92第四章 污水的生物处理(一)

1第四章污水的生物处理〈一〉—活性污泥法•好氧生物处理•活性污泥法：使微生物群体“聚居”在活性污泥上，且是悬浮状，在曝气池内降解有机物。——水体自净的人工强化。•生物膜法：在载体上形成生物膜，在池内与污水接触而降解有机物。——土壤自净的人工强化。•厌氧生物处理活性污泥消化高浓度有机废水§4．1．活性污泥法的基本原理4．1．1．活性污泥的基本概念与流程1．产生：从间歇式发展到连续式2．基本工艺流程：图4-1混合液：污水、回流污泥、空气互相混合的液体3．活性污泥法特征•曝气池是一个生物化学反应器•曝气池内混合是一个三相混合系统：液相—固相—气相；混合=污水+活性污泥+空气•传质过程：气象中O2→液相中的溶解氧DO→进入微生物体内（固相）液相中的有机物→被微生物（固相）所吸收降解→降解产物返回空气相（CO2）和液相（H2O）•物质转化过程：有机物降解→活性污泥增长4．1．2．活性污泥的形态与活性污泥微生物1．活性污泥的形态•活性污泥（生物絮凝体）为黄褐色絮凝体颗粒：•Φ=0.02～0.2mm•表面积：20～100cm2/mL(2000～10000)m2/m3污泥•%1%99固体物质：以上含水率：•无机物（由原污水带入的）（15～25%）（Mii）•有机物（75～85%）•栖息在活性污泥上的微生物群体（Ma）•好氧细菌（异养型原核细菌）2•真菌、放线菌、酵母菌•原生动物•后生动物•难降解的有机物（Mi）：含菌体自身氧化的残留物（Me）2．活性污泥微生物及其在活性污泥反应中的作用2．1活性污泥微生物的分类（Ma）•异养型原核细菌：107～108个/mL•动胶杆菌属•假单胞菌属：在含糖类、烃类污水中占优势•产碱杆菌属：在含蛋白质多的污水中占优势•黄杆菌属•大肠埃希式杆菌特征：G=20～30min结合成菌胶团的絮凝体状团粒•真菌：微小的腐生或寄生丝状菌•原生动物：肉是虫鞭毛虫，纤毛虫等。通过辨认原生物的种类，能够判断处理水质的优劣，它是一种指示性生物。原生物摄食水中的游离细菌，是细菌的首次捕食者。•后生动物：主要是轮虫，它在活性污泥中的不经常出现，轮虫的出现是水性稳定的标志。后生动物是细菌的第二捕食者。2．2活性污泥微生物在活性污泥中反应中的作用：•细菌是活性污泥法中污水净化的第一承担者，也是主要承担者。•原生动物是活性污泥法中外上污水净化的第二承担者，它摄食游离细菌，是细菌的首次捕食者•后生动物是细菌的第二捕食者•活性污泥组成：M=X=Ma+Me+Mi+Mii•Ma—具有代谢功能的活性微生物群体•Me—微生物自身氧化的残留物•Mi—活性污泥吸附的污水中不能降解惰性有机物•Mii—活性污泥吸俯污水中的无机物∴活性污泥M=X=Ma+Me+Mi+Mii挥发性活性污泥Mv+Xv=Ma+Me+Mi3．活性污泥微生物的增殖与活性污泥的增长〈1〉活性污泥微生物增殖曲线（图4-4活性污泥增长曲线以及其和有机污染物降解（BOD）降解，氧利用速度的关系）〈2〉（BOD）——污泥负荷率（N）：[kgBOD5/kgMLSS•d]•定义：单位重量的活性污泥在单位时间内能够接受（承受），并将其降解到预定程度的有机污染量（BOD）3•XVQSNFNS0[kgBOD5/kgMLSS•d]式中：F——芸养物或有机底量物M——微生物量NF——食料比，活性污泥的能量。Q——污水流量：m3/d0S——原污水有机底物（BOD5）浓度V、X——同上NFNS食料比控制着活性污泥微生物的增殖期〈3〉活性污泥微生物的增殖阶段•适应期（延迟期或调整期）：是微生物的细胞内各种酶系统对环境的适应过程•对数增殖期（等速增殖期）•2.2MF，tKeMaMatMaSKdtdMa1001•营养物过剩，Maxdtds，MaxdtdMa•活性污泥能量水平很高，活性污泥处于松散状态•减速增殖期（减速增长期、私定期、平衡期）•2.21.0MF，MaSKdtdMa2•营养物不过剩，它已成为微生物生长的限制因素•活性污泥水平的能量低下，污泥絮凝。