活性污泥处理设施.docx

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活性污泥处理设施

第4章活性污泥处理设施

MogensHenze著

建造活性污泥处理设施的目的是将污水中有机物去除，从而避免出现JosephHeller在《有朝一日》一文中所描述的情景：

“人们在湖泊、河流中将再也找不到鱼儿，而只能在罐头中才能看到。

城市消亡，石油四溢，金钱万能”。

活性污泥设施的原理是通过搅拌或曝气使大量的活性污泥在水中运动。

除有生命的生物群之外，悬浮固体还包含有机物和无机物，有些有机物经水解作用被降解了，而有些则是不可降解的（惰性物质）。

在处理装置中，悬浮固体数量的控制是通过悬浮固体的循环以及去除剩余污泥来实现的，有机物只有三个去处：

二氧化碳、剩余污泥、出水。

4.1质量平衡—活性污泥设施

通过从第三章中导出的反应公式所建立起的质量平衡，我们现将公式中每一项都标定了符号，假如该物质被去除了，则符号为负。

4.1.1无回流的“活性污泥”设施

最简单的活性污泥设施。

无回流的活性污泥反应器如图4.1。

这种类型的设施在实际中并不采用，但其它类型的装置在作用上与其很相似（如曝气池塘）。

在此引用可对活性污泥工艺的原理进行简要介绍。

图4.1无回流的活性污泥池原理示意图

可以对此处理装置建立起几种不同的质量平衡。

水量平衡如下：

Q1=Q3（4.1）

总质量平衡如下：

Q1C1-rv,sV2=Q3C3（4.2）

转化项rv,sV2也可以用另一种形式表达即池子体积V2与活性污泥浓度XB,2分别表达，即rv,sV2XB,2。

采用质量平衡有三个目的（如表4.1），即为设计、函数的测定/分析、动力学研究。

从式（4.2）来看，每单个符号并没有作出定义。

C是各种固体的浓度（COD，BOD，N，TOC等），rx,s是反应率，其单位必须与V2及X2（活性污泥浓度）同时定义。

以活性污泥浓度X2为例，它可以采用kgSS/m3，kgVSS/m3，kgCOD（B）/m3几种单位表示，每个单位所代表的含义应由各具体情况而定。

例如VSS可能是污泥中VSS的总含量，也可能是硝化细菌（以VSS计）、反硝化细菌含量等等。

但假如X2用活性生物量（活性细菌）表示时，则平均反应率rx,s在分母中一定要用相同的单位。

通过活性污泥装置的质量平衡所得到的计算（符号见图4.1）表4.1

目的

未知

已知

设计

函数预测、分析

动态学研究

容积，V2

流出液浓度，C3

反应率rx,s

Q1,C1,X2,C3,Q3,rx,s

Q1,C1,V2,X2,Q3,rx,s

Q1,C1,V2,X2,Q3,C3

质量平衡式（4.2）是以最简单的方式建立的，所有的物质转换都集中于一项即rV,SV2之内。

其它各项都是传输，用来表达固体的输入和输出量。

实际上，各种工艺对上述所考虑过的物质常会有影响，使质量平衡更加复杂。

表4.2是一张简化的无硝化处理的活性污泥装置工艺矩阵表，可以设想三种过程对物质转化（生物生长、生物衰减、生物水解），反应率在最右栏，各个系数为化学计量系数，通过此表可建立起质量平衡方程式，例如对于易降解有机物SS在理想混合池中的质量平衡，传输是显而易见的，而两个反应项则可以通过表4.2SS栏中的化学计量系数与右边栏中的反应率相乘而得到。

