水污染控制工程_第十二章_ 活性污泥法

1、第十二章 活性污泥法,第一节 基 本 概 念,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。,活性污泥的性质,颜色,黄褐色,状态,似矾花絮绒颗粒,味道,土腥味,相对密度,曝气池混合液：1.0021.003 回流污泥：1.0041.006,20100cm2/mL,比表面积,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

2、丝状菌大量增殖会引发污泥膨胀。,微生物组成特征（一）,微生物组成特征（二）,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。 后生动物(主要指轮虫、线虫、甲壳虫如水骚类），捕食菌胶团和原生动物，是水质稳定的标志。,产碱杆菌,丝状菌,草履虫,游泳型纤毛虫,钟虫,固着型纤毛虫,轮虫,线虫,曝气池,曝气池出水堰,曝气池混合液配水进入二沉池,生物量分析：,MLSS表示悬浮固体物质总量，MLVSS挥发性固体成分表示有机物含

3、量，MLNVSS灼烧残量，表示无机物含量。 MLVSS包含了微生物量，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微生物的量。,污泥沉降比：SV,活性污泥的沉降浓缩性能,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。通常，曝气池混合液的沉降比正常范围为15-30%。,污泥体积指数：SVI,SV不能确切表示污泥沉降性能，故人们想起用单位干泥形成湿泥时的体积来表示污泥沉降性能，简称污泥指数，单位为mL/g。,在一定的污泥量下，SVI反映了活性污泥的凝聚沉淀性。如SVI较高，表示SV值较大、沉淀性较差；如SV

4、I较小，污泥颗粒密实，污泥无机化程度高，沉淀性好。但是，如SVI过低，则污泥矿化程度高，活性及吸附性都较差。 通常，当SVI为100150，沉淀性能良好；而当SVI200时，沉淀性较差，污泥易膨胀。但根据废水性质不同，这个指标也有差异。如废水溶解性有机物含量高时，正常的SVI值可能较高；相反，废水中含无机性悬浮物较多时，正常有的SVI值可能较低。,活性污泥法的基本流程,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：,吸附阶段,稳定阶段,由于活性污泥具有巨大的表面积，而表面上含有多糖类的黏性物质，导致污水中的有机物转移到活性污泥上去。,主要是转移

5、到活性污泥上的有机物为微生物所利用。,活性污泥降解污水中有机物的过程,污水与污泥混合曝气后BOD的变化曲线,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：,污水中的有机物,残留在污水中的有机物,从污水中去除的有机物,微生物不能利用的有机物,微生物能利用的有机物,微生物能利用而尚未利用的有机物,微生物不能利用的有机物,微生物已利用的有机物（氧化和合成）,（吸附量）,增殖的微生物体,氧化产物,P105,曲线反映污水中有机物的去除规律； 曲线反映活性污泥利用有机物的规律； 曲线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)

6、内就基本完成了(见曲线)； 污水中的有机物先是转移到(吸附)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)。,第二节 活性污泥法的发展,一、活性污泥法曝气反应池的基本形式,推流式（PF） 完全混合式 封闭环流式 序批式,传统活性污泥法 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

7、泥法（SBR法）,二、活性污泥法的发展与演变,有机物去除和氨氮硝化,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,渐 减 曝 气,把入流的一部分从池端引入到池的中部分点进水。,阶段（分 步） 曝 气,分步曝气示意图,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。,完全混合的概念,（1）池液中各个部分的微生物种类和数量基本

8、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。,完全混合法的特征,完 全 混 合 法,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。,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

9、动力费用，动力效率可达1.82.6kg（O2） / kWh。 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/（m3 水.h）。 浅层池适用于中小型规模的污水厂。,部分污水厂只需要部分处理，因此产生了高负荷曝气法。 曝气池中的MLSS约为300500mg/L，曝气时间比较短，约为23h，处理效率仅约65左右，有别于传统的活性污泥法，故常称变形曝气。,高负荷曝气或变形曝气,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

10、时间和空间上部分处于内源呼吸状态，剩余污泥少而稳定，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。,延 时 曝 气,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0.250.3m/s，使活性污泥呈悬浮状态。,氧 化 沟,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级曝气池是一个开放性的生物系统。A、B两级各自有独立的污泥回流系统

