污水的生物處理（一）

---活性污泥法

(Biological Treatment of Wastewater:

The Activated Sludge Process)

                                  水體自凈，氧化塘

                    自然條件下   土壤自凈，土地處理 

           好氧處理   人工條件下    活性污泥法

生物處理                            生物膜法

           厭氧處理   自然條件下 ：高溫堆肥、厭氧塘

人工條件下   厭氧處理技術(shù)

             污泥消化

(Aerobic/Anaerobic  

Suspended-Growth Treatment Processes

  Attached-Growth Treatment Processes)

4.1.1. 活性污泥處理法的基本概念與流程

     Wastewater

        Air   

                  Aeration tank          Secondary clarifier

                Return Sludge               

                                Excess sludge

4.1.2 活性污泥的形態(tài)與活性污泥微生物

1． 活性污泥的形態(tài): 顏色，味，形狀，比重，含水率

                   表面積20-100cm2/ml；

有機(jī)（75-85%）/無機(jī)成分，

   活性污泥組成：Ma +Me+Mi+Mii

               微生物     惰性有機(jī)物   無機(jī)物

                   自身氧化殘留物

2． 活性污泥微生物（Ma）及其在活性污泥反應(yīng)中作用

**：產(chǎn)堿干菌屬，芽胞干菌屬，動膠桿菌屬，假單胞菌屬，大腸桿菌屬，無色桿菌屬等 （增殖世代時間20-30min）； 數(shù)量：107-108個/mL

**：絲狀菌，霉菌；凈化能力與不利影響

原生動物： 肉足蟲類：如變形蟲、滴蟲，

鞭毛蟲類，：豆形蟲、腎形蟲、草履蟲；

纖毛蟲類：鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲     

原生動物------ **的捕食者

后生動物：輪蟲；水質(zhì)良好的標(biāo)志

              微

                 生     殘留食物量

                 物

                 量

                                         微生物總量

                               自由游泳

                                纖毛蟲類         有柄纖毛蟲類

                     鞭毛蟲類

               肉足蟲類                               輪蟲類

                                       Time

圖：原生動物在活性污泥反應(yīng)過程中數(shù)量和種類的增長與遞變模式

3． 活性污泥微生物的增殖與活性污泥的增長

多種屬的活性污泥微生物增殖規(guī)律與純種微生物增殖規(guī)律相似

微生物增殖==活性污泥增殖

活性污泥的增殖受活性污泥能含量的控制

   F/M—有機(jī)物量/活性污泥量---有機(jī)負(fù)荷

            量

                   對數(shù)增殖 減速增殖   內(nèi)源呼吸 

                                       C        d

                                              X （Sludge）

                                           氧利用速率

                          b

                                        S（BOD）

               a

        適應(yīng)期X0

Time

靜態(tài)培養(yǎng)條件下，活性污泥增長曲線、有機(jī)物降解和氧利用速率

4． 活性污泥絮體的形成

意義與作用

活性污泥絮凝體形成的骨干---菌膠團(tuán)

活性污泥形成機(jī)制： 

   能含量---F/M； 電斥力與范德華引力

**種類：分泌粘著物的**：動膠桿菌、黃桿菌、蠟狀芽孢桿菌等

4.1.3 活性污泥凈化反應(yīng)過程

 有機(jī)物污染物凈化---有機(jī)物被微生物攝取、代謝與利用

1、 初期吸附去除

   初期：5-10 min        30min內(nèi)BOD去除率達(dá)到70%

   ˉ活性污泥強(qiáng)吸附能力的產(chǎn)生源：

1） 具有很大的表面積：2000-10000m2/m3混合液

2） 多糖類粘質(zhì)層

   ˉ吸附能力影響因素：

1）微生物的生理狀態(tài)    處于饑餓狀態(tài)的微生物具有*強(qiáng)吸附能力

2）反應(yīng)器中流態(tài)

吸附不等于降解，吸附能力是有限的，提高吸附能力—污泥曝氣

2、 微生物代謝

小分子有機(jī)物---細(xì)胞壁—微生物體內(nèi)—內(nèi)酶—代謝

大分子有機(jī)物—水解酶—小分子—細(xì)胞壁—微生物體內(nèi)…

有機(jī)物的氧化方程：

新細(xì)胞的合成：

微生物自身氧化：

分解代謝與合成代謝模式圖：

                         H2O，CO2，NH3 +能量

                 分解代謝（1/3）

有機(jī)物 +O2     

              合成（2/3）                   內(nèi)源呼吸產(chǎn)物+能量

                    合成細(xì)胞物質(zhì)+O2       80%

                                內(nèi)源呼吸殘留物 20%

4.2 活性污泥凈化反應(yīng)影響因素與主要設(shè)計、運(yùn)行參數(shù)

