1、污水的生物处理一活性污泥法第四章 污水的生物处理（一）活性污泥法 教学要求1) 掌握活性污泥法的基本原理及其反应机理； 2) 理解活性污泥法的重要概念与指标参数：如活性污泥、剩余污泥、MLSS、MLVSS、SV、SVI、c、容积负荷、污泥产率等；3) 理解活性污泥反应动力学基础及其应用；4) 掌握活性污泥的工艺技术或运行方式；5) 掌握曝气理论；6) 熟练掌握活性污泥系统的计算与设计。第一节 活性污泥法的基本原理一、活性污泥处理法的基本概念与流程活性污泥：是由多种好氧微生物、某些兼性或厌氧微生物以及废水中的固体物质、胶体等交织在一起的呈黄褐色絮体。活性污泥法：是以活性污泥为主体的污水生物处理技
2、术。实质：人工强化下微生物的新陈代谢(包括分解和合成)，活性污泥法的工艺流程：1) 预处理设施：包括初次池、调节池和水解酸化池，主要作用是去除SS、调节水质，使有机氮和有机磷变成NH+4或正磷酸盐、大分子变成小分子，同时去除部分有机物。2) 曝气池：工艺主体，其通过充氧、搅拌、混合、传质实现有机物的降解和硝化反应、反硝化反应。3) 二次沉淀池：泥水分离，澄清净化、初步浓缩活性污泥。生物处理系统：微生物或活性污泥降解有机物，使污水净化，但同时增殖。为控制反应器微生物总量与活性，需要回流部分活性污泥，排出部分剩余污泥；回流污泥是为了接种，排放剩余污泥是为了维持活性污泥系统的稳定或MLSS恒定。二、
3、活性污泥的形态和活性污泥微生物1 活性污泥形态（1）特征1) 形态：在显微镜下呈不规则椭圆状，在水中呈“絮状”。2) 颜色：正常呈黄褐色，但会随进水颜色、曝气程度而变（如发黑为曝气不足，发黄为曝气过度）。3) 理化性质：=1.0021.006，含水率99%，直径大小0.020.2mm，表面积20100cm2/mL，pH值约6.7，有较强的缓冲能力。其固相组分主要为有机物，约占7585%。4) 生物特性：具有一定的沉降性能和生物活性。（理解：自我繁殖、生物吸附与生物氧化）。（2）组成由微生物群体Ma，微生物残体Me，难降解有机物Mi，无机物Mii四部分组成。 2 微生物组成及其作用1) 细菌：以
4、异养型原核生物(细菌)为主，数量107108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。2) 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。3) 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。4) 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。 5) 后生动物(主要指轮虫）：捕食菌胶团和原生动物，是水质稳定的标志。因而利用镜检生物相评价活性污泥质
5、量与污水处理的质量。3 微生物增殖与活性污泥的增长（1）微生物增值：在污水处理系统或曝气池内微生物的增殖规律与纯菌种的增殖规律相同，即停滞期（适应期），对数期，静止期（也减速增殖期）和衰亡期（内源呼吸期）。（2）从时间上看1) 停滞期：污泥驯化培养的最初阶段，即细胞内各种酶系统的适应期。此时菌体不裂殖、菌数不增加。2) 对数期：细胞以最快速度进行裂殖，细菌生长速度最大，此时微生物的营养物质丰富，生物生长繁殖不受底物或基质限制。如A段；在此阶段微生物增长的对数值与时间呈直线关系。其微生物数量大，但个体小，其净化速度快，但效果较差，只能用于前段处理 （相当于生物一级强化工艺）。3) 减速增殖期：由
