环境化学工程 课件 第4-3 活性污泥.ppt

1、4.3 活性污泥法,一、基本原理 活性污泥与活性污泥法 有机废水经过一段时间曝气后，水中会产生一种褐色絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮体就是活性污泥。活性污泥是以大量的活性微生物为主体，主要由菌胶团细菌、原生动物和后生动物民组成，此外，还有一些无机物，未被微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物。活性污泥结构疏松，表面积很大，对有机污染物有着强烈的吸附凝聚和氧化分解能力，在条件适宜的时候，活性污泥又具有良好的自身凝聚和沉降性能。从废水处理角度看，这些特点都是十分可贵的。 活性污泥法就是以含于废水中的有机污染物为培养基，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

2、分解作用交货废水中有机污染物。 普通活性污泥法处理流程由以下几个部分组成。 初次沉淀池用以除去水中原生悬浮物。悬浮物少时，也可不设。 曝气池使废水中有机污染物与活性污泥充分接触，并吸附和氧化分解有机污染物。 曝气系统供给曝气池生物反应所必需的氧气，并起混合搅拌作用。 二交沉淀池用以分离曝气池出水中的活性污泥。 污泥回收系统把二次沉淀池中的一部分沉淀污泥再回流到曝气池，以保证曝气池有足够的微生物浓度。 剩余污泥排放系统在曝气池内，污泥不断繁殖，这部分净增的污泥量构成所谓剩余污泥，通过排入系统将其排放。 活性污泥法具有以下特点： 净化效率高，占地面积较少，臭味轻微；产生剩余污泥量大。 对水质水量的

3、变动比较敏感，缓冲能力弱。 活性污泥中的微生物及其变化规律。 活性污泥是由细菌、真菌、原子动物和后生动物等不同种属的微生物组成的。在净化废水时，它们与废水中的有机营养物形成了极为复杂的食物链。最先担当交货任务的是异养型细菌和腐生性真菌，其中细菌无论从组成还是功能上，都是极重要的万分。在一定能量条件下，大部分细菌形成菌胶团。而真菌由于多呈丝状，对形成具有良好沉淀性能的絮凝体有妨碍，一般并不希望更多的真菌出现。当条件合适时，会促进真菌生长繁殖。 原生动物吞食活的细菌，是细菌的一次捕食者。活性污泥中常见的原生动物有鞭毛虫类，肉足虫类、纤毛虫类和吸管虫类。但这些原子动物长非同时出现，而是随条件及水质的

4、变化而变化。一般在曝气的初期，肉足虫和鞭毛虫占优势；按着是自由游动型的纤毛虫逐渐成熟，固着型的纤毛虫又相继占优势，特别是钟虫出现且较多时，则说明污泥成熟。所以原生动力折演替变化，可以用来评定活性污泥的质量及废水处理的情况。 后生二次捕食者。活性污泥中的后生动物象轮虫、线虫等，只能在氧很充足的条件下才出现，所以后生动物出现是水质处理相当好的标志。 活性污泥净化废水的机理 活性污泥对废水中悬浮或溶解性有机污染物（少数无机污染物）的净化，是由活性污泥吸附与凝聚和氧化与合成两个活性作用完成的。在废水处理中，要使活性污泥维持良好的状态，吸附凝聚与氧化合成应持适当的平衡。只要条件适当，活性污泥在与废水初期

5、接触的20-30 min，就可以去除75% 以上的BOD，这种现象称为活性污泥的初期吸附或生物吸附。初期吸附的基本原因，在于活性污泥具有巨大的表面积，介于2000-10000M2（混合液），且其表面具有多糖类粘液层。如果废水中悬浮的或胶体的有机物多，则这种初期吸附去除的比率就大。此外，还与污泥状态有关：如果吸附与氧化分解失去适当的平衡，原吸附的有机物未氧化分解完全，则初期吸附量就小；如果原吸附于污染上的有机和代谢彻底，则二次吸附时的初期吸附量就大。但若回流污泥经历了长时间曝气，使微生物进入了内源呼吸期，活性降低，则再吸附能力也降低，所以初期吸附量就低。 活性污泥微生物以溶解的有机物为营养，当有

