第八章活性污泥法1.ppt

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1、第八章 活性污泥法 (Activated Sludge)（1）,第一节：污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础 第二节：活性污泥法的基本概念 第三节：活性污泥法的发展 第四节、氧传递和曝气设备 第五节、活性污泥系统工艺设计 第六节、二次沉淀池 第七节、运行和管理,本章内容,第一节 污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础,基本概念和原理； 微生物生长规律和生长环境； 微生物反应速率、反应级数； 微生物生长动力学； 废水的可生化性。,污水生物处理： 利用微生物的新陈代谢作用，对污水中的污染物质进行分解和转化，从而达到对污水的净化处理。,一、概述,真核生物 （细胞具有核膜和细胞器）,微生物分

2、类,污水生物处理分类,按微生物生长方式 悬浮生长法（活性污泥法） 附着生长法（生物膜法） 按微生物对溶解氧的要求 好氧生物处理 厌氧生物处理 缺氧生物处理,按微生物生长方式分类,悬浮生长法（活性污泥法） 通过适当的混合方法使微生物在生物处理构筑物中保持悬浮状态，并与污水中的有机物充分接触，完成对有机物的降解。 附着生长法（生物膜法） 微生物附着在某种载体上生长，并形成生物膜。污水经过生物膜时，微生物与污水中的有机物接触，完成对污水的净化。,按微生物对溶解氧需求分类,好氧生物处理 水中存在溶解的分子氧的条件下进行的生物处理过程，是城镇污水处理所采用的主要方法。 e.g.活性污泥法、生物膜法。 缺

3、氧生物处理 水中无溶解的分子氧，但存在化合态氧(NO3-, SO42-,S2O32-, PO43-, CO2等)的条件下进行的生物处理过程。 厌氧生物处理 水中即无溶解的分子氧，也无化合态氧的条件下进行的生物处理过程，常用于高浓度有机污水的处理。,二、基本概念和原理,代谢 底物 自养和异养 好氧生物过程 厌氧生物过程 生物脱氮理论 生物除磷理论,2.1. 代谢(metabolism): 分解代谢，合成代谢,（1）分解代谢(catabolism)：微生物将自身或外来的各种物质分解以获取能量的过程，也称为异化作用。,(2) 合成代谢(anabolism)：微生物利用一部分底物或分解代谢过程中产生的

4、中间产物，在合成酶的作用下合成微生物细胞的过程，也称为同化作用。,2.1.代谢(cond),根据能源的来源分类：,(3) 微生物的新陈代谢体系,2.2. 底物(substrate):在代谢过程中，微生物可以利用污水中大部分有机物和部分无机物作为营养源，这些可被微生物利用的物质，即称为底物。,2.3.自养和异养,根据微生物进行分解代谢时所利用的底物，可将微生物分为两种类型： 异养微生物(heterotrophic organism)：底物为有机物，如蛋白质、糖等 自养微生物(autotrophic organism)：底物为无机物，以CO2为主要或唯一碳源，无机氮为氮源,2.4. 好氧生物处理过

5、程,(1) 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：C7H14NO3,2.4. 好氧生物处理过程 (cond),2.4. 好氧生物处理过程 (cond),(3)好氧生物处理的特点： 反应速率快，所需的反应时间较短； 处理构筑物容积较小； 处理过程中散发的臭味较少； 适用于中、低浓度的有机污水，或BOD5 500 mg/L的有机污水。,厌氧生物处理过程有机物转化示意图,2.5.厌氧生物处理,2.5.厌氧生物处理(cond),厌氧生物处理优点： 不需另外提供电子受体，运行费

6、低； 剩余污泥量少； 可回收能量(CH4)。 厌氧生物处理缺点： 反应速率慢，处理构筑物容积大； 对温度、pH等环境因素较敏感； 气味大；对氨氮的处理效果不好。 通常用于处理 BOD5 2000 mg/L的有机污水。,废水生物脱氮的基本过程：氨化硝化反硝化,。,2.6.生物脱氮理论,氨化：废水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮 硝化：废水中的氨氮在好氧自养型微生物（统称为硝化菌）的作用下被转化为NO2 和NO3 反硝化：废水中的NO2 和/或NO3在缺氧条件下在反硝化菌（异养型细菌）的作用下被还原为N2的过程。,生物脱氮过程示意图,2.7.生物除磷理论,磷在

