水的生物处理理论与应用-第十七章 活性污泥法.ppt
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1、第十七章 活性污泥法,17. 1 基本概念 17. 2 活性污泥法处理系统 173 活性污泥法主要设计参数 174 活性污泥反应动力学基础 175 活性污泥处理系统的运行方式 17. 6 曝气的基本理论 17. 7 活性污泥处理系统的工艺设计 17. 8 活性污泥处理系统的运行管理 思考题与习题,17. 1 基本概念,17.1.1 活性污泥及其组成 17.1.2 评价活性污泥性能的指标 17.1.3 活性污泥净化反应过程 17.1.4 活性污泥的增殖规律,1活性污泥的形态 1)外观形态: 活性污泥(生物絮凝体)为黄褐色 絮凝体颗粒: 2)特点: (1)颗粒大小:=0.020.2 mm (2)表
2、面积:20100 cm2/mL (3)(200010000)m2/m3污泥 (4),图 17-1 活性污泥形状图,17.1.1 活性污泥及其组成,2活性污泥组成 活性污泥M =Ma + Me + Mi + Mii 1) Ma具有代谢功能的活性微生物群体 好氧细菌(异养型原核细菌) 真菌、放线菌、酵母菌 原生动物 后生动物 2) Me微生物自身氧化的残留物 3) Mi活性污泥吸附的污水中不能降解的惰性有机物 有机物(7585%) 4) Mii活性污泥吸附污水中的无机物 无机物(由原污水带入的)(1525%) 挥发性活性污泥 M v + X v= Ma + Me + Mi,3活性污泥微生物的分类(
3、Ma) 1)细菌: (1)异养型原核细菌(107108个/mL) 动胶杆菌属 假单胞菌属(在含糖类、烃类污水中占优势) 产碱杆菌属(在含蛋白质多的污水中占优势) 黄杆菌属 大肠埃希式杆菌 (2)特征:G=2030min,结合成菌胶团的絮凝体状团粒 2)真菌:微小的腐生或寄生丝状菌 3)原生动物:肉是虫 鞭毛虫,纤毛虫等。通过辨认原生物的种 类,能够判断处理水质的优劣,它是一种指示性生 物。原生物摄食水中的游离细菌,是细菌的首次捕 食者。 4)后生动物:主要是轮虫,它在活性污泥中的不经常出现,轮虫 的出现是水性稳定的标志。后生动物是细菌的第二 捕食者。,1絮凝体的形成与凝聚沉淀主要取决于NS(B
4、OD污泥负荷率) 2污泥沉降比SV:又称30min沉降率,指混合液在100ml量筒内静 置30min后所形成的沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率。 城市污水:SV取15%-30% 3衡量活性污泥沉淀性能好坏的指标SVI(污泥指数) (1)SVI=70100 其活性污泥凝聚沉淀性能很好 SVI值过低,活性污泥颗粒细小,无机物含量高,缺乏活性。 SVI值过高,沉淀性能不好,可能产生污泥膨胀。 (2)影响SVI值的主要因素 1)NS 的影响:见图17-2 2)丝状菌的大量繁殖,引起污泥膨胀,SVI值 影响丝状菌大量繁殖的因素: DO不足 NS大 PH4.5 缺乏N、P、Fe 3)T水太高,17.1
5、.2 评价活性污泥性能的指标,1初期吸附去除(物理吸附和生物吸附) 活性污泥巨大的表面积(200010000m2/m3活性污泥)其表面 为多糖类的粘质层,污水中悬浮和胶体状态的有机物被其凝 聚和吸收而得到去除。在30min 内能去除70% BOD。 一般处于饥饿状态的内源呼吸期的微生物其活性最强,吸附 能力也强 初期吸附去除的过程 2微生物的代谢,17.1.3 活性污泥净化反应过程,1氧化分解,2合成代谢(合成新细胞),3内源代谢,(171),(172),1适应期(延迟期或调整期):是微生物的细胞内各种酶系统 对环境的适应过程 2对数增殖期(等速增殖期),活性污泥能量水平很高,活性污泥处于松散
6、状态,3减速增殖期(减速增长期、私定期、平衡期),营养物不过剩,它已成为微生物生长的限制因素 活性污泥水平的能量低下,污泥絮凝。,17.1.4 活性污泥的增殖规律,4内源呼吸期(衰亡期),营养物缺乏,为了获得能 量维持生命,分解代谢自身的能量物质,开始衰亡。同时内酶分解细胞壁,使污泥量减少。后来有机物几乎被耗尽,能量水平极低,微生物活动能力非常低,絮凝体形成速率增大,处理水显著澄清,水质良好。,17. 2 活性污泥法处理系统,17.2.1 活性污泥法的基本流程 17.2.2 活性污泥反应动力学 17.2.3 几个重要的参数 17.2.4 活性污泥净化反应影响因素,1产生:从间歇式发展到连续式
