环境生物工程2修总

2020/5/30,环境生物工程课件,1,第二章废水生物处理工程技术,主讲人：李丽华联系地址：化工学院环境工程系联系电话：5929273电子邮箱：lilihua07,2020/5/30,环境生物工程课件,2,主要内容,2.1生物处理技术概述2.2废水好氧生物处理工程技术2.3废水厌氧生物处理工程技术2.4自然生物处理工程技术2.5废水生物脱氮除磷技术,2020/5/30,环境生物工程课件,3,2.1生物处理技术概述,一.生物处理的基本原理,2020/5/30,环境生物工程课件,4,矿化作用,是指有机污染物在一种或多种微生物的作用下彻底分解H2O,CO2和简单无机化合物的过程。微生物在通过矿化作用降解污染物的同时可以从污染物中获取所需的能源、碳架、氮源、磷源和硫源等。矿化作用过程包括氧化、还原、水解、脱水、脱氨基、脱羧基、脱卤和裂解等生化反应，都是在各种微生物代谢过程中表现出来的，实质都是酶促反应。矿化作用就是将有机物完全无机化的过程，是有机物的彻底生物降解，同时也是与微生物生长，即分解代谢与合成代谢过程相关的过程；,共代谢作用,当某些有机污染物不能作为微生物的唯一碳源与能源，必须有另外的化合物存在提供微生物碳源或能源时，该有机物才能被降解，这种现象则称为共代谢。共代谢微生物仅能使作为非生长基质的有机物得到修饰和转化，但不能使其分子完全分解，且不能从该有机物的转化作用中获得能量、碳或基他任何营养，故不会导致细胞质量或能量的增加。在难降解的化合物代谢过程中起着重要作用，可通过几种微生物的一系列共代谢作用，使某些特殊有机污染物彻底降解的可能性。,2020/5/30,环境生物工程课件,5,1、好氧生物处理的基本原理,在有分子态氧气（O2）存在条件下，有机物在好氧微生物的作用下氧化分解，有机物浓度下降，微生物量增加的过程。微生物将有机物摄入体内后，以其作为营养源加以代谢，代谢按两条途径进行：,2020/5/30,环境生物工程课件,6,合成代谢：CHONS能量C5H7NO2,内源呼吸：C5H7NO2O2CO2H2ONH3能量,分解代谢：CHONSO2CO2H2ONH3SO42能量,（有机物的组成元素）,在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分是相对稳定的，一般可用下列实验式来表示：细菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻类：C5H8NO2；原生动物：C7H14NO3,好氧生物处理过程的生化反应方程式,2020/5/30,环境生物工程课件,7,在有机物的好氧分解过程中,有机物的降解,微生物的增殖及溶解氧的消耗这三个过程是同步进行的。同时，这三个过程也是控制好氧生物处理成功与否的关键过程。,2020/5/30,环境生物工程课件,8,（2）微生物的增殖,好氧微生物是多属种细菌与多种原生动物等的混合群体，但从整体上来看其增殖过程是遵循一定规律进行的。分为适应期、对数增殖期、减衰增殖期与内源呼吸期。其生长曲线如下图所示：,溶解氧是影响好氧生物处理过程的重要因素，充足的溶解氧供应有利于好氧生物降解过程的顺利进行。溶解氧的需求量与微生物的代谢过程密切相关。在不同的好氧生物处理过程和工艺中，溶解氧的提供方式也不同。,（3）溶解氧的提供,2020/5/30,环境生物工程课件,9,2、厌氧生物处理的基本原理,（1）厌氧生物处理定义及过程定义：是在无氧条件下，利用多种厌氧微生物的代谢活动，将有机物转化为无机物和少量细胞物质的过程。厌氧生物分解有机物的过程：,水解发酵阶段复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶的作用下分解为溶解性的小分子有机物。该过程通常比较缓慢，是复杂有机物厌氧降解的限速阶段；溶解性小分子有机物进入发酵菌（酸化菌）细胞内，在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸（VFA)，同时合成细胞物质；产氢产乙酸阶段发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，在此阶段经产氢产乙酸菌作用下转化为乙酸、氢气和二氧化碳，有的还可以利用氢还原二氧化碳生成乙酸（同型产乙酸作用）。产甲烷阶段产甲烷菌通过以下两个途径之一，将乙酸、氢气和二氧化碳等转化为甲烷。其一是在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲烷；其二是利用乙酸生成甲烷。,2020/5/30,环境生物工程课件,10,有机物厌氧分解过程示意图,2020/5/30,环境生物工程课件,11,除此之外，在常用的生物处理工艺中还包括：（2）水解处理水解处理是指将厌氧过程控制在水解或酸化阶段，利用兼性的水解产酸菌将复杂有机物转化为简单有机物。能降低污染物的复杂程度，提高后续好氧生物处理的效率。（水解酸化好氧组合工艺）（3）缺氧处理在没有分子氧存在的条件下（体系内DO小于0.5mg/L），一些特殊的微生物类群可以利用化合态的氧进行代谢活动。(硝酸盐氮，A/O组合工艺实现脱氮)在A/O脱氮工艺中，A指的是缺氧，有内回流，就是将好氧池中含硝态氮的废水回流到前端的缺氧池供反硝化之用，以达到脱氮的目的。而在A/O除磷工艺中，A指的是厌氧，无内回流，就是为了让前端的反应器成为既没有溶解氧也没有硝态氮的厌氧池。厌氧与缺氧体系的差异在后续内容中还将明确给出。