7、废水中的存在形式：磷酸盐（PO43-, HPO42-, H2PO4-）、聚磷酸盐和有机磷 磷细菌：可以过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内： 除磷菌过量摄取磷：在好氧条件下，除磷菌合成聚磷酸盐并将之贮存在体内； 除磷菌的磷释放：在厌氧条件下，除磷菌分解聚磷酸盐产生磷酸，并将之排除体外； 富磷污泥的排放：在好氧条件下所摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多，废水生物除磷工艺是利用除磷菌的这一过程，将多余剩余污泥排出系统而达到除磷的目的。,3.1. 微生物的生长规律,三、微生物的生长规律和生长环境,3.1.微生物生长规律(cond),适应期(延迟期)：几分钟 - 几

8、小时 微生物细胞刚进入新环境，需要适应新的环境。 生长期(对数增长期)： 底物大量消耗，细胞增加数量与培养时间呈直线关系 稳定期(减速增长期)： 微生物升值速度与死亡率趋于平衡 营养物质减少，微生物活动能力降低，菌胶团细菌之间易于相互黏附，形成活性污泥絮体。 活性污泥具有一定的氧化有机物的能力及良好的沉降性能。 衰亡期(内源呼吸期)： 微生物细胞靠内源呼吸代谢以维持生存，许多细胞出现自溶。 生长速率为零，而死亡速率随时间延长而加快； 絮凝体吸附有机物的能力显著，但污泥活性低，污泥较松散。,3.2.控制微生物生长期对污水生物处理的重要性：,生长期 需要充足的营养物质，但高浓度的有机物进水含量易造

9、成出水的有机物超标，使出水达不到排放要求。 此时的微生物活性强，活性污泥不容易聚集和沉降，给泥水分离造成一定困难。 衰亡期末期 处理过的污水含有机物浓度低 微生物氧化分解有机物的能力差，所需反应时间长。 通常将活性污泥控制在稳定期末期和衰亡期初期。 活性污泥即具有较强的氧化和吸附有机物的能力，又具有良好的沉降性能。,3.3. 微生物的生长的影响因素,营养、温度、pH、溶解氧、有毒物质,微生物的营养 好氧： BOD5:N:P=100:5:1 （碳源：BOD5； N：NH3-N； P：PO43-P） 厌氧： C/N比：（120）：1 在废水处理中要先分析废水水质 低碳：投加生活污水或米泔水、淀粉浆

10、料等 低N：投加尿素、硫酸铵等 低P：投加磷酸钠、磷酸钾等,3.3. 微生物的生长的影响因素(cond),反应温度 微生物可分为高温性（嗜热菌）、中温性、常温性和低温性（嗜冷菌）四类。 好氧：中温性微生物为主； 厌氧：中温性和高温性微生物为主。,3.3. 微生物的生长的影响因素(cond),pH 好氧：pH 6.5 8.5 厌氧：pH 6.7 7.4 废水pH变化较大：设置调节池 溶解氧 好氧：溶解氧浓度24 mg/L 厌氧: 当有氧存在时，会形成H2O2积累，对微生物细胞产生毒害作用，使其无法生长。 设备要严格密封，隔绝空气。,有毒物质： 破坏细菌细胞的正常结构、使菌体内的酶变质并失去活性

11、有毒物质包括： 重金属离子（铅、铜、铬、砷、铜、铁、锌等） 有机物类(酚、甲醛甲醇、苯、氯苯等) 无机物类(硫化物、氰化钾、氯化钠、硫酸根、硝酸根等）。,3.3. 微生物的生长的影响因素(cond),废水生物处理有毒物质允许浓度,4.1.反应速率：在污水生物处理中，单位时间内底物的减少量或细胞的增加量。,四、微生物的反应速率和反应级数,v: 反应速率 n: 反应级数 k: 反应速率常数,4.2.反应级数：,n=0: 零级反应；v=k,即反应速率不受反应物浓度影响;,对上式两边取对数：,4.2.反应级数(cond)：,n=1: 一级反应， v = kSA n=2: 二级反应, v = kSA2,

