第2章活性污泥法ppt课件.ppt

第二章 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第二节 活性污泥法的运行方式第三节 活性污泥法的反应动力学第四节 曝气的原理、方法与设备第五节 活性污泥法的工艺设计第六节 活性污泥法的运行管理,第一节、活性污泥法的基本原理,一、活性污泥法的工艺流程,废水,活性污泥系统的主要组成, 曝气池：反应的主体，有机物被降解，微生物得以增殖；二沉池：1）泥水分离，保证出水水质； 2）浓缩污泥，保证污泥回流，维持曝气池内的污泥浓度。回流系统：1）维持曝气池内的污泥浓度； 2）回流比的改变，可调整曝气池的运行工况。 剩余污泥： 1）去除有机物的途径之一； 2）维持系统的稳定运行 供氧系统：为微生物提供溶解氧,生活污水或城市废水的处理流程,高碑店污水处理厂的工艺流程图,高碑店污水处理厂的工艺流程与平面布置,初沉池,曝气池,二沉池,二期,曝气池,二沉池,初沉池,正在运行的曝气池,曝气池中的曝气头的布置,活性污泥系统有效运行的基本条件是：,废水中含有足够的可溶性易降解有机物；混合液含有足够的溶解氧；活性污泥在池内呈悬浮状态；活性污泥连续回流，剩余污泥及时排放， 维持曝气池内稳定的活性污泥浓度；进水中不含有对微生物有毒有害的物质,二、活性污泥的性质及性能指标,1、物理性质： “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：0.020.2 mm 比表面积：20100cm2/ml,二、活性污泥的性质及性能指标,2、生化性能： 活性污泥的含水率： 99.299.8% 其中固体物质的组成： 1）活细胞（Ma）： 2）微生物内源代谢的残留物（Me）： 3）吸附的原废水中难于生物降解的有机物（Mi）： 4）无机物质（Mii）：,二、活性污泥的性质及性能指标,3、活性污泥中的微生物： A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、无色杆菌属等特征： 1）绝大多数是好氧和兼性异养型的原核细菌； 2）在好氧条件下，具有很强的分解有机物的功能； 3）具有很高的增殖速率，其世代时间仅为2030分钟； 4）动胶杆菌具有将大量细菌结成为“菌胶团”的功能。,B、原生动物-在活性污泥中大约为103个/ml,钟虫,小口钟虫,草履虫,盖纤虫,肾形虫,变形虫,C、后生动物,线虫,轮虫,原（后）生动物作为“指示性生物”,数量,4、活性污泥的性能指标：,（1）混合液悬浮固体浓度（MLSS）（Mixed Liquor Suspended Solids） MLSS = Ma + Me + Mi + Mii 单位： mg/L 或 g/m3 （2）混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS） （Mixed Liquor Volatile Suspended Solids） MLVSS = Ma + Me + Mi 单位： mg/L 或 g/m3,在条件一定时， 较稳定；对于处理城市污水的活性污泥系统，一般为0.750.85,4、活性污泥的性能指标：,（3）污泥沉降比（SV） （Sludge Volume）定义：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；功能：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；正常范围： 2030%,SV的测定,0min,15min,30min,SV = 40%,4、活性污泥的性能指标：,（4）污泥体积指数（SVI） （Sludge Volume Index）定义：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，( ml/g),功能：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；正常范围： 50150 ml/g（处理城市污水时）,三、活性污泥法的基本工艺参数,1、曝气池的有机容积负荷： 1）进水COD（BOD5）容积负荷：,2）COD（ BOD5 ）去除容积负荷：,2、 曝气池的有机污泥负荷：1）进水COD（BOD5）污泥负荷：,2）COD（BOD5）去除污泥负荷：,三、活性污泥法的基本工艺参数,3、曝气池的水力停留时间（HRT、Hydraulic Retention Time）,4、曝气池的污泥停留时间（SRT，Sludge Retention Time、c）,（h）,（d）,(mg/l),四、活性污泥的增殖规律及应用,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殖。