,2、厌氧生物处理的基本原理,2020/5/30,环境生物工程课件,12,存在含有某种降解酶的微生物；微生物必须在目标化合物出现的环境中出现；化合物必须是具有适宜酶的微生物可获得的；如果产生降解的启动酶是胞外酶，酶作用的化学键必须暴露，以利于催化作用的发生，这种条件并不是总能满足，因为许多化合物会发生吸附；催化起始降解的酶如果是胞内酶，化合物分子则必须能够进入细胞内部的酶作用位点，或者胞外反应产物能够进入细胞内部进行进一步降解；由于能作用于多种合成化合物的细菌或真菌种群或生物量起始浓度较低，环境条件必须适合具有活性潜力的微生物增殖（提供微生物生长的适宜条件）。,二.微生物催化降解污染物的必要条件,2020/5/30,环境生物工程课件,13,三.影响生物降解的因素,废水的可生化：并非所有的污染物均适合采用生物法处理，通常采用BOD5/COD比值初步评价废水的可生化性：BOD5/COD30%可以生化；45%可生化性较好,2020/5/30,环境生物工程课件,14,三.影响生物降解的因素,（1）微生物活性生物降解的成功与否很大程度上取决于降解微生物群落在环境中的数量及生长繁殖速率。许多情况下,微生物会逐渐适应特定污染物污染区的特定条件,为了缩短适应期限，提高污染物的降解速率，常从污染的环境中分离并培育降解速率最大的微生物菌系，然后再把它们应用于此类污染物的生物降解。（2）目标化合物特征有机物结构与生物可降解性之间存在如下规律：链烃比环烃易生物降解；不饱和烃比饱和烃易分解；主链上个别碳原子被其他元素所取代会增加对生物氧化的抵抗力；碳支链对代谢作用有一定影响；取代基的位置、种类、数量及碳链长短影响化合物的生物降解性。有机物结构影响生物降解性的原因主要有：空间阻碍：胞外酶难以接触到易降解部分；毒性抑制：不同取代基团具有不同毒性；增加反应步骤：支链的增加会降低化合物的生物降解性；影响有机物吸收、运输到细胞内方式,2020/5/30,环境生物工程课件,15,（3）环境因素营养物质微生物为了进行各项生命活动，必须不断从环境中摄取各种营养物质。为了保证处理效果，必须保持废水中的营养平衡，微生物对碳、氮、磷的需要量可按BOD：N：P100：5：1来考虑。温度影响微生物的生长繁殖，代谢速率：嗜冷菌最适温度15以下；耐冷菌最适温度1520；中温菌最适温度2040；嗜热菌最适温度45以上；超嗜热菌最适温度80；且影响有机物的物理状态：固相、液相及溶解度pH：不同pH环境存在不同类型的微生物，其中酸性环境：真菌；中性和碱性环境：细菌和放线菌，且pH不同影响有机污染物的溶解状态。,三.影响生物降解的因素,2020/5/30,环境生物工程课件,16,溶解氧好氧细菌是以氧为电子受体进行有氧呼吸，其中好氧性异养菌：以有机污染物为底物；好氧性自养菌：以还原态的无机物为底物。好氧反应是好氧菌参与的生化反应，处理工艺中氧化速率高，必须满足微生物对氧的需要。如在活性污泥法中，在曝气池出口处的混合液中溶解氧（DO）浓度保持在2mg/L左右，能够使活性污泥保持良好的净化功能；缺氧反应是兼性菌参与的生化反应，兼性厌氧细菌是在有氧时进行有氧呼吸，以氧为电子受体，以有机物为电子供体。无氧时则进行发酵，以化合态的氧为电子受体。要求系统的DO在0.5mg/L以下（0.2DO0.5）；而厌氧菌则不需要氧，在有氧条件下会产生阴离子自由基，对细胞有毒害作用，致使其缺少过氧化物酶和超氧化物歧化酶(SOD)。厌氧反应是厌氧菌参与的生化反应，要求系统的DO0.2mg/l。,2020/5/30,环境生物工程课件,17,2.2废水好氧生物处理工程技术,活性污泥法,生物膜法,主要内容,2020/5/30,环境生物工程课件,18,一、活性污泥法,主要内容,2020/5/30,环境生物工程课件,19,、活性污泥法概述,简介:活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理废水的一类好氧生物处理方法。其中的生物絮体称为活性污泥。概括而言，活性污泥法就是以含于废水中的可降解有机污染物为碳源，在有溶解氧的条件下，连续地培养活性污泥，再利用其吸附凝聚和氧化分解作用净化废水中有机污染物。,活性污泥法基本流程：,工艺组成：基本由曝气池,二沉池,曝气系统,污泥回流,剩余污泥排放五部分组成。,2020/5/30,环境生物工程课件,20,活性污泥的性质,向污水中注入空气进行曝气，并持续一段时间后，污水中形成一种由大量微生物群体构成的易于沉淀的、具有巨大表面积及很强吸附性能的黄褐色絮凝体。,活性污泥是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等好氧微生物群体及其代谢和吸附着的有机物、无机物所组成的、有一定生命活力且具有良好净化污水功能的絮绒状污泥。,2020/5/30,环境生物工程课件,21,活性污泥的物理性质,2020/5/30,环境生物工程课件,22,活性污泥的组成,2020/5/30,环境生物工程课件,23,活性污泥微生物的分类,细菌：细菌承担了降解污染物的主要功能。活性污泥中细菌含量一般在107-108个/mL；主要菌种有动胶杆菌属、假单胞菌属、微球菌属、黄杆菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属等；真菌：包括酵母菌、多细胞的霉菌，以及丝状菌。丝状菌如果大量出现会产生污泥膨胀现象，严重影响活性污泥系统的正常工作原生动物：肉足类、鞭毛类、纤毛类等，以纤毛虫居多数，通过辨认原生物的种类，能够判断处理水质的优劣，它是一种指示性生物。