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1、第12章 活性污泥法 Activated Sludge Process,废水好氧生物处理中有机物的代谢途径Metabolism Pattern of organic matters in biological wastewater treatment,End products+energy(CO2、H2O、NH3、SO42-),Biodegradable organics,New cells（C5H7NO2）,End products(CO2、H2O、NH3、SO42-),(1/3),Catabolism,+Heterotrophic microbe,energy,废水好氧生物处理中有机物的代
2、谢途径Metabolism Pattern of organic matters in biological wastewater treatment,内源呼吸产物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-),可降解有机物,新细胞物质（C5H7NO2）,代谢产物(CO2、H2O、NH3、SO42-),(1/3),分解代谢,+异养微生物,能量,大纲(outline),12.1 活性污泥法概述(Introduction to the Activated Sludge Process)12.2 活性污泥法的发展(Development of Activated Sludge Processes)12
3、.4 气体传递原理和曝气池(Oxygen transfer and Aeration tank)12.5 活性污泥法的设计计算(Process for BOD removal and Design)12.6 除磷脱氮工艺及设计(Process design for nutrients removal and Design)12.7 活性污泥法系统设计和运行的一些问题(Considerations of Activated Sludge Process operation),12.1 活性污泥法概述(Overview of the Activated Sludge Process),活性污泥的历
4、史(historical development)1912年(Clark Arden&Locket)发现污水曝气产生悬浮状态褐色絮状污泥。活性污泥组成：细菌、真菌、原生动物和后生动物.1916年第1个活性污泥法污水处理厂在Manchester City 建成运行；至今，成为城市污水处理最广泛应用的方法。活性污泥法的实质：天然水体自净作用的人工化和强化,1)活性污泥(activated sludge),2)活性污泥的性质Characteristics of activated sludge,a.物理性质(physical property)：“菌胶团(zoogloea)”/“生物絮凝体”颜色(c
5、olor)：褐色、土黄色、铁红色；气味(odour)：泥土味（城市污水）；比重(specific gravity)：略大于1（1.0021.006）；粒径(particle size)：0.020.1mm；比表面积(specific surface area)：20100cm2/mL。,b.生化性质(bio-chemical property)：活性污泥的含水率(moisture content):99.299.8%。其中固体物质的组成(composition)：1）活细胞（Ma）;2）微生物内源代谢的残留物（Me）;3）吸附的难于生物降解的有机物（Mi）;4）无机悬浮固体（Mii）。,3)活
6、性污泥的性质Characteristics of activated sludge,8,A细菌(bacterial)：是活性污泥净化功能最活跃的成分。主要菌种有：动胶杆菌属、假单胞菌属、微球菌属、黄杆菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属等。特征：1）多属好氧和兼性异养型的原核细菌(Aerobic/facultative and heterotrophic Prokaryotic bacteria)；2）在有氧条件下，具有较强的分解有机物的功能；3）具有较高的增殖速率(high growth rate)，其世代时间(generation time)为2030分钟；4）其中动胶杆菌(zoogl
