污水的好氧生物处理-活性污泥法98166

筑龙给排水栏目所有资料都免费下载了！,第十四章污水的好氧生物处理活性污泥法,14-1概述,活性污泥法是水体自净的人工强化方法，是一种依靠在曝气池内呈悬浮、流动状态的微生物群体的凝聚、吸附、氧化分解等作用来去除污水中有机物的方法。,概念,活性污泥法的提出,1912年英国的Clark和GageArden和Lockett对这一现象进行了研究。1914年建成第一个活性污泥厂。,二、活性污泥法基本流程,活性污泥工艺主要由曝气池、曝气装置、二沉池、污泥回流系统和剩余污泥排放系统组成。,曝气池是由微生物组成的活性污泥与污水中的有机污染物质充分混合接触，进而将其吸收并分解的场所，是活性污泥工艺的核心。,曝气装置的作用:,曝气系统总体上可分为鼓风曝气和机械曝气2大类。,向曝气池供给微生物增长及分解有机污染物所必需的氧气进行混合搅拌，使活性污泥与有机污染物质充分接触,二沉池的作用是使活性污泥与处理完的污水分离，井使污泥得到一定程度的浓缩。,回流污泥系统把二沉池中沉淀下来的绝大部分活性污泥再回流到曝气池，以保证曝气池有足够的微生物浓度。,随着有机污染物质被分解，曝气池每天都净增一部分活性污泥，这部分活性污泥称之为剩余活性污泥，应通过剩余污泥排放系统排出。,三、活性污泥降解污水中有机物的过程,一般将这整个净化反应过程分为三个阶段：初期吸附；微生物代谢；活性污泥的凝聚、沉淀与浓缩。,三、活性污泥降解污水中有机物的过程,所谓“初期吸附”是指：在活性污泥系统内，在污水开始与活性污泥接触后的较短时间(1030min)内，由于活性污泥具有很大的表面积因而具有很强的吸附能力，因此在这很短的时间内，就能够去除废水中大量的呈悬浮和胶体状态的有机污染物，使废水的BOD5值(或COD值)大幅度下降。但这并不是真正的降解，随着时间的推移，混合液的BOD5值会回升(这是由于固体有机物被吸附并经微生物酶作用后，变成可溶性物质而扩散到液体中去的缘故；对于溶解性的有机物则没有扩散现象)，再之后，BOD5值才会逐渐下降。,(1)具有活性的微生物(好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)(2)微生物自身氧化的残留物(3)吸附在活性污泥上不能降解的有机物和无机固体物,2、活性污泥的组成,颜色：褐色、(土)黄色、铁红色；气味：泥土味（城市污水）；比重：略大于1，(1.0021.006)，混合液污泥1.0021.003，回流污泥1.0041.006；颗粒直径：0.020.2mm；比表面积：20100cm2/mL。,3、好氧活性污泥的性质,14-2气体传递原理和曝气池,本节重点,双膜理论,影响KLa的因素,机械曝气与鼓风曝气,构成活性污泥法有3个基本要素:,一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥；二是废水中的有机物，它是处理对象，也是微生物的食料；三是DO，没有充足的DO，好氧微生物既不能生存，也不能发挥氧化分解作用。,1924年Lewis和Whitman提出,一、气体传递原理,双膜理论,(1)在气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态的气膜和液膜，在其外侧则分别为气相主体和液相主体，两个主体均处于紊流状态。气体分子以分子扩散方式从气相主体通过气膜与液膜而进入液相主体。,基本点,(2)由于气液两相的主体均处于紊流状态，其中物质浓度基本上是均匀的，不存在浓度差，也不存在传质阻力，气体分子从气相主体传递到液相主体，阻力仅存在于气、液两层层流膜中。,(3)在气膜中存在着氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，它们是氧转移的推动力。