第四章--污水的生物处理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,教学要求,1、掌握活性污泥法的基本原理及其反应机理。,2、理解活性污泥法的重要概念与指标参数。,3、理解活性污泥反应动力学基础及其应用。,4、掌握曝气理论。,5、熟练掌握活性污泥系统的计算与设计。,时间安排 20h（其中机动2h）,第四章 污水的生物处理,一、活性污泥法的基本原理,1.基本概念与流程,活性污泥(activated sludge)：是由多种好氧微生物、某些兼性或厌氧微生物以及废水中的固体物质、胶体等交织在一起的呈黄褐色絮体。,活性污泥法：是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。,实质：人工强化下微生物的新陈代谢(包括分解和合成)，,活性污泥法的工艺流程：(p123图416）,a.预处理设施：包括初次池、调节池和水解酸化池，主要作用是去除SS、调节水质，使有机氮和有机磷变成NH,+,4,或正磷酸盐、大分子变成小分子，同时去除部分有机物。,b.曝气池：工艺主体，其通过充氧、搅拌、混合、传质实现有机物的降解和硝化反应、反硝化反应。,c.二次沉淀池：泥水分离,澄清净化、初步浓缩活性污泥。,生物处理系统：微生物或活性污泥降解有机物，使污水净化，但同时增殖。为控制反应器微生物总量与活性，需要回流部分活性污泥，排出部分剩余污泥；回流污泥是为了接种，排放剩余污泥是为了维持活性污泥系统的稳定或MLSS恒定。,2、活性污泥的特征与微生物,特征,a、形态:在显微镜下呈不规则椭圆状,在水中呈“絮状”。,b、颜色：正常呈黄褐色，但会随进水颜色、曝气程度而变（如发黑为曝气不足，发黄为曝气过度）。,c、理化性质：=1.0021.006，含水率99%，直径大小 0.020.2mm，表面积20100cm,2,/ml，pH值约6.7，有较强的缓冲能力。其固相组分约有7585%有机物。,d、生物特性：具有一定的沉降性能和生物活性。（理解：自我繁殖、生物吸附与生物氧化）。,e、组成：由微生物群体Ma，微生物残体Me，难降解有机物Mi，无机物Mii四部分组成。,微生物组成及其作用,组成：包括细菌真菌、原生动物、后生动物及其食物链。,细菌：以异养型原核生物(细菌)为主,数量10,7,10,8,个/ml，自养菌数量略低。其优势菌种：产碱杆菌属等，它是降解污染物质的主体，具有分解有机物的能力。,真菌：由细小的腐生或寄生菌组成，具分解碳水化合物，脂肪、蛋白质的功能,但丝状菌大量增殖会引发污泥膨胀。,原生动物：肉足虫，鞭毛虫和纤毛虫3类、捕食游离细菌。其出现的顺序反映了处理水质的好坏（这里的好坏是指有机物的去除），最初是肉足虫，继之鞭毛虫和游泳型纤毛虫；当处理水质良好时出现固着型纤毛虫，如钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫、盖纤虫等,。,6,衰亡期：营养物基本耗尽，微生物只能利用菌体内贮存物质，大多数细胞出现自溶现象，细菌死亡多，增殖少，但细胞个体最大、净化效果强（对有机物而言）。同时，自养菌比例上升，硝化作用加强。如氧化沟或硝化段（相当于二级半或延时曝气工艺）。,可见不同增殖期对应于不同微生物组合，对应于不同生物处理工艺。,C、从空间看：,由前至后污染物浓度不断降低，微生物数量由对数期逐步过渡至衰亡期，微生物组成由细菌逐步过度为轮虫等，水质逐步变好类似于水体自净这一污水处理的原型。,絮体形成：,活性污泥的核心菌胶团，它是成千上万细菌相互粘附形成的生物絮体。其在对数增长期，个体处于旺盛生长，其运动活性大于范性华力，菌体不能结合；但到了衰亡期，动能低微，范过华力大，菌体相互粘附，形成生物絮体，因此静止期与衰亡期个体是活性污泥的重要微生物。