第三章 廢水好氧生物處理工藝(1) 活性污泥法,第一節(jié) 活性污泥法的基本原理 第二節(jié) 活性污泥法的運(yùn)行方式 第三節(jié) 活性污泥法的反應(yīng)動力學(xué) 第四節(jié) 曝氣的原理、方法與設(shè)備 第五節(jié) 活性污泥法的工藝設(shè)計(jì) 第六節(jié) 活性污泥法的運(yùn)行管理,1,第一節(jié)、活性污泥法的基本原理,一、活性污泥法的工藝流程,廢水,2,活性污泥系統(tǒng)的主要組成, 曝氣池：反應(yīng)的主體，有機(jī)物被降解，微生物得以增殖； 二沉池：1）泥水分離，保證出水水質(zhì)； 2）濃縮污泥，保證污泥回流，維持曝氣池內(nèi)的污泥濃度。 回流系統(tǒng)：1）維持曝氣池內(nèi)的污泥濃度； 2）回流比的改變，可調(diào)整曝氣池的運(yùn)行工況。 剩余污泥： 1）去除有機(jī)物的途徑之一； 2）維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行 供氧系統(tǒng)：為微生物提供溶解氧,3,生活污水或城市廢水的處理流程,高碑店污水處理廠的工藝流程圖,4,高碑店污水處理廠的工藝流程與平面布置,初沉池,曝氣池,二沉池,二期,曝氣池,二沉池,初沉池,5,正在運(yùn)行的曝氣池,6,曝氣池中的曝氣頭的布置,7,活性污泥系統(tǒng)有效運(yùn)行的基本條件是：,廢水中含有足夠的可溶性易降解有機(jī)物； 混合液含有足夠的溶解氧； 活性污泥在池內(nèi)呈懸浮狀態(tài)； 活性污泥連續(xù)回流，剩余污泥及時(shí)排放， 維持曝氣池內(nèi)穩(wěn)定的活性污泥濃度； 進(jìn)水中不含有對微生物有毒有害的物質(zhì),8,二、活性污泥的性質(zhì)及性能指標(biāo),1、物理性質(zhì)： “菌膠團(tuán)”“生物絮凝體” 顏色：褐色、（土）黃色、鐵紅色 氣味：泥土味（城市污水） 比重：略大于1 （1.0021.006） 粒徑：0.020.2 mm 比表面積：20100cm2/ml,9,二、活性污泥的性質(zhì)及性能指標(biāo),2、生化性能： 活性污泥的含水率： 99.299.8% 其中固體物質(zhì)的組成： 1）活細(xì)胞（Ma）： 2）微生物內(nèi)源代謝的殘留物（Me）： 3）吸附的原廢水中難于生物降解的有機(jī)物（Mi）： 4）無機(jī)物質(zhì)（Mii）：,10,二、活性污泥的性質(zhì)及性能指標(biāo),3、活性污泥中的微生物： A細(xì)菌： 是活性污泥凈化功能最活躍的成分 主要菌種有：動膠桿菌屬、假單胞菌屬、微球菌屬、黃桿菌屬、芽胞桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、無色桿菌屬等 特征： 1）絕大多數(shù)是好氧和兼性異養(yǎng)型的原核細(xì)菌； 2）在好氧條件下，具有很強(qiáng)的分解有機(jī)物的功能； 3）具有很高的增殖速率，其世代時(shí)間僅為2030分鐘； 4）動膠桿菌具有將大量細(xì)菌結(jié)成為“菌膠團(tuán)”的功能。,11,B、原生動物-在活性污泥中大約為103個(gè)/ml,鐘蟲,小口鐘蟲,草履蟲,蓋纖蟲,腎形蟲,變形蟲,12,C、后生動物,線蟲,輪蟲,13,原（后）生動物作為“指示性生物”,數(shù)量,14,4、活性污泥的性能指標(biāo)：,（1）混合液懸浮固體濃度（MLSS） （Mixed Liquor Suspended Solids） MLSS = Ma + Me + Mi + Mii 單位： mg/L 或 g/m3 （2）混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS） （Mixed Liquor Volatile Suspended Solids） MLVSS = Ma + Me + Mi 單位： mg/L 或 g/m3,在條件一定時(shí)， 較穩(wěn)定； 對于處理城市污水的活性污泥系統(tǒng)，一般為0.750.85,15,4、活性污泥的性能指標(biāo)：,（3）污泥沉降比（SV） （Sludge Volume） 定義：將曝氣池中的混合液在量筒中靜置30分鐘，其沉淀污泥與原混合液的體積比，一般以%表示； 功能：能相對地反映污泥數(shù)量以及污泥的凝聚、沉降性能，可用以控制排泥量和及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期的污泥膨脹； 正常范圍： 2030%,16,SV的測定,0min,15min,30min,SV = 40%,17,4、活性污泥的性能指標(biāo)：,（4）污泥體積指數(shù)（SVI） （Sludge Volume Index） 定義：曝氣池出口處混合液經(jīng)30分鐘靜沉后，1g干污泥所形成的污泥體積，( ml/g),功能：能更準(zhǔn)確地評價(jià)污泥的凝聚性能和沉降性能， 