7、oea)具有将大量细菌结成为“菌胶团”的功能。,3)活性污泥中的微生物,9,B 原、后生动物(protozoan and metazoan)活性污泥系统启动初期，游离细菌居多，原生动物肉足虫（如变形虫）、游泳型纤毛虫（如豆形虫、草履虫）。菌胶团培育成熟，细菌多“聚居”在活性污泥上，处理水水质良好；原生动物以带柄固着型的纤毛虫（如钟虫、等枝虫等）为主。原生动物能不断摄食水中的游离细菌，起到进一步净化水质的作用。后生动物（主要指轮虫）在活性污泥中是不经常出现的，仅在处理水质优异的完全氧化型活性污泥系统（如延时曝气）中出现，因此，轮虫出现是水质非常稳定的标志。,3)活性污泥中的微生物,活性污泥中的原
8、生动物,活性污泥中的原生动物,活性污泥中的原生动物,活性污泥中的原生动物,活性污泥中的后生动物,图12-1 活性污泥的增殖曲线Figure 12-1 Growth curve of activated sludge,Endogenous respiration,Microbe growth curve,Oxygen utilization rate curve,BOD removal curve,logarithmic/decelerating growth growth period,a.污泥浓度(sludge concentration)混合液悬浮固体浓度(Mixed Liquor Sus
9、pended Solids)混合液挥发性悬浮固体浓度(Mixed Liquor Volatile Suspended Solids)MLSS=Ma+Me+Mi+Mii 单位:mg/L 或 g/m3;MLVSS=Ma+Me+Mi 单位:mg/L 或 g/m3。,在条件一定时，MLVSS/MLSS较稳定；对于处理城市污水的活性污泥系统，一般为0.750.85。,4)活性污泥的性能指标Measurement of activated sludge,c.污泥沉降比(Settled Volume of sludge,SV30)定义：将曝气池中的混合液在量筒中静置30分钟，其沉淀污泥与原混合液(mixed
10、 liquor)的体积比(volume ratio)，一般以%表示(expressed as%)；功能：能相对地反映污泥数量以及污泥的凝聚、沉降性能，可用以控制排泥量和及时发现早期的污泥膨胀(Sludge bulking)；正常范围(normal range)：2030%。,4)活性污泥的性能指标Measurement of activated sludge,d.污泥体积指数（Sludge Volume Index,SVI）定义：混合液经30分钟静沉后，每g干污泥所形成的污泥体积，(expressed as mL/g)。,功能：能更准确地评价污泥的凝聚性能和沉降性能(settling char
11、acteristics)，其值过低，说明泥粒小，密实，无机成分多；其值过高，说明其沉降性能不好，将要或已经发生膨胀；正常范围：50150 mL/g（处理城市污水时）。,4)活性污泥的性能指标Measurement of activated sludge,5)传统活性污泥法工艺流程Schematic diagram of typical activated sludge process,曝气池(Aeration tank)：在池中使废水中的有机污染物质与活性污泥充分接触，并吸附和氧化分解有机污染物质。曝气系统(Air transfer system)：供给曝气池生物反应所需的氧气，并起混合搅拌作
12、用。二沉池(secondary settling tank)：用以分离曝气池出水中的活性污泥。污泥回流系统(sludge return system)：把二次沉淀池中的一部分沉淀污泥再回流到曝气池，以供应曝气池赖以进行生化反应的微生物。剩余污泥排放系统(waste sludge discharge system)：曝气池内污泥不断增殖，增殖的污泥作为剩余污泥从剩余污泥排放系统中排出。,5)传统活性污泥法工艺流程Schematic diagram of typical activated sludge process,吸附阶段(Adsorption phase)污泥具有巨大的表面积，表面上含有多
13、糖类黏性物质，使活性污泥具有很好的吸附性能。污水与活性污泥混合后，污水中的固体有机物等污染物首先被吸附转移到活性污泥表面。稳定阶段(Stabilization/degradation phase)（降解阶段）吸附转移到活性污泥表面的污染物被微生物分解转化为CO2和H2O等简单化合物及自身细胞。絮凝沉淀阶段（Flocculent settling phase）曝气池中的混合液进入二沉池后，活性污泥颗粒和游离微生物等固形物在微生物释出的羟基丁酸和黏性物质等的作用下，相互凝聚形成大颗粒絮体。,6)污水中有机物的降解过程Biodegradation process of organic matter
