第4讲 生化池的设计

1、废水处理工程 进进 水水 第第4 4讲讲 活性污泥法设计活性污泥法设计 与计算与计算 一定义与原理一定义与原理 废水的生物处理废水的生物处理方法是方法是利用生物的新陈代谢作用利用生物的新陈代谢作用， 对废水中的污染物质进行转化和稳定、使之无害化对废水中的污染物质进行转化和稳定、使之无害化 的处理方法。的处理方法。 复杂的 有机物 高级 有机物 H2 乙酸 CH4 4% 76% 20% 28% 72% 24% 52% （1）水解阶段 2产氢产乙酸阶段 3产甲烷阶段 二方法特点二方法特点 对污染物进行转化和稳定的主体是微生对污染物进行转化和稳定的主体是微生 物。由于微生物具有来源广、易培养、繁物。

2、由于微生物具有来源广、易培养、繁 殖快、对环境适应性强、易变异等特性，殖快、对环境适应性强、易变异等特性， 因此因此在使用上能较容易地采集菌种进行培在使用上能较容易地采集菌种进行培 养增殖，并在特定条件下进行驯化使之适养增殖，并在特定条件下进行驯化使之适 应有毒工业废水的水质条件。应有毒工业废水的水质条件。微生物的生微生物的生 存条件温和，新陈代谢过程中不需高温高存条件温和，新陈代谢过程中不需高温高 压，它是不需投加催化剂的催化反应，压，它是不需投加催化剂的催化反应，用用 生化法促使污染物的转化过程与一般化学生化法促使污染物的转化过程与一般化学 法相比优越得多。法相比优越得多。 （2 2）微生

3、物的生长繁殖规律）微生物的生长繁殖规律 微生物生长分为以下四个时期：微生物生长分为以下四个时期： a)a)停滞期停滞期，细菌需要适应环境，经过一段时间，细菌需要适应环境，经过一段时间 后才能在新的培养基中生长繁殖，故细菌数后才能在新的培养基中生长繁殖，故细菌数 有所减少；有所减少； b)b)对数期对数期，微生物适应了环境，利用环境中营，微生物适应了环境，利用环境中营 养迅速增长，增长速率达到最大；养迅速增长，增长速率达到最大； c) c)静止期静止期，微生物总数达到最大，并恒定一段，微生物总数达到最大，并恒定一段 时间，代谢产物抑制微生物生长；时间，代谢产物抑制微生物生长； d)d)衰亡期衰亡

4、期，微生物因缺乏营养而死亡，总数减，微生物因缺乏营养而死亡，总数减 少。少。 四四 微生物的营养及影响因素：微生物的营养及影响因素： （1 1）微生物生长的营养）微生物生长的营养 (i)(i)主要为主要为C C、NN、P P称为碳源、氮源、磷源。称为碳源、氮源、磷源。 (ii)(ii)营养对微生物的作用：营养对微生物的作用： a)a)提供合成细胞质时需要的物质；提供合成细胞质时需要的物质； b)b)作为细胞增长和生物合成反应时的能源；作为细胞增长和生物合成反应时的能源； c) c)充当产能反应所释放的电子的受体。充当产能反应所释放的电子的受体。 （2 2）环境对微生物生长的影响因素）环境对微生

5、物生长的影响因素 (i)(i)温度：温度：按细胞对温度需求分为嗜冷菌按细胞对温度需求分为嗜冷菌 （510510），中温菌（），中温菌（2540 2540 ），）， 嗜热菌（嗜热菌（5060 5060 ）；）； (ii)(ii)溶解氧：溶解氧：根据好氧性不同分为好氧微生根据好氧性不同分为好氧微生 物和厌氧微生物；物和厌氧微生物； (iii)pH(iii)pH：需氧微生物处理要求需氧微生物处理要求6.58.56.58.5，厌，厌 氧微生物处理要求氧微生物处理要求6.77.46.77.4； (iv)(iv)营养物要求：营养物要求：好氧生物处理对营养物的好氧生物处理对营养物的 要求为要求为C C：NN

