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第五次作业情况 作业问题 计算所得到的亏氧值是根据污染物的排放条件 运用经验或理论公式 计算出来的 即在此排污条件下其理论亏氧值是多少 当此计算值比饱和溶解氧还高时 说明污染物的排放已经远远超过了水体的自净能力 污染会十分严重 此时的DO值可以认为是 零 第四章废水处理 4 7二级处理单元过程4 7 1概述二级处理主要目的是去除一级处理出水中的溶解性BOD及悬浮固体 进行传统的好氧二级生物处理的条件是 有大量微生物 微生物与有机物之间接触良好 有提供充足的氧和维持其它需要的设施 可利用各种不同的方法来满足这些条件 其中最常用的方法有 滴滤池法 活性污泥法和氧化塘法 另一种应用原理同于滴滤池法和活性污泥法的方法 生物转盘法 4 7 2滴滤池法滴滤池是由石头 条板或塑料材料 介质 构成的滤床 废水由上向下流过滤床 最常设计的是1 3m深的简单砾石床 利用旋转布水器将水分散到石头表面 滤床直径可高达60m 废水滴流进入滤床时 微生物生长于石头表面形成一层固定生物膜 废水经过生物膜时其中的有机物与微生物接触 从而被去除 滴滤池并不是简单的过滤装置 砾石直径为5 100mm 它们之间的空隙太大无法截留固体物质 它们有巨大的表面积供微生物附着 通过利用水中有机物质使微生物在介质上生长并形成生物膜 以去除有机物 过度生长的微生物会从石头表面脱落 并从其缝间洗出 因此滴滤池出水需要经过沉淀池以将这些固体去除 这种沉淀池称为二沉池或最终沉淀池 以区别于一级处理的初沉池 在高有机负荷下 生物膜生长很快 已致于堵塞石头间的缝隙 造成溢流或整个系统失败 此外 因滤床中的空隙体积有限 限制了空气的流通和微生物所需的氧气供应量 使滴滤池的处理量受到限制 其它材料 如塑料波纹板 90m2 m3 已被广泛用做滤床的介质 以克服石头比表面积较小的缺点 一般石头滤池只有3m深 塑料介质滤池可达12m 滴滤池按水力负荷及有机负荷分类 水力负荷为每天每平方米滤池表面积所承受的废水体积 m3 d m2 有机负荷定义为每天每立方米滤池所承受的BOD5质量数 kg d m3 滴滤池设计中最重要的是将部分出水返回滤池 称为回流 回流水与进水的比例称为回流率 对于石头介质 回流的作用主要有 1 使废水再次接触微生物 以提高有机污染物的去除率 2 减少24小时内的负荷变化 3 提高进水DO 4 改善滤床表面分布 5 防止在夜间废水流入量很低时滤床上生物膜干化或微生物死亡 回流也应用于塑料介质滴滤池中 以提供微生物生存所需的润湿率 一般使水力负荷提高到最低润湿率以上时并不会增加BOD5的去除率 最小润湿率通常在25 60m d范围内 二级滴滤池可以改善滴滤池性能 使一级出水中的污染物有更多时间接触微生物 从而使处理效果更好 在单级滤池或二级滤池系统中 废水经过第一级滤池的效率为 式中E1 经过第一级滤池 在20 C下的BOD5去除部分 包括回流和沉淀 Q 废水流量 m3 s Cin 进水BOD5 mg L V 滤池体积 m3 F 回流因子 回流因子等于 式中R 回流率 Qr Q Qr 回流液流量 Q 废水流量 二级滤池的处理效率为 E2 经过第一级滤池 在20 C下的BOD5去除部分 包括回流和沉淀 E1 一级滤池BOD5去除部分 Ce 一级出水中BOD5浓度 NRC公式 温度对处理效率的影响可用下式表示 Schulze方程 滴滤池中废水与微生物的接触时间与滤池深度成正比 而与水力负荷成反比 单位体积的平均生物膜量可近似表示为 C 1 Dm其中m是经验常数 