,3、活性污泥反应（净化）机理：,反应或净化：指有机污染物作为营养物质被微生物摄取、代谢与利用的过程，是物理、化学、生物化学作用的综合，其机理如下：,1）初期吸附去除：,污水与活性污泥接触510min，污水中大部分有机物(70%以上的BOD，75%以上COD)迅速被去除。此时的去除并非降解,而是被污泥吸附,粘着在生物絮体的表面，这种由物理吸附和生物吸附交织在一起的初期高速去除现象叫初期吸附。,思考题：为什么说是吸附？,其吸附速度取决于：,微生物的活性程度饥饿程度，衰亡期最强；,水动力学条件：泥水接触或混合越迅速、越均匀、液膜更新越快，接触时间越长则越好；泥水接触水力学状态以湍流或紊流为好，但过大会击碎絮体。,2）微生物的代射,被吸附的有机物粘附在絮体表面，与微生物细胞接触，在渗透膜的作用下，进入细胞体内，并在酶的作用下要不被降解，要不被同化成细胞本身。,a、分解代谢：,C,X,H,Y,O,Z,(X0.25Y0.5Z)O,2 酶,XCO,2,0.5H,2,OQ,b、合成代谢：,nC,X,H,Y,O,Z,nNH,3,n(X0.25Y0.5Z)O,2酶,(C,5,H,7,NO,2,),n,n(X5)CO,2,0.5n(Y4)H,2,O,其代谢产物的模式如下图：,具体代谢产物的数量关系如下图：即1/3被氧化分解，802/3=53%左右通过内源呼吸降解,14%左右变成了残物。,从上述结果可以看出，污染物的降解主要是通过静止期、衰亡期微生物的内源呼吸进行,并非直接的生物氧化(仅33)。,引申出的问题：在利用对数期微生物进行污水净化的装置中加大曝气强度，能否提高处理效果？,二、活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数,1、影响因素,a、营养物组分：有机物、N、P、以及Na、K、Ca、Mg、Fe、Co、Ni等（营养物和污染物只是以数量及其比例相对而言）。比例：进水BOD：N：P100:5:1；初次池出水，100:20:2.5 (为什么？）；对工业废水，上述营养比例一般不满足，甚至缺乏某些微量元素，此时需补充相应组分，尤其是在做小试研究中。,b、DO：据研究当DO高于0.10.3mg/L时，单个悬浮细菌的好氧化谢不受DO影响，但对成千上万个细菌粘结而成的絮体，要使其内部DO达到0.10.3mg/L时，其混合液中DO浓度应保持不低于2mg/L。,c、pH值：pH值在6.57.5适宜，驯化后以6.58.5为宜。,d、t（水温）：以20-30为宜，超过35或低于10时，处理效果下降。故宜控制在1535，对北方温度低，应考虑将曝气池建于室内。,e、有毒物质：重金属、酚、氰等对微生物有抑制作用，(前面已述)。Na、Al盐，氨等含量超过一定浓度也会有抑制作用。,2、活性污泥处理系统的控制指标与设计，运行操作参数活性污泥处理系统是一个人工强化与控制的系统，其必须控制进水水量，水质，维持池内活性污泥泥量稳定，保持足够的DO，并充分混合与传质，以维持其稳定运行，具体评价指标如下：,微生物量的指标,a、混合液悬浮固体浓度（MLSS），由Ma+Me+Mi+Mii组成,b、混合液挥发固体浓度（MLVSS）MLVSS=Ma+Me+Mi,c、MLVSS/MLSS在0.70左右，过高过低能反映其好氧程度，但不同工艺有所差异。如吸附再生工艺0.70.75，而A/O工艺0.670.70。,活性污泥的沉降性能及其评定指标：,污泥沉降比SV（%）(settling velocity):混合液在量筒内静置30mm后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分比。,污泥容积指数SVI：SVI=SV/MLSS。对于生活污水处理厂，一般介于70100之间。当SVI值过低时，说明絮体细小，无机质含量高，缺乏活性；反之污泥沉降性能不好。为使曝气池混合液污泥浓度和SVI保持在一定范围，需要控制污泥的回流比。此外，活性污泥法SVI值还与BOD污泥负荷有关。当BOD污泥负荷处于0.51.5kg/（kg MSS.d）之间时，污泥SVI值过高，沉降性能不好，此时应注意避免。