第五章活性污泥法1.ppt
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1、第5章 活性污泥法,5-1 活性污泥法的基本概念 5-2 活性污泥净化反应影响因素 5-3 活性污泥反应动力学基础 5-4 气体传递原理和曝气池 5-5 活性污泥法类型,5-6 活性污泥法系统设计和 运行中的问题探讨 5-7 活性污泥法的设计计算 5-8 曝气系统与空气扩散装置,污水的生化处理法,按氧的利用方式不同: 好氧生物处理 厌氧生物处理,按微生物在水中的集聚状态不同: 悬浮生长系统 固定膜系统,活性污泥法的基本概念与流程 活性污泥的形态与活性污泥微生物 3. 活性污泥净化反应过程,5-1 活性污泥法的基本概念,当前应用最广泛的技术之一 已有90多年的历史,5-1 活性污泥法的基本概念,
2、1. 活性污泥法的基本概念与流程,活性污泥法是利用某些微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的菌胶团,大量絮凝和吸附废水中的污染物,并将这些物质摄入细胞体内,在有氧条件下,将这些物质同化为菌体本身的组分,或将这些物质氧化为二氧化碳、水等物质。这种具有活性的微生物菌胶团或絮状污泥颗粒的微生物群体即称为活性污泥。以活性污泥为主体的污水生物处理技术就叫活性污泥法。,活性污泥法的基本流程,活性污泥反应器曝气池 核心 二次沉淀池 固液分离 污泥回流系统 补充微生物,接种 曝气与空气扩散系统 充氧、搅拌,(1)活性污泥的性状特征 正常工作的活性污泥一般呈黄褐色絮状颗粒。 有机物占75%-85%,主要为微生物
3、, 无机物占15-25% 供氧不足或出现厌氧状态时呈黑色,供氧过多营养不足时呈灰白色。,粒径: 0.02-0.2mm 较大比表面积: 20-100cm2/mL 含水率较高: 99% 比重: 1.002-1.006(一般随含水率变化) 固体物质: 1%,2. 活性污泥的形态与活性污泥微生物,活性污泥的物质组成,具有代谢功能活性的微生物群体(Ma) 微生物内源代谢和自身氧化的残留物 由原污水挟入的难降解有机物Mi 由污水挟入的无机物Mii,Me(也属于难降解有机物),(2)活性污泥微生物及其作用,活性污泥的微生物有细菌、霉菌、真菌、原生动物和后生动物等组成。细菌是活性污泥中最重要的成员,除一般的球
4、菌、杆菌、螺旋菌外,还有许多比较高级的丝状细菌。 活性污泥中的细菌以异养型的原核微生物细菌为主。正常成熟的活性污泥上的细菌数量大致介于107108个/mL 在活性污泥处理系统中,有大量的原生动物和微型动物,它们以游离的细菌和有机微粒作为食物,因此可以起到提高出水水质的作用。原生动物和微型动物还可作为指示生物来推测废水处理的效果和系统运行是否正常。如果活性污泥系统运转不正常,出水水质差,则原生动物以游泳型的纤毛类为主,如草履虫(Paramecium)。如果运转正常,出水良好,原生动物则以固着的纤毛类为主,例如钟虫、累枝虫(Epistylis)等,并有后生动物出现,如轮虫、甲壳虫和线虫。,() 污
5、泥性状不好时出现的一种原生动物,草履虫, 污泥状态良好时常见到的一种原生动物,钟虫,活性污泥法水处理过程微生物的增殖与变迁,原生动物 称之为活性污泥系统中的指示性生物。,活性污泥是高度富集的有机体,只有将其分离处理才能达到净化目的。,减速增殖期(稳定期) 污泥凝聚沉降性能好。,对数增殖期 微生物不受基质限制,细菌趋于以最大表面积的游离单体的形式存在于高浓度有机物废水中,污泥沉降性不好,不易分离,导致出水水质不好。常见于高有机负荷处理。,活性污泥生长曲线与纯细菌生长曲线相似。比值F/M是重要参数。,(3)活性污泥生长曲线,适应期 是微生物的细胞内各种酶系统对环境的适应过程。,对数增长期,减速增殖
