第六章好氧生物处理

第六章水的好氧生物处理生物处理是微生物通过其本身新陈代谢的生理功能，将有机物氧化分解为无机物。污水的生物处理技术利用微生物这一生理功能，采取一定的人工技术措施，创造有利于微生物生长、繁殖的良好环境，加速其繁殖及新陈代谢生理功能，使污水中的有机物得以降解、去除的处理技术。水厌氧法－高浓度有机废人工强化生物膜法－土壤自净的的人工强化活性污泥法－水体自净好氧法包括去除对象：溶解和胶体状态的有机污染物第一节活性污泥法一、基本原理（一）基本概念1．活性污泥：向生活污水中注入空气曝气，并持续一段时间后，污水中即形成一种絮凝体，这种絮凝体主要由大量繁殖的微生物群体所构成，它易于沉淀分离，并使污水得到澄清，称之为活性污泥。活性污泥上有大量微生物，外观黄褐色絮绒颗粒状，具有较大的比表面积，含水率99％。2．活性污泥的组成由活性的微生物Ma、微生物自身氧化的残留物（死菌）Me、吸附在活性污泥上不能为生物降解的有机物Mi和无机物Mii。（1）活性污泥微生物以好氧细菌为主，也存在真菌、原生动物和后生动物等――组成相对稳定的生态系。（2）污水中有机物的成分决定哪些种属的细菌占优势。活性污泥上的细菌以异养型原核细菌为主，数量大约107～108/ml，主要有动胶杆菌属、假单胞菌属（含糖、烃类污水）、产碱杆菌属（蛋白质多的污水）、黄杆菌属及大肠杆菌等。繁殖速度较高，每个世代20～30min。以菌胶团形式存在，游离细菌较少。菌胶团－各种细菌及细菌所分泌粘液物质（多糖、多肽类物质）组成的絮凝体状团粒。只有在菌胶团良好发育的条件下，活性污泥的絮凝、吸附、沉降等性能才能正常发挥。（3）与活性污泥有关的真菌主要是霉菌，一种丝状真菌，能分解有机物，但大量繁殖可能导致污泥膨胀。（4）原生动物－有肉足虫、鞭毛虫和纤毛虫，主要捕食对象是细菌，不同阶段类型不同a．开始阶段－游离细菌多，出现鞭毛虫、肉足虫－水质欠佳b．游泳型纤毛虫c．活性污泥成熟，细菌凝聚为菌胶团，出现固着型纤毛虫（钟虫、等枝虫等）－水质良好。原生动物－活性污泥系统的指示性生物，还能吞食游离细菌，进一步净化水质。（5）后生动物（轮虫等）一般不出现，仅在水质优异的完全氧化型活性污泥系统（延时曝气）中出现。是水质非常稳定的标志。（二）基本流程回流污泥－使曝气池保持一定的悬浮固体浓度，即保持一定的微生物浓度和活性。剩余污泥－增殖的微生物量，为保持系统稳定运行，需排除。二沉池－完成泥水分离。曝气系统－供氧，搅拌。曝气池－完成生物处理。（三）活性污泥的评价指标除生物相观察外，还使用以下指标1．表示活性污泥数量的指标（1）混合液悬浮固体浓度MLSS（Mixedliquorsuspendedsolid）单位容积混合液中所含活性污泥固体物的总重量，mg/lMLSS=Ma+Me+Mi+Mii测定简单，表示活性污泥微生物数量的相对值。（2）混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS混合液活性污泥中有机性固体物质的浓度MLVSS=Ma+Me+MiMe+Mi还是难以生物降解一般MLVSS/MLSS比较固定，生活污水0.7~0.82．活性污泥的沉降与浓缩性能评价指标（1）污泥沉降比（SV％）指曝气池混合液，在1000ml量筒中静置沉淀30min，沉淀污泥与混合液的体积比（％）一般可接近它的最大密度，SV％可以反映曝气池正常运行的污泥量，用于控制剩余污泥的排放。及时反映出污泥膨胀等异常情况，便于及早查明原因，采取措施。正常15～30％。（2）污泥指数SVI污泥容积指数，是指曝气池出口处混合液经静置沉淀30min后，每克干污泥所占的容积，以mL计。mL/g))/()/()/(min30（＝污泥干重静沉后污泥体积混合液＝MLSSLmLSVLgLmLSVI反映活性污泥的松散程度（活性）和凝聚沉降性能，一般50～150左右。