活性污泥法课件

1,第12章活性污泥法,第一节基本概念第二节活性污泥法的发展第三节活性污泥法数学模型基础第四节气体传递原理和曝气设备第五节去除有机污染物的活性污泥法过程设计第六节脱氮除磷活性污泥法工艺及设计第七节活性污泥法系统设计方法的深化第八节二次沉淀池第九节活性污泥法处理系统的设计、运行与管理,2,第一节基本概念,3,什么是活性污泥法？,以活性污泥为主体的污水生物处理技术。本质：天然水体自净化作用的人工强化，是好氧生物处理过程。应用：去除污水中溶解和胶体状态的可生物降解有机物。,4,什么是活性污泥？,由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物群体及吸附的污水中有机和无机物质组成的、有一定活力的、具有良好的净化污水功能的絮绒状污泥。,一、活性污泥,5,一组活性污泥图片,6,1、栖息着的微生物,（一）活性污泥的组成,大量的细菌,真菌,原生动物,后生动物,除活性微生物外，活性污泥还挟带着来自污水的有机物、无机悬浮物、胶体物；活性污泥中栖息的微生物以好氧微生物为主，是一个以细菌为主体的群体，除细菌外,还有酵母菌、放线菌、霉菌以及原生动物和后生动物。活性污泥中细菌含量一般在107108个/mL；原生动物103个/mL，原生动物中以纤毛虫居多数，固着型纤毛虫可作为指示生物，固着型纤毛虫如钟虫、等枝虫、盖纤虫、独缩虫、聚缩虫等出现且数量较多时，说明培养成熟且活性良好。,真菌,有菌丝(霉菌等),无菌丝(酵母菌等),大量的细菌,真菌,原生动物,大量的细菌,真菌,2、干固体和水分,MLSS,含水9899,干固体12%,活性污泥=Ma+Me+Mi+Mii,活性微生物细菌+真菌+原生动物+后生动物,自身代谢的产物,吸附的不可生物降解的有机物,吸附的无机物,按McKinney的分析：,3、活性污泥的组成：,8,有活性的微生物存在形态菌胶团：由细菌分泌的多糖类物质将细菌等包覆成的粘性团块。,9,4、按有机性和无机性成分：,MLSS,MLVSS:70%,MLNVSS:30%,MLSS混合液悬浮固体浓度，指曝气池中单位体积混合液中活性污泥悬浮固体的质量，也叫污泥浓度（g/L)。MLVSS混合液挥发性悬浮固体浓度，表示混合液悬浮固体中有机物含量，但不仅是微生物的量，由于测定方便，目前还是近似用于表示污泥。MLNVSS灼烧残量，表示无机物含量。,MLVSS:一般范围为5575，,即MLVSS/MLSS=0.70.8，,10,（二）曝气池活性污泥的性状,1、正常,11,（二）活性污泥的性状,供氧不足或厌氧,黑色,灰白色,供养过多或营养不足,1、不正常,12,曝气池,13,14,曝气池出水堰,15,曝气池混合液配水进入二沉池,曝气池中的曝气头的布置,17,（三）活性污泥的评价方法,1、生物相观察光学显微镜或电子显微镜,2、混合液悬浮固体浓度（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）。,实验设计,MLSS：取一定体积的水样，然后用滤纸过滤，再将滤纸放在烤箱烘至恒重，减去干净滤纸的重量就是污泥的重量（m1），除以水样的体积。MLVSS：将做完MLSS的干污泥放至电炉上碳化至不冒烟为止再放入600的马福炉中灼烧3040min，降温至110放入烘箱和干燥器中，冷却称重记m2(灼烧残量)。m1-m2/水样体积,19,3、污泥沉降比：SV,（三）活性污泥的评价方法,取混合液至1000mL或100mL量筒，静止沉淀30min后，度量沉淀活性污泥的体积，以占混合液体积的比例（%）表示污泥沉降比。可反映污泥的沉降性能。,污泥沉淀30min后密度接近最大，故SV可反映沉降性能。能反映污泥膨胀等异常情况，可控制剩余污泥的排放量。城市污水正常值为15%30%左右。简单易行但SV不能确切表示污泥沉降性能。,SV的测定,0min,15min,30min,SV=40%,21,4、污泥体积指数：SVI(污泥指数、污泥容积指数）,曝气池出口处出混合液，经30分钟静沉后，每单位质量干泥所形成的湿污泥的体积，简称污泥指数，单位为mL/g。,反映污泥的凝聚、沉降性能。SVI应在100150。影响SVI的最重要的因素是微生物群体所在的增殖期。太高，沉降性能差，可能膨胀；太低，可能处在内源呼吸期，泥粒细小而紧密，易沉降，活性差，无机物多。实际运行中，一般用SV了解SVI，因为曝气池MLSS变化不大。,22,定义：指单位质量活性污泥（干重）在单位时间内所能够接受，并将其降解到某一规定额数的BOD5量，即:,式中：Ls污泥负荷率,kgBOD5/（kgMLVSSd）;Q与曝气时间相当的平均进水流量，m3/d；S0曝气池进水的平均BOD5值，mg/L；X曝气池中的污泥浓度，MLSS或MLVSS，mg/L,污泥负荷（污泥负荷率）,习题：,1、若曝气池中的污泥浓度为2200mg/L，混合液在100mL量筒内经30min沉淀的污泥量为18mL，计算污泥体积指数。,工艺流程,回流污泥以保证曝气池内有足够的活性污泥（微生物）排放剩余污泥以保证系统的正常运行,运行条件,良好的活性污泥,充足的氧,二沉池,二.活性污泥法的基本流程,活性污泥系统有效运行的基本条件是：,废水中含有足够的可溶性易降解有机物；混合液含有足够的溶解氧；活性污泥在池内呈悬浮状态；活性污泥连续回流，剩余污泥及时排放，维持曝气池内稳定的活性污泥浓度；进水中不含有对微生物有毒有害的物质,26,二.活性污泥法的基本流程,污泥的处理处置,处理污泥占全部建设费用的20%50%，甚至70%。污水处理厂产生的污泥占处理水量的0.3%0.5%左右。