污水的生物处理一 活性污泥法.docx
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污水的生物处理一活性污泥法
第四章 污水的生物处理
(一)――――活性污泥法
人工处理:
活性污泥法、生物膜法
自然处理
§4.1 活性污泥法的基本原理
一.基本概念和工艺流程
(一)基本概念
1.活性污泥法:
以活性污泥为主体的污水生物处理。
2.活性污泥:
颜色呈黄褐色,有大量微生物组成,易于与水分离,能使污水得到净化,澄清的絮凝体
(二)工艺原理
1.曝气池:
作用:
降解有机物(BOD5)
2.二沉池:
作用:
泥水分离。
3.曝气装置:
作用于①充氧化②搅拌混合
4.回流装置:
作用:
接种污泥
5.剩余污泥排放装置:
作用:
排除增长的污泥量,使曝气也内的微生物量平衡。
混合液:
污水回流污泥和空气相互混合而形成的液体。
二.活性污泥形态和活性污泥微生物
(一)形态:
1、外观形态:
颜色黄褐色,絮绒状
2.特点:
①颗粒大小:
0.02-0.2mm②具有很大的表面积。
③含水率>99%,C<1%固体物质。
④比重1.002-1.006,比水略大,可以泥水分离。
3.组成:
有机物:
{具有代谢功能,活性的微生物群体Ma
{微生物内源代谢,自身氧化残留物Me
{源污水挟入的难生物降解惰性有机物Mi
无机物:
全部有原污水挟入Mii
(二)活性污泥微生物及其在活性污泥反应中作用
1.细菌:
占大多数,生殖速率高,世代时间性20-30分钟;
2.真菌:
丝状菌→污泥膨胀。
3.原生动物
鞭毛虫,肉足虫和纤毛虫。
作用:
捕食游离细菌,使水进一步净化。
活性污泥培养初期:
水质较差,游离细菌较多,鞭毛虫和肉足虫出现,其中肉足虫占优势,接着游泳型纤毛虫到活到活性污泥成熟,出现带柄固着纤毛虫。
☆原生动物作为活性污泥处理系统的指示性生物。
4.后生动物:
(主要指轮虫)
在活性污泥处理系统中很少出现。
作用:
吞食原生动物,使水进一步净化。
存在完全氧化型的延时曝气补充中,后生动物是不质非常稳定的标志。
(三)活性污泥微生物的增殖和活性污泥增长
四个阶段:
1.适应期(延迟期,调整期)
特点:
细菌总量不变,但有质的变化
2.对数增殖期增殖旺盛期或等速增殖期)
细菌总数迅速增加,增殖表速率最大,增殖速率大于衰亡速率。
3.减速增殖期(稳定期或平衡期)
细菌总数达最大,增殖速率等于衰亡速率。
4.内源呼吸期:
(衰亡期)
细菌总数不断减小,增殖速率小于衷亡速率,微生物的增殖要受到有机物含量的控制。
(四)活性污泥絮凝体形成
菌胶团:
P99细菌集团MLSS
原理:
活性絮凝体的形成与曝气池内的能含量有关
☆能含量:
曝气池内的有机物量与微生物量的比值,用F/M表示。
有机物F小,F/M小,能含量低,处于内源呼吸期,有利于絮凝体形成。
F大,F/M大,1/2mv2大,引力小不易结合。
F小,F/M小,V↓,易结合成小的菌胶团→生物絮凝体。
Ma+Me+Mi+Mii
三.活性污泥净化反应过程
1、初期吸附去除阶段
5-10分钟有机物高速去除
定义:
P100,吸附去除的原因→有巨大表面积,吸附力强,外部覆盖着多糖类的粘质层。
吸附去除结果:
有机物从污水中转移到活性污泥上去
2.微生物代谢
酶:
透膜酶
大分子(水解酶)→小分子(透膜酶)→细菌体内→微生物代谢
↗(分解代谢)→无机物+Q↗残存物质(20%)
有机物+O2(异养菌)→(合成代谢)→新细胞(内源代谢)→无机物质+Q(80%)
4.2活性污泥净化反应影响因素与主要设计运行参数
一.影响因素
1.营养物质平衡:
CNP
碳源N源无机盐类
C→BOD5≥100m3/L城市污水满足对某些工业废水,C低,补充碳源
N:
生活污水满足
对某些废水,N不足。
(尿素,(NH4)2SO4
Na3PO4-K3PO4C:
N:
P=100:
5:
1
2.DO:
{过低:
微生物生理活动不能正常进行,处理效果差
{过高:
①有机物降解过快,微生物因缺营养而死亡②耗能过大经济浪费
曝气池出口处DO2mg/L(局部区域进水口处较低,不宜低于1mg/L)
3.PH6.5—8.5偏碱
PH> 8.5粘性物质破坏→活性污泥结构破坏
PH<6.5:
分子结构有变化
4.水温:
{低温细菌
{中温细菌一般化10℃--45℃污水中草药15℃--35℃
{高温细菌↘对常年或半年处于低温地区,曝气池建在室内,建在室外要有保温措施.