无硝化活性污泥装置工艺矩阵表4.2

成份

Ss

Xs

X1

XB,H

SO2

反应率，rV

工艺

好氧异养生长

1

异养衰减

-1

水解

1

-1

单位

kgCOD/m3

易降解有机物

难降解有机物

惰性悬浮有机物

异养生物量

氧

输入水解生长

（4.3）

表4.2还表明好氧生物的增长对SS、XB,H,2、SO2三种成份的影响。

使用质量平衡矩阵要用统一单位（此处用COD）。

因此，当氧表示为“-COD”好象鼓入一定量氧气，而并没有氧的需求，但这一定量的氧却能去除等量的COD！

对无回流的活性污泥装置，如果所测表现生长常数Yobs是已知的，则活性污泥浓度XB,2即可求出。

应用如下：

XB,2=Yobs（C1-C3）（4.4）

式中生长常数Yobs是以离开处理装置的污泥质量为基础估算的即时值。

根据这一定义进水中无论有无污泥（悬浮固体）都是无关紧要的。

【例4.1】

已知一个无回流活性污泥装置的污泥浓度为XB,2，进水、出水的浓度分别为500gCOD（S）/m3和80gCOD（S）/m3。

所观测到的生长常数分别为0.35kgCOD（B）/kgCOD（S），或0.25kgVSS/kgCOD（S）

从式4.4，得出：

XB,2=Yobs（C1-C3）=（0.35kgCOD（B）/kgCOD（S））（0.5kgCOD（S）/m3-0.08kgCOD（S）/m3）

=0.147kgCOD（B）/m3

如果生长常数以VSS表示，那么XB,2同样可以用kgVSS/m3进行计算。

即Yobs=0.25kgVSS/kgCOD。

因此，XB,2=0.105kgVSS/m3。

【例4.2】

按照图4.1设计一套活性污泥处理装置（求出必要的体积），已知下列数据：

进水：

Q1=1,000m3/d

C1=500gCOD（S）/m3

出水：

Q3=1000m3/d

C3=60gCOD（S）m3（管理部门要求）

并已知：

rx,s=3kgCOD（S）/（kgCOD（B）∙d）

Yobs=0.3kgCOD（B）/kgCOD（S）

由式4.2可求曝气池体积V2：

V2=（Q1C1-Q3C3）/（rx,sXB,2）

唯一的未知量是XB,2，但按例4.1用同样方法即可求出：

XB,2=YObs（C1-C3）=0.3（0.5-0.06）=0.132kgCOD（B）/m3

将已知值代入公式：

V2=（1000×500-1000×60）/（3×0.132）=1,111,111m3

最好连单位一起代入，而不是仅代入数值，这样不仅可以检查是否替换了相应的值，还可以检查表达式对于设计内容而言是否正确。

将各个值代入公式后：

V2=（1,000m3/d·500gCOD（S）/m3-1,000m3/d·60gCOD（S）/m3）/（3kgCOD（S）/（kgCOD（B）·d）

·0.132kgCOD（B）/m3）=1,111,111m3·gCOD（S）/kgCOD（S）

但是这里好像有什么地方不对，我们可以将C1和C3的单位换成kgCOD（S）/m3也可以把结果乘以生长常数1,000gCOD（S）/kgCOD（S），上式就对了。

V2=1,111,111m3·gCOD（S）/（（1,000gCOD（S）/kgCOD（S）kgCOD（S）=1,111m3

这就是正确的答案。

4.1.2有回流的活性污泥装置

回流式活性污泥装置的设计如图4.2所示。

回流的目的是增加增加曝气池的污泥浓度。

由于泥龄与水力停留时间是分开的，回流的结果使泥龄增长，用此方法使得积累既包含快速生长又包含慢速生长的生物群落成为可能。

这对于污泥的沉淀和絮凝的特性都是很重要的。

图4.3显示出活性污泥的污泥絮凝体结构。

通常污泥在回流入曝气池之前都要在沉淀池中进行浓缩，有时还要对污泥进行浮选和离心分离。

从工艺上看，图4.1和4.2两种污泥处理装置没什么差别，由于回流式污泥处理设施的污泥浓度XB,.2较高而去除率也较大一些，这就意味着容积V2可以减小。

在图4.2所示的更为复杂的装置中有可能建立起更复杂的质量平衡，如果包括整个处理设施为对象建立质量平衡，那就与公式4.1、4.2的质量平衡很类似了。

质量平衡也可以在图4.2的a、b两点建立。

对于污泥在a点建立质量平衡，可被用于计算入流污泥浓度（进入曝气池）X2.1.