14、in wastewater,12.2 活性污泥法的发展Development of Activated Sludge Processes,a.推流式曝气池(Plug-flow reactor)b.完全混合式曝气池(Complete-mix reactor)c.封闭环流式反应池(Closed loop reactor)d.序批式反应池(Sequencing batch reactor)讨论(discussion)：4 种流态的特点及区别。,(1)活性污泥曝气池的基本形式(type of reactor),推流式曝气池(Plug-flow reactor),Aeration tank,Influe
15、nt,Effluent,Return activated sludge,waste sludge,Secondary clarifier,Primary clarifier,Raw sludge,完全混合式曝气池(complete-mix reactor),Aeration tank,Influent,Effluent,Return activated sludge,waste sludge,Secondary clarifier,Primary clarifier,Raw sludge,封闭环流式反应池（Closed Loop Reactor）,Oxidation ditch,Influen
16、t,Effluent,Return activated sludge,waste sludge,Secondary clarifier,序批式反应池（Sequencing Batch Reactor）,5个不同阶段,Aeration/reaction,Fill,Decant,5 step,Settle,Idle,Complete mix reactor,(2)活性污泥法的演变及特点Development of activated sludge processes,传统推流式(Conventional Plug-flow)高负荷活性污泥法；(High rate aeration)延时曝气活性污泥
17、法；(Extended aeration)吸附/再生活性污泥法；(Contact stabilization)AB法；(Adsorption&Biodegradation)完全混合活性污泥法；(Complete mix)SBR；(Sequencing batch reactor)氧化沟(Oxidation ditch)膜生物法(Membrane biological reactor),1)传统推流式(Plug-flow),主要特点：a.曝气池推流式，废水浓度从进水端到出水端逐渐下降;b.沿曝气池长度方向曝气量相等。主要问题：a.池首端供氧速率低于需氧速率易形成缺氧状态，不宜采用过高的有机负荷(
18、organic loading)。b.在池末端可能出现供氧速率高于需氧速率的现象，会浪费了动力费用；c.对冲击负荷（有机物浓度突然增高）的适应性较弱。,改良(modification)递减曝气法(tapered areation)阶段曝气法(step-feed process),思考：解决了传统推流式曝气池那些问题？,2）高负荷活性污泥法(High rate),主要特点：a.在系统和曝气池的构造等方面与传统推流式相同；b.有机负荷率高(high organic loading)；曝气时间短(short aeration time)，高污泥回流率(high sludge recycle rati
19、o)；对废水的处理效果较低(low treatment efficiency);c.适用于污水仅需要部分处理的情况。,1)主要特点：低有机负荷（low organic loading），曝气时间长(long aeration time)，污泥浓度高(high MLSS concentration);污泥持续处于内源代谢状态(endogenous respiration phose)，剩余污泥少且稳定，无需再进行处理；处理出水水质稳定性较好，对废水冲击负荷(loading shock)有较强的适应性(adaptability)；在某些情况下，可不设初沉池。2)缺点：池容大、曝气时间长，占地面积大
20、；建设费用和运行费用高；3）适用条件：出水水质高，小规模(small scale)，水量一般在1000m3/d以下。,3)延时曝气活性污泥法Extended aeration,4)吸附再生活性污泥法(contact stabilization),主要特点：将吸附(adsorption)、降解(degradation)两个过程分别控制在不同的反应器内进行。,活性污泥的初期吸附作用,曝气过程,降解,初期吸附,BOD,4)吸附再生活性污泥法(contact stabilization),主要优点：a.废水与活性污泥在吸附池的接触时间较短(short contact time)，吸附池容积较小，再生池
