污水的好氧生物处理--活性污泥法.ppt

第五章 污水的好氧生物处理 活性污泥法,废水好氧生物处理中有机物的代谢途径,内源呼吸产物 + 能量 (CO2、H2O、NH3、SO42-),污水中的可 降解有机物,新细胞物质 （C5H7NO2）,代谢产物 (CO2、H2O、NH3、SO42-),(1/3),分解代谢,+ 异养微生物, 能量,主要内容,活性污泥法基本概念 活性污泥基本性能 气体传递原理和曝气池 活性污泥法的发展和演变 活性污泥法的设计计算 活性污泥法系统设计和运行中的一些重要问题 二次沉淀池,5.1 基本概念,活性污泥的发现 1912年开始，污水曝气产生悬浮状态褐色絮状污泥 活性污泥组成：细菌、真菌、原生动物和后生动物 1916年第一个活性污泥法污水处理厂 城市污水处理最广泛应用的方法 活性污泥法的实质：天然水体自净作用的人工化和强化,5,A细菌：是活性污泥净化功能最活跃的成分 主要菌种有： 动胶杆菌属、假单胞菌属、微球菌属、黄杆菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属等 特征： 1）多属好氧和兼性异养型的原核细菌； 2）在有氧条件下，具有较强的分解有机物的功能； 3）具有较高的增殖速率，其世代时间为2030分钟； 4）其中的动胶杆菌具有将大量细菌结成为“菌胶团”的功能。,活性污泥中的微生物,B 其他微生物原生动物,活性污泥中的原生动物,活性污泥中的原生动物,活性污泥中的原生动物,活性污泥中的原生动物,11,活性污泥系统启动初期，游离细菌居多，原生动物肉足虫（如变形虫）游泳型纤毛虫（如豆形虫、草履虫）。 菌胶团培育成熟，细菌多“聚居”在活性污泥上，处理水水质良好；原生动物以带柄固着型的纤毛虫（如钟虫、等枝虫等）为主。 原生动物能不断摄食水中的游离细菌，起到进一步净化水质的作用。 后生动物（主要指轮虫）在活性污泥中是不经常出现的，仅在处理水质优异的完全氧化型活性污泥系统（如延时曝气）中出现，因此，轮虫出现是水质非常稳定的标志。,后生动物,活性污泥的增殖曲线, 适应期： 是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机物污染物的种类等的一个短暂的适应过程；经过适应期后，微生物从数量上可能没有增殖，但发生了一些质的变化： a.菌体体积有所增大； b.酶系统也已做了相应调整； c.产生了一些适应新环境的变异；等等。 BOD5、COD等各项污染指标可能并无较大变化。,活性污泥的增殖曲线, 对数增长期： F/M值高(2.2)，所以有机底物非常丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应，它仅由微生物本身所特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身的生理机能的限制；微生物以最高速率对有机物进行摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞；此时的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活动能力很强，导致污泥质地松散，不能形成较好的絮凝体，污泥的沉淀性能不佳；活性污泥的代谢速率极高，需氧量大；一般不采用此阶段作为运行工况，但也有采用的，如高负荷活性污泥法。,活性污泥的增殖曲线, 减速增长期： F/M值下降到一定水平后，有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素； 微生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比，为一级反应； 有机底物的降解速率也开始下降； 微生物的增殖速率在逐渐下降，直至在本期的最后阶段下降为零，但微生物的量还在增长； 活性污泥的能量水平已下降，絮凝体开始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好； 由于残存的有机物浓度较低，出水水质有较大改善，并且整个系统运行稳定； 一般来说，大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在这一范围内的。