6、：P=100P=100：5 5：1 1； (v)(v)有毒物质：有毒物质：抑制微生物的新陈代谢抑制微生物的新陈代谢 (vi)(vi)进水有机物浓度：进水有机物浓度：好氧处理中进水好氧处理中进水 BODBOD5 5宜在宜在50010005001000之间（过高则溶解之间（过高则溶解 氧不足），且不低于氧不足），且不低于100100（过低则营养物（过低则营养物 不足）；不足）； 五五 污水的可生化性评价污水的可生化性评价 （1 1）污水的可生化性定义）污水的可生化性定义 （2 2）主要评价方法）主要评价方法 (i)(i)相对耗氧速率法相对耗氧速率法 (ii)(ii)生化呼吸线法生化呼吸线法 (ii

7、i)(iii)有关水质指标法有关水质指标法 (iv)(iv)微生物脱氢酶含量或微生物脱氢酶含量或ATPATP含量法含量法 六六 处理方法分类处理方法分类 好氧法和厌氧法处理区别：好氧法和厌氧法处理区别： 起作用的微生物群不同；产物不同；反应速起作用的微生物群不同；产物不同；反应速 率不同；对环境条件要求不同；对进水率不同；对环境条件要求不同；对进水 BODBOD要求不同。要求不同。 出出 水水 剩余剩余 污泥污泥 进进 水水 回流回流 污泥污泥 空空 气气 曝曝 气气 池池 二二 沉沉 池池 活性污泥法处理印染废水活性污泥法处理印染废水 活性污泥组成：活性污泥组成： （1 1）活性的微生物）活

8、性的微生物 （2 2）微生物自身氧化的残留物）微生物自身氧化的残留物 （3 3）吸附在活性污泥上不能被生物降解的）吸附在活性污泥上不能被生物降解的 有机物和无机物组成。有机物和无机物组成。 其中微生物是活性污泥的主要组成部分。其中微生物是活性污泥的主要组成部分。 活性污泥中的微生物又是由细菌、真菌、活性污泥中的微生物又是由细菌、真菌、 原生动物、后生动物等多种微生物群体原生动物、后生动物等多种微生物群体 相结合所组成的一个生态系统。相结合所组成的一个生态系统。 活性污泥通常为黄褐色絮状颗粒活性污泥通常为黄褐色絮状颗粒，其直，其直 径一般为径一般为0.020.022mm2mm，含水率一般为，含水

9、率一般为 99.299.299.899.8，密度因含水率不同而异。，密度因含水率不同而异。 细菌是活性污泥组成和净化功能的中心，细菌是活性污泥组成和净化功能的中心， 是微生物的最主要部分。是微生物的最主要部分。 活性污泥絮体活性污泥絮体 （3 3）絮凝体的形成与凝聚沉降）絮凝体的形成与凝聚沉降 。 曝气池曝气池 出水出水 剩余污泥剩余污泥 进水进水 回流污泥回流污泥 空气空气 二次沉二次沉 淀池淀池 曝曝 气气 池池 推流式活性污泥法的特点：推流式活性污泥法的特点： （a a）废水中污染物浓度自池首至池尾是逐渐）废水中污染物浓度自池首至池尾是逐渐 下降的，由于在曝气池内存在这种浓度梯下降的，由

10、于在曝气池内存在这种浓度梯 度，废水降解反应的推动力较大，效率较度，废水降解反应的推动力较大，效率较 高；高； （b b）推流式曝气池可采用多种运行方式；）推流式曝气池可采用多种运行方式； （c c）曝气池可以做的比较大，不易产生短路，）曝气池可以做的比较大，不易产生短路， 适合于处理量比较大的情况；适合于处理量比较大的情况； （d d）氧的利用率不均匀，入流端利用率高，）氧的利用率不均匀，入流端利用率高， 出流端利用率低，会出现池尾供气过量的出流端利用率低，会出现池尾供气过量的 现象，增加动力费用。现象，增加动力费用。 （ii ii）完全混合式活性污泥法：）完全混合式活性污泥法： 曝气池 进