21、接纳的仅是浓度较高的回流污泥，因此，再生池的容积也是小的。吸附池与再生池容积之和仍低于传统法曝气池的容积(requires less aeration volume)，建筑费用较低；b.具有一定的承受冲击负荷的能力，当吸附池的活性污泥遭到破坏时，可由再生池的污泥予以补充。主要缺点：对废水的处理效果(treatment efficiency)低于传统法，此外，对溶解性有机物（SBOD）含量较高的废水，处理效果更差。,阶段曝气法(step-feed)与吸附再生法(contact stabilization),Aeration tank,Influent,Effluent,Return activa
22、ted sludge,waste sludge,Secondary clarifier,Primary clarifier,Raw sludge,5）AB法,吸附生物降解（AdsorptionBiodegradation）工艺,废水,AB法的主要特点,未设初沉池，由吸附池和中间沉淀池组成的A段为一级处理系统；B段由曝气池和二沉池组成；A、B两段各自拥有独立的污泥回流系统(separated sludge recycle system)，两段完全分开，各自有独特的微生物群体，有利于功能稳定。,A段的特征,不设初沉池，原废水中的微生物全部进入吸附池，A段是一个开放性的生物反应器；负荷很高(high
23、 loading rate)，有利于增殖速度快、适应能力强的微生物生长；BOD去除率(removal rate)为4070%，出水可生化性有所提高，有利于B段的继续降解；污泥产率较高(biomass yield rate)，吸附能力强；对有机物的去除，吸附作用(adsorption)为主，生物降解(biodegradation)占1/3左右。,B段的特征,来水为A段出水，水质、水量较稳定；负荷率(loading rate)为总负荷率的3060%；污泥龄较长(long SRT)，有利于硝化反应(nitrification)。,思考归纳：推流式曝气池的演变规律？,6）完全混合活性污泥法,主要特点：
24、a.进水一进入曝气池，就立即被大量混合液所稀释，所以对冲击负荷有一定的抵抗能力；b.池液中各部分微生物种类和数量相同，有机物浓度基本相同，需氧速率比较均匀；可以方便地通过对F/M的调节，使反应器内的有机物降解反应控制在最佳状态；c.适合于处理较高浓度的有机工业废水。,7）间歇式活性污泥法(SBR)工艺,序批式间歇反应器Sequencing Batch ReactorSBR,SBR的工作原理,SBR的主要反应器只有一个曝气池，同时完成曝气沉淀等的功能，其运行可以分为五个工序：,SBR的工艺流程与特征,从时间角度来看，是一种较理想的推流式曝气池；工艺系统组成简单不设二沉池，曝气池兼具二沉池的功能；
25、不设污泥回流设备；耐冲击负荷，在多数情况下，无需设置调节池；SVI值较低，污泥易沉淀，污泥膨胀现象较少；易于维护管理，出水水质优于连续式；通过调节，可在单一曝气池内完成脱氮和除磷；易于实现自动化控制。,8）氧化沟(Oxidation Ditch)工艺,又称氧化渠或循环曝气池，是活性污泥法延时曝气的一种变形；50年代，荷兰，Pasveer；早期：适用于5000m3/d以下，城市污水；目前：各种规模的城市生活污水或工业废水,氧化沟的工作原理与特征,1、氧化沟的工艺流程,氧化沟的特征,构造上的特征 池体狭长，总长可达几十米，甚至百米以上，一般呈环形沟渠状，平面多为椭圆或圆形；池深较浅，一般在25m左
26、右；曝气装置多用表面机械曝气器，竖轴曝气器，如：低速曝气叶轮；横轴曝气器，如：曝气转刷、曝气转盘；进、出水装置简单。,氧化沟的特征,工艺上的特征 氧化沟内的流态呈循环混合态（介于完全混合和推流之间）；沟内混合液呈推流式快速流动（0.40.5m/s）；进水流量与沟内流量相比很小，完全混合；有机负荷很低，相当于延时曝气法，出水水质好；抗冲击负荷能力强，对水温、水质、水量等的变动有适应性；污泥产率低，剩余污泥产量少；污泥龄长，可达1530d，为传统活性污泥法的36倍；世代时间很长的细菌如硝化细菌能在反应器内得以生存，从而使氧化沟具有脱氮的功能。,Carrousel 式氧化沟Orbal 氧化沟交替工作