5.有毒物质→对微生物抑制和毒害作用
重金属离子CN-酚
S2-
二.活性污泥处理系统的控制指标和设计运行操作参数
目标:
{①使水质,水量得到控制
{②使活性污泥量保持相对稳定
{③控制混合液中DO浓度,满足要求
{④使活性污泥有机物和DO充分接触
控制指标(对活性污泥的评价指标)→(工程上)设计运行操作的参数
1.表示控制混合液中活性污泥微生物量的指标混合液→污泥浓度
⑴混合液悬浮固体浓度(简化混合液污泥浓度)英文:
Mixedliquidsuspendedsolids(mlss)
定义:
P106
MLSS=(活性污泥固体物总重量)/混合液体积
MLSS=Ma+Me+Mi+Mii(Me+Mi)→非活性Mii→无机
⑵混合液挥发性悬浮固体浓度
SS{MLVSS有
{MLSS无
一般用f表示=MLVSS/MLSS城市污水落石出0.7---0.8
2、活性污泥的沉降性能及评定指标
⑴污泥沉降比P107
SV=(混合液30min静沉的沉降污泥体积ml)/(原混合液体积l)
意义:
SV小,沉淀污泥体积小,污泥沉降性能好.
城市污水:
15%---30%
⑵污泥溶积指数:
(SVI)(sludgsVolumeIndex)
SVI=(混合液30min静沉形成的活性污泥溶积ml)/(混合液中悬浮固体干重g)
=((混合静沉30min的污泥体积)/(混合液体积))/((混合液悬浮固体干重)/混合液体积))
=SV/MLSS
意义:
SVI过低,无机颗粒多,污泥缺乏活性。
SVI过高,污泥沉降性能不好,易发生膨胀。
SVI:
70-100SVI=100SVI=120
工程意义:
{①SVI与OBD污泥负荷关系
{②SVI-MLSS图
3.污泥龄(sludgeage)
指曝气池内活性污泥平均停留时间,以称生物固体平均停留时间。
在曝气池内,有机物降解过程中,微生物保持系统平衡,必须排除相当于每日增长的污泥量。
所以,排除污泥量=每日增长的污泥量
△X={随上清液排放的污泥土(Q-Qw)Xe
{从二沉池底部排出的污泥QwXr
△X=(Q-Qw)Xe+Qw-Xr
污泥量定义:
曝气池内活性污泥量与每日排放的污泥量之比
Qc=XV/△X=XV/((Q-Qw)Xe+QwXV)
X:
代表微生物量XXrXeXv
S:
代表有机物量SaSeSo
回流污泥浓度等于排放剩余污泥浓度
(Xr)max=106/SVI
4.BOD—污泥负荷和BOD—容积负荷
F/M=NS=(QSa)/(XV)(kgBOD)/(kgmlssd)
定义:
V=(QSa)/(XNs)Q—日平均流量m3/s
Sa进入曝气池的原污水有机污染物(BOD)浓度
Sa=(1-η)S0(经除尘之后)
Sa=S0直接进入
在工程上:
BOD容积负荷
Nv=(QSa)/v(kgBOD)/(m2曝气池d)
Nv=NsX
Ns选取{过高,有机物降解和微生物繁殖速度都很大
{过低,有机物降解和微生物繁殖速度慢,容积大,增加了基建投资
Ns{高负荷:
1.5-2.5kgBOD5/kgMlssd
{中负荷(一般):
0.5-0.2
{低负荷:
≤0.1
SVI0.5-1.5避免易发生污泥膨胀
城市污水:
Ns:
0.5-0.3
5.有机物的降解和活性污泥增长
{合成代谢---新细胞 ↘
差值---净增值----排放
{内源代谢---减少新细胞↗
△X=aSr-bxb---自身氧化率 a---合成产率Sr=Sa-Se
(dx/dt)g=(dx/dt)s-(dx/dt)e
