污水的生物处理|上海而立环保科技有限公司-凯发k8全球公开
污水的生物处理（一）
---活性污泥法
(biological treatment of wastewater:
the activated sludge process)
水体自净，氧化塘
自然条件下 土壤自净，土地处理
好氧处理 人工条件下 活性污泥法
生物处理 生物膜法
厌氧处理 自然条件下 ：高温堆肥、厌氧塘
人工条件下 厌氧处理技术
污泥消化
(aerobic/anaerobic
suspended-growth treatment processes
attached-growth treatment processes)
4.1.1. 活性污泥处理法的基本概念与流程
wastewater
air
aeration tank secondary clarifier
return sludge
excess sludge
4.1.2 活性污泥的形态与活性污泥微生物
1． 活性污泥的形态: 颜色，味，形状，比重，含水率
表面积20-100cm2/ml；
有机（75-85%）/无机成分，
活性污泥组成：ma +me+mi+mii
微生物 惰性有机物 无机物
自身氧化残留物
2． 活性污泥微生物（ma）及其在活性污泥反应中作用
**：产碱干菌属，芽胞干菌属，动胶杆菌属，假单胞菌属，大肠杆菌属，无色杆菌属等 （增殖世代时间20-30min）； 数量：107-108个/ml
**：丝状菌，霉菌；净化能力与不利影响
原生动物： 肉足虫类：如变形虫、滴虫，
鞭毛虫类，：豆形虫、肾形虫、草履虫；
纤毛虫类：钟虫、等枝虫、盖纤虫
原生动物------ **的捕食者
后生动物：轮虫；水质良好的标志
微
生 残留食物量
物
量
微生物总量
自由游泳
纤毛虫类 有柄纤毛虫类
鞭毛虫类
肉足虫类 轮虫类
time
图：原生动物在活性污泥反应过程中数量和种类的增长与递变模式
3． 活性污泥微生物的增殖与活性污泥的增长
多种属的活性污泥微生物增殖规律与纯种微生物增殖规律相似
微生物增殖==活性污泥增殖
活性污泥的增殖受活性污泥能含量的控制
f/m—有机物量/活性污泥量---有机负荷
量
对数增殖 减速增殖 内源呼吸
c d
x （sludge）
氧利用速率
b
s（bod）
a
适应期x0
time
静态培养条件下，活性污泥增长曲线、有机物降解和氧利用速率
4． 活性污泥絮体的形成
意义与作用
活性污泥絮凝体形成的骨干---菌胶团
活性污泥形成机制：
能含量---f/m； 电斥力与范德华引力
**种类：分泌粘着物的**：动胶杆菌、黄杆菌、蜡状芽孢杆菌等
4.1.3 活性污泥净化反应过程
有机物污染物净化---有机物被微生物摄取、代谢与利用
1、 初期吸附去除
初期：5-10 min 30min内bod去除率达到70%
¯活性污泥强吸附能力的产生源：
1） 具有很大的表面积：2000-10000m2/m3混合液
2） 多糖类粘质层
¯吸附能力影响因素：
1）微生物的生理状态 处于饥饿状态的微生物具有*强吸附能力
2）反应器中流态
吸附不等于降解，吸附能力是有限的，提高吸附能力—污泥曝气
2、 微生物代谢
小分子有机物---细胞壁—微生物体内—内酶—代谢
大分子有机物—水解酶—小分子—细胞壁—微生物体内…
有机物的氧化方程：
新细胞的合成：
微生物自身氧化：
分解代谢与合成代谢模式图：
h2o，co2，nh3 +能量
分解代谢（1/3）
有机物 +o2
合成（2/3） 内源呼吸产物+能量
合成细胞物质+o2 80%
内源呼吸残留物 20%
4.2 活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数
4.2.1 活性污泥净化反应影响因素
1. 营养物质平衡：c：n：p= 100：5：1
其他微量元素：钠、钾、钙、镁、铁…
2. 溶解氧含量： do³2mg/l
3. ph值 6.5-8.5
4. 水温 适宜：10-450c *佳：15-350c
5. 有毒物质：重金属、酚类、甲醛
经过培养驯化后， 微生物对有毒物质有适应与降解能力 （表4-4 p105）
4.2.2活性污泥处理系统的控制指标与设计、运行操作参数
使活性污泥系统正常、高效运行的基本条件：
·适当的污水水质、水量
·具有活性和足够量的活性污泥生物量
·满足微生物需要的溶解氧
·良好的流态，气、液、固充分接触
控制指标（设计、运行操作参数）
1、 表示及控制混合液中活性污泥微生物量的指标
(1)mixed liquor suspended solids (mlss)
