水污染控制工程：第6章污水的生物处理(活性污泥法）

1、水污染控制工程 第6章 污水的生物处理 活性污泥法南京师范大学 地理科学学院环境系 自然条件下 水体自净天然水体和氧化塘; 土壤净化污水灌溉好氧生物法 人工条件下 悬浮生物法活性污泥法及其变种、 氧化塘、氧化沟 固着生物法生物滤池、生物转盘、 生物接触氧化、生物流化床 自然条件下 高温堆肥、厌氧塘厌氧生物法 人工条件下 悬浮生物法厌氧消化、高温堆肥、 化粪池、上流式厌氧污泥床 固着生物法厌氧滤池、厌氧流化床一、污水生化处理的基本类型二、生物膜法和活性污泥法概述 生物膜法与活性污泥法均属于好氧生物处理技术。 共同特点：是在有氧的条件下，利用好氧微生物来氧化分解污水中可生物降解的有机物。 不同之处

2、：微生物在处理构筑物中的生存方式有所不同。1、活性污泥法：曝气池中微生物以絮状体形式，悬浮于曝气池混合液中不断生长繁殖（悬浮生长）。2、生物膜法：反应器中微生物附着在载体的表面上形成一种生物膜，当废水流经其表面时，生物膜、水和空气相互接触，发生生物化学反应（附着生长）。 固着于固体表面上的微生物对废水水质、水量的变化有较强的适应性；和活性污泥法相比，管理较方便；由于微生物固着于固体表面，即使增殖速度较慢的微生物也能生息，从而构成了稳定的生态系统。 三、二者中微生物生存方式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： 如活性污泥、剩余污泥、MLSS、MLVS

3、S、SV、 SVI、c、容积负荷、污泥产率等。3、理解活性污泥反应动力学基础及其应用。4、掌握活性污泥的工艺技术或运行方式；5、掌握曝气理论。6、熟练掌握活性污泥系统的计算与设计； 第6章 污水的生物处理 活性污泥法一、活性污泥法的基本原理1. 基本概念与流程活性污泥：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

4、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。活性污泥处理系统： 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和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

5、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20100cm2/ml，pH值 约6.7，有较强的缓冲能力。其固相组分主要 为有机物，约占7585%。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107108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

6、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。 12 后生动物(主要指轮虫），捕食菌胶团和原生动物，是 水质稳定的标志。因而利用镜检生物相评价活性污泥质量 与污水处理的质量。思考题：后生动物的出现反映了处理水质较好，因此能否说明出水氨氮较低，氨氮在生物处理过程中被硝化？微生物增殖与活性污泥的增长： a

7、、微生物增值： 在污水处理系统或曝气池内微生物的增殖规律与纯菌 种的增殖规律相同，即停滞期（适应期），对数期，静止 期（也减速增殖期）和衰亡期（内源呼吸期）。 b、从时间上看：停滞期： 污泥驯化培养的最初阶段，即细胞内各种酶系统的适应 期。此时菌体不裂殖、菌数不增加。对数期： 细胞以最快速度进行裂殖，细菌生长速度最大，此时微 生物的营养物质丰富，生物生长繁殖不受底物或基质限制。 如A段；在此阶段微生物增长的对数值与时间呈直线关系。 其微生物数量大，但个体小，其净化速度快，但效果较差， 只能用于前段处理 （相当于生物一级强化工艺）。减速增殖期： 由于营养物质被大量耗消，此时细胞增殖速度与死亡 速

8、度相当。细菌数量多且趋于稳定，个体趋于成熟。如B 段（相当于二级处理）。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

9、的生物絮体。其在对数增长期，个体处于旺盛生 长，其运动活性大于范德华力，菌体不能结合；但到了衰 亡期，动能低微，范德华力大，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：

