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水污染控制第四章、污水的生物处理教学要求1、掌握活性污泥法的基本原理及其反应机理2、理解活性污泥法的重要概念与指标参数：如活性污泥、剩余污泥、MLSS、MLVSS、SV、SVI、Qc、容积负荷、污泥产率等。3、理解活性污泥反应动力学基础及其应用。4、掌握活性污泥的工艺技术或运行方式；5、掌握曝气理论。6、熟练掌握活性污泥系统的计算与设计；时间安排20h（其中机动2h）一、活性污泥法的基本原理1.基本概念与流程•活性污泥：是由多种好氧微生物、某些兼性或厌氧微生物以及废水中的固体物质、胶体等交织在一起的呈黄褐色絮体。•活性污泥法：是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。•实质：人工强化下微生物的新陈代谢(包括分解和合成)，•活性污泥法的工艺流程：(p123图4－16）a.预处理设施：包括初次池、调节池和水解酸化池，主要作用是去除SS、调节水质，使有机氮和有机磷变成NH+4或正磷酸盐、大分子变成小分子，同时去除部分有机物。b.曝气池：工艺主体，其通过充氧、搅拌、混合、传质实现有机物的降解和硝化反应、反硝化反应。c.二次沉淀池：泥水分离，澄清净化、初步浓缩活性污泥。•生物处理系统：微生物或活性污泥降解有机物，使污水净化，但同时增殖。为控制反应器微生物总量与活性，需要回流部分活性污泥，排出部分剩余污泥；回流污泥是为了接种，排放剩余污泥是为了维持活性污泥系统的稳定或MLSS恒定。2、活性污泥的特征与微生物①特征a、形态：在显微镜下呈不规则椭圆状，在水中呈“絮状”。b、颜色：正常呈黄褐色，但会随进水颜色、曝气程度而变（如发黑为曝气不足，发黄为曝气过度）。c、理化性质：ρ=1.002～1.006，含水率99%，直径大小0.02～0.2mm，表面积20～100cm2/ml，pH值约6.7，有较强的缓冲能力。其固相组分主要为有机物，约占75～85%。d、生物特性：具有一定的沉降性能和生物活性。（理解：自我繁殖、生物吸附与生物氧化）。e、组成：由微生物群体Ma，微生物残体Me，难降解有机物Mi，无机物Mii四部分组成。②微生物组成及其作用•组成：包括细菌、真菌、原生动物、后生动物及其食物链。•细菌：以异养型原核生物(细菌)为主，数量107～108个/ml，自养菌数量略低。其优势菌种：产碱杆菌属等，它是降解污染物质的主体，具有分解有机物的能力。•真菌：由细小的腐生或寄生菌组成，具分解碳水化合物，脂肪、蛋白质的功能，但丝状菌大量增殖会引发污泥膨胀。•原生动物：肉足虫，鞭毛虫和纤毛虫3类、捕食游离细菌。其出现的顺序反映了处理水质的好坏（这里的好坏是指有机物的去除），最初是肉足虫，继之鞭毛虫和游泳型纤毛虫；当处理水质良好时出现固着型纤毛虫，如钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫、盖纤虫等。10后生动物(主要指轮虫），捕食菌胶团和原生动物，是水质稳定的标志。因而利用镜检生物相评价活性污泥质量与污水处理的质量。•思考题：后生动物的出现反映了处理水质较好，因此能否说明出水氨氮较低，氨氮在生物处理过程中被硝化？③微生物增殖与活性污泥的增长：a、微生物增值：在污水处理系统或曝气池内微生物的增殖规律与纯菌种的增殖规律相同，即停滞期（适应期），对数期，静止期（也减速增殖期）和衰亡期（内源呼吸期）。b、从时间上看：•停带期：污泥驯化培养的最初阶段，即细胞内各种酶系统的适应期。此时菌体不裂殖、菌数不增加。•对数期：细胞以最快速度进行裂殖，细菌生长速度最大，此时微生物的营养物质丰富，生物生长繁殖不受底物或基质限制。如A段；在此阶段微生物增长的对数值与时间呈直线关系。其微生物数量大，但个体小，其净化速度快，但效果较差，只能用于前段处理（相当于生物一级强化工艺）。•减速增殖期：由于营养物质被大量耗消，此时细胞增殖速度与死亡速度相当。活菌数量多且超于稳定，个体趋于成熟。如B段（相当于二级处理）。