污泥含大量有害有毒物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、合成有机物及重金属离子等；有用物质如植物营养素(氮、磷、钾)、有机物及水分等。污泥的处理处置与其他固体废物的处理处置一样，都应遵循减量化、稳定化、无害化的原则。,28,三、活性污泥降解污水中有机物的过程,活性污泥在曝气过程中，对有机物的降解（去除）过程可分为两个阶段：,29,对活性污泥法曝气过程中污水中有机物的变化分析得到结论：,废水中的有机物,30,曲线表示曝气池中有机物的的去除量，反映去除规律；曲线表示微生物已经氧化和合成的量，反映活性污泥利用有机物的规律；曲线表示活性污泥的吸附量反映了活性污泥吸附有机物的规律。,这三条曲线反映出，在曝气过程中：污水中有机物的去除在较短时间(图中是5h左右)内就基本完成了(见曲线)；污水中的有机物先是吸附到污泥上(见曲线),然后逐渐为微生物所利用(见曲线)；吸附作用在相当短的时间(图中是45min左右)内就基本完成了(见曲线)；微生物利用有机物的过程比较缓慢(见曲线)。,四、活性污泥法的设计与运行参数,活性污泥法是一个复杂的工程化的生物系统，除了前述的污泥性能指标外，还有很多可以描述这个系统的工艺参数，下面介绍主要的几种：,（1）BOD污泥负荷率与BOD容积负荷率,（2）污泥龄c（或污泥停留时间SRT）,（3）污泥回流比R,（4）曝气时间t（或水力停留时间HRT）,34,第二节活性污泥法的发展,35,封闭环流式,序批式,一、活性污泥法曝气反应池的基本形式,其他曝气池基本上是这四种池型的组合或变形,36,1、推流式曝气池,工艺流程：见p107,水流：推流型底物浓度分布：进口最高，沿池长逐渐降低，出口端最低。理想推流：横断面上浓度均匀，纵向无掺混,37,根据横断面上的水流情况，可分为,平流推移式,旋转推移式,38,推流式曝气池,39,推流式曝气池,40,2.完全混合曝气池,池形,根据和沉淀池的关系,41,42,污水与回流污泥在进入曝气池后，立即与池中的混合液完全混合池中微生物的种类和浓度、底物浓度需氧速率各点相同与推流式不同；对冲击负荷有较强的适应能力；出水水质不及推流式。,完全混合法的特征,完全混合法,43,曝气池的三种池型,44,机械曝气完全混合曝气池,45,鼓风曝气完全混合曝气池,46,局部完全混合推流式曝气池,思考：,比较推流式曝气池和完全混合式曝气池的优缺点,48,3.封闭环流式反应池,结合了推流和完全混合两种流态与推流式的区别:污水有40300次循环,49,4.序批式反应池（SBR）,SBR工艺的基本运行模式由进水、反应、沉淀、出水和闲置五个基本过程组成，从污水流入到闲置结束构成一个周期，在每个周期里上述过程都是在一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行的。,50,(1)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；(2)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；(3)反应推动力大,易于得到优于连续流系统的出水水质;(4)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；(5)污泥沉淀性能好,SVI值较低,能有效地防止丝状菌膨胀;(6)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。,序批式活性污泥法（SBR法）,SBR工艺与连续流活性污泥工艺相比的优点,51,(1)容积利用率低；(2)水头损失大；(3)出水不连续；(4)峰值需氧量高；(5)设备利用率低；(6)运行控制复杂；(7)不适用于大水量。,序批式活性污泥法（SBR法）,SBR工艺的缺点,52,传统推流式活性污泥法渐减曝气分步曝气完全混合法浅层曝气深层曝气高负荷曝气或变形曝气克劳斯法延时曝气接触稳定法氧化沟纯氧曝气活性污泥生物滤池（ABF工艺）吸附生物降解工艺（AB法）序批式活性污泥法（SBR法）,二、活性污泥法的发展和演变,有机物去除和氨氮硝化,53,一般采用35条廊道。充氧设备沿池长均匀分布。在推流式的传统曝气池中，混合液的需氧量在长度方向是逐步下降的。前半段氧远远不够，后半段供氧量超过需要，而充氧设备沿池长均匀分布。易受冲击负荷的影响，适应水质水量变化的能力差：污泥进入池后不能立即与混合液充分混合。,1、传统推流式,1.传统推流式,曝气池,狭长方形,供O2,回流污泥,56,2、渐减曝气：特征：充氧设备沿池长布置与需氧量匹配。节能,57,在推流式的传统曝气池中，混合液的需氧量在长度方向是逐步下降的。实际情况是：前半段氧远远不够，后半段供氧量超过需要。渐减曝气的目的就是合理地布置扩散器，使布气沿程变化，而总的空气量不变，这样可以提高处理效率。,渐减曝气,二.渐减曝气活性污泥法（TaperedAerationactivatedsludge）,渐减曝气池供氧曲线,曝气过程（曝气池长度）,需氧量,定常供氧速率,59,特征:把入流的一部分从池端引入到池的中部分点进水。优点：均衡了污染负荷和需氧率提高了耐冲击负荷的能力,3、阶段曝气（分步曝气）,60,部分污水厂只需要部分处理，因此产生了高负荷曝气法。曝气池构造与传统推流式相同。曝气时间比较短，约为1.53h，BOD5处理效率仅约70%75左右。活性污泥处于旺盛生长期。,4.