•内源性吸期（衰亡期）•1.0MF，MaKdtdMa3•营养物缺乏，为了获得能量维持生命，分解代谢自身的能量物质，开始衰亡。同时内酶分解细胞壁，使污泥量减少•后来芸氧物几乎被耗尽，能量水平极低，微生物活动能力非常低，絮凝体形成速率增大，处理水显著澄清，水质良好。4．生物絮凝体活性污泥絮凝体的形成•生物絮凝体——菌胶团•生物絮凝体的形成与凝聚沉淀主要取决于活性污泥的能量水平•NS高，能量水平高，处于对数增殖期，细菌处于“壮龄”阶段，其动能大于范德华引力，污泥不易絮凝污泥松散4•Ns低，能量水平低，细菌处于减衰增殖后段或内源性呼吸期，处于“老龄”阶段，动能小于范得华引力，污泥易于絮凝污泥沉降性好•活性污泥中的某些微生物（如枝状动胶杆菌，酵母菌、原生动物）分泌出粘性的胶体物质，使细菌互相连接形成胶团菌，并对微小颗粒及可溶性有机物也具有一定的连接性能促进生物凝絮体的形成。4．1．3．活性污泥净化反应过程——结果是有机物得到降解，活性污泥得到增长。1．初期吸附去除（物理吸附和生物吸附）•活性污泥巨大的表面积（2000～10000m2/m3活性污泥）其表面为多糖类的粘质层，污水中悬浮和胶体状态的有机物被其凝聚和吸收而得到去除。在30min内能去除70%•处于饥饿状态的内源呼吸期的微生物其活性最强，吸附能力也强•初期吸附去除的过程BOD最佳吸附时间图4-22Smith史密斯实验曝气时间2．微生物的代谢进行代谢反应内透过细胞壁进入细胞体小分子大分子内透过细胞壁进入细胞体小分子各种内酶透膜酶催化作用胞外酶（水解酶）透膜酶催化作用〈1〉氧化分解HOHyXCOOZyXOHCzyx2222)24(酶（4－1）〈2〉合成代谢（合成新细胞）HOHynCOXnNOHCOZyXnnNHOHnCnzyx2227523)4(2)5()()524(式微生物细胞组织的化学酶（4－2）〈3〉内源代谢5HnNHOnHnCOONOHCn3222275255)(酶（4－3）合成细胞物质CHNO代谢产物HOCONH合成代谢5污水中有机污染物CHOxyz微生物↓+O2分解代谢2+内源呼吸产物HOCONH内源呼吸残留物内源呼吸↓+O722223+能量23能量图4-5微生物对有机物的分解代谢及合成代谢及其产物的模式图图4-6微生物三项代谢活动之间的数量关系（麦金尼提出）合成氧化可降解有机物2/31/3内源代谢20%残留物质新细胞物质无机物＋能量80%无机物＋能量3．絮凝体的形成与凝聚沉淀•絮凝体的形成与凝聚沉淀主要取决于NS（BOD—污泥负荷率）•衡量活性污泥沉淀性能好坏的指标——SVI（污泥指数）•SVI=70～100其活性污泥凝聚沉淀性能很好•SVI值过低，活性污泥颗粒细小，无机物含量高，缺乏活性。•SVI值过高，沉淀性能不好，可能产生污泥膨胀。•影响SVI值的主要因素•NS的影响：见图4-7•丝状菌的大量繁殖，引起污泥膨胀，SVI值↑影响丝状菌大量繁殖的因素：•DO不足•NS大•PH≤4.5•缺乏N、P、Fe•T水太高6图4-7BOD-污泥负荷率与SVI值之间的关系BOD负荷（kgBOD/kgMLSS·d）SVI（ml/g）2.501002.03002004005001.01.50.50低负荷高负荷0.050.1一般负荷0.250.5§4．2．活性净化反应影响因素于主要设计运行参数4．2．1．活性净化反应影响因素1．营养物质：碳源、氮源、无机盐类、某些生长素•碳源：组成生物细胞的主要物质，对碳源的需求量较大，一般BOD5≥100mg/L•氮源：组成细胞的重要元素，其需要按BOD：N=100：5考虑•盐类：必不可少•主要的无机盐类P：按BOD5：N：P=100：5：1考虑，它是微生物需要量最多的无机元素，约占全部无机盐元素的50%还有K、Ca、Fe、S无机元素•微量无机元素对于生活污水，BOD5：N：P的比值为100：5：1，但经沉淀池处理后，其BOD5：N：P=100：20：252．