•衰亡期：营养物基本耗尽，微生物只能利用菌体内贮存物质，大多数细胞出现自溶现象，细菌死亡多，增殖少，但细胞个体最大、净化效果强（对有机物而言）。同时，自养菌比例上升，硝化作用加强。如氧化沟或硝化段（相当于二级半或延时曝气工艺）。可见不同增殖期对应于不同微生物组合，对应于不同生物处理工艺。C、从空间看：由前至后污染物浓度不断降低，微生物数量由对数期逐步过渡至衰亡期，微生物组成由细菌逐步过度为轮虫等，水质逐步变好——类似于水体自净这一污水处理的原型。④絮体形成：•活性污泥的核心——菌胶团，它是成千上万细菌相互粘附形成的生物絮体。其在对数增长期，个体处于旺盛生长，其运动活性大于范性华力，菌体不能结合；但到了衰亡期，动能低微，范过华力大，菌体相互粘附，形成生物絮体，因此静止期与衰亡期个体是活性污泥的重要微生物。3、活性污泥反应（净化）机理：•反应或净化：指有机污染物作为营养物质被微生物摄取、代谢与利用的过程，是物理、化学、生物化学作用的综合，其机理如下：1）初期吸附去除：•污水与活性污泥接触5～10min，污水中大部分有机物(70%以上的BOD，75%以上COD)迅速被去除。此时的去除并非降解，而是被污泥吸附，粘着在生物絮体的表面，这种由物理吸附和生物吸附交织在一起的初期高速去除现象叫初期吸附。•思考题：为什么说是吸附？其吸附速度取决于：•①微生物的活性程度——饥饿程度，衰亡期最强；②水动力学条件：泥水接触或混合越迅速、越均匀、液膜更新越快，接触时间越长则越好；泥水接触水力学状态以湍流或紊流为好，但过大会击碎絮体。2）微生物的代射•被吸附的有机物粘附在絮体表面，与微生物细胞接触，在渗透膜的作用下，进入细胞体内，并在酶的作用下要不被降解，要不被同化成细胞本身。a、分解代谢：CXHYOZ＋(X＋0.25Y－0.5Z）O2酶XCO2＋0.5H2O＋Qb、合成代谢：nCXHYOZ＋nNH3＋n(X＋0.25Y－0.5Z）O2酶(C5H7NO2)n＋n(X－5)CO2＋0.5n(Y－4)H2O•其代谢产物的模式如下图：•具体代谢产物的数量关系如下图：即1/3被氧化分解，80％×2/3=53%左右通过内源呼吸降解，14%左右变成了残物。•从上述结果可以看出，污染物的降解主要是通过静止期、衰亡期微生物的内源呼吸进行，并非直接的生物氧化(仅33％)。•引申出的问题：在利用对数期微生物进行污水净化的装置中加大曝气强度，能否提高处理效果？二、活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数1、影响因素a、营养物组分：有机物、N、P、以及Na、K、Ca、Mg、Fe、Co、Ni等（营养物和污染物只是以数量及其比例相对而言）。比例：进水BOD：N：P＝100:5:1；初次池出水，100:20:2.5(为什么？）；对工业废水，上述营养比例一般不满足，甚至缺乏某些微量元素，此时需补充相应组分，尤其是在做小试研究中。b、DO：据研究当DO高于0.1～0.3mg/L时，单个悬浮细菌的好氧化谢不受DO影响，但对成千上万个细菌粘结而成的絮体，要使其内部DO达到0.1～0.3mg/L时，其混合液中DO浓度应保持不低于2mg/L。c、pH值：pH值在6.5～7.5最适宜，经驯化后，以6.5~8.5为宜。d、t（水温）：以20-30℃为宜，超过35℃或低于10℃时，处理效果下降。故宜控制在15℃~35℃，对北方温度低，应考虑将曝气池建于室内。e、有毒物质：重金属、酚、氰等对微生物有抑制作用，（前面已述）。Na、Al盐，氨等含量超过一定浓度也会有抑制作用。2、活性污泥处理系统的控制指标与设计，运行操作参数活性污泥处理系统是一个人工强化与控制的系统，其必须控制进水水量，水质，维持池内活性污泥泥量稳定，保持足够的DO，并充分混合与传质，以维持其稳定运行，具体评价指标如下：①微生物量的指标a、混合液悬浮固体浓度（MLSS），其由Ma+Me+Mi+Mii组成b、混合液挥发固体浓度（MLVSS）MLVSS=Ma+Me+Mic、MLVSS/MLSS在0.70左右，过高过低能反映其好氧程度，但不同工艺有所差异。如吸附再生工艺0.7～0.75，而A/O工艺0.67～0.70。