废水处理微生物基础 第三章 水的生物化学处理方法 144页

第三章水的生物化学处理方法废水处理微生物基础n生物化学处理原理污染物水体的自净作用稀释水解光解氧化微生物的降解净化主要作用O2n废水生物处理的目的和重要性废水生物处理的主要目的有以下3点：①絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物；②稳定和去除废水中的有机物；③去除营养元素氮和磷。废水生物处理的重要性n生物处理在废水处理中的地位颗粒状有机物(>1m)胶体状有机物(1nm~100nm)溶解性有机物(<1nm)沉淀过滤分离法机械分离去除效率低分子状态存在于水中氧化法（生物法)处理的主要对象氧化：化学氧化和生物氧化n生物化学处理工艺自然过程及其强化应用面广阔城市污水60％以上世界上90％生活污水用生物处理大多数工业废水废水中氮的去除n我国水体中有机物污染状况1、我国水环境污染特点①废水排放量巨大；②我国水环境中量大面广的污染物是有机物；③N、P的污染也日益严重地表水：全国532条河流中80%以上已受严重污染“三河”：即海河、淮河、辽河；“三湖”：即太湖、巢湖、滇池近海海域：赤潮逐年增多地下水：n2、水环境中有机污染的主要来源①生活污水：COD=400~500mg/l，BOD5=200300mg/l；②工业废水：主要有石油化工、轻工、食品等行业，如：啤酒废水：820m3废水/m3酒，COD=20003500mg/l；酒精废水：1215m3废水/m3酒，COD=36万mg/l；味精废水：2535m3废水/吨味精，COD=610万mg/l；造纸黑液：120600m3废水/吨纸浆，COD=1015万mg/l3、水处理概况n有毒直接危害水生生物及人类慢性中毒直接危害水生生物及人类三致致癌、致畸、致突变等，严重危害人类的健康危害有机物污染的危害消耗水中的溶解氧DO水生生物受害水质变差无毒的有机物有毒的有机物污水的危害n污水的来源及危害危害有机物污染的危害有机污染的三个层次影响观感、灌溉、农渔业生产污染水源地，造成生活用水危机地下水水质也会受到影响n生活污水：家庭生活污水医院污水（经过消毒处理后）公共设施污水（如电影院、办公楼、餐厅等）工业废水——经过一定预处理之后初雨径流——当排水系统为合流制时其它废水生化处理理论基础城市污水的定义城市污水一般是指通过城市下水道收集到的所有污水城市污水的组成n我国城市污水处理的发展及现状始于二十世纪70年代利用郊区的坑塘洼地、废河道、沼泽地等稍加整修或围堤筑坝，建成稳定塘，对城市污水进行净化处理在全国已建成各种类型的稳定塘有38座，日处理城市污水约173万m3。其中生活污水量占一半，其余包括石油、化工、造纸、印染等多种工业废水。80年代，日益重视，有了较快发展国家适时调整政策，推动了一大批城市污水处理设施的兴建。我国第一座大型城市污水处理厂——天津市纪庄子污水处理厂于1982年破土动工，1984年4月28日竣工投产运行，处理规模为26万m3/d。在此成功经验的带动下，北京、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂几十座。n“八五”期间，发展高潮时期排水系统配套：到1995年，我国城市排水系统排水管道长度约为110062km，按服务面积计算，城市排水管网普及率为64.8%。处理厂建设：城市污水处理厂169座(其中二级生化处理厂116座)，日处理污水479万m3，处理率8.69%。与1990年相比，城市污水处理厂增加89座(其中有北京高碑店、天津东郊、石家庄桥西、广州大坦沙、无锡芦村、济南等大中型城市污水处理厂)，平均每年建污水处理厂17座。国家给予相应资金和技术上的支持。1996～1999年竣工投入运行的城市污水处理项目有22个，投资59.58亿元，日处理规模371.7万m3；在建项目109个，计划投资161.83亿元，日处理规模832.0万m3。据统计，到2000年底，全国已建设城市污水处理厂427座，其中二级处理厂282座，二级处理率约为15%。2000年用于城市污水处理工程建设的总投资约为150亿元。但目前绝大多数小城镇尚未建污水处理设施。“九五”期间，“三河”、“三湖”、“环渤海”水污染治理n发展规划根据我国国民经济发展计划和水污染防治规划中城市污水处理规划要求：到2010年，我国城市化率将达40％，城镇人口总量将从现在的3.8亿增加到6.7亿，城镇需水量将从目前的858亿m3增加到1290亿m3。污水处理率建制镇不低于50％，设市城市不低于60％，重点城市不低于70％。“十五”期间，“三河三湖”流域规划新建城市污水处理工程流域项目数投资（亿元）总处理规模(万m3/d)海河流域132214855淮河165144615辽河5798464太湖8493376巢湖117.850城市污水处理系统的规划在我国正受到越来越多的重视。规划目标主要包括：水源保护目标水环境质量控制目标污水再生利用目标n废水处理程度的分级1、一级处理：去除效果：BOD30%,SS50%；主要功能：①去除颗粒状有机物，减轻后续生物处理的负担；②调节水量、水质、水温等，有利于后续的生物处理。主要方法：物化法，如：沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、加热或冷却等2、二级处理：去除效果：BOD8590%，SS90%；主要功能：大量去除胶体状和溶解状有机物，保证出水达标排放；主要方法：各种形式的生物处理工艺3、三级处理：主要目的：①去除二级处理出水中残存的SS、有机物，或脱色、杀菌，②脱氮、除磷——防止水体富营养化；方法：主要方法：①物化法——超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等；②生物法——生物法脱氮除磷，等n废水生物处理工艺的分类一、人工强化废水处理系统主要包括好氧生物处理工艺和厌氧生物处理工艺，将是本课程重点介绍内容。