原生物摄食水中的游离细菌，是细菌的首次捕食者。通常以固着型纤毛虫作为指示生物，固着型纤毛虫如钟虫、等枝虫、盖纤虫、独缩虫等出现且数量较多时，说明培养成熟且活性良好。后生动物：轮虫、线虫和寡毛类在活性污泥中常出现，轮虫通常出现在处理水质有机物含量低且水质好的系统中，因此轮虫是出水水质好且稳定的标志。后生动物是细菌的第二捕食者。,2020/5/30,环境生物工程课件,24,钟虫,变形虫（肉足虫）,丝状菌,草履虫,轮虫,2020/5/30,环境生物工程课件,25,活性污泥性能指标,AS的性能好坏从两个方面评判吸附氧化性能:活性好，松散絮状，比表面积大分离性能:易于絮凝、聚结沉降,性能指标参数包括：污泥浓度间接反映biomass污泥沉降比SV30污泥体积指数SVI(SludgeVolumeIndex)污泥镜检原生、后生动物为指示生物判定污泥质量和处理效果,2020/5/30,环境生物工程课件,26,（1）污泥浓度：活性污泥法的关键在于有足够数量的活性污泥。活性污泥的数量通常用污泥浓度表示，污泥浓度的大小可间接反映混合液中所含微生物的浓度，包括混合液悬浮固体（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）两种。混合液悬浮固体（MLSS),活性污泥性能指标,混合液挥发悬浮固体（MLVSS),混合液悬浮固体是指在曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物质的总质量，即MLSS=Ma+Me+Mi+Mii,混合液挥发性悬浮固体是指活性污泥混合液中有机固体物质的浓度，MLVSS=Ma+Me+Mi。MLVSS中不包括无机物，所以避免了无机惰性物质的影响，能更好地反映活性污泥的活性。MLVSS与MLSS的比值以f表示，即f=MLVSS/MLSS。对于生活污水和城市污水，f值较为固定，通常为0.75左右。对于工业污水，则因水质不同而异，f值差异较大。,2020/5/30,环境生物工程课件,27,（2）污泥沉降比：SV%,取一定量的混合液至量筒中，静止沉淀30min后，沉淀污泥所占的体积与混合液总体积之比的百分数。,（3）污泥体积指数：SVI,指曝气池出口处混合液经30min静置沉淀后，沉降污泥体积中1g干污泥所占容积的毫升数，单位为mL/g。,一般认为，处理生活污水，当SVI100时，沉降性能良好；SVI在100-200mg/L时，沉降性能一般；当SVI200时，沉降性能不好。一般控制SVI在50-100mg/L，过低无机物含量过高，污泥活性不好，过高易出现污泥膨胀。,2020/5/30,环境生物工程课件,28,曝气池污泥浓度与SVI的关系（X的估算）,影响SVI值的主要因素1）LS（污泥负荷）的影响：见下页图高负荷(1.0)和低负荷(0.150.2)均可引起污泥膨胀使SVI值。污泥膨胀总体上分为两大类:丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀。过高负荷可引起非丝状菌膨胀，此外尚可因为导致溶解氧不足引发丝状菌膨胀,低负荷可引起丝状菌膨胀（生物选择性理论或学说）2）丝状菌膨胀是由于丝状菌大量繁殖所引起的影响丝状菌大量繁殖的因素：DO不足(菌胶团是严格好氧,丝状菌是兼氧)LS小PH4.5缺乏N、P、Fe,2020/5/30,环境生物工程课件,29,曝气池中，高负荷活性污泥法要控制Ls在1.52.3；普通活性污泥法Ls要控制在0.20.6；低负荷活性污泥法即延时曝气法要控制Ls在0.050.15。L在间隔处（0.51.5），SVI太高，沉淀不好，为污泥膨胀区，在设计中要避开。,2020/5/30,环境生物工程课件,30,（1）DO小通常认为，活性污泥中存在着两大类微生物，即菌胶团细菌和丝状菌，DO不足会引起丝状菌膨胀，是因为菌胶团菌是严格的好氧菌，所以它的数量和活性都会受到抑制。而丝状菌是兼性菌，能够很好地适应低溶解氧环境（2）LS小生物选择性理论认为，菌胶团细菌和丝状菌二者的生长速率与基质浓度的关系可见右侧示意图，即在低基质条件下，丝状菌易于生长，具有竞争优势；而在高基质条件下，则正好相反。（3）pH小丝状菌属于真菌，适宜在酸性条件下生长。（4）N,P缺乏等影响,影响丝状菌大量繁殖的因素：取决于丝状菌的生长特性,2020/5/30,环境生物工程课件,31,（1）污泥泥龄c（SRT）:也称细胞平均停留时间或污泥滞留时间,是曝气池中污泥总量与每日排放的污泥量之比，或曝气池全部活性污泥更新一次所需要的时间。,活性污泥法基本工艺参数,泥龄(SludgeAge)污泥负荷Ls容积负荷Lv(Volumetricloading)水力停留时间HRT,2020/5/30,环境生物工程课件,32,污泥负荷：单位质量活性污泥在单位时间内所去除的有机污染物的量。