4.2.1 活性污泥凈化反應(yīng)影響因素

1. 營養(yǎng)物質(zhì)平衡：C：N：P= 100：5：1

其他微量元素：鈉、鉀、鈣、鎂、鐵…

2. 溶解氧含量： DO32mg/L

3. PH值    6.5-8.5

4. 水溫     適宜：10-450C  *佳：15-350C

5. 有毒物質(zhì)：重金屬、酚類、甲醛 

         經(jīng)過培養(yǎng)馴化后， 微生物對有毒物質(zhì)有適應(yīng)與降解能力 （表4-4 p105）

4.2.2活性污泥處理系統(tǒng)的控制指標(biāo)與設(shè)計、運(yùn)行操作參數(shù)

使活性污泥系統(tǒng)正常、高效運(yùn)行的基本條件：

·適當(dāng)?shù)奈鬯|(zhì)、水量

·具有活性和足夠量的活性污泥生物量

·滿足微生物需要的溶解氧

·良好的流態(tài)，氣、液、固充分接觸

控制指標(biāo)（設(shè)計、運(yùn)行操作參數(shù)）

1、 表示及控制混合液中活性污泥微生物量的指標(biāo)

(1)Mixed liquor suspended solids (MLSS)

(2)Mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS)

   f=MLVSS/MLSS    0.75

2、 活性污泥的沉降性能及其評價指標(biāo)

（1） 30min污泥沉降比（%）       ~30%

Settling Velocity / Sludge （settling） Volume（SV）

 （2）污泥容積指數(shù)，Sludge Volume Index （SVI）

  定義：曝氣池出口處混合液經(jīng)過30min沉降后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占有的容積（mL/g）：

§SVI的意義：SVIˉ沉降性能-；SVI-沉降性能ˉ

§SVI正常范圍：SVI=70-100（120）   城市和生活污水

SVI<100 沉降性能好；100<SVI<200 一般；SVI>200，不好

§SVI與BOD-污泥負(fù)荷的關(guān)系（城市污水）：

SVI                                             分散礬花 絮凝污泥  膨脹污泥

400                                        SVI    差    優(yōu)     差

300

200                                                                 

          高負(fù)荷            一般負(fù)荷                   SVI           ZSV

100

   0                               

2.5   2.0   1.5  1.0  0.5   0             0     0.3   0.6   0.9   1.2  

BOD-污泥負(fù)荷（kgBOD/kgMLSS.d）     BOD-污泥負(fù)荷（kgBOD/kg.d）

BOD-污泥負(fù)荷與SVI之間的關(guān)系

3.污泥齡 （Sludge age，Mean cell—residence time）

  污泥增長與剩余污泥的產(chǎn)生與排出

剩余污泥產(chǎn)量：

 DX=QWXr+（Q-QW）Xe   （g/d）

污泥齡：曝氣池內(nèi)活性污泥總量與每日排放污泥量之比

      （d）

 當(dāng)二沉池處于*佳沉淀狀態(tài)下：

污泥齡的重要性：系統(tǒng)控制參數(shù)，生物種類控制

4.BOD-污泥負(fù)荷

 F/M—Food-to-microorganism ratio

   kgBOD/kgMLSS.d

X=MLSS  ； Q=進(jìn)水流量；   Sa=BODin；V=曝氣池體積

§BOD容積負(fù)荷

    kgBOD/m3.d

§BOD負(fù)荷對有機(jī)物降解與活性污泥增長以及污泥沉降性能的影響

（生物處理過程中的兩個重要關(guān)系）：

5.有機(jī)物降解與活性污泥增長

活性污泥的增殖ü有機(jī)物的降解

活性污泥的增殖=合成反應(yīng)-內(nèi)源代謝

活性污泥增長基本方程：

污泥凈增長速率=合成速率-內(nèi)源代謝速率

合成速率與有機(jī)物利用有關(guān)：   Y-產(chǎn)率系數(shù)