10、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： CXHYOZ(X0.25Y0.5Z）O2 酶 XC O2 0.5YH2OQb、合成代谢： nCXHYOZnNH3n (X0.25Y0.5Z）O2 酶 (C5H7NO2 ) nn(X5) C O2 0.5n(Y4) H2O其代

11、谢产物的模式如下图：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BOD5：N：P100:5:1；初沉池出水，

12、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 细菌的好氧代谢不受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最适宜，经驯化后，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

13、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），MLSS=Ma+Me+Mi+Miib、混合液挥发固体浓度（MLVSS），MLVSS=Ma+Me+Mic、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

14、.70。活性污泥的沉降性能及其评定指标：污泥沉降比SV（%）： 混合液在量筒内静置30min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/MLSS.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）c： 生物固体平均停

15、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：cVX/XVX/QwXr 。 式中： X 曝气池内每日增长的活性污泥量， 即要排放的活性污泥量。 Qw 排放的剩余污泥体积。 Xr 剩余污泥浓度。 其与SVI的关系为(Xr) max106 /SVI c是活性污泥处理系统设计、运行的重要参数， 在理论上也具有重要意义。 因为不同泥龄代表不同微生物的组成，泥龄越长， 微生物世代时间长，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。 c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

16、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。BOD负荷：a、BOD污泥负荷： NsQSa/XV=F/M，即单位重量活性污泥在单位时间内 能够接受并将其降解到预定程度的有机污染物量。b、BOD容积负荷： NvQSa/V，指单位曝气池容积在单位时间内能够接受并将其降解到预定程度的有机污染物量。C、BOD污泥负荷和BOD容积负荷的关系式：NvNsX。 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

17、大，投资加大，曝气量加大，经济性能降低。 故应选择适宜负荷，同时需避开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：1）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=aSr-bX。式中： X活性污泥微生物净增殖量，kg/d； Sr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，SrSaSe； Sa进入曝气池污水含有的有机污染物量，kgBOD/d。 Se经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、

18、污泥产率（降解单位有机污染物的污泥产量）。 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） 。2）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 净增殖速度； (dx/dt)s 合成速度； (dx/dt)e 微生物内源代谢速度。 而 (dx/dt)s Y (dx/dt) u Y产率系数， 每代谢1kgBOD合成的MLVSS量。 (dx/dt)u微生物对有机物的降解速度。 (dx/dt)e

19、Kd VXv Kd 微生物自身氧化率d-1（衰减系数） VXv MLVSS含量。代入得： (dx/dt) g Y (dx/dt) uKd VXv X Y(SaSe)QKd VXv X 日污泥排放量； (SaSe)Q 日有机物降解量； Kd VXv 池内总MLVSS量。 等式两边除以VXv得： X/ VXv = Y(SaSe)Q / VXv Kd 由于 X/ VXv = 1/c ； (SaSe)Q / VXv Ns （书中写成Nrs） 1/c Y Ns Kd 3） 二者的区别： 从物理意义上讲，a与y、b与Kd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

20、测 的经验值。而Y、Kd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c和NS进 行同时多组实验时，可以通过作图求出Y、Kd . （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： O2aQSabVXv 式中： a微生物每代谢1kgBOD所需要的氧量。 b每kg活性污泥自身氧化所需要的氧量。 两边同除以VXv 得: O2 / VXv = a Ns b （1） 两边同除以QSa 得: O2 / QSa ab1/ Ns （2）从上述计算公式可以看出： （1）式为单位容积曝气池的需

21、氧量或单位微生物 量的好氧量，其只与NS有关。NS高则单位容积或污泥 量需氧量大。 （2） 式为降解1kgBOD的需氧量，其与NS的倒数有 关。NS负荷越高，泥龄越短，则降解单位BOD需氧量就 越低(未被降解就作为污泥排出)。式中a、b可以通过一组试验结果作图求得。 (P113图410) 对生活污水： a值介于0.4 0.53之间。 b值介于0.110.188之间。三、活性污泥反应动力学基础1、概述： 从前面介绍可以看出，微生物的增殖、代谢与有机底 物浓度、 c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彼此的关系，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

