第十四章污水的好氧生物处理

第十四章污水的好氧生物处理（二）----活性污泥法河北工业大学郭振华绪论1912年英国的克拉克(Clark)和盖奇(Gage)发现，对污水长时间曝气会产生污泥，同时水质会得到明显的改善。继而阿尔敦(Arden)和洛开脱(Lockett)对这一现象进行了研究。曝气试验是在瓶中进行的，每天试验结束时把瓶子倒空，第二天重新开始，他们偶然发现，由于瓶子清洗不完善，瓶壁附着污泥时，处理效果反而好。由于认识了瓶壁留下污泥的重要性，他们把它称为活性污泥。随后，他们在每天结束试验前，把曝气后的污水静止沉淀，只倒去上层净化清水，留下瓶底的污泥，供第二天使用，这样大大缩短了污水处理的时间。这个试验的工艺化便是于1916年建成的第一个活性污泥法污水处理厂。活性污泥法是处理城市污水最广泛使用的方法。它能从污水中去除溶解的和胶体的可生物降解有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质。无机盐类(磷和氮的化合物)也能部分地被去除。活性污泥法既适用于大流量的污水处理，也适用于小流量的污水处理。运行方式灵活，日常运行费用较低，但管理要求较高。活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。第一节基本概念一、活性污泥和活性污泥法有机废水经过一段时间的暴气后，水中会产生一中以好氧菌为主体的茶褐色絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮体就是活性污泥。活性污泥是以细菌，原生动物和后生动物所组成的活性微生物为主体，此外还有一些无机物，未被微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物。活性污泥结构疏松，表面嫉恨大，对有机物有着强烈的吸附凝聚和氧化分解能力。在条件适当的时候，活性污泥还具有良好的自身凝聚和沉降性能，大部分絮凝体在0.02-0.2mm范围内。从废水处理角度来看，这些特点都是十分可贵的。活性污泥法就是以含于废水中的有机污染物为培养基，在有溶解氧的条件下，连续地培养活性污泥，在利用其吸附凝聚和氧化分解作用净化废水中有机污染物。由污水、回流污泥和空气相互混合形成液体，成为混合液。活性污泥法净化废水的能力强，效率高，占地面积小，臭味轻微，当产生剩余污泥量大，对水质水量的变化比较敏感，缓冲能力强。二、活性污泥法的基本流程活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥排除系统所组成，见图14-1活性污泥法的基本流程。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。曝气池是一个生物反应器，通过曝气设备充入空气，空气中的氧溶入污水使活性污泥混合液产生好氧代谢反应。曝气设备不仅传递氧气进入混合液，且使混台液得到足够的搅拌而呈悬浮状态。这样，污水中的有机物、氧气同微生物能充分接触和反应。随后混合液流人沉淀池，混合液中的悬浮固体在沉淀池中沉下来和水分离。流出沉淀池的就是净化水。沉淀池中的污泥大部分回流，称为回流污泥。回流污泥的目的是使曝气池内保持一定的悬浮固体浓度，也就是保持一定的微生物浓度。曝气池中的生化反应引起了微生物的增殖，增殖的微生物通常从沉淀池中排除，以维持活性污泥系统的稳定运行。这部分污泥叫剩余污泥。剩余污泥中含有大量的微生物，排放环境前应进行处理，防止污染环境。从上述流程可以看出，污泥除了有氧化和分解有机物的能力外，还要有良好的凝聚和沉淀性能，以使活性污泥能从混合液中分离出来，得到澄清的出水。活性污泥中的细菌是一个棍合群体，常以菌胶团的形式存在，游离状态的较少。菌胶团是由细菌分泌的多糖类物质将细菌包覆成的粘性团块，使细菌具有抵御外界不利因素的性能。菌胶团是活性污泥絮凝体的主要组成部分。游离状态的细菌不易沉淀，而混合液中的原生动物可以捕食这些游离细菌，这样沉淀池的出水就会更清彻，因而原生动物有利于出水水质的提高。三、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，吸附阶段和稳定阶段。在吸附阶段，主要是污水中的有机物转移到活性污泥上去，这是由于活性污泥具有巨大的表面积，而裹面上含有多糖类的粘性物质所致。