,(4)氧难溶于水，并且氧转移决定性的阻力又集中在液膜上，因此，氧分子通过液膜的转移速度是氧转移过程的控制速度。,在气膜中，氧分子的传递动力很小，气相主体与界面之间的氧的分压差值ppi很低，一般认为ppi。这样，界面处的溶解氧浓度值so，是在氧分压为p条件下的溶解氧的饱和浓度值。,如果气相主体中的分压为一个大气压，则p就是大气压中的氧分压(约为1个大气压的1/5)。,气体传递速率为,式中：氧的传递速率，g/h；Kg液膜部分氧的扩散系数，m/h；A气液界面接触面积，m2；sO液相中氧的饱和浓度，mg/L；O液相内氧的实际浓度，mg/L。,由于dmVdO(V为液体的体积)，则前式可改写为：,令，则：,式中：液相中氧的变化速率，mg/(Lh)；KLa总的传质系数，1/h，是总阻力的倒数。当氧转移阻力较大时，KLa较小，而阻力较小时，则KLa较大。sO液相内氧的饱和浓度，mg/L；O液相内氧的实际浓度，mg/L。,将上式进行积分，可求得总的传质系数：,影响KLa的因素,(1)水质,(2)水温,(3)氧分压,(4)其他,由于污水中存在着溶解性有机物，特别是某些表面活性剂，如短链脂肪酸和乙醇等，这类物质的分子属两性分子，它们将聚集在气、液界面上，阻碍氧分子的扩散转移。由于它们增加了氧转移过程的阻力，因此，造成了KLa值的下降。因此，引入小于1的修正系数：,(1)水质,氧在水中的饱和度也受水质的影响，主要是含盐量的影响，因此引入小于1的系数以修正污水中含盐量对氧饱和度的影响：,(2)水温,水温高，液体粘滞度降低，扩散度增加，氧转移系数增加，其关系为:KLa(t)KLa(20)1.02t20,式中：KLa(t)温度为t时的氧转移系数；KLa(20)温度为20时的氧转移系数；t计算温度，；1.02温度系数。,氧饱和度也受温度影响。水温升，sO下降。这时KLa值虽增大，但液相中氧的浓度梯度却减小，因此，水温对氧的转移有2种相反的影响，但并不完全抵消，而是水温低将有利于氧的转移。,O值还受氧分压或气压的影响。当气压降低时，O也降低；反之则增大。因此，在气压不是1.013105Pa的地区，O值应乘以如下的压力修正系数：,(3)氧分压,(4)其他,氧的转移系数，还与气泡的大小、液体的紊动程度和气泡与液体的接触时间有关。,气泡尺寸小，则接触界面A较大，将提高KLa值，有利于氧的转移；但气泡小，则不利于紊动，对氧转移也有不利影响。,紊动程度大，接触时间长(水层深)，则KLa值大，反之则小。,二、曝气设备,1、曝气的作用,活性污泥法系统中，曝气的作用是向液相中供给溶解氧，并起搅拌和混合作用。,2、曝气的方法,通常采用鼓风曝气、机械曝气，以及两者联合使用的混合曝气，某些情况下也采用射流曝气。,鼓风曝气,机械曝气,射流曝气,将压缩空气通过管道系统送入池内的散气设备，以气泡形式分散进入混合液。,鼓风曝气,机械曝气,射流曝气,利用装设在曝气池内的叶轮的转动，剧烈地搅动水面，使液体循环流动，不断更新液面并产生强烈水跃，从而使空气中的氧与水滴或水气的界面充分接触，转入液相中去。,鼓风曝气,机械曝气,射流曝气,利用水射流泵将空气吸入，使空气与水充分混合并溶解的曝气方式。,3、鼓风曝气,鼓风曝气由空气净化器，鼓风机，空气输配管系统和浸没于混合液中的扩散器组成。,其中关键部件是扩散器。,（1）扩散器,作用：将空气分散成空气泡，增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。,（1）扩散器,根据分散气泡的大小，扩散器可分成几种类型：,小气泡扩散器,中气泡扩散器,大气泡扩散器,微气泡扩散器,小气泡扩散器,微孔材料：陶瓷、砂粒、塑料特点：气泡小(直径在1.5mm以下)，氧利用率高(在11左右)，但阻力大，易堵塞。,中气泡扩散器,穿孔管的孔眼直径为23mm，孔口气体流速不小于10m/s，以防堵塞，其特点是氧利用率低，但空气压力损失较小；莎纶管以多孔金属管为骨架，管外缠绕莎纶绳。