其值過低，說明泥粒小，密實(shí)，無機(jī)成分多； 其值過高，說明其沉降性能不好，將要或已經(jīng)發(fā)生膨脹； 正常范圍： 50150 ml/g（處理城市污水時(shí)）,18,三、活性污泥法的基本工藝參數(shù),1、曝氣池的有機(jī)容積負(fù)荷： 1）進(jìn)水COD（BOD5）容積負(fù)荷：,2）COD（ BOD5 ）去除容積負(fù)荷：,19,2、 曝氣池的有機(jī)污泥負(fù)荷： 1）進(jìn)水COD（BOD5）污泥負(fù)荷：,2）COD（BOD5）去除污泥負(fù)荷：,20,三、活性污泥法的基本工藝參數(shù),3、曝氣池的水力停留時(shí)間（HRT、Hydraulic Retention Time）,4、曝氣池的污泥停留時(shí)間（SRT，Sludge Retention Time、c）,（h）,（d）,(mg/l),21,四、活性污泥的增殖規(guī)律及應(yīng)用,活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝氣池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)、有機(jī)物被降解的必然結(jié)果，而微生物增殖的結(jié)果則是活性污泥的增殖。 活性污泥的增殖曲線,22,活性污泥的增殖曲線,注意：1）間歇靜態(tài)培養(yǎng)；2）底物是一次投加,對數(shù)增殖期,減速增殖期,內(nèi)源呼吸期,氧利用速率曲線,微生物增殖曲線(M),BOD變化曲線(F),適應(yīng)期,23,有關(guān)概念,F/M值: 在溫度適宜、DO充足、且不存在抑制物質(zhì)的條件下，活性污泥微生物的增殖速率主要取決于微生物與有機(jī)基質(zhì)的相對數(shù)量，即有機(jī)基質(zhì)(Food)與微生物(Microorganism)的比值，即F/M值。 F/M值是影響有機(jī)物去除速率、氧利用速率的重要因素。,實(shí)際上，F(xiàn)/M值就是以BOD5表示的進(jìn)水污泥負(fù)荷，即：,24,活性污泥的增殖曲線的分區(qū),可將增殖曲線分為四個(gè)時(shí)期： 1)適應(yīng)期 2)對數(shù)增殖期 3)減速增殖期 4)內(nèi)源呼吸期,25,適應(yīng)期,1）定義：微生物對于新的環(huán)境條件、污水中不同種類的有機(jī)物污染物等的短暫的適應(yīng)過程； 2）活性污泥微生物的變化： 數(shù)量基本沒有變化； 菌體體積增大； 酶系統(tǒng)相應(yīng)調(diào)整； 新的變異；等。 3）水質(zhì)指標(biāo)基本無變化。,26,對數(shù)增殖期,F/M值高(2.2 kgBOD/kgVSS.d)，有機(jī)物豐富，營養(yǎng)物質(zhì)不是微生物增殖的控制因素； 微生物的增值速率與基質(zhì)濃度無關(guān)，呈零級反應(yīng)，僅由微生物本身特有的最小世代時(shí)間所控制，即只受微生物自身生理機(jī)能的限制； 微生物以最高速率對有機(jī)物進(jìn)行攝取，以最高速率增殖，合成新細(xì)胞； 活性污泥具有高的能量水平，微生物的活動能力很強(qiáng)，污泥質(zhì)地松散，不易形成較好的絮凝體，沉淀性能不佳； 活性污泥的代謝速率極高，需氧量大； 一般不采用此階段作為運(yùn)行工況。（但也有，如高負(fù)荷活性污泥法）,27,減速增長期,F/M值下降到一定水平后，有機(jī)物的濃度成為微生物增殖的控制因素； 微生物的增殖速率與殘存的有機(jī)物呈正比，為一級反應(yīng)； 有機(jī)底物的降解速率也開始下降； 微生物的增殖速率在逐漸下降，直至最終下降為零，但活性污泥的量仍持續(xù)增長并最終達(dá)到最高； 絮凝體開始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均較好； 出水水質(zhì)有較大改善，且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定； 大多數(shù)污水廠曝氣池的運(yùn)行工況。,28,活性污泥的增殖曲線,對數(shù)增殖期,減速增殖期,內(nèi)源呼吸期,氧利用速率曲線,微生物增殖曲線(M),BOD變化曲線(F),適應(yīng)期,29,內(nèi)源呼吸期,內(nèi)源呼吸的速率在本期之初首次超過了合成速率，因此從整體上來說，活性污泥的量在減少，最終所有的活細(xì)胞將消亡，而僅殘留下內(nèi)源呼吸的殘留物，而這些物質(zhì)多是難于降解的細(xì)胞壁等； 污泥的無機(jī)化程度較高，沉降性能良好，但凝聚性較差；有機(jī)物基本消耗殆盡，處理水質(zhì)良好； 一般不采用這一階段作為運(yùn)行工況，但也有采用，如延時(shí)曝氣法。