6、期,a,内源呼吸期,量,X,0,b,c,d,S(BOD),(,污泥),时间,0,氧的利用速度,活性污泥增长曲线及其和有机污染物(BOD) 降解、氧利用速度的关系(有机污染物一次投加),内源呼吸阶段,微生物开始代谢菌胶团多糖体或自身原生质,处于饥饿状态,污泥较松散。,活性污泥法废水处理,主要运行于减速增殖期。为了保证高稳定的出水,可适当进行内源呼吸阶段运行。,(3)活性污泥生长曲线,对数增长期,减速增殖期,a,内源呼吸期,量,X,0,b,c,d,S(BOD),(,污泥),时间,0,氧的利用速度,活性污泥增长曲线及其和有机污染物(BOD) 降解、氧利用速度的关系(有机污染物一次投加),3. 活性污
7、泥净化反应过程,(1)初期吸附,活性污泥有很大的比表面积,可以较高的速度吸附悬浮或胶体状污染物。一般在5-10min内,污水中的有机物可被大量去除。物理吸附与生物吸附的交织作用。 生活污水处理中活性污泥在10-30分钟内可因吸附作用除去85-90的BOD; 废水中的金属离子,有大约30-90能被活性污泥通过吸附除去。,污水与活性污泥混和曝气后BOD5值的变化情况,吸附阶段,(2)微生物代谢:微生物对有机物的氧化分解或代谢过程,1氧化分解,2合成代谢(合成新细胞),3内源代谢,(2)微生物代谢:微生物对有机物的氧化分解或代谢过程,内源呼吸,微生物对有机物的分解代谢与合成代谢及其产物的模式图,(3
8、)凝聚沉淀,二沉池内的泥水分离,可降解有机物,氧化,1/3,2/3,合成,无机物能量,新细胞物质,残留物质,无机物能量,20,80,内源代谢,微生物三项代谢活动之间的数量关系(麦金尼提出),1活性污泥净化反应影响因素 2、 活性污泥法的工作参数,5-2 活性污泥净化反应影响因素,1活性污泥净化反应影响因素,(1)营养物质 活性污泥微生物的近似化学式为C5H7O2N,考虑磷的细胞分子式:C60H87O23N12P, 原生动物的近似化学式为C7H14O3N。可按菌体的主要成分比例供给营养。,营养物比例的某些研究结果,5-2 活性污泥净化反应影响因素,(5)有毒物质,(2)溶解氧 活性污泥法是好氧生
9、物处理技术。但对溶解氧的要求并不严格,只要细菌能获得所需的溶解氧进行代谢,其代谢速率基本不受溶解氧浓度的影响。如果溶解氧浓度过低,就会影响代谢活动,使净化能力下降,还易于形成丝状菌占优,产生污泥膨胀现象。一般曝气池内的溶解氧应保持在2mg/L以上。 (3)pH值 适宜pH值为6.5-8.5之间。当pH降到4.5以下,原生动物消失,真菌优势,易产生污泥膨胀。pH超过8.5以后微生物代谢速率下降。 微生物代谢活动可调节改变环境的pH值。对于pH值过大或过小的废水应作适当的预处理。,(4)水温 好氧处理的适宜温度为15 -35。温度过高和过低时都可对污泥活性产生不利影响、BOD去除率降低。另外应避免
10、温度的突然大幅度变化。一般应控制在2 以内。,评价活性污泥的工作状态,除了根据其中微生物种类、数量来判断外,还主要根据以下参数来分析控制活性污泥的处理过程。 (1)混合液悬浮固体(MLSS,Mixed Liquor Suspended Solids) MLSS为1L曝气池混合液中所含悬浮固体的干重,单位为g/L或mg/L,一般活性污泥的MLSS控制在2g/L4g/L。 MLSS = Ma + Me + Mi + Mii Ma: 活性污泥中具有活性的细胞部分 Me:微生物代谢残留物,这部分物质无活性难于生物降解。 Mi:难于降解的有机物 Mii:附着在活性污泥上的无机物 (2)混合液挥发性悬浮固
11、体(MLVSS,Mixed Liquor Volatile Suspended Solids ) 为1L混合液中所含挥发性悬浮固体(指能被完全燃烧的物质)的重量,单位用g/L表示,为MLSS 中的有机物部分。一般城市污水的MLVSS与MLSS之比在0.750.85左右。,2活性污泥的运行参数,有机物,无机物,(一)生物量指标,(1)污泥沉降比(SV) SV是指一定量的混合液静置30min以后,沉降的污泥体积与原混合液体积之比,以百分数表示。正常的污泥在静置30分钟后,可接近最大密度,所以SV反映了曝气池正常运行的污泥量。 控制剩余污泥的排放量 及时反映污泥膨胀等异常现象 SV易测且便于说明问题
