环境生物技术第四章废水生物处理技术第四节废水好氧生物处理工艺活性污泥法.docx

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环境生物技术第四章废水生物处理技术第四节废水好氧生物处理工艺活性污泥法

第四章废水生物处理技术

第四节废水好氧生物处理工艺

（1）——活性污泥法

本节主要内容

•第一节活性污泥法的基本原理

•第二节活性污泥法的运行方式

•第三节曝气的原理、方法与设备

•第四节活性污泥法的反应动力学

•第五节活性污泥法的工艺设计

•第六节活性污泥法的运行管理

第一节活性污泥法的基本原理

活性污泥法是处理城市污水最广泛使用的方法。

自1912年开始至今，活性污泥法的研究经过近百年的发展，在理论和实践上都取得了很大的进步。

活性污泥法本质上与天然水体（江、湖）的自净过程相似。

历史：

1912年，Clark和gage发现曝气的作用；

Arden和Lockett发现活性污泥的作用。

1916年，英国第一座活性污泥法污水处理厂。

什么是活性污泥？

ActivatedSludge

活体。

有机成分。

生态系统。

巨大的比表面积，吸附作用。

大量微生物形成的絮凝团，外形呈黑色污泥状。

与污水混合完全，在有氧条件下，将污水中有机物分解，净化水体。

一、活性污泥法的工艺流程

活性污泥系统的主要组成（功用）

•曝气池：

反应的主体，有机物被降解，微生物得以增殖；

•二沉池：

1）泥水分离，保证出水水质；

2）浓缩污泥，保证污泥回流，维持曝气池内的

污泥浓度。

•回流系统：

1）维持曝气池内的污泥浓度；

2）回流比的改变，可调整曝气池的运行工况。

•剩余污泥：

1）去除有机物的途径之一；

2）维持系统的稳定运行

•供氧系统：

为微生物提供溶解氧

活性污泥系统有效运行的基本条件是：

•废水中含有足够的可溶性易降解有机物；

•混合液含有足够的溶解氧；

•活性污泥在池内呈悬浮状态；

•活性污泥连续回流，剩余污泥及时排放，维持曝气池内稳定的活性污泥浓度；

•进水中不含有对微生物有毒有害的物质。

二、活性污泥的性质

1、物理性质：

——“菌胶团”——“生物絮凝体”

ν颜色：

褐色、（土）黄色、铁红色

ν气味：

泥土味（城市污水）

ν比重：

略大于1（1.002~1.006）

ν粒径：

0.02~0.2mm

ν比表面积：

20~100cm2/ml

2、生化性能：

活性污泥的含水率：

99.2~99.8%

ν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）：

有机物75~85%

三、活性污泥的性能指标

1.混合液悬浮固体浓度（MLSS）（MixedLiquorSuspendedSolids）表示的是在曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物的总重量。

MLSS=Ma+Me+Mi+Mii单位：

mg/L或g/m3

2.混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）（MixedLiquorVolatileSuspendedSolids）表示的是混合液活性污泥中有机性固体物质部分的浓度。

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0.70~0.85

3.污泥沉降比（SV,SludgeVolume）

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：

20~30%

4.污泥体积指数（SVI，SludgeVolumeIndex）

定义：

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，（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，缺乏活性；

●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：

50~150ml/g（处理城市污水时）

四、活性污泥法的基本工艺参数

1、曝气池的有机容积负荷：

1）进水COD（BOD5）容积负荷：

2）COD（BOD5）去除容积负荷：

2、曝气池的有机污泥负荷：

1）进水（influent）COD（BOD5）污泥负荷：

2）COD（BOD5）去除污泥负荷：

3、曝气池的水力停留时间（HRT，HydraulicRetentionTime）

4、曝气池的污泥停留时间（SRT，SludgeRetentionTime、θc）

有关概念－F/M值:

