污水生物处理工程基础

污水生物处理工程基础大纲要求本章所应掌握的内容是：1、污水生物处理⑴掌握活性污泥法的机理、有机物生物降解的影响因素及工艺；⑵掌握生物膜法的机理、影响因素及工艺；⑶掌握生物脱氮、除磷的机理、影响因素及典型工艺；⑷掌握厌氧生物处理的机理、影响因素及典型工艺。2、污泥处理、处置⑴熟悉污泥的特性；⑵掌握污泥处理技术和方法；⑶了解污泥的最终处置方法。3、流域水污染防治⑴熟悉水体污染物的主要来源、特性及其危害；⑵了解流域水污染防治的基本原则和方法；⑶了解污染水体的净化和生态修复的基本方法。污水的生物处理技术是现代生物工程的一个组成部分。在自然界存在着大量的以有机物为营养物质的微生物，它们能通过自身新陈代谢的生理功能，氧化分解一般的有机物并将其转化为稳定的无机物，而且还能转化某些有毒的有机物及无机物。污水生物处理分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。生物处理主要去除水中溶解状态和胶体状态的有机物。好氧生物处理的进行需要有氧的供应，而厌氧生物处理则需保证无氧的环境。常用的人工好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两种。1活性污泥法1.1活性污泥法的基本工艺流程1.活性污泥法的基本概念向生活污水中注入空气并进行曝气，每天保留沉淀物，更换新鲜污水，如此操作并持续一段时间后，污水中生成一种黄褐色的絮凝体，即活性污泥。以活性污泥为主体的污水生物处理工艺称为活性污泥法。在活性污泥法中起主要作用的是活性污泥。在活性污泥上栖息着具有强大生命力和降解水中有机物能力的微生物群体。2、活性污泥法的基本工艺流程活性污泥法的基本工艺流程由曝气池、二沉池、曝气系统、污泥回流及剩余污泥排放五部分组成。废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，空气中的氧溶入混合液，产生好氧代谢状态。随后曝气池内的泥水混合液流入二沉池，进行泥水分离，活性污泥絮体沉入池底，泥水分离后的水作为处理水排出二沉池。二沉池沉降下来的污泥大部分作为回流污泥返回曝气池，称为回流污泥，其余的则从沉淀池中排除，这部分污泥称为剩余污泥。从上述流程可以看出，要使活性污泥法形成一个实用的处理方法，污泥除了要具有氧化和分解有机物的能力外，还要有良好的凝聚和沉降性能，以使活性污泥能从混合液中分离出来，得到澄清的出水。1.2活性污泥的形态及组成1、活性污泥的形态活性污泥的絮体形态与微生物组成、数量、污水中污染物的特性及外部条件絮体大小一般介于0.02~0.2mm，呈不定形状，微具土壤味。活性污泥具有较大的比表面积，可达2000~10000m2/m3。2、活性污泥的组成活性污泥主要由四部分组成：具有代谢功能的活性微生物群体；微生物内源呼吸和自身氧化的残留物；被污泥絮体吸附的难降解有机物；被污泥絮体吸附的无机物。活性污泥的净化功能主要取决于栖息在活性污泥上的微生物。活性污泥微生物以好氧细菌为主，也存活着真菌、原生动物和后生动物等。这些微生物群体组成了一个相对稳定的生态系。活性污泥中的细菌以异养型的原核细菌为主，对正常成熟的活性污泥，每毫升活性污泥中的细菌数大致在107~109个。细菌虽是微生物主要的组成部分，但是活性污泥中哪些种属的细菌占优势，要看污水中所含有机物的成分以及活性污泥法运行操作条件等因素真菌构造较为复杂而且种类繁多，是多细胞的异养型微生物。与活性污泥法处理有关的真菌主要是霉菌。霉菌是微小的腐生或寄生的丝状真菌，它能够分解碳水化合物、脂肪、蛋白质及其它含氮化合物。但是，真菌的大量的增殖会产生污泥膨胀现象，严重影响活性污泥系统的正常工作。真菌在活性污泥法中的出现往往与水质有关。原生动物的主要摄食对象是细菌。活性污泥中的原生动物主要有肉足虫、鞭毛虫和纤毛虫三类。原生动物为单细胞生物，大多为好氧化能异养型菌。在活性污泥法的应用中，常通过观察原生动物的种类和数量，间接地判断污水处理的效果，所以原生动物又称为活性污泥系统的指示性动物。