膨胀）分离，即将膨胀（或已值过高－污泥难于沉降和吸附能力，无机物多，缺乏活性值过低－泥粒细小紧密SVISVI[例]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沉淀后污泥体积为300ml，则混合液SV％和SVI是多少？gmLLgLmL/120/5.2/300MLSSSVSVI2301001000300SV1＝）（＝＝）（％％＝％＝）解：（SVI值受水质和曝气方法影响，两个SVI来自不同水厂条件不同，相比没有多大意义。3．活性污泥的增长规律及有关指标活性污泥主要依靠微生物对水中有机物的降解和去除作用，达到水质净化目的。所以，了解微生物的生长规律，用以控制与发展活性污泥法的运行方式。营养物或有机底物F与微生物量M比值（F：M）是微生物增殖速率的重要因素，也是有机物降解速率、氧利用率、活性污泥的凝聚、吸附性能的重要影响因素。（1）适应期lagphase微生物没有增殖，对于污水进入形成的新环境条件，细胞内的酶系统有一个适应过程。BOD、COD下降很少。（2）对数增长期theexpotentialgrowthphase营养过剩，F/M2.2，微生物以最大速率氧化分解有机物和增殖、合成新细胞。活性污泥增长速率只受其生物量（MLVSS）及自身机理有关，与营养物无关。活性污泥有很高的能量水平，其活性很强，吸附有机物能力强，速度快；微生物活动能力强，活性污泥质地松散，絮凝性能不佳。代谢速率快，需大量氧，必须维持相应的氧转移率，否则，有机底物降解及微生物增殖速率都将低下。（3）减速增长期stationaryphase由于营养物F下降，细胞M增长，F/M值降低，营养物不再过剩，成为制约微生物增殖的因素。有机物降解速率，微生物增长速率与残存的有机物呈一级反应关系。营养物F下降，微生物能量水平下降，细菌之间无能力克服相互之间吸引力，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（但仍有相当活性），凝聚、吸附、沉降性能有所提高，水质改善。（4）内源呼吸期F/M下降到最低值并保持一常数，微生物已不能从周围环境中获取足够满足自身生理需要的营养，并开始代谢自身的细胞物质，以维持生命活动。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。细菌凝聚性能最强，细菌处于饥饿状态，吸附有机物能力强。细菌（游离）被栖息于活性污泥表面的原生动物所捕食，处理水质良好，稳定度提高。F/M－控制活性污泥微生物的增殖期。不同时期，微生物性能不同，处理水质不同。通过F/M调整，使曝气池内活性污泥，主要是出口处处于我们要求的增殖期。F/M以BOD－污泥负荷率（NS）表示：)/(kgBOD5dkgMLSSXVQSNMFos其中：Q－污水流量，m3/dS0－原污水有机底物（BOD5）浓度，mg/LV－反应器（曝气池）容积，m3X－混合液悬浮固体（MLSS）浓度，mg/L污泥龄ts－为曝气池中活性污泥量与每日排放的剩余污泥量之比，即活性污泥在曝气池内的停留时间，又叫生物固体平均停留时间。（SRT－solidretentiontime）。kg/dX(d)即排放量），－每日的污泥增长量（XVXsθS－是活性污泥处理系统设计与运行管理的重要参数，它直接影响池内活性污泥的性能和其功能。（四）活性污泥净化反应过程活性污泥去除有机物的过程：1．吸附阶段污水和污泥刚开始接触的5～10min内，出现了很高的BOD去除率，水中有机物被吸附到活性污泥上（活性污泥具有巨大的比表面积，表面上含有多糖类粘性物质。）这过程很快，30min内完成，BOD去除率达70％。与有机底物的接触程度定絮凝体与水力动力学规律－决反应器内水力扩散程度附、凝聚功能微生物的活性程度－吸反应速度取决于吸附在表面的有机物，经数小时的曝气后，才能被代谢。2．代谢阶段活性污泥上的有机物被微生物代谢利用，这个过程比较缓慢。微生物对有机物进行合成代谢，形成新的细胞物质，所需能量取自分解代谢。微生物一直在对自身细胞物质进行氧化分解，并提供能量（内源呼吸）。