表示生物膜分布的指标 通常假设分布均匀 因此 m 0 C 1 1 053T C C 单位体积的平均生物膜量D 滤池深度 mQ 水力负荷A 废水接触的滤池面积n 与滤池介质有关的经验常数 Schulze Velz方程 求得BOD去除率 不同温度下 K值可以用下列公式校正 Example 试求一直径35 0m 深1 5m滴滤池的出水BOD5 设水力负荷为150 0mg L 速率常数为2 3 m d n m 且n 0 67 Solution 首先计算滴滤池面积 A 35 0 2 4 962 11m2水力负荷 Q A 1900 962 11 1 97m3 d m2 K 经验速率常数 m d n mS0 St分别为进水和出水的BOD mg L 用Schulze Velz方程计算出水BOD5 将各数据代入方程之中 得到出水BOD5 16 8mg L 4 7 3活性污泥法将废水与活性污泥 微生物 混合搅拌并曝气 使废水中的有机污染物分解 生物固体随后从已处理废水中分离 并可根据需要将部分污泥回流到曝气池中 微生物与有机物完全混合 微生物利用有机物为食物而生长 当微生物随空气的搅拌而混合在一起时 单个微生物就会凝聚而形成微生物团块 生物絮体 称谓活性污泥 实际上 废水不断流入曝气池 空气被注入池中以使活性污泥和废水混合 并向微生物提供氧气以去除有机物 曝气池中活性污泥和废水的混合物称为混合液 混合液从曝气池流到二次沉淀池 以使活性污泥沉降下来 二次沉淀池中大部分的沉淀污泥又回流到曝气池中 以维持较高的微生物浓度 快速去除有机物 该工艺中污泥产生量通常多于需要量 多余的污泥排放到污泥处理系统中被进一步处置或利用 传统的活性污泥系统中 空气由曝气系统从曝气池底部注入 回流到曝气池中的污泥体积通常是废水流量的20 30 在活性污泥处理工艺中 每天需排出部分污泥量 称为废弃活性污泥 如果排出过多的污泥 则混合液中微生物的浓度太低 无法有效处理废水 如果排出量太少 微生物就会累积到很高浓度 以致于从二次沉淀池中溢流出去 并最终进入到受纳水体中 微生物停留在系统中的平均时间 称为细胞停留时间 固体停留时间 污泥龄 为了适应某些特殊的处理需要 人们提出了许多改进的活性污泥法 着重介绍完全混合式和传统推流式活性污泥法 1 完全混合式活性污泥法其设计公式是应用质量平衡理论建立的方程式和描述微生物生长动力学的方程式 反应器的设计需要两个质量平衡 生物量和食物量 溶解性BOD5 在稳定状态下 生物量的质量平衡方程为 进水生物量 出水生物量 废弃生物量 累积生物量进水中的生物量是进水中微生物浓度 X0 用悬浮固体浓度表示 和流量 Q 的乘积 累积在曝气池中的生物量是池体积与描述微生物质量生长的Monod方程式的乘积 出水中的生物量是离开废水处理厂的已处理水的流量 Q Qw 与二次沉淀池中未沉淀的微生物浓度 Xe 的乘积 离厂废水量并不等于进厂废水量 因为有部分微生物被排弃掉 废弃的生物量是废弃活性污泥中微生物浓度 Xr 和流量Qr的乘积 整个系统对于生物量的质量平衡方程为 式中X0 进入曝气池的微生物浓度 挥发性悬浮固体VSS mg L V 曝气池体积 m3 S 曝气池和出水中溶解性BOD5浓度 mg L X 曝气池中微生物浓度 混合液挥发性悬浮固体MLVSS mg L Qw 排弃污泥量 m3 d Xe 二次沉淀池出水中微生物浓度 VSS mg L Xr 排弃污泥中微生物浓度 VSS mg L 在稳定状态下 食物 溶解性BOD5 的质量平衡方程可写为 进水食物量 出水食物量 食物消耗量 废弃污泥中食物量 0进水食物量是进水中溶解性BOD5浓度S0与废水流量Q的乘积 