6、机营养物质和氧充足，则以合成为主。但是在新细胞全盛的同时，部分细胞物质的氧化分解还是存在的。在有机营养缺乏时，这种自身分解则成为主要的获能方式；生物处理的内源呼吸也就是指的这种情况。经过活性污泥微生物的降解作用，虽然使一部分有机物无机化了，但是转化为细胞物质的有机物仅仅是改变了存在状态，就净化废水的意义来讲，总是并未完结。只有将其与水分离，才算打到净化目的。 菌体一般略在于胶体颗粒，仍能以稳定的悬浮状态分散于水中，难以沉淀分离。只有在其变成絮凝体以后，进行有效的分离才有可能。 活性污泥中的菌胶团以及常见的产碱杆菌、无色杆菌、黄杆菌、假单胞菌等，都是易于形成絮凝体的。但是在营养丰富和能量水平较高

7、的情况下，由于细菌活力强，难以结合民絮凝体。只有在营养不足和能量水平较低的情况下，细菌活力低，运动能量弱，彼此才易结合成絮凝体。在活性污泥法混合液中，如果营养与污泥之间的比值高，微生物处于对数增长期，其含能水平高，污泥凝聚性差；反之，营养与污泥微生物比值降低，致使微生物增长处于增长率下降段或其后期，由于含能量低故易于凝聚，普通活性污泥法的曝气池的末端即呈现后一状态。,二、性污泥法降解有机物的规律 污染对有机物的转化过程，也就是代谢过程，它由微生物的合成（活性污泥的增长），有机物的氧化分解（包括部分细胞物质的分解），以及溶解氧的消耗所组成。所以基南BOD浓度与其去除速度，污泥的繁殖与BOD去除速

8、度、耗氧速度与BOD去除速度之间的关系，是研究净化理论的核心。 1. 基质浓度及其去除速度的关系 单位污泥降解有机物的速度（V），根据米一门氏酶反应关系，可用下式表示： 式中：以Vss表示的活性污泥浓度，mgVss/l 以BOD表示的基质浓度，mgBOD/l； 最大反应速度常数； 米氏常数，其值等于基质去除速度为最大值的一半时的基质浓度。 由此式可知，基质浓度很高时LLKm，基质去除速度与其浓度无关，即V=K，达最大值。当基质浓度很低时，LKm，基质去除速度为一（级）次反应。当活性污泥浓度不同时，Km越小，即1/Km越大，去除速度大，可将1/Km视为恬性污泥与基质结合的亲合力。由式可变换为1/

9、V和1/L的直线式，按各时刻其质平衡浓度L和单位污泥反应速度V的一系列实验数据，用图解法求得K和Km，Echenfelder等人则将基质降解按高浓度相与低浓度相分别予以表示。在高基质浓度下，即BOD5/Vss为以上时，少性污泥的增长速度与BOD浓度无关，仅与活性污泥微生物量一级关系： 式中s为t时刻的污泥浓度，时的活性污泥微生物a为去每公斤BOD所产生的污泥量，LR为去除的BOD量(kg)，K1为高基质浓度时的污泥增长常数。积分式，并代入S与S0的关系，得 由式可知，在BOD基质浓度高的时候，BOD去除浓度Lr和BOD残余L余并无关系。在活性污泥法中，BOD基质浓度高，则污泥絮体分散，所以这种

10、情况仅用于预处理，使其浓度降低，以适于正常的活性污泥法的处理。在低基质BOD浓度(L0300mg/l)下，BOD去除速度与残留有机物浓度呈一次反应关系。加上污泥S泥的影响，则有： 式中：K2是低基质BOD浓度时的速度常数， 由此看出，基质BOD浓度低时，在s、t一定的情况下，BOD去除浓度与残留BOD浓度L成正比。 从式的讲座可以看出，对米一门氏的理论引入适当条件，则和Echenfelder等人的理论是一致的。 活性污泥的增长与BOD去除的关系。 活性污泥法处理过程中，微生物量的增加是同化合成和内源分解两种作用的共同结果，活性污泥的增长和BOD去除之间的动力学关系为： 式中：ds/dt为活性污