(dx/dt)s=Y(ds/dt)uY—合成产率系数
(dx/dt)e=kdsv
(dx/dt)g=Y(ds/dt)u-kdxv----微生物增值速度基本方程式
(ds/dt)v=(Sa-Se)/t=(Sa-Se)/(V/Q)=Q(Sa-Se)/V
△X/v=YQ(Sa-Se)/v-KdXv同乘v
△X=YQ(Sa-Se)-KdVXv→用来计算排放的剩余污泥量
YKd的确定(上式同除以VXv)
△X/VXv=YQ(Sa-Se)/VXv-Kd
BOD污泥去除负荷
Xv/△X=Qc∴1/Qc=Ynys-Kd
Nys与Qc成反比关系
用图解法确定YKd图
经验数据生活污水:
Y0.4—0.65
Kd0.05—0.1
城市污水;Y0.4—0.5
Kd0.07
工业废水,YKd按实测数据由图解法组成
6.有机物的降解与需氧量
需氧过程{有机物降雨量降解的需氧量
{微生物内源代谢自身氧化需气量
Ov=a’Q(Sa-Se)+b’VXv用来计算曝气池内实际需氧量
a′:
有机物降解需氧量b′:
需氧率图解确定
O2/VXv=a′Q(Sa-Se)/VXv+b′=a′Nrs+b′
同除以Q(Sa-Se)
O2/QSr=a′+b′/Nrs
结论:
降解单位有机物需氧量小,BOD去除率高。
a′b′确定O2/VXv=a′+b′/Nrs
a′0.42---0.53b′0.188---0.11
4.3活性污泥反应动力学基础
一.概述
研究目的{①研究反应速度和环境因素间的关系
{②对反应的机理进行研究,使反应进行控制
反应动力学方程式{米门方程式1913 研究酶促反应速度
{莫诺方程式 1942
{劳—麦方程式1970
二.莫诺方程式
1.基本方程式形式
提出人:
莫诺时间:
1942 试验条件:
纯种生物在单一底物的培养基中
试验内容:
研究微生物的增值速度与底物浓度间的关系
结果与米门方程式相同
μ=μmaxS/(Ks+S)μ---比增值速度(单位生物量的增殖速度)
S―有机底物的浓度
Ks-饱和常数当μ=1/2μmax时,有机底物的浓度
有机物比降解速度与底物浓度关系
V=VmaxS/(Ks+S)
(1)
V=-(ds+dt)/xv=f(s)
-ds/dt=vmaxXS/(Ks+S)
(2)
2.推论
(1)对于高底物浓度条件下S>>Ks
V=Vmax=k1
-ds/dt=vmaxx=k1x
结论:
①在高底物浓度下,有机底物以最大速度进行降解,与有机底物浓度无关,其降解速度只与污泥浓度有关。
②低底物浓度,S<V=VmaxS/Ks=k2S(3)
-ds/dt=VmaxXS/Ks=k2SX(4)
结论:
在低底物浓度下,有机底物降解速度与有机底物浓度有关,且成一级反应(有机物多,无机物少)
由(4)得 -∫s0sds/dt=∫0tk2xsdt
S=S0e-k2xt
3.莫诺方程式在曝气池中的应用
Q(Sa-Se)/v=-ds/dt
Q(Sa-Se)/v=Nrv∴ds/dt=Nrv
(1)用来计算Nrv=-ds/dt=Q(Sa-Se)/v=(Sa-Se)/t
k2Xse=Q(Sa-Se)/v
(2)计算Nrsk2Se=Q(Sa-Se)/xv=Nrs
(3)计算有机物降解率η=(Sa-Se)/S0=1-Se/S0=k2xt/(1+k2xt)
4.有关k2的确定(图解法)
Q(Sa-Se)/xv作纵轴Se-X 斜率k2
经验数据0.0168---0.0281
三.劳—麦方程式