,30,活性污泥增殖規(guī)律的應(yīng)用：,1）活性污泥的增殖狀況，主要是由F/M值所控制； 2）不同增殖期的活性污泥，性能不同，出水水質(zhì)也不同； 3）通過調(diào)整F/M值，可調(diào)控曝氣池的運(yùn)行工況，以達(dá)到所要求的出水水質(zhì)和活性污泥的良好性能； 4）推流式活性污泥法： 一段線段； 完全混合式活性污泥法： 一個(gè)點(diǎn),31,活性污泥的增殖曲線,對數(shù)增殖,減速增殖,內(nèi)源呼吸,適應(yīng)期,32,有機(jī)物降解與微生物增殖：,活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化(內(nèi)源呼吸)兩項(xiàng)作用的綜合結(jié)果，所以，微生物的凈增殖速率為：,活性污泥中微生物的合成速率（kgVSS/d）；,其中：a 降解1kgBOD所產(chǎn)生的VSS，即產(chǎn)率系數(shù)（kgVSS/kgBOD.d）；,活性污泥中微生物的自身氧化速率（kgVSS/d）；,其中：b 活性污泥的自身氧化系數(shù)（kgVSS/kgVSS.d，一般為d-1）；,xv 系統(tǒng)中活性污泥的總量（kgVSS）,33,有機(jī)物降解與微生物增殖：,因此，活性污泥微生物增殖的基本方程式:,積分后，得出活性污泥微生物在曝氣池內(nèi)每日的凈增長量為:,Si進(jìn)水BOD濃度(kgBOD/m3)； Se 出水濃度(kgBOD/m3)。,式中: x每日的污泥增長量(kgVSS/d)；= Qw·Xr Q 每日處理廢水量(m3/d)；,34,a、b經(jīng)驗(yàn)值的獲得：,(1) 對于生活污水或相近的工業(yè)廢水: a = 0.50.65，b = 0.050.1； (2) 對于工業(yè)廢水，則：,35,a、b經(jīng)驗(yàn)值的獲得：,（3）通過小試獲得：,可改寫為：,36,有機(jī)物降解與需氧：,氧在微生物代謝過程中的用途： (1)氧化分解有機(jī)物； (2)氧化分解自身的細(xì)胞物質(zhì)。,式中：O2曝氣池中混合液的需氧量，kgO2/d; a代謝每kgBOD所需的氧量， kgO2/kgBOD.d; b每kgVSS每天進(jìn)行自身氧化所需的氧量， kgO2/kgVSS.d 。,37,有機(jī)物降解與需氧:,上式可改寫為：,或,式中：O2/VXv單位質(zhì)量污泥的需氧量，kgO2/kgVSS.d; O2=O2/QSr去除每kgBOD所需的氧量， kgO2/kgBOD.d; 思考題：如何解釋單位質(zhì)量污泥的需氧量與負(fù)荷成正比，而去除單位質(zhì)量BOD的需要量與負(fù)荷成反比？,38,a、b值的確定:,活性污泥法處理城市污水：,39,a、b值的確定:,活性污泥法處理工業(yè)污水：,40,a、b值的確定:,(3)試驗(yàn)法:,41,第二節(jié) 活性污泥法的運(yùn)行方式,1)傳統(tǒng)活性污泥法； 2)完全混合活性污泥法； 3)階段曝氣活性污泥法； 4)吸附再生活性污泥法； 5)延時(shí)曝氣活性污泥法； 6)高負(fù)荷活性污泥法； 7)純氧曝氣活性污泥法； 8)淺層低壓曝氣活性污泥法； 9)深水曝氣活性污泥法； 10)深井曝氣活性污泥法。,42,QSi,VX,QwXSe,Q-QwXeSe,QrXrSe,Q+QrXSe,一、傳統(tǒng)活性污泥法：,1)工藝流程:,43,一、傳統(tǒng)活性污泥法：,平面圖,剖面圖,曝氣頭,曝氣設(shè)備,隔墻,空氣管溝,44,一、傳統(tǒng)活性污泥法：,供氧速率與需氧速率,45,微孔曝氣頭,46,一、傳統(tǒng)活性污泥法：,主要優(yōu)點(diǎn)： a. 處理效果好：BOD5的去除率可達(dá)9095%； b. 對廢水的處理程度比較靈活，可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。 4)主要問題： a. 為了避免池首端形成厭氧狀態(tài)，不宜采用過高的有機(jī)負(fù)荷，因而池容較大，占地面積較大； b. 在池末端可能出現(xiàn)供氧速率高于需氧速率的現(xiàn)象，會浪費(fèi)了動力費(fèi)用； c. 對沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性較弱。,47,傳統(tǒng)活性污泥法,48,二、完全混合活性污泥法,工藝流程,完全混合曝氣池,49,二、完全混合活性污泥法,主要特點(diǎn)： a. 可以方便地通過對F/M的調(diào)節(jié)，使反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)物降解反應(yīng)控制在最佳狀態(tài)； b. 進(jìn)水一進(jìn)入曝氣池，就立即被大量混合液所稀釋，所以對沖擊負(fù)荷有一定的抵抗能力； c. 