Q1XB,1+Q4XB,4=（Q1+Q4）XB,2.1（4.5）

如果从沉淀池出流和底流污泥浓度（XB,3和XB,4），以及曝气池出流的污泥浓度XB,2.2是已知的，那么就能够用b点相似的质量平衡来计算回流污泥Q4的流量。

图4.2回流式活性污泥装置

（Q1+Q4）XB,2.2=Q3XB,3+Q4XB,4

Q4=（Q1XB2.2-Q3XB,3）/（XB,4-XB,2.2）

当污泥流过曝气池时，污泥浓度增加了，围绕曝气池的污泥物质平衡可用来计算出流污泥的浓度XB,2.2（参见图4.2）。

（Q1+Q4）XB,2.1+（Q1+Q4）（C2.1-C2.2）Yobs=（Q1＋Q4）XB,2.2

或

XB,2.2=XB,2.1+（C2.1-C2.2）Yobs（4.6）

图4.3显示放大了200倍的活性污泥絮体，絮凝体包括微生物、有机微粒、无机微粒，它们被细菌产生的聚合物胶接在一起，絮体与原生动物有规则的密集在一起，说明生物活性很好。

当生物的生长受抑制或处理不妥，原生动物将与絮体的解聚同时死亡，丝状菌（此片中看不到）降低了絮体沉降和浓缩的能力。

例4.3说明了如何计算从曝气池的出流污泥浓度。

曝气池内污泥浓度依池内水力情况而定，若池内的混合情况比较理想则

XB,2=XB,2.2

如果曝气池是推流系统，那么污泥的浓度从进水的XB,2.1到出水的XB,2.2贯穿池子进行变化。

对于有回流的活性污泥装置，经常会利用X2.1～X2.2，而无回流活性污泥装置则不用。

【例4.3】

计算一个活性污泥装置中曝气池内活性污泥的排出浓度XB,2.2，下例各数是已知的（符号见图4.2）：

XB,2.1=4.5kgSS/m3

C1=0.4kgBOD/m3

C3=0.015kgBOD/m3（15mgBOD/1）

Yobs=0.9kgSS/kgBOD

Q1=2,500m3/d

Q4=2,000m3/d

XB,2.2可以从公式4.6得出

XB,2.2=XB,2.1＋（C2.1－C2.2）·Yobs（4.6）

C2.1和C2.2是未知的

C2.1和C2.2不是总BOD浓度，可假设代表原污水BOD含量（在处理装置中原污水带着很高的BOD浓度被混合到活性污泥中）。

通常假定沉淀池里不发生反应，即C2.2=C3。

借助图4.2中a点BOD的质量平衡可以得出：

Q1·C1+Q4·C4=（Q1+Q4）·C2.1

假定只在曝气池内进行去除，C4=C3=C2.2，代入上式：

C2.1=（Q1·C1＋Q4·C3）/（Q1＋Q4）

用所给值代入：

C2.1=（2,500·0.4＋2,000·0.015）/（2,500＋2,000）=0.229kgBOD/m3

用所给值替换代入式4.6得出：

XB,2.2=4.5＋（0.229－0.015）×0.9=4.69kgSS/m3

例4.3说明变量范围从曝气进水的流入到出水的排出，在此情况下污泥浓度仅增加了4～5%，考虑到进入量测试数值不稳定，对变量常常忽略不计，而整个曝气池的污泥浓度就假定为是恒定值。