活性污泥的增殖曲线,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,对数增殖期,减速增殖期,内源呼吸期,氧利用速率曲线,微生物增殖曲线(M),BOD变化曲线(F),适应期,有关概念,F/M值: 在温度适宜、DO充足、且不存在抑制物质的条件下，活性污泥微生物的增殖速率主要取决于微生物与有机基质的相对数量，即有机基质(Food)与微生物(Microorganism)的比值，即F/M值。 F/M值是影响有机物去除速率、氧利用速率的重要因素。,实际上，F/M值就是以BOD5表示的进水污泥负荷，即：,活性污泥的增殖曲线的分区,可将增殖曲线分为四个时期： 1)适应期 2)对数增殖期 3)减速增殖期 4)内源呼吸期,适应期,1）定义：微生物对于新的环境条件、污水中不同种类的有机物污染物等的短暂的适应过程； 2）活性污泥微生物的变化： 数量基本没有变化； 菌体体积增大； 酶系统相应调整； 新的变异；等。 3）水质指标基本无变化。,对数增殖期,F/M值高(2.2 kgBOD/kgVSS.d)，有机物丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；微生物的增值速率与基质浓度无关，呈零级反应，仅由微生物本身特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身生理机能的限制；微生物以最高速率对有机物进行摄取，以最高速率增殖，合成新细胞；活性污泥具有高的能量水平，微生物的活动能力很强，污泥质地松散，不易形成较好的絮凝体，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，如高负荷活性污泥法）,减速增长期,F/M值下降到一定水平后，有机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，直至最终下降为零，但活性污泥的量仍持续增长并最终达到最高；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；出水水质有较大改善，且整个系统运行稳定；大多数污水厂曝气池的运行工况。,活性污泥的增殖曲线,对数增殖期,减速增殖期,内源呼吸期,氧利用速率曲线,微生物增殖曲线(M),BOD变化曲线(F),适应期,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；一般不采用这一阶段作为运行工况，但也有采用，如延时曝气法。,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F/M值所控制；2）不同增殖期的活性污泥，性能不同，出水水质也不同；3）通过调整F/M值，可调控曝气池的运行工况，以达到所要求的出水水质和活性污泥的良好性能；4）推流式活性污泥法： 一段线段； 完全混合式活性污泥法： 一个点,活性污泥的增殖曲线,对数增殖,减速增殖,内源呼吸,适应期,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，所以，微生物的净增殖速率为：,活性污泥中微生物的合成速率（kgVSS/d）；,其中：a 降解1kgBOD所产生的VSS，即产率系数（kgVSS/kgBOD.d）；,活性污泥中微生物的自身氧化速率（kgVSS/d）；,其中：b 活性污泥的自身氧化系数（kgVSS/kgVSS.d，一般为d-1）；,xv 系统中活性污泥的总量（kgVSS）,有机物降解与微生物增殖：,因此，活性污泥微生物增殖的基本方程式:,积分后，得出活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量为:,Si进水BOD浓度(kgBOD/m3)； Se 出水浓度(kgBOD/m3)。,式中: x每日的污泥增长量(kgVSS/d)；= QwXr Q 每日处理废水量(m3/d)；,a、b经验值的获得：,(1) 对于生活污水或相近的工业废水: a = 0.50.65，b = 0.050.1； (2) 对于工业废水，则：,a、b经验值的获得：,（3）通过小试获得：,可改写为：,有机物降解与需氧：,氧在微生物代谢过程中的用途：(1)氧化分解有机物；(2)氧化分解自身的细胞物质。,式中：O2曝气池中混合液的需氧量，kgO2/d; a代谢每kgBOD所需的氧量， kgO2/kgBOD.d; b每kgVSS每天进行自身氧化所需的氧量， kgO2/kgVSS.d 。