电子课件第四章(1)

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第四章

活性污泥法


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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。


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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。


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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
946m3/d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37800m3/d的活性污泥
污水处理厂。


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第一节

基本概念


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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。


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活性污泥的性质

颜色
状态
味道
比重

黄褐色
似矾花絮绒颗粒
土腥味

曝气池混合液:1.002-1.003;
回流污泥:1.004-1.006
粒经 0.02-0.2mm
比表面积 20-100cm2/mL


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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%

NVSS
MLSS
MLVSS


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活性污泥中微生物食物链


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活性污泥中原生动物及指示作用


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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


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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。

MLVSS: 70%
处理生活污水的活性污泥
NVSS: 30%
MLVSS: 一般范围为55%-75%

NVSS: 一般范围为25%-45%


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活性污泥的沉降浓缩性能

污泥沉降过程:


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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mL/g。
SVI=

1升混合液沉淀30min的活性污泥体积(mL) SV(ml/L)
=
MLSS(g/L)
1升混合液中悬浮固体干重(g)


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活性污泥法的基本流程


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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

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。

稳定阶段

主要是转移到活性污泥
上的有机物为微生物所利用。


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活性污泥降解污水中有机物的过程


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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
微生物不能利用的有机物
残留在废水中的有
机物
微生物能利用的有机物









微生物能利用而尚未
利用的有机物
(吸附量)
从废水中去除
的有机物

微生物不能利用的有
机物
增殖的微生物体
微生物已利用的有机
物(氧化和合成)

氧化产物


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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)。


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第二节
气体传递和曝气设备


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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。


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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:

Vd =

dC
-D
dX

Vd :物质的扩散速度;D扩散系数


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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


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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。


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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:


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气体传递原理:双膜理论


代入


设液相主体的体积为V,除上式:



上式写成


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水处理教材中,氧的传递速率表示为:

式中:dm/dt—气体传递速率;
Kg—气体扩散系数;
A—气体扩散通过的面积;
ρs0—气体在溶液中的饱和浓度;
ρ0—气体在溶液中的浓度。
而dm=Vdρ0,则前式可改写成:


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通常KgA/V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
1/KLa单位为小时,可以看着为全池水溶液溶解氧从ρ0

加到ρS0的时间
KLa也可看着是混合系数


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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


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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O’Connor提出溶氧饱和值计算值:

S:水中溶解固体浓度,g/L
T: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,mmHg
Pv:饱和水蒸汽压强,mmHg,与温度有关


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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6-10%
Pb: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


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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:


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KLa的测定
测定dρ0/dt-ρ0的直线方程:
或改写为:


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从常用污水处理流程看曝气系统


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曝气的作用与曝气方式
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:
鼓风曝气系统
机械曝气装置:纵轴表面曝气机、横轴表面曝气器
鼓风+机械曝气系统
其它:富氧曝气、纯氧曝气


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三种曝气方式


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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=a’Q(La-Le) + b’V· Xv
(2)氨氮硝化需氧量
O2=4.57Q(NHa - NHe)
(3)反硝化提供化合态氧
O3=2.86NO

(4)合成污泥的氧当量
O4=1.42Px
O=O1 + O2 - O3 - O4
再折算成需要的空气量


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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: 2.2m3/m2.h
旋流的大中气泡扩散器:1.2m3/m2.h
机械曝气: 13W/m3


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高速单级鼓风机曝气系统的组成


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常用鼓风机形式
1 容积式风机: 罗茨鼓风机、回转风机


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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


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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


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1.5mm

2-3mm
15mm
0.1mm


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泵型

倒伞型

平板型


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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mgO2/L·h;
充氧能力(或动力效率),即每消耗1kW·h动力
能传递到水中的氧量(或氧传递速率),单位为
kgO2/kW·h;
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%。


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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: 2.2m3/m2.h
旋流的大中气泡扩散器:1.2m3/m2.h
机械曝气:
13W/m3


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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


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曝气池的三种形式
—推流式


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曝气池的三种形式
—完全混合


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曝气池的三种形式
—序批式


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推流曝气池
(1)平面布置

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。
(2)横断面布置
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


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完全混合曝气池
圆型
池形

方型
矩型
分建式

根据和沉淀池的关系
合建式


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