BOD——污泥负荷NS沉淀性能变差有机物降解数率污泥增长数率曝气池SeVNS沉淀性能变好有机物降解数率污泥增长数率曝气池SeVNSSN～SVI的关系（图4-7）细胞分子式：简式：C5H7NO2复杂式：C68H87O17N12P%3.2137431:%3.1213741214:PN73．DO•曝气池在稳定运行时，微生物的耗氧速率（Rr需氧速率）＝曝气器的供氧速率时dtdc，其池中的溶解氧DO不变。•曝气池中DO浓度大小将取决于：•生物絮体的大小：要求生物絮体大，则要求DO浓度高，DO才能扩散转移到生物絮体内部,反之则不能。对此要求DO浓度为2mg/L左右为好。•考虑冲击负荷与中毒的影响，以便于操作以了解供氧量的变化冲击负荷DO突然↓急性中毒DO突然↑慢性中毒DO逐渐增加4．水温：15～35℃之间20～30℃，效果好，活动旺盛，stds＜15℃，＞35℃，效果↓，活动弱，stds＜5℃，＞45℃，效果很差，0dtds5．pH值最佳的pH值为6.5～8.5当pH＜6.5，丝状菌繁殖，pH＜4.5，丝状菌占优势当pH＞9.0，代谢速率↓6．有毒物质主要是重金属，H2S、CN－、酚等，当超过一定浓度时，就破坏细胞结构，抑制代谢。4．2．2．活性污泥处理系统的控制指标与设计、运行操作参数一、表示混合液中活性污泥数量的指标（曝气池）1．MLSS浓度——混合液悬浮固体浓度〈混合液污泥浓度〉：mg/L混合液；g/L混合液；g/m3混合液；kg/m3混合液MLSS＝M=X=Ma+Me+Mi+Mii2．MLVSS浓度——混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS＝MV=XV=Ma+Me+MiXXvMLSSMLVSSf，对于生活污水：f＝0.75±；对于城市污水，f＝0.75±。二、表示活性污泥的沉降性能及评定指标（二沉池）1．SV——污泥沉降比，又叫30min污泥沉降率％原混合液体积后形成沉淀污泥容积100min30SV•SV反应了曝气池正常运行的污泥量，可用于控制剩余污泥排放量，同时通过它能及早发现污泥膨胀等异常现象的发生。82．SVI——污泥容积指数（污泥指数）•曝气池出口处的混合液经30min静沉后，每g干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积—mL/g)/)/mL1min301LgMLSSLLSVgmLLSVI（（＝）（混合液中悬浮固体干重）容积（静沉后形成的活性污泥混合液经上例中：)/(100)/(3)/(300gmLLgLmLSVI•SVI在习惯上只称数字，而把单位略去•SVI值能够反映活性污泥的凝聚、沉降性能•SVI～NS之间的关系（图4-7）•要维持曝气池一定的MLSS（如3000mg/L）的情况下，SVI值越高，则要求的污泥回流比R就越大，但当SVI值高达400mL/g时，则难于用提高R来维持曝气池一定的MLSS浓度。0.6图4-8SVI值、MLSS及污泥回流比R三者之间的关系混合液悬浮物浓度（MLSS）（mg/L）0.42000010000.240003000SVI=50SVI=100SVI=3002.01.60.81.2污泥回流比RQ/QSVI=4001.41.01.8SVI=200SVI=1503．θC——污泥龄（生物固体平均停留时间）V、Se、XQSe回流污泥RQ、Se、Xr曝气池(Q-Qw)Se、XeQw、Xr剩余污泥二沉池处理水图4-13完全混合活性污泥系统的物料平衡9•系统中每日增长的活性污泥量应等于每日排出的剩余污泥量（ΔX）XeQwQQwXrX)(（4－7）•θC的定义式)(dXVXC（4－8）式中：VX——曝气池内活性污泥总量X——每日排放污泥量∴即活性污泥在曝气池内的平均停留时间——生物固体平均停留时间。•将X（4-7）式