11、，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）,AB两段的主要工艺参数对比及推荐取值,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。,(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)时间上呈推流式,易于得到优于连续流系统的出水水质； (4)运行操

12、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)具有较好的脱氮除磷效果。,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,(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)运行控制相对复杂； (7)不适用于大水量。,序批式活性污泥法（SBR法）,SBR工艺的缺点,(1) 生物选择器 (2) 缺氧区 (3) 好氧区 (4) 回流污泥和剩余污泥 (5) 滗水器 循环式活性污泥法工艺,1,5,30,CASS(CAST/CASP)工艺设计

13、,回流污泥,第三节 活性污泥法数学模型基础,底物降解速率与底物浓度、生物量等因素之间的关系 微生物增殖速率与底物浓度、生物量等因素之间的关系,一、建立模型的假设,（1）曝气池处于完全混合状态 （2）进水中微生物可忽略 （3）全部可生物降解的底物处于完全溶解状态 （4）系统处于稳定状态 （5）二沉池中没有微生物活动 （6）二沉池中没有污泥积累，泥水分离良好,完全混合活性污泥法系统的典型流程,二、劳伦斯和麦卡蒂（LawrenceMcCarty)模型,污泥龄（SRT）,SRT：曝气池中污泥全部更新一次所需 要的时间。,（一）在稳态下，作系统活性污泥的物料平衡：,活性污泥的净增长速率，gMLVSS/（

14、m3d）,通过控制污泥龄，可以控制微生物的比增长速率,代入,出水有机物浓度仅仅是污泥龄和动力学参数的函数，与进水有机物浓度无关。,（二）在稳态下，作曝气池底物的物料平衡：,活性污泥浓度与进出水水质、污泥泥龄和动力学参数密切相关。,Lawrence、McCarty导出的活性污泥数学模型,第四节 气体传递原理和曝气设备,一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥；,二是污水中的有机物，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。,气 体 传 递 原 理,双膜理论的基点是认为在气液界面存在着二层膜（即气膜和液膜）这一物理现象。

15、 这两层薄膜使气体分子从一相进入另一相时受到了阻力。当气体分子从气相向液相传递时，若气体的溶解度低，则阻力主要来自液膜。,氧转移速率与供气量的计算,曝气扩散设备堵塞系数（0.650.9）,在稳定条件下，氧的转移速率等于活性污泥微生物的需氧速率（Rr）,气压修正系数=当地气压/标准大气压,总传质系数,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cs0值要用于污水要乘以系数，因而上式变为：,在标准条件下，转移到一定体积脱氧清水中总氧量（OS，单位：kg/h）为：,而在实际情况下，同样的曝气系统设备，能够转移到同样体积曝气池混合液中总氧量（O2，kg/h）为：,根

16、据生化过程计算实际需氧量O2,换算为OS,根据氧利用效率EA计算供气量GS,曝气系统需要的供气量GS（m3/h）：,风机工作台数3，1台备用 风机工作台数4，2台备用（备用风机同时可用于高峰负荷时补充供气量）,鼓风机的选型,主要依据： 风压 单机风量,根据扩散设备的淹没水深及风压损失、风管的压力损失、管道中调节阀门等配件的局部压力损失等确定 p=H+Hd+Hf+安全压头,机械曝气的选型,如泵型叶轮的充氧量与叶轮直径及叶轮线速度的关系：,QS在标准条件下脱氧清水中的充氧量，kg/h 叶轮线速度，m/s D叶轮直径 K池型修正系数,曝 气 设 备,鼓风曝气,机械曝气,空气净化器,鼓 风 机,空气输

17、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。,鼓风曝气系统的组成,过滤器与进口消音器,过滤器压力损失监测,鼓风机旁通与旁通消音器,鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,空气输配管系统,扩 散 器,鼓风机供应压缩空气,风量要满足生化反应所需的氧量和能保持混合液悬浮固体呈悬浮状态。,风压要满足克服管道系统和扩散器的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压。,罗茨鼓风机：适用于中小型污水厂，噪声大，必须采取消音、隔音措施,离心式鼓风机：噪声小，效率