金属管上开有许多小孔，压缩空气从小孔溢出后，从绳缝中以气泡形式挤入混合液。,大气泡扩散器,常用的是曝气竖管，直径为15mm左右，底口敞开;特点:气泡大(直径3mm以上)，分布不匀，氧利用率低，不易堵塞。,微气泡扩散器,常称为射流曝气器，气泡直径在100m左右，射流曝气器通过混合液的高速射流，将鼓风机引入的空气切割粉碎为微细气泡，与混合液充分接触混合，促进氧的传递。,一般布置在曝气池的一侧和池底，以便形成漩流，增加气泡和混合液的接触时间，有利于氧的传递，同时使混合液中的悬浮固体呈悬浮状态。,扩散器安装位置,(2)鼓风机,常用的有：罗茨鼓风机和离心式鼓风机。,离心式鼓风机,罗茨鼓风机,适用于中小型污水厂，最常用单机风量80m3/min左右；风压0.5Mpa的最稳定，采用较多。但噪声大，必须采取消音、隔音措施。,噪音小，效率高，适用于大中型污水厂。这是一种叶片式气体压缩机。,罗茨鼓风机,离心式鼓风机,4、机械曝气,机械曝气是用安装于曝气池表面的表面曝气机来实现的。,表面曝气机分为竖式和卧式2类。,（1）竖式(立轴式)表面曝气机,竖式(立轴式)表面曝气机械（mechanicalsurfaceaerator）的成套设备有多种形式，其机械传动结构大致相同，主要区别在于曝气叶轮的结构形式上，有泵（E）型叶轮、倒伞型、K3型叶轮、平板型叶轮等。,（2）卧式（水平轴式）表面曝气机,卧式（水平轴式）表面曝气机有多种型式，机械传动结构大致相同，总体布置有异，主要区别在于水平轴上的工作载体转刷或转盘。国内设计应用最广泛的是转刷曝气机和转盘曝气机。,图14-14转刷曝气机,图14-15转盘曝气机,5、曝气设备性能指标,氧传递速率,氧吸收率EA,动力效率EP,式中：R0温度20，大气压力101.325kPa条件下，单位时间转移到无氧清水中的总氧量（kgO2/h）；S供氧量(kg/h)，SGS211.330.28GS；GS供空气量，（m3/h）；21%氧在空气中所占的体积百分数；1.3320时氧的密度（kg/m3）；,氧传递速率,氧吸收率EA,动力效率EP,(单位：mgO2/(Lh),氧传递速率,氧吸收率EA,动力效率EP,动力效率是曝气机或曝气器的性能参数之一，指单位输出功率使氧气转移到水中的量，单位为kgO2/(kWh)。动力效率越高，曝气机或曝气器的性能越好，提供一定量氧气所消耗的动力越少。,三、曝气池池型,曝气池分类,从混合液在曝气池中的流态可分为推流式、完全混合式和循环混合式三种；从平面几何形状可分为长方形、廊道形、圆形或方形、环形跑道形三种；从采用的曝气方法可分为鼓风曝气式、机械曝气式以及两者联合使用的联合式三种；从曝气池与二次沉淀池的关系可分为分建式和合建式两种。,1、推流式曝气池,多为狭长形或折流式的池子，一端进水，另一端出水。曝气装置常用鼓风曝气。根据断面上的水流情况，可分为平移推流和旋转推流。,平移推流是曝气池底铺满扩散器，池中的水流只有沿池长方向的流动。,旋转推流：较常用，曝气装置放在池底一侧，废水和回流污泥一起从池端进入后，在上升气流的作用下，在池子的横向产生旋流，混合液水流以螺旋状打滚前进，逐步推流至池子出口。,2、完全混合式曝气池,曝气设备多用表面曝气机，置于池中心。污水进入搅拌中心，立即和全池水混合。完全混合曝气池可以和沉淀池分建和合建，因此，可分为分建式和合建式。,分建式曝气池在运行上便于调节控制，应用较多。合建式曝气池，称为曝气沉淀池，结构紧凑，可省去污泥回流设备，适用于中小型污水厂。但是施工复杂、难度大；运行时难以分别控制和调节，运行不灵活，出水水质难于保证，已经基本淘汰。,3、两种池型的结合,推流曝气池中，可以用多个表曝机充氧和搅拌。对于每一个表曝机所影响的范围内，则为完全混合，而对全池而言，又近似推流。此时，相邻的表曝机旋转方向应相反，否则两机间的水流会互相冲突，也可用横向挡板在机与机之间隔开。