,活性污泥的增殖曲线, 内源呼吸期： 内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，因此从整体上来说，活性污泥的量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残留物，而这些物质多是难于降解的细胞壁等；污泥的无机化程度较高，沉降性能良好，但凝聚性较差；有机物基本消耗殆尽，处理水质良好；一般不用这一阶段作为运行工况，但也有采用，如延时曝气法。,活性污泥的增殖曲线, 活性污泥的增殖状况，主要是由F/M值所控制； 处于不同增殖期的活性污泥，其性能不同，出水水质也不同； 通过调整F/M值，可以调控曝气池的运行工况，达到不同的出水水质和不同性质的活性污泥； 活性污泥法的运行方式不同，其在增殖曲线上所处位置也不同。,活性污泥增殖规律的应用,活性污泥的性质及性能指标,1、物理性质： “菌胶团”“生物絮凝体” 颜色：褐色、（土）黄色、铁红色 气味：泥土味（城市污水） 比重：略大于1 （1.0021.006） 粒径：0.020.2 mm 比表面积：20100cm2/ml,活性污泥的性质及性能指标,2、生化性能： 活性污泥的含水率： 99.299.8% 其中固体物质的组成： 1）活细胞（Ma）： 2）微生物内源代谢的残留物（Me）： 3）吸附的原废水中难于生物降解的有机物（Mi） 4）无机物质（Mii）：,活性污泥的性能指标：污泥浓度,3. 混合液悬浮固体浓度（MLSS）： （Mixed Liquor Suspended Solids） MLSS = Ma + Me + Mi + Mii 单位： mg/L 或 g/m3 4. 混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS） （Mixed Liquor Volatile Suspended Solids） MLVSS = Ma + Me + Mi 单位： mg/L 或 g/m3,在条件一定时， 较稳定； 对于处理城市污水的活性污泥系统，一般为0.750.85,活性污泥的性能指标：,5 污泥沉降比（SV） （Sludge Volume） 定义：将曝气池中的混合液在量筒中静置30分钟，其沉淀污泥与原混合液的体积比，一般以%表示； 功能：能相对地反映污泥数量以及污泥的凝聚、沉降性能，可用以控制排泥量和及时发现早期的污泥膨胀； 正常范围： 2030%,活性污泥的性能指标：,6 污泥体积指数（SVI） （Sludge Volume Index） 定义：曝气池出口处混合液经30分钟静沉后，每g干污泥所形成的污泥体积，( ml/g),功能：能更准确地评价污泥的凝聚性能和沉降性能， 其值过低，说明泥粒小，密实，无机成分多； 其值过高，说明其沉降性能不好，将要或已经发生膨胀； 正常范围： 50150 ml/g（处理城市污水时）,活性污泥去除有机物是分三阶段进行 吸附阶段 污泥具有巨大的表面积，表面上含有多糖类黏性物质，使活性污泥具有很好的吸附性能。污水与活性污泥混合后，污水中的固体有机物等污染物首先被吸附转移到活性污泥表面。 稳定阶段 （降解阶段） 吸附转移到活性污泥表面的污染物被微生物分解转化为CO2和H2O等简单化合物及自身细胞。 混凝阶段 曝气池中的混合液进入二沉池后，活性污泥颗粒和游离微生物等固形物在微生物释出的羟基丁酸和黏性物质等的作用下，相互凝聚形成大颗粒絮体。 吸附和稳定在曝气池中完成，而混凝则在二沉池进行,污水中有机物的降解过程,传统活性污泥法工艺流程：,曝气池： 在池中使废水中的有机污染物质与活性污泥充分接触，并吸附和氧化分解有机污染物质。 曝气系统：供给曝气池生物反应所需的氧气，并起混合搅拌作用 二次沉淀池： 用以分离曝气池出水中的活性污泥， 污泥回流系统 ：把二次沉淀池中的一部分沉淀污泥再回流到曝气池，以供应曝气池赖以进行生化反应的微生物。 剩余污泥排放系统： 曝气池内污泥不断增殖，增殖的污泥作为剩余污泥从剩余污泥排放系统中排出。,活性污泥法的基本组成,曝气池的类型,曝气池的分类： 根据曝气池内的运行方式，可分为连续运行与间歇运行两种； 根据曝气池内的流态，可分为推流式、完全混合式和封闭环流式三种； 根据曝气方式，可分为鼓风曝气池、机械曝气池以及二者联合使用的机械-鼓风曝气池； 根据曝气池的形状，可分为长方廊道形、圆形、方形以及环状跑道形等四种； 根据曝气池与二沉池之间的关系，可分为合建式（即曝气沉淀池）和分建式两种。