二、天然废水生物处理系统主要包括生物稳定塘系统和土地处理系统，其中生物稳定塘系统是在河流自净功能的基础上发展起来的；而土地处理系统则是在污水的土地灌溉技术的基础上发展起来的。n生物处理法分类生物处理法天然生物处理人工生物处理生物稳定塘土地处理系统好氧生物处理厌氧生物处理活性污泥法生物膜法传统厌氧消化现代高速厌氧反应器n废水生物处理中的微生物细菌——单细胞原生生物，以可溶性有机物为食。包括真细菌(eubacteria)和古细菌(archaebacteria)——是废水生物处理工程中最主要的微生物；根据需氧情况不同：好氧细菌、兼性细菌和厌氧细菌；根据能源碳源利用情况的不同：光合细菌——光能自养菌、光能异养菌；非光合细菌——化能自养菌、化能异养菌根据生长温度的不同：低温菌、常温菌、中温菌和高温菌一、微生物及其特性（一）微生物的分类n真菌主要特点：①能在低温和低pH值的条件生长；②在生长过程中对氮的要求较低（是一般细菌的1/2）；③能降解纤维素。真菌在废水处理中的应用：①处理某些特殊工业废水；②固体废弃物的堆肥处理原生动物和后生动物n微生物与微生物反应（二）微生物的特性1．菌体成分（水分含量、元素组成）2．细菌细胞的物理性质（大小与大小分布、密度）3．微生物培养液的性质n二、微生物反应及其在污染防治中的利用（一）微生物反应的特点复杂反应体系基质、营养物、活细胞、非活性细胞、分泌产物等。参与微生物反应的主要组分微生物反应的总反应式（概括式）碳源＋氮源＋其它营养物质＋氧→细胞＋代谢产物＋CO2＋H2On微生物代谢过程简介微生物代谢的基本要素能源、碳源、营养元素（无机营养物和有机营养物）有机物微生物新的细胞物质CO2、H2O生物残渣内源呼吸分解合成n生物处理涉及的微生物代谢过程①化能异养型代谢：在废水生物处理中最主要的代谢形式，主要用于对废水中有机物的去除，包括主要的好氧细菌和厌氧细菌；②化能自养型代谢：也是废水生物处理中常见的一种代谢形式，主要包括硝化细菌（将氨氮氧化为亚硝酸盐，或进一步氧化为硝酸盐）、氢细菌（对其的应用还处在研究阶段）、铁细菌等；③光合异养型代谢：利用光合细菌以高浓度有机废水为基质生产菌体蛋白；④光合自养型代谢：在废水生物处理中少有应用。n第1章绪论①基质利用②细胞生长③细胞死亡/溶化④产物生成。微生物反应的类型类似于化学反应中的自催化反应第一类产物：基质水平磷酸化产生的产物(如乙醇、乳酸，柠檬酸)。第二类产物：由合成代谢生成较复杂的物质（如胞外酶、多糖、抗生素、激素、维生素、生物碱等）第三类产物：一般指在碳源过量、氮源等受到限制的条件下产生的一类物质（蓄能化合物，如多糖、储存于细胞内的糖原、脂肪等。)底物内部分子能量重排，并且伴有ADP转化为ATP的作用，它与呼吸链的电子传导无关。n第1章绪论基质分解所产生的能量及其消耗途径维持能（不用于细胞合成以及第二和第三类产物的生成）①合成反应②维持细胞的活性③保持细胞内外的浓度梯度④用于细胞内各类转化反应ATP⑤热能（释放到环境）n第1章绪论（二）微生物反应的影响因素微生物的种类基质的种类和浓度(注意抑制作用)环境条件共存物质（注意刺激效应、抑制作用）n第1章绪论（三）微生物反应在环境领域中的应用污染水体、土壤的修复城市污水及工业废水的生物处理有机废气、挥发性有机物(VOC)及还原性无机气体的生物处理有机废弃物的堆肥处理工业微生物反应与环境微生物反应器的不同目的、微生物种类、规模污染物的生物分解与转化n微生物反应的计量关系一、微生物反应综合方程（一）微生物浓度的表达方式活性污泥：C5H7O2NC60H87O23N12PC118H170O51N17PC7H10O3N大肠杆菌:C4.2H8O1.3N在一定条件下，同一类微生物的细胞元素组成可以视为相对稳定。（二）微生物细胞的组成式一般用重量浓度表示：单位体积培养液中所含细胞的干燥重量来表示（g－drycell/L）。n好氧微生物反应：CHmOn＋aNH3＋bO2=Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋（1-Yx/c-Yp/c）CO2＋cH2Oa=zYx/c+wYp/cb=(1-Yx/c-Yp/c+m/4-n/2)+(Yp/c/4)(-u+2v+3w)+(Yx/c/4)(-x+2y+3z)c=m/2+(Yp/c/2)(-u+3w)+(Yx/c/2)(-x+3z)S＝YxX＋YpP（三）微生物反应的综合计量式产物产率系数（productyield）。细胞产率系数（cellyield）n计量学限制性物质：细胞生长过程中首先完全消耗掉的物质生长速率限制性基质：在一定的环境条件下，向反应系统中加入某一基质，能使微生物生长速率增加，则该基质被称生长速率限制性基质。