污水的好氧生物处理二.docx
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污水的好氧生物处理二
第十四章污水好氧生物处理
（二）——活性污泥法
第一节基本概念
一、活性污泥法的基本工艺流程
1、活性污泥法的基本组成
①曝气池：
反应主体
②二沉池：
1）进行泥水分离，保证出水水质；2）保证回流污泥，维持曝气池内的污泥浓度。
③回流系统：
1）维持曝气池的污泥浓度；2）改变回流比，改变曝气池的运行工况。
④剩余污泥排放系统：
1）是去除有机物的途径之一；2）维持系统的稳定运行。
⑤供氧系统：
提供足够的溶解氧
2、活性污泥系统有效运行的基本条件是：
①废水中含有足够的可容性易降解有机物；
②混合液含有足够的溶解氧；
③活性污泥在池内呈悬浮状态；
④活性污泥连续回流、及时排除剩余污泥，使混合液保持一定浓度的活性污泥；
⑤无有毒有害的物质流入。
二、活性污泥的性质与性能指标
1、活性污泥的基本性质
①物理性能：
“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：
0.020.2mm；
比表面积：
20100cm2/ml。
②生化性能：
1）活性污泥的含水率：
99.299.8%；
固体物质的组成：
有机物
75—85%
活细胞（Ma）、微生物内源代谢的残留物（Me）、吸附的原废水中难于生物降解的有机物（Mi）、无机物质（Mii）。
2、活性污泥中的微生物：
①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；
基本特征：
1）绝大多数都是好氧或兼性化能异养型原核细菌；
2）在好氧条件下，具有很强的分解有机物的功能；
3）具有较高的增殖速率，世代时间仅为2030分钟；
4）其中的动胶杆菌具有将大量细菌结合成为“菌胶团”的功能。
②其它微生物------原生动物、后生动物----在活性污泥中大约为103个/ml
3、活性污泥的性能指标：
①混合液悬浮固体浓度（MLSS）（MixedLiquorSuspendedSolids）：
MLSS=Ma+Me+Mi+Mii单位：
mg/lg/m3
②混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）（MixedVolatileLiquorSuspendedSolids）：
MLVSS=Ma+Me+Mi；
在条件一定时，MLVSS/MLSS是较稳定的，对城市污水，一般是0.75~0.85
③污泥沉降比（SV）（SludgeVolume）：
是指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；
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；
正常数值为2030%。
④污泥体积指数（SVI）（SludgeVolumeIndex）：
曝气池出口处混合液经30分钟静沉后，1g干污泥所形成的污泥体积，单位是ml/g。
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现象；
城市污水的SVI一般为50150ml/g；
第二节气体传递原理和曝气池
一、曝气的原理与理论基础
在活性污泥法中，曝气的作用主要有：
①充氧：
向活性污泥中的微生物提供溶解氧，满足其在生长和代谢过程中所需的氧量。
②搅动混合：
使活性污泥在曝气池内处于悬浮状态，与废水充分接触。
1、Fick定律
通过曝气，空气中的氧，从气相传递到混合液的液相中，这实际上是一个物质扩散过程，即气相中的氧通过气液界面扩散到液相主体中。
所以，它应该服从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，物质的分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散、转移。
即
（1）
式中：
——物质的扩散速率，即在单位时间内单位断面上通过的物质数；
——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；
——物质浓度；
——扩散过程的长度
——浓度梯度，即单位长度内的浓度变化值。
式
（1）表明，物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系。
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：
（2）