,推流式曝气池,推流式曝气池,呈长方形；廊道的长度可达100m，但以5070m之间为宜；长度应是宽度的510倍；宽度与有效水深之比为1-2； 从池首到池尾，微生物的组成与数量、基质的组成与数量等都在连续地变化； 有机物的降解速率、耗氧速率也都连续地变化； 活性污泥在池内是按增长曲线的一个线段进行增长； 一般呈廊道型，可有单廊道、双廊道、三廊道和五廊道等。,完全混合式曝气池,完全混合式曝气池,废水一进入曝气池，即与池内原有混合液充分混合； 混合液组成、微生物组成与数量等完全均匀一致； 有机物的降解速率、耗氧速率等在池内各部位都是不变的；,封闭环流式反应池（CLR）,结合了推流和完全混合两种流态的特点。污水进水反应池与反应池中的混合液迅速混合后，在封闭的沟渠中进行循环流动。 流速一般为0.25-0.35m/s，完成一个循环所需时间为5-15min，污水在反应器内停留10-24小时（循环40-300次）。,封闭环流式反应池（CLR）,序批式反应池（SBR）,5个不同阶段,高碑店污水处理厂的工艺流程与平面布置,初沉池,曝气池,二期,曝气池,初沉池,二沉池,二沉池,正在运行的曝气池,5.2 活性污泥法的发展和演变,传统活性污泥法； 完全混合活性污泥法； 吸附再生活性污泥法； 延时曝气活性污泥法； 高负荷活性污泥法； 纯氧曝气活性污泥法； 氧化沟 SBR,1 传统活性污泥法,主要特点： a. 曝气池推流式，废水浓度从进水端到出水端逐渐下降 b. 沿曝气池长度方向曝气量相等。 主要问题： a. 池首端供氧速率低于需氧速率易形成缺氧状态，不宜采用过高的有机负荷。 b. 在池末端可能出现供氧速率高于需氧速率的现象，会浪费了动力费用； c. 对冲击负荷（有机物浓度突然增高）的适应性较弱。 怎么解决这些问题？,2、完全混合活性污泥法,主要特点： a.进水一进入曝气池，就立即被大量混合液所稀释，所以对冲击负荷有一定的抵抗能力； b.池液中各部分微生物种类和数量相同，有机物浓度基本相同，需氧速率比较均匀；可以方便地通过对F/M的调节，使反应器内的有机物降解反应控制在最佳状态 ； c. 适合于处理较高浓度的有机工业废水。,3 吸附再生活性污泥法 又称生物吸附法或接触稳定法,主要特点： 将吸附、降解两个过程分别控制在不同的反应器内进行。,活性污泥的初期吸附作用,曝气过程,降解,初期吸附,BOD,活性污泥的初期吸附作用,在活性污泥系统内，在污水开始与活性污泥接触后的较短时间(1030min)内，由于活性污泥具有很大的表面积因而具有很强的吸附能力，因此在这很短的时间内，就能够去除废水中大量的呈悬浮和胶体状态的有机污染物，使废水的BOD5值(或COD值)大幅度下降。 但不是真正的降解，随着时间的推移，混合液的BOD5值会回升，再之后，BOD5值才会逐渐下降。 活性污泥吸附作用的大小与很多因素有关: 1）废水的性质、特性： 含有较高浓度呈悬浮或胶体状态的有机污染物。 2）活性污泥的状态： 充分的再生曝气，一般应使活性污泥微生物进入内源代谢期，才能使其吸附功能得到恢复和增强。,吸附再生活性污泥法工艺流程,吸附再生活性污泥法,1)主要优点： a.废水与活性污泥在吸附池的接触时间较短，吸附池容积较小，再生池接纳的仅是浓度较高的回流污泥，因此，再生池的容积也是小的。吸附池与再生池容积之和仍低于传统法曝气池的容积，建筑费用较低； b.具有一定的承受冲击负荷的能力，当吸附池的活性污泥遭到破坏时，可由再生池的污泥予以补充。 2)主要缺点： 对废水的处理效果低于传统法，此外，对溶解性有机物含量较高的废水，处理效果更差。,1)主要特点： 曝气时间长，污泥浓度高， 污泥持续处于内源代谢状态，剩余污泥少且稳定，无需再进行处理； 处理出水水质稳定性较好，对废水冲击负荷有较强的适应性； 在某些情况下，可不设初沉池。 2)主要缺点： 池容大、曝气时间长，占地面积大； 建设费用和运行费用高； 适用条件： 出水水质高，小规模，水量一般在1000m3/d以下。,4 延时曝气活性污泥法,5 高负荷活性污泥法,主要特点： a.适用于污水仅需要部分处理的情况， b.有机负荷率高；曝气时间短，对废水的处理效果较低 c.在系统和曝气池的构造等方面与传统法相同。,工艺流程,气体循环泵,气体分散及搅拌装置,6 纯氧曝气活性污泥法,6 纯氧曝气活性污泥法,1)主要特点： a. 