以细菌、原生动物以及活性污泥碎片为食的后生动物（如轮虫、线虫等）在活性污泥中不经常出现，特别是轮虫仅在有机物含量低且水质好的系统（即完全氧化型的活性污泥系统）中才较多出现，因此轮虫又称为活性污泥系统的指示性动物，是出水水质好的标志。1.3活性污泥增长曲线1、增长曲线活性污泥微生物是多菌种混合群体，其生长规律比较复杂，但是也可用其增长曲线表示一定的规律。该曲线表达的是，在温度和溶解氧等环境条件满足微生物的生长要求，并有一定量初始微生物接种时，营养物质一次充分投加后，微生物数量随时间的增殖和衰减规律。活性污泥增长速率的变化主要是营养物或有机物与微生物比值（通常用F/M表示）所致，F/M值也是有机底物降解速率、氧利用速率、活性污泥的凝聚、吸附性能的重要影响因素。根据微生物的生长情况，微生物的增殖可以分成以下四个阶段：第一阶段：停滞期（适应期）本阶段是微生物培养的初期，活性污泥微生物没有增殖，微生物刚进入新的培养环境中，细胞中的酶系统开始对环境进行适应。本阶段微生物细胞的特点是：分裂迟缓、代谢活跃、一般数量不增加但细胞体积增长较快，易产生诱导酶。停滞期对于后续微生物功能的发挥是非常重要的。在实际应用中活性污泥法的启动初期会遇到这一阶段。第二阶段：对数增殖期本阶段营养物质过剩，F/M值大于2。微生物的生长特点是：代谢活性最强，组成微生物新细胞物质最快，微生物以最大速率把有机物氧化和转换成细胞物质。在这种情况下，活性污泥有很高的能量水平，特别表现在其活性很强，吸附有机物能力强，速度快，另外也因能量水平高，导致活性污泥质地松散，絮凝性能不佳。第三阶段：减速增殖期在本阶段由于营养物质不断消耗和新细胞的不断合成，F/M值降低，培养液中的有机物已被大量消耗，代谢产物积累过多，使得细胞的增殖速度逐渐减慢，活性污泥从对数增殖期过渡到减速增殖期，营养物质减少，微生物能量水平降低，细菌开始结合在一起，活性污泥的絮凝体开始形成，活性开始减弱，凝聚、吸附和沉降性能都有所提升。在此阶段，如果再添加有机物等营养物质，并排出代谢物，则微生物又可以恢复到对数增殖期，大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在减速增殖期。第四阶段：内源呼吸期经过减速增殖期后，培养液中的有机物含量继续下降，F/M值降到最低并保持一常数，微生物已不能从其周围环境中获取足够的能够满足自身生理需要的营养，并开始分解代谢自身的细胞物质，以维持生命活动，活性污泥微生物的增殖便进入了内源呼吸期。在本期的初期，微生物虽然仍在增殖，但其速率远低于自身氧化的消耗，活性污泥减少，在本期中，营养物质几乎消耗殆尽，能量水平极低，絮凝体形成速率提高，这时细菌凝聚性能最强，细菌处于“饥饿状态”，吸附有机物能力显著，游离的细菌被栖息在活性污泥菌胶团表面上的原生动物所捕食，使处理水的水质显著澄清。2、活性污泥增长曲线的应用营养物或有机物与微生物比值（即F/M值）的高低影响微生物的代谢，当F/M值高时，营养物质相对过剩，微生物繁殖快，活力很强，处理污水的能力高，例如在对数增殖期就是这种状况。但是，由于微生物活性高，细胞之间存在的电斥力大于范德华引力，导致微生物的絮凝和沉淀效果差，出水中所含的有机物含量高，因此，在污水的生物处理中，为了取得比较稳定和高效的有机物处理效果，一般不选用处于对数期的工况条件，而常采用处于减速增殖期或内源呼吸期的工况条件。F/M值的高低影响微生物的增殖过程，影响微生物的絮凝和沉降性能，同时也影响溶解氧的消耗速度，是非常重要的活性污泥法工艺设计和运行指标。1.4活性污泥法的性能指标评价活性污泥，除了进行生物相的观察外，还使用以下指标：1、混合液悬浮固体浓度（MLSS）又称混合液污泥浓度，它表示的是曝气池单位容积污水混合液中的活性污泥的浓度，即在单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物的总重量，单位是mg/L、g/L等。