第十二章 活性污泥法

第十二章活性污泥法第一节基本概念什么是活性污泥？由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物群体及吸附的污水中有机和无机物质组成的、有一定活力的、具有良好的净化污水功能的絮绒状污泥。活性污泥的性质颜色黄褐色状态似矾花絮绒颗粒味道土腥味相对密度曝气池混合液：1.002～1.003回流污泥：1.004～1.006粒径200～1000μm20～100cm2/mL比表面积微生物组成特征（一）细菌：以异养型原核生物(细菌)为主，数量107～108个/mL，自养菌数量略低。其优势菌种：产碱杆菌属等，它是降解污染物质的主体，具有分解有机物的能力。真菌：由细小的腐生或寄生菌组成，具分解碳水化合物，脂肪、蛋白质的功能，但丝状菌大量增殖会引发污泥膨胀。微生物组成特征（二）原生动物：肉足虫，鞭毛虫和纤毛虫3类，捕食游离细菌。其出现的顺序反映了处理水质的好坏（这里的好坏是指有机物的去除），最初是肉足虫，继之鞭毛虫和游泳型纤毛虫；当处理水质良好时出现固着型纤毛虫，如钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫、盖纤虫等。后生动物(主要指轮虫、线虫、甲壳虫如水骚类），捕食菌胶团和原生动物，是水质稳定的标志。产碱杆菌丝状菌草履虫游泳型纤毛虫钟虫固着型纤毛虫轮虫线虫曝气池曝气池出水堰曝气池混合液配水进入二沉池有办法知道确切的生物量吗？有人曾企图通过直接测定污泥中细胞的DNA量、有机氮量、三磷酸腺苷（ATP）量、脱氢酶的活力等指标去反映活性污泥的活力，这种方法既复杂又不准确，而且微生物的含量不断变化。按McKinney的分析：MLSS=Ma+Me+Mi+Mii式中：Ma——具备活性细胞成分；Me——内源代谢残留的微生物有机体；Mi——未代谢的不可生化的有机悬浮固体；Mii——吸附的无机悬浮固体。按有机性和无机性成分：处理生活污水的活性污泥MLVSS:70%NVSS:30%MLSS表示悬浮固体物质总量，MLVSS挥发性固体成分表示有机物含量，MLNVSS灼烧残量，表示无机物含量。MLVSS包含了微生物量，但不仅是微生物的量，由于测定方便，目前还是近似用于表示微生物的量。污泥沉降比：SV活性污泥的沉降浓缩性能取混合液至1000mL或100mL量筒，静止沉淀30min后，度量沉淀活性污泥的体积，以占混合液体积的比例（%）表示污泥沉降比。通常，曝气池混合液的沉降比正常范围为15％—30%。污泥体积指数：SVISV不能确切表示污泥沉降性能，故人们想起用单位干泥形成湿泥时的体积来表示污泥沉降性能，简称污泥指数，单位为mL/g。）（）（＝）（混合液中悬浮固体干重）的活性污泥体积（混合液沉淀LMLSSLLSVLLLSVI/g/mg1mmin301在一定的污泥量下，SVI反映了活性污泥的凝聚沉淀性。如SVI较高，表示SV值较大、沉淀性较差；如SVI较小，污泥颗粒密实，污泥无机化程度高，沉淀性好。但是，如SVI过低，则污泥矿化程度高，活性及吸附性都较差。通常，当SVI＜100，沉淀性能良好；当SVI=100～200时，沉淀性一般；而当SVI＞200时，沉淀性较差，污泥易膨胀。一般常控制SVI在50～150之间。但根据废水性质不同，这个指标也有差异。如废水溶解性有机物含量高时，正常的SVI值可能较高；相反，废水中含无机性悬浮物较多时，正常有的SVI值可能较低。活性污泥法的基本流程活性污泥降解污水中有机物的过程活性污泥在曝气过程中，对有机物的降解（去除）过程可分为两个阶段：吸附阶段稳定阶段由于活性污泥具有巨大的表面积，而表面上含有多糖类的黏性物质，导致污水中的有机物转移到活性污泥上去。主要是转移到活性污泥上的有机物为微生物所利用。活性污泥降解污水中有机物的过程污水与污泥混合曝气后BOD的变化曲线对活性污泥法曝气过程中污水中有机物的变化分析得到结论：污水中的有机物残留在污水中的有机物从污水中去除的有机物微生物不能利用的有机物微生物能利用的有机物微生物能利用而尚未利用的有机物微生物不能利用的有机物微生物已利用的有机物（氧化和合成）（吸附量）增殖的微生物体氧化产物P105曲线①反映污水中有机物的去除规律；曲线②反映活性污泥利用有机物的规律；曲线③反映了活性污泥吸附有机物的规律。