纯氧中氧的分压比空气约高5倍，纯氧曝气可大大提高氧的转移效率； b. 氧的转移率可提高到80-90%，而一般的鼓风曝气仅为525%左右； c. 可使曝气池内活性污泥浓度高达40007000mg/l，能够大大提高曝气池的容积负荷； 剩余污泥产量少，SVI值也低，污泥膨胀较少发生。 纯氧发生器管理较复杂,7 氧化沟(Oxidation Ditch)工艺,又称氧化渠或循环曝气池，是活性污泥法延时曝气的一种变形； 50年代，荷兰，Pasveer； 早期：适用于5000m3/d以下，城市污水； 目前：各种规模的城市生活污水或工业废水,氧化沟的工作原理与特征,1、氧化沟的工艺流程,氧化沟的特征,构造上的特征 池体狭长，总长可达几十米，甚至百米以上，一般呈环形沟渠状，平面多为椭圆或圆形；池深一般在25m左右； 曝气装置多用表面机械曝气器， 竖轴曝气器，如：低速曝气叶轮； 横轴曝气器，如：曝气转刷、曝气转盘； 进、出水装置简单。,氧化沟的特征,工艺上的特征 氧化沟内的流态呈循环混合态（介于完全混合和推流之间）； 沟内混合液呈推流式快速流动（0.40.5m/s）； 进水流量与沟内流量相比很小，完全混合； 有机负荷很低，相当于延时曝气法，出水水质好； 抗冲击负荷能力强，对水温、水质、水量等的变动有适应性； 污泥产率低，剩余污泥产量少；污泥龄长，可达1530d，为传统活性污泥法的36倍 ； 世代时间很长的细菌如硝化细菌能在反应器内得以生存，从而使氧化沟具有脱氮的功能。,1 Carrousel 式氧化沟 2 Orbal 氧化沟 3 交替工作氧化沟 4 曝气沉淀一体化氧化沟,氧化沟几种典型的构造形式,1、Carrousel 式氧化沟,Carrousel 式氧化沟又称平行多渠形氧化沟；是60年代末荷兰DHV公司开创的。 采用竖轴低速表面曝气器；水深可达44.5m，沟内流速达0.30.4m/s；混合液在沟内每520min循环一次；沟内混合液总量是入流废水量的3050倍；BOD5去除率可达95%以上，脱氮率可达90%，除磷效率可达50%； 应用广泛，最大规模为650000m3/d；在国内主要有昆明兰花沟污水处理厂、上海龙华肉联厂、桂林市东区废水厂等。,2、Orbal氧化沟,Orbal氧化沟又称同心圆型氧化沟，其主要特点如下： 圆形或椭圆形的沟渠，能更好地利用水流惯性，可节省能耗； 多沟串联可减少水流短路现象； 最外层第一沟的容积为总容积的6070%，其中的DO 接近于零，为反硝化和磷的释放创造了条件； 第二、三沟的容积分别为总容积的2030%和10%，而DO则分别为1和2mg/l； 这种沟渠间的DO浓度差，有利于提高充氧效率； Orbal氧化沟在国内的主要工程实例有： 抚顺石油二厂废水处理站(28,800m3/d)； 北京燕山石化公司新建废水处理厂(60000m3/d)； 成都市天彭镇污水处理厂。,3、交替工作氧化沟,交替工作氧化沟由丹麦Kruger公司所开发的，有二沟和三沟式两种形式；其主要特点是其中的每一条沟均交替用做曝气池和沉淀池，而无需二沉池和污泥回流装置；但其中的曝气转刷的利用率较低，D型二沟只有40%，三沟式则提高到了58%； 其中的三沟式氧化沟，特点如下： 两侧的A、C二沟交替地作为曝气池和沉淀池，而B沟则一直充作曝气池； 原废水交替的从A沟和C沟进入，而出水则相应地从C沟及A沟流出； 曝气器的利用率较高(58%)； 交替运行的方式，为脱氮创造了条件，有良好的BOD去除效果和脱氮效果。 交替工作氧化沟的主要工程实例： 邯郸市东污水处理厂(100000m3/d)，三沟； 苏州市河西污水处理厂(80000m3/d)，三沟； 南通市污水处理厂(25000m3/d)，五沟。,一体化氧化沟是20世纪80年代由美国开发的，主要有：侧沟型、BMTS型、船型。,4、曝气沉淀一体化氧化沟,正在运行的氧化沟,隔墙,曝气转刷,Carrousel 氧化沟,Orbal氧化沟,燕山石化公司第四期废水处理厂(60000m3/d)；,8 AB法工艺,吸附生物降解（Adsorption-Biodegradation）工艺， 德国亚琛大学，Bohnke教授，70年代中期。,一、AB法的工艺流程及特征,1、工艺流程,AB法的主要特点, 未设初沉池，由吸附池和中间沉淀池组成的A段为一级处理系统； B段由曝气池和二沉池组成； A、B两段各自拥有独立的污泥回流系统，两段完全分开，各自有独特的微生物群体，有利于功能稳定。