適合于處理較高濃度的有機(jī)工業(yè)廢水,50,二、完全混合活性污泥法,主要結(jié)構(gòu)形式：,a.合建式（曝氣沉淀池） b.分建式,51,合建式曝氣池 曝氣沉淀池,52,合建式曝氣池（曝氣沉淀池）,53,分建式曝氣池,54,二、完全混合活性污泥法,55,三、階段曝氣活性污泥法 分段進(jìn)水法或多點(diǎn)進(jìn)水法,工藝流程,56,多點(diǎn)進(jìn)水活性污泥法的工藝流程,57,三、階段曝氣活性污泥法 分段進(jìn)水法或多點(diǎn)進(jìn)水法,主要特點(diǎn)： a.廢水沿池長分段注入曝氣池，有機(jī)物負(fù)荷分布較均衡，改善了供氧速率與需氧速率之間的矛盾，有利于降低能耗； b.廢水分段注入，提高了曝氣池對沖擊負(fù)荷的適應(yīng)能力；,58,三、階段曝氣活性污泥法 分段進(jìn)水法或多點(diǎn)進(jìn)水法,59,四、吸附再生活性污泥法 又稱生物吸附法或接觸穩(wěn)定法,主要特點(diǎn)： 將吸附、降解兩個(gè)過程分別控制在不同的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。,60,活性污泥凈化反應(yīng)過程:,在活性污泥處理系統(tǒng)中，有機(jī)底物從廢水中被去除的實(shí)質(zhì)就是有機(jī)底物作為營養(yǎng)物質(zhì)被活性污泥微生物攝取、代謝與利用的過程，這一過程的結(jié)果是污水得到了凈化，微生物獲得了能量而合成新的細(xì)胞，活性污泥得到了增長。 一般將這整個(gè)凈化反應(yīng)過程分為三個(gè)階段： 1）初期吸附； 2）微生物代謝； 3）活性污泥的凝聚、沉淀與濃縮,61,活性污泥的初期吸附作用,曝氣過程,降解,初期吸附,BOD,62,活性污泥的初期吸附作用,在活性污泥系統(tǒng)內(nèi)，在污水開始與活性污泥接觸后的較短時(shí)間(1030min)內(nèi)，由于活性污泥具有很大的表面積因而具有很強(qiáng)的吸附能力，因此在這很短的時(shí)間內(nèi)，就能夠去除廢水中大量的呈懸浮和膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物，使廢水的BOD5值(或COD值)大幅度下降。 但不是真正的降解，隨著時(shí)間的推移，混合液的BOD5值會回升，再之后，BOD5值才會逐漸下降。 活性污泥吸附作用的大小與很多因素有關(guān): 1）廢水的性質(zhì)、特性： 含有較高濃度呈懸浮或膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物。 2）活性污泥的狀態(tài)： 充分的再生曝氣，一般應(yīng)使活性污泥微生物進(jìn)入內(nèi)源代謝期，才能使其吸附功能得到恢復(fù)和增強(qiáng)。,63,四、吸附再生活性污泥法 又稱生物吸附法或接觸穩(wěn)定法,工藝流程,64,四、吸附再生活性污泥法 又稱生物吸附法或接觸穩(wěn)定法,1)主要優(yōu)點(diǎn)： a.廢水與活性污泥在吸附池的接觸時(shí)間較短，吸附池容積較小，再生池接納的僅是濃度較高的回流污泥，因此，再生池的容積也是小的。吸附池與再生池容積只和仍低于傳統(tǒng)法曝氣池的容積，建筑費(fèi)用較低； b.具有一定的承受沖擊負(fù)荷的能力，當(dāng)吸附池的活性污泥遭到破壞時(shí)，可由再生池的污泥予以補(bǔ)充。 2)主要缺點(diǎn)： 對廢水的處理效果低于傳統(tǒng)法，此外，對溶解性有機(jī)物含量較高的廢水，處理效果更差。,65,四、吸附再生活性污泥法 又稱生物吸附法或接觸穩(wěn)定法,設(shè)計(jì)參數(shù),容積負(fù)荷 (kgBOD5/m3.d),1.01.2,MLSS (mg/l),吸附池：10003000 再生池：400010000,回流比 (%),25100,66,五、延時(shí)曝氣活性污泥法 完全氧化活性污泥法,1)主要特點(diǎn)： a. 有機(jī)負(fù)荷率非常低，污泥持續(xù)處于內(nèi)源代謝狀態(tài)，剩余污泥少且穩(wěn)定，無需再進(jìn)行處理； b. 處理出水出水水質(zhì)穩(wěn)定性較好，對廢水沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性； c. 在某些情況下，可不設(shè)初沉池。 2)主要缺點(diǎn)： 池容大、曝氣時(shí)間長，占地面積大； 建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用高； 適用條件： 出水水質(zhì)高，小規(guī)模，水量一般在1000m3/d以下。