11、泥增殖速度，即单位时间内单位体积中所增殖的微生物量（kgVss/m3）；a为产率系数，即平均去除单位重量的BOD所增殖的微生物量(kgVss/kgBOD)；dlR/dt为活性污泥去除BOD的速度(kgBOD/m3日)；b为活怀污泥自身分解系数（1/日）；s为活性污泥浓度(kgVss/m3)，。ds/sdt为活性污泥比增殖速度(kgVss/kgVss日)，常以表示。 由两公式可知，污泥增殖是微生物去除基质BOD的必然结果，增殖的速度一民营养的丰富程度有关，确定污泥增殖量对控制曝气池的污泥量以及确定污泥处理设施是极为重要的。由公式可以得出气池每日污泥增量 式中：为处理水量（m3/日）；为曝气池容积

12、（m3）。,a与b由下式通过实验求得： 式中：S/VS是污泥微生物平均停留时间的倒数，即l/ts（ts为污泥令）；Olr/VS是以去除的基质为基础的污泥负荷。以Olr/VS为摸坐标，lr/VS为纵坐标，可用图解法求得a和b。 此外，有机物负荷，基质浓度，曝气时间，处理水的湿度等，对污泥增 也有影响。在冬季水温低时，虽然污泥转换率低，但由于非常小，所以污泥量可能会有增加。 实际曝气池的污泥增加量，比上述计算值要大，它是因为除溶解性的BOD转换而增殖的污泥量外，废水中的其它是悬浮固体被吸附后，也构成增值污泥的一部分。如果废水中诸如无机物，纤维等无活性的SS具有相当比例，则比较接近实际的计算应考虑上

13、述两方面的因素。有的学者认为，采用两者之和偏大，采用前者加后者的下半比较切合实际。 3耗氧速度与BOD去除的关系 活性污泥法是好气过程，微生物降解有机物的重要条件是充分地供给溶解氧。被去除的BOD中，一部分被氧化分解以取得能量，另一部分能化为新的原生质和贮藏物质。前者消耗溶解氧，后者在内源呼吸时也消耗溶解氧，由此可得曝气地需氧量： 式中：R0为曝气地每日平均需氧量（kg氧/日）；a为平均转化1kgBOD的需氧量（kg/氧kgBOD）；b为微生物自身氧化的需氧量（kg/氧lgVSS日）。 式中R0/VS为氧的比耗速度，即每kg活性污泥平均每天的耗氧量（kg氧/kgVSS日），常用Kr表示。R0/

14、QLr为比需氧量，即去除1kg基质的需氧量（kg氧/kgBODr）。 当废水进行包括硝化在内的完全氧化处理时，NH3变成HNO3尚需氧，故曝气池需氧量为： 式中Nr为被转化的氧氮量（kg/日），4.6为1kg氨氮转化成硝酸盐所需氧量（kg）。 4净化理论在活性污泥法中的应用 在推流式曝气池内，BOD去除率按下式计算，Le/Lo值可由公式积分而得： 例题：流量为5000m3/日的废水，拟用活性污泥法处理，废水的质为 今若取曝气时间为4h，污泥回流率为25%，MLVSS为S=2000mg/l，求BOD去除率。若要求曝气池，二沉池去除90SS，问污泥生成量为多少？ 解，活性污泥曝气池用推流式，根据公

15、式 BOD却除率为 通过曝气池的废水总量包括废水量和污泥回流量，由此得曝气池参积为 可根据DOD去除量计算污泥量为 a、b均为实验求得。 按流入悬浮物去除量计算的污泥增量为 则污泥增量最大为,三、活性污泥法运行的重要参数 1混事液悬浮固体（MLSS）mixed liquor suspended solid 混合液悬浮固体是指曝气池中废水和活性污泥的混合液的悬浮固体浓度（mg/l）。它主要包括活性微生物，还有微生物自身氧化的残留物，吸附在活性污泥上的不能被微生物降解的有机物和无机物。工程上往往MLSS作为间接计量活性污泥微生物量的指标。 在混合液悬浮固体中的有机物的量，常被称为混合液挥发性悬浮固