它包括四项总量，即：具有代谢功能的活性微生物群体（aM）；微生物内源呼吸、自身氧化的残留物(eM)；原污水含有的微生物难以降解的有机物(iM)以及原污水含有的无机物(iiM)等四部分，公式为：MLSS=iiieaMMMM工程上往往以它作为相对计量活性污泥微生物量的指标，在活性污泥法中，通常在2000~4000mg/L的范围内。2、混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）MLVSS是指曝气池单位容积污泥污水混合液中，所含有机固体的总重量，包括混合液悬浮固体浓度中的前三项，单位为mg/L、g/L等。一般情况下，MLVSS和MLSS的比值相对恒定，为0.65~0.85，在以处理生活污水为主的城市污水活性污泥法系统中，其比值约为0.75。3、污泥沉降比（SV）污泥沉降比是指曝气池混合液在1L量筒中静置沉淀30min，沉淀污泥与静置前混合液的体积比。它能及时地反映出污泥膨胀等异常情况，便于及早查明原因，采取措施。4、污泥容积指数（SVI）污泥容积指数是指曝气池中的混合液静置30min后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占的容积，单位为mL/g。SVI值能较好地反映出活性污泥的松散程度（活性）和凝聚沉降性能，一般在50~150左右。若SVI值过低，说明泥粒细小紧密、无机物多，缺乏活性和吸附能力；若SVI值过高，表明其污泥絮体松散、沉降性能不好，即将膨胀或已经膨胀，必须查明原因，并采取措施。例题：测得曝气池出口处混合液中活性污泥浓度为2500mg/L，1L混合液经30min沉淀后的污泥体积为300mL，则该曝气池混合液的污泥沉降比和污泥容积指数是多少？解：沉降比SV%＝%30%1001000300%100＝＝混合液体积数沉淀污泥体积数污泥容积指数SVI＝gmLMLSSSV/1205.2%3030％曝气池的污泥容积指数为120（表示指数时，单位常省略），说明1g干污泥在没烘干前的体积是120mL。“120”这个数字也意味着经过30min沉淀后，从混合液分离出来的活性污泥是脱水后干污泥的120倍，由此可以推算出活性污泥的固体率为：1/120×100%＝0.8%，则污泥的含水率P为%99%2.99%8.01%10011SVIP5、污泥泥龄（c）污泥泥龄，是指曝气池中活性污泥的总量与每日排放的污泥量之比，它是活性污泥在曝气池中的平均停留时间，因此有时也称为生物固体的平均停留时间，单位为天。其公式为：XVXc式中c是污泥龄（d），X指混合液悬浮固体浓度（kg/m3），V指曝气池的体积（m3），X指每日排出处理系统的活性污泥量，即曝气池中每日增长的活性污泥量，（kg/d）X可用下式计算：ewrwXQQXQX)(式中，wQ指剩余污泥的排放量（m3/d），Q是污水流量（m3/d），eX是排放处理出水中悬浮物浓度（kg/m3），其值与X与相比非常小，可忽略不计，rX是剩余污泥或回流污泥的浓度（kg/m3），指从二沉池底部排出的污泥浓度，与污泥容积指数的近似关系是：SVIXr610常按照设计污泥龄来划分生物处理负荷，高负荷时为0.2~5d，中负荷时为5~15d，低负荷时为20~30d。6、污泥负荷和曝气池容积负荷⑴污泥负荷（sU）在活性污泥法中，有机物量与活性污泥量的比值，即曝气池进水BOD5污泥负荷，简称污泥负荷或食料比（即F/M值），它表征了曝气池中的单位重量活性污泥在单位时间内接受的有机污染物量，是以进水有机物为基础进行计算的。其公式为VXSQUVs0式中sU是曝气池进水BOD5污泥负荷，Q是曝气池的设计流量，S0是曝气池进水BOD5浓度，XV是曝气池内混合悬浮固体平均浓度，V是曝气池的容积。实际应用中应注意污泥负荷的选择，并非越大越好，取值还应考虑进水负荷下BOD5的去除率，只有在同一有机物去除率的条件下比较污泥负荷的大小才有实际意义。有时为了使用方便，常采用以有机物去除为基础的污泥负荷rsU，用下式表示VXSSQUers)(0式中，eS指曝气池出水BOD5浓度它表征了曝气池中的单位重量活性污泥在单位时间内降解的有机污泥物量。⑵容积负荷（vU）是指曝气池单位容积在单位时间内接受有机污染物量，公式为：VSQUv0容积负荷是以有机物供给为基础进行计算的