1.概念:
(1)把污泥龄改名为生物固体平均停留时间
(2)提出单位底物利用率概念
2.基本方程式
(1)劳---麦第一方程式 1/Qc=Yq-Kd
(2)劳 -麦第二方程式 v=q
v=KS/(Ks+S)→(ds/dt)u/xa=KS/(Ks+S)
3.劳-麦方程式的推论及应用
1Se—Qc关系
2Xa—QcXa=YQQc(Sa-Se)/t(1+KdQc)
3R---Qc
4V与q的关系(ds/dt)u/Xa=k2Se→Q(Sa-Se)/XaV=k2Se→v=Q(Sa-Se)/k2XaSe
曝气池容积的计算方法
{①NsV=Q(Sa-Se)/NsX
{②NrsV=Q(Sa-Se)/NrsXv
{③劳麦{v=YQQc(Sa-Se)/Xa(1+KdQc)
{v=Q(Sa-Se)/k2SeXa
5两种产率△X=YQ(Sa-Se)-KdVXv
合成产率微生物的净增值量
Yobs=Y/(1+KdQc)
△X计算{△X=YQ(Sa-Se)-KdVXv
{△X=YobsQ(Sa-Se)
4.4曝气池的理论基础
作用:
充氧搅拌
方法:
鼓风曝气:
从鼓风机中房或空气压缩机房送来的空气,经过设置在曝气池底的空气扩散装置,溶解于水中。
机械曝气:
利用安装在池表面的机械曝气装置,将空气溶于水中。
一.氧转移原理-传质理论
(一)菲克定律-扩散转移
Vd=-Dldc/dxdc/dx—浓度梯度
Vd=(dm/dt)/A=-Dldc/dx
(二)双膜理论
处理废水量21600m3/d,经过沉淀后的BOD5为250mg/l,希望处理后的出水BOD5为20mg/l,温度为20℃,曝气池悬浮固体浓度为4000mg/l,设计的Qc为10天。
要求:
采用劳-麦方程式计算V;计算排放的剩余污泥量
计算实际所需的空气量。
1.定义:
双膜-气膜液膜
2.基本点
(1)通过两层膜,两层膜为层流状态,气液两相主体为紊流状态
(2)传质阻力仅存在于两层膜中
(3)在气膜中存在氧分压梯度,在液膜中存在氧浓度梯度
(4)传质阻力又主要集中在液膜上(O2难溶于水)
3.表达式:
4.Kla的确定(Kla-氧总转移系数)
(1)脱氧清水测定法
充氧介质:
清水
条件:
脱氧DO-0
水温:
20℃
大气压:
1个气压
步骤:
(1)脱氧剂(Na2so3N2)DO=0
(2)对清水充氧c1t达饱和→DS
(3)C关系作图
横轴C纵轴
(2)曝气池(了解)
二、氧转移的影响因素
1.污水水质KlaCs
(1)Kla的影响Kla′=&Kla(&﹤1)
(2)对CS的影响CS′=CS(﹤1)
城市污水
水质越差,取值越小
2.水温Kla、Cs-转移速率增大
(1)对Kla的影响
(2)对CS影响CS查附录1-P607
3、氧分压C:
2㎎/L
(1)鼓风曝气
(2)机械曝气
P=1C=㎎/L为定值
4、其他影响因素
气泡大小紊流程度与气液接触时间人为因素
三、氧转移速率与供气量计算
1.标准条件下的氧转移量
(1)机械曝气
(2)鼓风曝气只将CSb→即可
2.实际条件下的氧转移量
(1)鼓风曝气
(2)机械曝气
3.供气量的计算
根据GS确定鼓风机型号及台数
(2)机械曝气QOS=R
根据QOS可确定叶轮直径与功率
4.5曝气系统与空气扩散装置
技术性能的主要指标
(1)动力效率EP㎏O2/Kwh
每消耗1Kwh的电能,转移到混合液中O2的量
(2)氧利用率EA=
(3)氧转移效率(充氧能力)EL㎏O2/h
(1)