,67,五、延時(shí)曝氣活性污泥法 完全氧化活性污泥法,設(shè)計(jì)參數(shù),容積負(fù)荷 (kgBOD5/m3.d),0.10.4,MLSS (mg/l),30006000,回流比 (%),75100,68,六、高負(fù)荷活性污泥法 又稱短時(shí)曝氣法或不完全曝氣活性污泥法,1)主要特點(diǎn)： a. 有機(jī)負(fù)荷率高，曝氣時(shí)間短，對廢水的處理效果較低； b. 在系統(tǒng)和曝氣池的構(gòu)造等方面與傳統(tǒng)法相同。,69,六、高負(fù)荷活性污泥法 又稱短時(shí)曝氣法或不完全曝氣活性污泥法,主要設(shè)計(jì)參數(shù)：,設(shè)計(jì)參數(shù),容積負(fù)荷 (kgBOD5/m3.d),1.22.4,MLSS (mg/l),200500,回流比 (%),515,70,七、純氧曝氣活性污泥法,工藝流程,氣體循環(huán)泵,氣體分散及攪拌裝置,71,七、純氧曝氣活性污泥法,1)主要特點(diǎn)： a. 純氧中氧的分壓比空氣約高5倍，純氧曝氣可大大提高氧的轉(zhuǎn)移效率； b. 氧的轉(zhuǎn)移率可提高到80-90%，而一般的鼓風(fēng)曝氣僅為525%左右； c. 可使曝氣池內(nèi)活性污泥濃度高達(dá)40007000mg/l，能夠大大提高曝氣池的容積負(fù)荷； d. 剩余污泥產(chǎn)量少，SVI值也低，污泥膨脹較少發(fā)生。,72,七、純氧曝氣活性污泥法,設(shè)計(jì)參數(shù),容積負(fù)荷 (kgBOD5/m3.d),2.03.2,MLSS (mg/l),600010000,回流比 (%),2550,73,八、淺層低壓曝氣法,理論基礎(chǔ)：只有在氣泡形成和破碎的瞬間，氧的轉(zhuǎn)移率最高，因此，沒有必要延長氣泡在水中的上升距離。 其曝氣裝置一般安裝在水下0.80.9米處，因此可以采用風(fēng)壓在1米以下的低壓風(fēng)機(jī)，動力效率較高，可達(dá)1.802.60kgO2/kw.h； 其氧轉(zhuǎn)移率較低，一般只有2.5%； 池中設(shè)有導(dǎo)流板，可使混合液呈循環(huán)流動狀態(tài)。,74,八、淺層低壓曝氣法,75,九、深水曝氣活性污泥法,1)主要特點(diǎn)： a. 曝氣池水深在78m以上， b. 由于水壓較大，氧的轉(zhuǎn)移率可以提高，相應(yīng)也能加快有機(jī)物的降解速率； c. 占地面積較小。,76,九、深水曝氣活性污泥法,深水中層曝氣法的示意圖,空氣,曝氣裝置,深水深層曝氣法的示意圖,77,十、深井曝氣 活性污泥法 又稱超深水 曝氣法,工藝流程： 一般平面呈圓形， 直徑約16m，深度為50150m。,78,十、深井曝氣活性污泥法 又稱超深水曝氣法,主要特點(diǎn)： a.氧轉(zhuǎn)移率高，約為常規(guī)法的10倍以上； b.動力效率高，占地少，易于維護(hù)運(yùn)行； c.耐沖擊負(fù)荷，產(chǎn)泥量少； d.一般可以不建初次沉淀池 e.但受地質(zhì)條件的限制。,79,十、深井曝氣活性污泥法 又稱超深水曝氣法,設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)參數(shù),容積負(fù)荷(kgBOD5/m3.d),3.03.6,MLSS(mg/l),30005000,回流比(%),4080,80,作業(yè),8、()普通活性污泥法、吸附再生法和完全混合法各有什么特點(diǎn)？在一般情況下，對于有機(jī)廢水BOD5的去除率如何？根據(jù)活性污泥增長曲線來看，這幾種運(yùn)行方式的基本區(qū)別在什么地方？各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？ 11、()試指出污泥沉降比SV、污泥濃度MLSS和污泥指數(shù)SVI的定義，以及其在水處理工程中的實(shí)際意義以及一般的正常數(shù)值范圍。 5、()普通活性污泥法曝氣池中的MLSS為3700mg/L，SVI為80mL/g，求其SV和回流污泥中的懸浮固體濃度。 7、()某造紙廠采用活性污泥法處理廢水，廢水量為24000m3/d，曝氣池容積V為8000m3。經(jīng)初次沉淀，廢水的BOD5為300mg/L，曝氣池對BOD5的去除率為90%，曝氣池混合液懸浮液固體濃度為4000mg/L，其中揮發(fā)性懸浮固體占75%。試求：F/M、每日剩余污泥量、每日需氧量和污泥齡。（已知：a = 0.76kgVSS/kgBOD5.d，b = 0.016d-1；a = 0.38kgO2/kgBOD5，b = 0.092kgO2/kgVSS.d）,81,第三節(jié)、活性污泥法的反應(yīng)動力學(xué),什么是活性污泥法反應(yīng)動力學(xué)？ 