在温度适宜、DO充足、且不存在抑制物质的条件下，活性污泥微生物的增殖速率主要取决于微生物与有机基质的相对数量，即有机基质（Food）与微生物（Microorganism）的比值，即F/M值。

F/M值是影响有机物去除速率、氧利用速率的重要因素

实际上，F/M值就是以BOD5表示的进水污泥负荷，即：

3、污泥龄

•又称“生物固体平均停留时间”

活性污泥处理系统保持正常、稳定运行的一项重要条件，是必须在曝气池内保持相对稳定的悬浮固体量。

但是，活性污泥反应的结果，使曝气池内的活性污泥在量上有所增长，这样，每天必须从系统中排出相当于增长量的活性污泥量。

△X=QWXr+（Q-QW）Xe

•曝气池内活性污泥总量（Vx）与每天排放污泥量之比，称之为污泥龄，即活性污泥在曝气池内平均停留的时间。

θc=Vx/△X

θc=Vx/QWXr+（Q-QW）Xe

在一般情况下，Xe值极低，可忽略不计，上式可简化为：

θc=Vx/QWXr

4、BOD-污泥负荷

活性污泥反应的核心是活性微生物，而参与反应的物质有：

作为活性污泥微生物营养物质的有机污染物和保证活性微生物正常生理活动的溶解氧。

决定有机污染物的降解速率、活性污泥增长速率以及溶解氧被利用速率的最重要的因素，是有机污染物与活性污泥量的比值F/M.

F/M=QSa/XV

五、活性污泥净化反应过程（机理）

在活性污泥处理系统中，有机底物从废水中被去除的实质就是有机底物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，这一过程的结果是污水得到了净化，微生物获得了能量而合成新的细胞，活性污泥得到了增长。

一般将这整个净化反应过程分为三个阶段：

初期吸附；（吸附）

微生物代谢；（稳定）

活性污泥的凝聚、沉淀与浓缩（分离）

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（10~30min）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。

吸附量的大小，主要取决于有机物的状态，若废水中的有机物处于悬浮和胶体状态的相对量大时，则吸附量也大。

六、有机物降解与微生物增殖（自学）

第二节活性污泥法的运行方式

1）传统活性污泥法

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

一、传统活性污泥法：

1）工艺流程:

•主要优点：

a.处理效果好：

BOD5的去除率可达90~95%；

b.对废水的处理程度比较灵活，可根据要求进行调节。

•主要问题：

a.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；

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.对冲击负荷的适应性较弱。

设计参数

二、完全混合活性污泥法

•工艺流程

•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

主要结构形式：

a.合建式（曝气沉淀池）

b.分建式

三、阶段曝气活性污泥法——分段进水法或多点进水法

工艺流程

•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，改善了供氧速率与需氧速率之间的矛盾，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；

四、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

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（10~30min）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BOD5值（或COD值）大幅度下降。

但不是真正的降解，随着时间推移，混合液的BOD5值会回升，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：

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。

工艺流程

•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。

•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。

五、延时曝气活性污泥法——完全氧化活性污泥法

•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，无需再进行处理；

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，可不设初沉池。

•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。

六、高负荷活性污泥法—又称短时曝气法或不完全曝气法

•主要特点：

a.有机负荷率高，曝气时间短，对废水的处理效果较低；

b.在系统和曝气池的构造等方面与传统法相同。

七、纯氧曝气活性污泥法

•工艺流程

•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5~25%左右；

c.可使曝气池内活性污泥浓度高达4000~7000mg/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，污泥膨胀较少发生。