这三条曲线反映出，在曝气过程中：污水中有机物的去除在较短时间(图中是5h左右)内就基本完成了(见曲线①)；污水中的有机物先是转移到(吸附)污泥上(见曲线③),然后逐渐为微生物所利用(见曲线②)；吸附作用在相当短的时间(图中是45min左右)内就基本完成了(见曲线③)；微生物利用有机物的过程比较缓慢(见曲线②)。第二节活性污泥法的发展一、活性污泥法曝气反应池的基本形式推流式（PF）完全混合式封闭环流式序批式•传统活性污泥法•渐减曝气•分步曝气•完全混合法•浅层曝气•深层曝气•高负荷曝气或变形曝气•克劳斯法•延时曝气•接触稳定法•氧化沟•纯氧曝气•活性污泥生物滤池（ABF工艺）•吸附－生物降解工艺（AB法）•序批式活性污泥法（SBR法）二、活性污泥法的发展与演变有机物去除和氨氮硝化在推流式的传统曝气池中，混合液的需氧量在长度方向是逐步下降的。实际情况是：前半段氧远远不够，后半段供氧量超过需要。渐减曝气的目的就是合理地布置扩散器，使布气沿程变化，而总的空气量不变，这样可以提高处理效率。渐减曝气渐减曝气把入流的一部分从池端引入到池的中部分点进水。分步曝气分步曝气示意图完全混合法在分步曝气的基础上，进一步大大增加进水点，同时相应增加回流污泥并使其在曝气池中迅速混合，长条形池子中也能做到完全混合状态。完全混合的概念（1）池液中各个部分的微生物种类和数量基本相同，生活环境也基本相同。（2）入流出现冲击负荷时，池液的组成变化也较小，因为骤然增加的负荷可为全池混合液所分担，而不是像推流中仅仅由部分回流污泥来承担。完全混合池从某种意义上来讲，是一个大的缓冲器和均和池，在工业污水的处理中有一定优点。（3）池液里各个部分的需氧量比较均匀。完全混合法的特征完全混合法浅层曝气特点：气泡形成和破裂瞬间的氧传递速率是最大的。在水的浅层处用大量空气进行曝气，就可以获得较高的氧传递速率。1953年派斯维尔（Pasveer）的研究：氧在10℃静止水中的传递特征，如下图所示。浅层曝气•扩散器的深度以在水面以下0.6～0.8m范围为宜，可以节省动力费用，动力效率可达1.8～2.6kg（O2）/kW·h。•可以用一般的离心鼓风机。•浅层曝气与一般曝气相比，空气量增大，但风压仅为一般曝气的1/4~1/6左右，约10kPa，故电耗略有下降。•曝气池水深一般3～4m，深宽比1.0～1.3，气量比30～40m3/（m3H2O.h）。•浅层池适用于中小型规模的污水厂。•由于布气系统进行维修上的困难，没有得到推广利用。深层曝气深井曝气法处理流程深井曝气池简图•一般曝气池直径约1~6m，水深约10～20m。深井曝气法深度为50～150m，节省了用地面积。•在深井中可利用空气作为动力，促使液流循环。•深井曝气法中，活性污泥经受压力变化较大，实践表明这时微生物的活性和代谢能力并无异常变化，但合成和能量分配有一定的变化，发现CO2比常规增多30%，污泥产量低。•深井曝气池内，气液紊流大，液膜更新快，促使KLa值增大，同时气液接触时间延长，溶解氧的饱和度也由深度的增加而增加。•当井壁腐蚀或受损时，污水可能会通过井壁渗透，污染地下水。深层曝气部分污水厂只需要部分处理，因此产生了高负荷曝气法。曝气池中的MLSS约为300～500mg/L，曝气时间比较短，约为2～3h，处理效率仅约65％左右，有别于传统的活性污泥法，故常称变形曝气。高负荷曝气或变形曝气•克劳斯工程师把厌氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝气，然后再进入曝气池，克服了高碳水化合物的污泥膨胀问题，这个方法称为克劳斯法。•消化池上清液中富有氨氮，可以供应大量碳水化合物代谢所需的氮。•消化池上清液夹带的消化污泥相对密度较大，有改善混合液沉淀性能的功效。