7、2基本工艺流程:,图 17-4 活性污泥法基本流程图,17.2.1 活性污泥法的基本流程,3活性污泥法特征 1)曝气池是一个生物化学反应器 2)曝气池内混合是一个三相混合系统:液相固相气相;混 合=污水+活性污泥+空气 3)传质过程:气象中 O2液相中的溶解氧DO进入微生物体 内(固相)液相中的有机物被微生物(固相)所吸收降解 降解产物返回空气相(CO2)和液相(H2O) 4)物质转化过程:有机物降解活性污泥增长,曝气池内,在活性污泥微生物的代谢作用下,污水中的有机物得到降解去除,同时活性污泥得到增长。 1.活性污泥微生物在曝气池内每日净增殖量X(kg/d)是微生物合成反应和内源代谢的综合结果
8、,即,式中:a污泥产率(污泥转换率) Sr污水中被降解、去除的有机污染物量(BOD),kg/d,X曝气池混合液含有的活性污泥量,kg/d b自身氧化率(衰减系数),d1,(17-3),17.2.2 活性污泥反应动力学,2曝气池内活性污泥微生物的净增殖量X(kg/d) 1)单位曝气池容积内活性污泥的净增殖速度:,净增殖速度 合成速度 内源代谢速,(17-5),Y 污泥产率系数:MLVSS kg数/1kgBOD 对于生活污水:Y0.50.65,而,(17-4),式中:Kd微生物自身氧化率(衰减系数),d-1 对于生活污水:Kd0.050.1 XvMLVSS,而,2)活性污泥微生物净增殖的基本方程式
9、:,3)在曝气池中MLVSS的净增殖量Xv,(17-6),将(17-6)式各项除以VXv得,(17-7),式中:,3NrsBOD污泥去除负荷率kg BOD 5/kgMLSSd,则(17-7)式可写为:,而,(17-8),(17-8)式分析,NrvBOD污泥容积去除负荷率kg BOD 5/kgMLSSd,a、b一般在工程设计与运行中应用,并以MLSS为基准考虑 Y、Kd一般在科研和学术探讨上应用,且以MLVSS为计算基准,17.2.3 几个重要的参数 1vmax 有机底物的最大比降解速度,t-1 2Ks 饱和常数,为当=1/2max时的底物浓度, 也称之为半速度常数,质量/容积 3Y 产率系数,
10、即微生物每代谢1kgBOD所合成的 MLVSS kg数 4Kd 活性污泥微生物的自身氧化率,d-1,亦称为衰 减系数; 5a 活性污泥微生物对有机污染物氧化分解过程的需 氧率,即活性污泥微生物每项代谢1kg BOD 所需要 的氧量,以kg计; 6b 活性污泥微生物代谢活动被降解的有机污染物 量,以BOD值计,营养物质:碳源、氮源、无机盐类、某些生长素 1) 碳源:组成生物细胞的主要物质,对碳源的需求量较大,一 般BOD5100mg/L 2) 氮源:组成细胞的重要元素,其需要按BOD:N=100:5考虑 3) 盐类:必不可少 (1) 主要的无机盐类 P:按BOD5:N:P=100:5:1考虑,它
11、是微生物需要量最多的 无机元素,约占全部无机盐元素的50% 还有K、Ca、F e 、S无机元素 (2) 微量无机元素 对于生活污水,BOD5:N:P的比值为100:5:1,但经沉淀池 处理后,其BOD5:N:P=100:20:25,17.2.4 活性污泥净化反应影响因素,2BOD污泥负荷NS,3DO溶解氧 1)曝气池在稳定运行时,微生物的耗氧速率(Rr 需氧速率) 曝气器的供氧速率时,NsSVI的关系(图 17-1),,其池中的溶解氧DO不变。,2)曝气池中DO浓度大小将取决于: (1)生物絮体的大小:要求生物絮体大,则要求DO浓度高, DO才能扩散转移到生物絮体内部,反之则不能。对此要求 D