22、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： = maxS/（Ks+S） 微生物在对数期和静止期的典型生长模式。 式中： 微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度. max微生物最大比增长速度； Ks 饱和常数， =（1/2） max时底物浓度， 故又称半速度常数。 S 底物浓度。 （1）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 =umax。 此时反应速度和底物浓度无关，呈零级反应，即n=0。（2）当底物浓度较小时，微

23、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。 SKs、Ks+SKs =maxS/Ks=K.S 此时，S，与底物浓度或正，呈一级反应。（3）随着底物浓度逐步增加，微生物增长速度和底物浓度 呈=maxS/（Ks+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-门方程式如下: VVmaxS/（Ks+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微生物增长量；dx/dt微生物增长速率（即r）

24、； ds底物消耗量； r/x ，即微生物比增长速度； qds/dt（底物降解速度）；vq/x（底物比降解速度）。 Y.V；maxY. Vmax； 代入=maxS/（Ks+S） 得： VVmaxS/(Ks+S)，即米-门方程式。 V(ds/dt)/X， -ds/dt= VmaxSX/(Ks+S)，即p115（432）式。将monod方程倒装得： 1/1/max .( ks/s+1)= ks/max.(1/s)+1/max。根据monod方程与米-门方程的相关性， 前面已推导Y.V；maxY. Vmax。 代入得：1/V= ks/Vmax.(1/s)+1/Vmax。 由于 V=(ds/dt)/X，

25、1/V=Xdt/ds=Xt/(Sa-Se) 即Xt/(Sa-Se)= ks/Vmax.(1/s)+1/Vmax 即p118 (4-48)式 当我们以1/V为纵坐标，以1/Se为 横坐标；对一组实验结果进行统 计(p118图4-15)则可求出 1/Vmax和 ks/Vmax。 3、劳伦斯麦卡蒂(LawrenceMc Carty)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 c=VX/X; （2）基本方程 第1方程：dx/dt=Y(ds/dt)u-KdXa； 1/c=YqKd； 第2方程: VVmaxS/(K

26、s+S) 有机质降解速率等于其被微生物利用速率， 即V=q, Vmax=qmax (ds/dt)u = VmaxSXa/(Ks+S)（3）方程的应用 1）确立处理水有机底物浓度（Se）与生物固体平均停留 时间（ c ）之间的关系: 对完全混合式： SeKs(1/c+Kd)/Y(Sa-Se)-(1/c+Kd) 对推流式： 1/c= YVmax(Sa-Se)/(Sa-Se)+ KsSa/SeKd 上式表示Se为f(c)，欲提高处理效果，降低Se值，就必须适当提高c 。2）确立微生物浓度（X）与c间的关系:对完全混合式： X c Y(Sa-Se)/t(1+Kd c) 对推流式： X c Y(Sa-S

27、e)/t(1+Kd c) 说明反应器内微生物浓度(X)是c的函数。3）确立了污泥回流比(R)与c的关系: 1/ c =Q1+R-R(Xr/Xa)/V 式中：Xr为回流污泥浓度，(Xr)max=106/SVI 。4）总产率系数（Y）与表观产率系数（Yobs）间的关系. YobsY/(1+Kdc) 即实测污泥产率系数较理论总降低。5)确立了污泥回流比(R)与c的关系。 1/c =Q1+R-R(Xr/Xa)/V 。 式中：Xr为回流污泥浓度，(Xr)max=106/SVI 。e、在污水处理系统中（低基质浓度）中，对VVmaxS/(Ks+S) 的推论： VVmaxS/(Ks+S)，Vq； q Vmax

28、S/(Ks+S) 由于KsS（低基质浓度）， q VmaxS/KsKS。 V(ds/dt)u/Xa=Ks , (ds/dt)u =(Ks)max 而(ds/dt)u(Sa-Se)/tQ(Sa-Se)/V， KSeQ(Sa-Se)/XaV， 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，而实际供氧难于满足此要