八、浅层低压曝气法

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。

其曝气装置一般安装在水下0.8~0.9M处，因此可以采用风压在1M以下的低压风机，动力效率较高，可达1.80~2.60kgO2/kw.h；

其氧转移率较低，一般只有2.5%；

池中设有导流板，可使混合液呈循环流动状态。

九、深水曝气活性污泥法

•主要特点：

a.曝气池水深在7~8m以上，

b.由于水压较大，氧的转移率可以提高，相应也能加快有机物的降解速率；

c.占地面积较小。

十、深井曝气活性污泥法——又称超深水曝气法

•工艺流程：

一般平面呈圆形，直径约1~6m，深度为50~150m。

•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。

第三节曝气的原理、方法与设备（自学）

✓曝气的原理***

✓曝气方法

✓曝气设备

第四节活性污泥法的反应动力学（自学）

第五节活性污泥法的工艺设计

一、基本概念

•什么是“工艺设计”？

•什么是“设计”？

设计——工程设计

•按专业分类：

l工艺设计；

l结构设计；

l电气、自控设计；

l建筑设计；

l给水排水、通风设计；等

一、工艺设计基础资料

①废水的水量、水质及其变化规律；

②对处理后出水的水质要求；

③对处理中产生的污泥的处理要求；

−−设计所需的原始资料

 ④污泥负荷与BOD5的去除率；

⑤混合液浓度与污泥回流比。

−−设计所需的基础数据

生活污水或城市污水——设计规范

工业废水——实验确定设计参数

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：

l工艺流程的选择；

l 曝气池的计算与设计；

l 曝气系统的计算与设计；

l 二沉池的计算与设计；

l 污泥回流系统的计算与设计；等。

二、工艺流程的选择与确定

①废水的水量、水质及变化规律

②对处理后出水的水质要求

③对处理中所产生的污泥的处理要求

④当地的地理位置、地质条件、气候条件等。

例…

⑤当地的施工水平及运行管理人员的技术水平等。

例…

⑥工期要求以及限期达标的要求

⑦工艺技术的可行性、先进性

以及经济上的可能性、合理性等

⑧进行多种工艺流程的技术经济比较

三、曝气池的工艺设计

1、曝气池的类型；

2、曝气池的构造；

3、曝气池体积的计算；

4、需氧量和供气量的计算。

5、曝气池池体的设计计算。

1、曝气池的类型

˜ 根据曝气池内的流态，可分为推流式、完全混合式和循环混合式三种；

˜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。

（1）推流式曝气池

•特征：

–呈长方形；廊道的长度可达100m，但以50~70m之间为宜；长度应是宽度的5~10倍；

–从池首到池尾，其F/M值、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。

（2）完全混合式曝气池

˜特征：

–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、F/M值、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；

–微生物在曝气池内的增殖速率是一定的，在增殖曲线上的位置是一个点。

• 优点：

①稀释作用，能够承受高浓度废水，抗冲击负荷；

②需氧在整个池内的要求相同，能够节省动力；

③可与沉淀池合建，无需回流系统，易运行管理

（3）循环混合式曝气池−−氧化沟

2、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，

•曝气池的构造取决于曝气方式和所采用的曝气装置。

（1）采用鼓风曝气系统的曝气池的构造——多为廊道型的推流式曝气池

①曝气池的数目、规模与廊道组合

②廊道的长度与宽度：

（廊道长度以50~70m为宜，长与宽之比为5~10:

1）

③廊道的横断面与深度：

˜ 尽量共用空气管道和布水槽；

˜ 池深3~5m，超高0.5m（氧转移和出口风压）；

˜ 距池底1/2或1/3处设排水管，以备培养活性污泥用；

˜ 池底设放空管及0.2%的坡度，坡向放空管；

˜ 进水多采用淹没孔口形式，出水多采用平顶堰形式。

（2）采用机械曝气装置的曝气池的构造

①采用叶轮曝气器的曝气池

a.完全混合式：

−−表面为圆形或方形

b.曝气沉淀池：

−−将曝气和沉淀过程结合在一个构筑物内完成；

−−曝气区，导流区，沉淀区

c.兼具推流和完全混合的曝气池：

−−由一系列正方形单元连接而成的廊道式曝气池；

−−每1单元设1台叶轮曝气器，每单元是完全混合的。

采用叶轮曝气的完全混合式曝气池

采用倒伞形叶轮曝气的Carrousal氧化沟

②采用曝气转刷（盘）的曝气池的构造——环槽形曝气池（氧化沟）

•平面呈环形跑道状；

•沟槽的横断面可为方形、梯形；

•水深较浅，早期一般为1.0~1.5m，现在多为3~4m；

•混合液在沟内的流速不应小于0.4m/s，沟底流速不小于0.3m/s。

采用转刷或转碟曝气的氧化沟

第六节活性污泥法的运行管理

一、活性污泥法的启动与试运行

二、活性污泥法的运行与管理

三、活性污泥法的常见问题与对策

一、启动与试运行

（1）、活性污泥的培养与驯化

˜接种污泥：

①同类污水厂的剩余污泥；

②粪便污水等。

˜培养方法：

①间歇培养法；

②流量分阶段直接培养法；

③全流量连续直接培养法；

˜驯化方法：

①异步驯化法；

②同步驯化法

（2）、活性污泥系统的试运行

˜试运行的目的是确定最佳的运行条件；

˜作为变数考虑的因素：

①MLSS、空气量、废水注入方式；

②N、P的投加；

③如是吸附再生法，则吸附与再生的时间比；

˜根据上述各种参数的组合运行结果，找出最佳运行条件。

二、运行与管理

1、曝气池的运行管理

（1）、曝气池的常规监测工程：

①水温：

15~30︒C，一般要求不高于35︒C或低于10︒C；

②pH值：

6.5~8.5，最佳7.2~7.4，一般不能>9.5和<4.0；

③DO：

入口处不低于0.5mg/L，出口处应高于2.0mg/L；

④SV：

⑤MLSS、MLVSS：

⑥Xr：

用于确定回流和剩余污泥量，约7000~12000mg/L；

⑦SVI：

沉降性能，60~150；

⑧LsrBOD和LvrBOD：

⑨污泥龄（θc）：

⑩HRT：

（2）、对活性污泥进行镜检观察：

主要镜检对象是原（后）生动物——指示性生物。

①活性污泥生长正常、净化功能强，出水水质良好时，主要是有柄着生型的纤毛虫，如钟虫等；

②活性污泥生长不好、有机负荷高，DO含量低，细菌多以游离状态存在时，出现的原生动物则主要是游泳型的纤毛虫，如草履虫、肾形虫等；

③DO不足时，可能出现的原生动物数量较少，主要有扭头虫等，它们的出现说明已出现厌氧反应，产生了H2S气体；

④曝气过度时，活性污泥絮体呈细小分散状，出现的原生动物主要是一些小型变形虫。

（3）、对溶解氧及供气量的调节：

˜供气电耗占全厂电耗的一半以上（50~60%）；

˜保证充氧——出口处的DO≥2mg/L；

˜保证足够的混合搅拌；

˜气水比

˜对于水质、水量相对稳定的大型废水处理厂，每年春秋各调节一次。

（4）、SV及SVI的测定与调节

˜维持稳定的MLSS值；

˜以SV值作为评定MLSS值的指标；

˜最佳SV值；

˜通过调节剩余污泥的排放量来控制SV值；

˜一般要求每班测一次，每天3~4次；

˜结合MLSS则可得出SVI值。

˜剩余污泥量与回流污泥量的调节与控制

2、二沉池的运行管理

主要的水质管理监测工程：

①pH值：

略低于曝气池出水，一般6.8~7.2；

②透明度：