6、于营养物质被大量耗消，此时细胞增殖速度与死亡速度相当。活菌数量多且超于稳定，个体趋于成熟。如B段（相当于二级处理）。4) 衰亡期：营养物基本耗尽，微生物只能利用菌体内贮存物质，大多数细胞出现自溶现象，细菌死亡多，增殖少，但细胞个体最大、净化效果强（对有机物而言）。同时，自养菌比例上升，硝化作用加强。如氧化沟或硝化段（相当于二级半或延时曝气工艺）。 可见不同增殖期对应于不同微生物组合，对应于不同生物处理工艺。（3）从空间看： 由前至后污染物浓度不断降低，微生物数量由对数期逐步过渡至衰亡期，微生物组成由细菌逐步过度为轮虫等，水质逐步变好类似于水体自净这一污水处理的原型。4 絮体形成活性污泥的核心菌
7、胶团，它是成千上万细菌相互粘附形成的生物絮体。其在对数增长期，个体处于旺盛生长，其运动活性大于范德华力，菌体不能结合；但到了衰亡期，动能低微，范德华力大，菌体相互粘附，形成生物絮体，因此静止期与衰亡期个体是活性污泥的重要微生物。三、活性污泥净化反应过程1 初期吸附去除污水与活性污泥接触510min，污水中大部分有机物(70%以上的BOD，75%以上COD)迅速被去除。此时的去除并非降解，而是被污泥吸附，粘着在生物絮体的表面，这种由物理吸附和生物吸附交织在一起的初期高速去除现象叫初期吸附。吸附速度取决于：1 微生物的活性程度饥饿程度，衰亡期最强；2 水动力学条件：泥水接触或混合越迅速、越均匀、液
8、膜更新越快，接触时间越长则越好；泥水接触水力学状态以湍流或紊流为好，但过大会击碎絮体。2 微生物的代射被吸附的有机物粘附在絮体表面，与微生物细胞接触，在渗透膜的作用下，进入细胞体内，并在酶的作用下或者被降解，或者被同化成细胞本身。a、分解代谢：CXHYOZ(X0.25Y0.5Z）O2XCO20.5H2OQb、合成代谢：nCXHYOZnNH3n(X0.25Y0.5Z)O2(C5H7NO2 )nn(X5)CO20.5n(Y4)H2O其代谢产物的模式如下图：具体代谢产物的数量关系如下图：即1/3被氧化分解，802/3=53%左右通过内源呼吸降解，14%左右变成了残物。从上述结果可以看出，污染物的降解
9、主要是通过静止期、衰亡期微生物的内源呼吸进行，并非直接的生物氧化(仅33)。第二节 活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数 一、影响因素1 营养物组分有机物、N、P、以及Na、K、Ca、Mg、Fe、Co、Ni等（营养物和污染物只是以数量及其比例相对而言）。 比例：进水BOD：N：P100:5:1；初次池出水，100:20:2.5 (为什么？）；对工业废水，上述营养比例一般不满足，甚至缺乏某些微量元素，此时需补充相应组分，尤其是在做小试研究中。2 DO据研究当DO高于0.10.3mg/L时，单个悬浮细菌的好氧化谢不受DO影响，但对成千上万个细菌粘结而成的絮体，要使其内部DO达到0.10.3
10、mg/L时，其混合液中DO浓度应保持不低于2mg/L。3 pH值pH值在6.57.5最适宜，经驯化后，以6.58.5为宜。4 t（水温）以2030为宜，超过35或低于10时，处理效果下降。故宜控制在1535，对北方温度低，应考虑将曝气池建于室内。5 有毒物质重金属、酚、氰等对微生物有抑制作用，（前面已述）。 Na、Al盐，氨等含量超过一定浓度也会有抑制作用。二、活性污泥处理系统的控制指标与设计，运行操作参数 活性污泥处理系统是一个人工强化与控制的系统，其必须控制进水水量，水质，维持池内活性污泥泥量稳定，保持足够的DO，并充分混合与传质，以维持其稳定运行。1 微生物量的指标混合液悬浮固体浓度（M