(2)mixed liquor volatile suspended solids (mlvss)
f=mlvss/mlss 0.75
2、 活性污泥的沉降性能及其评价指标
（1） 30min污泥沉降比（%） ~30%
settling velocity / sludge （settling） volume（sv）
（2）污泥容积指数，sludge volume index （svi）
定义：曝气池出口处混合液经过30min沉降后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占有的容积（ml/g）：
§svi的意义：svi¯沉降性能；svi沉降性能¯
§svi正常范围：svi=70-100（120） 城市和生活污水
svi<100 沉降性能好；100<svi<200 一般；svi>200，不好
§svi与bod-污泥负荷的关系（城市污水）：
svi 分散矾花 絮凝污泥 膨胀污泥
400 svi 差 优 差
300
200
高负荷 一般负荷 svi zsv
100
0
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 0.3 0.6 0.9 1.2
bod-污泥负荷（kgbod/kgmlss.d） bod-污泥负荷（kgbod/kg.d）
bod-污泥负荷与svi之间的关系
3.污泥龄 （sludge age，mean cell—residence time）
污泥增长与剩余污泥的产生与排出
剩余污泥产量：
dx=qwxr+（q-qw）xe （g/d）
污泥龄：曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比
（d）
当二沉池处于*佳沉淀状态下：
污泥龄的重要性：系统控制参数，生物种类控制
4.bod-污泥负荷
f/m—food-to-microorganism ratio
kgbod/kgmlss.d
x=mlss ； q=进水流量； sa=bodin；v=曝气池体积
§bod容积负荷
kgbod/m3.d
§bod负荷对有机物降解与活性污泥增长以及污泥沉降性能的影响
（生物处理过程中的两个重要关系）：
5.有机物降解与活性污泥增长
活性污泥的增殖ü有机物的降解
活性污泥的增殖=合成反应-内源代谢
活性污泥增长基本方程：
污泥净增长速率=合成速率-内源代谢速率
合成速率与有机物利用有关： y-产率系数
内源代谢速率与生物量有关： kd-衰减系数d-1
（霍克来金 heukelekian方程）
净增长速率以天（d）计时：
sa-bodin；se-bodout；xv-mlvss
or： sr=sa-se ；x=mlss
¨a，b---y， kd （y=0.5-0.65；kd=0.05-0.1）
¨污泥泥龄与bod污泥去除负荷的关系的推导：
由：
两边同以xvv除：
令： bod污泥去除负荷（kg/kg.d）
而根据泥龄的定义： þ
则推导出：
思考题：推导出水bod浓度与污泥泥龄的关系
（城市污水20oc：y=0.4-0.8 mgvss/mgbod；0.25-0.4mgvss/mgcod
kd=0.04-0.075 d-1）
6. 有机物降解与需氧
kg o2/d ；a¢- kg o2/kgbod 去除 ；b¢- kg o2/kg污泥自身氧化
由以上式子也可导出两个重要关系：
f单位重量活性污泥需氧量与bod污泥去除负荷：
f每降解1kgbod的需氧量与bod污泥去除负荷：
a¢=0.42-0.53；b¢=0.188-0.11 (生活污水)
系数 y，kd，a，b，；a¢，b¢ 的确定：
j dx/xvv
y
k kd qsr/xvv
o2/xvv
l a¢
b¢
qsr/xvv
4.3 活性污泥反应动力学基础
g 活性污泥反应：活性污泥对有机物的代谢；活性污泥的增长；活性污泥微生物对氧的利用等生化反应
g活性污泥反应动力学主要研究活性污泥生化反应速率及其影响因素.主要内容：
e有机物降解速率与有机物浓度、活性污泥生物量
e活性污泥增殖速率与有机物浓度、活性污泥生物量
4.3.2 monod 方程式
1.基本方程
由描述酶（纯酶）促反应的米-门公式----描述纯种微生物在单一基质上增殖速率的monod方程
基质降解速度 微生物增殖速度
vmax v=vmax mmax
v=f（s）
km
s s=ks s
米-门关系曲线 monod 曲线
e + s es e+ p m--微生物比增殖速度，t-1