內(nèi)源代謝速率與生物量有關(guān)：  Kd-衰減系數(shù)d-1

 （霍克來金 Heukelekian方程）

凈增長速率以天（d）計時：

Sa-BODin；Se-BODout；Xv-MLVSS

Or：     Sr=Sa-Se ；X=MLSS

¨a，b---Y， Kd （Y=0.5-0.65；Kd=0.05-0.1）

¨污泥泥齡與BOD污泥去除負(fù)荷的關(guān)系的推導(dǎo)：

由：

兩邊同以XVV除：   

令：  BOD污泥去除負(fù)荷（kg/kg.d）

而根據(jù)泥齡的定義：  T   

則推導(dǎo)出：

思考題：推導(dǎo)出水BOD濃度與污泥泥齡的關(guān)系

（城市污水20OC：Y=0.4-0.8 mgVSS/mgBOD；0.25-0.4mgVSS/mgCOD

               Kd=0.04-0.075 d-1）

6. 有機(jī)物降解與需氧  

kg O2/d  ；a￠- kg O2/kgBOD 去除 ；b￠- kg O2/kg污泥自身氧化

由以上式子也可導(dǎo)出兩個重要關(guān)系：

F單位重量活性污泥需氧量與BOD污泥去除負(fù)荷：

F每降解1kgBOD的需氧量與BOD污泥去除負(fù)荷：

a￠=0.42-0.53；b￠=0.188-0.11 (生活污水)

系數(shù) Y，Kd，a，b，；a￠，b￠ 的確定：

j             DX/XVV

                                                                Y

k               Kd          QSr/XVV

                                      O2/XVV

l                    a￠   

                                            b￠

                                                            QSr/XVV

4.3 活性污泥反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)

g 活性污泥反應(yīng)：活性污泥對有機(jī)物的代謝；活性污泥的增長；活性污泥微生物對氧的利用等生化反應(yīng)

 g活性污泥反應(yīng)動力學(xué)主要研究活性污泥生化反應(yīng)速率及其影響因素.主要內(nèi)容：

   E有機(jī)物降解速率與有機(jī)物濃度、活性污泥生物量

   E活性污泥增殖速率與有機(jī)物濃度、活性污泥生物量

 4.3.2    Monod 方程式

 1.基本方程

   由描述酶（純酶）促反應(yīng)的米-門公式----描述純種微生物在單一基質(zhì)上增殖速率的Monod方程

              基質(zhì)降解速度                           微生物增殖速度

     Vmax             V=Vmax                 mMAX

  V=Vmax/2                                m=mMAX/2

                     V=f（S）

              Km

                                S                   S=KS               S

      米-門關(guān)系曲線                    Monod 曲線

E + S     ES      E+  P          m--微生物比增殖速度，t-1 

酶  基質(zhì)   復(fù)合物     酶   產(chǎn)物           mmax--微生物*大比增殖速度，t-1

   V-基質(zhì)降解速度        Km飽和常數(shù)   

進(jìn)一步應(yīng)用到污水處理過程（混合的活性污泥菌群）中：        

? 因?yàn)槲⑸锏谋仍鲋乘俣龋?/span>m）與有機(jī)物的比降解速度（v）成正比：       

                  mμ v

   則有機(jī)物比降解速度也可以用米門公式描述：

            vmax-有機(jī)物的*大比降解速度，t-1

有機(jī)物比降解速度的定義：

    S0，S 進(jìn)出水有機(jī)物濃度

                       t 反應(yīng)時間

所以：           

有機(jī)物降解速度

   X=MLVSS   

當(dāng)   ； 

2. Monod方程式的兩點(diǎn)推論

   （在兩種極限有機(jī)物濃度下，Monod方程式的兩種簡化表示式）

（1） S >> KS  

忽略KS 零級反應(yīng)

（2） S<< KS 

分母中S忽略不計 

   **反應(yīng)

          Vmax                            V=Vmax

                    **反應(yīng)

          Vmax/2                           零級反應(yīng)區(qū)