29、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（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Xa浓度逐步降低，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、处理效果与传统活性污泥法相近，BOD去除率90

30、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（约3060min），出水BOD去除率一般小于 90。5、延时曝气活性污泥法 适宜水质： 对出水水质要求高的场合。如氧化沟、A/O法和A2/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

31、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

32、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:1、中层曝气：采用常用风机（5m风机）。2、底层曝气：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

33、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：（1）BOD负荷： 一般BOD污泥负荷0

34、.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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）曝气时间： 一般在8h以下，多数为46h。但延时曝气一般

35、在 20h以上；高负荷工艺以及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）。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A2/0等。 五、活性污泥处理系统的新工艺氧化沟工艺SBR工艺AB法工艺ABF工艺 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

36、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。氧 化 沟 氧化沟 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。氧化沟序批式活性污泥法（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。 吸附生物降解工艺（AB法）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

37、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。吸附生物降解工艺（AB法）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。 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）六、曝气的理论基础活性污泥法的三个要素气 体 传 递 原 理 曝气的作用与

38、曝气方式 活性污泥法的三个要素构成 一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥； 二是废水中的有机物，它是处理对象，也是微生物的食料； 三是溶解氧，没有充足的溶解氧，好氧微生物既不能生存，也不能发挥氧化分解作用。（1）充氧：向活性污泥微生物提供足够的溶解 氧，以满足其在代谢过程中所需的 氧量。 （2）搅动混合：使活性污泥在曝气池内处于剧 烈搅动的悬浮状态能够与废水充分 接触。 气 体 传 递 原 理 曝气的作用1.菲克（Fick）定律 通过曝气，空气中的氧，从气相传递到混合液的液相中，这既是一个传质过程，也是一个物质扩散过程。扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差。 扩散过程的基本规

39、律可以用Fick定律描述。 氧转移原理Fick定律： 扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差，物质的分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散、转移。 即 (1) 上式表明，物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系。式中：vd物质的扩散速率，即在单位时间内单位断面上通过的物质数；DL扩散系数，表示物质在某种介质中的扩散能力，主要取决于 扩散物质和介质的特性及温度； C物质浓度； x扩散过程的长度;dC/dx浓度梯度。 如果以M表示在单位时间t内通过界面扩散的物质数量，以A表示界面面积，则有： (2) 代入（1）式，得： (3)可见，单位时间扩散质量与浓度差成比例。 气相 主体界面气膜 液膜 Cs层流液

40、相主体CpgpiPg表示气相中氧的分压Pi表示界面处氧的分压Cs,表示界面处水中氧的浓度C表示水中氧的浓度2. 双膜理论 (1)双膜理论模型（2）双膜理论：当气、液面相接触并作相对运动时，接触界面的两 侧，存在着气体与液体的边界层，即气膜和液膜, 处于层流，而在其外侧分别为气相主体和液相主体， 处于紊流； 气相主体和液相主体处于紊流，其中浓度均匀；氧的转移是通过气、液膜进行的分子扩散和在膜外的 对流扩散完成；在气膜中存在着氧分压梯度，而液膜中同样也存在着氧的浓度梯度，由此形成了氧转移的推动力 对于难溶于水的氧来说，传质的阻力主要集中在液膜上；实际上，在气膜中，氧分子的传递动力很小，即气相主体与

41、界面之间的氧分压差值Pg-Pi很低，一般可认为PgPi。可以认为界面处的溶解氧浓度Ci等于在氧分压条件下的饱和溶解氧浓度值，因此氧转移过程中的传质推动力就可以认为主要是界面上的饱和溶解氧浓度值Cs与液相主体中的溶解氧浓度值Ci。 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气体传递速率； KL 液膜中氧分子传质系数； A 气体扩散通过的面积； C0 气体在溶液中的饱和浓度； C气体在溶液中的浓度。而dM=VdC，则上式可改写成：通常KLA/V项用KLa来代替，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