注意：

当计算污泥产率时必须计算此变化（详见4.2章）。

4.2活性污泥工艺的概念及定义

有关活性污泥装置的原理及定义有好几种，其中有些概念和定义并不适用，不合乎逻辑，但有必要了解一下这些定义适用于何处，简要介绍如下：

处理率—我们通常用“处理率”来描述包括活性污泥池及沉淀池在内的处理工艺整体效率。

因此处理效率定义为：

（4.7）

处理率也可以用来描述整个处理装置内某单独一个处理过程或一个池子内所发生的变化。

此外，“处理率”还能以无量纲形式用于不同活性污泥工艺的数学描述中。

回流比—是回流污泥量与原污水量的比值（见图4.2）。

R=Q4/Q1（4.8）

典型值已在见表4.3中给出。

活性污泥装置的容积负荷定义如下

BV=Q1C1/V2（4.9）

容积负荷—可以用不同的单位给出，通常用kg/BOD/（m3∙d）表示，“容积负荷”常用于活性污泥装置的初步设计。

污泥浓度（生物体浓度）X：

曝气池污水中或循环污泥水流中的污泥浓度常常用悬浮固体XSS，或挥发性固体XVSS或化学需氧量XCOD几种单位来表示。

活性污泥工艺的计算可根据任何所需单位进行计算。

例如：

若单位采用SS，那麽所有的计算都要按照SS的单位来进行，即生长常数、污泥量、产泥量、去除速率等等都。

需要注意的是只有部分污泥浓度的测得如以COD计是表示活性生物量（活性菌）即：

XCOD>XB,H＋XB,A

式中XB,H是异养菌浓度，XB,A是自养菌（硝化菌）浓度。

城市污水/普通活性污泥设施的各种参数表4.3

符号

单位

值

BOD、COD、SS处理率

E

%

85-95

回流比

R

%

50-100

污泥指数

SVI

ml/g

50-150

20︒C时氧呼吸率（活性污泥）

rX,02

gO2/（kgVSSh）

5-40

污泥百分比

-

%

50-80

污水、活性污泥的最低温度

T

︒C

6-10

污水、活性污泥的最高温度

T

︒C

18-22

*熔雪期的最低温度为1～2︒C

污泥量（MX）：

在活性污泥装置中，污泥量MX由设施中所有污泥构成，包括那些在活性污泥池中得不到普遍曝气的污泥。

有时大量污泥可能在二沉池中积存，污泥量的表达式为：

MX=∑V∙X（4.10）

水解作用在所有污泥中进行，与污泥位置无关，但各自的速率取决于池中各自不同的条件。

污泥负荷：

污泥负荷表示每日施加于污泥的有机物总量。

BX=Q1C1/（V2X2）（4.11）

污泥浓度的单位常以kgSS/m3表示，而有机物浓度C1以kgBOD/m3表示，所以合起来的单位就是kgBOD/（kgSS∙d）。

污泥负荷经常作为设计参数。

当用SS作单位时，就要注意污水的条件（如大量的无机悬浮固体）或处理设施的操作状况（如沉淀剂的投放），它可以改变活性污泥中VSS与SS之间比率，对于设计而言，更可靠的污泥负荷单位是kgBOD/（kgVSS∙d）。