曝气池中食物消耗量是曝气池体积V与食物利用率的乘积 出水食物量是离厂处理水流量 Q Qw 与出水溶解性BOD5浓度 S 的成绩 S与曝气池中的浓度相同 因BOD5是溶解性的 所以不会在二沉池因沉降而减少 因此流入沉淀池和流出沉淀池的水中BOD5浓度也是相同的 废弃污泥中的食物量是进水中溶解性BOD5浓度 S 与废弃污泥流量 Qr 的乘积 系统的食物量平衡方程在稳定状态下可表示为 为了推导实用的设计方程式 做如下假设 1 与曝气池中的生物浓度相比 进水与出水中的生物浓度可以忽略 即X0和Xe都比X小得多 2 根据完全混合系统的定义 进水食物浓度立即被稀释为曝气池中的浓度 3 所有反应均在完全混合系统内发生 由第一条假设可以将生物量平衡方程简化为 将该方程重排为Monod方程的形式 系统的食物量平衡方程也化为Monod方程的形式 由以上两式得到 公式的物理意义 V Q 水力停留时间 VX QwXr c平均细胞停留时间 如果出水中生物浓度不能忽略 则必须对上面的 c表达式进行校正 只要知道 c就可以得到出水中溶解性BOD5浓度 S 典型的微生物生长系数值列于下表 值得注意的是 离开系统的溶解性BOD5浓度只受平均细胞停留时间的影响而不受进入曝气池中的BOD5量或水力停留时间的影响 强调 S为溶解性BOD5的浓度 部分在二沉池中未沉降的悬浮固体也会增加受纳水体的BOD5 因此在下式中 求解S及 c之前应先估算悬浮固体的BOD5量 从出水总BOD5量中减去悬浮固体的BOD5量 得到S S 出水总BOD5量 悬浮固体的BOD5量从可以简化得到 因此 曝气池中微生物浓度是平均细胞停留时间 水利停留时间及进水与出水浓度差的函数 2 带循环的推流式反应器 推流式反应器可看作一系列串联的反应器 虽然理想的推流很难实现 但许多长而窄的曝气池用推流模型来分析比用完全混流模型更合适 推流系统的动力学模型很难从基本的质量平衡方程导出 利用两个简化假设 Lawrence McCarty提出了一个有用的设计方程 1 流入曝气池和流出曝气池的水中微生物浓度大致相同 此假设在 c 5时成立 2 当废水经过曝气池时 溶解性BOD5的利用率为 Xavg 曝气池中平均微生物浓度 根据上述假设推导得到的设计方程为 式中 回流率 Qr Q Si 循环水稀释后的曝气池进水浓度 Si S0 S 1 mg L Example 某厂计划将其一级水处理厂升级为二级水处理厂 以达到30 0mg LBOD5及30 0mg LSS的出水标准 选择完全混合式活性污泥系统 假设SS中BOD5等于SS浓度的63 试估算曝气池所需体积 现有一级处理厂的出水特性 流量 0 15m3 s BOD5 84 0mg L 假设生长系数值为 Ks 100mg LBOD5 m 2 5d 1 kd 0 050d 1 Y 0 50mgVSS mgBOD5 根据二次沉淀池的出水条件 估算出水的BOD5 S 出水中总的BOD5 SS中的BOD5 30 0 63 30 11 1mg L 由计算 c c 5 00d 假设混合液挥发性悬浮固体 MLVSS 浓度为2000mg L 可求得水力停留时间 代入各数据 得到 1 8h 曝气池体积可以由V Q 算出 V 1 8 0 15 3600 972m3 食物对微生物的比例 食微比 F M F M通过废弃微生物量来控制 因此会减少MLVSS 废弃量大会使F M升高 微生物量会达到饱和状态 结果使处理效率降低 低废弃量使F M降低 微生物呈饥饿状态 废水中微生物更完全地被分解掉 高 c值 低F M值 不常采用 因为它意味着需要更大的曝气池 从而需要更多的供氧量 