,泥龄（Sludge age）Qc：生物固体平均停留时间或活性污泥在曝气池的平均停留时间，即曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比，,用公式表示：,c,VX/XVX/Q,w,X,r,。式中：,X为曝气池内每日增长活性污泥量，即排放活性污泥量。,Q,w,为排放的剩余污泥体积。,X,r,为剩余污泥浓度。其与SVI的关系为(X,r,),max,10,6,/SVI,Qc是活性污混处理系统设计、运行的重要参数，在理论上也具重要意义。因为不同泥龄代表不同微生物的组成，泥龄越长，微生物世代长，则微生物增殖慢，但其个体大；反之，增长速度快，个体小，出水水质相对差。Qc长短与工艺组合密切相关，不同的工艺微生物的组合、比例、个体特征有所不同。污水处理就是通过控制泥龄或排泥，优选或驯化微生物的组合，实现污染物的降解和转化。,负荷：,a、BOD污泥负荷：N,s,QS,a,/XV=F/M，即单位重量活性污泥在单位时间内降解到预定程度的有机物量。,b、BOD容积负荷：N,v,QS,a,/V，指单位曝气池容积在单位时间内降解到预定程度的有机物量。,C、BOD污泥负荷和BOD容积负荷的关系式：N,v,N,s,X。,BOD污泥负荷是活性污泥法设计、运行的一个重要参数。因为负荷与污水处理的技术经济性有关。负荷高则有机物降解速度与污泥增殖量加大，曝气池容积小，投资省，但其泥龄短，处理出水水质不高，难以满足环境要求；反之若过低则曝气池容积加大，投资加大，曝气量加大，经济性能降低。故应选择适宜的负荷，同时还要避开0.51.5kgBOD/kgMLSS.d负荷区间。,思考题,能否通过增加污泥浓度，减少构筑物的体积，节省投资？,污泥产率：,a、实际测试：污水中有机污染物的降解带来微生物的增殖与活性污泥的增长，活性污泥微生物的增殖是生物合成与内源呼吸的差值，即 X=aS,a,bX。,式中,X：活性污泥微生物净增殖量，kg/d；,S,r,：在活性污泥微生物作用下，污水中被降解、去除,的有机污染物量，S,r,S,a,S,e,；,S,a,：进入曝气池污水含有的有机污染物量，kgBOD/d。,S,e,:活性污泥处理后出水的有机污染物量，kgBOD/d。,X：混合液活性污泥量，kg。,a、污泥产率（降解单位有机污染物的污染量）。,b、微生物内源代谢的自力氧化率。,对于不同污水、废水，因有机污染物组成不同，其a、b值不同（见P110-111表4-5、4-6）。,b、理论推导（由试验配水研究）,由于细胞合成与内源代谢同步进行，单位曝气池内活性污泥净增殖速度为：(dx/dt),g,(dx/dt)s (dx/dt)e,式中 (dx/dt),g,为净增殖速度；,(dx/dt)s为合成速度；,(dx/dt)e为微生物内源代谢速度。,其中：(dx/dt)s Y(dx/dt),u,Y为产率系数，每代谢1kgBOD合成的MLVSS量。,(dx/dt),u,为微生物对有机物的降解速度。,其中：(dx/dt)e K,d,Xv,K,d,微生物自身氧化率d,-1,，并称衰减系数；,Xv为MLVSS含量。,代入得：(dx/dt),g,Y(dx/dt),u,K,d,Xv,X Y(S,a,S,e,)QK,d,VXv,X为日污泥排放量；(S,a,S,e,)Q为日有机物降解量；,K,d,VXv 为 池内总MLVSS量。,等式两边除以VXv得X/VXv=Y(S,a,S,e,)Q/VXvK,d,由于X/VXv=1/Qc;(S,a,S,e,)Q/VXvN,s,1/QcY N,s,K,d,C、二者的区别：,从物理意义上讲，a与y、b与K,d,是一回事，但前者是实测值（a、b）。由于进水水质和进水SS多变，因此a、b是一个实测的经验值。而Y、K,d,为理论研究或配水研究的结果，配水试验不仅水质可以恒定，且无SS，当控制Qc和N,S,进行同时多组实验时，可以通过作图求出Y、K,d,（P112图4-9）。