产泥量（FSP）：

表示每时间单位内离开处理系统的污泥量。

图4.4表明

FSP=Q3X3+Q5X5（4.12）

图4.4有污泥回流及排放剩余污泥（Q5X5）的活性污泥装置

进水（Q1X1）所带污泥包括在产泥量中，因此不能从公式（4.12）中推导出来。

产泥量能够用许多种方法测得，因此就可以有多种不同的表示方法，如kgSS/d，kgVSS/d，kgCOD/d。

表4.4所示以不同方法测得污泥及产泥量的各种成份。

污泥与产泥量以及污泥成份的测量方法表4.4

产泥量成份→

产泥量单位↓

原污水中无机

悬浮固体

原污水中有机

悬浮固体

曝气池

生物生长量

化学沉淀剂

kgSS/d

kgVSS/d

kgCOD/d

＋

＋

＋

＋

＋

＋

＋

＋

（＋）

根据应用目的，需对产泥量采用不同的单位。

对于污泥脱水的单位可采用kgSS/d对于厌氧污泥和好氧污泥稳定采用kgVSS/d或kgCOD（B）/d。

产泥量的体积即取决于处理装置的进水，同样也取决于处理装置所采用的工艺。

产泥量也可以用现有处理装置测得，并用式（4.12）计算出来。

产泥量还可以在作设计时用式（4.13）估算出来：

FSP=Yobs（C1-C3）Q1（4.13）

为了能用式（4.13）来计算污泥量，必须要先估算生长常数（Yobs），该常数依活性污泥装置的负荷等的不同而变，见图3.5。

【例4.4】

计算一个处理城市污水的活性污泥装置污泥负荷及产泥量。

已知：

Q1=11,000m3/d

C1=0.4kgBOD/m3

C3=0.04kgBOD/m3

设曝气池的活性污泥浓度为5.2kgSS/m3，则曝气池的体积V2为5.600m3。

代入式（4.11），则污泥负荷为：

BX=Q1·C1/（V2·X2）

将已知数代入到公式中：

BX=11,000·0.4/5,600·5.2=0.15kgBOD/（kgSS·d）

由式（4.13）计算产泥量：

FSP=Yobs（C1－C3）·Q1（4.13）

以图3.5为例Yobs估计SS/kgBOD。

代入已知数：

FSP=0.8（0.4－0.04）·11，000=3.170kgSS/d

（注意：

在分母中，生长常数Yobs必须与浓度C（此处为BOD）单位保持一致，分子则可以采用任何一种单位（SS,VSS,COD,TN,TP等）。

经活性污泥装置的污泥处理部分作进一步处理的产泥量不是所有产泥量，尚有一部分污泥与处理过的水一起离开处理装置，这种情况与图4.4的产泥量Q3X3是一致的。

剩余污泥量（FESP）：

剩余污泥量其实就是产泥量的一部分，也就是仍带有活性而被排出并在污泥处理设施进一步处理的那部分污泥，图4.4用Q5X5表示剩余产泥量。

（如有机械处理装置的话）剩余产泥量会如图4.4从回流里排出来，而后又与初沉污泥一起汇入污泥处理装置的进水。

如果需要控制泥龄，则从曝气池直接排出剩余污泥为最好的控制方法，见图4.5。

泥龄：

就是污泥（生物量）在处理装置里的细胞平均停留时间，泥龄可以通过式（4.14）在对现有装置测量的基础上估算出来。

QX=MX/FSP（4.14）

对于图4.1所示装置：

MX=V2X2

FSP=Q3X3

X2=X3（理想混合状态）

θX=V2X2/Q3X3=V2/Q3=θ（4.15）

式中θX为泥龄

θ为水力停留时间

在图4.1简单处理装置中，生物量和水的平均停留时间是相等的，对于有回流的活性污泥装置情况并不是这样，回流的初衷就是就是增加泥龄使之超过水力停留时间。

对图4.4这套装置来说

MX=V2·X2

（沉淀池中的污泥生物量设为0不太准确）

FSP=Q3X3＋Q5X5=Yobs（C1—C3）Q1

代入式4.14则：

θX=V2X2/（Yobs（C1—C3）Q1）=θX2/（Yobs（C1—C3））（4.16）

式（4.16）适用于一般情况，也适用于无回流活性污泥装置，式中X2=Yobs（C1—C3）（式4.4）。

【例4.5】

计算下图中所示曝气池（理想混合状态）的水力停留时间及泥龄：

已知：

V2=15,000m3

X2=4.0kgCOD/m3

Q1=1,500m3/h

Q4=750m3/d

Q5=100m3/d

Q6=1000m3/d

X3=0.05kgCOD/m3

X5=11.0kgCOD/m3

Yobs=0.4kgCOD（B）/kgCOD（S）