LS=F/MFQSr代表有机物的量M=XV代表污泥量,（2）污泥负荷与曝气池容积负荷：,体积负荷：单位体积反应池单位时间去除有机污染物的量,LsBOD污泥负荷，kgBOD5(kgMLSSd)Q处理污水量，m3/dS0反应池进水BOD浓度，mg/LSe反应池出水BOD浓度，mg/LX混合液悬浮固体浓度（MLSS），mg/LV反应池容积，m3,LvBOD污泥负荷，kgBOD5(m3d)Q处理污水量，m3/dS0反应池进水BOD浓度，mg/LSe反应池出水BOD浓度，mg/LV反应池容积，m3,HRT水力停留时间，hV反应池容积，m3Q处理污水量，m3/d,（3）水力停留时间：,2020/5/30,环境生物工程课件,33,活性污泥的增殖规律及其应用,（1）活性污泥的增长：对数增殖期：（ab）F/M值高2.2,有机底物非常丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应，它只受微生物自身的生理机能的限制；微生物以最高速率对有机物进行摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞；微生物能量高，活性强，细胞之间存在的电斥力大于范德华引力，导致污泥质地松散，不能形成较好的絮凝体，微生物的絮凝和沉淀效果差，出水中所含的有机物含量高，因此，在污水的生物处理中，为了取得比较稳定和高效的有机物处理效果，一般不选用处于对数期的工况条件，但在有些情况也采用下，如高负荷活性污泥法，但必须控制在不致引起污泥膨胀的负荷范围内。,2020/5/30,环境生物工程课件,34,减速增长期：（bc）F/M值下降到一定水平后（0.1F/M2.2）,有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比，为一级反应；有机物降解速率和微生物增殖速率开始下降，直至在本期的最后阶段下降为零，但微生物的量还在增加。微生物能量水平低，絮凝体开始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；由于残存的有机物浓度较低，出水水质有较大改善，并且整个系统运行稳定；一般来说大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在这一范围内的内源呼吸期：（cd）F很小，F/M很小，微生物处于饥饿状态，营养物缺乏，为了获得能量维持生命，分解代谢自身的能量物质，开始衰亡。同时内酶分解细胞壁，使污泥量减少。内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，有机物几乎被耗尽，微生物能量水平极低，絮凝体形成速率增大，沉降性能良好，处理水显著澄清，水质良好。一般不常用这一阶段作为运行工况，但也有采用，如延时曝气。,2020/5/30,环境生物工程课件,35,活性污泥法的净化原理,悬浮生长系统中的净化作用是生物氧化、生物絮体的形成与吸附作用以及有效的固液分离等作用的综合结果。其过程可分为三个阶段有机物的初期去除生物吸附阶段微生物的代谢作用生物氧化阶段生物絮凝体的凝聚沉降沉淀阶段,活性污泥的增殖状况，主要是由F/M值所控制；处于不同增值期的活性污泥，其性能不同，出水水质也不同；通过调整F/M值，可以调控曝气池的运行工况，达到不同的出水水质和不同性质的活性污泥（一般不选用处于对数期的工况条件，而常采用处于减速增殖期或内源呼吸期的工况条件）活性污泥法的运行方式不同，其在增值曲线上所处位置也不同。,（2）活性污泥增殖规律的应用：,即活性污泥的净化过程包括吸附阶段、氧化阶段、沉淀阶段三个阶段,2020/5/30,环境生物工程课件,36,在污水开始与活性污泥接触后的短时间内（5-10min)，污水中的有机物被大量去除，BOD去除率较高。这种初期高速去除现象是由物理吸附和生物吸附共同作用产生的，但有机物仅是被活性污泥吸附，没有被矿化，随着时间的推移部分有机物又释放到污水中。污泥产生吸附的原因是由于污泥的比表面积巨大，且表面上含有多糖类黏性物质；初期去除的有机物对象主要是胶体和悬浮性物质；其吸附速率取决于：（1）活性污泥的活性程度，一般处于内源呼吸期的活性污泥微生物吸附能力强。（2）反应池的混合及传质效果，其决定了活性污泥絮凝体与有机污染物的接触程度。,生物吸附阶段：,BOD,吸附,降解,时间t,2020/5/30,环境生物工程课件,37,呈胶体状的大分子有机物被吸附后，首先在微生物分泌的胞外酶的作用下，分解为小分子的溶解性有机物，然后这些小分子有机物与污水中的溶解性有机物一起在各种物质输送机制作用下进入细胞内，在各种酶的催化作用下，通过各种代谢反应被降解和转化。无论是合成代谢还是分解代谢，均能够去除污水中的有机物，只是产物不同，分解代谢产物是CO2，H2O，合成代谢的产物则是新生的微生物细胞，以剩余污泥的方式排出活性污泥系统。,生物氧化阶段：,2020/5/30,环境生物工程课件,38,活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化(内源呼吸)两项作用的综合结果，活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量为:,X每日污泥净增长量(剩余污泥量),kgMLVSS/d；Q每日处理废水量,m3/d；S0进水浓度,kgBOD5/m3；Se出水浓度,kgBOD5/m3；a微生物合成代谢降解有机物的污泥转化率，kgMLVSS/kgBOD5b微生物内源呼吸的自身氧化率，kgMLVSS/kgMLVSS.d(d-1)对于生活污水活与之性质相近的工业废水,a=0.49-0.73,b=0.07-0.075d-1,有机物降解与需氧：,有机物降解与微生物增殖：,活性污泥中的微生物在进行代谢活动时需要氧的供应，氧的主要作用有：将一部分有机物氧化分解对自身细胞的一部分物质进行自身氧化。