,有机污染物降解与需氧；,微生物对有机污染物的降解包括1/3的直接氧化分解，2/380%需合成后再内源呼吸降解，故其需氧量为：,O,2,aQS,a,bVX,v,式中：a为微生物每代谢1kgBOD所需要的氧量。,b为每kg活性污染自身氧化所需要的氧量。,两边同除以VXv 得 O,2,/VXv=a N,s,b,两边同除以QSa 得 O,2,/QS,a,ab1/N,s,可以看出：,a上式为单位容积曝气池的需氧量或单位微生物量的好氧量，其只与N,S,有关。N,S,高则单位容积或污泥量需氧量大。,b下式为降解1kgBOD的需氧量，其与N,S,的倒数有关。N,S,负荷越高，泥龄越短，则降解单位BOD需氧量就越低。,三、活性污泥反应动力学基础,1、概述：微生物的增殖、代谢与有机底物浓度、Qc以及生化反应速度等密切相关。反应动力学则是从生化角度来研究以提高我们理论认识水平，并指导我们优化工艺与设备。,2、莫诺特(Monod)方程式,法国学者Monod于1942年采用纯菌种在培养基稀溶液中进行了微生物生长的实验研究，并提出了微生物生长速度和底物浓度间的关系式：,=,max,S/K,s,+S,微生物在对数期和静止期的典型生长模式。,式中：为微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度.,max,为微生物最大比增长速度；,Ks：饱和常数,为的底物浓度,故又称半速度常数.,S：底物浓度。,a、当底物过量存在时，微生物生长不受底物限制。处于对数增长期，速度达到最大值,为一常数。,SKs、Ks+SS ,=u,max,。,此时反应速度和底物浓度无关，呈零级反应，即n=0。,b、当底物浓度较小时，微生物生长受到限制，处于静止增长期，微生物增长速度与底物浓度成正比。此时，,S，与底物浓度或正，呈一级反应。,c、随着底物浓度逐步增加，微生物增长速度和底物浓度呈,=,max,S/K,s,+S，,即不成正比关系，此时0n1呈混合反应区的生化反应。,上述研究结果，与米门方程式十分相近。,米门方程式为:V,V,max,S/K,s,+S,；monod方程的结论使米门方程式引入了废水工程的理论中。具体推导如下：,Ydx/ds=(dx/dt)/(ds/dt)=r/q=(r/x)/(q/x)=/V。,式中：dx为微生物增长量；,dx/dt为微生物增长速率（即r）；,r/x，即微生物比增长速度；,ds为底物消耗量；,q ds/dt，为底物降解速度；,v q/x，为底物比降解速度。,Y.V；,max,Y.V,max,；,带入,=,max,S/K,s,+S,得：,V,V,max,S/K,s,+S,，即米门方程式。,V(ds/dt)/X，,ds/dt=,V,max,SX/K,s,+S,，即p115432式。,将monod方程倒装：,得：1/1/,max,.(k,s,/s+1)=k,s,/,max,.(1/s)+1/,max,。,根据monod方程与米一门方程的相关性，,前面已推导Y.V；,max,Y.V,max,。,代入得：1/V=k,s,/V,max,.(1/s)+1/V,max,。,由于 V=(ds/dt)/X，1/V=Xdt/ds=Xt/(S,a,-S,e,),即Xt/(S,a,-S,e,)=k,s,/V,max,.(1/s)+1/V,max,即p1184-4式,当我们以1/V为纵坐标，以1/S,e,为,横坐标；对一组实验结果进行统,计(p118图4-15)则可求出1/V,max,和=k,s,/V,max,。