11、LSS）：在曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体的总重量，由Ma+Me+Mi+Mii组成。混合液挥发固体浓度（MLVSS）：混合液活性污泥中有机性固体物质部分的浓度，由MLVSS=Ma+Me+Mi组成。MLVSS/MLSS在0.70左右，过高过低能反映其好氧程度，但不同工艺有所差异。如吸附再生工艺0.70.75，而A/O工艺0.670.70。2 活性污泥的沉降性能及其评定指标污泥沉降比SV（%）：混合液在量筒内静置30mm后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分比。污泥容积指数SVI：SVI=SV/MLSS。对于生活污水处理厂，一般介于70100之间。当SVI值过低时，说明絮体细小，无
12、机质含量高，缺乏活性；反之污泥沉降性能不好。为使曝气池混合液污泥浓度和SVI保持在一定范围，需要控制污泥的回流比。此外，活性污泥法SVI值还与BOD污泥负荷有关。当BOD污泥负荷处于0.51.5kg/（kg MSSd）之间时，污泥SVI值过高，沉降性能不好，此时应注意避免。3 泥龄（Sludge age）c生物固体平均停留时间或活性污泥在曝气池的平均停留时间，即曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比，用公式表示：cVX/XVX/QwXr。：其中：X为曝气池内每日增长的活性污泥量，即要排放的活性污泥量。 Qw为排放的剩余污泥体积。 Xr为剩余污泥浓度，与SVI的关系为(Xr) max106 /
13、SVIc是活性污混处理系统设计、运行的重要参数，在理论上也具重要意义。因为不同泥龄代表不同微生物的组成，泥龄越长，微生物世代长，则微生物增殖慢，但其个体大；反之，增长速度快，个体小，出水水质相对差。c长短与工艺组合密切相关，不同的工艺微生物的组合、比例、个体特征有所不同。污水处理就是通过控制泥龄或排泥，优选或驯化微生物的组合，实现污染物的降解和转化。4 负荷BOD污泥负荷：单位重量活性污泥在单位时间内降解到预定程度的有机物量。NsQSa/XV=F/M BOD容积负荷：指单位曝气池容积在单位时间内降解到预定程度的有机物量。NvQSa/VBOD污泥负荷是活性污泥法设计、运行的一个重要参数。因为负荷
14、与污水处理的技术经济性有关。负荷高则有机物降解速度与污泥增殖量加大，曝气池容积小，投资省，但其泥龄短，处理出水水质不高，难以满足环境要求；反之若过低则曝气池容积加大，投资加大，曝气量加大，经济性能降低。故应选择适宜的负荷，同时还要避开0.51.5kgBOD/kgMLSSd负荷区间。思考题 能否通过增加污泥浓度，减少构筑物的体积，节省投资？5 污泥产率（1）实际测试污水中有机污染物的降解带来微生物的增殖与活性污泥的增长，活性污泥微生物的增殖是生物合成与内源呼吸的差值，即X=aSabX。 其中：X为活性污泥微生物净增殖量，kg/d； Sr为在活性污泥微生物作用下，污水中被降解、去除的有机污染物量S
15、rSaSe； Sa为进入曝气池污水含有的有机污染物量，kgBOD/d。 Se为经活性污泥处理后出水的有机污染物量，kgBOD/d。 X为混合液活性污泥量，kg。 a为污泥产率（降解单位有机污染物的污染量）。 b为微生物内源代谢的自力氧化率。（2）理论推导（由试验配水研究）由于细胞合成与内源代谢同步进行，单位曝气池内活性污泥净增殖速度为： (dx/dt)g(dx/dt)s(dx/dt)e 其中：(dx/dt)g为净增殖速度； (dx/dt)s为合成速度； (dx/dt)e为微生物内源代谢速度。(dx/dt)sY (dx/dt)u 其中：Y为产率系数，每代谢1kgBOD合成的MLVSS量。 (dx