11、水进水 回流污泥回流污泥剩余污泥剩余污泥 出水出水 二沉池二沉池 （i i）鼓风曝气）鼓风曝气式是采用空气式是采用空气( (或纯氧或纯氧) )作氧源，作氧源， 以气泡形式鼓入废水中。以气泡形式鼓入废水中。它适合于长方形曝它适合于长方形曝 气池，气池，布气设备装在曝气池的一侧或池底。布气设备装在曝气池的一侧或池底。 气泡在形成、上升和破坏时向水中传氧并搅气泡在形成、上升和破坏时向水中传氧并搅 动水流。动水流。适用于大型曝气池适用于大型曝气池 （ii ii）机械曝气）机械曝气式是用专门的曝气机械，剧烈地式是用专门的曝气机械，剧烈地 搅动水面，使空气中的氧溶解于水中。通常搅动水面，使空气中的氧溶解于

12、水中。通常 曝气机兼有搅拌和充氧作用，使系统接近完曝气机兼有搅拌和充氧作用，使系统接近完 全混合型。全混合型。适用于小型曝气池适用于小型曝气池 （iii iii）联合曝气）联合曝气 鼓风曝气鼓风曝气 鼓风曝气鼓风曝气 鼓风曝气鼓风曝气 3 活性污泥的评价指标 它与污泥沉降比有如下关系：它与污泥沉降比有如下关系： SVI=(SVSVI=(SV10)/MLSS10)/MLSS 式中：式中：MLSSMLSS的单位为的单位为g/Lg/L，SVISVI以百分数代入以百分数代入。 SVISVI值能较好地反映出活性污泥的松散程度值能较好地反映出活性污泥的松散程度 ( (活性活性) )和凝聚、沉降性能。和凝聚

13、、沉降性能。 。 三、溶解氧三、溶解氧(dissolved oxygen, DO)(dissolved oxygen, DO) ) ) 污泥负荷的计算公式污泥负荷的计算公式 X X活性污泥浓度，活性污泥浓度， kgMLSS/mkgMLSS/m3 3 。 VX QS s N 0 V QS NV 0 VX SSQ N e r )( 0 NNr r去除负荷；去除负荷； S Se e出水出水BODBOD浓度。浓度。 0 0 100100 200200 300300 400400 500500 0 01 12 23 34 45 5 BOD负荷(kgBOD/kgMLSS d)BOD负荷(kgBOD/kgM

14、LSS d) SVI(mL/g)SVI(mL/g) 2121 3838 低低SVI负荷区负荷区2 高高SVI负荷区负荷区2 高高SVI负荷区负荷区1 低低SVI负荷区负荷区1 低低SVI负荷区负荷区3 47 污泥龄也称固体平均停留时间固体平均停留时间或细胞平细胞平 均停留时间均停留时间 。 污泥龄是影响活性污泥处理效果的重要污泥龄是影响活性污泥处理效果的重要 参数。参数。 水力停留时间水力停留时间(hydraulic retention time, (hydraulic retention time, HRT)HRT)是指水在处理系统中的停留时间，是指水在处理系统中的停留时间， 单位也是单位也

15、是d d。HRTHRTV/QV/Q，V V是曝气池的是曝气池的 体积；体积；QQ是废水的流量。是废水的流量。 三、溶解氧三、溶解氧(dissolved oxygen, DO)(dissolved oxygen, DO) ) ) 活性污泥中的微生物是多菌种的混合群活性污泥中的微生物是多菌种的混合群 体，其生长繁殖规律比较复杂，但也可体，其生长繁殖规律比较复杂，但也可 用其增长曲线表示一般规律。用其增长曲线表示一般规律。 活性污泥的增长过程可分为活性污泥的增长过程可分为对数增长对数增长 期期、减速增长期减速增长期和和内源呼吸期内源呼吸期三三 个阶段。在每个阶段，有机物个阶段。在每个阶段，有机物(B