高负荷曝气（改良曝气）,61,延时曝气的特点：曝气时间很长，达24h甚至更长，MLSS较高，达到30006000mg/L；活性污泥在时间和空间上部分处于内源呼吸状态，剩余污泥主要是一些难于生物降解的微生物内源代谢残留物，少而稳定，无需消化，可直接排放；适用于污水量很小的场合，近年来，国内小型污水处理系统多有使用。耐冲击负荷，无需初沉池，缺点：池体积大，基建费运行费高,5、延时曝气,62,63,6.接触稳定法（吸附再生法）,混合液曝气过程中第一阶段BOD5的下降是由于吸附作用造成的，对于溶解的有机物，吸附作用不大或没有，因此，把这种方法称为接触稳定法，也叫吸附再生法。,间隔较短时间测得的曲线，下降由吸附引起,间隔较长时间测得的曲线,65,直接用于原污水的处理比用于初沉池的出流处理效果好；可省去初沉池；此方法接触时间短，氨氮难硝化，不适于处理溶解性有机污染物废水，剩余污泥量多。,吸附再生法,回流污泥的曝气使污泥再生,曝气的同时吸附,66,7.完全混合法,长条形池子的完全混合法：在分步曝气的基础上，进一步大大增加进水点，同时相应增加回流污泥并使其在曝气池中迅速混合，长条形池子中也能做到完全混合状态。,67,进水,二次沉淀池,回流污泥,剩余污泥排放,处理水,空气,完全混合式曝气池,鼓风曝气完全混合式曝气池,7.完全混合法,71,（1）池液中各个部分的微生物种类和数量基本相同，生活环境也基本相同。（2）入流出现冲击负荷时，池液的组成变化也较小，因为骤然增加的负荷可为全池混合液所分担，而不是像推流中仅仅由部分回流污泥来承担。完全混合池从某种意义上来讲，是一个大的缓冲器和均和池，在工业污水的处理中有一定优点。（3）池液里各个部分的需氧量比较均匀。易产生污泥膨胀。,完全混合法的特征,完全混合法,72,污泥膨胀及其控制,正常的活性污泥沉降性能良好，其污泥体积指数SVI在50150之间；当活性污泥不正常时，污泥不易沉淀，反映在SVI值升高。混合液在1000mL量筒中沉淀30min后，污泥体积膨胀，上层澄清液减少，这种现象称为活性污泥膨胀。,活性污泥膨胀可分为,73,丝状菌性膨胀,当污泥中有大量丝状菌时，大量有一定强度的丝状体相互支撑、交错，大大恶化了污泥的沉降、压缩性能，形成了污泥膨胀。,74,非丝状菌性膨胀,非丝状菌性膨胀主要发生在污水水温较低而污泥负荷太高时。微生物的负荷高，细菌吸收了大量的营养物，但由于温度低，代谢速度较慢，就积贮起大量高黏性的多糖类物质。这些多糖类物质的积贮，使活性污泥的表面附着水大大增加，使污泥形成污泥膨胀。,发生污泥非丝状菌性膨胀时，处理效率仍很高，上清液也清澈。,75,一般深层曝气池直径约16m，水深约1020m。但深井曝气法深度可达150300m，节省了用地面积。在深井中可利用空气作为动力，促使液流循环。深井曝气法中，活性污泥经受压力变化较大，实践表明这时微生物的活性和代谢能力并无异常变化，但合成和能量分配有一定的变化。深井曝气池内，气液紊流大，液膜更新快，促使KLa值增大，同时气液接触时间延长，溶解氧的饱和度也随深度的增加而增加。需解决的问题：当井壁腐蚀或受损时，污水可能会通过井壁渗透，污染地下水。,8.深层曝气,普通曝气池经济深度：56m，占地面积大。,76,8.深层曝气,深井曝气法处理流程,深井曝气池简图,77,纯氧代替空气，可以提高生物处理的速度。纯氧曝气池的构造见右图。,9.纯氧曝气,缺点：纯氧发生器容易出现故障，装置复杂，运转管理较麻烦。,在密闭的容器中，溶解氧的饱和度可提高，氧溶解的推动力也随着提高，氧传递速率增加了，因而处理效果好，污泥的沉淀性也好。纯氧曝气并没有改变活性污泥或微生物的性质，但使微生物充分发挥了作用。,采用密闭池,79,克劳斯工程师把厌氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝气，然后再进入曝气池，克服了高碳水化合物的污泥膨胀问题，这个方法称为克劳斯法。消化池上清液中富有氨氮，可以供应大量碳水化合物代谢所需的氮。消化池上清液夹带的消化污泥相对密度较大，有改善混合液沉淀性能的功效。,10.克劳斯法,83,11.吸附生物降解工艺（AB法）,84,特征：分为预处理段、A级和B级三段，无初沉池A级以高负荷或超高负荷运行，B级以低负荷运行，A级曝气池停留时间短，3060min，B级停留时间24h。该系统不设初沉池，A级曝气池是一个开放性的生物系统。A、B两级各自有独立的污泥回流系统，两级的污泥互不相混。处理效果稳定，具有抗冲击负荷和pH变化的能力。该工艺还可以根据经济实力进行分期建设。,11.吸附生物降解工艺（AB法）,85,氧化沟是延时曝气法的一种特殊形式，它的池体狭长，池深较浅，在沟槽中设有表面曝气装置。曝气装置的转动，推动沟内液体迅速流动，具有曝气和搅拌两个作用，沟中混合液流速约为0.30.6m/s，使活性污泥呈悬浮状态。515min完成一次循环。廊道水流呈推流式，但总体接近完全混合反应器,12.氧化沟,86,87,13.浅层曝气,特点：气泡形成和破裂瞬间的氧传递速率是最大的。在水的浅层处用大量空气进行曝气，就可以获得较高的氧传递速率。,1953年派斯维尔（Pasveer）的研究：氧在10静止水中的传递特征，如下图所示。,88,浅层曝气,扩散器的深度以在水面以下0.60.8m范围为宜，可以节省动力费用，动力效率可达1.82.6kg（O2）/kWh。可以用一般的离心鼓风机。浅层曝气与一般曝气相比，空气量增大，但风压仅为一般曝气的1/41/6左右，约10kPa，故电耗略有下降。曝气池水深一般34m，深宽比1.01.3，气量比3040m3/（m3H2O.h）。浅层池适用于中小型规模的污水厂。由于布气系统进行维修上的困难，没有得到推广利用。,89,14.