活性污泥法原理与应用

1活性污泥法一、活性污泥法起源1.1活性污泥法背景18世纪60年代欧洲工业革命，工业和城市化快速发展，大量的工业废水、生活污水未经处理直接排入水体，成为当时污染最为严重的地区。图11858年，伦敦发生“大恶臭(TheGreatStink)”事件1.2活性污泥法起源大事记1865年，英国成立河流污染皇家委员会1898年，成立污水处理皇家委员会，是污水处理技术发展的里程碑事件1908年，污水处理皇家委员会提出著名的“30:20(SS:30mg/L、BOD:20mg/L)+完全硝化”出水标准，1912年该标准被采纳，当时被视为污水处理工艺发展的巨大挑战。1.3活性污泥法发明过程第一阶段：认识到氧气对污水净化的作用1882年，英国的安格斯·史密斯博士尝试向污水中鼓入空气，发现在任何情况下曝气都会使污水腐败延迟，且更易形成硝酸盐氮。1891~1898年，英国人洛可克在著名的劳伦斯试验站，采用生物滤池对污水进行了类似的曝气研究。1897年，英国曼彻斯特大学吉尔伯特·福勒教授进行了污水曝气试验，产生了清澈的出水；同时也产生了快速沉淀的颗粒物，但福勒当时认为这些沉淀物是试验的失败之处。结论：认识到氧的存在会使污水中的物质得到良好降解，但污水处理效率的提高却收效甚微。1.3活性污泥法发明过程第二阶段：认识到活性污泥对污水的净化作用1911年，劳伦斯试验站的首席化学家克拉克(Clark)和盖奇(Gage)进行污水曝气实验，发现随着污水的不断加入和曝气时间的增长，池内出现了絮状沉淀物；并发现当曝气停止后，随着沉淀物排出，出水开始变清。--首次发现了絮状沉淀物对污水的净化作用。1913年，英国曼彻斯特戴维汉姆实验室的化学工程师阿登(Arden)和洛克(Locket)特进行了曝气实验，在实验室过程中未将絮状物排出，而是把絮状物留存下来继续曝气，发现污水净化周期从初始的3周减少到24h内。--首次验证了絮状沉淀物对污水的净化作用。阿登在《无需滤池的污水氧化试验1》一文中首次提出“活性污泥”的概念，对活性污泥的发明具有划时代的意义6什么是活性污泥法？以活性污泥为主体的污水生物处理技术。本质：天然水体自净化作用的人工强化，是好氧生物处理过程。应用：去除污水中溶解和胶体状态的可生物降解有机物。7（一）什么是活性污泥？由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物群体及吸附的污水中有机和无机物质组成的、有一定活力的、具有良好的净化污水功能的絮绒状污泥。一、活性污泥88一组活性污泥图片9（二）曝气池活性污泥的性状颜色黄褐色、茶褐色状态似矾花絮绒颗粒味道土腥味，有霉臭味相对密度曝气池混合液：1.002～1.003回流污泥：1.004～1.006粒径0.02～0.2mm20～100cm2/mL比表面积1、正常pH略显酸性10（二）活性污泥的性状供氧不足或厌氧黑色灰白色供养过多或营养不足1、不正常1111曝气池12121313曝气池出水堰1414曝气池混合液配水进入二沉池151、栖息着的微生物（三）活性污泥的组成大量的细菌真菌原生动物后生动物除活性微生物外，活性污泥还挟带着来自污水的有机物、无机悬浮物、胶体物；活性污泥中栖息的微生物以好氧微生物为主，是一个以细菌为主体的群体，除细菌外,还有酵母菌、放线菌、霉菌以及原生动物和后生动物。活性污泥中细菌含量一般在107～108个/mL；原生动物103个/mL，原生动物中以纤毛虫居多数，固着型纤毛虫可作为指示生物，固着型纤毛虫如钟虫、等枝虫、盖纤虫、独缩虫、聚缩虫等出现且数量较多时，说明培养成熟且活性良好。2、干固体和水分含水98％~99％干固体1％~2%MLSS16按McKinney的分析：混合液悬浮固体：MLSS=Ma+Me+Mi+Mii式中：Ma——有活性的微生物；Me——微生物自身氧化残留物，即内源代谢残留的微生物有机体;Mi——有机污染物，吸附在污泥上未被降解；Mii——无机悬浮固体，吸附在污泥上。