,有机物降解与需氧:,上式可改写为：,或,式中：O2/VXv单位质量污泥的需氧量，kgO2/kgVSS.d; O2=O2/QSr去除每kgBOD所需的氧量， kgO2/kgBOD.d; 思考题：如何解释单位质量污泥的需氧量与负荷成正比，而去除单位质量BOD的需要量与负荷成反比？,a、b值的确定:,活性污泥法处理城市污水：,a、b值的确定:,活性污泥法处理工业污水：,a、b值的确定:,(3)试验法:,第二节 活性污泥法的运行方式,1)传统活性污泥法；2)完全混合活性污泥法；3)阶段曝气活性污泥法；4)吸附再生活性污泥法；5)延时曝气活性污泥法；6)高负荷活性污泥法；7)纯氧曝气活性污泥法；8)浅层低压曝气活性污泥法；9)深水曝气活性污泥法；10)深井曝气活性污泥法。,QSi,VX,QwXSe,Q-QwXeSe,QrXrSe,Q+QrXSe,一、传统活性污泥法：,1)工艺流程:,一、传统活性污泥法：,平面图,剖面图,曝气头,曝气设备,隔墙,空气管沟,一、传统活性污泥法：,供氧速率与需氧速率,微孔曝气头,一、传统活性污泥法：,主要优点： a. 处理效果好：BOD5的去除率可达9095%； b. 对废水的处理程度比较灵活，可根据要求进行调节。4)主要问题： a. 为了避免池首端形成厌氧状态，不宜采用过高的有机负荷，因而池容较大，占地面积较大； b. 在池末端可能出现供氧速率高于需氧速率的现象，会浪费了动力费用； c. 对冲击负荷的适应性较弱。,传统活性污泥法,二、完全混合活性污泥法,工艺流程,完全混合曝气池,二、完全混合活性污泥法,主要特点：a. 可以方便地通过对F/M的调节，使反应器内的有机物降解反应控制在最佳状态；b. 进水一进入曝气池，就立即被大量混合液所稀释，所以对冲击负荷有一定的抵抗能力；c. 适合于处理较高浓度的有机工业废水,二、完全混合活性污泥法,主要结构形式：,a.合建式（曝气沉淀池）b.分建式,合建式曝气池曝气沉淀池,合建式曝气池（曝气沉淀池）,分建式曝气池,二、完全混合活性污泥法,三、阶段曝气活性污泥法 分段进水法或多点进水法,工艺流程,多点进水活性污泥法的工艺流程,三、阶段曝气活性污泥法 分段进水法或多点进水法,主要特点：a.废水沿池长分段注入曝气池，有机物负荷分布较均衡，改善了供氧速率与需氧速率之间的矛盾，有利于降低能耗；b.废水分段注入，提高了曝气池对冲击负荷的适应能力；,三、阶段曝气活性污泥法 分段进水法或多点进水法,四、吸附再生活性污泥法 又称生物吸附法或接触稳定法,主要特点： 将吸附、降解两个过程分别控制在不同的反应器内进行。,活性污泥净化反应过程:,在活性污泥处理系统中，有机底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,活性污泥的初期吸附作用,曝气过程,降解,初期吸附,BOD,活性污泥的初期吸附作用,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。活性污泥吸附作用的大小与很多因素有关: 1）废水的性质、特性： 含有较高浓度呈悬浮或胶体状态的有机污染物。 2）活性污泥的状态： 充分的再生曝气，一般应使活性污泥微生物进入内源代谢期，才能使其吸附功能得到恢复和增强。,四、吸附再生活性污泥法 又称生物吸附法或接触稳定法,工艺流程,四、吸附再生活性污泥法 又称生物吸附法或接触稳定法,1)主要优点：a.废水与活性污泥在吸附池的接触时间较短，吸附池容积较小，再生池接纳的仅是浓度较高的回流污泥，因此，再生池的容积也是小的。吸附池与再生池容积只和仍低于传统法曝气池的容积，建筑费用较低；b.具有一定的承受冲击负荷的能力，当吸附池的活性污泥遭到破坏时，可由再生池的污泥予以补充。2)主要缺点： 对废水的处理效果低于传统法，此外，对溶解性有机物含量较高的废水，处理效果更差。,四、吸附再生活性污泥法 又称生物吸附法或接触稳定法,设计参数,容积负荷 (kgBOD5/m3.d),1.01.2,MLSS (mg/l),吸附池：10003000再生池：400010000,回流比 (%),25100,五、延时曝气活性污泥法 完全氧化活性污泥法,1)主要特点： a. 有机负荷率非常低，污泥持续处于内源代谢状态，剩余污泥少且稳定，无需再进行处理； b. 处理出水出水水质稳定性较好，对废水冲击负荷有较强的适应性； c. 在某些情况下，可不设初沉池。2)主要缺点： 池容大、曝气时间长，占地面积大； 建设费用和运行费用高；适用条件： 出水水质高，小规模，水量一般在1000m3/d以下。,五、延时曝气活性污泥法 完全氧化活性污泥法,设计参数,容积负荷 (kgBOD5/m3.d),0.10.4,MLSS (mg/l),30006000,回流比 (%),75100,六、高负荷活性污泥法 又称短时曝气法或不完全曝气活性污泥法,1)主要特点：a. 有机负荷率高，曝气时间短，对废水的处理效果较低；b. 