活性污泥生物滤池（ABF工艺）,上图为ABF的流程，在通常的活性污泥过程之前设置一个塔式滤池，它同曝气池可以是串联或并联的。,90,塔式滤池滤料表面附着很多的活性污泥，因此滤料的材质和构造不同于一般生物滤池。滤池也可以看作采用表面曝气特殊形式的曝气池，塔是一外置的强烈充氧器。因而ABF可以认为是一种复合式活性污泥法。,活性污泥生物滤池（ABF工艺）,91,15.序批式活性污泥法（SBR法）,SBR工艺的基本运行模式由进水、反应、沉淀、出水和闲置五个基本过程组成，从污水流入到闲置结束构成一个周期，在每个周期里上述过程都是在一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行的。,92,(1)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；(2)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；(3)反应推动力大,易于得到优于连续流系统的出水水质;(4)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；(5)污泥沉淀性能好,SVI值较低,能有效地防止丝状菌膨胀;(6)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。,序批式活性污泥法（SBR法）,SBR工艺与连续流活性污泥工艺相比的优点,93,(1)容积利用率低；(2)水头损失大；(3)出水不连续；(4)峰值需氧量高；(5)设备利用率低；(6)运行控制复杂；(7)不适用于大水量。,序批式活性污泥法（SBR法）,SBR工艺的缺点,四、膜生物反应器（MBR）反应原理,膜生物反应器是常规活性污泥法的进一步发展。它主要由膜组件和生物反应器两部分组成，大量的微生物(活性污泥)在膜生物反应器内与基质(废水中的可降解有机物等)充分接触，通过氧化分解作用进行新陈代谢以维持自身生长、繁殖，同时使有机污染物降解。膜组件通过机械筛分、截留等作用对废水和污泥混合液进行固液分离。生物处理系统和膜组件的有机结合，不仅提高了系统的出水水质和运行的稳定性，还延长了大分子物质在生物反应器中的水力停留时间，使之得到最大限度的降解。,内置式膜生物反应器（MBR）,外置式膜生物反应器（MBR）,以MitsubishiRayon(Japan)公司为代表，它具有膜面积大，易于安装，清洗方便等特点,三种常见的MBR膜组件,以GE的Zenon公司为代表，它具有膜面积大，占地面积小等特点。,三种常见的MBR膜组件,以Kubota公司为代表，具有膜通量大，易于组装，清洗方便等特点。,三种常见的MBR膜组件,1、容积负荷高，水力停留时间短。,2、污泥龄较长，剩余污泥量少。,MBR的优势,3、克服了传统活性污泥法易发生污泥膨胀的弊端。,4、可以同时进行硝化和反硝化。,5、出水水质好，甚至病原微生物都可以被去除。,6、设施占地面积小。,MBR工艺优越性,MBR工艺的不足,1、投资大：膜组件的造价高，导致工程的投资比常规处理方法增加约3050。,MBR的不足,2、能耗高：泥水分离的膜驱动压力;高强度曝气；为减轻膜污染需增大流速。,3、膜污染清洗。,4、膜的寿命及更换，导致运行成本高。膜组件一般使用寿命在5年左右，到期需更换。,渗滤液处理应用项目,渗滤液处理应用项目,4.1GE-MBR中国项目,第四章.MBR案例介绍,106,第三节活性污泥法数学模型基础,建立基础：动力学及系统的物料平衡。目的：便于对系统进行科学设计和运行管理。内容：底物降解速率与底物浓度、生物量等因素之间关系。微生物增长速率与底物浓度、生物量等因素之间关系。常见模型：劳伦斯-麦卡蒂、埃肯菲尔德、麦金尼模型。一、建立模型的假设（1）整个反应过程中,氧的供应是充分的（对于好氧处理）；(2)曝气池处于完全混合状态；(3)进水中微生物浓度假设为零；(4)全部可生物降解的底物都处于溶解状态；(5)系统处于稳定状态；(6)二沉池中没有微生物活动；(7)二沉池中没有污泥累积，泥水分离良好,完全混合活性污泥法系统典型流程,剩余污泥排除方式：排除曝气池混合液从二沉池底部排泥管排除(普遍采用的方式),12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型1.微生物平均停留时间(污泥龄d):反应系统内微生物全部更新一次所需要的时间，即系统内微生物总量与每日排出的剩余污泥量的比值，以c表示。,110,c是生物处理的控制参数通过控制c可以控制活性污泥比增长速率，也可控制微生物的生理状态。,因为从p88图可知，微生物的净增长速率对应于生长过程的不同时期，也对应于其生理状态。,12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型2.根据假定条件，对系统进行微生物的物料横算：或QX0-进入反应器的微生物的量;QwX+(QQw)Xe-排除的微生物的量;,进水微生物量+回流污泥微生物量+曝气池新增微生物量=出水微生物量+剩余污泥微生物量+回流污泥微生物量,0,0,12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型根据假设，稳态条件下污泥不累积，进水中微生物可以忽略则：由得：,通过控制污泥龄可以控制微生物的比增长速率及系统中微生物的生理状态。