（富营养化湖泊的营养限制因子）n反应系统中细胞的生长量（细胞干燥重量）与反应消耗掉的基质的重量之比(单位：g-drycellformed/g-substrateconsumed)二、细胞产率系数（一）以基质重量为基准的细胞产率系数Yx/sYx/s值的大小：可能小于1，也可能大于1n表细菌的细胞产率系数微生物基质Yx/s［g•g-1］Saccharomycescereviside葡萄糖（好氧）0.53Saccharomycescereviside葡萄糖（厌氧）0.14Aerobacteraerogenes葡萄糖（好氧）0.40Aerobacteraerogenes乳酸0.18Aerobacteraerogenes丙酮酸0.20EscherichiaColiNH4+3.5CandidautilisNH4+10~22n间歇培养过程中的细胞产率总细胞数培养时间细胞个数总产率系数（overallcellyield）微分产率系数（differentalcellyield）n（二）以碳元素为基准的细胞产率系数Yx/c值的大小：只能小于1，一般在0.5－0.7之间。（三）以氧消耗量为基准的细胞产率系数n好氧微生物对有机物氧化分解过程有机物的降解速率，微生物的存在方式、增殖规律，溶解氧的提供方式是好氧生物处理工艺的关键第三节废水的好氧生物处理可代谢有机物、微生物、02无机物（CO2,NH3,H2O）合成细胞物质能量＋无机物残留物分解代谢合成代谢内源呼吸02能量1/32/380%20%n废水的好氧生物处理方法根据生物反应器中微生物存在状态(悬浮，附着)可将污水生物处理技术分为活性污泥法(悬浮的有活性的生物絮体)和生物膜法(附着的有活性的生物膜)，及后来的复合式(悬浮，附着)生物处理、技术。活性污泥法（ActivatedSludgeProcess）生物膜法（Biofilm）n活性污泥基本概念和原理1912年英国人ClarkandCage发现对废水长时间曝气会产生污泥并使水质明显改善，其后ArdenandLackett研究发现由于实验容器洗不干净，瓶壁留下残渣反而使处理效果提高，从而发现活性微生物菌胶团，定名为活性污泥。1916年英国建成第一座污水处理厂，下图为活性污泥处理工艺基本流程。n目前，活性污泥法是生活污水、城市污水以及有机性工业废水处理中最常用的工艺1.1活性污泥法的理论基础1.1.1基本概念与流程活性污泥污水经过一段时间的曝气后，水中会产生一种以好氧菌为主体的茶褐色絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮体就是活性污泥。活性污泥是以细菌，原生动物和后生动物所组成的活性微生物为主体，此外还有一些无机物，未被微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物。n活性污泥的形态和组成形态多为黄色或褐色絮体，含水率超过99％，比表面积大。组成活性污泥由四部分组成（1）Ma——活性污泥微生物；（2）Me——活性污泥代谢产物；（3）Mi——活性污泥吸附的难降解惰性有机物；（4）Mii——活性污泥吸附的无机物。微生物组成细菌（90％－95％，甚至100％）、真菌、原生动物、后生动物n1.1.3活性污泥微生物的作用活性污泥中的有机物、细菌、原生动物与后生动物组成了小型的相对稳定的生态系统和食物链。活性污泥中的细菌以异养型细菌为主。菌胶团细菌－－构成活性污泥絮凝体的主要成分，有很强的吸附、氧化分解有机物能力。也可防止被微型动物所吞噬，并在一定程度上可免受毒物的影响，沉降性好。丝状菌－－形成活性污泥的骨架，增强沉降性，保持高的净化效率，但是大量会引起污泥膨胀。净化污水的第一承担者－－细菌净化污水的第二承担者－－原生动物指示性动物－－原生动物，通过显微镜镜检是对活性污泥质量评价的重要手段之一n活性污泥法以活性污泥为主体的污水生物处理技术活性污泥法来源河流自净→启示→人工强化n基本流程污水→格栅→泵间→沉砂池→初沉池→活性污泥曝气池→二沉池→消毒1.曝气池：微生物降解有机物的反应场所2.二沉池：泥水分离3.污泥回流：确保曝气池内生物量稳定4.曝气：为微生物提供溶解氧，同时起到搅拌混合的作用。曝气系统与空气扩散装置活性污泥反应器来自空压机的空气剩余污泥污泥井混合液回流污泥系统二沉池处理水进水n1.污水中有足够的可溶解性易降解有机物2.混合液中含有足够的溶解氧3.没有对微生物有毒害作用的物质进入4.活性污泥再曝气池中呈悬浮状态5.活性污泥连续回流6.及时排除剩余污泥有效运行的基本条件n活性污泥法基本特征生物絮体为反应主体曝气设备提供氧源混合搅拌加速反应沉淀降低固体含量回流生物絮体再利用n活性污泥微生物的增殖曲线1.在温度适宜，溶解氧充足、营养物质一次充分投加，微生物种群随时间以量表示增殖和衰减动态。2.在这样的环境下，不存在抑制物质的条件下，活性污泥微生物的增殖速率主要取决于有机物(F)与微生物量(M)的比值，它也是有机物降解速率、氧利用速率和活性污泥的凝聚、吸附性能的重要影响因素活性污泥微生物的增殖规律n1.适应期:在未充分适应基质条件时，开始会经历一个适应、迟缓期或调整期。长短取决于污水的主要成分和微生物对它的适应。2.对数增长期:F/M较大，营养充分，氧利用最大，微生物增殖速率和有机物降解速率最大。污泥活动力强，污泥松散，不易沉降(利用有机物不足)活性污泥增长曲线的四个阶段n3.减速期F/M减小，有机物量成为增殖的限制因素，微生物增殖速率和有机物降解速率下降，污泥沉降性好，出水效果好。4.衰减期F/M最小，(内源呼吸期)微生物活动能力低，絮凝体，沉降性好，此时污泥量出现下降，出水水质较好。n在活性污泥混合液中，如果营养与污泥之间的比值（常用F/M表示）高，F/M大于2.2，微生物处于对数增长期，能量水平高，污泥凝聚性能差；F/M小于2.2，营养与污泥微生物比值下降，致使微生物增长处于增长率缓慢降段；F/M小于0.1，营养物很少，营养相对不足和能量水平较低，细菌活力低，运动能力弱，致使微生物增长处于增长率下降段或其后期，彼此结合成絮凝体，故易于凝聚。