16、/dt)u为微生物对有机物的降解速度。(dx/dt)eKdXv 其中：Kd微生物自身氧化率d-1，并称衰减系数； Xv为MLVSS含量。代入得： (dx/dt)gY(dx/dt)uKdXvXY(SaSe)QKdVXv 其中：X为日污泥排放量； (SaSe)Q为日有机物降解量； Kd VXv 为 池内总MLVSS量。 等式两边除以VXv得X/ VXv = Y(SaSe)Q / VXvKd 由于X/ VXv = 1/ Qc； (SaSe)Q / VXv Ns （书中写成NrS） 1/ Qc Y Ns Kd 二者的区别：从物理意义上讲，a与Y、b与Kd是一回事，但前者是实测值（a、b）。由于进水水质
17、和进水SS多变，因此a、b是一个实测的经验值。而Y、Kd为理论研究或配水研究的结果，配水试验不仅水质可以恒定，且无SS，当控制c和NS进行同时多组实验时，可以通过作图求出Y、Kd（P112图4-9）。6 有机污染物降解与需氧 微生物对有机污染物的降解包括1/3的直接氧化分解，2/380%需合成后再内源呼吸降解，故其需氧量为：O2aQSabVXv 其中：a为微生物每代谢1kgBOD所需要的氧量。 b为每kg活性污染自身氧化所需要的氧量。 两边同除以VXv得：O2/ VXv = aNsb 两边同除以QSa得 O2/ QSaab1/ Ns从式中可以看出：1) 上式为单位容积曝气池的需氧量或单位微生物
18、量的好氧量，其只与NS有关。NS高则单位容积或污泥量需氧量大。2) 下式为降解1kgBOD的需氧量，其与NS的倒数有关。NS负荷越高，泥龄越短，则降解单位BOD需氧量就越低(未被降解就作为污泥排出)。式中a、b可以通过一组试验结果作图求得(P113图410)。 a值：对生活污水为 0.40.53，b值：介于0.11 0.188之间。第三节 活性污泥反应动力学基础一、概述从前面介绍可以看出，微生物的增殖、代谢与有机底物浓度、Qc以及生化反应速度等密切相关。反应动力学则是从生化角度来研究彼此的关系，以提高我们理论认识水平，并指导我们优化工艺与设备。二、莫诺特(Monod)方程式法国学者Monod于
19、1942年采用纯菌种在培养基稀溶液中进行了微生物生长的实验研究，并提出了微生物生长速度和底物浓度间的关系式：=maxS/Ks+S微生物在对数期和静止期的典型生长模式。式中：为微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度. max为微生物最大比增长速度； Ks：饱和常数，为=1/2max底物浓度，故又称半速度常数。 S：底物浓度。 讨论：（1）当底物过量存在时，微生物生长不受底物限制。处于对数增长期，速度达到最大值,为一常数。SKs、Ks+SS =umax。 此时反应速度和底物浓度无关，呈零级反应，即n=0。（2）当底物浓度较小时，微生物生长受到限制，处于静止增长期，微生物增长速度与底物浓度成正比。
20、SKs、Ks+SKs =maxS/Ks=K.S此时，S，与底物浓度呈一级反应。（3）随着底物浓度逐步增加，微生物增长速度和底物浓度呈=maxS/Ks+S关系，即不成正比关系，此时0n1为混合反应区的生化反应。上述研究结果，与米门方程式十分相近。米门方程式为：VVmaxS/Ks+Smonod方程的结论使米一门方程式引入了废水工程的理论中。具体推导如下： Ydx/ds=(dx/dt)/(ds/dt)=r/q=(r/x)/(q/x)= /V。 式中：dx为微生物增长量； dx/dt为微生物增长速率（即r）； r/x，即微生物比增长速度； ds为底物消耗量； qds/dt，为底物降解速度； vq/x，