42、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：溶解在水中的憎水性有机物影响KLa值；水中溶解的无机物影响Cs值；溶解的有机物影响KLa值；温度也影响KLa和Cs值。 影响KLa值的因素从常用污水处理流程看曝气系统 曝气的作用与曝气方式 1.好氧微生物的需氧代谢2.兼性微生物酶的好氧合成3.混合液的搅拌作用（厌氧、缺氧池另加搅拌器）曝气方式：1.鼓风曝气系统2.机械曝气装置：纵轴表面曝气机、横轴表面曝气器3.鼓风+机械曝气系统4.其他：富氧曝气、纯氧曝气 曝 气 设 备 鼓风曝气机械曝气空气净化器 鼓 风 机 空气输配管系统扩 散 器 竖式曝气机表面曝气机卧式曝气机高速单级鼓

43、风机曝气系统的组成 鼓风曝气空气净化器 鼓 风 机 空气输配管系统扩 散 器 空气净化器的目的是改善整个曝气系统的运行状态和防止扩散器阻塞。鼓风曝气空气净化器鼓 风 机 扩 散 器 空气输配管系统 负责将空气输送到空气扩散器。要求沿程阻力损失小,曝气设备各点压力均衡,空气干管和支管流速符合设计要求，配备必要的手动阀和电动调节阀门。鼓风曝气空气净化器鼓 风 机 扩 散 器 扩散器的作用是将空气分散成空气泡,增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。空气输配管系统小气泡扩散器中气泡扩散器大气泡扩散器微气泡扩散器扩散器的类型微孔曝气设备微孔曝气盘 微孔曝气管表面曝气机射流曝气器转刷曝气

44、机机械曝气：表面曝气机 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。机械曝气：表面曝气机 曝气的效率取决于：曝气机的性能曝气池的池形倒伞形平板形泵 形 这类曝气机的转动轴与水面平行,主要用于氧化沟 。竖式曝气机卧式曝气刷泵 形倒伞形平板形倒伞形机械曝气器曝气转刷测试中的曝气转碟曝 气 设 备 性 能 指 标 比较各种曝气设备性能的主要指标 氧转移率：单位为mg（O2）/（Lh）。 充氧能力

45、（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：通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧的比例，单位为。曝 气 设 备 性 能 满足混合要求的曝气量 满铺的小气泡扩散器： 2.2m3/（m2 h） 旋流的大中气泡扩散器： 1.2m3/（m2 h） 机械曝气： 13W/m3曝气池的三种池型推流式曝气池完全混合式曝气池两种池型结合式推流式曝气池 推流式曝气池的长宽比一般为510； 进水方式不限；出水用溢流堰。1.平面布置 推流式曝气池的池宽和有效水深之比一般为12。2.横断面布置根据横断面上的水流情况，可分为推流式曝气池完全混

46、合曝气池 池 形 根据和沉淀池的关系圆 形 方 形 矩 形 分建式合建式曝气池的三种池型机械曝气完全混合曝气池鼓风曝气完全混合曝气池局部完全混合推流式曝气池曝 气 设 备 性 能 测 试 测 试 途 径清水中的测试在运行条件下的测试麦金尼（RossEMckinney）方法 活性污泥法的设计计算 七、活性污泥法的设计计算活性污泥系统工艺设计 应把整个系统作为整体来考虑，包括曝气池、二沉池、曝气设备、回流设备等，甚至包括剩余污泥的处理处置。 主要设计内容： （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； （5）污泥回流