代入
（1）式，得：
（3）
2、双膜理论：
对于气体分子通过气液界面的传递理论，在废水生物处理界被普遍接受的是Lewis&Whitman于1923年建立的“双膜理论”。
双膜理论认为：
1）当气、液面相接触并作相对运动时，接触界面的两侧，存在着气体与液体的边界层，即气膜和液膜；
2）气膜和液膜内相对运动的速度属于层流，而在其外的两相体系中则均为紊流；
3）氧的转移是通过气、液膜进行的分子扩散和在膜外的对流扩散完成；
4）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液膜上；
5）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；
6）实际上，在气膜中，氧分子的传递动力很小，即气相主体与界面之间的氧分压差值
很低，一般可认为
。
这样，就可以认为界面处的溶解氧浓度
等于在氧分压条件下的饱和溶解氧浓度值，因此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
与液相主体中的溶解氧浓度值
。
双膜理论模型的示意图：
（或称氧转移模式图（双膜理论））
设液膜厚度为
（此值是极小的），因此在液膜内溶解氧浓度的梯度为：
（4）
代入式（3），得：
（5）
式中
——氧传递速率，kgO2/h；
——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；
——在液膜内溶解氧的浓度梯度，kgO2/m3.m；
设液相主体的容积为V（m3），并用其除以上式，则得：
（6’）
（6）
式中
——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，
。
由于气液界面面积难于计量，一般以氧总转移系数（
）代替
，则上式改写为：
（7）
式中：
——氧总转移系数，h-1，
（8）
此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
值低，反之则
值高。
的倒数1/KLa的单位为（h），它所表示的是曝气池中溶解氧浓度从
提高到Cs所需要的时间。
为了提高dC/dt值，可以从两方面考虑：
（式（8））
1）提高
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。
2）提高Cs值——提高气相中的氧分压，如采用纯氧曝气、深井曝气等。
3、氧总转移系数（
）的求定
氧总转移系数（
）是计算氧转移速率的基本参数，一般是通过试验求得。
将式（7）整理，得：
（9）
积分后得：
（10’）
换成的以10为底，则
（10）
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——是在实际水温、当地气压下溶解氧在液相主体中饱和浓度（mg/l）。
由式（10）可见
与t之间存在着直线关系，直线的斜率即为KLa/2.3。
测定
值的方法与步骤如下：
1）向受试清水中投加Na2SO3和CoCl2，以脱除水中的氧；每脱除1mg/L的氧，在理论上需7.9mg/LNa2SO3，但实际投药量要高出理论值10~20%；CoCl2的投量则以保持Co2+离子浓度不低于1.5mg/L为准，Co2+是催化剂。
2）当水中溶解氧完全脱除后，开始曝气充氧，一般每隔10分钟取样一次，（开始时可以更密集一些），取6~10次，测定水样的溶解氧；
3）计算
值，绘制
与t之间的关系曲线，直线的斜率即为KLa/2.3。
二、氧转移速率的影响因素
标准氧转移速率——指脱氧清水在20C和标准大气压条件下测得的氧转移速率，一般以R0表示（kgO2/h）；
实际氧转移速率——以城市废水或工业废水为对象，按当地实际情况（指水温、气压等）进行测定，所得到的为实际氧转移速率，以R表示，单位为kgO2/h。
影响氧转移速率的主要因素：
——废水水质、水温、气压等
1、水质对氧总转移系数（KLa）值的影响：
废水中的污染物质将增加氧分子转移的阻力，使KLa值降低；为此引入系数，对KLa值进行修正：
式中KLaw——废水中的氧总转移系数；值可以通过试验确定，一般=0.80.85
2、水质对饱和溶解氧浓度（Cs）的影响：
废水中含有的盐分将使其饱溶解氧浓度降低，对此，以系数加以修正：
，
式中Csw——废水的饱和溶解氧浓度，mg/l；值一般介于0.90.97之间。
3、水温对氧总转移系（KLa）的影响：
水温升高，液体的粘滞度会降低，有利于氧分子的转移，因此KLa值将提高；水温降低，则相反。
温度对KLa值的影响以下式表示：