,12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型由得：所以污泥浓度：,114,可以得到出水中底物的浓度Se：,KS饱和常数，半速率常数，Kd内源代谢（或衰减）系数，Y产率系数，rmax最大比底物利用速率。,活性污泥法系统的出水有机物浓度仅仅是污泥泥龄和动力学参数的函数，与进水有机物的浓度无关.故要控制出水有机污染物浓度，需通过污泥泥龄控制。,重点,12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型3.在稳态条件下对曝气池底物作物料横算：整理得：结合得：,曝气池中的污泥浓度与进出水水质、泥龄和动力学参数有关。,进水有机物+回流污泥有机物=曝气池中被分解的有机物+从曝气池出来的有机物,设计曝气池容积的一种方法,重点,12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型Rmax、Ks的测定所以：取倒数：V/Q为水力停留时间，以t表示，则：,作图可以求出Ks、rmax。,12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型Kd、Y的测定由于：得：取倒数：Yobs可根据计算：所以,可根据泥龄、HRT、污泥浓度和进出水水质求出Y和Kd,12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型4.近似计算二沉池沉淀效果好时，SS小于15mg/L，随出水排除的污泥量相对剩余污泥量对泥龄的影响很小，可以忽略，泥龄简化为：利用此式可计算剩余污泥量：如果剩余污泥从曝气池排出，则上式中污泥浓度一样，故：,12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型5.稳态条件下对进入和离开曝气池的微生物建立物料平衡方程（忽略进水微生物浓度）回流微生物量+新增微生物量=出曝气池微生物浓度所以：KsS时(11-27)，则有：,12-3活性污泥法数学模型基础,二、劳伦斯麦卡蒂模型由及得：带入得：二沉池运行正常时可用下式估算回流污泥的最高浓度：,污泥龄是XR/X和回流比R的函数，XR/X又是污泥沉降性能和二沉池沉淀效率的函数,故欲控制泥龄，可通过控制回流比R来实现。,121,第四节气体传递原理和曝气设备,122,1扩散过程的基本规律菲克（Fick）定律,式中：Vd物质的扩散速率，单位时间、单位断面上通过的物质数量D扩散系数,一、气体传递原理,124,一、气体传递原理,双膜理论认为在气液界面存在着二层做层流流动的膜：气膜和液膜。传质阻力仅存于这两层膜。气液界面达到平衡态，无阻力。传质推动力气膜：氧分压差液膜：氧浓度差氧的传质阻力主要在液膜上，故液膜内的氧的传质是控制步骤。,125,在废水生物处理系统中，氧的传递速率可用下式表示：,式中：dM/dt氧传递率；M氧的质量；D液膜中氧的扩散系数；A气液接触面的面积；cs氧在溶液中的饱和浓度；c溶液中溶解氧的浓度。而dM=Vdc，V为液相主体体积，则上式可改写成：,为液膜中氧分子的传质系数。,表示氧分子的总传质系数。,为氧转移速率液相中溶解氧浓度变化速率,氧传递率：单位时间通过气液界面的氧的质量,126,由此上式变为：将上式进行积分，可求得总的传质系数：,KLa值受污水水质的影响，把用于清水测出的值用于污水，要采用修正系数，同样清水的cs值要用于污水要乘以系数，因而上式变为：,式中：,c1，c2t1，t2时溶液中氧的浓度。,127,提高氧转移速率的措施,提高KLa值提高紊流程度，降低液膜厚度；加速气液界面的更新；微孔曝气，增大气液接触面积。2.提高cs值提高气相氧分压，如采用纯氧曝气、深井曝气。,128,二、氧气转移影响因素（1）污水水质污水中的杂质对氧气的转移以及溶解度有一定影响，如表面活性物质会形成一层膜，增加楚地阻力所以引入小于1的修正系数，则有：,129,（2）水温水温上升，水的粘度降低，液膜厚度减小，Kla值增高；氧气在水中的溶解度随温度上升而降低。温度对氧气转移有二种相反的影响，但不能相互抵消，总体上，低温有利于氧气的转移。,130,（3）氧分压氧分压越高，越有利于氧气的转移。,四、曝气的作用与曝气方式,曝气的作用：1、供气2、混合搅拌曝气方式：1、鼓风曝气系统2、机械曝气装置：竖轴表面曝气机、卧轴表面曝气器3、鼓风+机械曝气系统4、其他：富氧曝气、纯氧曝气,132,曝气设备,液面以下,安装于液面,133,134,鼓风曝气,135,鼓风曝气系统的组成,过滤器与进口消音器,过滤器压力损失监测,136,鼓风机旁通与旁通消音器,137,鼓风曝气,138,鼓风曝气,空气净化器,鼓风机,扩散器,空气输配管系统,139,鼓风曝气,空气净化器,鼓风机,扩散器,空气输配管系统,140,微孔曝气设备,圆盘式微孔扩散器,管式微孔扩散器,141,微孔曝气盘,142,微孔曝气管,143,微孔曝气管,144,微孔曝气设备测试,145,微孔曝气设备安装,146,147,微孔曝气设备的运行状况,148,ZDB型振动曝气器,149,KBB型可变微孔曝气器,150,可变微孔曝气器安装,151,郑州市五龙口污水处理厂二期,152,五龙口二期,153,机械曝气：表面曝气机,154,机械曝气：表面曝气机,155,泵形,倒伞形,平板形,156,157,伞形曝气器,158,倒伞形机械曝气器,159,160,161,曝气转刷,162,163,测试中的曝气转碟,164,表面曝气机充氧原理：(1)曝气设备的提水和输水作用，使曝气池内液体不断循环流动,从而不断更新气液接触面,不断吸氧；(2)曝气设备旋转时在周围形成水跃，并把液体抛向空中，剧烈搅动而卷进空气；(3)曝气设备高速旋转时，在后侧形成负压区而吸入空气。