可以定量或半定量地揭示系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物降解、污泥增長、氧氣的消耗等與各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)及環(huán)境因素之間的關(guān)系；,82,活性污泥法的反應(yīng)動力學(xué)的主要內(nèi)容:,(1)基質(zhì)降解的動力學(xué)，涉及基質(zhì)降解與基質(zhì)濃度、生物量等因素的關(guān)系； (2)微生物增長動力學(xué)，涉及微生物增長與基質(zhì)濃度、生物量、增長常數(shù)等因素的關(guān)系； (3)還研究底物降解與生物量增長、底物降解與需氧、營養(yǎng)要求等的關(guān)系。,83,建立活性污泥法反應(yīng)動力學(xué)模型的假設(shè):,(1) 反應(yīng)器處于完全混合狀態(tài)， 對于推流式曝氣池系統(tǒng)，需加以修正； (2)活性污泥系統(tǒng)的運(yùn)行條件絕對穩(wěn)定； (3)二沉池內(nèi)無微生物活動，也無污泥累積，且泥水分離效果良好； (4)進(jìn)水有機(jī)物均為溶解性有機(jī)物，且濃度恒定，不含微生物； (5)進(jìn)水中不含對微生物具有毒性或抑制性的物質(zhì)。,84,反應(yīng)動力學(xué)研究的由來,勞倫斯麥卡蒂（LawrenceMcCarty）模式,酶促反應(yīng)動力學(xué)公式（米門公式） （MichaelisMenton）,85,(一) 活性污泥反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)米門公式與莫諾德模式,A米門公式 MichaelisMenton提出酶的“中間產(chǎn)物”學(xué)說，通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了含單一基質(zhì)單一反應(yīng)的酶促反應(yīng)動力學(xué)公式，即米門公式：,其中：Km飽和常數(shù)，或半速常數(shù)； 1/Km基質(zhì)親和力,E + S ES E + P,86,米門公式的圖示,vmax,Km,87,B.莫諾德模式：, 1942年和1950年，Monod 單一基質(zhì)、純菌種培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)， 微生物比增殖速率與基質(zhì)濃度 與酶促反應(yīng)類似的規(guī)律， 提出活性污泥法的動力學(xué)公式，即莫諾德模式：,式中： 微生物的比增殖速率，kgVSS/kgVSS.d； max基質(zhì)濃度飽和時(shí)，微生物的最大比增殖速率, kgVSS/kgVSS.d; S反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度，mg/l； Ks飽和常數(shù)，也稱半速常數(shù)。,88,B.莫諾德模式：,隨后發(fā)現(xiàn)，用由混合微生物群體組成的活性污泥對多種基質(zhì)進(jìn)行微生物增殖實(shí)驗(yàn)，也取得了符合這種關(guān)系的結(jié)果。 在微生物比增殖速率與底物的比降解速率之間存在下列比例關(guān)系：,89,B.莫諾德模式：,則與比增殖速率相對應(yīng)的比底物降解速率也可以用類似公式表示，即：,式中：S 限制性底物的濃度；,對于廢水處理來說，有機(jī)物的降解是其基本目的，因此上式的實(shí)際意義更大。,90,B.莫諾德模式：,一級反應(yīng)區(qū),過渡區(qū),零級反應(yīng)區(qū),91,l 莫諾德方程式的推論：,(1) 在高底物濃度的條件下，即SKs，呈零級反應(yīng)，則有：,，,（2）在低底物濃度的條件下，即S Ks，則：,92,活性污泥法反應(yīng)動力學(xué)的應(yīng)用,【例1】如何用動力學(xué)解釋pH值對氨氮氧化速率的影響？ 【思考題1】推流式與完全混合式的比較： 19、(4)進(jìn)水條件和出水水質(zhì)要求相同時(shí)，如果單從反應(yīng)動力學(xué)的角度來考慮，采用推流式曝氣池和完全混合式曝氣池，那種所需要的池容較小？,93,pH值對氨氮氧化速率的影響的動力學(xué)解釋,例1：在一個(gè)硝化反應(yīng)器中，氨氮濃度為130mg/L，T=35C，請通過計(jì)算給出當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的pH值分別為6.0和8.0時(shí)的氨氧化速率的比值。