,3、劳伦斯麦卡蒂(LawrenceMcCarty)方程式,1）基础概念,a、微生物比增殖速率,=,(dx/dt)/X,b、单位基质利用率 q=(ds/dt),/X,c、生物固体平均停留时间 Q,c,=VX/X;,2）基本方程,第1方程：dx/dt=Y(ds/dt),u,-K,d,X,a,；1/Q,c,=YqK,d,；,第2方程VV,max,S/(K,s,+S)：,有机质降解速率等于其被微生物利用速率，即V=q,V,max,=q,max,(ds/dt),u,=V,max,SX,a,/(K,s,+S),3）方程的应用,a、确立处理水有机底物浓度（Se）与生物固体平均停留时间（Qc）之间的关系,对完全混合式：S,e,K,s,(1/Q,c,+K,d,)/Y(S,a,-S,e,)-(1/Q,c,+K,d,),对推流式：1/Q,c,=YV,max,(S,a,-S,e,)/(S,a,-S,e,)+K,s,S,a,/S,e,Kd,b、确立微生物浓度（X）与Qc间的关系。,对完全混合式：XQ,c,Y(S,a,-S,e,)/t(1+K,d,Q,c,),对推流式：XQ,c,Y(S,a,-S,e,)/t(1+K,d,Q,c,),说明反应器内微生物浓度(X)是Qc的函数。,c、确立了污泥回流比(R)与Qc的关系。,1/Q,c,=Q1+R-R(X,r,/X,a,)/V,式中：Xr为回流污泥浓度，(Xr),max,=10,6,/SVI。,d、总产率系数（Y）与表观产率系数（Yobs）间的关系.,Y,obs,Y/(1+K,d,Q,c,)即实测污泥产率系数较理论总降低。,c、确立了污泥回流比(R)与Qc的关系。,1/Q,c,=Q1+R-R(X,r,/X,a,)/V 。,式中：Xr为回流污泥浓度，(Xr),max,=10,6,/SVI。,d、总产率系数（Y）与表观产率系数（Yobs）间的关系,Y,obs,Y/(1+K,d,Q,c,)即实测污泥产率系数较理论总降低。,e、在污水处理系统中（低基质浓度）中，对VV,max,S/(K,s,+S)的推论：,VV,max,S/(K,s,+S)，Vq；q V,max,S/(K,s,+S),由于K,s,S（低基质浓度），q V,max,S/K,s,K.S,。,V(ds/dt),u,/X,a,=K,s,(ds/dt),u,=(K,s,),max,而(ds/dt),u,(S,a,-S,e,)/tQ(S,a,-S,e,)/V，,KS,e,Q(S,a,-S,e,)/X,a,V，由此可以求定曝所池体积。,例题 p121 例4-1,四、活性污泥处理系统的运行方式与曝气池的工艺参数,1、传统活性污泥法（activated sludge process）,工艺特征：,a、经历了起端的吸附和不断的代谢过程。,b.微生物经历了由对数期至内源呼吸期。,c.有机物，迅速降低,但之后变化不大,总去除率90左右。,d.需氧量由大逐步越少。,存在不足：曝气池首端有机负荷大，需氧量大，实际供氧难于满足此要求（平均供氧）。使首端供氧不足，末端供氧出现富裕，需采用渐减试供氧。,2、阶段曝气活性污泥法（step aeration activated sludge,process）（分阶段进水或多阶段进水）,工艺特点：,a、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，降低能耗。,b、混合液中X,a,浓度降低,减轻二次池负荷,利于固液分离。C、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。,3、再生曝气活性污泥法（即传统活性污泥法的前端先设置污泥再生）,工艺特点：,a、提高污泥活性，使其充分代谢。,b、再生池不另行设置,而是将曝气池的一部分在再生池。,曝气池一般3或6廊道，1/3或1/6作再生段。,C、效果与传统活性污泥法相近,BOD去除率90以上.,4、吸附再生活性污泥法,工艺特点：,a、将吸附与代谢过程分二个池或二段。其初期吸附现象见,p125126及图422。,b、由于再生池只对活性污泥曝气，减小了池容。,c、由于吸附段池容较小（部分为再生池容积），泥水接触时,间短(3060min)，出水BOD去除率一般小于90。,5、延时曝气活性污泥法（extended aeration activated sludge process）,适宜对出水水质要求高的场合。