2.当有机营养物质和氧气充足时，活性污泥以合成为主。在新细胞合成的同时，还进行着部分老细胞物质的氧化分解。在有机营养缺乏时，这种自身分解则成为主要的获能方式，生物处理的内源呼吸也就是指的这种情况。活性污泥絮凝体的形成：n活性污泥净化污水的过程活性污泥净化污水的作用是由吸附和氧化两个阶段完成的，活性污泥在与废水初期接触的20～30min内，就可以去除75%以上的BOD，在于活性污泥具有巨大的表面积（2000~10000m2/m3）,且其表面具有多糖类粘液层。氧化分解在吸附阶段之后，所需时间比吸附时间长的多，可见暴气池的大部分容积是在进行有机物的氧化和微生物的合成。可降解有机物氧化合成1/32/3无机物＋能量新细胞物质无机物＋能量残留物质80％20％内源代谢n构成活性污泥三要素微生物———吸附氧化分解作用(污泥)有机物———废水的处理对象微生物底物(营养)充足氧气、充分接触————好氧处理的条件生物絮体形成机理目前认为絮体是由细菌内源代谢分泌的聚合物在微生物之间起粘胶剂的作用，因此只有当内源代谢分泌聚合物与微生物成适当比例才能形成良好的生物絮体。如果微生物增殖率过高，内源代谢分泌的聚合物不足以粘连吸附新增殖的微生物，就不可能形成良好的絮体。如果有机物浓度过低，内源代谢产生的聚合物质被微生物当成食物消耗，则絮体也难以形成。n污泥净化反应过程对有机物的降解可分两个阶段：a.吸附阶段————巨大的比表面积b.微生物降解作用有机物合成有机固形物胶体有机物溶解性有机物微生物分解影响水处理微生物生长的主要因素？n环境因素对活性污泥微生物的影响BOD负荷率（污泥负荷）Ns过低，丝状菌膨胀Ns过高，絮体活性高，不易沉降Ns↗，μ（污泥增长）↗，ν（底物降解）↗，Se↗，θc↓Ns↓，μ（污泥增长），ν↓，Se↓，θc↗BOD负荷在1.5～0.5kg/kg·d范围内时，SVI控制在100左右比较合适。n营养物质：平衡用BOD5:N:P的关系来表示，一般需求为100:5:1生活污水和城市污水含足够的各种营养物质，但工业废水含量低。溶解氧：DO↗，μ↗，ν↗Se↓运行费用高对于游离细菌来说应保持在0.3mg/L对于活性污泥的絮凝体应保持在2mg/L，不低于1mg/LpH值：最适宜在6.5－8.5PH<6.5，真菌增长利于丝状菌易膨胀PH>9时，菌胶易解体活性污泥凝体遭到破坏。n温度：最适宜温度：在这一温度下，微生物的生理活动强劲、旺盛，表现在增殖方面则是裂殖速率快，世代时间短。活性污泥微生物多为嗜温菌，其适宜温度15－30℃。小型工业污水和城市污水应保温。水温过高的工业废水要降温。有毒物质（抑制物质）：重金属、氰化物、H2S等无机物，酚、醇、醛、燃料等有机物。但是毒害作用也是当有毒物质在环境中达到某一浓度时才能显露出来，这个浓度叫做有毒物质的极限允许浓度。有毒物质的毒害作用还与pH值、水温、溶解氧、有无其他有毒物质、微生物数量以及是否驯化等因素有关。n1.2活性污泥法的性能指标及有关参数1.2.1活性污泥法的性能指标混合液中活性污泥微生物的指标1.混合液悬浮固体浓度(mg/L)混合液悬浮固体是指曝气池中废水和活性污泥共同的混合液体的悬浮固体浓度。用MLSS表示。MLSS=Ma+Me+Mi+Mii2.混合液挥发性悬浮固体浓度(mg/L)混合液悬浮固体中的有机物量称为混合液体挥发性悬浮固体（MLVSS），用它表示活性污泥微生物量比用MLSS更为切合实际。MLVSS=Ma+Me+MiMLVSS与MLSS有一定的比值，例如生活污水的比值为0.7左右。n沉降性与浓缩性评价指标1.污泥沉降比：SV%又称30min沉降比、混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀物容积占混合液容积的百分比，SV值在15~30%左右。2.污泥容积指数：SVI静置30min后，1g干污泥所占的容积，（ml/g）一般为70～150(ml/g)时沉降性能较好，过低无机物含量过高，污泥活性不好，过高易出现污泥膨胀。n活性污泥的活性评定指标活性污泥的比耗氧速率（SOUR一般用OUR）：单位重量的活性污泥在单位时间内所能消耗的溶解氧量，其单位mgO2/(gMLVSS·h)或mgO2/(gMLSS·h)OUR在运行中的作用在于反映有机物降解速率，以及活性污泥是否中毒，将用于系统的自动报警。活性污泥的OUR一般为8－20mgO2/(gMLVSS·h)，温度对OUR的影响很大，不同温度的OUR没有可比性，一般在20℃测OURn分类方法方法要点方法评价根据氧化所耗氧量水质指标法采用BOD5/COD作为有机物评价指标。方法改进：日本通产省测试法，以ThOD代替COD，采用BOD自动测定仪测定有机物28天的生化需氧量，并以BOD28/ThOD来评价有机物的生物降解性能；比较简单，但精度不高，可粗略反映有机物的降解性能；瓦呼仪法根据有机物的生化呼吸线与内源呼吸线的比较来判断有机物的生物降解性能。