在稳定阶段，主要是转移到活性污泥上的有机物为微生物所利用。当污水中的有机物处于悬浮状态和胶态时，吸附阶段很短，一般在15-45min左右，而稳定阶段较长。实验：把某厂的污水同活性污泥混合，曝气，每隔一定的时间取样，用离心机分离污水，测其耗氧量(替代BOD5测定)，并观察耗氧量的下降过程。图14-2是莱次实验的结果。这次实验中，混合液内活性污泥浓度(即混合液的悬浮固体，符号MLSS)为2500mg/L，污水的初始耗氧量为120mg／L，图中曲线1是污水耗氧量的残留量曲线，曲线2是耗氧量的去除率曲线，去除率下降量与初始量的百分比。从图中可以看出，随着曝气过程的推进，曲线1的斜率迅速降低，这表明污水耗氧量的下降速率很快；同时从曲线2上可以看出，在40min内去除了69％的耗氧量，到2小时后也只去除了76％，即后面的80min去除7％。上述实验的开始阶段有机物下降得这么快，从污水去除的有机物是不是都被活性污泥中的微生物氧化分解了呢?不是，被微生物吸附表面，因吸附时间短。在好氧微生物的活动下，有机物先是被氧化分解为中间产物，接着有些中间产物合成为细胞物质，另一些中间产物氧化为无机的最终产物。在此过程中，微生物消耗水中的溶解氧，溶解氧的消耗就是通常所说的生化需氧量。概括分析如下：结论：从上述分析可见，在活性污泥的曝气过程中，废水中有机物的变化包括两个阶段：吸附阶段和稳定阶段。在吸附阶段，主要是废水中的有机物转移到活性污泥上去；在稳定阶段，主要是转移到活性污泥上去的有机物为微生物所利用。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。第二节气体传递原理和曝气池活性污泥法有三个基本要素：①引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥；②废水中的有机物，它是处理对象，也是微生物的食料；③溶解氧，没有充足的溶解氧，好氧微生物既不能生存也不能发挥氧化分解作用。作为一个有效的处理工艺，还必须使微生物，有机物和氧充分接触，才能相互作用。因而在充氧的同时，必须使混合液悬浮固体处于悬浮状态。充氧和混合是通过曝气设备来实现。曝气的好坏决定了活性污泥法的能耗和处理的效果。要达到好的效果，曝气设备的选择还必须和曝气池的构造相配合。一、气体传递原理活性污泥法是采取人工措施，创造适宜条件，强化活性污泥微生物的新陈代谢功能，加速污水中有机污染物降解的污水生物处理技术。对此，重要的人工措施之一是向活性污泥反应器——曝气池中的混合液提供足够的溶解氧和使混合液中的活性污泥与污水充分接触，这两项任务是通过曝气这一手段实现的。现在通行的曝气法有：鼓风曝气、机械曝气和两者联合的鼓风—机械曝气。1.菲克（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，这既是一个传质过程，也是一个榔质扩散过程。扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差。物质的分子从浓度较高的侧向着较低的一侧扩散、转移。扩散过程的基本规律可以用菲克(Fick)定律加以概括，即（14-1）Vd--物质的扩散速度，在单位时间内单位断面上通过的物质数量；DL--扩散系数，表示物质在某种介质中的扩散能力，主要决定于扩散物质和介质的特性及温度；2.双膜理论1924年路易斯（Lewis)和怀特曼(Whitman)提出双膜理论，基本点：(1)在气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态的气膜和液膜，在其外侧则分别为气相主体和液相主体，两个主体均处于紊流状态。(2)由于气、液两相的主体均处于紊流状态，其中物质浓度基本上是均匀的，不存在浓度差，也不存在传质阻力，气体分子从气体主体传递到液相主体，阻力仅存在于气、液两层层流膜中。(3)在气膜中存在着氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，它们是氧转移的推动力。(4)氧难溶于水，因此，氧转移决定性的阻力又集中在液膜上，因此，氧分子通过液膜是氧转移过程的控制步骤，通过液膜的转移速度是氧转移过程的控制速度。