降比是指曝气池混合液在l00mL量筒中，静置沉降30min后，沉降污泥所占的体积与混合液总体积之比的百分数。所以也常称为30 min沉降比。l 正常的活性污泥在沉降30min后，可以接近它的最大密度。l 另见教材P103.幻灯片20l （3）污泥体积指数 (sludge volume index, SVI) l 污泥体积指数也称污泥容积指数，是指曝气池混合液，经30min静置沉降后，沉降污泥体积中1g干污泥所占的容积的毫升数，单位为mL/g，但一般不标出。 它与污泥沉降比有如下关系： l SVI=(SV10)/Xl 式中：X的单位为g/L，SVI以百分数代入。 另见教材P103.幻灯片21l SVI值能较好地反映出活性污泥的松散程度(活性)和凝聚、沉降性能。l SVl值过低，说明污泥颗粒细小紧密，无机物多，缺乏活性和吸附力；l SVI值过高，说明污泥难于沉降分离，并使回流污泥的浓度降低，甚至出现污泥膨胀(sludge bulking)，导致污泥流失等后果。 l 一般控制SVI为50(100)150之间较好。幻灯片22l （4）活性污泥生物相(organism culture)l l 活性污泥中出现的是普通的微生物。主要是细菌、原生动物和少量后生动物。 l 正常情况下，细菌主要以菌胶团形式存在，游离细菌仅出现在未成熟的活性污泥中，也可能出现在废水处理条件变化 (如毒物浓度升高、pH值过高或过低等)，使菌胶团解体时。 l 游离细菌多是活性污泥处于不正常状态的特征。幻灯片23l 14.1.2 活性污泥法基本流程 l 活性污泥法由曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥排除系统所组成. 其工作原理见P103104。幻灯片24活性污泥法的基本流程 幻灯片2514.1.3 净化过程与机理构成活性污泥法三要素:a.微生物 吸附氧化分解作用(污泥)b.有机物 废水处理对象、微生物底物(营养)c.充足氧气、充分接触好氧处理的条件污泥净化反应过程: 对有机物的降解及污水净化共分为三个阶段:a.吸附阶段b.稳定阶段(微生物降解作用)c.固液分离幻灯片26l （1）吸附阶段-初期去除与吸附作用 l 在活性污泥系统里，当污水与活性污泥接触后很短的时间（1545 min)内就出现了很高的有机物(BOD)去除率。 l 这种初期高速去除现象是由吸附作用所引起的。污泥比表面积很大(可达200010000m2/m3混合液)，且表面具有多糖类粘质层，因此，污水中悬浮的和胶体的物质是被絮凝和吸附去除的。幻灯片27（2）稳定阶段微生物降解作用l l 活性污泥中的微生物以污水中各种有机物作为营养，在有氧的条件下，将其中一部分有机物合成新的细胞物质(原生质)，另一部分有机物则进行分解代谢，即氧化分解以获得合成新细胞所需要的能量，并最终形成CO2和H2O等稳定物质。 另详见教材P104106.幻灯片28（3）固液分离-絮凝体形成与凝聚沉降l 如果形成菌体的有机物不从污水中分离出去，这样的净化不能算结束。 为了使菌体从水中分离出来，多采用重力沉降法。如果每个菌体都处于松散状态，由于其大小与胶体颗粒大体相同，它们将保持稳定悬浮状态，沉降分离是不可能的。为此，必须使菌体凝聚成为易于沉降的絮凝体。絮凝体的形成可通过丝状细菌实现,而沉降则通过二次沉淀池实现。幻灯片29l 习题与思考题:l 1.某生化池内活性污泥混合液,量取200mL,经半小时沉降后污泥量为60mL, 并测得其悬浮固体浓度为4000mg/L, 试问MLSS、SV、SVI等各为多少?你认为该活性污泥是否正常?为什么?l 2.SVI值分别为40和240的活性污泥, 正常否?可能分别是什么情况?l 3.构成活性污泥法,有哪三个要素?l 4.活性污泥法处理中, 污泥为何要回流?为何产生剩余污泥?曝气设备的作用?l 5.从机理上讲, 活性污泥降解有机物可分为哪两个阶段?