,4、循环混合式,循环混合式曝气池，又名氧化沟，多采用转刷曝气，其平面形状如环形跑道。,四、曝气设备的性能测试,1、完全混合式曝气池的曝气设备充氧能力测定见“环境工程专业实验”。2、推流式曝气池的曝气设备充氧能力测定麦金尼法P153,14-3活性污泥法的发展和演变,活性污泥法(ActivatedSludgeProcess)首先于20世纪初在英国出现,迄今已有近百年历史，是当前应用最广泛的污水处理技术之一，该方法自1914年在英国曼切斯特市建成污水试验厂以来，已有80多年的历史。目前，它已成为有机废水生物处理的主体，但是仍存在一些不容忽视的缺点：对冲击负荷适应能力差，易发生污泥膨胀，处理构筑物占地面积大、基建投资和运行费用高、管理复杂等。近几十年来，国内外学者准对以上这些问题进行了不懈地探索和研究，在供氧方式、运转条件、反应器形式等方面进行了革新、开发了多种活性污泥法新工艺，使得活性污泥法朝着高效、节能的方面发展。,1、普通活性污泥法,普通活性污泥法，又称习惯曝气或传统活性污泥法，是最早使用的一种活性污泥法。,曝气池中水流是纵向混合的推流式。在曝气池前端，活性污泥同刚进入的废水相接触，有机物浓度相对较高，即供给活性污泥微生物的食料较多，所以微生物生长一般处于生长曲线的对数生长期后期或稳定期。由于普通活性污泥法曝气时间比较长，当活性污泥继续向前推进到曝气池末端时，废水中有机物已几乎被耗尽，污泥微生物进入内源代谢期，它的活动能力也相应减弱，因此在沉淀池中容易沉淀，出水中残剩的有机物数量少。处于饥饿状态的污泥回流入曝气池后又能够强烈吸附和氧化有机物，所以普通活性污泥法的BOD和悬浮物去除率都很高，达到9095%左右。,普通活性污泥法也有它的不足之处，主要是：对水质变化的适应能力不强；所供的氧不能充分利用，因为在曝气池前端废水水质浓度高、污泥负荷高、需氧量大，而后端则相反，但空气往往沿池长均匀分布，这就造成前端供氧量不足、后端供氧量过剩的情况。因此，在处理同样水量时，同其它类型的活性污泥法相比，曝气池相对庞大、占地多、能耗费用高。,2、渐减曝气活性污泥法,为了解决普通活性污泥法供氧与需氧之间的矛盾，可沿曝气池长的供氧按需氧量的要求分几段提供，即前段多供氧，后段少供氧，可使供氧与需氧基本一致。如左图所示。渐减曝气池由于解决了供氧与需氧的矛盾，改善了运行条件，在供氧相同的条件下，改善了曝气池中溶解氧的分布，提高了氧的利用率，从而可节省运行费用，提高处理效率。,3、多点进水活性污泥法,又称阶段曝气法或逐步曝气法。,废水沿池长多点进入，这样使有机物在曝气池中的分配较为均匀，从而避免了前端缺氧、后端氧过剩的弊病，提高了空气的利用效率和曝气池的工作能力，并且由于容易改变各个进水口的水量，在运行上也有较大的灵活性。经实践证明，曝气池容积同普通活性污泥法比较可以缩小30%左右，但其出水差于普通活性污泥法。,4、吸附再生活性污泥法/接触稳定法,曝气池被一隔为二，废水在曝气池的一部分吸附池内停留数十分钟，活性污泥同废水充分接触，废水中有机物被污泥所吸附，随后进入二沉池，此时出水已达很高的净化程度。,泥水分离后的回流污泥再进入曝气池的另一部分再生池，池中曝气但不进废水，使污泥中吸附的有机物进一步氧化分解。恢复了活性的污泥随后再次进入吸附池同新进入的废水接触，并重复以上过程。,5、完全混合活性污泥法,完全混合活性污泥法的流程和普通活性污泥法相同，但废水和回流污泥进入曝气池时，立即与池内原先存在的混合液充分混合。依构筑物的曝气池和沉淀池合建或分建的不同可分成两种类型。,6、延时曝气活性污泥法,延时曝气活性污泥法是曝气时间很长，一般为24h左右，微生物生长处在内源代谢阶段，不但能几乎完全氧化去除废水中的有机物，出水水质很好，而且还能氧化合成的细胞物质，剩余污泥量很少，甚至可长期不排泥，排出的污泥的稳定性很好，不必再进行厌氧处理(即厌氧消化)。