16、体（MLVSS）。用MLVSS表示的活性污泥微生物量比起MLSS来更为切合实际。对不同废水而言，MLVSS与MLSS有一定比值，生活污水的MLVSS与MLSS比值为0.7左右。 2BOD负荷 BOD负荷有污泥负荷和容积负荷两种不同的表示法： （1）污泥负荷Ls（BOD-SS负荷）即为单位重量的活性污泥，在单位时间内所能承受的有机污染物量，单位是kgMLSS日； （2）容积负荷Lu即单位曝气池有效容积在单位时间内所承受的有机污染物量，单位是kgBOD 5/m3（曝气区）日，Ls和Lv及其相关系如下。 式中：L0为曝气池入流废水的有机污染物浓度（kgBOD5/m3）； V为曝气区容积（m3）；Sa

17、为曝气池混合液悬浮固体浓度（kgMLSS/m3）；Q为废水流量（m3/Q）。 污泥负荷也叫F/Meb，F为营养料，M为微生物量。实践证明，它是影响活性污泥增长速率，有机物去除速率，氧的利用速率以及污泥吸附凝聚性能的重要因素。在F/M2.2时，活性污泥微物生处在对数增长期，丰富的营养有机物以最大的速度被去除；但由于污泥微生物活力强，故分散而不易凝聚沉降。通常而生曝气系统处在减速增长期，以营养控制污泥的增长，因为这时细菌互相接触时，会因活力小而结合在一起，形成 状物。当曝气池中营养物几乎耗尽，F/M达到很小值，并维持一常数值时，即进入内源呼吸期。此时微生物明显地代谢自身细胞物质。在维持生命的过程中

18、逐渐死亡。同样由于活力甚低，形成絮凝体的速度剧增，吸附有机物能力显著，加之溶解水平高，原生动物大量吞食细菌，故可没澄清的处理水，可见，欲没良好的处理结果，就应很好地控制BOD贡荷。在完全混合式曝气池中BOD负荷Ls与去除率及出水浓度Le关系数： 在曝气时间（t）和BOD去除率（）一定时，可根据要求净化水的BOD浓度（Le）和活性污泥悬浮固体浓度Sa，求得适宜的BOD贡荷。根据统计资料，在处理生活污水的推流式曝气池内，BOD负荷Ls和净化水BOD浓度Le之间存在以下关系： 式中：k=0.01295,n=1.1918。但当采用活性污泥法处理特殊的有存废水时，应首先进行实验，以确定Ls与Le之间的关

19、系。 3污泥令（ts） 污泥令是指活性污泥在曝气池中的平均停留时间，可用下式表示： 活泥令=曝气池内活性污泥微生物量 每天从系统中排出的活性污泥微生物量 式中：V（m3）、S0(mg/l)、Q（m3/Q）的意义同前，Qw为剩余污泥排出量（m3/日）；Se为净化水的MLSS浓度（mg/l）；Sr为回流污泥浓度（mg/l）。由于Se很小，SrSe，QwSrQse所以： 这说明污泥令和增殖之间有密切关系，用污泥令控制剩余污泥量，已是一个重要方法。污泥令还有助于说明微生物的组成；世代时间比污泥令长的微生物在系统中的逐渐淘汰。所以要达到预期的处理效果，必须使污泥令适当，使活性污泥中净化微物生得到充分的增

20、殖。 4污泥沉降比（Pv） 污泥沉降比是指曝气池混合液在100ml量筒中，静置沉降3min后，沉降污泥与混合液之体积比（%）。正常污泥在静置30min后，一般可达到它的最大密度。所以沉降比可反映曝气池正常运行的污泥数量，可以用于控制剩余污泥的排放，还能反映出污泥膨胀等异常情况。由于测定简单，便于说明问题，所以是评定活性污泥特性的重要指示之一。,5污泥体积指数与污泥密度指数 （1）污泥体积指数（SVI或Iv）曝气池出口混合液在静置30min情况下，1克活性污泥悬浮固体所占的体积（ml）称为污泥体积指数（SVI） 例题：某曝气池污泥沉降比Pv=30%，混事液活性污泥浓度为3000mg/l，求污泥指