12、4.2.反应级数(cond)：,某种污水在一连续进水和完全均匀混合的反应器里进行处理，假设反应是不可逆的，且符合一级反应(v = kSA), 反应速率常数k为0.15 d-1, 求解当反应池容积为20 m3、反应效率为98%时，该反应器能够处理的污水流量。,例题1,例题1解答：,微生物群体增长的决定性条件为营养，当外部电子受体、适宜的物理/化学环境都具备时：,dX/dt: 微生物群体增长速率； X：现有微生物群体浓度, ML-3 ：比增长速率, T-1,5.1. 微生物群体增长速率,五、微生物生长动力学,比增长速度与底物浓度的关系,取倒数：,Monod方程：,例题2,20 C时在完全混合反应器

13、中进行连续生物培养增长实验，获得实验数据如下： 试确定最大增长率m和饱和常数Ks的值。,dS/dt: 底物利用速率； X：现有微生物群体浓度(ML-3) ：比底物增长利用速率,5.2. 底物利用速率,Lawrence-McCarty方程推导,S Ks: r = rmax, dS/dt = rmaxX ，即底物的降解速率仅与微生物的浓度有关，呈一级反应关系。 Ks S： r = rmaxS/Ks=KS， dS/dt = KXS，即底物降解速率与底物浓度呈一级反应关系，微生物增长处于稳定期或衰亡期。,底物可分成两个部分：用于合成 + 提供能量,5.3. 微生物增长与有机底物降解,5.3. 微生物增

14、长与有机底物降解(cond),微生物的生长分为两部分：合成 + 内源代谢,微生物净增长速率,微生物合成速率,内源呼吸或内源代谢速率,Y:被利用的单位底物量转换成微生物体量的系数(未将内源代谢造成的微生物减少量计算在内),5.3. 微生物增长与有机底物降解(cond),废水可生化性：指废水中所含的污染物通过微生物的生命活动来改变污染物的化学结构，从而改变污染物的化学和物理性能所能达到的程度。,六、废水的可生化性,各类有机物的可降解性及特例(cond),废水可生化性的评价方法,1. BOD5/COD值法 BOD5：微生物在五天内生物降解一升污水中有机物所需的氧量 。 COD：水体中能被氧化的物质在

15、规定条件下进行化学氧化过程中所消耗氧化剂的量 用KMnO4或K2CrO7测量，不受水质影响 不能区分可被生物氧化和难以被生物氧化的有机物，包含还原性无机物 BOD5COD值愈大，说明废水可生物处理性愈好。,BOD5/COD值法(cond),废水的BOD5/COD值不可能直接等于可生物降解的有机物占全部有机物的百分数。所以，用BOD5/COD值来评价废水的生物处理可行件尽管方便，但比较粗糙，欲做出准确的结论，还应辅以生物处理的模型实验。,2、BOD5/TOD值法,TOC: total oxygen demand，其测定是在特殊的燃烧器中，以铂为催化剂，于900下将有机物燃烧氧化所消耗氧的量，该测

16、定结果比COD更接近理论需氧量。,以TOD代表废水中的总有机物含量要比COD准确，即用BOD5/TOD值来评价废水的可生化性能得到更好的相关性。,2、BOD5/TOD值法(cond),第二节、活性污泥法基本概念,活性污泥法的主要过程 活性污泥的组成 活性污泥的评价方法 Lawrence McCarty 模型,一、活性污泥法的主要过程,活性污泥法：利用悬浮生长的微生物絮体(即活性污泥)处理有机废水一类好氧生物的处理方法。 活性污泥具有降解废水中有机污染物（也有些可部分利用无机物）的能力，显示生物化学活性。本质上与天然水体（江、湖）的自净过程相似。,活性污泥法净化废水过程,吸附 微生物代谢 凝聚与

17、沉淀,活性污泥法净化废水过程 吸附,吸附：废水中的污染物被比表面积巨大且表面上含有多糖类粘性物质的微生物吸附和粘连。,活性污泥法净化废水过程 微生物代谢,吸收进入细胞体内的污染物通过微生物的代谢反应而被降解。,活性污泥法净化废水过程 凝聚与沉淀,产生凝聚的原因： 细菌体内积累的聚-羟基丁酸释放到液相，促使细菌间相互凝聚; 微生物摄食过程释放的粘性物质促进凝聚； 当外界营养不足时，细菌内部能量降低，表面电荷减少，使细菌间容易相互聚集。 沉淀:是混合液中固相活性污泥颗粒同废水分离的过程。,活性污泥法的基本流程,二、 活性污泥组成和成分,活性污泥组成： 好气性微生物 细菌、真菌、原生动物、后生动物