酶 基质 复合物 酶 产物 mmax--微生物*大比增殖速度，t-1
v-基质降解速度 km饱和常数
进一步应用到污水处理过程（混合的活性污泥菌群）中：
¾ 因为微生物的比增殖速度（m）与有机物的比降解速度（v）成正比：
mµ v
则有机物比降解速度也可以用米门公式描述：
vmax-有机物的*大比降解速度，t-1
有机物比降解速度的定义：
s0，s 进出水有机物浓度
t 反应时间
所以：
有机物降解速度
x=mlvss
当 ；
2. monod方程式的两点推论
（在两种极限有机物浓度下，monod方程式的两种简化表示式）
（1） s >> ks
忽略ks 零级反应
（2） s<< ks
分母中s忽略不计
上等反应
vmax v=vmax
上等反应
vmax/2 零级反应区
s=ks s
在大多数污水生物处理中，用上等反应动力学表示有机物的降解速率是适当的。
积分后得： --
研究动力学公式时的几点假定条件：
1） 系统处于稳定状态（温度、ph、供氧、水质、水量）
2） 进水所有可生物降解有机物为溶解性
3） 二沉淀池无微生物活动，活性污泥的絮凝、沉淀性能良好
4） 一般都模拟处于完全混合流态的曝气池
3.monod方程式的应用
一完全混合活性污泥系统的物料平衡图：
q s0 v se x q+rq，se，x q，se
进水 曝气池 二沉 出水
rq，xr，se qw，xr
回流污泥 剩余污泥
列有机物物料平衡方程： （r污泥回流比）
进入量 排出 变化量
整理：
1）若代入上等有机物降解的反应动力学方程；
进而推导出bod污泥去除负荷nrs与出水有机物浓度的关系：
kgbod/kg .d
经过整理： or
以及bod容积去除负荷nrv与出水有机物浓度的关系：
kgbod/m3.d
2）代入monod方程的一般形式（s/ks>1）：
同样也得到：bod污泥去除负荷nrs与出水有机物浓度的关系：
kgbod/kg .d
以及bod容积去除负荷nrv与出水有机物浓度的关系：
kgbod/m3.d
4.动力学常数的确定
1） 上等反应方程中的k2： k2
se
2） monod方程中的vmax，ks：
ks/vmax
其倒数： 1/vmax 1/se
城市污水20oc：vmax=2-10 d-1， ks=25-100 mgbod/l
15-70 mgcod/l
4.3.3 活性污泥动力学的另一种表示形式lawrence-mcmarty 方程式：
特点：直接研究活性污泥反应过程，强调污泥泥龄的概念：
污泥龄：活性污泥在反应器中平均停留时间 （d）
qc q 生物固体平均停留时间
细胞平均停留时间
定义单位底物利用率：
由4-20：推出l-m**基本方程--泥龄与单位底物利用率：
借用monod方程建立l-m第二基本方程：
设定有机物被微生物利用速率=有机物降解速率
--有机物被微生物利用速率
其含义同monod方程
l-m推论的3个重要关系式：
对完全混合活性污泥系统进行生物量、底物质量平衡分析：
q（1+r），xa （q-qw），xe ，se
q，s0 xa，v，se
r污泥回流比
rq ，xr ，se dx=qw.xr
1） se-qc：通过系统中微生物的质量衡算：
由基本方程：
和 推出：
2)反应器中xa与qc：通过进出曝气池的底物的质量衡算：
由
得：
3)污泥回流比r与qc： 由进出二沉池污泥量的物料平衡：
q（1+r）xa= （q-qw）xe+dx+ rqxr
xe 0 有： q（1+r）xa= dx+ rqxr 且
所以有：
4)活性污泥的表观产率 yobs
y 微生物增殖总量，没有去除由于微生物内源呼吸作用而使自身质量消亡的那一部分。实际测得的微生物增殖量，是微生物的净增殖量，称之为表观产率：
yobs=y/（1+kdqc）
4.4 活性污泥处理系统的运行方式与曝气池的工艺参数
4.4.1 传统(普通)活性污泥法处理系统
（conventional activated sludge process）
进水 air
曝气池
aeration tank 二沉池 出水
回流污泥
·工艺描述：狭长形，多廊道，推流式，吸附与代谢发生在一个池子中，供氧均匀
·工艺特征： bod bod降解 o2 需氧与供氧
污泥增长曲线 供氧
量 b dx 需氧
a 减 内源代谢 do浓度
池长 池长 池长
·工艺优点：历史悠久；停留时间长；污泥生长周期长，处理效率高（bod去除率90-95%）；运行稳定，管理操作简单，便于改革发展，污泥沉淀性能好；
特别适用于对处理要求高，而水质稳定的废水