(2)鼓风
(1)(3)机械
一、鼓风曝气系统与空气扩散装置(Or曝气装置曝气皿)
(一)鼓风曝气系统
1.组成空压机(Or鼓风机)GS
一系列连通管道
空气扩散装置
2.鼓风曝气过程
(二)空气扩散装置
1.微气泡空气扩散装置(多孔性空气扩散装置)
多孔性材料
优点:
EA较高
缺点:
易堵塞
(1)扩散板
EA=7%-14%EP=1.8-2.5㎏O2/kwh
安装:
在池底一侧或两侧
(2)扩散管
EA=10%-13%EP=2㎏O2/kwh
8-12根扩散管组成管组
(3)固定平板式微孔空气扩散皿
EA=20%-25%EP=4-6㎏O2/kwh
服务面积0.3-0.75㎡/个布满池底
(4)固定钟罩型
设计参数同(3)平板式
(5)膜片式微孔扩散皿合成橡胶
EA=27%-38%EP=3.4㎏O2/kwh
服务面积1-3㎡/个不易堵塞(与其它相对而言)
(1)
(2)(5)尤其是(5)最常用
(6)摇臂式微孔扩散器服务面积2㎡/个
EA=18%-30%EP=4.4-5.5%㎏O2/kwh
2.中气泡空气扩散器
(1)穿孔管塑料或钢管
直径25-50㎜
孔与孔之间距离50-100㎜
EA=4-6%EP=1㎏O2/kwh
(2)网状膜扩散器
EA=12-15%EP=2.7-3.7㎏O2/kwh
服务面积0.5㎡/个
3.水力剪切式空气扩散装置
特点:
利用装置本身的构造特点,产生水力剪切作用
在气泡吹出装置前,将大气泡剪切成小气泡,从而EA′↑
倒盆式
固定螺旋了解
金山型
4.水力冲击式空气扩散装置
(1)密集多喷嘴
(2)射流式空气扩散皿(射流曝气皿)
原理P157第一段
5、水下空气扩散器(了解)
〖总结〗
扩散装置安装在池底一侧,两侧Or布满池底
属于水下鼓气
二、机械曝气装置
机械曝气特点:
利用安装在曝气池表面的机械曝气装置在电机的驱动下转动,从而将空气中氧转移到水中它属于表面曝气。
它属于表面曝气
(一)机械曝气原理(通过3种作用实现)
1.表面充氧
2.整池充氧
3.吸入部分空气
(二)机械曝气装置
按传动轴的安装方向竖轴(纵轴)
卧轴(横轴)
1.竖轴机械愚昧落后敢装置
传动轴与水面垂直,装有叶轮,叶轮上装有叶片
又称竖轴叶轮曝气机(表曝机)
(1)泵型叶轮表曝机最佳线速度4.5~5m/s
叶轮淹没深度≤4㎝
目前国内已有系列产品,应用最广泛
(2)K型最佳线速度4㎝0~1㎝←叶轮淹没深度
规定叶轮直径与曝气池直径之比为
(3)倒伞型
(4)平板型
2.卧轴式表曝机
传动轴与水面平行由传动轴和叶片组成
应用→转刷曝气器(曝气转刷)
主要用于氧化沟
4.7 活性污泥反应器――曝气池
一、曝气池的分类
1.按混合液的流动形态推流式曝气池
完全混合式曝气池
循环混合式曝气池
2.平面形状
长方廊道形圆形正方形环状跑道形
3.按曝气方法
鼓风~机械~机械-鼓风~
4.与二沉池的关系
合建式~分建式~
二、推流式曝气池
形状
1.曝气系统与空气扩散装置
多采用鼓风曝气系统
也可以采用机械曝气系统
(1)采用鼓风曝气系统的空气扩散装置的布置形式
一侧布置:
当曝气池宽度较小时采用=1~2平移推流旋转推流
两侧布置:
当曝气池宽度较大时采用
布满池底:
运动形态为平移推流
(2)采用机械曝气
无隔墙时,相邻两台机械装置之间的旋转方向相反
设隔墙分室,相邻两中机械装置之间的旋转方向相同
2.曝气池的数目和廊道的排列组合
V根据污水厂规模确定曝气池的数目