,Q每日处理废水量,m3/d；S0进水浓度,kgBOD5/m3；Se出水浓度,kgBOD5/m3；a氧化每公斤BOD所需氧公斤数，kgO2/kgBOD5，一般取0.420.53b污泥自身氧化需氧率，kgO2/kgMLVSS.d(d-1)，一般取0.1880.11,2020/5/30,环境生物工程课件,39,通过控制F/M(Ls)在较低的水平，如内源呼吸阶段，可以获得较好的沉淀效果,生物絮体形成机理：粘液说，细菌聚合物说目前认为絮体是由细菌内源代谢分泌的聚合物在微生物之间起粘胶剂的作用，因此只有当内源代谢分泌聚合物与微生物成适当比例才能形成良好的生物絮体。如果微生物增殖率过高，内源代谢分泌的聚合物不是以粘连新增殖的微生物，使不可能形成良好的絮体。如果有机物浓度过低，内源代谢能产生的聚合物质被微生物当成食物消耗，则絮体也难以形成。,生物絮凝体的形成与凝聚沉降性能,生物絮体的形成关系到：生物吸附作用好坏、细菌(微生物)与污水的分离效果,2020/5/30,环境生物工程课件,40,2、普通活性污泥法工艺计算有机负荷法,湿泥量,处理效率,曝气池容积,混合液污泥浓度,水力停留时间,污泥产量干泥量,曝气池需氧量,泥龄,r系数，一般为1.2,项目,公式,符号说明,2020/5/30,环境生物工程课件,41,例题：某城市污水经初沉池后出水BOD=200mg/L，曝气池流量为Q=3000m3/h,要求处理后BOD=20mg/L,污泥负荷为0.3KgBOD/kgMLSSdR0.5求普通推流式曝气池处理效率,曝气池容积,剩余污泥量以及需氧量,计算污水处理效率：,计算曝气池容积：根据一般情况，SVI值为100-150，取120，则,又R0.5,计算剩余污泥量：,干泥量：,2020/5/30,环境生物工程课件,42,湿泥量：,计算需氧量：,作业：某城市计划建一座以活性污泥法二级处理为主的污水处理厂，日处理量为Q=10000m3/h，进入曝气池的BOD=300mg/L，要求处理后BOD=20mg/L,污泥负荷为0.3KgBOD/kgMLSSd，R0.5。求普通推流式曝气池处理效率,曝气池容积,剩余污泥量以及需氧量,2020/5/30,环境生物工程课件,43,3、活性污泥的主要运行方式,2020/5/30,环境生物工程课件,44,传统推流式方式（传统活性污泥法）,供需氧曲线,工艺描述：（1）有机物的吸附与代谢在一个曝气池中连续进行（推流式）S由大小，dO2/dt由大小。池首往往供氧不足，后段供氧过剩，池前段DO浓度较低，沿池长逐渐增高经历了吸附与代谢二个阶段（2）活性污泥中具有各个生长期的微生物：对数增长期减速增长期内源呼吸期。,2020/5/30,环境生物工程课件,45,主要优点存在不足,（1）不适应冲击负荷和有毒物质抗冲击问题（2）水质的变化对活性污泥影响较大污泥活性问题（3）前段供氧不足，后段供氧过剩供氧需养矛盾问题（4）为避免首端出现厌氧，Ls不易过高，致使曝气池V大，占地大经济性问题,（1）处理效果好，BOD5的去除率可达90-95%；（2）对废水的处理程度比较灵活,可根据要求进行调节.,2020/5/30,环境生物工程课件,46,工艺描述：此法是为改进传统活性污泥法中供氧不能充分被利用的缺点，适应曝气池中需氧量沿池长方向的变化，逐渐减小供气量，使供气量与需氧量相适应的工艺。采取的具体措施是从池前端到末端，所安装的空气扩散设备由多到少，使供气量沿池长逐渐减少。优点：对有机物和悬浮物去除效率高；出水水质好；氧气利用率高；缺点：不能适应冲击负荷；容积负荷不高（容积大）；高能耗；,渐减曝气活性污泥法：,剩余活性污泥,（a）工艺流程（b）需供氧情况,2020/5/30,环境生物工程课件,47,阶段曝气活性污泥法又称多点进水活性污泥法,工艺描述：将污水进池方式改为沿池长分几个入口进入曝气池，使有机物沿池长分布比较均匀，避免了传统曝气法前段供氧不足，后段供氧过量的缺点优点：污水均匀分散地进入，使负荷及需氧趋于均衡，利于生物降解，氧气利用率高，降低能耗；混合液中S0浓度逐步降低，减轻二沉池负荷，利于固液分离；污水均匀分散地进入，增强了系统对水质、水量冲击负荷的适应能力，抗冲击负荷能力强。缺点：容积负荷不高（容积略大）；,2020/5/30,环境生物工程课件,48,吸附再生活性污泥法（接触稳定）：,工艺描述：充分利用活性污泥在净化水质第一阶段的吸附作用，在较短时间内通过吸附作用去除污水中的悬浮和胶体有机物，再通过固液分离，使污水得到净化；在吸附池内，有机物被污泥吸附后，污泥和污水一起流入沉淀池，将回流污泥引入再生池进行氧化分解。吸附30-45min，再生36h构造分为合建式和分建式两种优点：占地小；建设费用低；污泥膨胀率低；抗冲击负荷能力强缺点：处理效率低，出水水质较差，无硝化功能，溶解性污染为主时不宜采用；能耗高；剩余污泥处理困难,2020/5/30,环境生物工程课件,49,完全混合活性污泥法（CMAS）：,工艺描述与传统曝气法的主要区别在于混合液在池内进行充分的混合循环流动，因而污水与回流污泥进入曝气池后立即与池内原有混合液充分混合，进行吸附和代谢活动。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合建式（曝气沉淀池）和分建式两种类型。