12、,是评价活性污泥特征的重要指标。一般城市污水的SV值在15%30%左右。 SV应用1000mL或100mL量筒测定。,(二)沉降性指标,SVI又称污泥指数,指曝气池混合液经30min静置沉降后污泥的体积与干重之比。,(2)污泥容积系数(SVI),它反映活性污泥的凝聚性和沉降性,一般SVI控制在70100之间为好。 SVI 过低,沉降性能虽好,污泥活性差;SVI 过高,表明污泥已发生膨胀。,习惯上只称数字 不带单位,V 曝气池容积m3 X 曝气池的MLSS浓度 kg/m3 Q 废水流量 m3/d Qw 污泥排出量 m3/d Xr排放污泥浓度kg/ m3 Xe 净化水的污泥浓度kg/ m3 (Xr
13、)max最大排放污泥浓度mg/ L,污泥龄值高,意味着F/M低、池容积大,效率低。但由于必须考虑细菌世代时间、排放污泥量和出水质量,c也不能过小。一般c为3-10天,为较好的除去可溶性有机物应采用较小的c ,为使污泥有较好的沉降性应采用中等大小的c ,为减少污泥排放量应采用较长的c 。,曝气池中工作的活性污泥总量与每日排放的(剩余)污泥量之比。又称微生物/或细胞/或生物固体平均停留时间(SRT) ,单位: d,(三)污泥龄(sludge age),水力停留时间(HRT),(四)BOD污泥负荷与BOD容积负荷,(1) BOD污泥负荷(Ns) 指单位时间内,单位重量的活性污泥所能够接受,并将其降解
14、到预定程度的有机污染物量,kg(BOD)/kg(MLSS)d。 污泥负荷也可称为食物与微生物比值,即F/M,工程上用BOD-污泥负荷(Ns)。Ns过高会引起污泥膨胀,一般Ns取值在0.3d-10.6d-1之间。,F 指BOD 、COD(有机物或营养物)Sa进水BOD,mg/L M 污泥,一般以MLVSS表示 Se出水BOD,mg/L Q污水流量,m3/d X MLSS,mg/L V曝气池容积,m3 Sr去除BOD,mg/L NsBOD-污泥负荷 NrsBOD-污泥去除负荷,区别,(四)BOD污泥负荷与BOD容积负荷,(2)BOD容积负荷率(Nv) 指单位曝气池容积,在单位时间内能够接受,并将其
15、降解到预定程度的有机污染物量(BOD),kg(BOD)/m3d。,则,污泥负荷过低时,可因两种情况引起SVI升高:其一是营养物不足时,比表面积大的丝状菌生长快、占主要优势,造成SVI升高;其二是形成菌胶团的细胞外多糖基质被细菌作为营养消耗,絮粒小,SVI升高。 污泥负荷过高时,微生物营养非常丰富,游离菌生长有利,菌胶团细菌趋于解絮成单体游离菌,以增加比表面,也会使SVI升高。 避免BOD污泥负荷介于0.5-1.5kg/(kgMLSSd),污泥容积系数(SVI)与污泥负荷的相关关系,(五)有机物降解与活性污泥增长,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
16、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,即,式中:a污泥产率(污泥转换率) Sr污水中被降解、去除的有机污染物的浓度(BOD),kg/m3,X曝气池混合液的活性污泥浓度,MLSS,kg/m3 b自身氧化率(衰减系数),d1,(15),(16),Sa原水中有机污染物的浓度(BOD),kg/m3 Sb出水中有机污染物的浓度(BOD),kg/m3,计算剩余污泥量,式中:Y 污泥产率系数; 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,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,
17、且以MLVSS为计算基准,将上式各项除以VXv得,活性污泥微生物净增殖(也是剩余污泥量)的基本方程式:,计算污泥龄或确定Y、Kd,(六)有机污染物降解与需氧量,微生物对有机污染物的降解包括:氧化分解和合成、内源呼吸降解,故其需氧量为: 式中:a为微生物对有机污染物氧化分解的需氧率; b为活性污泥自身氧化的需氧率。 两边同除以VXv 得 或 两边同除以QSr 得 可以看出: a(27)式为单位重量活性污泥的耗氧量,与NS有关。 b(28)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。 式中 a、b可以通过一组试验结果作图求得(P113图4