测试时，接种物可采用活性污泥，接种量为13gSS/l；较好地反应微生物氧化分解特性，但试验水量少，对结果有影响；根据有机物的去除效果静置烧瓶筛选试验以10ml沉淀后的生活污水上清液作为接种物，90ml含有5mg酵母膏和5mg受试物的BOD标准稀释水作为反应液，两者混合，室温下培养，1周后测受试物浓度，并以该培养液作为下周培养的接种物，如此连续4周，同时进行已知降解化合物的对照试验；操作简单，但在静态条件下混合及充氧不好；振荡培养试验法在烧瓶中加入接种物、营养液及受试物等，在一定温度下振荡培养，在不同的反应时间内测定反应液中受试物含量，以评价受试物的生物降解性；生物作用条件好，但吸附对测定有影响；半连续活性污泥法测试时，采用试验组及对照组二套反应器间歇运行，测定反应器内COD、TOD或DOC的变化，通过二套反应器结果的比较来评价；试验结果可靠，但仍不能模拟处理厂实际运行条件；活性污泥模型试验模拟连续流活性污泥法生物处理工艺，采用试验组与对照组，通过两套系统对比和分析来评价；结果最为可靠，但方法较复杂；根据CO2量斯特姆测试法采用活性污泥上清液作为接种液，反应时间28天，温度25C，有机物降解以CO2产量占理论CO2产量的百分率来判断；系统复杂，可反映有机物的无机化程度；根据微生物生理生化指标主要有：ATP测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板计数测试法等试验结果可靠，但测试程序较为复杂。确定有机物生物降解性能的方法n1.3活性污泥法反应动力学及其应用活性污泥动力学研究的假定条件①曝气池为完全混合式；②在稳定状态下；③进水和出水中没有微生物；④二沉池中不发生微生物对有机物的降解；⑤底物浓度用可降解的有机物浓度表示；⑥温度不变，进水有机物成分性质不变。n1.3.1反应动力学的基本理论有机物降解与微生物增殖1.微生物增殖基本方程活性污泥法处理过程中，微生物量的增加是同化合成和内源分解两种作用的共同结果活性污泥微生物净增殖速率活性污泥微生物合成速率活性污泥微生物内源代谢速率n则“净增=合成-内源”得：积分因为Y－－产率系数，kgMLVSS/kgBODKd－－自身氧化率，d-1其中：n处理转换成污泥龄的计算式其中：Se－－出水中残留的有机物浓度q－－BOD比降解速率，量纲与污泥负荷相同，单位kgBOD/kgMLSS.d劳伦斯－麦卡蒂方程式n有机物降解与需氧量微生物的总需氧速率=降解底物耗氧速率+自身氧化需氧速率式中——曝气池中的微生物需氧速率(kgO2/d)——去除单位底物的需氧量(kgO2/kgBOD.d)——单位污泥自身氧化的需氧量(kgO2/kgMLSS.d)剩余污泥量计算微生物静增长量=微生物增长量—微生物衰减量n1.3.2莫诺（monod）方程及其推广莫诺（monod）方程——单位质量微生物的增殖速率(kg/kg•d)d-1——微生物最大比增殖速度——饱和常数，半速率常数，即u＝0.5um时得基质浓度(mg/L)S——反应器曝气池中的底物浓度(mg/L)微生物的增殖速率正比于底物降解速率，底物降解速率n城市污水一般有机物浓度低，常用描述，符合一级反应.Monod方程式的推论n完全混合曝气池中底物降解速率及动力学常数确定在完全混合曝气池内的活性污泥处于减速增长期1.有机物物料平衡n与上面的联立得：根据污泥负荷率与上式联立得到：化简对一定污水，、、是常数完全混合S=Sen2.动力学常数的计算方法求形如求、形如y=kx+b两边取倒数：n1.4活性污泥法的各种演变及应用1.4.1传统活性污泥法（推流式）曝气池内污水与污泥混合后呈推流式从池首向池尾流动，活性污泥微生物在此过程中连续完成吸附和代谢过程。曝气池混合液在二沉池去除活性污泥悬浮固体后，澄清液作为净化水流出。沉淀的污泥一部分以回流形式返回曝气池，再起净化作用：另一部分作为剩余污泥排出。传统活性污泥法的BOD负荷是0.2～0.5kg/kg·d，一般在0.3左右净化效果和沉降性能均甚好。n运行水流一端进，另一端出，沿途曝气，推流前进。特点1.吸附→减速增长→内源呼吸，BOD降解曲线是呈缓慢下降曲线2.耐冲击负荷能力差(尤其对有毒或高浓度工业废水)3.不易污泥膨胀4.供氧与需氧不平衡5.处理效果好n1.4.2渐减曝气活性污泥法需氧量定常供氧速率渐减供养速率变化曲线供需氧量曝气过程（曝气池长度）针对传统活性污泥法中由于沿曝气池池长均匀供氧，在池末端供氧与需氧量之间的差距较大，严重浪费能量，而提出的一种能使供氧量和混合液需氧量相适应的运行方式。目前的活性污泥法一般都采用这种供氧方式。n1.4.3分段进水（阶段曝气）活性污泥法传统活性污泥法的BOD负荷在池首过高，需氧率沿池长逐渐降低，而氧气却沿池长均匀供给，造成了浪费。阶段曝气活性污泥法将废水沿曝气池长分数处注入，即形成阶段进水方法，这种方法除了能平衡曝气池供气量外，还能使微生物营养供应均匀。另一个特点是BOD浓度沿池长是变化的，曝气池出流混合液浓度降低，对二沉池工作有利。n型式廊道式流态推流式(多点进水)特点：1.需氧和供氧较平衡2.耐冲击负荷力强3.处理效果好4.BOD降解曲线是呈锯齿缓慢下降曲线n1.4.4吸附－再生活性污泥法普通活性污泥法把活性污泥对基质的吸附凝聚和氧化分解混在同一曝气池内进行，适于处理溶解的BOD。对含有大量胶体的和悬浮性的混合基质的废水，因初期吸附量大，以及吸附的有机固体物在生物酶作用下变成可溶性物质再向水中扩散，遂产生了把吸附凝聚和氧化分解分别在两个曝气池中进行的构想，从而出现了吸附再生法。由于再生池仅对回流污泥进行曝气(剩余污泥不必再生)，故节约空气量，且可缩小池容。经过再生的活性污泥处于营养不足状态，因而吸附活性高。再则，再生池的污泥微生物很快在池末端遇到营养不足环境，丝状菌不适应这样的空曝环境，所以其繁殖受到限制，有利于防止污泥膨胀。在使用上，吸附再生法具有很大的灵活性。n型式：廊道式(吸附池和再生池可合建)流态：中间进水，推流特点：①处理质量较差②耐冲击负荷强③适合处理胶体物质含量高的工业废水④BOD降解曲线是呈急剧下降、缓慢下降曲线n1.4.5完全混合活性污泥法完全混合法中的入流废水进入曝气池后,即与池内废水完全混合，曝气池内营养物和需氧率都是均匀的，微生物接触的是浓度与出水浓度一样的废水，故可承受一定的冲击负荷。