式中KLa（T）和KLa（20）——分别为水温TC和20C时的氧总转移系数；T——设计水温C；
4、水温对饱和溶解氧浓度（Cs）的影响：
水温升高，Cs值就会下降，在不同温度下，蒸馏水中的饱和溶解氧浓度可以从表中查出。
水温（C）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
饱和溶解氧（mg/l）
14.62
14.23
13.84
13.48
13.13
12.80
12.48
12.17
11.87
11.59
11.33
水温（C）
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
饱和溶解氧（mg/l）
11.08
10.83
10.60
10.37
10.15
9.95
9.74
9.54
9.35
9.17
8.99
水温（C）
22
23
24
25
26
27
28
29
30
饱和溶解氧（mg/l）
8.83
8.63
8.53
8.38
8.22
8.07
7.92
7.77
7.63
5、压力对饱和溶解氧浓度（Cs）值的影响：
压力增高，Cs值提高，Cs值与压力（P）之间存在着如下关系：
（15）
式中P——所在地区的大气压力，Pa；
Cs（P）和Cs（760）——分别是压力P和标准大气压力条件下的Cs值，mg/l；
P’——水的饱和蒸气压力，Pa；
由于P’很小（在几kPa范围内），一般可忽略不计，则得：
其中
对于鼓风曝气系统，曝气装置是被安装在水面以下，其Cs值以扩散装置出口和混合液表面两处饱和溶解氧浓度的平均值Csm计算，如下所示：
（18）
式中Ot——从曝气池逸出气体中含氧量的百分率，%；
（19）
EA——氧利用率，%，一般在6%12%之间；
Pb——安装曝气装置处的绝对压力，可以按下式计算：
（20）
P——曝气池水面的大气压力，P＝1.013×105Pa；H——曝气装置距水面的距离，m。
三、氧转移速率与供气量的计算
1、氧转移速率的计算：
标准氧转移速度（R0）为：
，
式中CL——水中的溶解氧浓度，对于脱氧清水CL=0;
V——曝气池的体积，（m3）；
为求得水温为T，压力为P条件下的废水中的实际氧转移速率（R），则需对上式加以修正，需引入各项修正系数，即：
，
因此，R0/R为：
（23）
一般来说：
R0/R=1.331.61。
将（23）式重写：
（24）
式中CL——曝气池混合液中的溶解氧浓度，一般按2mg/l来考虑。
2、氧转移效率与供气量的计算：
①氧转移效率：
，
式中：
EA——氧转移效率，一般的百分比表示；
OC——供氧量，kgO2/h；
，
21%——氧在容气中的占的百分比；
1.331——20C时氧的容重，kg/m3；
Gs——供氧量，m3/h。
②供气量Gs：
（27）
对于鼓风曝气系统，各种曝气装置的EA值是制造厂家通过清水试验测出的，随产品向用户提供；
对于机械曝气系统，按式（24）求出的R0值，又称为充氧能力，厂家也会向用户提供其设备的R0值。
③需氧量：
活性污泥系统中的供氧速率与耗氧速率应保持平衡，因此，曝气池混合液的需氧量应等于供氧量。
需氧量是可以根据下式求得：
（28）
四、曝气方法与设备
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，按曝气方式可以将其分为鼓风曝气装置和表面曝气装置两种。
1、曝气装置的技术性能指标：
①动力效率（Ep）：
每消耗1度电转移到混合液中的氧量（kgO2/kw.h）；
②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（%）；
③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）。
2、鼓风曝气装置：
鼓风曝气系统由鼓风机、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、中气泡型、大气泡型、水力剪切型、水力冲击型、等
①（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（气泡在200m以下者，为微孔）；氧的利用率较高，EA=1525%，动力效率在2kgO2/kw.h以上；缺点：
易堵塞，空气需经过滤处理净化，扩散阻力大。
②中气泡型曝气装置：
气泡直径为26mm。
1）穿孔管：
2）新型中气泡型曝气装置：
③水力剪切型空气扩散装置：
利用装置本身的构造特点，产生水力剪切作用，将大气泡切割成小气泡，增加气液接触面积，达到提高效率的目的。
如：
定螺旋曝气器等。