16、OD)(BOD)的去的去 除率、去除速率、氧的利用速度及活性除率、去除速率、氧的利用速度及活性 污泥特征等都各不相同污泥特征等都各不相同。 59 双膜理论示意图双膜理论示意图 气相 主体 界面 气 膜 液 膜 Cs 层流 液相 主体 C pg pi Pg表示气相表示气相 中氧的分压中氧的分压 Pi表示界面表示界面 处氧的分压处氧的分压 Cs表示界面处表示界面处 水中氧的浓度水中氧的浓度 C表示水中氧表示水中氧 的浓度的浓度 氧传递过程的基本方程如下氧传递过程的基本方程如下: )( dt dC CCK sLa 式中式中：dC/dt氧的传递速率氧的传递速率(氧进入水氧进入水 的速率的速率)，mg/

17、(Lh)； C液相氧的实际浓度，液相氧的实际浓度，mg/L； Cs氧的饱和浓度，氧的饱和浓度，mg/L； KLa液相总传质系数，液相总传质系数，1/h。 把溶解氧浓度从把溶解氧浓度从C C增加到增加到C Cs s所需的时间。所需的时间。 L L 扩散管示意图 该曝气器采用网状膜代替曝气盘用的各该曝气器采用网状膜代替曝气盘用的各 种曝气板材，其网很薄，网上的孔径笔种曝气板材，其网很薄，网上的孔径笔 直，滤水透气效果均优于微孔板材，不直，滤水透气效果均优于微孔板材，不 易发生堵塞。易发生堵塞。 网膜采用聚醋酸纤维制成的。网状膜曝网膜采用聚醋酸纤维制成的。网状膜曝 气器采用底部供气，空气经分配器第一

18、气器采用底部供气，空气经分配器第一 次切割后均匀分布到气室内，高速气流次切割后均匀分布到气室内，高速气流 经切割分配到网状膜的各个部位受到阻经切割分配到网状膜的各个部位受到阻 挡，然后通过特制网膜微孔的第二次切挡，然后通过特制网膜微孔的第二次切 割形成微小气泡割形成微小气泡( (直径直径2 23mm)3mm)匀地分布匀地分布 扩散到水中扩散到水中。 膜片微孔曝气器膜片微孔曝气器 u曝气器的气体扩散装置采用微孔合成橡胶膜曝气器的气体扩散装置采用微孔合成橡胶膜 片，膜片上开有片，膜片上开有150150200200 m m的同心圆布置的的同心圆布置的 50005000个自闭式孔眼。个自闭式孔眼。 u

19、当充气时空气通过布气管道，并通过底座上当充气时空气通过布气管道，并通过底座上 的孔眼进入膜片和底座之间，在空气的压力作的孔眼进入膜片和底座之间，在空气的压力作 用下，使膜片微微鼓起，孔眼张开，达到布气用下，使膜片微微鼓起，孔眼张开，达到布气 扩散的目的。扩散的目的。 优点：优点：不不 堵塞，可堵塞，可 以省去空以省去空 气滤清装气滤清装 置。置。 竖管扩散器及其布置形式 7.17.1设计中需要理解的几点设计中需要理解的几点 Q,SQ,S0 0 S Si i （1 1）推流活性污泥法各符号的意义）推流活性污泥法各符号的意义 理论上，去除理论上，去除lkgBODlkgBOD应消耗应消耗lkgOlk