完全混合法曝气池与沉淀池有分建与合建两种类型。完全混合法的工作点可以处于微生物对数增长期也可处于衰减增长期或内源呼吸期。nSBR法n1.5曝气及曝气系统曝气的作用是向活性污泥法系统的液相供给溶解氧，并起搅拌和混合作用。通常采用的曝气方法有鼓风曝气，机械曝气以及二者联合使用的混合曝气，某些情况下也采用射流曝气。鼓风曝气是将压缩空气通过管道系统送入池内的散气设备，以气泡形式分散进入混合液。机械曝气则利用装设在曝气池内的叶轮的转动，剧烈地搅动水面，使液体循环流动，不断更新液面并产生剧烈水跃，从而使空气中的氧与水滴或水气的界面充分接触，转入液相中去。射流曝气则是利用水射流泵将空气吸入，使空气与水充分混合并溶解的曝气方式。n曝气系统的重要性鼓风曝气系统电耗一般占全厂电耗的60%左右，是全厂节能的关键。最根本的节能措施是提高曝气控制效率，降低氧的浪费，从而减小风量。曝气系统如果操作不当，曝气量过小，二次沉淀池可能由于缺氧而发生污泥腐化，即池底污泥厌氧分解，产生大量气体，促使污泥上浮。曝气时间长或曝气量过大时，在曝气池中将发生高度硝化作用，使混合液中硝酸盐浓度较高。在沉淀池中可能由于反硝化而产生大量N2或NH3，而使污泥上浮。曝气量的分布是否均衡和稳定也是影响处理效果和能耗的一个重要原因。造成生物反应不平衡，处理质量下降。n常用曝气方式a.曝气b.机械曝气c.鼓风曝气d.射流曝气曝气作用a.充氧---生化反应b.搅拌,使水,气,液三相良好接触提高氧利用率c.维持液体的足够速度以使水中固体物悬浮1.5设计1.5.1曝气方式和曝气作用n氧转移原理菲克定律（传质规律）其中：——物质扩散速率——扩散系数——浓度梯度x为沿扩算方向上的距离n双膜理论a.气液两相接触面存在层流的气膜和液膜(分子扩散)b.气液两相紊流不存在浓度差c.界面没有传质阻力，即Pi=f(ci)阻力主要在气液两膜d.气膜中存在分压梯度,液膜中有浓度梯度,梯度是推动力e.氧难溶于水,因此液膜中存在氧的主要阻力n氧的转移模式由菲克定律（设M为物质量，A为界面面积）根据双膜模型a.气膜阻力小，Pg=Pi=>Cs是氧分压Pg时溶解氧饱和浓度b.设液膜厚度为Xf(很低)则液膜内DO浓度梯度：n将上面两个公式联立：则单位体积氧转移速度其中：——单位体积的氧转移速率，kgO2/（m3·h）；——液膜氧传质系数，m/h，n氧转移速度：其中浓度变化的系数为氧的总转移系数：则氧向水中转移模式：由上式分析提高氧转移速率的方法：1.提高,加强液相主体紊动，降低液膜厚度，可以提高氧转移速率。例如微孔曝气。2.提高CS，可以提高氧转移速率。例如压力生物反应器、纯氧曝气、深水曝气。n氧总转移系数的确定氧总转移系数是计算氧转移速率的基本参数测定：采用充氧试验（清水）对曝气池混合液，反应器氧转移速率测定n氧转移的影响因素污水质的影响1.表面活性剂影响，影响气液膜2.含盐量影响，影响分子扩散水温修正后：n氧的分压H：曝气装置的淹没深度，m；Ea：曝气装置的氧利用率，％。曝气池混合液溶解氧饱和度或者其中Qt为离开池面时氧的比例n氧转移速率与空气量的计算氧转移速率的计算测定空气扩散装置的氧转移系数是在标准条件下测定的：水温20℃，标准大气压，测定用水是脱氧清水。在标准状态下的氧转移速率Ro其它状态下的氧转移速率Rn氧转移速率与供气量的计算1.氧转移效率Ea——指脱氧、清水、20℃，1大气压的氧利用率（％）S——鼓风机供氧量(kgO2/h)Ro——转移到曝气池中的氧量(kgO2/h)n2.供气量Gs——鼓风机供气量(m3/h)由上部分的公式：稳定情况下，氧的转移速率=活性微生物需氧率n曝气系统与空气扩散装置空气扩散装置一般也称曝气装置或曝气头，空气扩散装置在曝气池内的主要作用是：1.充氧：将空气中的氧（或纯氧）转移到曝气的混合液中，以满足微生物呼吸的需要。2.搅拌与混合：使曝气池中的混合液处于均匀的混合液，使活性污泥、溶解氧、污水中的有机物三者充分接触。3.防止活性污泥在曝气池内沉淀空气扩散装置技术性能的主要指标：1.动力效率（Ep）：消耗单位电能转移到混合液中的氧量。2.氧的利用率（EA）或氧的转移效率：通过鼓风曝气转移到混合液中的氧量占总氧量的百分比。3.充氧能力(EL)：通过机械曝气装置的转动，在单位时间内转移到混合液中的氧量，表示一台机械曝气装置的充氧能力。评定鼓风Ep,EA；评定机械Ep,ELn鼓风曝气系统和扩散装置1.微气泡扩散器2.中气泡扩散器，常用穿孔管，孔直径为2～3mm，孔眼气体流速不小于10m/s,以防堵塞，其特点是氧利用率8%-12%，但空气压力损失较小；3.小气泡扩散器，由微孔材料制成的扩散板和扩散管等，其特点是气泡小（直径在1.5mm以下），氧利用率15%-20%，但阻力大，易阻塞；4.大气泡扩散器，常用曝气竖管，直径为15mm左右，底口敞开，其特点是气泡大（直径3mm以上），分布不匀，氧利用率4%-6%，不易堵塞；n5.水力冲击式空气扩散器常称为射流曝气器，气泡直径在100µm左右，射流曝气器通过混合液的高速射流，将鼓风机引入的空气切割粉碎为微细气泡，与混合液充分接触混合，促进氧的传递，氧利用率20%-30%；n膜片式微孔空气扩散器固定式平板型空气扩散器n扩散板与扩散管n机械曝气装置机械曝气设备有泵型轮，倒伞型叶轮，平板型叶轮和卧式曝气转刷。曝气叶轮一般装于水下，淹没深度为10～100mm,可调节。淹没深度大时，提升水量大。叶轮转速一般为20～100r/min。卧式曝气转刷淹没深度为直径的1/3～1/4,转速在70～120r/min,转动时转刷将大量液滴抛向空中，并使液面剧烈波动，促进氧的溶解。