,A段的特征,不设初沉池，原废水中的微生物全部进入吸附池，A段是一个开放性的生物反应器； 负荷很高，有利于增殖速度快、适应能力强的微生物生长； BOD去除率为4070%，出水可生化性有所提高，有利于B段的继续降解； 污泥产率较高，吸附能力强； 对有机物的去除，吸附作用为主，生物降解占1/3左右。,B段的特征,来水为A段出水，水质、水量较稳定； 负荷率为总负荷率的3060%； 污泥龄较长，有利于硝化反应。,1）A段： 污泥负荷率 2.06.0kgBOD/kgMLSS.d 水力停留时间（HRT） 30min 污泥龄（c） 0.30.5d 溶解氧（DO） 0.20.7mg/l 2）B段： 污泥负荷率 0.150.3kgBOD/kgMLSS.d 水力停留时间（HRT）2.03.0h 污泥龄（c）1520d 溶解氧（DO）1.02.0mg/l,二 主要设计参数,青岛海泊河污水处理厂全景,吸附池,中间沉淀池,曝气池,二次沉淀池,污泥浓缩池,污泥消化池,沼气池,进出水水质,A段曝气池： 水力停留时间（t） 0.8h 污泥负荷 4.0kgBOD5/kgMLSS.d DO 0.5mg/l 均耗氧率 0.38kgO2/kgBOD5 中间沉淀池： 表面水力负荷 2.0m3/m2.d 停留时间 1.3h B段曝气池： 水力停留时间（t） 4.2h 污泥负荷 0.37kgBOD5/kgMLSS.d DO 1.5mg/l 平均耗氧率 0.93kgO2/kgBOD5 二次沉淀池： 表面水力负荷 1.1m3/m2.d 停留时间 3.9h,该厂主要设计参数,9 间歇式活性污泥法(SBR)工艺,序批式间歇反应器 Sequence Batch ReactorSBR,SBR的工作原理,SBR的主要反应器只有一个曝气池，同时完成曝气沉淀等的功能，其运行可以分为五个工序：,SBR的工艺流程与特征,主要特征： 从时间角度来看，是一种较理想的推流式曝气池； 工艺系统组成简单不设二沉池，曝气池兼具二沉池的功能；不设污泥回流设备； 耐冲击负荷，在多数情况下，无需设置调节池； SVI值较低，污泥易沉淀，污泥膨胀现象较少； 易于维护管理，出水水质优于连续式； 通过调节，可在单一曝气池内完成脱氮和除磷； 易于实现自动化控制。,SBR系列,SBR工艺：间歇式活性污泥法 ICEAS工艺：间歇循环延时曝气法 CASS/CAST工艺：循环活性污泥法 DAT-IAT工艺：连续进水间歇曝气法 MSBR工艺：改良型间歇式活性污泥法 UNITANK工艺：一体化活性污泥法 氧化沟型SBR工艺,CASS工艺,连续进水,鼓风机,滗水器,剩余污泥,出水,污泥回流,主反应区,选 择 区,接 触 区,CASS工艺的特点,与SBR相比，CASS法的优点是： a. 反应池由预反应区和主反应区组成（1：2：20），对难降解有机物的去除效果更好，同时可抑制污泥膨胀； b.进水过程是连续的，因此，进水管道上无需电磁阀等控制元件，单个池子可独立运行；适用大中型污水处理厂。 c.排水是由可升降的堰式滗水器完成的，随水面逐渐下降，均匀将处理后的清水排出，最大限度降低了排水时水流对底部沉淀污泥的扰动。,10) 膜生物反应器,膜生物反应器（Membrane biological reactor）是利用超滤膜代替二沉池进行污泥固液分离的污水处理装置，为膜分离技术与活性污泥法的有机结合。,膜生物反应器优点：,容积负荷高、水力停留时间短； 污泥龄较长、剩余污泥量少； 避免因为丝状菌膨胀或其他污泥沉降问题引起的MLSS浓度； 在低氧运行时，可以同时进行硝化反硝化; 出水水质好； 污水处理设施占地面积小。,活性污泥法的基本工艺参数,曝气池,沉淀池,qv，s0，,V，x，,qvw，xr,qvqvw，xe,qvr，xr,V：曝气池容积 s0:进水有机物浓度 x：曝气池污泥浓度 xe：沉淀池出水中污泥浓度 xr：回流（排出）污泥浓度 qv：曝气池进水流量 qvw：排出剩余污泥流量 qvr：回流污泥流量,活性污泥法的基本工艺参数,1、曝气池的有机容积负荷：单位容积曝气区内单位时间所能承受的有机物（BOD5）量。