21、数 （2）污泥密度指数（SDI或Ld） 曝气池混合液在静置30min的情况下，含于100ml沉降污泥中的活性污泥中的活性污泥悬浮固体的克数，称为污泥密度指数（SDI）： （污泥密度指数） 上例中的SDI=3000/10030=1 Sa活性污泥悬浮固体浓度 污泥沉降比，当局泥指数都是表示活性污泥的凝聚沉降和浓缩性能的指标。一般应用污泥指数，它对曝气池的运行具有指导意义。SVI低时，沉长性能好，但吸附性能较差。SVI 高时，沉降性能不好，即使具有良好的吸附性能，也不能很好控制泥水分离。一般认为： （污泥体积指数）SVI100 污泥沉降性能好 100SVI200 污泥沉降性能一般 SVI200污泥沉

22、降性能不好 BOD-SS负荷在0.2-0.5kgBODMLSS日（混合液悬浮固体）范围内时，SVI在100左右比较合适。在曝气系统盍中，有时会出现污泥指数增高和污泥膨胀的现象。，其原因很多，但主要与污泥负荷有关，处理这业废水时，还与水质特性有关。奥福特（0rford）认为，当BOD-SS（ss为悬浮固体成悬浮物）负荷在0.17-.05kgBOD/kgMLSS日范围时，Ls与SVI的关系为：SVU=353Ls0.983 在废水处理的设计与运行中，一般采用BOD负荷为0.2-0.5，延时曝气法为0.03-0.05效率较低而负荷较高的方法如改良曝气法为2.0以上各种工业废水的污泥负荷和SVI的关系曲

23、线应通过试验求得。 温度对污泥负荷与SVI的关系的影响甚大，即温度高时，相应的负荷区间向污泥负荷值高的一侧移动。原因是温度影响微生物增殖速度。,四、运行中常见的问题： 污泥膨胀 在二次沉淀池或加速曝气池的沉淀区，有时出现污泥的膨胀与上浮现象。膨胀了的污泥结构松散，沉降性差，造成污泥上升而随水流失。这样不仅影响出水水质，而且由于污泥大量流失，使曝气池中混合液浓度不断降低，严重时，甚至破坏整个生化处理过程。 广义地把活性污泥的凝聚性和沉降性恶化，以及处理水混浊的现象总称为活性污泥的膨胀。就字面看，活性污泥的膨胀是指污泥体积增大而密度下降的现象。描述污泥膨胀程度的指标有30min沉降比Pv、污泥体积

24、指数SVI、和污泥密度指数SDI。 污泥膨胀上浮的原因很多，除了理化，生物及生化方面的原因外，还有运行管理和构筑物结构型式等方面的因素。 污泥膨胀可大致区分为丝状体膨胀和非丝状体膨胀两种。丝状体膨胀是由于比状微生物大量繁殖，菌胶团的繁殖生长受到抑制的结果。大多数污泥膨胀属于这一类。丝状体对活性污泥絮体起骨架作用，如果没有足够的丝状体，形成的絮不牢固，在曝气池紊动水流的冲击下容易被破碎成细小的针点体。这时污泥沉降快，SVI低，但出水混浊，这叫做非丝状体膨胀。 当丝状体过多，长出一般絮体的边界面伸入混合液时，其架桥妨碍了絮体间的密切接触，致使沉降较慢，密实性差和SVI（污泥体积指数）高，但这时的上

25、清液可能很清。 当丝状体存在的数目足以形成适宜的絮体骨架而无显著分枝伸入溶液时，絮体大而浓颏，沉降性好，SVI低，上清液清净，这叫做非膨胀污泥。 以沉淀过的生活污水为料液的试验表明，丝状体长度小于107m/ml者，为非膨胀污泥；反之为膨胀污泥。 导致丝状体大量繁殖的原因有：溶解氧浓度曝气池内溶解氧在0.7-2.0mg/l范围内，虽然都可能出现丝状微生物，但在低溶解氧条件下却能生长良好，甚至能在厌氧条件下残存而不受影响。所以城市污水厂的曝气池溶解氧最低应保持在2mg/l左右。冲击负荷如果曝气池内有机物超过正常负荷，污泥膨胀程度提高，引起絮体内部溶解氧消耗增高，在菌胶团内部产生了适宜丝状体生长的低

