精品活性污泥法水处理教案清华大学精品课程.docx
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精品活性污泥法水处理教案清华大学精品课程
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第三章废水好氧生物处理工艺
（1）——活性污泥法
第一节活性污泥法的基本原理
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：
20100cm2ml。
②生化性能：
1）活性污泥的含水率：
99.299.8%；
固体物质的组成：
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：
mglgm3
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，MLVSSMLSS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mlg。
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50150mlg；
三、活性污泥的增殖规律及其应用
活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的必然结果，而微生物增殖的结果则是活性污泥的增长。
1、活性污泥的增殖曲线
注意：
1）间歇静态培养；2）底物是一次投加；3）图中同时还表示了有机底物降解和氧的消耗曲线。
①适应期：
是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机物污染物的种类等的一个短暂的适应过程；经过适应期后，微生物从数量上可能没有增殖，但发生了一些质的变化：
a.菌体体积有所增大；b.酶系统也已做了相应调整；c.产生了一些适应新环境的变异；等等。
BOD5、COD等各项污染指标可能并无较大变化。
②对数增长期：
FM值高（2.2），所以有机底物非常丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应，它仅由微生物本身所特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身的生理机能的限制；微生物以最高速率对有机物进行摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞；此时的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活动能力很强，导致污泥质地松散，不能形成较好的絮凝体，污泥的沉淀性能不佳；活性污泥的代谢速率极高，需氧量大；一般不采用此阶段作为运行工况，但也有采用的，如高负荷活性污泥法。
③减速增长期：
FM值下降到一定水平后，有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比，为一级反应；有机底物的降解速率也开始下降；微生物的增殖速率在逐渐下降，直至在本期的最后阶段下降为零，但微生物的量还在增长；活性污泥的能量水平已下降，絮凝体开始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；由于残存的有机物浓度较低，出水水质有较大改善，并且整个系统运行稳定；一般来说，大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在这一范围内的。
④内源呼吸期：
内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，因此从整体上来说，活性污泥的量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残留物，而这些物质多是难于降解的细胞壁等；污泥的无机化程度较高，沉降性能良好，但凝聚性较差；有机物基本消耗殆尽，处理水质良好；一般不用这一阶段作为运行工况，但也有采用，如延时曝气法。
2、活性污泥增殖规律的应用：
①活性污泥的增殖状况，主要是由FM值所控制；
②处于不同增值期的活性污泥，其性能不同，出水水质也不同；
③通过调整FM值，可以调控曝气池的运行工况，达到不同的出水水质和不同性质的活性污泥；
④活性污泥法的运行方式不同，其在增值曲线上所处位置也不同。
3、有机物降解与微生物增殖：
活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化（内源呼吸）两项作用的综合结果，
活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量为:
;
式中:
每日污泥增长量（）,；；
——每日处理废水量（）；
；
——进水浓度（或）；
——出水浓度（或）。
a,b——经验值：
对于生活污水活与之性质相近的工业废水，，；
——或试验值：
通过试验获得。
4、有机物降解与需氧量：
活性污泥中的微生物在进行代谢活动时需要氧的供应，氧的主要作用有：
①将一部分有机物氧化分解；②对自身细胞的一部分物质进行自身氧化。
因此，活性污泥法中的需氧量:
式中：
——曝气池混合液的需氧量，；
——代谢每所需的氧量，；
——每每天进行自身氧化所需的氧量，。
二者的取值同样可以根据经验或试验来获得。
5、活性污泥净化废水的实际过程：
在活性污泥处理系统中，有机污染物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：
①初期吸附；②微生物代谢；③活性污泥的凝聚、沉淀与浓缩。
所谓“初期吸附”是指:
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（1030min）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。
但这并不是真正的降解，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。
活性污泥吸附能力的大小与很多因素有关：
①废水的性质、特性：
对于含有较高浓度呈悬浮或胶体状有机污染物的废水，具有较好的效果；
②活性污泥的状态：
在吸附饱和后应给以充分的再生曝气，使其吸附功能得到恢复和增强，一般应使活性污泥微生物进入内源代谢期。
四、活性污泥法的基本工艺参数
1、容积负荷（VolumetricOrganicLoadingRate）：
;
2、污泥负荷（SludgeOrganicLoadingRate）：
;
3、水力停留时间（HydraulicRetentionTime）：
（Time）：
（
可以通过假定Se=SI并代入
则有：
一般，，所以，
⑥对方程式的推论
已有：
因，所以，
活性污泥处理系统一般为低基质浓度，即,所以，，其中
又：
，
所以：
在稳态下，
所以：
三、动力学参数的测定
动力学参数、、、是模式的重要组成部分，一般是通过实验来确定的。
①、的确定：
将下式：
取倒数，得：
式中所以
取不同的值，即可计算出值，绘制关系图，
图中直线的斜率为值，截距为值。
②、值的确定
已知以及
取不同的值，并由此可以得出不同的值，代入上式，可得出一系列值。
绘制的关系图，图中直线的斜率为值，截距为值。
第四节曝气的原理、方法与设备
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）；
②求要求的风压（风机出口风压）：
根据管路系统的沿程阻力、局部阻力、静水压力再加上一定的余量，得到所要求的最小风压。
③根据风量与风压选择合适的风机。
2、机械曝气系统：
①充氧能力R0的计算：
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