每个阶段的作用?为什么开始阶段有机物量下降得很快?而后阶段所需时间较长?幻灯片3014.2 活性污泥法的发展与演变活性污泥法类型（1）按混合液流态分 推流式（PFR）、完全混合式（CMR）、 封闭环流式（CLR）、序批式（SBR）（注：开始时推流型，而后演变为完全混合型） 教材P106109, PFR ：图124，CMR：图127， CLR：图128， SBR：图129 。另MSBR。（2）按供氧方式分 鼓风曝气、机械曝气、二者联合 其发展与演变内容详见教材P109120。幻灯片31幻灯片32幻灯片33幻灯片34幻灯片35吸附再生活性污泥法(注意与AB法的对比) (1)型式：廊道式(吸附池和再生池可合建)(2)流态：中间进水，推流(3)特点：适合细小悬浮及胶体物质含量高的工业废水； 耐冲击负荷较强；剩余污泥有机物含量高。 幻灯片36氧化沟法l 氧化沟特点分析（P117)：l l （a）氧化沟水力停留时间和污泥龄比一般生物处理法长，悬浮有机物可与溶解性有机物同时得到较彻底的去除，排出的剩余污泥已得到高度稳定，因此，氧化沟可以不设初次沉淀池，污泥也不需要进行厌氧消化；l （b）从溶解氧的分布看，氧化沟具有推流特性，溶解氧浓度在沿池长方向形成浓度梯度，形成好氧、缺氧和厌氧条件。因此, 通过对系统合理的设计与控制，可以取得良好的脱氮除磷效果。 l 另外，氧化沟的构造形式是多种多样的，根据不同的目的可以设计多种形式的氧化沟。 l 氧化沟法是近年来发展较快的生物水处理技术之一。幻灯片37 水解酸化好氧工艺 水解酸化-好氧活性污泥处理工艺，在传统活性污泥法的基础上，用水解酸化池取代传统的初沉池。集生物降解、物理吸附为一体，有机物去除效果显著高于初沉池，并能将水中难降解大分子有机物转化为小分子有机物，提高污水可生化性；部分悬浮固体物可被水解为可溶物质，并进一步得到处理；可用于工业废水处理和含有较多难生物降解物质的城市污水处理；能耗较低，停留时间较短。幻灯片38l 习题与思考题:l 1.传统活性污泥法属哪种流态?氧化沟呢?l 2.完全混合法、高负荷法及延时曝气法等活性污泥法分别属于污泥增长曲线上的哪个阶段?其中,高负荷法主要适用于什么情况?l 3.为什么吸附再生法适宜于含胶态有机物较多或有机物分子量较大的场合?l 4.AB法与吸附再生法的主要异同之处?l 5.目前, 氧化沟法处理城市污水时必设沉砂池, 但普遍不设初次沉淀池，为什么?幻灯片3914.3 活性污泥法处理影响因素及其数学模型基础l 14.3.1 影响污水处理效果的因素l 污泥负荷及容积负荷；l 污泥龄(qc)和水力停留时间；l 溶解氧、营养物、 pH值、水温、有毒物质；l 污泥回流比。幻灯片40l （1）污泥负荷及容积负荷 l 活性污泥法中，一般将有机物（BOD5）与活性污泥(MLSS)的质量比值(food to biomass, F:M)，称为污泥负荷，单位为kgBOD5 /(kgMLSSd)。l 容积负荷（volumetric loading rate）是曝气池单位有效容积在单位时间内所承受的BOD5量，单位为kgBOD5/(m3d)。幻灯片41为了表示有机物的去除情况，也采用污泥去除负荷Nr，即单位质量活性污泥在单位时间所去除的有机物质量。Nr去除负荷； Se出水BOD浓度。幻灯片42l 污泥负荷的影响：l 污泥负荷与废水处理效率、活性污泥特性、污泥生成量、氧的消耗量有很大关系，是设计活性污泥法时的主要参数。l 实践表明，在一定的活性污泥法系统中，污泥的SVI值与污泥负荷之间有复杂的变化关系。幻灯片43污泥负荷及水温对污泥SVI的影响高SVI负荷区1低SVI负荷区2低SVI负荷区3低SVI负荷区1高SVI负荷区2幻灯片44l 污泥负荷对需氧量的影响l 理论上，去除lkgBOD应消耗lkgO2。