18、高，适用于大中型污水厂,常用鼓风机形式,1. 容积式风机: 罗茨鼓风机、回转风机,2. 单级高速离心鼓风机,丹麦HV-Turbo风机,英国Howden风机,常用鼓风机形式,常用鼓风机形式,美国Power Mizer多级风机,多极离心风机,离心鼓风机外型,离心鼓风机房,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

19、。,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,穿孔曝气管,膜片式微孔曝气器,微孔曝气设备,微孔曝气盘,ZDB型振动曝气器,KBB型可变微孔曝气器,微孔曝气器实际安装情况,微孔曝气管,微孔曝气设备测试,微孔曝气设备安装,微孔曝气设备的清水检验,微孔曝气设备的运行状况,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

20、曝气机,曝气的效率取决于： 曝气机的性能 曝气池的池形,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,伞形曝气器,倒伞形机械曝气器,表面曝气机,沉水曝气机,曝气转刷,转刷曝气机,水平轴曝气转刷或转盘,测试中的曝气转碟,射流曝气器,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,注意： 各类曝气设备除了要满足充

21、氧要求外，还应满足最低混合强度要求： 采用鼓风曝气，处理1m3污水的曝气量3m3； 如曝气池水位较深，则可以按最低曝气强度（每单位池底面积、单位时间内的曝气量）控制： 大中气泡扩散器：1.2m3/（m2 h） 小气泡扩散器：2.2m3/（m2 h） 机械曝气： 混合池功率 25W/m3；氧化沟15W/m3,第五节 去除有机污染物的 活性污泥法过程设计,设计 计算 任务,确定工艺流程 选择曝气池的类型 计算曝气池的容积 确定污泥回流比 计算所需供氧量 曝气设备选择 剩余污泥量计算,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,一、曝气池容积设

22、计计算,污泥泥龄法,有机物负荷法,1.有机物负荷法,污泥负荷率是指单位质量活性污泥在单位时间内所承受的BOD5量，即:,式中：Ls污泥负荷率,kg BOD5/（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，mg/L。,污泥负荷,容积负荷是指单位容积曝气区在单位时间内所承受的BOD5量，即：,式中：Lv容积负荷率，kg (BOD5)/(m3d)。,容积负荷,根据上面任何一式可计算曝气池的体积，即:,Q和S0是已知的，X、LS、LV可参考教材中P118表12-1选择。对于某些工业污水，要通过试验来确定X、LS、L

23、V 。污泥负荷率法应用方便，但需要一定的经验。,Note：,室外排水设计规范（GB50014-2006),2.污泥泥龄法,P124,二、剩余污泥量计算,1.按污泥龄计算,每天排出的总固体量，gVSS/d,2.根据污泥产率系数或表观产率系数计算,或：,P142,三、需氧量设计计算,经活性污泥代谢活动被降解的有机污染物（BOD5）量，kg/m3,注：考虑硝化耗氧,微生物细胞的耗氧当量,(+4.57NNOr),BOD5=0.68BODL,推流式曝气池的计算模式,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。,第六节 脱N除P活性污泥法工艺及其设计,一、生物

24、脱N工艺 1、传统(Barth)三级脱氮工艺,该工艺是将有机物氧化，硝化及反硝化段独立开来，每一部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。使除碳，硝化和反硝化在各自的反应器中进行，并分别控制在适宜的条件下运行，处理效率高。 由于反硝化段设置在有机物氧化和硝化段之后，主要靠内源呼吸碳源进行反硝化，效率很低，所以必须在反硝化段投加外加碳源来保证高效稳定的反硝化反应。,随着对硝化反应机理认识的加深，将有机物氧化和硝化合并成一个系统以简化工艺，从而形成二段生物脱氮工艺成为现实。各段同样有其自己的沉淀及污泥回流系统。除碳和硝化作用在一个反应器中进行时，设计的污泥负荷率要低，水力停留时间和泥龄要长，

