第四章 活性污泥法

第四章 活性污泥法第四章 活性污泥法

活性污泥工艺是一种广泛应用而行之有效的传统污水生物处理法也是一项极有发展前景的污水处理技术这体现在它对水质水量的广泛适应性灵活多样的运行方式良好的可控制性以及通过厌氧或缺氧区的设置使之具有脱氮除磷的效能

起源 大自然的启示如果让污水进入天然水

体可通过水体中微生态系统的自净功能得到处理

活性污泥法是模仿天然水体的净水过程从本质上与自然水体处理污水的过程相似是自然水体净化过程的人工强化

1882 年就有人做向污水中鼓入空气的试验 1912 年美国的 Lawlence 研究所进行污水曝气试验英国的Fowler 访问该研究所回国后让 CIark 和 Gage 进行试验发现对污水长时间曝气会产生一些絮状体同时水质会得到明显的改善 Ardern 和 Lockett 继续对这一现象进行了研究曝气试验是在瓶中进行的每天试验结束时把瓶子倒空第二天重新开始他们发现由于瓶子清洗不完善瓶壁附着一些棕褐色的絮状体时处理效果反而好他们把它称为活性污泥随后他们在每天结束试验前把曝气后的污水静止沉淀只倒去上层净化清水留下瓶底的污泥供第二天使用这样大大缩短了污水处理的时间 1914 年 Ardern 和 Lockett 在英国的化学工程学会上发表了试

验成果活性污泥法就这样诞生了 于是 1916 年在英国的曼彻斯特市建造了第一个处理能力946m3d 的活性污泥污水处理厂 1917 年美国休斯顿建造了一个处理能力 37800m3d 的活性污泥污水处理厂

第一节 基本概念

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性及无机性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

颜色 黄褐色状态 似矾花絮绒颗粒味道 土腥味比重 曝气池混合液 1002-1003 回流污泥 1004-1006粒经 002-02mm比表面积 20-100cm2mL

活性污泥的性质

活性污泥的组成按栖息着的微生物分

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射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

干固体和水分 含水 98－ 99 干固体 1－ 2 MLSS

MLVSS

NVSS

活性污泥中微生物食物链

活性污泥中细菌

活性污泥中原生动物

活性污泥中原生动物

活性污泥中原生动物及指示作用

有办法知道确切的生物量吗

有人曾企图通过直接测定污泥中细胞的 DNA 量有机氮量三磷酸腺苷（ ATP）量脱氢酶的活力等指标去反映活性污泥的活力但既复杂又不准且微生物的含量不断在变化

按 McKinney 的分析

MLSS=Ma+Me+Mi+Mii

Ma 具备活性细胞成分

Me 内源代谢残留的微生物有机体

Mi 未代谢的不可生化的有机悬浮固体

Mii 吸附的无机悬浮固体

按有机性和无机性成份分 MLSS 表示悬浮固体物质总量 MLVSS挥发性固体成分表示有机物含量 MLNVSS灼烧残量表示无机物含量 MLVSS包含了微生物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微生物的量

处理生活污水的活性污泥MLVSS 70

NVSS 30

MLVSS 一般范围为 55－ 75

NVSS 一般范围为 25－ 45

活性污泥的沉降浓缩性能

污泥沉降过程

活性污泥的沉降浓缩性能

污泥沉降比 SV 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 表示污泥沉降比

污泥体积指数 SVI

SV 不能确切表示污泥沉降性能故人们想起用单位干泥形成湿泥时的体积来表示污泥沉降性能简称污泥指数单位为 mLg

SVI=1升混合液沉淀 30min 的活性污泥体积（mL）

1升混合液中悬浮固体干重（ g）

SV(mlL)=

MLSS(gL)

活性污泥法的基本流程

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粘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

活性污泥降解污水中有机物的过程

对活性污泥法曝气过程中污水中有机物的变化分析得到结论

废水中的有机物

残留在废水中的有机物

微生物不能利用的有机物

微生物能利用的有机物

从废水中去除的有机物

微生物能利用而尚未利用的有机物

微生物不能利用的有机物

微生物已利用的有机物（氧化和合成）

（吸附量）

增殖的微生物体

氧化产物

曲线①反映污水中有机物的去除规律

曲线②反映活性污泥利用有机物的规律

曲线③反映了活性污泥吸附有机物的规律

这三条曲线反映出在曝气过程中A 污水中有机物的去除在较短时间 ( 图中是 5h左右 )内就基本完成了（见曲线①）B 污水中的有机物先是转移到（吸附）污泥上（见曲线③）然后逐渐为微生物所利用（见曲线②）C 吸附作用在相当短的时间（图中是 45min左右）内就基本完成了（见曲线③）D 微生物利用有机物额过程比较缓慢（见曲线②）

第二节气体传递和曝气设备

构成活性污泥法的三个要素

一是引起吸附和氧化分解作用的微生物也就是活性污泥

二是废水中的有机物它是处理对象也是微生物的食料

三是溶解氧没有充足的溶解氧好氧微生物既不能生存也不能发挥氧化分解作用

Fick扩散定律

物质从一相传递到另一相的过程称为传质过程曝气过程中空气或纯氧中的氧从气相传递到液相中亦是个传质过程传质过程主要借助于扩散过程完成

扩散过程的推动力是扩散面两侧物质存在着浓度差使得物质分之由浓度较高一侧向着较低一侧扩散扩散过程中单位路程长度上的浓度变化值称之为浓度梯度浓度梯度大小影响着扩散速率

Fick扩散定律 dC

物质的扩散速度 D扩散系数

Vd = -D dXVd

Fick扩散定律

如果 Vd写成

即

所以

M 时间 t内通过界面扩散的物质数量A 界面面积

气体传递原理双膜理论

曝气充氧过程中气体分子从气相转移到液相必须经过气液两相界面界面两侧存在着气膜和液膜氧通过这两层膜的传递过程用双膜理论来解释双膜理论由 Lewis 和 Whitman1924 年创立