在系统和曝气池的构造等方面与传统法相同。,六、高负荷活性污泥法 又称短时曝气法或不完全曝气活性污泥法,主要设计参数：,设计参数,容积负荷 (kgBOD5/m3.d),1.22.4,MLSS (mg/l),200500,回流比 (%),515,七、纯氧曝气活性污泥法,工艺流程,气体循环泵,气体分散及搅拌装置,七、纯氧曝气活性污泥法,1)主要特点：a. 纯氧中氧的分压比空气约高5倍，纯氧曝气可大大提高氧的转移效率；b. 氧的转移率可提高到80-90%，而一般的鼓风曝气仅为525%左右；c. 可使曝气池内活性污泥浓度高达40007000mg/l，能够大大提高曝气池的容积负荷；d. 剩余污泥产量少，SVI值也低，污泥膨胀较少发生。,七、纯氧曝气活性污泥法,设计参数,容积负荷 (kgBOD5/m3.d),2.03.2,MLSS (mg/l),600010000,回流比 (%),2550,八、浅层低压曝气法,理论基础：只有在气泡形成和破碎的瞬间，氧的转移率最高，因此，没有必要延长气泡在水中的上升距离。其曝气装置一般安装在水下0.80.9米处，因此可以采用风压在1米以下的低压风机，动力效率较高，可达1.802.60kgO2/kw.h；其氧转移率较低，一般只有2.5%；池中设有导流板，可使混合液呈循环流动状态。,八、浅层低压曝气法,九、深水曝气活性污泥法,1)主要特点： a. 曝气池水深在78m以上， b. 由于水压较大，氧的转移率可以提高，相应也能加快有机物的降解速率； c. 占地面积较小。,九、深水曝气活性污泥法,深水中层曝气法的示意图,空气,曝气装置,深水深层曝气法的示意图,十、深井曝气 活性污泥法 又称超深水 曝气法,工艺流程： 一般平面呈圆形，直径约16m，深度为50150m。,十、深井曝气活性污泥法 又称超深水曝气法,主要特点： a.氧转移率高，约为常规法的10倍以上； b.动力效率高，占地少，易于维护运行； c.耐冲击负荷，产泥量少； d.一般可以不建初次沉淀池 e.但受地质条件的限制。,十、深井曝气活性污泥法 又称超深水曝气法,设计参数,设计参数,容积负荷(kgBOD5/m3.d),3.03.6,MLSS(mg/l),30005000,回流比(%),4080,第三节、活性污泥法的反应动力学,什么是活性污泥法反应动力学？可以定量或半定量地揭示系统内有机物降解、污泥增长、氧气的消耗等与各项设计参数、运行参数及环境因素之间的关系；,活性污泥法的反应动力学的主要内容:,(1)基质降解的动力学，涉及基质降解与基质浓度、生物量等因素的关系； (2)微生物增长动力学，涉及微生物增长与基质浓度、生物量、增长常数等因素的关系； (3)还研究底物降解与生物量增长、底物降解与需氧、营养要求等的关系。,建立活性污泥法反应动力学模型的假设:,(1) 反应器处于完全混合状态， 对于推流式曝气池系统，需加以修正； (2)活性污泥系统的运行条件绝对稳定； (3)二沉池内无微生物活动，也无污泥累积，且泥水分离效果良好； (4)进水有机物均为溶解性有机物，且浓度恒定，不含微生物； (5)进水中不含对微生物具有毒性或抑制性的物质。,反应动力学研究的由来,劳伦斯麦卡蒂（LawrenceMcCarty）模式,酶促反应动力学公式（米门公式）（MichaelisMenton）,(一)活性污泥反应动力学的基础米门公式与莫诺德模式,A米门公式 MichaelisMenton提出酶的“中间产物”学说，通过理论推导和实验验证，提出了含单一基质单一反应的酶促反应动力学公式，即米门公式：,其中：Km饱和常数，或半速常数； 1/Km基质亲和力,E + S ES E + P,米门公式的图示,vmax,Km,B.莫诺德模式：, 1942年和1950年，Monod单一基质、纯菌种培养实验，微生物比增殖速率与基质浓度与酶促反应类似的规律，提出活性污泥法的动力学公式，即莫诺德模式：,式中： 微生物的比增殖速率，kgVSS/kgVSS.d； max基质浓度饱和时，微生物的最大比增殖速率, kgVSS/kgVSS.d; S反应器内的基质浓度，mg/l； Ks饱和常数，也称半速常数。,B.莫诺德模式：,随后发现，用由混合微生物群体组成的活性污泥对多种基质进行微生物增殖实验，也取得了符合这种关系的结果。 在微生物比增殖速率与底物的比降解速率之间存在下列比例关系：,B.莫诺德模式：,则与比增殖速率相对应的比底物降解速率也可以用类似公式表示，即：,式中：S 限制性底物的浓度；,对于废水处理来说，有机物的降解是其基本目的，因此上式的实际意义更大。,B.莫诺德模式：,一级反应区,过渡区,零级反应区,l莫诺德方程式的推论：,(1) 在高底物浓度的条件下，即SKs，呈零级反应，则有：,，,（2）在低底物浓度的条件下，即S Ks，则：,