47、设备设计。 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：试验研究设计参数工艺流程的选择 需要调查研究和收集的基础资料： 1. 污水的水量水质资料 水量关系到处理规模，多种方法分析计算，注意收集率 和地下水渗入量； 水质决定选用的处理流程和处理程度。 2. 接纳污水的对象资料 3. 气象水文资料 4. 污水处理厂厂址资料 厂址地形资料；厂址地质资料。 5. 剩余污泥的出路调研 流程选择是活性污泥设计中的首要问题，关系到日后运转的稳定可靠以及经济和环境效益，必须在详尽调查的基础上进行技术、经济比较，以得到先进合理的流程。曝气池的计算：纯经验方法劳伦斯（Lawr

48、once）和麦卡蒂(McCarty)法有机物负荷率法麦金尼(McKinney)法有机物负荷率的两种表示方法活性污泥负荷率NS（简称污泥负荷）曝气区容积负荷率NV（简称容积负荷）根据某种工艺的经验停留时间和经验去除率，确定曝气池的水力停留时间。例如：流量200m3/h，曝气池进水BOD浓150mg/L, 出水要求为15mg/L，采用多点进水，求曝气池容积。多点进水经验去除率：85%90 经验停留时间：35h取停留时间为4.5h，则曝气池容积： V2004.5m3=900m3经验水力停留时间：t污泥负荷率是指单位质量活性污泥在单位时间内所能承受的BOD5量，即:式中：Ns污泥负荷率,kg BOD5

49、/（kgMLVSSd）; qv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； s曝气池中的污泥浓度，mg/L。 污泥负荷率 容积负荷是指单位容积曝气区在单位时间内所能承受的BOD5量，即：式中：Nv容积负荷率，kg (BOD5)/(m3d)。容积负荷率根据上面任何一式可计算曝气池的体积，即: s0和qv是已知的，x和N可参考教材中表145选择。对于某些工业污水，要通过试验来确定x和N值。污泥负荷率法应用方便，但需要一定的经验。 八、二次沉淀池二次沉淀池的功能要求1.澄清（固液分离）2.污泥浓缩（使回流污泥的含水率降低，回流污泥的体积减少）二沉池的实际工作情

50、况 （1）二沉池中普遍存在着四个区：清水区、絮凝区、成层沉降区、压缩区。两个界面：泥水界面和压缩界面。 （2）混合液进入二沉池以后，立即被稀释，固体浓度大大降低，形成一个絮凝区。絮凝区上部是清水区，两者之间有一泥水界面。 （3）絮凝区后是一个成层沉降区，在此区内，固体浓度基本不变，沉速也基本不变。絮凝区中絮凝情况的优劣，直接影响成层沉降区中泥花的形态、大小和沉速。 （4）靠近池底处形成污泥压缩区。二沉池的实际工作情况 二沉池的澄清能力与混合液进入池后的絮凝情况密切相关，也与二沉池的表面面积有关。 二沉池的浓缩能力主要与污泥性质及泥斗的容积有关。 对于沉降性能良好的活性污泥，二沉池的泥斗容积可以

51、较小。二次沉淀池的构造和计算二次沉淀池在构造上要注意以下特点： （1）二次沉淀池的进水部分，应使布水均匀并造成有利于絮凝的条件，使泥花结大。 （2）二沉池中污泥絮体较轻,容易被出流水挟走,要限制出流堰处的流速,使单位堰长的出水量不超过10m3/（m h）。 （3）污泥斗的容积，要考虑污泥浓缩的要求。在二沉池内，活性污泥中的溶解氧只有消耗，没有补充，容易耗尽。缺氧时间过长可能影响活性污泥中微生物的活力，并可能因反硝化而使污泥上浮，故浓缩时间一般不超过2h。二次沉淀池的容积计算方法可用下列两个公式反映：式中：A澄清区表面积，m2； qv废水设计流量，用最大时流量，m3/h； u沉淀效率参数，m3/