气体传递原理双膜理论双膜理论的基本论点1 气液两相界面附近存在着作层流运动的气膜和液膜主体流动情况影响着膜的厚度2两膜以外的气液相主体中流体充分湍动组分物质浓度均匀不存在浓度差也没有任何传质阻力整个传质过程阻力仅存在于气液两层层流膜3 气液两相界面上物质浓度相平衡界面上无阻力

因为氧是一种难溶气体溶解度小故传质阻力主要在于液膜可以认为气相主体与界面之间的氧分压差值很小同时因为液膜厚度很小 Ci 与 C 之间可按直线变化考虑即

气体传递原理双膜理论

将 代入

得设液相主体的体积为 V 除上式

用 上式写成

水处理教材中氧的传递速率表示为

式中 dmdtmdash 气体传递速率Kgmdash 气体扩散系数Amdash 气体扩散通过的面积ρs0mdash 气体在溶液中的饱和浓度ρ0mdash 气体在溶液中的浓度而 dm=Vdρ0 则前式可改写成

通常 KgAV 项用 KLa来代替由此（ 14－ 2）式变为

将上式进行积分可求得总的传质系数

KLa 为总传质系数单位时间－ 1 （ s-1 or H-1）怎么理解 KLa 传递阻力大时 KLa值小传递阻力小时 KLa值大1KLa单位为小时可以看着为全池水溶液溶解氧从ρ0增加到 ρS0 的时间KLa 也可看着是混合系数

从上式可以看出为了提高氧转移速率可以从1提高 KLa值增加液体紊动减小液膜厚度更换气水界面使气泡变小增加气水接触面积2提高 ρS0值设法增加大气中的氧分压如纯氧曝气富氧曝气深水曝气

氧转移的影响因素

1溶氧的饱和度2 液体温度3废水性质4 液体紊流程度

1溶解氧的饱和度

水中溶氧饱和度与水中含盐量温度及氧分压有关Eckenfelder 和 OrsquoConnor提出溶氧饱和值计算值

S 水中溶解固体浓度 gLT 水的温度如果当地大气压不等于 760mmHg 则应修正

P 当地大气压 mmHgPv 饱和水蒸汽压强 mmHg 与温度有关

该值系指水表面的数值适用于表面曝气如为水下曝气则 应考虑水深而增加的氧分压平均 ρS0计算式为

Ot 池表面溢出气体中的含氧率一般取 6－ 10Pb 池底压强以大气压计

2温度

T 水温同时温度升高饱和溶解氧浓度 ρs0降低

3废水性质

废水中的各种杂质对氧的传递有一定的影响用 α 表示

废水中含有的溶解盐等影响溶解氧饱和值影响系数用β 表示

改写为

KLa 的测定

测定 dρ0dt-ρ0 的直线方程

或改写为

从常用污水处理流程看曝气系统

1 好氧微生物的需氧代谢

2 兼性微生物酶的好氧合成

3 混合液的搅拌作用（厌氧缺氧池另加搅拌器）

曝气方式1048766鼓风曝气系统1048766机械曝气装置纵轴表面曝气机横轴表面曝气器1048766鼓风 + 机械曝气系统1048766其它富氧曝气纯氧曝气

曝气的作用与曝气方式

三种曝气方式

曝气池需要空气量计算1 生化反应曝气量计算(1) 有机物降解需氧量 O1=arsquoQ(La-Le) + brsquoVmiddot Xv

(2)氨氮硝化需氧量 O2=457Q(NHa - NHe)

(3) 反硝化提供化合态氧 O3=286NO

(4) 合成污泥的氧当量 O4=142Px O=O1 ＋ O2 － O3 － O4再折算成需要的空气量

曝气池需要空气量计算

2 搅拌需要的气量计算搅拌需要的气量根据需要的搅拌功率或单位体积的搅拌气量一般搅拌需要空气量小于或远小于生物反应需气量曝气池需要空气量计算

满铺的小气泡扩散器 22m3m2h旋流的大中气泡扩散器 12m3m2h机械曝气 13Wm3

高速单级鼓风机曝气系统的组成

常用鼓风机形式

1 容积式风机 罗茨鼓风机回转风机

常用鼓风机形式

2 单级高速离心鼓风机高速离心

丹麦HV-Turbo风机 英国 Howden风机

常用鼓风机形式3 多级离心鼓风机多级离心

美国 Power Mizer 多级风机

15mm

2－ 3mm

15mm

01mm

泵型 倒伞型 平板型

曝气设备性能指标

比较各种曝气设备性能的主要指标

氧转移率单位为 mgO2Lmiddoth

充氧能力（或动力效率）即每消耗 1kWmiddoth 动力能传递到水中的氧量（或氧传递速率）单位为 kgO2kWmiddoth

氧利用率通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧的百分比单位为

曝气设备性能

满足混合要求的曝气量满铺的小气泡扩散器 22m3m2h旋流的大中气泡扩散器 12m3m2h机械曝气 13Wm3

曝气池的三种池型

推流式曝气池

完全混合式曝气池

两种池型结合型

曝气池的三种形式mdash推流式

曝气池的三种形式mdash完全混合

曝气池的三种形式mdash序批式

推流曝气池

推流曝气池的长宽比一般为 5～ 10 进水方式不限出水用溢流堰

推流曝气池的池宽和有效水深之比一般为 1～ 2

根据横断面上的水流情况可分为

（ 1）平面布置

（ 2）横断面布置

完全混合曝气池

池形

根据和沉淀池的关系

圆型

方型

矩型

分建式

合建式