,165,曝气设备性能指标,氧转移速率：单位为mg（O2）/（Lh）。,充氧能力（或动力效率）：即每消耗1kWh动力能传递到水中的氧量（或氧传递速率）,单位为kg（O2）/（kWh）。,氧利用率：通过曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧的比例，单位为。,166,曝气设备性能,167,第五节去除有机污染物的活性污泥法过程设计,168,活性污泥系统工艺设计,主要设计内容：根据进出水质的要求确定以下内容（1）工艺流程选择；（2）曝气池容积和构筑物尺寸的确定；（3）二沉池澄清区、污泥区的工艺设计；（4）供氧系统设计：供氧量、曝气设备选择；（5）污泥回流设备设计：剩余污泥量。,主要依据：水质水量资料生活污水或生活污水为主的城市污水：成熟设计经验工业废水：试验研究设计参数,169,由于当前两种形式的曝气池实际效果差不多，因而完全混合的计算模式也可用于推流式曝气池的计算。,170,有机物负荷的两种表示方法,171,1.有机负荷法,172,定义：指单位质量活性污泥（干重）在单位时间内所能够接受，并将其降解到某一规定额数的BOD5量，即:,式中：Ls污泥负荷率,kgBOD5/（kgMLVSSd）;Q与曝气时间相当的平均进水流量，m3/d；S0曝气池进水的平均BOD5值，mg/L；X曝气池中的污泥浓度，MLSS或MLVSS，mg/L,1)污泥负荷（污泥负荷率）,173,（1）含义：对于一定量的基质，达到一定处理效率所需要的微生物的量;对于一定进水浓度的污水（S0）只有合理选择污泥浓度（X）和恰当的污泥负荷Ls才能达到指定的处理效率；污泥负荷决定活性污泥的生长阶段；Ls决定活性污泥的凝聚、沉降和系统的处理效率。,【1】污泥负荷,174,(2)曝气池容积计算,由Ls的定义式,按室外排水规范的规定,式中：Se曝气池出水的平均BOD5值，mg/L；X曝气池中的污泥浓度，MLSS或MLVSS，mg/L,175,指曝气池的单位容积，在单位时间内所能够接受，并将其降解到某一规定额数的BOD5的质量，即:,式中：Lv容积负荷，kg(BOD5)/(m3d)。,【2】容积负荷,实际计算:X、Ls、Lv可查p118表12-1.对于某些工业污水，试验确定X、Ls、Lv污泥负荷法应用方便，但需要一定的经验。,176,2.污泥泥龄法,177,曝气池中活性污泥浓度X：,P141,178,二、排出的剩余活性污泥量计算,1、按污泥泥龄计算,2、按污泥产率系数计算,P142,179,三、需氧量的计算,耗氧量=氧化分解有机污染物的氧量+内源代谢需氧量,故，O2=aQSr+bVXV见p143O2混合液需氧量(速率），kgO2/d生活污水a=0.420.53；b=0.190.11,看式12-69和式12-70知：增大污泥负荷Ls，则降解单位质量的BOD5所需的氧量下降，但曝气池内单位质量挥发性悬浮固体所需的氧量升高。原因Ls越大污泥泥龄越短，被吸附的部分可降解的有机物随剩余污泥被排出。,1、根据有机物降解需氧率a和内源代谢需氧率b计算,180,有机物在生化反应中有部分被氧化，有部分合成微生物，形成剩余活性污泥量。因而所需氧量为：,S0，Se进水和出水中BOD5的浓度，空气中氧的含量为23.2,氧的密度为1.201kg/m3。将上面求得的氧量除以氧的密度和空气中氧的含量，即为所需的空气量。,2、微生物对有机物的氧化分解需氧量,181,由于当前两种形式的曝气池实际效果差不多，因而完全混合的计算模式也可用于推流式曝气池的计算。,习题：城市污水厂流量Q=6000m3/d，进水BOD5=200mg/L,出水BOD5=25mg/L曝气池容积1000m3,MLVSS=3g/L，活性污泥合成系数y=0.4(mgVSS/mgBOD5),活性污泥内源代谢系数Kd=0.06(d-1)，计算该活性污泥系统泥龄c,石油加工废水进水量100m3/h。曝气池进水BOD5为300mg/L。出水BOD5为30mg/L，混合液污泥浓度为4g/L。曝气池曝气区有效容积为330m3.求该处理站的活性污泥负荷和曝气池容积负荷？,已知曝气池的MLSS浓度为2200mg/L，混合液在1000mL量筒中经30min沉淀的污泥量为180mL，计算污泥指数，所需的污泥回流比及回流污泥浓度。,某完全混合曝气池进水流量Q=20000m3/d，进水BOD5=260mg/L，出水BOD5=25mg/L,曝气池每日排放剩余污泥量MLVSS为2000kg,曝气池体积5000m3，计算曝气池所需要空气量（曝气器氧的利用率为10%，空气密度以1.2kg/m3，空气中氧的含量以23%计算。,某城市污水设计流量为10000m3/d，进水BOD5平均浓度为300mg/L，若用4座完全混合曝气池，去除率90%，求每个曝气池容积和平均需氧量。取Ls=0.5kgBOD5/(kgMLVSS.d)，MLSS=4000mg/L，MLVSS/MLSS=0.76，a=0.6,b=0.07。,某城市污水设计流量Q=10000m3/d，进水BOD5平均浓度为300mg/L，若用4座完全混合曝气池，去除率90%，求每个曝气池容积和平均需气量。取泥龄10天，合成系数Y为0.5mg/mg，污泥浓度3000mg/L，内源呼吸系数0.06d-1。,城市污水经传统的二级处理以后，氮和磷仍存。氮、磷引起水体的富营养化，影响饮用水水源。