20、gO2 2。 从需氧量看从需氧量看, ,微生物降解微生物降解过程总需氧量包括过程总需氧量包括有机物有机物 去除去除 ( (用于分解和合成用于分解和合成) )的需氧量以及有机体自的需氧量以及有机体自 身氧化需氧量身氧化需氧量之和，在工程上，常表示为：之和，在工程上，常表示为： VXbVXNaO r2 把把Nr代入代入 上式得：上式得： VXbVX VX SSQ aO e )( 0 2 )()( 00 2 ee SSQ VX ba SSQ O 等式两边除以等式两边除以 Q(S0-Se)，得：，得： re N b a )SQ(S O 0 2 再把再把Nr代入，得：代入，得： u即去除每单位质量即去除

21、每单位质量BODBOD的需氧量随污泥负荷升高而减的需氧量随污泥负荷升高而减 小。小。 u在活性污泥法中，一般在活性污泥法中，一般a a = = 0.250.250.760.76，平均，平均0.470.47； b b = 0.10= 0.100.370.37，平均，平均0.170.17。 曝气池的设计计算曝气池的设计计算 主要是根据进水情况主要是根据进水情况 和出水的要求，选择曝气池的类型，所需和出水的要求，选择曝气池的类型，所需 的供氧量和排除的剩余活性污泥量等的供氧量和排除的剩余活性污泥量等。 一、有机物负荷率法一、有机物负荷率法 （1 1）污泥负荷）污泥负荷 指单位重量活性污泥在指单位重量

22、活性污泥在 单位时间内所能承受的单位时间内所能承受的BODBOD5 5量量 去除负荷去除负荷 指单位重量活性污泥在单指单位重量活性污泥在单 位时间内所去除的位时间内所去除的BODBOD5 5量量 （2 2）容积负荷）容积负荷 是指单位容积曝气区在是指单位容积曝气区在 单位时间内所能承受的单位时间内所能承受的BODBOD5 5量量 NV=QS0/V NV,r=Q(S0-Se)/V 曝气池体曝气池体 积的计算积的计算 V=QS0/Nv 或 =Q(S0-Se)/NV,r 有机物负荷率法例题有机物负荷率法例题 有机物负荷率法有机物负荷率法 3 0 (2) 0.3/. 21600 250 6.2 626

23、9 .0.3 3500 0.8 e V NkgBOD kgMLVSSd Q SS Vm NMLVSS 曝 气 池 有 效 容 积 设 （）（） 3 3 (3) 6 2 6 93 5 0 0 2 1 9 4 .1 5/ 1 0 4 6 2 6 9 6 2 6 .9/ 1 0 2 1 9 4 .1 5 2 1 9 .4 2/ 1 0 0 0 0/ w C w kgd S S V Qmd Qmd m gl C 每 天 排 除 的 剩 余 活 性 污 泥 量 V X = （） 忽 略 出 水 挟 带 的 从 曝 气 池 排 泥 时 ： 从 污 泥 回 流 管 排 泥 时 ： 6 6269 0.296.

24、97 21600 6269 3.91 11.78 21600 dh V th RQ （ ）计算曝气池的水力停留时间 V 名义时间t= Q 实际时间 （） 回流比回流比 R = Qr/Q = 0.78 细胞平均停留时间细胞平均停留时间 c c V/Q V/Qw w 细胞平均停留时间细胞平均停留时间 二、劳伦斯二、劳伦斯- -麦卡蒂法麦卡蒂法 1 1、劳伦斯和麦卡蒂根据莫诺特方程提出了、劳伦斯和麦卡蒂根据莫诺特方程提出了 曝气池中基质去除速率和微生物浓度的关曝气池中基质去除速率和微生物浓度的关 系方程：系方程： ss s CK C qq maxdS/dtdS/dt = KS = KSx / (Kx