,Nv:容积负荷，kgBOD5/m3*d qv：与曝气时间相当的平均进水流量，m3/d s0:曝气池进水的有机物浓度（BOD5）， mg/L,2、 曝气池的活性污泥负荷率：单位重量活性污泥在单位时间内所能承受的BOD5的量,Ns：污泥负荷，kgBOD5/kgMLSS*d X：曝气池污泥浓度，mg/L,3、曝气池的水力停留时间（HRT、Hydraulic Retention Time）：污水在曝气池中的停留时间,4、曝气池的污泥停留时间（SRT，Sludge Retention Time、c）：曝气池中污泥全部更新一次所需要时间,（h）,（d）,5、污泥回流比：曝气池中回流污泥的流量与进水流量的比值。,R=qvr/qv,各种活性污泥法的设计参数（处理城市污水，仅为参考值）,1、氧转移的理论基础： Fick定律 双膜理论,5.3 气体传递原理和曝气池,Fick定律,氧的传递是一个扩散过程 曝气过程中，空气中的氧从气相中被转移或传递到废水的液相中，是一个氧在气液两相之间的扩散过程，即气相中的氧通过气液界面扩散到液相主体中。 扩散过程的基本定律Fick定律； Fick定律认为：扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差，被扩散的物质分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散、转移。,Fick定律,式中： vd 物质的扩散速率，即单位时间内单位断面上通过的物质的量； 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； y 扩散过程的长度 dC/dy 浓度梯度，即单位长度上的浓度变化值。 物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系。,Fick定律,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：,氧转移的“双膜理论”,边界层,紊流,紊流,层流,层流,yg,CL,Ci,Pi,Pg,液膜,气膜,气相主体,液相主体,yl,对流扩散,对流扩散,分子扩散,对于难溶于水的氧来说，分子扩散的阻力大于对流扩散，传质的阻力主要集中在气膜和液膜上； 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,1923年，Lewis & Whitman,氧转移的双膜理论模式图,边界层,紊流,紊流,层流,层流,Cl,Pi,Pg,液膜,气膜,气相主体,液相主体,yl,对流扩散,对流扩散,分子扩散,Cs,Cs：与气相主体中氧分压相当的饱和溶解氧浓度； CL：液相主体中所要求的溶解氧浓度,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(CL)之差。,双膜理论,设液膜厚度为yl，因此在液膜内溶解氧浓度的梯度为：,式中: dM/dt 氧传递速率，kgO2/h； DL氧分子在液膜中的扩散系数，m2/h； A 气、液两相接触界面面积，m2； (CsCL)/yL在液膜内溶解氧的浓度梯度，kgO2/m3.m；,双膜理论,设液相主体的容积为V(m3)，并用其除以上式，则得：,式中: dC/dt 液相主体溶解氧浓度变化速率(或氧转移速率)，kgO2/m3.h； KL液膜中氧分子传质系数，m/h。,双膜理论,由于气液界面的面积难于计量，一般以氧总转移系数（KLa）代替 ：,式中： KLa氧总转移系数，h-1，,KLa值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中阻力大，则KLa值低，反之则KLa值高。 其倒数1/KLa的单位为（h），它所表示的是曝气池中溶解氧浓度从CL提高到Cs所需要的时间。,提高充氧速率的途径,为了提高dC/dt值，可以从两方面考虑： 提高KLa值： 加强液相主体的紊流程度，降低液膜厚度； 加速气、液界面的更新； 增大气、液接触面积等。 提高Cs值： 提高气相中的氧分压，如纯氧曝气、深井曝气等。,氧总转移系数（ KLa ）的求定,式中：C0当 t = 0时，液体主体中的溶解氧浓度(mg/l)； Ct当 t = t 时，液体主体中的溶解浓度(mg/l)； Cs液相主体中的饱和溶解氧浓度(mg/l)。,测定KLa值的方法与步骤：,投加Na2SO3和CoCl2，脱除水中的溶解氧； 当溶解氧完全脱除后，开始曝气充氧，并测定水中溶解氧随时间的变化情况； 计算、绘图。