曝气机理1.形成水跃，卷入空气2.提升与输出，更新水面从空气复氧3.形成负压，吸入空气n1.5.2活性污泥法的设计与运行参数BOD负荷BOD负荷有污泥负荷和容积负荷1.污泥负荷Ns（Ls）：指单位重量活性污泥在单位时间内所承受的有机污染物量，污泥负荷的实质是F/M。2.容积负荷Nv（LV）：指单位暴气池有效容积在单位时间内所承受的有机污染物量，单位是kg（BOD5）/m3·Dn污泥龄θc（ts）污泥在曝气池内的平均停留时间式中QW——剩余污泥排除量（m3/d）Xe——净化水的污泥浓度（mg/L）Xr——剩余污泥浓度（mg/L）。由于随着净化水排出的Xe很小，所以：n污泥回流比（R）从二沉池返回到曝气池的回流污泥量QR与污水流量Q之比，常用％表示。曝气时间污水进入曝气池后，在曝气池中的平均停留时间，也称水力停留时间。n1、设计内容：选定工艺流程；曝气池的容积的计算及曝气池工艺设计；计算需氧量、供气量以及曝气系统的计算与设计；计算回流污泥量、剩余污泥量与污泥回流系统的设计。二次沉淀池的选定与工艺计算、设计。n2、应确定的主要各项参数nn3、具体工艺设计（1）曝气池容积的计算当前较普遍采用的是按F/M（有机物/微生物比）来进行计算。F/M＝FW＝S0……曝气池进水BOD5的浓度Q……进水流量V……池的有效容积X……混合液污泥浓度n污泥龄污泥负荷U（Kg/kg•d）处理效率En首先解决需氧量和供气量。需氧量的计算：O2＝（2）曝气系统的设计R－需氧量n需氧量O2必须换算为水温20℃，气压为1个大气压的充氧量R0污水的氧转移系数/清水的氧转移系数污水的饱和溶解氧浓度/清水的饱和溶解氧浓度20℃和T℃时的饱和溶解氧浓度水中实际溶解氧浓度实际气压/标准气压Csmn对于鼓风曝气池，Cs（20）和Cs（T）应该取气体扩散器出口和曝气池表面溶解氧饱和年度的平均值Csm。Cs——标准压力，设定温度下的水中溶解氧饱和浓度Pb——扩散器出口处的绝对压力Qt——气体离开池表面时氧的百分比，由下式计算：EA为氧转移效率（％），一般取6％所需故风曝气量：（m3/h）n（3）二次沉淀池，污泥回流系统的设计污泥回流量可以从沉淀池的质量平衡方程来确定。假设二次沉淀池的污泥量保持不变（稳定状态）稳定状态下，污泥的质量平衡方程为：累积污泥量＝污泥流入量－出水污泥量－废弃生物量0＝（Q0+QR)*X-(Q0-QW)*Xe-(QR+QW)*XuV，X，S曝气池二次沉淀池Q0+QR，X，S出水Q0-QW，Xe，S污泥底流QW+QR，Xu剩余污泥QW，Xu污泥回流QR，Xun回流比的确定：假定从二沉池出水所夹带的活性污泥量，剩余污泥排放量以及污泥增长量忽略不计，则：XR为回流水的污泥浓度n某城市建污水处理厂，污水量10000m3/d，进曝气池污水BOD5的浓度为300mg/L，时变化系数1.4，要求出水BOD5浓度为25mg/L。计算池子有效容积和曝气量。解：采用传统活性污泥法。设定Fw为0.4kg/kg·d，污泥浓度X为3000mg/L。Fw＝由V＝（S0Q）/FwX＝（10000×300）/（0.4×3000）＝2500m3供气量计算MLSSMLVSS＝0.75～0.8MLSS＝0.75×3000＝2250mg/L挥发性污泥因此，挥发性污泥的负荷为：0.4÷0.75≈0.5kg/kg·d由此查表3－4可知，去除每千克BOD5的需氧量为0.79kg例题n最大需氧量为：＝Kg/h采用管式扩散器，管深2.5米，水温30℃。则出口处压力Pb为：1.013×105+2.5×9.8×103＝1.258×105（Pa）30℃和20℃时饱和溶解氧查表得Cs（30）7.6mg/L和Cs（20）9.2mg/L离开曝气池时氧的百分比：＝＝20％＝30℃：＝8.33mg/L20℃时Cs（20）＝10.1mg/Ln最后计算实际需氧量：取αβρ分别为0.82，0.92，1.0，CL取1.5mg/L。＝200kg/h实际供气量：＝1.11×104（m3/h）n1.6活性污泥法过程控制与运行管理活性污泥的培养驯化1.异步培养法：先培养再驯化2.同步培养法：培养驯化同时进行3.接种培养培养法将其他相以污水厂污泥作为种泥进水方式1.连续进水：适合以生活污水为主的城市污水2.间歇进水：一般，闷曝-->沉淀-->排除上清夜-->加新鲜水-->闷曝-->沉淀1.6.1活性污泥的培养驯化n1.6.2活性污泥系统的主要控制方法与控制参数试运行确定最佳的运行条件正常运行1.对供气量（曝气量）的调节每天早晚各调节一次供气，大型的废水处理厂每周调节一次。2.回流污泥量的调节使曝气池内的悬浮固体浓度保持相对稳定3.剩余污泥排放量的调节排放的剩余污泥应大致等于污泥增长量。n活性污泥处理系统检测处理效果指标COD，BOD，TOD，TOC，SS有毒物质污泥营养及环境指标PH温度NPDO污泥沉降性SV%MLSSMLVSSSVI生物相生物相观察n1.6.3活性污泥系统运行中的异常情况污泥膨胀活性污泥系统种的污泥沉降性质发生改变，不易沉降的现象。污泥变质时，不易沉淀，SVI增高，污泥结构松散，体积膨胀1.危害：a.污泥不易沉降，污泥流失，反应器中处理的污泥浓度不够b.污泥浓度不足，处理率下降c.排入水体，生物污染2.分类：a.丝状菌膨胀b.结合水膨胀3.原因:丝状菌膨胀:a.C/N过高，缺少营养b.DO不足c.水温高d.PH过低结合水膨胀:排泥不通畅,高负荷运转n污泥解体出现的絮凝体细小，沉淀水浑浊等污泥絮凝体解体的现象原因：曝气过量，紊动过分剧烈，使絮状体破裂中毒，微生物活性抑制或死亡污泥腐化二沉池污泥长期滞留而产生厌氧发酵产生H2S，CH4等气体而上升污泥上浮缺氧状态下，污泥反硝化,产生的气体促使污泥上浮。