21、为底物比降解速度。 YVmaxYVmax；带入=maxS/Ks+S 得：VVmaxS/Ks+S即米一门方程式。V(ds/dt)/X， ds/dt= VmaxSX/Ks+S，即p115432式。将monod方程倒装得：1/1/max ( ks/S+1)= ks/max(1/S)+1/max。根据monod方程与米一门方程的相关性，前面已推导YV；maxYVmax。代入得：1/V= ks/Vmax (1/S)+1/VmaxV=(ds/dt)/X1/V=Xdt/ds=Xt/(Sa-Se)即：Xt/(Sa-Se)= ks/Vmax(1/S)+1/Vmax 即p11844式 以1/V为纵坐标，以1/Se
22、为横坐标，对一组实验结果进行统计(p118图4-15)则可求出1/Vmax和ks/Vmax。 三、劳伦斯麦卡蒂方程式1 基础概念微生物比增殖速率：=(dx/dt)/X单位基质利用率：单位微生物量的底物利用率，q=(ds/dt)/X生物固体平均停留时间：单位重量的微生物在活性污泥反应系统中c=VX/X；2 基本方程第1方程：dx/dt=Y(ds/dt)u-KdXa1/ c=YqKd第2方程：VVmaxS/(Ks+S) 有机质降解速率等于其被微生物利用速率，即V=q，Vmax=qmax (ds/dt)u = VmaxSXa/(Ks+S)3 方程的应用（1）确立处理水有机底物浓度（Se）与生物固体平
23、均停留时间（c）之间的关系对完全混合式SeKs(1/ c+Kd)/Y (Sa-Se)-(1/ c+Kd)对推流式1/ c= YVmax(Sa-Se)/(Sa-Se)+ KsSa/SeKd上式表示Se=f(c)，欲提高处理效果，降低Se值，就必须适当提高c。（2）确立微生物浓度（X）与c间的关系。对完全混合式： XcY(Sa-Se)/t(1+Kdc)对推流式： XcY(Sa-Se)/t(1+KdQc) 说明反应器内微生物浓度(X)是c的函数。（3）确立了污泥回流比(R)与Qc的关系。1/c=Q1+R-R(Xr/Xa)/V 式中：Xr为回流污泥浓度，(Xr)max=106/SVI 。（4）总产率系
24、数（Y）与表观产率系数（Yobs）间的关系.YobsY/(1+KdQc)即实测污泥产率系数较理论总降低。（5）确立了污泥回流比(R)与Qc的关系。1/c=Q1+R-R(Xr/Xa)/V 式中：Xr为回流污泥浓度(Xr)max=106/SVI（6）总产率系数（Y）与表观产率系数（Yobs）间的关系YobsY/(1+KdQc) 即实测污泥产率系数较理论总降低。（7）在污水处理系统中（低基质浓度）中，对VVmaxS/(Ks+S) 的推论：VVmaxS/(Ks+S)，VqqVmaxS/(Ks+S)由于KsS（低基质浓度），qVmaxS/KsK.Sv。V(ds/dt)u/Xa=Ks (ds/dt)u =
25、(Ks)max(ds/dt)u(Sa-Se)/tQ(Sa-Se)/VKSeQ(Sa-Se)/XaV由此可以求定曝气池体积。第四节 活性污泥处理系统的运行方式与曝气池的工艺参数一、传统活性污泥法1 工艺特征1) 经历了起端的吸附和不断的代谢过程。 2) 微生物经历了由对数期至内源呼吸期。3) 有机物，迅速降低，但之后变化不大，总去除率90左右。4) 需氧量由大逐步减少。2 存在不足曝气池首端有机负荷大，需氧量大，而实际供氧难于满足此要求（平均供氧）。使首端供氧不足，末端供氧出现富裕，需采用渐减试供氧。3 工艺流程二、阶段曝气活性污泥法（分阶段进水或多阶段进水）1 工艺特点1) 污水均匀分散地进入