3、活性污泥的组成：有活性的微生物存在形态——菌胶团：由细菌分泌的多糖类物质将细菌等包覆成的粘性团块。174、按有机性和无机性成分：MLSSMLVSS:70%MLNVSS:30%MLSS——混合液悬浮固体浓度，也叫污泥浓度（g/L)，MLVSS——混合液挥发性悬浮固体浓度，表示混合液悬浮固体中有机物含量，但不仅是微生物的量，由于测定方便，目前还是近似用于表示污泥。MLNVSS——灼烧残量，表示无机物含量。MLVSS:一般范围为55％~75％，即MLVSS/MLSS=0.7~0.8，18污泥沉降比：SV（四）活性污泥的沉降浓缩性能取混合液至1000mL或100mL量筒，静止沉淀30min后，度量沉淀活性污泥的体积，以占混合液体积的比例（%）表示污泥沉降比。可反映污泥的沉降性能。污泥沉淀30min后密度接近最大，故SV可反映沉降性能。能反映污泥膨胀等异常情况，可控制剩余污泥的排放量。城市污水正常值为15%～30%左右。简单易行但SV不能确切表示污泥沉降性能。1919污泥体积指数：SVI(污泥指数、污泥容积指数曝气池出口处出混合液，经30分钟静沉后，每g干泥所形成的湿污泥的体积，简称污泥指数，单位为mL/g。1L混合液沉淀30min的活性污泥体积（mL）SV(mL/L)SVI==1升混合液中悬浮固体干重（g）MLSS(g/L)反映污泥的凝聚、沉降性能。SVI应在100～150（有说70～100）。影响SVI的最重要的因素是微生物群体所在的增殖期。太高，沉降性能差，可能膨胀；太低，可能处在内源呼吸期，泥粒细小而紧密，易沉降，活性差，无机物多。实际运行中，一般用SV了解SVI，因为曝气池MLSS变化不大。206、污泥龄(SRT)θc：是指微生物平均停留时间，实质上是反应系统内的微生物全部更新一次所用的时间，在工程上，就是指反应系统内微生物总量与每日排出的剩余微生物量的比值。以θC表示，单位为d。定义式为TTCt/(））（XX（X)T——曝气池中活性污泥总质量，kg（ΔX/Δt)T——每天从系统中排出的活性污泥质量,kg/d21（1）含义：•对于一定量的基质，达到一定处理效率所需要的微生物的量;•对于一定进水浓度的污水（S0）只有合理选择污泥浓度（X）和恰当的污泥负荷Ls才能达到指定的处理效率；•污泥负荷决定活性污泥的生长阶段；•Ls决定活性污泥的凝聚、沉降和系统的处理效率。【7】污泥负荷XVSQMFL0S)()(微生物的总量基质的总投加量22指曝气池的单位容积，在单位时间内所能够接受，并将其降解到某一规定额数的BOD5的质量，即:式中：Lv——容积负荷，kg(BOD5)/(m3·d)。【8】容积负荷V00VLQSVVQSL实际计算:•X、Ls、Lv可查p118表12-1.•对于某些工业污水，试验确定X、Ls、Lv•污泥负荷法应用方便，但需要一定的经验。2323二.活性污泥法的基本流程24三、活性污泥降解污水中有机物的过程活性污泥在曝气过程中，对有机物的降解（去除）过程可分为两个阶段：吸附阶段稳定阶段由于活性污泥具有巨大的表面积，而表面上含有多糖类的黏性物质，导致污水中的有机物转移到活性污泥上去。主要是转移到活性污泥上的有机物为微生物所利用。25第二节活性污泥法数学模型基础26莫诺特（Monod）模式方程式研究微生物的比生长速率与底物的浓度之间的关系——探讨微生物生长动力学27微生物增长速度和微生物本身的浓度、底物浓度之间的关系是废水生物处理中的一个重要课题。有多种模式反映这一关系。当前公认的是莫诺特方程式：式中：S——限制微生物增长的底物浓度，mg/L；μ——微生物比增长速度，即单位生物量的增长速度。