如氧化沟、A/O法和A,2,/O工艺等。,工艺特点：负荷低，曝气时间长（24h以上），活性污泥处于内源呼吸期，剩余污泥少且稳定，污泥不需要消化处理，工艺也不需要设初沉池。,不足：池容大、负荷小、曝气量大、投资与运行费用高。,6、高负荷活性污泥法（又叫短时曝气活性污泥法）,工艺特点：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。,不足：BOD去除率不高（7075%），出水水质不达标。,7、完全混合（complete-mixing）活性污泥法：,工艺特点：,a、污水进入曝气池后迅速被稀释混,匀，水质水量变化对系统影响小。,b、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。,c、需氧速度均衡，动力消耗略省。,不足：池内未有污染物浓度、微生物浓度与种群的梯度或链群，导致微生物的有机物降解动力低下，易出现污泥膨胀。,类型：按构筑物形状分合建式与分建式。,8、多级活性污泥法：,当进水有机污染浓度很高时采用此工艺,工艺特点：,a、污水处理单元串联。,b、负荷高（一级），且赖冲击负荷，二级负荷低。,c、各级污泥Qc不同，微生物种群各异.,不足：投资与运行费用高，管理麻烦（各种设备多）。,9、深水曝气活性污泥法,工艺特点：,a、由于水压加大，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。,b、向深部发展，节省占地。,按机械（曝气）设备的利用情况，分中层曝气和底层曝气，前者可以利用常用风机（5m风机），对10m深井曝气；后者需用高压风机（10m风机）。,10、深井曝气活性污泥法：,工艺特点：,a、由于水压很大（井深50-100m），明显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，进而显著提高氧的传递速率，从而利于微生物的增殖与有机污染物的降解。,b、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。,不足之处:施工难度大,对,地质条件和防渗要求高。,11、浅层曝气活性污泥法：,理论基础：气泡只是在形成与破碎瞬间，有着最高的氧转移率，而与水深无关。,工艺特点：曝气器安装深度0.60.8m,适宜低压水机曝气。,12、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。,不足之处：要密闭运行，工艺运行管理复杂。,具体各种工艺的设计与参数见P131表4-7,具体总结如下：,a、BOD负荷：一般BOD污泥负荷0.20.4，延时曝气法低（1.5，按p108图47设计；而对特殊的深井曝气和纯氧曝气因氧的传质改善，可以把BOD负荷设计在0.51.5之间。,b、泥龄：对一般的活性污泥法工艺以及深井曝气和纯氧曝气工艺，其泥龄一般在515d，多数68d；高负荷活性污泥法泥龄2.5d以下；而延时曝气则一般在20d以上。,c、曝气池混合液浓度（X）：一般在3000mg/L左右。延时曝气、合建式完全混合活性污泥法以及深井曝气略高。,d、污泥回流比：一般在100以下,多数在50左右；而延时曝气、合建式完全混合活性污泥法回流比在100以上。,e、曝气时间：一般在8h以下，多数为46h。但延时曝气一般在20h以上;高负荷工艺和深井曝气工艺曝气时间很短。,各种工艺技术的着重点包括：,强化不同微生物的作用（群落），如高负荷、多级、延时曝气等工艺。,提高氧的传质，降低能耗（纯氧曝气、深水曝气、深井曝气以及浅层曝气等）。,节省占地（深井）。,保证出水水质（延时曝气、多级曝气等）。,活性污泥特性(收附再生、再生以及高负荷活性污泥法等)。,易管理与构筑物单元少，如合建式完全混合活性污泥法与SBR等。,利于污泥处置，延时曝气以及A,2,/0等。,