传统活性污泥法是推流式，反应器内每个断面处基质浓度相同，但沿池长是逐渐降低的；（柱塞流）完全混合活性污泥法，在反应器内任意一点基质的浓度是相同的，反应器内任意一点的基质浓度与出水基质浓度相同（全混流）,分建式,2020/5/30,环境生物工程课件,50,优点污水进入曝气池后迅速得到稀释，使波动的进水水质得到均化，因此水质水量变化对系统影响小，抗承受冲击负荷能力强，适应工业废水的处理；由于水质在各处相同，因而各处微生物群体与组成相同，降解工况相同，其工作情况是生长曲线上的一个点，有可能通过控制F/M，使微生物处于良好的条件下，得到期望的水质；池液里各个部分的需氧量比较均匀，动力节省，容积负荷率高；缺点池内未有污染物浓度、微生物浓度与种群的梯度或链群，容易产生短流，导致微生物的有机物降解动力低下；受出水水质要求，基质浓度低，易出现污泥膨胀，出水水质不及传统法；,2020/5/30,环境生物工程课件,51,延时曝气活性污泥法(看SVI与Ls图,Ls控制在0.050.10之间),工艺描述：又称完全氧化法，是采用低污泥负荷率，并延长曝气时间，使污泥处于内源呼吸期，促进微生物自身氧化，从而达到限制剩余污泥生成的目的。实际上是一种污水处理和污泥好氧处理的综合处理方式。优点：有机负荷率非常低，污泥持续处于内源代谢状态，剩余污泥少且稳定，勿需再进行处理；抗冲击负荷能力强;出水水质稳定性高;缺点：池容大、曝气时间长，建设费用和运行费用都较高，而且占地面积大；负荷率低；,高负荷曝气活性污泥法(看SVI与Ls图,Ls控制在1.5-3.0之间),工艺描述：又称短时曝气法或不完全曝气活性污泥法，构筑物与普通活性污泥法以及吸附再生工艺相同，但其停留时间短，BOD负荷高、曝气时间短。优点：曝气时间段（HRT小）曝气池容积小；曝气能耗少。缺点：有机负荷高，运行不稳定，出水水质不高；不利于硝化反反应；污泥产量高；高峰流量时，因MLSS的流失而破坏运行，抗冲击负荷能力低。,2020/5/30,环境生物工程课件,52,纯氧曝气活性污泥法,原理：提高氧的分压，强化氧的传质能力，增加MLSS浓度和容积负荷，提高生化反应速率。,优点：a.纯氧中氧的分压比空气约高5倍，纯氧曝气氧转移推动（CsC）比空气曝气氧转移的推动力提高了40/7.2=5.5倍,纯氧曝气可大大提高氧的转移效率；b.氧的转移率可提高到8090%，而一般的鼓风曝气仅为10%左右；c.可使曝气池内活性污泥浓度高达40007000mg/l，能够大大提高曝气池的容积负荷；d.剩余污泥产量少，SVI值也低，一般无污泥膨胀之虑。缺点：要密闭运行，工艺运行管理复杂,2020/5/30,环境生物工程课件,53,深井曝气活性污泥法又称超深水曝气法,原理：通过增加井深，以加大水压，提高了饱和溶解氧浓度以及降低气泡直径，提高气泡的表面积，进而提高了氧的传递速率，从而利于微生物的增殖与有机污染物的降解，且向深部发展，节省占地，并利用进出水位差以及曝气提升力循环。向深部发展，节省占地。,优点：a.氧转移率高，约为常规法的10倍以上；b.动力效率高，占地少，易于维护运行；c.耐冲击负荷，产泥量少；d.一般可以不建初次沉淀池；,结构：深井是一个垂直置于地下的曝气池。结构形式由升流管、降流管、顶槽三部分组成。如图所示，深井曝气池（曝气井）直径介于16m，深度一般为50100m，井中间设隔墙将井一分为二或在井中心设内井筒，将井分为内，外两部分，形成升流管、降流管。,缺点：a.施工难度大，对地质条件和防渗要求高b.为了维持液体的高速，需要提供额外的能量。,2020/5/30,环境生物工程课件,54,(i)由于水压加大，提高了饱和溶解氧浓度并降低气泡直径，提高了气泡的表面积，进而大大提高了传氧推动力（Cs-C）以及氧的传递速率，从而有利于微生物的增殖与有机污染物的降解。同时降流管内的空气泡下降所需能量由升流管中释放出的气泡所产生的扬升作用得到抵消，因此获得高气相分压所花费得能量并不大，所以充氧动力效率高；(ii)在降流管中，气泡向上流动，液体以0.6-1.5m/s的高速流下，而使KLa值成倍提高；(iii)气泡与液体的接触时间或称气泡在液相中的作用时间可以长达3-5min，而普通曝气（即浅层曝气）都在15s以下，前者是后者的十至数十倍，从而极大地提高了氧的利用率。（常规气泡上升速度0.3m/s，要想气泡向下运动，水流速度必须大于0.3m/s，100/0.5=200s，即需要大概200s时间到达底部，一个循环大约需400s，即大约3-5min，而常规活性污泥法高度4m左右，大概需15s）,深井曝气的充氧能力远高于其他曝气方式，其原因为,2020/5/30,环境生物工程课件,55,垂直折流生物反应器（VTBR）,原理：是利用深井曝气的基本原理，采用多个反应器串联的形式达到提高静液压力的目的；(a)原型，十个10m的反应器串联考虑到降流段管内气泡与水流运动方向相反，为了使降流段内气泡向下运动，则要增加水流速度，从而使得动力消耗增加，因此考虑把升流段与降流段分开，只考虑增加降流段管内流速即可，采用的方式是通过减小管径提高流速，把降流段转化成管线形式。（降流段VV液-V气，只要V存在，气泡就可以向下输送，V越小，接触时间就越长；而在升流段则是由气泡大小决定了接触时间。）,2020/5/30,环境生物工程课件,56,(b)改进，折流式,在此基础又进行了多方面改进，如装填料等，使其技术先进性、经济性、适用性都远远超过了深井过程。它结合了固定膜生物反应器、加压供气、厌氧脱氮、好氧水解、污泥消化等诸多生物处理过程于一体，具有广泛的实用性、可靠性和经济性。优点：VTBR由于反应器串联形成一定的静液压力，一般可达2-3个大气压，并且首级压力最大，依次递减至常压。此顺序与生化需氧量的变化相一致，可以更好的满足供氧需求；VTBR在结构上借鉴了深井曝气的特点，技术性能上超过了深井曝气。