水力停留时间为：

θ=V2/Q1=15,000/1,500=10h

水力停留时间不为：

θ=V2/（Q1＋Q4）=15,000/（1,500＋750）=6.7h

因为水力停留时间为通过时间（相当于一个水质点的一个循环）

泥龄QX=MX/FSP（4.14）

MX=V2X2（沉淀池体积开始=0，所以无污泥）

FSP=Q3X3＋Q5X5＋Q6X6

代入各个值后得出：

QX=V2X2/（Q3X3＋Q5X5＋Q6X6）

在此除X6和Q3之外，所有的值都是已知的，当Q6—水流从曝气池排出时，X6=X2依照此装置的水量平衡即可得出Q3。

Q1=Q3＋Q5＋Q6

Q3=Q1－Q5－Q6=1,500×24－100－1000=34900m3/d

代入Q3、X6及其它已知值得出：

θX=15,000×4.0/（34,900×0.05＋100×11.0＋1,000×4.0）

θX=8.8d

注意：

这个例子给出了比提供一个恰当的解决方法还多的信息，许多工程师经常因信息不足而出问题，因而，此系统更像是工程估算。

好氧污泥龄：

好氧污泥龄对硝化工艺以及局部降解慢且环境外来物质必须被生物去除的工艺来说是至关重要的，好氧污泥龄是指好氧条件下，一个污泥粒子（如硝化细菌）在处理装置里停留的时间。

好氧污泥龄通常比污泥龄（总污泥龄）要短，此定义与泥龄类似：

QX,好氧=MX,好氧/FSP（4.17）

在一个池子里，好氧条件为一半时间（缺氧条件占另一半）好氧污泥量占总污泥量的50%，即0.5VX。

4.3活性污泥设施的类型

活性污泥装置的设计实际上是多种多样的，人们可采用许多种不同的设计方案及深

度。

通常来讲，设计方案是由经济条件所决定的，但不管一个处理厂采用哪一种设计方案都必须具备以下两个要素：

—曝气池应具有一定的容积（V2）和一定的的污泥浓度（X2），

—经沉淀池处理的废水从顶部排出（浓度C3，X3），同时浓缩后的回流污泥经其底部排出（浓度C4，X4）。

实际上在某些设计中，上述两个因素已被归并为具有两种功能的一个要素，详见4.2.3节中有关氧化沟的介绍。

4.3.1有回流活性污泥设施

图4.5向人们介绍了几种设有单独沉淀池的活性污泥处理装置的具体实例，我们可以把a型曝气池设计成一个长方形或正方形的容器，也可以是氧化沟或氧化池（用塑料作衬垫或直接在土地中做成土池子。

B型池呈狭长的推流式。

而C型曝气池是理想化完全混合池，这种曝气池通常为长方形。

分段进水式处理装置（D型）通常为长方形推流式曝气池（类似一个接触稳定装置，详细说明参见接触稳定装置介绍），而选择器系统（E型）包括1-3个小型理想化完全混合池，后面跟着一个大的理想化的混合池，这个大曝气池可以是长方形的，正方形的，也可以是一个氧化沟或一个氧化池。

不论采用何种设计方案，都要求其具备充分的搅动或紊动以使污泥保持悬浮状态，从而与入流污水充分接触。

通常经曝气来达到此目的，但有时这种对空气的需求（需氧量）很小，从而导致空气的供给不能满足混合要求，或者曝气系统在设计上不能保证良好的混合。

图4.5种所示的处理装置的基本布置就是图4.6中所示的带有两个单独的池子和回流污泥排放（Q4）装置的处理设施。

不论采用何种设计方案，必须向曝气池不断供氧。

这样便于维持一定的氧浓度以确保较高的去除率。

适用于所有处理装置的基质去除速率rv,s如下式：

（4.18）

其中：

μmax––––有机物（S）去除的最大比增长率

Ymax––––位有机物（S）的最大生长常数

S2––––曝气池中有机物的浓度（不在进水中）

SO2,2––––曝气池中氧的浓度

XB,2––––曝气池中污泥（生物量）的浓度

正如描述生物去除的其它表达方式一样，式（4.18）已是简化了的一种。

例如，在式（4.18）使用活性异养生物浓度（XB,H）这一概念将更加准确。

这也意味着其他生长常数μmax和Ymax是必须采用的。

对于一个活性污泥处理装置而言，对溶解性有机物的质量平衡式为：

输入量+水解量-去除量=输出量

Q1S1+rV,XSV2vX,S-rV,SV2=Q3S3（4.19）

图4.5设单独沉淀池的活性污泥装置

图4.6按图4.5各装置的基本布置图

VX,S为化学计量系数，它表示去除悬浮固体（XS）和溶解性物质（S）的相关系数。

通过推流式曝气池的活性污泥浓度（生物量）变化很小，因此在计算中我们常视其为一个常量，对于溶解性