,0,曝气设备,1曝气装置的分类 曝气装置，又称为空气扩散装置，是活性污泥处理系统的重要设备，可以实现充氧和搅动混合两大作用。 按曝气方式可以将其分为鼓风曝气装置和表面（机械）曝气装置两种。,衡量曝气设备的技术性能指标,1氧的利用率（EA）：又称氧转移效率，是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比（%） ； 2充氧能力（R0）：通过表面机械曝气装置在单位时间内转移到混合液中的氧量（kgO2/h） ； 3动力效率（Ep）：每消耗1度电转移到混合液中的氧量（kgO2/kw.h） 。 1和3用于鼓风曝气系统，2和3用于机械曝气系统。,2鼓风曝气装置,鼓风曝气系统由空气净化器、鼓风机、空气输送管道以及曝气装置所组成。 鼓风曝气装置可分为： （微）小气泡型微孔曝气头 中气泡型 大气泡型 水力剪切型 水力冲击型,a.（微）小气泡型曝气装置,由微孔透气材料（陶土、氧化铝、氧化硅或尼龙等）制成的扩散板、扩散盘和扩散管等； 气泡直径在2mm以下（在200m以下者，为微孔）； EA = 1525%， EP = 2 kgO2/kw.h以上； 缺点：易堵塞，空气需经过滤处理净化，扩散阻力大。,b.中气泡型曝气装置 气泡直径为23mm。,穿孔管和莎纶管： 钢管或塑料管，管径2550mm； 在管下部两侧呈45开孔，孔眼直径35mm，间距50100mm；不易堵塞，构造简单，阻力小；氧利用率(EA)低，一般为46%；动力效率(EP)可达12 kgO2/kw.h；,C.大气泡型曝气装置 气泡直径为15mm左右。 常采用竖管。,3机械曝气装置 又称表面曝气装置,曝气的原理： 水跃曝气机转动时，表面的混合液不断地从周边被抛向四周，形成水跃，液面被强烈搅动而卷入空气； 提升曝气机具有提升作用，使混合液连续地上下循环流动，不断更新气液接触界面，强化气、液接触； 负压吸气曝气器的转动，使其在一定部位形成负压区，而吸入空气。,表面曝气装置的分类,竖轴式表面曝气装置 横轴式表面曝气装置。,竖轴式机械曝气装置,泵型叶轮曝气器 K型叶轮曝气器 倒伞型叶轮曝气器 平板型叶轮曝气器,卧轴式机械曝气器,主要有曝气转刷和曝气转盘，也称曝气转碟； 主要应用于氧化沟； 调节方便、维护简易、动力效率较高。,115,各类曝气设备的性能,标准状态是指用清水作曝气实验，水温20，标准大气压，初始水中溶解氧为0,实际数据是指用废水作实验，水温15，海拔150m，水中溶解氧保持2mg/L,曝气设备比较,5.4 活性污泥系统的工艺设计,1）工艺设计基础资料 2）曝气池的工艺设计 3）曝气系统的工艺设计 4）二沉池的工艺设计 5）污泥回流及剩余污泥,1) 工艺设计基础资料,废水的水量、水质及其变化规律 对处理后出水的水质要求； 对处理中产生的污泥的处理要求 设计所需要的原始资料 污泥负荷与BOD5的去除率； 污泥浓度、污泥回流比、泥龄。 设计所需的基础数据,生活污水或城市污水,设计规范,试验或经验确定设计参数,工业废水,2）工艺设计的主要内容,活性污泥系统由曝气池、曝气系统、二沉池及污泥回流设备等组成。 工艺计算与设计主要包括： 工艺流程的选择； 曝气池的计算与设计； 曝气系统的计算与设计； 二沉池的计算与设计； 污泥回流系统的计算与设计；回流比、泥龄等。,回流活性污泥,二沉池,出水,进水,剩余污泥,(Q-Qw), Se,Xe,Qw,Se,XR,RQ,Se,XR,Q,S0,X0,(1+R)Q, Se,X,V,Se,X,经典活性污泥工艺流程 去除有机物及硝化,参数：,Q：流量m3/d S0: 进水有机物浓度，g/m3。 X0：进水微生物浓度，gVSS/m3； V：反应池体积 m3 X: 反应池污泥浓度gVSS/m3 Xe：出水微生物浓度gVSS/m3 Se：出水有机物浓度，g/m3 XR：回流活性污泥浓度gVSS/m3 Qw：剩余污泥量m3/d R：污泥回流比,3）曝气池的工艺设计,曝气池的类型； 曝气池的构造； 曝气池体积的计算； 需氧量和供气量的计算; 剩余污泥的设计计算,曝气池体积的设计计算 有机物负荷率法 污泥泥龄法 水力停留时间法,a：有机负荷法（体积负荷）,Ls:污泥负荷率，（kgBOD5/kgMLSS*d) Lv:容积负荷率，（ kgBOD5/m3*d) Q:进水量，（m3/d) S0 :进水平均BOD5值，（mg/L） X:池中污泥浓度，（mg/L）,应用比较方便，但X和Ls确定需要经验,b. 