26、，使负荷及需氧趋于均衡，利于生物降解，降低能耗。2) 混合液中Xa浓度逐步降低，减轻二次池负荷，利于固液分离。3) 污水均匀分散地进入，增强了系统对水质、水量冲击负荷的适应能力。2 工艺流程三、再生曝气活性污泥法（即传统活性污泥法的前端先设置污泥再生）1 工艺特点1) 提高污泥活性，使其充分代谢。2) 再生池不另行设置，而是将曝气池的一部分作为再生池。曝气池一般3或6廊道，将其中的1/3或1/6作再生段。3) 处理效果与传统活性污泥法相近，BOD去除率90以上。2 工艺流程四、吸附再生活性污泥法1 工艺特点1) 将吸附与代谢过程分二个池或二段。其初期吸附现象见p125126及图4-22。2)
27、由于再生池只对活性污泥曝气，减小了池容。3) 由于吸附段池容较小（部分为再生池容积），泥水接触时间短（3060min），出水BOD去除率一般小于90。2 工艺流程五、延时曝气活性污泥法 适宜对出水水质要求高的场合。如氧化沟、A/O法和A2/O工艺等。负荷低，曝气时间长（24h以上），活性污泥处于内源呼吸期，剩余污泥少且稳定，污泥不需要消化处理，工艺也不需要设初沉池。不足：池容大、负荷小、曝气量大、投资与运行费用高。六、高负荷活性污泥法（又叫短时曝气活性污泥法）构筑物与普通活性污泥法以及吸附再生工艺相同，但其停留时间短，BOD负荷高、曝气时间短。不足：BOD去除率不高（7075%），出水水质不达
28、标。七、完全混合活性污泥法1 工艺特点1) 污水进入曝气池后迅速被稀释混匀，水质水量变化对系统影响小。2) 由于水质在各处相同，因而各处微生物群体与组成相同，降解工况相同。3) 需氧速度均衡，动力消耗略省。4) 不足：池内未有污染物浓度、微生物浓度与种群的梯度或链群，导致微生物的有机物降解动力低下，易出现污泥膨胀。类型：按构筑物形状分合建式与分建式。2 工艺流程八、AB法1 工艺特点1) 不设初沉池，A段由曝气吸附池和中沉池组成，B段由曝气池和二沉池组成，A、B段由独自的污泥回流系统，因此二段由各自独特的微生物群体，故处理效果稳定。2) A段污泥负荷率高达26 KgBOD5/KgMLSSd 约
29、为普通活性污泥的1020倍，因此它具有很强的抗冲击负荷的能力和具有对pH、有毒物影响的缓冲击能力。水力停留时间短（约3min），污泥龄短（0.30.5）d，细菌是活性污泥微生物的主体。3) A段活性污泥吸附能力强，能吸附污水中某些重金属、难降解有机物以及N、P等植物性营养物质，这些物质通过剩余污泥的排除而得到去除。4) AB工艺对BOD5、COD、SS、N、P的去除率一般高于普通活性污泥法。5) 由于A段对有机物的高效絮凝吸附作用，使AB工艺中通过絮凝吸附由排放剩余污泥途径去除的BOD量大大提高，从而使AB工艺比普通活性污泥法节省投资20%，降低运行费用15%。6) AB工艺很适合分步建设，首
30、先可建设A段，然后建设B段。7) 主要缺点是产泥量高，有两个污泥回流系统。2 工艺流程九、间歇式活性污泥法1 工艺特点1) 工艺简单，调节池容积小或可不设调节池，不设二次沉淀池，无污泥回流；2) 投资省，占地少，运行费用低；3) 反应过程基质浓度梯度大，反应推动力大，处理效果高；4) 耐有机负荷和有毒物负荷冲击能力强，运行方式灵活，静止沉淀，出水水质好；5) 厌氧（缺氧）和好氧过程交替发生，泥龄短且活性高，同时脱氮除磷。 2 运行方式SBR的工作过程通常包括五个阶段，依次为：进水阶段加入基质；反应阶段基质降解；沉淀阶段泥水分离；排放阶段排上清液；闲置阶段活性恢复。从第一次进水开始到第二次进水开始称为一个工作周期。 十、氧化沟1 氧化沟工作原理与特征（1）可考虑不设初沉他，有机性悬浮物在氧化沟内能够达到好氧稳定的程度。（2）可考虑不单设二次沉淀池，使氧化沟与二次沉淀池合建，可省去污泥回流装置（2）BOD负荷低，同