,由于延时曝气的曝气时间很长，所以曝气池的体积很大，曝气池的建造费用和用于曝气的电耗很高。在国外，延时曝气法一般适用于规模较小的污水处理系统，其优点是管理十分方便，正常情况下平时不需要人去管理，只要定期巡视即可；而且出水水质较好；污泥也不必专门处理。,7、氧化沟,连续环式反应池通常简称为氧化沟，它是由荷兰卫生工程研究所在50年代研制成功的。这是活性污泥法的一种改型，属延时曝气的一种特殊形式。它把连续环式反应池用作生物反应池，污泥混合液在该反应池中以一条闭合式曝气渠道进行连续循环。氧化沟通常在延时曝气条件下使用，污水停留时间较长，污泥负荷较低。污水在氧化沟渠道内循环流动，水平流速约0.3m/s。目前常用的卡罗塞尔（Carrousel）氧化沟系统。,8、浅层曝气,1953年Pasveer发现，气泡形成和破裂瞬间的氧传递速率最大。在水的浅层处用大量空气进行曝气，就可获得较高的氧传递速率。为了使液流保持在一定的环流速率，将空气扩散器分布在曝气池相当部分的宽度上，并设一条纵墙，将水池分为2部分，迫使曝气时液体形成环流。浅层曝气与一般曝气相比，空气量增大，但风压仅为一般曝气的1/31/4，故电耗并不增加而略有下降。浅层池适用于中小型规模的污水厂。但由于布气系统维修困难，没有得到推广应用。,9、深井/层曝气,深井曝气又名“超深水曝气”，是英国在20世纪70年代开发的新技术。1974年英国帝国化学公司在Billingham污水处理厂建造了深井曝气试验性工程。自此在欧洲、北美和日本引起极大兴趣，在国内，深井曝气也已进入发展和应用阶段。,深井曝气是以一口地下深竖井作为曝气池的高效活性污泥工艺，深井被分隔为下降管和上升管2部分，废水与回流污泥引入下降管，在井内循环，空气注入下降管或同时注入下降管与上升管，混合液由上升管中排至固液分离装置。,10、吸附-生物降解工艺(AB法),AB法是吸附生物降解（Adsorption-Biodegradation）工艺的简称，是由德国亚琛工业大学（Aachen）宾克（Bohnke）教授于20世纪70年代中期开创。该工艺于80年代初应用于工程实践,目前,国内已有多家城市污水处理厂采用了AB法工艺。,与传统活性污泥法相比，AB法主要有下列特征：未设初沉池，由吸附池和中间沉淀池组成的A段为一级处理系统；B段由曝气池和二次沉淀池组成；A、B两段各自拥有独立的污泥回流系统，两段完全分开，各自由独特的微生物群体，有利于功能的稳定。,目前全世界有60多座采用AB工艺的污水厂在运行、设计和规划之中。南斯拉夫修建了目前世界最大的AB工艺的污水处理厂。在我国上海、山东等地都有采用AB工艺的污水处理厂，如山东泰安污水处理厂（处理污水量10000m3/d），山东青岛海泊河污水处理厂（处理污水量8万m3/d）。,11、SBR法,SBR工艺即序批式活性污泥法（SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess，简写为SBR），又称为间歇式活性污泥法，由于在运行中采用间歇操作的形式，每一个反应池是一批批地处理废水，因此而得名。70年代末期美国教授R.L.Irvine等人为解决连续污水处理法存在的一些问题首次提出，并于1979年发表了第一篇关于采用SBR工艺进行污水处理得论著。继后,日本、美国、澳大利亚等国的技术人员陆续进行了大量的研究。,随着研究得深入，人们对该工艺的机理和优越性有了全新的认识。1980年在美国国家环保局的资助下，印第安纳州Culver城投建了世界上第一个SBR工艺的污水处理厂。我国在80年代中期也开始了这方面的应用研究,我国第一座应用SBR工艺的污水处理设施上海市政工程设计院设计的SBR处理系统于1985年投入使用，此后陆续在城市污水及工业废水领域得以推广应用，同时，在全国也掀起了研究SBR的热潮，近年来成为国内外学者研究的热点。目前，SBR主