18、10)。 a值:生活污水为 0.40.53。b值:介于0.11 0.188之间。,O2aQSrbVXv,O2 / VXv = aNrs b,O2 / QSr =ab1/ Nrs,(27),(28),5-3 活性污泥反应动力学基础,1 概述 2 莫诺方程式 3 劳伦斯麦卡蒂方程式,1概 述,对活性污泥反应动力学更深一层研讨的目的,是对反应机理进行研究。研讨的主要内容是: (1)有机底物的降解速度与有机底物浓度、活性污泥微生物量等因素之间的关系; (2)活性污泥微生物的增殖速度(亦即活性污泥的增长速度)与有机底物浓度、微生物量等因素之间的关系。,2莫诺方程,微生物的比增殖速度,t-1 S有机底物浓
19、度 max微生物最大比增殖速度,t-1 有机底物的比降解速度, t-1 Ks饱和常数,为当 = max 时的底物浓度 max有机底物的最大比降解速度, t-1,有机底物降解速度,2莫诺方程,(1)莫诺基本方程,推论: 在高浓度有机物的条件下,有机底物以最大的速度进行降解,而与有机底物浓度无关,呈零级反应关系,S-S区段。 在高浓度有机物的条件下,有机底物的降解速度与污泥浓度(生物量)有关,并呈一级反应关系。, 当混合液中SKS,则KS可忽略不计高底物浓度条件下,2莫诺方程,(2)莫诺方程的推论,Monod方程式是描述有机底物比降解速度(或微生物比增殖速度)与有机底物浓度之间的函数关系。在两种极
20、限条件下,进行推论:,推论: 在低底物浓度的条件下,有机底物降解与有机底物浓度遵循一级反应。0-S区段,其斜率即为K2。, 当混合液中SKS,则S可忽略不计低底物浓度条件下,2莫诺方程,(2)莫诺方程的推论,(3)Monod公式的应用,在稳定条件下,对曝气池中的有机底物进行物料平衡:,+,进入曝气池 流出曝气池 在曝气池降解的,(1+R)Q X, Se,Q - Qw Xe, Se,Q S0 X0=0,RQ, Xr, Se,物料衡算范围,完全混合连续流系统物料衡算图,Qw,Xr,剩余污泥,城市污水属低浓度污水,在完全混合曝气池内活性污泥处于减速增长期, SSeS,且为定值,属一级反应:,此式成立
21、,结合Monod方程,可得,而,可得,莫诺方程:,以上式中的K2、max及Ks等各值,对一定的污水来说,为一常数值,一般通过对实际运行污水处理厂的运行数据或试验数据进行分析可推导出。,(4)K2、Vmax、KS的确定, 常数K2的确定,0,S,e,(mg/L),S0-Se,Xt,(kgBOD/kgMLSSd),1组,2组,3组,4组,5组,K,2,图4-14 图解法确定,K,2,值, Vmax、KS的确定,=,+,为纵坐标 斜率 为横坐标 截距,上式取倒数 ,得,1,X,t,v,max,S,0,-S,e,=,K,s,1,1,(,),),(,v,max,S,e,v,max,+,X,t,S,0,-
22、S,e,K,s,v,max,S,e,1,K,s,1,确定常数值vmax、,K,s,的图解法, Vmax、KS的确定,(1)概述,3. 劳伦斯麦卡蒂方程式, “污泥龄”的新概念:单位重量的微生物在活性污泥反应系统中的平均停留时间,“生物固体平均停留时间”,以c表示 单位微生物量的底物利用率为一常数,以q表示,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,Xa单位微生物量; 微生物对有机底物的降解速度。,以c、q作为基本参数,并以第一、二两个基本方程式表达。,3. 劳伦斯麦卡蒂方程式, 劳麦第一基本方程式,是在表示微生物净增殖速度与有机底物被微生物利用速度之间
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