因为深井曝气不能装填填料，而VTBR可任意装填填料，使单位容积生物量高达10g/L；VTBR具有方便灵活的组合特性，VTBR可构成纯好氧处理工艺；纯厌氧工艺；厌氧-好氧串联工艺；厌氧-好氧-厌氧串联等多种工艺；,2020/5/30,环境生物工程课件,57,不同活性污泥工艺的运行参数,2020/5/30,环境生物工程课件,58,作业：1、试指出污泥沉降比SV、污泥浓度MLSS和污泥指数SVI的定义，以及其在水处理工程中的实际意义以及一般的正常数值范围。2、传统活性污泥法、高负荷活性污泥法、延时曝气活性污泥法的适宜污泥负荷范围，控制在此范围内的原因是什么？3、从生物选择性理论出发简单解释为什么完全混合式曝气池比推流式曝气池更容易发生丝状菌污泥膨胀？,2020/5/30,环境生物工程课件,59,3、活性污泥法的新型工艺,2020/5/30,环境生物工程课件,60,AB法是一种两段活性污泥法，其中A段为生物吸附段，B段为生物氧化段。该工艺将曝气池分为高低负荷两段，各有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段A段停留时间约20-40分钟，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完会氧化反应，生物主要为短世代的细菌群落，去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥相似，负荷较低，泥龄较长。，该工艺还可以根据经济实力进行分期建设,B段可以采用其它运行方式。,工艺原理,(1)生物吸附降解活性污泥法（AB法）,2020/5/30,环境生物工程课件,61,优点：(1)通常不设初沉池，而且A、B段运行既独立又联系，可根据进出水水质灵活地调整运行参数。(2)有极强的耐冲击负荷能力：A段对进水水质和环境条件的变化有强的适应性，从而使B段受影响的程度降低，保证最终处理效果的稳定(3)具有一定的脱氮除磷功能。(4)适用于某些难降解工业废水：A段实行兼氧运行，使结构复杂大分子有机物分解为结构简单的易降解小分子有机物，提高污水的可生化性；(5)基建投资省，运行费用低、能耗小、处理效果好。缺点：(1)A段在运行中如果控制不好，很容易产生臭气，影响附近的环境卫生，这主要是由于A段在超高有机负荷下工作,使A段曝气池处于厌氧工况下，导致产生硫化氢、大粪素等恶臭气体。(2)难以满足比较高的脱氮除磷要求.因为A段去除BOD55%60%，导致B段曝气池的进水含碳有机物含量的碳/氮比偏低,不能有效的脱氮(3)污泥产率高，A段产生的污泥量较大,约占整个处理系统污泥产量的80%左右，且剩余污泥中的有机物含量高，这给污泥的最终稳定化处置带来了较大压力。针对AB法不足，出现了一些AB法的变形工艺，如A/O，A/A/O,2020/5/30,环境生物工程课件,62,(2)序批式活性污泥法（SBR法）-又称间歇式活性污泥法,工艺基本原理,SBR活性污泥法是将初沉池出水引入曝气功能的SBR反应池，按时间顺序进行如下操作，这种操作周而复始进行，从而达到不断进行污水处理的目的。与传统活性污泥法最大的不同是，传统活性污泥法工艺中，各个操作过程，如曝气、沉淀等分别在各自的构筑物中进行，而SBR工艺中，各反应操作过程都是在一个池中完成，只是依时间的变化，各个操作随之变化。,2020/5/30,环境生物工程课件,63,典型SBR工艺流程,SBR工艺的主要设备是鼓风设备、曝气装置、滗水器、水下推进器、溶解氧自动分析仪、COD自动分析仪、自动控制系统。SBR工艺中的关键及专用设备是滗水器，它是一种能随水位变化而调节的出水堰为防止因丝状菌过度繁殖导致污泥膨胀现象的发生，可在SBR池前设置缺氧或厌氧选择池,（1）设备与装置：,2020/5/30,环境生物工程课件,64,青岛广源发污水处理厂（石化废水）,进水管,操作平台,滗水器,2020/5/30,环境生物工程课件,65,滗水器,滗水器三种：旋转式，浮筒式、虹吸式,旋转式滗水器工作时堰口以出水管为回转轴，采用机械驱动方式控制滗水器的出水;浮筒式无动力潍水器利用重力与浮力的平衡配合出水阀往外排水;虹吸式潍水器利用池内外的液位差为动力，通过利用电磁阀控制U形管气阻的产生和破坏进行间隙周期排水。,PS推杆旋转式滗水器（常用）,浮筒式滗水器,虹吸式滗水器,2020/5/30,环境生物工程课件,66,滗水器浮在反应池内水面上，排水时要迅速、稳定、均匀地将处理后的上层清液排出池外。从滗水器堰口到池外连有一段特殊的输水管道，它要保证随堰体的升降而自由变化.非工作状态时堰口在水面上,避免固体物质外流，需要排水时设置在岸上的驱动装置带动出水堰口以出水主管为回转主轴进行运动,堰口下降至液面以下，池内上清液不断涌入堰口，通过上述管道排出池外。此时，堰体自重与浮力形成平衡，堰口满足一定的水力负荷，并保持水力均衡。池内水面下降时，堰口亦不断下降，堰体的连接管道也应该以同样的速度变化，无论其变化的轨迹如何，最终应实现同样的目的。,2020/5/30,环境生物工程课件,67,（2）SBR工艺典型运行模式,2020/5/30,环境生物工程课件,68,优点工艺系统组成简单，不设二沉池，曝气池兼具二沉池的功能，无污泥回流设备；SBR工艺的曝气池，在流态上属完全混合，在有机物降解上，却是时间上的推流，有机物是随着时间的推移而被降解的。