,美丽的旅游景点-滇池,富营养化的滇池,太湖美色,太湖的富营养化,氮、磷,来源：未加处理或处理不完全的工业废水和生活污水有机垃圾和家畜家禽粪便以及农施化肥,污水中氮的存在形式：有机氮、氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐氮传统废水生物处理主要去除废水中溶解状态的有机污染物，对氨、磷等营养物质，只能去除细菌细胞生理需要摄取的部分,氮的去除率为10%-20%,磷的去除率仅为5%-20%。,一般城市污水水质与排放要求,如何去除以达到排放标准？,一、氮的去除,1.化学法除氮,(1)吹脱法:,(2)折点加氯法,原理:把足量的Cl2或NaClO加入废水中，当加入量达到某点时，氨氮含量趋于零，氯含量较低；当氯含量超过此点时，氯含量上升，此点称为折点。,此法可使水中氨氮含量低于0.1mg/L，远低于城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18018-2002)一级A标准为5mg/L。,(3)离子交换法:,常用天然的离子交换剂，如沸石等。,与合成树脂相比，天然离子交换剂价格便宜且可用石灰再生。,第六节脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺二、生物除磷工艺三、生物脱氮、除磷工艺四、常用生物脱氮除磷工艺设计参数和特点五、生物脱氮、除磷系统的影响因素,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺城市污水，炼油污水中，氮是过剩的。自然界中存在氮循环的自然现象,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理生物处理过程中，有机氮通过微生物的分解和水解转化成氨氮，即氨化作用；通过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮、亚硝态氮还原成气态氮逸出，达到脱氮目的。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理(1)氨化反应氨化反应：无论好氧还是厌氧条件下，中性、碱性还是酸性环境中都能进行，只是作用的微生物不同、作用的强弱不同。活性污泥和生物膜系统内能够比较完全地完成氨化反应。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理(2)硝化过程,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理(2)硝化过程硝化反应的条件从CO2获取C源，从无机物的氧化中获取能量溶解氧及pH：好氧条件，并保持一定的碱度氧是硝化反应的电子受体，溶解氧的高低，影响硝化反应的进程，硝化反应曝气池内，溶解氧含量不得低于1mg/L。pH值的影响:硝化反应过程中,释放H+离子,pH下降,硝化菌对pH十分敏感，为保持适宜pH值，应保持足够的碱度，以调节pH值的变化，1g氨态氮(以N计)完全硝化，需碱度(以CaCO3计)7.1g,适宜的pH值为8.0-8.4。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理(2)硝化过程硝化反应的条件营养物质：有机物含量不应过高，BOD5应在15-20mg/L以下。硝化菌是自养型菌，有机基质浓度不是它的增殖限制因素;BOD5值过高,将使增殖速度较高的异养型细菌迅速增殖,从而使硝化菌不能成为优势种属。温度：硝化反应的适宜温度是20-30，15以下时，硝化反应速度下降，5时完全停止。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理(2)硝化过程硝化反应的条件活性污泥：硝化菌在反应器内的停留时间(污泥龄)(c)，必须大于其最小的世代时间,否则会使微生物流失殆尽。一般对c的取值应为硝化菌最小世代时间的2倍以上，即安全系数应大于2。硝化菌的最小世代时间在适宜温度条件下为3d，因此c值为6d，最高可以到10d。c值与温度密切相关，温度低，c取值应相应明显提高。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,硝化反应的条件有毒物质：除重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：高浓度的NH4+-N、高浓度的NOX-N、高浓度的有机基质以及络合阳离子等。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理()反硝化过程,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理(3)反硝化过程影响因素缺氧条件下,以NO3-N中的氧为电子受体，有机碳为电子供体碳源能为反硝化菌所利用的碳源较多，从废水生物脱氮考虑有三类i.原废水中所含碳源,原废水满足下列条件可认为碳源充足：ii.外加碳源,多采用甲醇(CH3OH)，甲醇被分解后产物为CO2、H2O,不留任何难降解的中间产物:iii.内源呼吸碳源细菌体内的原生物质及其贮存的有机物,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理(3)反硝化过程影响因素对反硝化反应最适宜的pH值是6.5-7.5pH值高于8低于6，反硝化速率将大为下降。溶解氧应控制在0.5mgL以下反硝化菌属异养兼性菌，在无分子氧同时存在硝酸和亚硝酸离子时，它们能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。