因此空压机的功率必须增大 能源消耗增大 此外 c太大时 污泥在二次沉淀池的沉降能力就会降低 低F M下 有机物几乎完全被分解且很少转变成微生物细胞 所以最后产生的污泥也很少 单位 mg mg d F M和 c都受到废弃污泥量的影响 高F M代表短 c 而低F M代表长 c值 各种活性污泥改进工艺的典型F M值在0 1 1 0mg mgd 范围 3 回流污泥目的 维持反应器中有足够的污泥浓度 控制污泥回流率方法的根据是经验观测值SVI 称为污泥体积指数 从曝气池末端取出1L的混合液 污泥沉降性能测量是将标准的1L带刻度的量筒装满该水样 静置30min后读取沉降污泥所占有的体积 MLSS是混合液过滤 干燥称重后所得到的固体的量 SVI定义为混合液静置30min 每1g沉降污泥所占的体积 ml SVI SV MLSS 1000mg g式中SVI 污泥体积指数 ml g SV 1L量筒中30min沉降污泥所占体积 ml g MLSS 混合液悬浮固体量 SVI可用做衡量污泥沉降性能的指标 因此影响到回流率和MLSS 活性污泥厂在MLSS浓度为2000 3500mg 范围内操作时 典型的SVI值为80 150mL g 当污泥浓度增加到3000 5000mg L时 沉淀池的固体负荷升高 因此需要较低的SVI或较大的沉淀池 以避免固体物质被洗出 SVI是系统设计的主要因子 因为SVI控制着沉淀池的底流浓度 间接地限制着反应器中MLSS浓度 所以在已知SVI及回流率的情况下 MLSS及MLVSS的最大值会固定在较窄的范围内 在没有运行数据的情况下 即使SVI可能很低 MLSS仍应限制在5000mg L以下 当温度低于20 C时 此值应更小 超过5000mg L的设计值会导致过低的停留时间 除非有缓冲控制 否则污泥将被洗出 MLSS设计值不应高出所要求的值 因为太高的MLSS会造成二沉池操作上的困难 假设二次沉淀池的污泥量保持不变 即稳定状态 且出水悬浮固体 Xe 可以忽略 则质量平衡为 污泥累积量 污泥流入量 污泥流出量 MLSS是SVI和污泥回流率 Qr Q 的函数 采用快速的污泥去除方式 并用30min污泥沉降试验的污泥浓度作为沉淀池底流浓度所得到的结果 污泥质量平衡方程可写为 Q Qr X QrXr QwXr 因此污泥回流量为 通常出水中污泥不可忽略 则质量平衡式为 Q Qr X QrXr QwXr Q Qw Xe此时回流量 注意 Xr 与X 包含挥发性固体和惰性固体两部分 因此它们与Xr及X相差一个系数 Qr 污泥回流量 m3 dX MLSS g m3Xr 最大回流污泥浓度 g m3Qw 废弃污泥量 m3 d 最大回流污泥浓度与SVI有关 Xr 106 SVImg L最大底流浓度是温度的函数 温度影响区域沉淀速率及SVI 天冷时 SVI因沉降不好而升高 美国联合工作委员会建议建议将混合液设计浓度作为反应器设计最小温度的函数 对于不同的SVI值 其结果见图 图中SVI在反应器内的温度下测得 Example 某厂计划将其一级水处理厂升级为二级水处理厂 以达到30 0mg LBOD5及30 0mg LSS的出水标准 选择完全混合式活性污泥系统 曝气池体积970m3 c 5d 利用如下数据考虑污泥回流的设计问题 流量 0 15m3 s MLVSS X 2000mg L MLSS X 1 43MLVSS 出水SS 30mg L 废水温度 18 0 C Solution 从MLSS开始计算 MLSS 1 43 2000mg L 2860mg L虽然不能预知SVI 但是可以在上图 建议的最大MLSS设计值与温度 SVI的关系图 