④水力冲击型曝气器：
射流曝气：
分为自吸式和供气式——自吸式射流曝气器由压力管、喷嘴、吸气管、混合室和出水管等组成；EA=20%；噪音小，无需鼓风机房；一般适用于小规模污水厂。
3、机械曝气装置
又称表面曝气装置
①曝气的原理：
1）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；
2）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；
3）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。
分类：
按转动轴的安装形式，可分为竖轴式和横轴式两大类。
②竖轴式机械曝气装置：
泵型叶轮曝气器、K型叶轮曝气器、倒伞型叶轮曝气器和平板型叶轮曝气器等。
1）泵型叶轮曝气器（图9、图10）
由叶片、进气孔、引气孔、上压罩、下压罩和进水口等部分组成；
对于泵型叶轮曝气器，其充氧量和轴功率可按下列经验公式计算：
（30）
式中R0——在标准状态下清水的充氧能力，kgO2/h；
N轴——叶轮轴功率，kw；
V——叶轮周边线速度，m/s；
D——叶轮公称直径，m；
K1——池型结构对充氧量的修正系数；
K2——池型结构对轴功率的修正系数；
2）K型叶轮曝气器（图11）
呈双曲线形；浸没深度为010mm；线速度为45m/s。
3）倒伞型叶轮曝气器（图12）
由圆锥形壳体及连接在外表面的叶片所组成；转速在3060r/min；动力效率为22.5
4）平板型叶轮曝气器（图13）
由叶片与平板等部件组成；叶片与平板半径的角度在025之间；线速度一般在4.054.85之间。
③横轴式机械曝气装置：
曝气转刷、曝气转盘等。
五、曝气池的型式与构造
1、曝气池的类型
①根据混合液在曝气池内的流态，可分为推流式、完全混合式和循环混合式三种；
②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；
③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；
④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。
2、曝气池的流态
①推流式曝气池
②完全混合式曝气池
③循环混合式曝气池：
氧化沟
3、曝气池的构造
曝气池在构造上应满足曝气充氧、混合的要求，因此，曝气池的构造首先取决于曝气方式和所采用的曝气装置。
第三节活性污泥法的发展和演变
一、各种活性污泥法工艺
迄今为止，在活性污泥法工程领域，应用着多种各具特色的运行方式。
主要有以下几种：
①传统推流式活性污泥法；②完全混合活性污泥法；③阶段曝气活性污泥法；④吸附—再生活性污泥法；⑤延时曝气活性污泥法；⑥高负荷活性污泥法；⑦纯氧曝气活性污泥法；⑧浅层低压曝气活性污泥法；⑨深水曝气活性污泥法；⑩深井曝气活性污泥法。
1、传统推流式活性污泥法：
①工艺流程：
②供需氧曲线：
③主要优点：
1）处理效果好：
BOD5的去除率可达90-95%；2）对废水的处理程度比较灵活，可根据要求进行调节。
④主要问题：
1）为了避免池首端形成厌氧状态，不宜采用过高的有机负荷，因而池容较大，占地面积较大；2）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；3）对冲击负荷的适应性较弱。
⑤一般所采用的设计参数（处理城市污水）：
2、完全混合活性污泥法
①主要特点：
a.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；b.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；c.适合于处理较高浓度的有机工业废水。
②主要结构形式：
a.合建式（曝气沉淀池）：
b.分建式
3、阶段曝气活性污泥法——又称分段进水活性污泥法或多点进水活性污泥法
①工艺流程：
②主要特点：
a.废水沿池长分段注入曝气池，有机物负荷分布较均衡，改善了供养速率与需氧速率间的矛盾，有利于降低能耗；b.废水分段注入，提高了曝气池对冲击负荷的适应能力；
③主要设计参数：
4、吸附再生活性污泥法——又称生物吸附法或接触稳定法。
主要特点是将活性污泥法对有机污染物降解的两个过程——吸附、代谢稳定，分别在各自的反应器内进行。
①工艺流程：
②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，再生池的容积也较小。
吸附池与再生池容积之和低于传统法曝气池的容积，基建费用较低；