另一方面，反硝化菌体内的某些酶系统组分，只有在有氧条件下，才能够合成。这样，反硝化反应宜于在厌氧、好氧条件交替的条件下进行。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺1.生物脱氮原理()反硝化过程影响因素反硝化反应的最适宜温度是20-40，低于15反硝化反应速率降低。在冬季低温季节，可采用如下措施：提高生物固体平均停留时间；降低负荷；提高废水的水力停留时间。,缺氧,缺氧,生物脱氮机理,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,氨化，使有机氮转化为NH3、NH4，去除BOD、COD。BOD5值可降至15-20mg/l左右,硝化曝气池，氨态氮氧化为NO-3-N，投碱以防止pH值下降。,反硝化反应器，采取厌氧-缺氧交替运行方式。作为碳源，可投加CH3OH(甲醇)，或引入原废水,一、生物脱氮工艺2.生物脱氮工艺(1)三段生物脱氮工艺(巴茨(Barth)开创),12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺2.生物脱氮工艺(1)三段生物脱氮工艺优缺点：优点：氨化、硝化、反硝化分段独立；氨化、硝化、反硝化反应分别在各自的反应器内进行，各有其沉淀池及污泥回流系统，分别控制适宜条件，处理效率高，反应进行速度快且彻底。缺点：处理设备多，造价高，管理麻烦。反硝化段在氨化及硝化后，主要靠内源呼吸碳源进行反硝化，效率低，必须在反硝化段投加碳源保证高效稳定的反硝化反应。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺2.生物脱氮工艺二段生物脱氮工艺(P148图12-33)BOD去除和硝化反应过程放在一起，各段设沉淀及污泥回流系统，除碳和硝化在一个池子进行，设计的污泥负荷要低，HRT及SRT要长，否则，硝化作用降低，反硝化仍需外加碳源。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,两级生物脱氮工艺：BOD去除和硝化两个反应过程放在一起,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺2.生物脱氮工艺(2)前置缺氧-好氧生物脱氮工艺(80年代初期开创,目前广泛采用),12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,反硝化反应器在前，BOD去除、硝化二项反应的综合反应器在后,反硝化以原废水中的有机物为碳源，无需外加碳源。,硝化反应器内的含有大量硝酸盐的硝化液回流反硝化反应器，进行反硝化脱氮反应,硝化曝气池在后，使反硝化残留的有机污染物得以进一步去除，勿需增建后曝气池。,本系统流程简单，勿需外加碳源，建设费用与运行费用均较低,特征：教材p149,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,欲提高脱氮率，必须加大内循环比(RN)，导致：一是运行费用增高；二是内循环液带入大量的溶解氧，影响反硝化进程,本系统的脱氮率一般在85以下,缺点：,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺2.生物脱氮工艺(2)前置缺氧-好氧生物脱氮工艺影响运行的因素与主要参数i.水力停留时间(HRT)HRT是影响处理效果和反应器规模、尺寸的重要参数。经验:脱氮效果与反应时间呈线性关系，在硝化与反硝化反应中，硝化反应需时长。对城市废水脱氮系统，硝化与反硝化之比大体为2:1，具体时间则为4.8h:2.4h。一般硝化与反硝化时间之比介于2:15:1之间。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺2.生物脱氮工艺(2)前置缺氧-好氧生物脱氮工艺影响运行的因素与主要参数ii.回流比(R)内循环回流比取值与要求达到的脱氮效果及反应器类型有关。活性污泥法，取值不低于200%。最佳回流比应当通过试验确定或对运行数据加以归纳分析确定,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺2.生物脱氮工艺(2)前置缺氧-好氧生物脱氮工艺影响运行的因素与主要参数iii.生物固体平均停留时间(污泥龄)(c)c应取值较大，以保证在反应器内保持一定浓度的硝化菌。经证实，此值应在30d以上。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺2.生物脱氮工艺(2)前置缺氧-好氧生物脱氮工艺影响运行的因素与主要参数iv.混合液悬浮固体浓度(MLSS)MLSS一般应高于3000mgL，当MLSS值低于3000mgL时，反应速度将迅速下降。试验证实，当MLSS值高于3000mgL时，温度对反应速度的影响很大，MLSS值低时，其影响较小。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计,一、生物脱氮工艺2.生物脱氮工艺(2)前置缺氧-好氧生物脱氮工艺影响运行的因素与主要参数v.负荷率氮负荷率也是影响本工艺脱氮效果的重要参数。负荷高会使其转化率不完全，影响脱氮效果对硝化反应NH3-N负荷率350g(m3.d)，去除率可在90以上，达到350g(m3d)时，去除率开始下降;达到430g(m3d)以上时，去除率(即硝化率)将急剧下降。,12-6脱氮除磷活性污泥法工艺