25、 / (Ks s+S)+S) 2 2、微生物的增长和基质的去除关系方程：、微生物的增长和基质的去除关系方程： dx/dt = ydx/dt = y(dS/dt) - KdS/dt) - Kd dx x 或或 dx/dt = ydx/dt = yobs obs(dS/dt dS/dt) ) 稳态时，稳态时，dx/dt = 0， 并假定并假定 x0 = 0，则，则 因此，曝气池内污泥浓度因此，曝气池内污泥浓度 曝气池体积曝气池体积 V=cYQ(S0-Se)/x(1+kdc) 对系统进行微生物量衡算对系统进行微生物量衡算 排除的剩余活性污泥量计算排除的剩余活性污泥量计算 dx/dt = ydx/dt

26、 = yobs obs(dS/dt dS/dt) dx/ y) dx/ yobs obs=ds =ds= (S= (S0 0-S -Se e) ) 1/ 1/c c = yQ = yQ (S (S0 0-S -Se e)/vx)/vx k kd d =y=yx / x / （y yobs obs vx vx ） k kd d 所以所以 剩余活性污泥量（以挥发性悬浮固体表示）剩余活性污泥量（以挥发性悬浮固体表示） x =yx =yobs obs Q(S Q(S0 0-S -Se e) ) 所需的空气量计算所需的空气量计算 理论耗氧量理论耗氧量=有机物氧化的耗氧量有机物氧化的耗氧量- - 转化为转

27、化为 剩余污泥的有机体的有机物耗氧量剩余污泥的有机体的有机物耗氧量 有机物氧化的耗氧量有机物氧化的耗氧量=有机物完全氧化有机物完全氧化 的需氧量的需氧量BODBODu u=Q(S=Q(S0 0-S -Se e)10)10-3 -3/0.68 /0.68（kg/dkg/d） 转化为剩余污泥的有机体的有机物转化为剩余污泥的有机体的有机物 耗氧量耗氧量=1.42 x 1.42 x （kg/dkg/d） 其中，其中，BODBOD5 5=0.68BOD=0.68BODu u 氧化氧化1kg1kg微生物所需的氧量为微生物所需的氧量为1.42kg1.42kg 则系统每天的需氧量为则系统每天的需氧量为 OO2

28、 2 = Q(S = Q(S0 0-S -Se e)10)10-3 -3/0.68 - 1.42 x /0.68 - 1.42 x 回流比回流比 R = Qr/Q = 0.78 五、延时曝气法五、延时曝气法 曝气时间长，约曝气时间长，约2448h2448h，污泥负荷低，约，污泥负荷低，约 0.050.2kgBOD5/kg0.050.2kgBOD5/kgVSSd d，曝气池中污泥浓度高，约，曝气池中污泥浓度高，约 36g/L36g/L。微生物处于内源呼吸阶段，剩余污泥少而稳定，。微生物处于内源呼吸阶段，剩余污泥少而稳定， 无需消化，可直接排放。无需消化，可直接排放。BODBOD去除率去除率759

29、5%7595%。运行是。运行是 对氮、磷的要求低，适应冲击的能力强。对氮、磷的要求低，适应冲击的能力强。 六、氧化沟六、氧化沟 当用转刷曝当用转刷曝 气时，水深不气时，水深不 超过超过2.5m2.5m，沟，沟 中混合液流速中混合液流速 0.30.6m/s0.30.6m/s。 八、纯氧曝气八、纯氧曝气 返回 返回目录返回目录 二、活性污泥运行中常见的问题二、活性污泥运行中常见的问题 ( (一一) )污泥膨胀污泥膨胀 广义地把活性污泥的凝聚性和沉降性恶化，以及处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。理水混浊的现象总称为活性污泥的膨胀。 描述污泥膨胀程度的指标有描述污泥膨胀程度的指标有30min30min沉降比、污泥容沉降比、污泥容 积指数。积指数。 污泥膨胀可大致区分为丝状体膨胀和非丝状体膨胀污泥膨胀可大致区分为丝状体膨胀和非丝状体膨胀 两