一般在30度以上，水质较好时可高于50度；

③SS：

低于30mg/L；

④BOD5（COD）：

BOD5<20mg/L,COD<100mg/L；

⑤DO：

略低于2mg/L。

⑥表面水力负荷（q）：

1.0~1.5m3/m2.h

⑦出水堰水力负荷：

1.5~2.9L/m.s；

⑧HRT：

1.5~2.5h；

⑨大肠菌群值：

应小于1000个/ml

三、常见问题与对策

1、污泥腐化；

2、污泥上浮；

3、污泥解体；

4、泥水界面不清；

5、污泥膨胀；

6、泡沫

1、污泥腐化

•现象：

活性污泥呈灰黑色、污泥发生厌氧反应，污泥中出现硫细菌，出水水质恶化；

•原因：

①混合液DO不足，负荷量增高；

②曝气不足；

③工业废水的流入等；

•对策：

①控制负荷量；

②增大曝气量；

③切断或控制工业废水的流入。

2、污泥上浮：

——SV值异常

•现象：

污泥沉淀30~60分钟后呈层状上浮，且多发生在夏季；

•原因：

硝化作用导致在二沉池中被还原成N2，引起污泥上浮；

•对策：

①减少污泥在二沉池中的停留时间；

②减少曝气量。

3、污泥解体

•现象：

在沉淀后的上清液中含有大量的悬浮微小絮体，出水透明度下降。

•原因：

曝气过度；负荷下降，活性污泥自身氧化过度；

•对策：

减少曝气；增大负荷量

4、泥水界面不清

•现象：

污泥可以下沉，但泥水界面不清晰；

•原因：

高浓度有机废水的流入，使微生物处于对数增长期；污泥形成的絮体性能较差；

•对策：

降低负荷；增大回流量以提高曝气池中的MLSS，降低F/M值。

5、污泥膨胀（SludgeBulking）

•丝状菌性污泥膨胀；

•非丝状菌污泥膨胀

1.丝状菌性污泥膨胀

•定义：

由于活性污泥絮体中丝状菌过度繁殖而导致的污泥膨胀；

•主要菌种：

球衣菌属、贝氏硫细菌、霉菌以及正常活性污泥中的某些丝状菌如芽孢杆菌属等；

•原因：

——污泥膨胀理论

•对策：

①临时控制措施：

②工艺运行调节措施：

③永久性控制措施：

1.丝状菌性污泥膨胀

污泥膨胀理论：

（1）低F/M比（即低基质浓度）引起的营养缺乏型膨胀；

——污泥膨胀的选择性理论

（2）低溶解氧浓度引起的溶解氧缺乏型膨胀；

（3）高H2S浓度引起的硫细菌型膨胀。

污泥膨胀的“选择性理论”

认为活性污泥中主要存在着两大类群的细菌：

——菌胶团细菌和丝状细菌

①临时控制措施：

•污泥助沉法：

①改善絮凝性，投加絮凝剂如：

硫酸铝等；

②改善沉降性和密实性，投加粘土、消石灰等；

•灭菌法：

①投加杀菌剂如氯、臭氧、过氧化氢等杀灭丝状菌；

②投加硫酸铜等杀灭球衣菌。

谨慎使用

②运行调节措施

•加强曝气

①加强曝气，提高混合液的DO值；

②使污泥常处于好氧状态，防止污泥腐化，加强预曝气或再生性曝气；

•调节运行条件：

①调节进水pH值；

②调整混合液中的营养配比；

③适当调节污泥负荷。

③工艺控制措施

•原理：

对现有设施进行改造，或采用新的设计思路，从工艺运行上确保污泥膨胀较少发生；

•增设生物选择器：

•定义：

增加一个反应池，通过工艺设计造成其中中的生态环境有利于选择性地发展菌胶团细菌，应用生物竞争机制抑制丝状菌增殖，从而达到控制污泥膨胀的目的；

•对象：

低基质浓度引起的营养缺乏型污泥膨胀

生物选择器

（1）好氧选择器：

在曝气池之前增加一个预曝气池，使回流污泥与进水充分混合，其停留时间（5~30min，多为20min）的选择非常重要；

（2）缺氧选择器：

——高的基质浓度；

——在缺氧条件下（有NO3-），菌胶团细菌具有高的基质利用率和硝酸盐还原速率；

（3）厌氧选择器：

——在厌氧条件下，菌胶团细菌具有较高的聚合磷酸盐的释放速率。

2.非丝状