泡沫问题表面活性物质造成。处理方法有消泡剂、消泡水管。n好氧悬浮生物处理工艺的其余方法氧化塘：好氧氧化塘，兼性塘，曝气塘以及水生生物氧化塘自净过程的强化n1、降解原理2、生物滤池3、生物转盘4、生物接触氧化好氧附着生长系统处理技术n好氧附着处理技术生物滤池生物转盘生物接触氧化生物流化床普通生物滤池高负荷生物滤池塔式生物滤池生物膜n微生物和原生动物等附着在某些物料上生长繁殖，形成生物膜，水中有机物被膜中微生物分解，净化。微生物停留时间长种类繁多，分解力强生物膜活性强1、降解原理受扩散的限制n生物膜载体厌氧层好氧层附着水水膜废水氧气有机物代谢产物、无机物、CO2有机酸运动水出水生物膜净化原理生物膜的组成？n生物膜微生物组成细菌和真菌好气层：芽孢杆菌属、丝状真菌厌氧层：反硫化弧菌属、大肠杆菌、产气杆菌、丝状微生物兼性细菌：假单胞杆菌属、产碱杆菌、黄杆菌、无色杆菌、微球菌、动胶杆菌原生动物：纤毛虫、肉足类、独缩虫、盖虫、累枝虫微型后生动物：比活性污泥多，轮虫、线虫、昆虫、寡毛类生物膜的形成？n2.生物膜的生长与脱落1)生物膜的生长生物膜的形成生物膜的成熟n生物膜的培育1、自然挂膜法：利用待处理污水中的自然菌种进行生物膜培育的方法。具体做法为：将待处理的污水一次性通入生物膜反应器，在不进水的情况下连续循环3~7天。之后改为连续进水，流量从小到大，最终达到设计流量。在此过程中污水中的微生物附着在填料的表面，生长繁殖，生物量逐渐增加，形成微生物膜。2、菌种添加挂膜法：为加速生物膜的形成或提高生物膜的降解能力，可向污水中投加优良菌种，如污水处理厂成熟的活性污泥、生物膜，或分离得到的高效菌种等。具体做法为：将待处理污水与接种菌种在生物膜反应器内混合，连续循环3~7天。之后改为连续进水，流量从小到大，最终达到设计流量。n2)生物膜的脱落3)生物膜脱落的原因内因厌氧菌营养耗尽而死亡，其附着力降低，很快脱落气态代谢产物不断逸出，破坏了好氧层生态的稳定，使二者失去了平衡，生物膜老化气态产物的积累，将膜顶起外因水流的冲刷作用，加大水量，则冲刷力增大n特点:微生物多样性高，食物链较长生物膜各阶段微生物种类不同具较高的脱氮能力生物密度大，单位处理能力大耐污力强，动力消耗较小无需污泥回流，不发生污泥膨胀。多种形式的生物膜处理设施n普通生物滤池特点：池体滤料布水装置排水系统承托层工作层碎石，卵石焦炭，炉渣缺点：有机物负荷低，占地面积大，滤料易堵塞。优点：BOD5去除率高，运转费用低，易管理。0.2米1.3～1.8米，粒径3～5厘米n高负荷生物滤池改进的普通生物滤池：滤料粒径增大为4～10厘米工作层加厚滤料大量采用合成塑料，滤层超过2米强制通风。优点：有机负荷高大约6～8倍。缺点：出水水质较差，BOD去除率较低。n曝气生物滤池n塔式生物滤池特点：塔高形成自然强制通风，水滴高速下落，传质速度非常快，生物膜更新快，滤池不易堵塞。可在每层塔内进水，均衡负荷不同高度的滤料内有不同的生物种群，利于有机物的分解。n塔式生物滤池填料n生物转盘盘片转轴接触反应槽驱动装置处理原理：吸附有机物好氧分解吸氧传质n生物转盘的特点：无须回流，工艺简单采用多级串联，既适应高浓度废水，也适合低浓度废水。剩余污泥量很少，适应有机负荷变动大运转费用低，管理简单n生物接触氧化曝气活性污泥法和生物滤池的结合，在曝气池中设置填料，生长生物膜，充氧的废水在生物膜和活性污泥的作用下分解。n生物接触氧化分类分流式直流式曝气和填料的接触在不同隔间进行。污水曝气充氧后从上至下流过填料。曝气和填料的接触在同时进行。污水在向上流过填料时曝气。分流式接触氧化有机负荷小，直流式接触氧化负荷大。n生物接触氧化池填料n生物流化床载体粒径小于1毫米（焦炭，粗砂，活性炭，无烟煤），比表面大于3300m2/m3。比表面高于生物转盘60倍，塔式生物滤池20倍。微生物含量高于普通活性污泥法的10～20倍。流化方式：水力流化和气力流化特点：废水流速很高，超过20m/s，反应床内载体呈流化状态。二相流化床三相流化床充氧方式：纯氧和空气n生物滤池的设计有机负荷Nv：BOD5容积负荷，每立方米滤料在1天内承受的BOD5的量。水力负荷q：每平方米滤料表面积在1天内承受的污水量。滤料体积计算：有回流时，令回流比为R：进水浓度Sa为：n滤池面积为：D为滤池中滤料高度校核水力负荷：Schulze公式（无回流）Se－－出水BOD浓度Sa－－进水BOD浓度（Sa=S0）K－－BOD5降解速率常数n为滤料特性参数，一般取0.5nSe的估算：k为BOD5降解速率常数，需要进行温度修正：n为滤料特性参数，一般取0.5q为水力负荷R为回流比Velz修正方程n例题某城镇污水处理厂拟采用高负荷生物滤池，已知设计污水流量为5200m3/d，进水BOD5浓度S0为250mg/L，要求出水浓度小于20mg/L。试验得知k（20）＝0.042min－1，若冬季平均水温15℃，试确定滤池的表面积和有效高度。解：采用1段式滤池，因为浓度S0为250mg/L，查表3-7，选取回流比R为2。由：＝97mg/L校正k值：＝0.042（1.035）-5＝0.035（min-1)选取滤池有效水深为2米，估算水力负荷q：设出水BOD5浓度Se为20mg/Lnq＝0.0072（m3/m2min）＝10.4（m3/m2d）滤池面积A＝5200/10.4＝500（m2)进行BOD5容积负荷校核：g/m3d在800～1200g/m3d范围内，设计合乎要求。n