26、溶解氧条件，从而促使丝状微生物的分枝超出絮体，伸入溶液。丝状体的分枝为细菌的聚合和较大絮体的形成提供了延伸的骨架，加剧了氧的渗透困难，从而又导致了内部丝状体的发展。 进水化系条件的变化首先是营养条件变化，一般细菌在营养为BOD5:N:P=100:5:1的条件下生长，但若P含量不足，C/N升高，这种营养状况适宜丝状菌生活。其二是硫化物的影响，过多的化粪池的腐化水及粪便废水进入活性污泥设备，会造成膨胀。含硫化物的造纸废水，也会产生同样的总是一般是加5-10ML/l氧加以控制或者有预曝气的方法将硫化物氧化成硫酸盐。其三是碳水化合物过多会造成膨胀。其四是有毒重金属的冲击负荷可抑制丝状菌，但不能使丝状菌

27、消失并产生针点絮体，造成出水悬浮的提高和SVI降低。还有PH值和水温的影响，丝状菌宜在高温下生长繁殖，而菌胶团则要求温度适中；丝状菌宜在酸性环境（PH值=4.5-6.5）中生长，菌胶团宜在PH=6-8的环境中生长。 解决污泥膨胀的办法因产生原因而异，概括起来就是预防和抑制预防污泥膨胀的措施如下： 保持一定的活性污泥悬浮物浓度：控制每天排除的活性污泥净增量，以得到沉淀性能和出水水质都好的混合液污泥并将其控制为定值。这种方法仅以活性污泥悬浮物质来控制，忽视了F/M作用，因而不能控制出水水质和污泥沉淀性。 控制F/M：经常测定进水的BOD量，及时调整混合液悬浮固体S，固体但缺点是必须连续测定时进水的

28、BOD和调整回流污泥量Qr，这样的操作复杂又费功，有时甚至出现有差的情况。例如，增大 Qr时，一般也是进水量Q比较大的时候，曝气池出水量亦特别大，会严惩冲击二沉池，影响出水水质。 保持污泥会不变：在公式ts=vs/Qwsr(回流污泥浓度)中，如维持Qw不变，让排出污泥固体自动调节，使之适应F/M的变化。当曝气池进水量BOD量高时，二沉池由于曝气池进水BOD5低时的影响，所以污泥量小，排出污泥浓度低；当BOD5高峰结束时，二沉池泥面升高，浓度增大，所在QW虽未变，由于浓度的变化，因而污泥排出量也是变的，这样正好是要MLSS高时，排出量少，不要求时排出量少，不要求时排出量大。 也可以采用Qr不变的

29、方法，依靠系统内的调节，以适应BOD5的变化，由于污泥令和Qr有如下关系： 当废水量Q处于低潮，由于r不变，因则二沉池污泥向曝气池转移（流入曝气池的污泥多，而流出的少），自动升高；当废水量处于高峰时，曝气池污泥量也在高峰这时流流出的污泥多于流入的，污泥由曝气池向二次沉淀池转移，开始下降，到低潮再次来临，处在最低水平。这种方法事实上是用生物自身调节能力来适应F/M的变化的方法。 当然应该按进水有机物量和出水处理的效果，及时改变供氧量，使曝气池混合保持有氧状态。 污泥膨胀后，要针对发生膨胀的原因，采取相应的措施以制止之，当进水浓度大和出水水质差时，应加强曝气，提高供氧量；最好保持曝气池溶解氧在2.0mg/l以上；加大排泥量，提高进水浓度，促进微生物新陈代谢过程，以新的污泥置换老化污泥；曝气池中含碳高而使碳、氮比失调时，投加含氮化合物；加氮可以起凝聚和杀菌双重作用，在回流污泥中投加白粉或液氧可抑制丝状菌生长，加氯量按干污泥的0.2-0.3%计，调整PH值。,污泥上浮 污泥脱氮上浮：在曝