                    S=KS                         S

在大多數(shù)污水生物處理中，用**反應(yīng)動力學(xué)表示有機(jī)物的降解速率是適當(dāng)?shù)摹?/span>

      積分后得：  -- 

研究動力學(xué)公式時的幾點(diǎn)假定條件：

1） 系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)（溫度、PH、供氧、水質(zhì)、水量）

2） 進(jìn)水所有可生物降解有機(jī)物為溶解性

3） 二沉淀池?zé)o微生物活動，活性污泥的絮凝、沉淀性能良好

4） 一般都模擬處于完全混合流態(tài)的曝氣池

3.Monod方程式的應(yīng)用

一完全混合活性污泥系統(tǒng)的物料平衡圖：

 Q S0    V Se X         Q+RQ，Se，X         Q，Se 

進(jìn)水    曝氣池                      二沉    出水

           RQ，Xr，Se                       QW，Xr

          回流污泥                       剩余污泥

列有機(jī)物物料平衡方程： （R污泥回流比）

     進(jìn)入量    排出     變化量

整理：      

  1）若代入**有機(jī)物降解的反應(yīng)動力學(xué)方程；

進(jìn)而推導(dǎo)出BOD污泥去除負(fù)荷Nrs與出水有機(jī)物濃度的關(guān)系：

      kgBOD/kg .d

經(jīng)過整理：    or  

以及BOD容積去除負(fù)荷Nrv與出水有機(jī)物濃度的關(guān)系：

     kgBOD/m3.d

2）代入Monod方程的一般形式（S/KS>1）：

同樣也得到：BOD污泥去除負(fù)荷Nrs與出水有機(jī)物濃度的關(guān)系：

      kgBOD/kg .d

以及BOD容積去除負(fù)荷Nrv與出水有機(jī)物濃度的關(guān)系：

     kgBOD/m3.d

4.動力學(xué)常數(shù)的確定

1） **反應(yīng)方程中的k2：                k2

                                  Se

2）  Monod方程中的vmax，KS： 

                           KS/vmax

其倒數(shù)：          1/vmax    1/Se

城市污水20OC：vmax=2-10 d-1， KS=25-100 mgBOD/L

                              15-70 mgCOD/L 

4.3.3 活性污泥動力學(xué)的另一種表示形式Lawrence-McMarty 方程式：

特點(diǎn)：直接研究活性污泥反應(yīng)過程，強(qiáng)調(diào)污泥泥齡的概念：

   污泥齡：活性污泥在反應(yīng)器中平均停留時間  （d）

    qc     Q         生物固體平均停留時間

                   細(xì)胞平均停留時間

定義單位底物利用率：

由4-20：推出L-M**基本方程--泥齡與單位底物利用率：

借用Monod方程建立L-M**基本方程：

  設(shè)定有機(jī)物被微生物利用速率=有機(jī)物降解速率

   --有機(jī)物被微生物利用速率

其含義同Monod方程

L-M推論的3個重要關(guān)系式：

對完全混合活性污泥系統(tǒng)進(jìn)行生物量、底物質(zhì)量平衡分析：

     Q（1+R），Xa         （Q-QW），Xe ，Se 

 Q，S0    Xa，V，Se

                                      R污泥回流比

RQ ，Xr ，Se             DX=QW.Xr

1） Se-qc：通過系統(tǒng)中微生物的質(zhì)量衡算：

由基本方程：

 和   推出：

2)反應(yīng)器中Xa與qc：通過進(jìn)出曝氣池的底物的質(zhì)量衡算：

由 

得：

3)污泥回流比R與qc：  由進(jìn)出二沉池污泥量的物料平衡：

      Q（1+R）Xa= （Q-QW）Xe+DX+ RQXr

Xe        0     有： Q（1+R）Xa= DX+ RQXr  且 

 所以有：

4)活性污泥的表觀產(chǎn)率 Yobs

   Y 微生物增殖總量，沒有去除由于微生物內(nèi)源呼吸作用而使自身質(zhì)量消亡的那一部分。實(shí)際測得的微生物增殖量，是微生物的凈增殖量，稱之為表觀產(chǎn)率：

Yobs=Y/（1+Kdqc）

4.4 活性污泥處理系統(tǒng)的運(yùn)行方式與曝氣池的工藝參數(shù)

4.4.1 傳統(tǒng)(普通)活性污泥法處理系統(tǒng)

  （Conventional activated sludge process）

 進(jìn)水                                     Air

                   曝氣池

                  Aeration tank                                   二沉池  出水

                    回流污泥

·工藝描述：狹長形，多廊道，推流式，吸附與代謝發(fā)生在一個池子中，供氧均勻

·工藝特征：         BOD   BOD降解      O2     需氧與供氧    

        污泥增長曲線                                               供氧

   量            b  Dx                                          需氧  

      a   減  內(nèi)源代謝                                      DO濃度

                  池長             池長              池長

·工藝優(yōu)點(diǎn)：歷史悠久；停留時間長；污泥生長周期長，處理效率高（BOD去除率90-95%）；運(yùn)行穩(wěn)定，管理操作簡單，便于改革發(fā)展，污泥沉淀性能好；

  特別適用于對處理要求高，而水質(zhì)穩(wěn)定的廢水