18、微生物代谢和吸附的有机物、无机物。 活性污泥成分 有活性的微生物 (Ma); 微生物自身氧化残留物(Me); 吸附在活性污泥上不能被微生物所降解的有机物(Mi); 无机悬浮固体(Mii),活性污泥成分(cond),活性污泥性状,粒径：200 1000 m 表面积： 20 100 cm2/mL 相对密度： 曝气池混合液 1.002 1.003 回流污泥 1.004 1.006 一般呈茶褐色，略显酸性，稍具土壤气味并夹带一些霉臭味。 供氧不足或出现厌氧状态：呈黑色 供氧过多营养不足：灰白色。,活性污泥图片,三、活性污泥评价方法,生物相观察 MLSS和MLVSS 污泥沉降比和污泥体积指数 BOD负荷

19、 污泥泥龄和回流比,生物相观察,工具：光学显微镜或电子显微镜 观察内容： 种类 数量 优势度 代谢活动 在一定程度上可反映整个系统的运行状况。,生物相观察(cond),活性污泥中的微生物在污水处理中起作用的主要是细菌和原生动物。 细菌：活性污泥净化功能最活跃的成分 游离细菌：有较强的氧化分解有机物的能力；e.g. 球菌、杆菌、螺旋菌, 菌胶团：活性污泥絮凝体的基本成分，是无数短杆菌的群体。为原生动物和丝状细菌提供生长场所； 丝状细菌：增殖速率较高； e.g. 球衣细菌、硫丝细菌、白硫细菌 原生动物： 常见的有肉足类、鞭毛类和纤毛类等，尤其以固着型纤毛类,如钟虫、盖虫、累技虫等占优势。,MLSS

20、 & MLVSS,MLSS: mixed liquor suspended solids, 混合液悬浮固体浓度。 曝气池中单位体积混合液中活性污泥悬浮固体的质量，也称为污泥浓度(g/L)。 MLVSS: mixed liquor volatile suspended solids, 混合液挥发性悬浮固体浓度。 混合液悬浮固体中有机物的质量(g/L)。 对于某一特定的污水处理系统，MLVSS/MLVV的比值相对稳定(0.7 0.8),SV%：曝气池混合液静止30 min后，沉淀污泥与原混合液的体积比(用百分数表示)。,污泥沉降比(settled volume, SV%),污泥体积指数 (sett

21、led volume index, SVI),SVI:曝气池混合液静止30 min后，每克悬浮固体所占有的体积(mL/g) 是判断污泥沉降浓缩性能的重要参数： SVI=100150：污泥沉降性能好 SVI200：污泥沉淀性较差，污泥易膨胀。 SVI过小：污泥含无机物较多，污泥活性差。 一般城市污水SVI：50 150,例题3,某曝气池污泥沉降比SV=30%， MLSS = 3000 mg/L, 计算其污泥体积指数SVI。,S0: 曝气池入流废水的BOD5浓度，kg/m3 V: 曝气池容积，m3 X: 曝气池MLSS浓度，kg/m3 Q: 废水流量，m3/d,BOD负荷,污泥负荷Ls 单位质量活

22、性污泥在单位时间内所承受的有机污染物量，kg(BOD5)/kg(MLSS)d。 也称为F/M比(F: 营养料量，M：微生物量) 容积负荷Lv 单位曝气池有效容积活性污泥在单位时间内所承受的有机污染物量，kg(BOD5)/m3d,例题4,含CN50mg/L的有机工业废水，水量Q为100m3/h,在有效容积V500m3曝气池中用活性污泥法处理之，为维持氰的污泥负荷Ls0.1kgCN-/kgMLSSd，求必要的污泥浓度为多少？,Q= 100m3/h = 100 *24 m3/d Ls = 0.1 = QS0/VX = 2400 * 50 / 500X, X= 2400 mg/L,Se: 出水底物浓度