12、O浓度为2mg/L左右为好。,(2)考虑冲击负荷与中毒的影响,以便于操作以了解供氧量的变化,急性中毒,慢性中毒,DO逐渐增加,冲击负荷,DO突然,DO突然,4水温:1535之间 2030,效果好,活动旺盛,,15,35,效果,活动弱,,5,45,效果很差,,5pH值 最佳的pH值为6.58.5 当pH6.5,丝状菌繁殖,pH4.5,丝状菌占优势 当pH9.0,代谢速率 6有毒物质 主要是重金属,H2S、CN、酚等,当超过一定浓度时, 就破坏细胞结构,抑制代谢。,173 活性污泥法主要设计参数,17.3.1 表示混合液中活性污泥数量的指标(曝气池) 17.3.2 表示活性污泥的沉降性能及评定指标
13、(二沉池),17.3.1 表示混合液中活性污泥数量的指标(曝气池),1. MLSS浓度混合液悬浮固体浓度混合液污泥浓度: mg/L混合液;g/L混合液;g/m3混合液; kg/m3混合液 MLSSM=X=Ma + Me + Mi + Mii 2. MLVSS浓度混合液挥发性悬浮固体浓度 MLVSSMV=XV=Ma + Me + Mi,1.SV污泥沉降比,又叫30min污泥沉降率,SV反应了曝气池正常运行的污泥量,可用于控制剩余污泥排放量, 同时通过它能及早发现污泥膨胀等异常现象的发生。 2. SVI污泥容积指数(污泥指数) 曝气池出口处的混合液经30min静沉后,每g干污泥所形成的沉淀污 泥所
14、占的容积mL/g,17.3.2 表示活性污泥的沉降性能及评定指标(二沉池),SVI在习惯上只称数字,而把单位略去 SVI值能够反映活性污泥的凝聚、沉降性能 要维持曝气池一定的MLSS(如3000mg/L)的情况下,SVI值越高, 则要求的污泥回流比R就越大,但当SVI值高达400mL/g时,则难于 用提高R来维持曝气池一定的MLSS浓度。 3.C污泥龄(生物固体平均停留时间)系统中每日增长的活性污泥量应等于每日排出的剩余污泥量(X),C的定义式,(1710),活性污泥在曝气池内的平均停留时间生物固体平均停留时间。,(179),将X(17-9)式代入(17-10)式:,(17-11),(17-1
15、2),(17-13),Xr是活性污泥特性和二沉池沉淀效果的函数。,(17-14),4. 曝气池中有机污染物与活性污泥微生物比值的指标:,式中:S0原污水中有机污染物的浓度(BOD),mg/L X混合液悬浮固体(MLSS)浓度,mg/L V曝气池容积,m3,(17-16),Ns=f(SVI) 见图17-2,(17-15),(17-17),174 活性污泥反应动力学基础,17.4.1 概述 17.4.2 莫诺方程式 17.4.3 劳伦斯麦卡蒂方程式,17.4.1 概述,其值不同,就会导致,、,动力学是研究讨论下列函数关系:,、,的变化,17.4.2 莫诺方程式,1. Monod(莫诺)公式的由来与
16、演变,1)米门公式:(1913年),纯酶单一基质,酶促反应中基质比降解速率,2) Monod公式(1942年),微生物的比增长速率,纯菌种单一基质,3) Monod公式(1950年),微生物的比增长速率,(17-18),异养微生物群体单一基质,(17-19),(17-20),4) Lawrence公式:(19601970年) 异养微生物群体(活性污泥)污水中混合有机物 证实有机物降解速率也符合Monod公式,2Monod公式的推论 1)当混合液中SKS则(17-20)式中KS可忽略不计高有机物浓度,将(17-22)积分:,(17-23),(17-24),2) 当混合液中S在SS之间中等有机物浓
17、度,3)一相说与二相说 一相说Monod公式,二相说Eckenfelder二相说非连续函数,3Monod公式的应用与参数的确定,SSeS并为定值且处于减速生长期,属一级反应:,适合于,(17-25),在稳定条件下,对有机物进行物料平衡:,+,(17-26),进入曝气池 流出曝气池 在曝气池降解的,(17-27),(17-28),当以Se代替莫诺方程式(17-22)式中的S得出:,(17-29),并在等式两边同时除以X得出:,(17-30),(17-31),由(17-30)式可知:,(17-32),(17-33),(17-34),4K2、Vmax、KS的求定 1) K2的求定(图17-8),(1