一座曝气池选用1~5个廊道
廊道数为1、3、5进出水位曝气池的两侧
廊道数为2、4进出水位曝气池的同侧
3.曝气池的长、宽深
L=50~70m为宜,最长达100m→(一个廊道的长)
(总长)B-1个廊道的宽
选定H后
由H确定B
4.曝气池横向隔墙分室的问题
设置横向隔墙作用
(1)消除纵向混合
(2)消除水流死角(3)使水质稳定
(2)设置方式
(1)一端紧靠
5.曝气池的顶部与底部
45°斜面
顶部外侧设渠道,池底部设排空管(放空管)直径80~100㎜
6.曝气池的进出水设备
三、完全混合式曝气池
多采有机械曝气装置,出可以采用鼓风曝气
1.曝气沉淀池(合建式)
(1)圆形→机械曝气
曝气区:
污水从底部进入,高4m以内
导流区:
高1.5m以上,宽0.6m左右,竖向挡(整)流板作用
沉淀区澄清区
污泥区:
排泥管设在作用
回流缝作用宽度0.15~0.2m
还设池裙
(2)正方形→机械曝所
(3)长方形→鼓风曝气
2.分建式完全混合曝气池
3.曝气沉淀池的优缺点
优点:
结构紧凑占地小
缺点:
去除率很低70%高浓度有机工业废水采用
四、循环混合曝气池-用于氧化沟工艺
4.7 活性污泥处理系统的运行方式
一、传统的活性污泥法系统(普通活性污泥法)
1.工艺流程
2.工艺特征
(1)耗氧速度浓度沿池长逐渐降低(有机物沿池长↓所以
(2)供气速度沿池长均匀分布
3.工艺参数T=4~8HR=25%~75%
Ns=0.2~0.4
Mlss(X)=1500~3000mg/L
4.优缺点:
优点:
去除效果很好η≥90%
适用于处理水要求高而稳定的水质
缺点:
(1)池容大,占地多,基建费用高
(2)耗氧速度与供氧速度难于吻合适应
(易出现前段氧不足,后段供氧过剩现象)
改进法:
采取分段(阶段)进水,使有机物沿池长均有分布;
采取渐减曝气法,使供气量沿池长减少。
(3)对水质,水量变化适应性差
二、阶段曝气活性污泥法系统(多段进水~or分段进水~)
1.工艺流程:
与传统活性污泥法进水方式不同
采取多点分散,均匀地进入每卒曝气池进水口3~4个
2.工艺特征
(1)耗氧速度沿池长均匀分布
(2)供气速度沿池长均匀分布
3.工艺参数t=3~5hR=25%-95%
NS=0.2~0.4Qc=5~15dMlss=2000~3500mg/L
4.优点
(1)缩小了耗氧速度与供氧速度之间的差距
(2)对水质、水量、冲击负荷的能力有所提高
(3)减轻了=沉池的负荷
三、再生曝气活性污泥法系统
它是传统活性污泥法工艺的变型
工艺方面增加了再生池
二沉池回流污泥直接进入再生池再生
再生池作用-使活性污泥本身的活性增强
再生池一般不另设:
曝气池1~2个廊道设计过程同传统活性污泥法
(一.二.三均为推流式曝气池)
四、吸附一再生活性污泥法系统(40年代产生于美国)
→生物吸附活性污泥法or接触稳定法
1.工艺流程
分建式、合建式
2.工艺特征
将吸附和微生物代谢分别放在两个反应皿中进行
3.工艺参数
T=吸附池(30~60min)0.5~1h
再生池3~6h
R=50%~100%Ns=0.2~0.4Qc=5~15d
Mlssi吸附池1000~3000mg/L
再生池4000~10000mg/L
4.优缺点:
优点:
吸附再生池容积小
对水质、水量冲击负荷承受能力更大
缺点对于溶解性有机物含量高的污水作用不大
五、延时曝气活性污泥法系统
(完全氧化活性污泥法)50年代处出现在美国
1.工艺流程:
同传统活