克劳斯法延时曝气的特点：•曝气时间很长，达24h甚至更长，MLSS较高，达到3000～6000mg/L；•活性污泥在时间和空间上部分处于内源呼吸状态，剩余污泥少而稳定，无需消化，可直接排放；•适用于污水量很小的场合，近年来，国内小型污水处理系统多有使用。延时曝气接触稳定法混合液曝气过程中第一阶段BOD5的下降是由于吸附作用造成的，对于溶解的有机物，吸附作用不大或没有，因此，把这种方法称为接触稳定法，也叫吸附再生法。混合液的曝气完成了吸附作用，回流污泥的曝气完成稳定作用。•直接用于原污水的处理比用于初沉池的出流处理效果好；可省去初沉池；此方法剩余污泥量增加。接触稳定法•氧化沟是延时曝气法的一种特殊形式，它的池体狭长，池深较浅，在沟槽中设有表面曝气装置。•曝气装置的转动，推动沟内液体迅速流动，具有曝气和搅拌两个作用，沟中混合液流速约为0.3～0.6m/s，使活性污泥呈悬浮状态。氧化沟纯氧代替空气，可以提高生物处理的速度。纯氧曝气池的构造见右图。纯氧曝气纯氧曝气的缺点是纯氧发生器容易出现故障，装置复杂，运转管理较麻烦。在密闭的容器中，溶解氧的饱和度可提高，氧溶解的推动力也随着提高，氧传递速率增加了，因而处理效果好，污泥的沉淀性也好。纯氧曝气并没有改变活性污泥或微生物的性质，但使微生物充分发挥了作用。活性污泥生物滤池（ABF工艺）上图为ABF的流程，在通常的活性污泥过程之前设置一个塔式滤池，它同曝气池可以是串联或并联的。•塔式滤池滤料表面附着很多的活性污泥，因此滤料的材质和构造不同于一般生物滤池。•滤池也可以看作采用表面曝气特殊形式的曝气池，塔是一外置的强烈充氧器。因而ABF可以认为是一种复合式活性污泥法。活性污泥生物滤池（ABF工艺）吸附－生物降解工艺（AB法）•A级以高负荷或超高负荷运行，B级以低负荷运行，A级曝气池停留时间短，30～60min，B级停留时间2～4h。•该系统不设初沉池，A级曝气池是一个开放性的生物系统。A、B两级各自有独立的污泥回流系统，两级的污泥互不相混。•处理效果稳定，具有抗冲击负荷和pH变化的能力。该工艺还可以根据经济实力进行分期建设。吸附－生物降解工艺（AB法）项目段推荐设计参数容积负荷(kgBOD5/(m3d)AB6~10≤0.9污泥负荷(kgBOD5/(kgMLSS•d)AB2~5≤0.3泥龄/dAB0.3~0.515~20曝气时间/hAB0.5~0.752~4沉淀时间/hAB1~22~4BOD5去除率/%AAB45~5590~95AB两段的主要工艺参数对比及推荐取值序批式活性污泥法（SBR法）SBR工艺的基本运行模式由进水、反应、沉淀、出水和闲置五个基本过程组成，从污水流入到闲置结束构成一个周期，在每个周期里上述过程都是在一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行的。(1)工艺系统组成简单，不设二沉池，曝气池兼具二沉池的功能，无污泥回流设备；(2)耐冲击负荷，在一般情况下（包括工业污水处理）无需设置调节池；(3)反应推动力大,易于得到优于连续流系统的出水水质；(4)运行操作灵活，通过适当调节各单元操作的状态可达到脱氮除磷的效果；(5)污泥沉淀性能好,SVI值较低,能有效地防止丝状菌膨胀；(6)该工艺的各操作阶段及各项运行指标可通过计算机加以控制，便于自控运行，易于维护管理。序批式活性污泥法（SBR法）SBR工艺与连续流活性污泥工艺相比的优点(1)容积利用率低；(2)水头损失大；(3)出水不连续；(4)峰值需氧量高；(5)设备利用率低；(6)运行控制复杂；(7)不适用于大水量。序批式活性污泥法（SBR法）SBR工艺的缺点第三节活性污泥法数学模型基础活性污泥法动力学模型劳伦斯（Lawronce）和麦卡蒂(McCarty)模型Eckenfelder模型麦金尼(McKinney)模型底物降解速率与底物浓度、生物量等因素之间的关系微生物增殖速率与底物浓度、生物量等因素之间的关系一、建立模型的假设（1）曝气池处于完全混合状态（2）进水中微生物可忽略（3）全部可生物降解的底物处于完全溶解状态（4）系统处于稳定状态（5）二沉池中没有微生物活动（6）二沉池