52、（m2h）或m/h； V污泥区容积，m3； r最大污泥回流比； t污泥在二次沉淀池中的浓缩时间，h。 二次沉淀池的构造和计算1、水力负荷2、有机负荷3、微生物浓度4、曝气时间5、微生物平均停留时间（MCRT）6、氧传递速率7、回流污泥浓度8、回流污泥率9、曝气池的构造10、pH和碱度11、溶解氧浓度12、污泥膨胀及其控制九、活性污泥法系统设计和运行中的一些重要问题流向污水厂的流量变化1、水 力 负 荷 一天内的流量变化随季节的流量变化雨水造成的流量变化泵的选择不当造成的流量变化水力负荷的变化影响活性污泥法系统的曝气池和二次沉淀池。当流量增大时，污水在曝气池内的停留时间缩短，影响出水质量，同时影

53、响曝气池的水位。若为机械表面曝气机，由于水面的变化，它的运行就变得不稳定。对二次沉淀池为水力影响。 1、水 力 负 荷 2、有机负荷率N 污泥负荷率N和MLSS的设计值采用得大一些，曝气池所需的体积可以小一些。但出水水质要降低，而且使剩余污泥量增多，增加了污泥处置的费用和困难，同时，整个处理系统较不耐冲击，造成运行中的困难。为避免剩余污泥处置上的困难和保持污水处理系统的稳定可靠，可以采用低的污泥负荷率（0.1），把曝气池建得很大，这就是延时曝气法。 曝气区容积的计算，设计中要考虑的主要问题是如何确定污泥负荷率N和MLSS的设计值。 3、微生物浓度 在设计中采用高的MLSS并不能提高效益，原因如

54、下： 其一，污泥量并不就是微生物的活细胞量。曝气池污泥量的增加意味着泥龄的增加，泥龄的增加就使污泥中活细胞的比例减小。 其二，过高的微生物浓度使污泥在后续的沉淀池中难以沉淀，影响出水水质。 其三，曝气池污泥的增加，就要求曝气池中有更高的氧传递速率，否则，微生物就受到抑制，处理效率降低。采用一定的曝气设备系统，实际上只能够采用相应的污泥浓度，MLSS的提高是有限度的。4、曝 气 时 间 在通常情况下，城市污水的最短曝气时间为3h或更长些，这和满足曝气池需氧速率有关。 当曝气池做得较小时，曝气设备是按系统的负荷峰值控制设计的。这样，在非高峰时间，供氧量过大，造成浪费，设备的能力不能得到充分利用。

55、若曝气池做得大些，可降低需氧速率，同时由于负荷率的降低，曝气设备可以减小，曝气设备的利用率得到提高。 5、微生物平均停留时间(MCRT)(又称泥龄) 微生物平均停留时间至少等于水力停留时间，此时，曝气池内的微生物浓度很低，大部分微生物是充分分散的。 微生物的停留时间应足够长，促使微生物能很好地絮凝，以便重力分离，但不能过长，过长反而会使絮凝条件变差。 微生物平均停留时间还有助于说明活性污泥中微生物的组成。世代时间长于微生物平均停留时间的那些微生物几乎不可能在该活性污泥中繁殖。 6、氧 传 递 速 率 氧传递速率要考虑二个过程要提高氧的传递速率氧传递到水中氧真正传递到微生物的膜表面必须有充足的氧量必须使混合液中的悬浮固体保持悬浮状态和紊动条件7、回流污泥浓度 回流污泥浓度是活性污泥沉降特性和回流污泥回流速率的函数。 按右图进行物料衡算，可推得下列关系式：式中：sa曝气池中的MLSS,mg/L;sr回流污泥的悬浮固体浓度,mg/L;r 污泥回流比。 根据上式可知，曝气池中的MLSS不可能高于回流污泥浓度，两者愈接近，回流比愈大。限制MLSS值的主要因素是回流污泥的浓度。 衡量活性污泥的沉降浓缩特性的指标，它是指曝气池混合液沉淀30min后，每单位质量干泥形成的湿泥的体积，常用单位是mL/g。 （1