耐冲击负荷，在一般情况下（包括工业污水处理）无需设置调节池污泥多环境交替，反应推动力大，易于得到优于连续流系统的出水水质运行操作灵活，通过适当调节各单元操作的状态可达到脱氮除磷的效果污泥沉淀性能好，SVI值较低，能有效地防止丝状菌膨胀；该工艺的各操作阶段及各项运行指标可通过计算机加以控制，便于自控运行，易于维护管理。缺点容积利用率低；水头损失大；出水不连续；峰值需氧量高；设备利用率低；运行控制复杂；不适用于大水量。,（3）SBR特点：,2020/5/30,环境生物工程课件,69,SBR工艺类型和发展,间歇式循环延时曝气活性污泥工艺（ICEAS）循环式活性污泥工艺CASS或CAST，CASP需氧池间歇曝气池工艺DAT-IAT间歇排水延时曝气工艺IDEA工艺类似于三沟式氧化沟工艺UNITANK改良序批式活性污泥法MSBR,最大的优点是：大多数在反应器的进口端增加了一个生物选择区，利用基质作为推动力选择性地培养菌胶团，使其成为曝气池中的优势菌，从而抑制丝状菌的繁殖。,2020/5/30,环境生物工程课件,70,ICEASIntermittentCyclicExtendedActivatedSludge,基本结构在序批式活性污泥法（SBR）的基础上，反应池沿池长方向设计为两部分，前部为生物选择区也称预反应区，后部为主反应区，其主反应区后部安装了可升降的自动撇水装置。整个工艺的曝气、沉淀、排水等过程在同一池子内周期循环运行，省去了常规活性污泥法的二沉池和污泥回流系统；运行方式为连续进水（沉淀期和排水期仍保持进水），间歇排水，没有明显的反应阶段和闲置阶段。,注意没有污泥回流，主反应区污泥不回流至预反应区,生物选择区高负荷吸附阶段，占整个池子的10%主反应区较低负荷的基质降解,2020/5/30,环境生物工程课件,71,2020/5/30,环境生物工程课件,72,原理在预反应区内，微生物能通过酶的快速转移机理迅速吸附污水中大部分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，利用基质作为推动力选择性地培养菌胶团，使其成为曝气池中的优势菌，可以有效地抑制丝状菌地生长和繁殖，防止污泥膨胀，提高系统的运行稳定性，且可对进水水质、水量、pH和有毒有害物质起到较好的缓冲作用。随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解过程，完成对污水中有机物质的降解。特点（1）污水从预反应区以很低的流速进入主反应区，对主反应区的泥水分离不会产生明显影响这种系统在处理市政污水和工业污水方面比传统的SBR系统费用更省、管理更方便.但是，由于进水贯穿于整个运行周期的每个阶段，沉淀期进水在主反应区底部造成水力紊动而影响泥水分离时间，因此进水量受到了一定限制。通常水力停留时间较长。（2）该工艺强调延时曝气，污泥负荷较低，一般0.04-0.05，这样使ICEAS工艺投资低（无初沉池、二沉池、污泥回流）的优点在实际工程中没有得到充分体现，影响了该工艺在我国的广泛应用。,ICEAS,2020/5/30,环境生物工程课件,73,基本结构该工艺是一种循环式活性污泥法，其前身为ICEAS工艺；ICEAS属于周期循环曝气范畴，污泥负荷通常控制在0.04-0.05，其负荷在0.1-0.2；通常CAST一般分为三个反应区:一区为生物选择器、二区为缺氧区、三区为好氧区，三者的容积比一般为1:5:30。与ICEAS工艺相比，预反应区容积较小，是设计更加优化合理的生物反应器，且将主反应区中部分剩余污泥回流至选择器中，在运作方式上沉淀阶段不进水，污泥沉降过程中无进水水力干扰，即在静止环境中进行，泥水分离效果好，使排水的稳定性得到保障。,CAST，CyclicActivatedSludgeSystemorTechnologyorProcess,1生物选择器；2缺氧区；3主反应区,CAST系统的反应池构造,CAST是间歇进水循环式活性污泥法,2020/5/30,环境生物工程课件,74,原理生物选择器通常在厌氧或兼氧条件下运行，通过主反应区污泥的回流并与进水混合，不仅充分利用了活性污泥的快速吸附作用而加速对溶解性底物的去除，并对难降解有机物也起到良好的水解作用，同时可使污泥中的磷在厌氧条件下得到有效的释放；设置选择器，还有利于改善污泥的沉降性能，防止污泥膨胀问题的发生；此外，由于回流，污泥选择器中还可发生比较显著的反硝化作用(混合液中通常含2mg/L左右的硝态氮)，其所去除的氮可占总去除率的20%左右；缺氧区不仅具有辅助厌氧或兼氧条件下运行的生物选择区对进水水质、水量变化的缓冲作用，同时还具有促进磷的进一步释放和强化反硝化的作用。CASS生物选择器、缺氧区的设置和污泥回流的措施，保证了活性污泥不断地在选择器中经历一个高絮体负荷(S0/X0)阶段，从而可更有效地控制污泥膨胀；CASS工艺是一个好氧/缺氧/厌氧交替运行的过程，可有效增强有机物的去除率和脱氮除磷的效果。特点CAST艺适用于含有较多工业废水的城市污水及要求脱氮除磷的处理。,CAST,2020/5/30,环境生物工程课件,75,2020/5/30,环境生物工程课件,76,CASS，CyclicActivatedSludgeSystemorTechnologyorProcess,CASS是连续进水循环式活性污泥法,CASS反应池由预反应区和主反应区组成，预反应区控制在缺氧状态，因此，提高了难降解有机物的去除下过进水是连续的，单个池子可独立运行，而SBR和CAST进水是间歇的，一般要2个或2个以上池子交替使用CASS每个周期的排水量一般不超过池内总水量的1/3，而SBR则为1/2-3/4,CAS