②活性污泥的沉降性能及其评定指标：•污泥沉降比SV（%）：混合液在量筒内静置30mm后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分比。•污泥容积指数SVI：SVI=SV/MLSS。对于生活污水处理厂，一般介于70～100之间。当SVI值过低时，说明絮体细小，无机质含量高，缺乏活性；反之污泥沉降性能不好。为使曝气池混合液污泥浓度和SVI保持在一定范围，需要控制污泥的回流比。此外，活性污泥法SVI值还与BOD污泥负荷有关。当BOD污泥负荷处于0.5—1.5kg/（kgMSS.d）之间时，污泥SVI值过高，沉降性能不好，此时应注意避免。③泥龄（Sludgeage）Qc：生物固体平均停留时间或活性污泥在曝气池的平均停留时间，即曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比，用公式表示：θc＝VX/⊿X＝VX/QwXr。式中：⊿X为曝气池内每日增长的活性污泥量，即要排放的活性污泥量。Qw为排放的剩余污泥体积。Xr为剩余污泥浓度。其与SVI的关系为(Xr)max＝106/SVI•Qc是活性污混处理系统设计、运行的重要参数，在理论上也具重要意义。因为不同泥龄代表不同微生物的组成，泥龄越长，微生物世代长，则微生物增殖慢，但其个体大；反之，增长速度快，个体小，出水水质相对差。Qc长短与工艺组合密切相关，不同的工艺微生物的组合、比例、个体特征有所不同。污水处理就是通过控制泥龄或排泥，优选或驯化微生物的组合，实现污染物的降解和转化。④负荷：a、BOD污泥负荷：Ns＝QSa/XV=F/M，即单位重量活性污泥在单位时间内降解到预定程度的有机物量。b、BOD容积负荷：Nv＝QSa/V，指单位曝气池容积在单位时间内降解到预定程度的有机物量。C、BOD污泥负荷和BOD容积负荷的关系式：Nv＝NsX。BOD污泥负荷是活性污泥法设计、运行的一个重要参数。因为负荷与污水处理的技术经济性有关。负荷高则有机物降解速度与污泥增殖量加大，曝气池容积小，投资省，但其泥龄短，处理出水水质不高，难以满足环境要求；反之若过低则曝气池容积加大，投资加大，曝气量加大，经济性能降低。故应选择适宜的负荷，同时还要避开0.5～1.5kgBOD/kgMLSS.d负荷区间。•思考题能否通过增加污泥浓度，减少构筑物的体积，节省投资？⑤污泥产率：a、实际测试：污水中有机污染物的降解带来微生物的增殖与活性污泥的增长，活性污泥微生物的增殖是生物合成与内源呼吸的差值，即⊿X=aSa—bX。式中⊿X：活性污泥微生物净增殖量，kg/d；Sr：在活性污泥微生物作用下，污水中被降解、去除的有机污染物量，Sr＝Sa－Se；Sa：进入曝气池污水含有的有机污染物量，kgBOD/d。Se：经活性污泥处理后出水的有机污染物量，kgBOD/d。X：混合液活性污泥量，kg。a、污泥产率（降解单位有机污染物的污染量）。b、微生物内源代谢的自力氧化率。•对于不同污水、废水，因有机污染物组成不同，其a、b值不同（见P110-111表4-5、4-6）。b、理论推导（由试验配水研究）由于细胞合成与内源代谢同步进行，单位曝气池内活性污泥净增殖速度为：(dx/dt)g＝(dx/dt)s－(dx/dt)e式中(dx/dt)g为净增殖速度；(dx/dt)s为合成速度；(dx/dt)e为微生物内源代谢速度。其中：(dx/dt)s＝Y(dx/dt)uY为产率系数，每代谢1kgBOD合成的MLVSS量。(dx/dt)u为微生物对有机物的降解速度。其中：(dx/dt)e＝KdXvKd微生物自身氧化率d-1，并称衰减系数；Xv为MLVSS含量。代入得：(dx/dt)g＝Y(dx/dt)u－KdXv∴⊿X＝Y(Sa－Se)Q－KdVXv⊿X为日污泥排放量；(Sa－Se)Q为日有机物降解量；KdVXv为池内总MLVSS量。等式两边除以VXv得⊿X/VXv=Y(Sa－Se)Q/VXv－Kd由于⊿X/VXv=1/Qc；(Sa－Se)Q/VXv＝Ns（书中写成NrS）∴1/Qc＝YNs－KdC、二者的区别：•从物理意义上讲，a与y