,94,研究背景,亞硝化的反應(yīng)方程式：,亞硝化反應(yīng)是由氨氧化細(xì)菌在好氧、pH值中性偏堿的條件下完成的； 研究表明，亞硝化過程受pH值的影響很大； 最近的研究表明，氨氧化細(xì)菌的直接底物是游離態(tài)的NH3，而不是離子態(tài)的NH4+； 但水質(zhì)監(jiān)測中所測得的氨氮濃度，實(shí)際上是總氨氮濃度，即TNH3，其中包括NH3和NH4+；,95,研究背景,Monod方程認(rèn)為，廢水中的生化反應(yīng)速率為：,上式中的S指的是生化反應(yīng)過程中的限制性基質(zhì)的濃度，即氨氧化過程中的游離氨濃度； 因此，需要計(jì)算出不同pH值下反應(yīng)器中實(shí)際的游離氨的濃度，即NH3：,（1）,96,水中游離氨濃度的計(jì)算,聯(lián)合式（2）和式（3），可得：,（2）,（3）,再加上：,最后可得：,（4）,97,其它有關(guān)常數(shù)：,1825C時(shí)，,假定30C時(shí)，,30C時(shí)，,30C時(shí)，氨氧化細(xì)菌的Ks = 7.0mgN/L,98,具體的計(jì)算過程與結(jié)果：,pH6時(shí)，利用式（4），可計(jì)算出：,同樣，pH8時(shí)：,再利用式（1），可計(jì)算出：,pH6時(shí)：,pH8時(shí)：,所以：,99,示意圖,100,C、LawrenceMcCarty模式：,有關(guān)基本概念：,a、微生物比增殖速率,b、單位基質(zhì)利用率：,101,有關(guān)基本概念（續(xù)）：,c、污泥停留時(shí)間（SRT）、平均細(xì)胞停留時(shí)間（MCRT）、污泥齡(c)：,102,有關(guān)基本概念：,3) 與c的關(guān)系：,所以有：,103,(三) LM模式的基本方程式：,1. 第一基本方程式：,前面已有：,式中：Y微生物的產(chǎn)率系數(shù)，kgVSS/kgBOD； Kd 自身氧化系數(shù)，或衰減常數(shù)，d-1，（kgVSS/kgVSS.d）；,經(jīng)整理后：,表示的是污泥齡（ c ）與產(chǎn)率系數(shù)Y、基質(zhì)比利用速率（q）及自身氧化系數(shù)(Kd)之間的關(guān)系。,104,2. 第二基本方程式：,認(rèn)同莫諾德模式：,認(rèn)為有機(jī)基質(zhì)的降解速率等于其被微生物的利用速率，即：,式中：S 反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度； qmax單位生物量的最大基質(zhì)利用速率； Ks半速常數(shù)。 表示的是基質(zhì)利用速率與反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度和基質(zhì)濃度之間的關(guān)系。,105,(四) L-M模式的應(yīng)用（基本方程的推論）,A.第一導(dǎo)出方程 出水水質(zhì)(Se)與污泥齡(c)之間的關(guān)系：,代入：,則有：,106,污泥齡的計(jì)算：,能否有更簡便的計(jì)算方法？,傳統(tǒng)排泥方式：,簡化后，則：,107,LawrenceMcCarty建議的排泥方式：,兩種排泥方式：I. 剩余污泥從污泥回流系統(tǒng)排出； II. 剩余污泥從曝氣池直接排出。,QSi,VXSe,II. QwX,I. QwX,Q-QwXeSi,QrXrSe,108,污泥齡的計(jì)算：,從曝氣池直接排泥，則：,簡化后:,109,第二種排泥方式的優(yōu)點(diǎn)：,1）減輕了二沉池的負(fù)擔(dān)； 2）可將剩余污泥單獨(dú)濃縮處理； 3）便于控制曝氣池的運(yùn)行。,110,(四) L-M模式的應(yīng)用（基本方程的推論）,B. 第二導(dǎo)出方程曝氣池內(nèi)微生物濃度（X）與污泥齡(c)的關(guān)系 對曝氣池作有機(jī)底物的物料衡算：,=,111,®,112,(四) L-M模式的應(yīng)用（基本方程的推論）,代入第一基本方程有：,由于,所以：,說明：曝氣池中微生物濃度與有機(jī)物濃度、污泥齡和曝氣時(shí)間等有關(guān)。 式中= c /t，稱為污泥循環(huán)因子， 物理意義為：活性污泥從生長到被排出系統(tǒng)期間與廢水接觸的平均次數(shù)。,113,(四) L-M模式的應(yīng)用（基本方程的推論）,C.第三導(dǎo)出方程回流比R與c之間的關(guān)系 對曝氣池的生物量進(jìn)行物料衡算：,©,由于,所以：,所以：,114,®,115,(四) L-M模式的應(yīng)用（基本方程的推論）,D產(chǎn)率系數(shù)（Y）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（Yobs）之間的關(guān)系： 產(chǎn)率系數(shù)（ Y ）是指單位時(shí)間內(nèi)，微生物的合成量與基質(zhì)降解量的比值，即：,表觀產(chǎn)率系數(shù)（ Yobs ）是指單位時(shí)間內(nèi)，實(shí)際測定的污泥產(chǎn)量與基質(zhì)降解量的比值，即：,116,D產(chǎn)率系數(shù)（Y）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（Yobs）：,由于,所以：,117,D產(chǎn)率系數(shù)（Y）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（Yobs）：,該式還提供了通過試驗(yàn)求Y及Kd的方法，將其取倒數(shù)后得：,以1/Yobs對c作圖，即可求得Y及Kd值。 