l 生化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.l 当污泥负荷大时，BOD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。l 在低负荷情况下，有机物能彻底氧化，甚至过量自身氧化，因此需氧量增大。故从需氧量看，高负荷系统比低负荷系统经济。l 另外, 废水中胶体和悬浮状态的有机物首先被污泥表面吸附、水解、再吸收和氧化，其降解途径和速度与溶解性BOD不同。 幻灯片45l （2） 污泥龄(qc)和水力停留时间（q）l 污泥龄（sludge age)是曝气池中工作着的活性污泥总量与每日排放的污泥量之比，单位是d。 l 在运行稳定时，曝气池中活性污泥的量保持常数，每日排出的污泥量也就是新增长的污泥量。 l 污泥龄也就是曝气池中的活性污泥全部更新一次所需要的时间。幻灯片46l 污泥龄也称生物固体停留时间(mean solid retention time)或细胞停留时间(mean cell retention time) 。 l 污泥龄是影响活性污泥处理效果的重要参数。l 水力停留时间q(hydraulic retention time, HRT, liquid retention time)是指水在处理系统中的停留时间，单位也是d。l qV/Ql 式中:V是曝气池的体积；Q是废水的流量。幻灯片47l (3) 溶解氧、营养物、 pH值、水温、有毒物质等l a、溶解氧(dissolved oxygen, DO) l 溶解氧浓度以24(3)mg/L为宜.l b、营养物(nutrients)l 生活污水含有微生物所需要的各种元素，但某些工业废水却缺乏氮、磷等重要元素。 l 一般认为对氮、磷的需要应满足以下比例，即BOD5:N:P=100:5:1。幻灯片48l c、 pH值l 对于好氧生物处理，pH值一般以69(6.58.5)为宜。l 需要指出的是:pH值指曝气池内混合液而言。l 对于碱性废水，生化反应可以起一定缓冲作用。l 对于以有机酸为主的酸性废水，生化反应也可以起一定缓冲作用。幻灯片49l d、水温(temperature)l 在微生物酶系统不受变性影响的温度范围内，水温上升就会使微生物活动旺盛，就能够提高反应速度。 对于活性污泥法生化过程，一般认为最适水温在2035时效果最好，37以上和l5以下净化效果即明显降低。幻灯片50l e、有毒物质(toxic materials)l 对生物处理有毒害作用的物质很多。毒物大致可分为重金属、H2S等无机物质和氰、酚等有机物质。 毒物的毒害作用还与pH值、水温、溶解氧、有无其他毒物及微生物的数量或是否驯化等有很大关系。幻灯片51l （4）污泥回流比l 污泥回流比(ratio of returned sludge)是指回流污泥的流量与曝气池进水流量的比值，一般用百分数表示，符号为R。 l 污泥回流量的大小直接影响曝气池污泥的浓度和二次沉淀池的沉降状况，所以应适当选择，一般在2050之间，有时也高达150。幻灯片5214.3.2 数学模型基础l （1）出水有机物浓度数学模型l （2）活性污泥浓度数学模型l （3）细胞停留时间数学模型l 内容详见高式教材P121127幻灯片5314.4 气体传递原理和曝气设备l 14.4.1 气体传递原理l 菲克定律和双膜理论l 气液传质理论目前有：l 双膜理论 l 浅层理论 l 表面更新理论 目前工程和理论上应用较多的为双膜理论。幻灯片54（1）菲克定律其中 物质扩散速率 扩散系数 dc/dx 浓度梯度 （2）双膜理论a 气液两相接触面存在层流的气膜和液膜(分子扩散),阻力主要在气液两膜;b 气液两相紊流不存在浓度差,气膜中存在分压梯度,液膜中有浓度梯度,梯度是推动力;c氧难溶与水,因此液膜中存在氧传递的主要阻力.