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。
③主要缺点：
处理效果低于传统法，特别是对于溶解性有机物含量较高的废水，处理效果更差。
④主要设计参数：
5、延时曝气活性污泥法——完全氧化活性污泥法
①主要特点：
a.有机负荷率非常低，污泥持续处于内源代谢状态，剩余污泥少且稳定，勿需再进行处理；
b.处理出水出水水质稳定性较好，对废水冲击负荷有较强的适应性；
c.在某些情况下，可以不设初次沉淀池。
②主要缺点：
池容大、曝气时间长，建设费用和运行费用都较高，而且占地大；一般适用于处理水质要求高的小型城镇污水和工业污水，水量一般在1000m3/d以下。
③主要设计参数：
6、高负荷活性污泥法——又称短时曝气法或不完全曝气活性污泥法
①主要特点：
有机负荷率高，曝气时间短，处理效果较差；而在工艺流程和曝气池的构造等方面与传统法基本相同。
②主要设计参数：
7、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10%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；
d.剩余污泥产量少，SVI值也低，一般无污泥膨胀之虑。
②曝气池结构：
③主要设计参数：
8、浅层低压曝气法
①理论基础：
只有在气泡形成和破碎的瞬间，氧的转移率最高，因此，没有必要延长气泡在水中的上升距离；
②其曝气装置一般安装在水下0.80.9米处，因此可以采用风压在1米以下的低压风机，动力效率较高，可达1.802.60kgO2/kw.h；
③其氧转移率较低，一般只有2.5%；
④池中设有导流板，可使混合液呈循环流动状态。
9、深水曝气活性污泥法
①主要特点：
a.曝气池水深在78m以上，b.由于水压较大，洋的转移率可以提高，相应也能加快有机物的降解速率；c.占地面积较小。
②一般有两种形式：
a.深水中层曝气法：
b.深水深层曝气法：
10、深井曝气活性污泥法——又称超深水曝气法
①工艺流程：
一般平面呈圆形，直径约介于16m，深度一般为50150m。
②主要特点：
a.氧转移率高，约为常规法的10倍以上；b.动力效率高，占地少，易于维护运行；c.耐冲击负荷，产泥量少；d.一般可以不建初次沉淀池；e.但受地质条件的限制。
第四节活性污泥法的设计计算
一、设计基础资料
进行活性污泥系统的工艺计算和设计时，首先应比较充分地掌握与废水、污泥有关的原始资料并确定设计的基础数据，主要有：
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；以上属于设计所需要的原始资料；
污泥负荷率与BOD5的去除率；
混合液浓度与污泥回流比。
以上属于设计所需的基础数据。
对生活污水和城市污水以及与其类似的工业废水，已有一套成熟和完整的设计数据和规范，一般可以直接应用；对于一些性质与生活污水相差较大的工业废水或城市废水，一般需要通过试验来确定有关的设计参数。
二、工艺计算与设计的主要内容
活性污泥系统由曝气池、二次沉淀池及污泥回流设备等组成。
其工艺计算与设计主要包括：
1）工艺流程的选择；2）曝气池的计算与设计；3）曝气系统的计算与设计；4）二次沉淀池的计算与设计；5）污泥回流系统的计算与设计。
三、工艺流程的选择
主要依据：
废水的水量、水质及变化规律；
对处理后出水的水质要求；
对处理中所产生的污泥的处理要求；
当地的地理位置、地质条件、气候条件等；
当地的施工水平以及处理厂建成后运行管理人员的技术水平等；
工期要求以及限期达标的要求；
综合分析工艺在技术上的可行性和先进性以及经济上的可能性和合理性等；
对于工程量大、建设费用高的工程，则应进行多种工艺流程的比较后才能确定。
四、曝气池的计算与设计
主要内容：
曝气池容积的计算；
需氧量和供气量的计算；
池体设计。
1、曝气池容积的计算：
①计算方法与计算公式
常用的是有机负荷法，有关公式有：
；
；
；
②设计参数的选择：
在进行曝气池容积计算时，应在一定范围内合理地确定
或
和
或
值，以及处理效率、
、
等参数。
2、需氧量与供气量的计算
（1）需氧量：
（kgO2/d）
3、池体尺寸设计：
单元数：
不小于2组；
廊道数：
不少于3个；
廊道长、宽、高：
长=（510）宽，深度一般为45米，超高0.5米；
进出水以及污泥回流方式的设计；
曝气装置的安装方式与位置；
其它附属物的设计（消泡管等）。
第五节活性污泥法的运行管理及常
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