的合理范围内假设一个值 然后回头验证该值的合理性 也可假设回流污泥浓度 根据计算的MLSS及反应器温度选定SVI 175 利用Xr 106 SVImg L计算回流污泥浓度 Xr 106 SVI 5700mg L污泥回流率可由公式VX QwXr c和计算求得 Xr Xr 1 43 5700 1 43 3986mg L 得到 Qw VX Xr c 97 3m3 d 0 0011m3 s如果忽略出水的SS 则污泥回流量为 如果忽略出水的SS 则污泥回流量为 可以用 图5 23 来检查结果的合理性 是否处于正常运行范围 4 污泥产生量活性污泥工艺可去除基质 在食物基质转变为新细胞时需要氧 而细胞被分解时则产生能量 细胞物质最终成为待处理的污泥 有研究者提出完全溶解性有机物质可以产生0 5kgMLVSS kgBOD5 大部分研究者也在不同的惰性固体含量和不同的SRT下 观测到0 4 0 6kgMLVSS kgBOD5的产生量 每天必须废弃的污泥量是污泥增加量与出水SS量之差 废弃量 MLSS增量 出水SS量 每天的活性污泥净生产量可用下列公式计算 和 Px 每天活性污泥净产生量 用VSS表示 kg d Yobs 观测产量 kgMLVSS kgBOD5 假设VSS为MLSS的一部分来计算MLSS的增加量 一般假设VSS 60 80 MLVSS MLSS的增量可以用Px除以某一因子 介于0 6 0 8之间 出水中SS的量是流量 Q Qw 和SS浓度 Xe 的乘积 5 需氧量废水的好氧分解过程中 必须有氧的参与 微生物利用氧分解有机物以产生高能量化合物供新细胞合成和进行呼吸作用 反应器中常保持的最小DO值在0 5 2mg L之间 以防止缺氧而限制基质的去除率 需氧量可以从废水的BOD5及每天废弃的活性污泥量来进行估算 假设所有BOD5最后都转变成产物 总需氧量便可以由BOD5转换成BODL算出 由于部分BOD5转变为废弃污泥中的新细胞 所以废弃污泥的BODL必须从总需氧量中扣除 废弃污泥的需氧量可以由下式表示的细胞氧化反应来计算 其摩尔质量比为5 32 113 1 42 因此废弃活性污泥的需要量为1 42Px 所需氧气的质量可由下式计算 注意 计算空气供应量必须考虑氧在空气中所占的比例及溶解氧进入废水中的转移效率 Q 进入曝气池的废水流量 f BOD5转换成BODL的转换因子 6 工艺设计的考虑SRT 固体停留时间 c 是废水处理程度的函数 高STR 或长污泥龄 会使系统中污泥浓度高 并获得较好的废水处理效果 长SRT也会导致污泥产生量减少 碳BOD5去除率与SRT值和反应器最低操作温度之间的关系绘于下图 SRT值是根据通常的生活污水而得到的 预计曝气系统出水中溶解性BOD5为4 8mg L 如果工业废水排入生活污水系统 就必须考虑其它一些因素的影响 生活污水通常含有足够的氮和磷可供微生物生长 大量的工业废水中缺少这两种营养元素会使处理效率降低 因此需要加入额外的氮和磷 氮与BOD5的比例应为1 32 磷与BOD5的比例应为1 150 通过一级处理系统的油脂会浮在曝气池表面形成油滴 水中微生物接触不到而无法分解 因此在二次沉淀池设计中应特别考虑使用除油设备以清除油滴 二沉池外观和截面图 7 二沉池设计虽然二次沉淀池是滴滤池法和活性污泥法中不可缺少的部分 但更被关注的是用于活性污泥工艺的二次沉淀池 活性污泥生物絮体的松软性质及高固体负荷使得二次沉淀池非常重要 此外 人们还希望污泥在二次沉淀池中被浓缩压实 减小体积 活性污泥在二沉池中沉淀具有第三类沉淀的特征 在常规工艺和平均流量下 溢流率为20 34m d时 可以得到很好的液体 SS分离效果 二