幻灯片55 （3）氧的转移模式由菲克定律根据双膜模型 a 气膜阻力小 Pg=Pi = Cs是氧分区Pg时溶解氧饱 和浓度 b 设液膜厚度为Xf(很低)幻灯片56液膜内DO浓度梯度 ，代入菲克定律有O2转移速率，kgO2/（m3h）；液膜氧传质系数，m/h，幻灯片57氧的总转移系数：氧向水中转移模式：提高氧转移速率的方法：（1）提高 ,加强液相主体紊动，降低液膜厚度，可以提高氧转移速率。例如微孔曝气。（2）提高CS，可以提高氧转移速率。例如压力生物反应器、纯氧曝气、深水曝气。 测定：采用充氧试验,对清水(曝气池混合液)，先亚硫酸钠脱氧,取得DOt数据, 再计算充氧速率. 幻灯片5814.4.2 氧转移影响因素 1.污水水质的影响 2.水温 修正：3.氧的分压表面活性剂影响含盐量影响幻灯片59其中H：曝气装置的淹没深度，m；Ea：曝气装置的氧利用率，。幻灯片6014.4.3 氧转移与供气量计算Ea指脱氧、清水、20，1大气压的氧利用（） ， S鼓风机供氧量(kgO2/h) 转移到曝气池中的氧量(kgO2/h)0.3GsGs鼓风机供气量(m3/h)幻灯片61稳定情况下，氧的转移速率=活性微生物需氧率 对机械曝气： 叶轮在标准条件下的充氧量，kg/L； v 叶轮线速度，m/s； D 叶轮直径，m； K 修正系数。幻灯片62l 14.4.4 曝气设备l （1）效能指标l 衡量曝气设备性能的主要指标有：动力效率EP、氧利用率EA和氧转移速率。 l 动力效率EP（充氧能力）：指消耗1kWh电能所转移到液体中去的氧量，单位为kg/kWh。 l 氧利用率EA：指鼓风曝气转移到液体中的氧占供给氧的百分数，EA=(Ro/W)100。 l （式中：W供氧量，kg/h；Ro吸氧量，kg/h）l 氧转移速率：指机械曝气在单位时间单位体积内转移到液体中的氧量mg/h.L。幻灯片63（2） 曝气设备鼓风曝气: a 微气泡型（小孔的好,但易堵)b 小气泡型c 中气泡型 (扩散管) d 粗气泡型 (喷嘴、喷射器)e 水力剪切扩散装置机械曝气器: a 竖轴式曝气器(叶轮)b 横轴式曝气器（转刷、转盘）c 水下曝气器 幻灯片64幻灯片65幻灯片66不同的转刷曝气器幻灯片67附：机械曝气机理(另详见教材P137)以竖轴式曝气器为例，其基本充氧途径：形成水跃，卷入空气;提升与输出，更新水面从空气复氧(界面不断更新);形成负压，吸入空气(环流交换).幻灯片6814.5 活性污泥系统的工艺设计14.5.1.工艺设计主要内容(1)确定活性污泥法工艺流程(2)选择曝气池类型，计算曝气池容积(3)计算需氧量、供气量，曝气设备选择(4)计算回流污泥量、剩余污泥量等(5)二次沉淀池池型的选定与工艺计算、设计14.5.2 曝气区容积的计算BOD污泥负荷: 容积去除负荷: 幻灯片6914.5.3.需氧量计算及鼓风机选择 (另见高式教材P143式12-68)根据供气量和风压选择鼓风机：风压扩散装置水头损失扩散装置的出口压力管道水头损失（沿程和局部）鼓风机进出管道水头损失安全值幻灯片70幻灯片7114.5.4 污泥系统 (另见高式教材P142式12-65)2.污泥回流装置（1）螺旋泵（2）离心泵（3）气提装置幻灯片72简单计算题:l 某废水流量为Q=300m3/h,BOD5=300mg/L,采用完全混合式生化法处理,反应器容积V=1800m3,污泥浓度MLSS=4g/L,经二次沉淀池泥水分离后,排出剩余污泥量q=10m3/h, 剩余污泥含水率为99%.试计算:l (1)水力停留时间;l (2)细胞平均停留时间;l (3)污泥负荷F/M;l (4)需设计的污泥回流比R(参考P184图12-54).l 另外,要求能够根据污泥负荷计算反应器容积!幻灯片7314.6 二次沉淀池（详见高式教材P174178）l 原则：功能上同时 满足固液分离和污泥浓缩的要求。l 1.为什么生化处理的二次沉淀池绝大多数采用竖流式或辐流式?l 2.为提高二次沉淀池泥水分离效果,有人建议在沉淀池内加设斜板,你