污泥泥龄法,c:污泥龄(solids retention time,SRT)，污泥停留时间 指处理系统（曝气池）中微生物的平均停留时间。,劳伦斯和麦卡蒂（Lawrence-Mc Carty）模型 （p122）,回流活性污泥,二沉池,出水,进水,剩余污泥,(Q-Qw), Se,Xe,Qw,Se,XR,RQ,Se,XR,Q,S0,X0,(1+R)Q, Se,X,V,Se,X,做系统活性污泥的物料平衡,1）进水微生物浓度可以忽略：,3）对照公式（11-34）P99可得：,2）将微生物增长基本方程式（11-33）代入,做系统底物的物料平衡,转化可得污泥泥龄计算曝气池体积公式：,整理得：,代入得：,水力停留时间（Hydraulic Retention Time HRT）,c：水力停留时间法（HRT）,） 剩余污泥计算,按污泥泥龄计算（SRT),X,：剩余污泥量,gVSS/d。,） 剩余污泥计算,b根据污泥产率系数或表观产率系数计算,Y：产率系数,kgMLVSS/kgBOD。 Yobs:表观产率系数。 Kd：内源代谢系数，d-1.,）曝气系统的计算与设计,鼓风曝气系统包括： 鼓风机； 空气输送管道； 曝气装置（曝气头） 计算内容： 需氧量； 供气量,a. 根据有机物降解需氧率和内源代谢需氧率计算,5-1 需氧量计算,O2 = aQ (S0Se)b VXv,O2 ：需氧量,kgO2/D; O2max ：最大需氧量； a：活性污泥微生物对有机物氧化过程的需氧率，(kgO2/kgBOD) b：活性污泥内源代谢的自身氧化过程的需氧率，(d-1)； K：日变化系数。1.2。 生活污水， a通常取值0.42-0.53； b 0.19-0.11。,O2max = k·O2,b. 根据微生物对有机物的氧化分解需氧量计算,5-1 需氧量计算,O2 = Q (bCOD0 bCODe)-1.42Xv,bCOD:可生物降解的COD浓度，g/m3； 1.42：污泥的氧当量系数，完全氧化1个单位的细胞，需要 1.42单位的氧。 0.68：BOD5=0.68BODL Xv：剩余污泥量，gMLVSS/d。,耗氧量= 去除的bCOD-合成微生物的COD,O2 = Q (S0-Se）/0.68-1.42Xv,5-2 供气量计算,G 充氧量。EA空气扩散装置的氧的转移效率。 R0 水温20，气压1013X105Pa时，转移到曝气池混合液的总氧量 R 在实际条件下，转移到曝气池混合液的总氧量，kg/h； Cs(20)水温为20时，大气压力条件下氧的饱和度，mg/L； 污水中杂质影响修正系数，a=0.78-0.99； 污水含盐量影响修正系数； 气压修正系数； c混合液溶解氧浓度。,R = O2max,）二沉池的计算与设计,二沉池池型的选择： 平流式、竖流式、辐流式； 斜板（管）沉淀池原则上不建议采用； 带有机械吸泥及排泥设施的辐流式沉淀池，比较适合于大型污水厂； 方形多斗辐流式沉淀池常用于中型污水厂； 竖流式或多斗式平流式沉淀池，则多用于小型污水厂。,二次沉淀池的设计计算,设计公式：,A:澄清区面积，m2 qv:废水设计流量,m3/h u:沉淀效率参数（表面负荷）,m3/m2*h,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,一 脱氮工艺 二 除磷工艺 三 脱氮除磷工艺及设计 四 生物除磷脱氮的影响因素,5.5 脱氮、除磷工艺设计,1）三段生物脱氮工艺 2）前置缺氧-好氧生物脱氮工艺 3）后置缺氧-好氧脱氮工艺 4）Bardenpho生物脱氮工艺 5）同步硝化反硝化,一 生物脱氮工艺,1）三段生物脱氮工艺,进水,投加外碳源两段生物脱氮工艺,曝气池,2）前置缺氧-好氧生物脱氮工艺,3）后置缺氧-好氧生物脱氮工艺,4）Bardenpho生物脱氮工艺,5）同步硝化反硝化,HNO2,NH2OH + H20,0.33N2 + 1.33H2O+ 0.33NO2-,NH3+ O2,NADH2,NAD+,NAD+,NADH2,1）Ap/O工艺 2）Phostrip除磷工艺,二 生物除磷工艺,1）A2/0工艺 2）改良Bardenpho工艺 3）UCT及改良UCT工艺 4）SBR工艺 5）氧化沟工艺,三 脱氮除磷工艺,