maxsSkSK-SKsSdmaxXdtdX微生物实际增长模型：其中μmax为最大比生长速率(T-1);Ks为微生物生长速率为最大比生长速率1/2时的基质浓度(g/L);Kd为微生物内源衰减速率微生物实际增长模型（考虑衰亡）29在生化反应中，反应速度是指单位时间里底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。在废水生物处理中，是以单位时间里底物的减少或细胞的增加来表示生化反应速度。图中的生化反应可以用下式表示：即该式反映了底物减少速率和细胞增长速率之间的关系，是废水生物处理中研究生化反应过程的一个重要规律。tytdXd1dSdSdXdyPXSzytytdSddXd及式中：反应系数又称产率系数，mg（生物量）/mg（降解的底物）XK-S)(KsYXSdmaxdtdS基质降解模型：其中μmax为最大比生长速率(T-1);Ks为微生物生长速率为最大比生长速率1/2时的基质浓度(g/L);Kd为微生物内源衰减速率基质降解速率模型K-SKsYSdmax）（XdtdS31微生物增长与底物降解的基本关系式式中：Y——产率系数；Kd——内源呼吸（或衰减）系数；X——反应器中微生物浓度。——微生物净增长速度；——底物利用（或降解）速度；g)dd(tXu)dd(tSXKtSYtXdug)dd()dd(32在实际工程中,产率系数（微生物增长系数）Y常以实际测得的观测产率系数（微生物净增长系数）Yobs代替。故式从上式得：式中：μ′为微生物比净增长速度。上列诸式表达了生物反应处理器内,微生物的净增长和底物降解之间的基本关系，亦可称废水微生物处理工程基本数学模式。XKtSYtXdug)dd()dd(可改写为：uobsg)dd()dd(tSYtXdYqK或dug)d/(d)d/(dKXtSYXtX同理，从式得：qYobs'/qK-dobsYY反应器动力学-物料平衡如何建立物料平衡方程？关键步骤：第一步：确定处理系统的组成第二步：必须确定控制单元第三步：建立某一种物质组分物料平衡方程总原则：一个物料方程只能针对一种成分！！反应器动力学-物料平衡Q=Qin-Qout+QpQ-控制单元内物质累积速率Qin-物质流进速率Qout-物质流进速率Qp-物质产生速率控制单元内某成分物料平衡总方程：QinQoutQp某控制单元内某组分物料图间歇反应器动力学模型Q=Qin-Qout+Qp其中Qin=0,Qout=0以反应器中底物降解与微生物生长为例：QinQoutQproduce某控制单元内某组分物料图Q=Qp控制单元内只需考虑反应器内部底物的降解和微生物积累，无外源添加或排出。间歇反应器污染物降解与微生物增长动力学模型:aaXb)-SKSdtdXmax(微生物增长模型：假设基质利用速率和微生物增长速率均符合Monod模型：其中qmax为最大比基质利用速率[(g基质/g微生物）/T]；K为微生物生长速率为最大比生长速率1/2时的基质浓度(g/L)；Xa为微生物浓度(g/L)amaxXSKSqdtdS底物降解模型：其中μmax为最大比生长速率(T-1);K为微生物生长速率为最大比生长速率1/2时的基质浓度(g/L);b为微生物内源衰减速率非稳态间歇反应器动力学模型从底物S降解和微生物Xa增长方程，可以看出两者均随时间t变化，同时又相互依赖amaxXSKSqdtdSaaXb)-SKSdtdXmax(由于Monod方程为非线性方向,无法得到底物S或微生X与反应t分析解底物降解：微生物增长：间歇反应器底物降解动力学模型求解：引入参数Y，即微生物细胞合成实际产率(消耗单位底物可合成的微生物量)maxmaxqY假设条件：微生物衰亡速率忽略（b=0）,在微生物指数生长期这一假设是合适的。可得出任何时刻微生物浓度Xa:Xa=Xa0+Y(S0-S)代入到底物降方程中，可得到间歇反应器中底物降解方程：)(00SSYXSKSqdtdSamaxamaxXSKSqdtdS000000000max1)(11aaaaaLnXYSSXLnYSXKYSYSXLnYYSXKqt根据边