25、否则，硝化作用要降低。在反硝化段仍需要外加碳源来维持反硝化的顺利进行。（注：硝化菌的世代时间为310d）,2.,3.缺氧好氧工艺（前置反硝化，又叫A/O工艺）,反硝化反应以污水中的有机物为碳源，曝气池中含有大量硝酸盐的回流混合液，在缺氧池中进行反硝化脱氮。在反硝化反应中产生的碱度可补偿硝化反应中所消耗的碱度的50左右。 该工艺流程简单，无需外加碳源，因而基建费用及运行费用较低，脱氮效率一般在70左右；但由于出水中含有一定浓度的硝酸盐，在二沉池中，有可能进行反硝化反应，造成污泥上浮，影响出水水质。,3.后置缺氧好氧生物脱N工艺,缺氧,好氧/硝化,二沉池,出水,出水,污泥,回流污泥,4.Barde

26、npho生物脱氮工艺,该工艺取消了三段脱氮工艺的中间沉淀池。 该工艺设立了两个缺氧段，第一段利用原水中的有机物为碳源和第一好氧池中回流的含有硝态氮的混合液进行反硝化反应。经第一段处理，脱氮已基本完成。为进一步提高脱氮效率，废水进入第二段反硝化反应器，利用内源呼吸碳源进行反硝化。最后的曝气池用于吹脱废水中的氮气，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。 此工艺比三段脱氮工艺减少了投资和运行费用。,机理解释： 1）反应器DO分布不均论 2）缺氧微环境理论 3）微生物学解释 传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成，反硝化只能在缺氧条件下进行，但研究已经证实了好氧反硝化菌和异养硝化菌存在。,5

27、 同步硝化反硝化（SNdN）,短程生物脱氮工艺SHARON工艺ANAMMOX工艺SHARONANAMMOX组合工艺OLAND工艺CANON工艺,6 其他新型生物脱氮工艺,（二）生物脱N工艺过程设计,1.缺氧区容积设计 根据反硝化速率计算,缺氧池去除的硝酸盐，g/d；,缺氧池池体容积，m3；,反硝化速率，gNO3-N/（gMLVSS.d）,碳源,温度,反硝化速率的两大影响因素,对于一般城镇污水，没有试验资料时，前置反硝化系统利用原污水碳源作为电子供体时，在20，Kde0.030.06gNO3-N/（gMLVSS.d）； 对于没有外来碳源的后置反硝化系统， Kde0.010.03gNO3-N/（g

28、MLVSS.d）,另外：,2.好氧区容积设计,可参照：,（仅考虑有机物去除）,但硝化系统污泥龄要比仅有机物去除系统污泥龄长，因为硝化菌的世代周期比去除有机物的异养菌长得多，硝化速率将控制好氧硝化池的容积设计。,如何确定C？,（1）DO对硝化菌比生长速率的影响,（2）T对硝化菌比生长速率的影响,好氧区设计污泥龄（考虑了硝化菌的正常生长），d,污泥龄设计安全系数，可根据进水峰值TKN/TKN平均浓度确定，一般取1.52.5。,无硝化污水处理厂的最小泥龄选择45 d，是针对生活污水的水质并使处理出水达到BOD=30 mg/L和SS=30 mg/L确定的， 这是多年实践经验的积累。,曝气池容积确定：,

29、3.需氧量计算,前置反硝化,4.混合液回流量,好氧区产生的硝酸盐量 = 内回流中的+污泥回流中的+出水中含的,内回流比,出水硝态氮浓度（mg/L）,内回流比对缺氧/好氧过程中出水硝酸盐浓度的影响 （R0.5）,对以生活污水为主的城镇污水处理厂，保持反应池pH中性需要的碱度为80mg/L（以CaCO3计）以上。 碱度跟pH之间的关系？,5.碱度平衡,二、生物除P工艺,（一）生物除磷工艺类型 AO法 Phostrip工艺,为了使微生物在好氧池中易于吸收磷，溶解氧应维持在2mgL以上，pH值应控制在78之间。,（二）生物除磷工艺过程设计,1.厌氧区容积设计 一般按水力停留时间（一般取12h）设计，按进水中易降解COD的浓度计算生物除磷的量，一般认为生物去除每1g磷约需消耗10g易降解COD。,2.好氧区容积设计,如果系统仅需除磷，则SRT即c宜较短。 20， SRT取23d；10，SRT取45