当有机底物充足，大量合成新细胞物质，内源呼吸不明显。当有机物消耗殆尽时，内源呼吸成为提供能量的主要方式。分解、合成代谢都能去除有机污染物，但产物不同。系统）（以剩余污泥方式排出合成代谢产物－新细胞和分解代谢产物－OHCO22（五）对活性污泥反应的影响因素创造有利于微生物生理活动的环境条件1．BOD负荷率BOD负荷率(F/M)是影响活性污泥增长、有机物降解的重要因素。费用处理能力反应器降解速度质不合格）受纳水体水质要求（水经济反应器降解速度活性污泥增长和有机物VVMFMFF/M与活性污泥膨胀现象有关。NS＝0.5~1.5kgBOD/kgMLSSd――膨胀区NS0.5，NS1.5kgBOD/kgMLSSd，――高、低负荷区（不会出现膨胀）2．水温最佳温度20～300C（酶促反应）控制10～350C3．DO曝气池出口处DO2mg/l（扩散至絮凝体深处）膨胀有利于丝状菌生长，易不经济，耗能大DODO4．PH值一般6.5~8.5菌胶团解体，破坏化原生动物消失，水质恶，膨胀，占优势，絮凝体破坏＝有利于真菌生长，9PH4.5PH5.6PH5．营养平衡C、N、P达到一定浓度，并保持一定平衡（供给微生物代谢）生活污水BOD：N：P＝100：5：1；微生物对C、N、P的需要量为46：8：1。经物理处理后BOD：N：P＝100：20：25。生活污水和城市废水含有足够营养物质，但某些工业废水，如石油化工、制浆废水缺乏N、P等，需向水中投加N、P，以保持废水中营养平衡。6．有毒物质（抑制物质）重金属及其盐类（无机物）是蛋白质的沉淀剂，其离子易与细胞蛋白质结合，使之变性，或与酶的－SH基结合而使酶失活。酚、醇、醛等有机物使生物蛋白质变性或脱水，损坏细胞质，使微生物致死。有毒物质有允许浓度。实践证明，经过长期驯化的活性污泥能够承受比允许浓度高得多的浓度，有毒的有机化合物还能被微生物氧化分解，甚至可能成为微生物的营养物质而被摄取。（冲击负荷不大的情况下）二、有机物降解与活性污泥反应动力学基础有关动力学模式是以完全混合式曝气池为基础建立的，经过修正后再应用到推流式曝气池系统。假定：（1）活性污泥系统运行条件绝对稳定（2）活性污泥在二沉池内不产生微生物代谢活动，而且其量不变；（3）系统中不含有有毒物质和抑制物质。动力学能够通过数学式定量地或半定量地揭示活性污泥系统内有机物降解、污泥增长（微生物增殖）、耗氧等作用与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系。对工程设计与优化运行管理有着一定的指导意义。但活性污泥反应是多种基质和多种混合微生物群体参与的一系列类型不同、产物不同的生化反应的综合，在应用时根据具体条件修正。（一）有机物降解动力学1．米－门公式生化反应总速率取决于起主导作用的酶促反应活性，米凯利斯－门坦提出了酶促反应动力学公式。（1913年，单一底物，单一反应）SkSvvmmax式中：v－酶促反应中产物生成速率。Vmax－产物生成的最高速率。S－有机底物浓度Km－米氏常数（饱和常数），为v=Vmax/2时的S。2．莫诺公式反映微生物比增殖速率与有机底物浓度关系（单一底物，纯种微生物）SkSsmax式中：μ－微生物比增殖速率（单位生物量增殖速率）μmax－微生物最高比增殖速率S－有机底物浓度Ks－饱和常数，为μ=μmax/2时的S。假定：微生物比繁殖速度μ与有机物比降解速度v呈比例。可用莫诺模式描述有机物比降解速度v与有机物浓度关系：SkSvvsmaxXvSkSXvdtdsSkSvstdsXvssmaxmax1有机物降解速度有机物比降解速度3．推论（1）高底物浓度（SKS，）KS忽略，v=vmax)(kmax11maxvXkXvdtds有机物降解速度有机底物以最大速度降解，与有机物浓度S无关。――微生物处于对数增殖期，酶系统活性为有机物饱和。（2）低底物浓度（SKS）XSkdtdskvSkkSvSkSvstdsXvsss2max22maxmax)(k1有机物降解速