23、 : 去除率 t: 曝气时间,(经验式, K, n为经验常数),日本桥本奖统计了美国46个城市污水厂的运转数据，得到上式中的K0.01295，n=1.1918（相关系数r=0.821） 国内某石油化工厂废水活性污泥法处理系统的K=0. 00326，n=1.33（相关系数r=0.92）； 某煤气厂废水，按酚的去除负荷计，K=0.3802，n=0.4586，按COD的去除负荷计，K=6.624，n=0.5521。,完全混合曝气池的污泥负荷Ls,当污泥负荷在 0.17 3.07 kg/(kgd)时： SVI = 353 Ls0.983,污泥负荷与处理效率的关系,污泥负荷及水温对活性污泥特性的影响,污

24、泥负荷对营养比要求的影响,低负荷： 污泥自身氧化程度较大，在有机体氧化过程中释出N 在延时曝气法中，BOD5:N:P=100:1:0.2时即可使微生物正常生长。 一般负荷: BOD5:N:P=100:5:1。,例题5,某厂废水其初始BOD5浓度为1000mg/L，含N为20mg/L，含P为10mg/L，水流量为1600m3/d,现向废水中加尿素CH4N2O补充活性污泥法所需水中营养物氮量之不足，加三聚磷酸钠Na3PO410H2O补充磷量之不足，问尿素与三聚磷酸钠最少添加量分别为多少？,例题5解答,该系统中BOD5 : N : P = 1000 : 20 : 10 = 100:2:1 一般负荷情

25、况下，BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 (N 为NH3， P为PO43-） 该系统不需另外加P，但需要补充N 1L废水需补充(100*5)/1000 20 = 30 mg N/L 1L废水中需要加 CH4N2O: 30 mg N/L * (60 g/mol CH4N2O / 28 g N/mol) = 64.3 mg CH4N2O /L = 64.3 g/m3 每天需补充的CH4N2O ： (1600 m3/d)*(64.3 g/m3) = 102880g/d = 102.9 kg/d,(X)T: 处理系统中的活性污泥质量，kg ( X/ t)T: 每天从处理系统中排出的活

26、性污泥质量，kg/d,污泥泥龄（c）,污泥泥龄：Solids Retention Time,SRT 在处理系统中(曝气池)微生物的平均停留时间。,= 水力停留时间（hydraulic detention time ),污泥泥龄计算 完全混合系统,污泥泥龄计算 有污泥回流的连续流混合系统(1),Q Qw Se, Xe,出水的Xe很小：,出水的Xe很小：,污泥泥龄计算 有污泥回流的连续流混合系统(2),Qr: 污泥回流量; Q: 进水流量,若从二沉池出水所夹带的活性污泥量、剩余污泥排放量以及污泥增长量忽略不计：,当二沉池运行正常时: (XR)max = 106/SVI,污泥回流比R,例题6,用活性

27、污泥法处理某废水，在污泥体积指数SVI为100ml/g，污泥回流比r=0.25，若保持污泥浓度MLSS不变，当SVI提高到150ml/g时，回流比r应取多少？,XR = 106 /SVI = (1+R)X/R 106 / 100 = (1 + 0.25)X / 0.25， X = 2000 mg/L 当SVI 提高到 150 mg/L: 106 / 150 = (1 + R)* 2000 / R, R = 0.43,稳定状态下，体系的质量平衡方程为： 累积= 0 =进入-出流+净增长,四、Lawrence McCarty 模型,假设条件 活性污泥系统运行条件处于稳定状态 活性污泥在二次沉淀池内

28、不产生微生物代谢活动 系统中不含有毒性物质和抑制物质 进水底物浓度保持恒定 全部生物可降解的底物处于溶解状态,Lawrence McCarty 模型 微生物,Lawrence McCarty 模型 底物,城镇污水的典型动力学参数值(20C),例题6,某城市建立完全混合曝气池为主体的二级处理厂。已知流量为10000m3/d。经初次沉淀后BOD5 浓度S0为150mg/L，要求出水BOD5 浓度小于5 mg/L。试验参数Y为0.5kg/kg，Kd为0.05d-1， c为4d。假设污泥MLSS 为3000 mg/L，二次沉淀池排除的污泥浓度为10000 mg/L () 。试确定曝气池体积，每天排除剩余污泥量和回流比。,例题6解答,