18、7-32),2) Vmax、KS的求定(图17-9),将(17-30)式取倒数得:,=,+,(17-35),为纵坐标 斜率 为横坐标 截距,5对推流式曝气池的分析 1)分析与问题的提出,QwQ,Xe0,2) 完全混合式、推流式二者水力停留时间的比较,给水工程(第四版):P249 表143,,(17-36),(17-37),(17-38),则,CFSTR ContinuousFlow Stirred Tank Rector PFPlugFlow,1概述 1) 单位微生物量的底物利用率q,(17-39),以C、q作为基本参数,并以第一、二两个基本方程式表达。 2) 劳麦第一基本方程式,(17-40
19、),17.4.3 劳伦斯麦卡蒂方程式,3) 劳麦第一基本方程式:由Vq推出 有机物的降解速度等于其被微生物的利用速度。,有机底物的利用速率(降解速率)与曝气池内微生物浓度 Xa及有机底物浓度S之间的关系。,(17-41),2劳麦方程式的推论与应用 1) 处理水有机底物浓度Se计算,(17-42),Y微生物产率:mg微生物量/mg有机物量 Ks半速度系数,(17-42)公式的推导: 由(17-8)与(17-30)式可得出:,(17-43),移项整理:,2) 反应器内活性污泥浓度Xa的计算,(17-44)公式的推导: 由(17-8)与(17-30)公式得出:,(17-44),移项:,(17-45)
20、,3) 污泥回流比R与c值之间的关系,(17-46),而,4)完全混合式曝气池有机底物降解速度的推导: Monod式在低有机物浓度下,有机底物的降解速度,劳麦式:有机底物的降解速度等于其被微生物的利用速度,(17-47),而,则,(17-48),(17-49),或,(17-51),(17-50),5)活性污泥的二种产率(合成产率Y与表观产率Yobs)与c的关系 Y合成产率,表示微生物的增殖总量,没有去除内源呼吸 而消亡的那一部分 Yobs表观产率,实测所得微生物的增殖量,即微生物的净 增殖量,已去除了因内源呼吸而消亡的那一部分。,175 活性污泥处理系统的运行方式,17.5.1 传统活性污泥法
21、(普通活性污泥法) 17.5.2 阶段曝气活性污泥法 17.5.3 再生曝气活性污泥法系统 17.5.4 吸附再生活性污泥法系统 17.5.5 延时曝气活性污泥法 17.5.6 高负荷活性污泥法 17.5.7 完全混合活性污泥法 17.5.8 多级活性污泥法系统 17.5.9 深水曝气活性污泥法系统 17.5.10 深井曝气池活性污泥法系统 17.5.11 浅层曝气活性污泥法系统(殷卡曝气法) 17.5.12 纯氧曝气活性污泥法系统,1传统活性污泥法的特征: 1) 有机物的吸附与代谢在一个曝气池中连续进行 2) 活性污泥经历了一个生长周期:对数增长期减速增长期 内源呼吸期。经历了吸附与代谢二个
22、阶段 3) S由大小,dO2/dt由大小。,3缺点: 1)不适应冲击负荷和有毒物质 因为是推流式,进入池中的污水和回流污泥在理论上不与池 中原有的混合液混合。水质的变化对活性污泥影响较大 2)前段供氧不足,后段供氧过剩 3)Ns不高,曝气池V大,占地大,2优点:,池首往往供氧不足,后段供氧过剩,池前段DO浓度较低,沿池长逐渐增高,17.5.1 传统活性污泥法(普通活性污泥法),传统活性污泥法流程图(图17-11),17.5.2 阶段曝气活性污泥法,特点 1) 分段多点进水,负荷分布均匀,均化了需氧量,避免 了前段供氧不足,后段供氧过剩的缺点 2) 提高了耐水质,水量冲击负荷的能力 3) 活性污
23、泥浓度沿池长逐渐降低,阶段曝气活性污泥法工艺流程图(图17-12),17.5.3 再生曝气活性污泥法系统,而吸附再生活性污泥法系统V再生池很大, V吸附仅3060min,容积小,17.5.4 吸附再生活性污泥法系统,特点 1) 吸附与再生分别进行,二沉池在二者之中 2) 吸附时间较短(3060min),再生池只对回流污泥再生。 整个池容小于普通活性污泥法 3) 处理效果低于普通活性污泥法 4) 具有一定的耐冲击负荷的能力 5) 不宜处理溶解性有机物较多的污水,吸附再生活性污泥法工艺流程图(图17-13),17.5.5 延时曝气活性污泥法,2.特点 1) Ns非常小,只有0.050.10 kgB
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