其中:,118,E. c與Se及E的關(guān)系：,119,最小污泥齡,對于一個(gè)活性污泥系統(tǒng)有一個(gè)(c)min 可以通過假定Se = Si 并代入,一般KsSi，所以:,則有：,120,(五) 動力學(xué)參數(shù)的測定,動力學(xué)參數(shù)Ks、vmax、Y、Kd是模式的重要組成部分，一般是通過實(shí)驗(yàn)來確定的。,1、 Ks、vmax 的確定：,將式：,取不同的曝氣時(shí)間（t）值，即可計(jì)算出不同的,取倒數(shù)，得：,式中,所以,圖中直線的斜率為,截距為,121,(五) 動力學(xué)參數(shù)的測定,2. Y、Kd 值的確定,取不同的c值，并由此可以得出不同的Se值，代入上式，可得出一系列的q值。 繪制的q 1/ c的關(guān)系圖，圖中直線的斜率為Y值，截距為Kd值。,思考題：推導(dǎo)L-M模式中有關(guān)的公式。,122,活性污泥法動力學(xué)的主要公式:,Monod模式:,兩個(gè)基本方程：,推論一：高基質(zhì)濃度,推論二：低基質(zhì)濃度,123,LM模式:,基本概念:,124,LM模式的基本方程:,第二基本方程:,第一基本方程:,125,LM模式的導(dǎo)出方程:,第四導(dǎo)出方程:,第五導(dǎo)出方程:,第三導(dǎo)出方程:,第一導(dǎo)出方程:,第二導(dǎo)出方程:,126,活性污泥法反應(yīng)動力學(xué)的應(yīng)用,例3：IAW的ASM系列活性污泥法動力學(xué)模型ASM1、ASM2、ASM2D、ASM3；,127,ASM1,1986年，Henze等人 有機(jī)物氧化、硝化和反硝化作用， 有機(jī)物易生物降解、緩慢生物降解 溶解性、非溶解性； 對活性污泥生物絮體的組成也作了定性劃分。 結(jié)合生物處理基本原理，綜合考慮環(huán)境影響因素，以矩陣形式表述，便于計(jì)算機(jī)編程計(jì)算，還能給出生化過程物質(zhì)轉(zhuǎn)化的明確途徑， 目前已發(fā)展成為國際上污水處理新技術(shù)開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)方法研究，以及計(jì)算機(jī)模擬軟件開發(fā)的通用平臺 基于ASM 1開發(fā)的工藝軟件能有效地模擬實(shí)際污水廠的運(yùn)行情況，尤其是市政污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行和設(shè)計(jì)。,128,ASM2、ASM2D,1995年，Henze等人； ASM 2引入了聚磷菌，增加了生物除磷過程、厭氧水解、發(fā)酵及與聚磷菌有關(guān)的4個(gè)反應(yīng)過程，模型的復(fù)雜程度大大增加。 1998年，又發(fā)表了ASM2D； 將ASM2模型中的聚磷菌分成兩個(gè)部分，其中一部分可以進(jìn)行反硝化，即反硝化除磷細(xì)菌(Denitrifying Phosphorus-Removal Bacteria，簡稱DPB)。,129,ASM3,1999年，國際水協(xié)會(IWA)正式發(fā)布了IAWQ活性污泥模型ASM 3。 修正了ASM 1的某些缺陷，增加了有機(jī)物在微生物體內(nèi)的貯存過程，將以水解反應(yīng)代表的衰減過程改為用內(nèi)源呼吸過程來解釋，從而更逼真地展示了衰減過程。 將異養(yǎng)菌與硝化菌的衰減過程清晰地分開了，使得ASM 3的COD數(shù)據(jù)流比ASM 1簡單了許多。,130,作業(yè),19、進(jìn)水條件和出水水質(zhì)要求相同時(shí)，如果單從反應(yīng)動力學(xué)的角度來考慮，采用推流式曝氣池和完全混合式曝氣池，哪種所需要的池容較小？ 21、吸附再生法中的吸附池與A-B法中的A段都可以稱為“吸附池”，試分析比較其異同之處。 15、（）試用動力學(xué)公式設(shè)計(jì)完全混合活性污泥法。廢水量為10000m3/d，進(jìn)水溶解性BOD5為120mg/L，出水溶解性BOD5為7mg/L。為了確定曝氣池尺寸，選用污泥齡為10d，MLVSS為2000mg/L，試驗(yàn)得到的動力學(xué)常數(shù)為Y=0.60mgVSS/mgBOD5，Kd=0.06d-1，Ks=60mg/L(BOD5)和vmax=5.0d-1。,131,