二、曝气设备曝气设备主要分为鼓风曝气和机械曝气。1．鼓风曝气①选择：鼓风曝气用鼓风机供应压缩空气，常用罗茨鼓风机和离心式鼓风机。罗茨鼓风机适用于中小型污水厂，但噪声大，必须采取消音、隔音措施；离心式鼓风机噪声小，且效率高，适用于大中型污水厂，但国内产品规格还不多。②组成：由空气净化器，鼓风机，空气输配管系统和浸没于混合液中的扩散器组成。③风量满足的条件：1）满足生化反应所需的氧量和能保持混合液悬浮固体呈悬浮状态；2）满足克服管道系统和扩散器的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压；3）空气净化器的目的是改善整个曝气系统的运行状态和防止扩散器阻塞。④扩散器：作用是将空气分散成空气泡，增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。扩散器的类型：1）小气泡扩散器典型的是由微孔材料(陶瓷、砂砾，塑料)制成的扩散板或扩散管。气泡直径可达1.5mm以下。2)中气泡扩散器常用穿孔管和莎纶管。穿孔管的孔眼直径为2-3mm，孔口的气体流速不小于10m/s，以防堵塞。国外用莎纶管。莎纶是一种合成纤维。莎纶管以多孔金属管为骨架，管外缠绕莎纶绳。金属管上开了许多小孔，压缩空气从小孔逸出后，从绳缝中以气泡的形式挤入混合液。空气之所以能从绳缝中挤出，是由于莎纶富有弹性。3)大气泡扩散器常用竖管，气泡直径为15mm左右。4)微气泡扩散器新型的扩散器，气泡直径在100μm左右。射流曝气器属于微气泡曝气器，它通过混合液的高速射流，将鼓风机引人的空气切割粉碎为微气泡，使混合液和微气泡充分混合和接触，促进了氧的传递，提高了反应速率。也可设计成负压自吸式的射流器，这样可以省掉鼓风机，避免鼓风机引起的噪声。图14-5是上面几种扩散器的简图。扩散器的气泡愈大，氧的传递速率愈低，然而它的优点是堵塞的可能性小，空气的净化要求也低，养护管理比较方便。微小气泡扩散器由于氧的传递速率高，反应时间短，曝气池的容积可以缩小。扩散器一般布置在曝气池的一侧和池底，以便形成旋流，增加气泡和混合液的接触时间，有利于氧的传递，同时使混合液中的悬浮固体呈悬浮状态。2．机械曝气鼓风曝气是水下曝气，机械曝气则是表面曝气。机械曝气是用安装于曝气池表面的表面曝气机来实现的。表面曝气机分竖式和卧式两类。(1)竖式曝气机这类表曝机的转动轴与水面垂直，装有叶轮，当叶轮转动时，使曝气池表面产生水跃(见图14—6)，把大量的混合液水滴和膜状水抛向空气中，然后挟带空气形成水气混合物回到曝气池中，由于气水接触界面大，从而使空气中的氧很快溶入水中。随着曝气机的不断转动，表面水层不断更新，氧气不断地溶人，同时池底含氧量小的混合液向上环流和表面充氧区发生交换，从而提高了整个曝气池混合液的溶解氧含量。目前有泵型、倒伞型和平面型，见图14-7所示。(2)卧式曝气刷这类曝气机的转动轴与水面平行，主要用于氧化沟。在垂直于转动轴的方向装有不锈钢丝(转刷)或板条，用电机带动，转速在50～70r／min，淹没深度为(1／3～1／4)转刷直径。转动时，钢丝或板条把大量液滴抛向空中，并使液面剧烈波动，促进氧的溶解：同时推动混合液在池内回流，促进溶解氧的扩散。见图14—8。3．曝气设备性能指标曝气设备性能指标：①是氧转移率，单位为mgO2／L·h;②是充氧能力(或动力效率)即每消耗1kw·h动力能传递到水中的氧量(或氧传递速率)，单位为kgO2／kw·h;③是氧利用率，通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧的百分比，单位为％。各类曝气设备除了要满足充氧要求外，还应满足最低的混合强度(常以单位池底面积，单位时间内的曝气量表示)要求：满铺的小气泡扩散器2.2m3／m2·h；旋流的大中气泡扩散器1.2m3／m2·h机械曝气13W／m3三、曝气池池型曝气池实质上是一个反应器，它的池型和所需的反应器的水力特征密切相关。主要分为推流式和完全混合式以及二池结合型三大类。1．推流曝气池(1)平面布置推流曝气池的长宽比一般为5-10。为了便于布置，长池可以两折或多折，污水从一端进，另一端出。进水方式不限；出水都用溢流堰。推流曝气池一般采用鼓风曝气。(2)横断面布置推流曝气池的池宽和有效水深之比一般为1-2。有效水深最小为