27、氧化沟曝气沉淀一体化氧化沟,氧化沟几种典型的构造形式,（1）Carrousel 式氧化沟,Carrousel 式氧化沟又称平行多渠形氧化沟；是60年代末荷兰DHV公司开创的。采用竖轴低速表面曝气器；水深可达44.5 m，沟内流速达0.30.4 m/s；混合液在沟内每520 min循环一次；沟内混合液总量是入流废水量的3050倍；BOD5去除率可达95%以上，脱氮率可达90%，除磷效率可达50%；应用广泛，最大规模为650000 m3/d；在国内主要有昆明兰花沟污水处理厂、上海龙华肉联厂、桂林市东区废水厂等。,Carrousel 氧化沟,Carrousel 2000,Carrousel 3000
28、,（2）Orbal氧化沟,Orbal氧化沟又称同心圆型氧化沟，其主要特点如下：圆形或椭圆形的沟渠，能更好地利用水流惯性，可节省能耗；多沟串联可减少水流短路现象；最外层第一沟的容积为总容积的6070%，其中的DO 接近于零，为反硝化和磷的释放创造了条件；第二、三沟的容积分别为总容积的2030%和10%，而DO则分别为1和2mg/l；这种沟渠间的DO浓度差，有利于提高充氧效率；Orbal氧化沟在国内的主要工程实例有：抚顺石油二厂废水处理站(28,800m3/d)；北京燕山石化公司新建废水处理厂(60000m3/d)；成都市天彭镇污水处理厂。,Orbal氧化沟,燕山石化公司第四期废水处理厂(6000
29、0m3/d)；,（3）交替工作氧化沟,交替工作氧化沟由丹麦Kruger公司所开发的，有二沟和三沟式两种形式；其主要特点是其中的每一条沟均交替用做曝气池和沉淀池，而无需二沉池和污泥回流装置；但其中的曝气转刷的利用率较低，D型二沟只有40%，三沟式则提高到了58%；其中的三沟式氧化沟，特点如下：两侧的A、C二沟交替地作为曝气池和沉淀池，而B沟则一直充作曝气池；原废水交替地从A沟和C沟进入，而出水则相应地从C沟及A沟流出；曝气器的利用率较高(58%)；交替运行的方式，为脱氮创造了条件，有良好的BOD去除效果和脱氮效果。交替工作氧化沟的主要工程实例：邯郸市东污水处理厂(100000m3/d)，三沟；苏
30、州市河西污水处理厂(80000m3/d)，三沟；南通市污水处理厂(25000m3/d)，五沟。,（4）曝气沉淀一体化氧化沟,一体化氧化沟是20世纪80年代由美国开发的，主要有：侧沟型、BMTS型、船型。,9)SBR系列,SBR工艺：间歇式活性污泥法ICEAS工艺：间歇循环延时曝气法CASS/CAST工艺：循环活性污泥法DAT-IAT工艺：连续进水间歇曝气法MSBR工艺：改良型间歇式活性污泥法UNITANK工艺：一体化活性污泥法氧化沟型SBR工艺,CASS工艺,CASS工艺的特点,与SBR相比，CASS法的优点是：a.反应池由预反应区和主反应区组成（1：2：20），对难降解有机物的去除效果更好，
31、同时可抑制污泥膨胀；b.进水过程是连续的，因此，进水管道上无需电磁阀等控制元件，单个池子可独立运行；适用大中型污水处理厂。c.排水是由可升降的堰式滗水器完成的，随水面逐渐下降，均匀将处理后的清水排出，最大限度降低了排水时水流对底部沉淀污泥的扰动。,10)膜生物反应器,膜生物反应器（Membrane biological reactor）是利用超滤膜代替二沉池进行污泥固液分离的污水处理装置，为膜分离技术与活性污泥法的有机结合。,膜生物反应器优点：,容积负荷高、水力停留时间短；污泥龄较长、剩余污泥量少；避免因为丝状菌膨胀或其他污泥沉降问题引起的MLSS浓度；在低氧运行时，可以同时进行硝化反硝化出水
32、水质好；污水处理设施占地面积小。,12.3 气体传递原理和曝气池,1)氧转移的“双膜理论”,边界层,紊流,紊流,层流,层流,yg,CL,Ci,Pi,Pg,液膜,气膜,气相主体,液相主体,yl,对流扩散,对流扩散,分子扩散,对于难溶于水的氧来说，分子扩散的阻力大于对流扩散，传质的阻力主要集中在气膜和液膜上；在气膜中存在着氧分压梯度，而液膜中同样也存在着氧的浓度梯度，由此形成了氧转移的推动力,1923年，Lewis&Whitman,1)氧转移的双膜理论模式图,边界层,紊流,紊流,层流,层流,Cl,Pi,Pg,液膜,气膜,气相主体,液相主体,yl,对流扩散,对流扩散,分子扩散,Cs,Cs：与气相主体
33、中氧分压相当的饱和溶解氧浓度；CL：液相主体中所要求的溶解氧浓度,氧转移过程中的传质推动力就可以认为主要是界面上的饱和溶解氧浓度值(Cs)与液相主体中的溶解氧浓度值(CL)之差。,2)氧转移的影响因素,废水水质水温氧分压,3)曝气设备,(1)曝气装置的分类 曝气装置，又称为空气扩散装置，是活性污泥处理系统的重要设备，可以实现充氧和搅动混合两大作用。按曝气方式可以将其分为鼓风曝气装置和表面（机械）曝气装置两种。,(2)鼓风曝气装置,鼓风曝气系统由空气净化器、鼓风机、空气输送管道以及曝气装置所组成。鼓风曝气装置可分为：（微）小气泡型微孔曝气头中气泡型大气泡型水力剪切型水力冲击型,a.（微）小气泡型
34、曝气装置,由微孔透气材料（陶土、氧化铝、氧化硅或尼龙等）制成的扩散板、扩散盘和扩散管等；气泡直径在2mm以下（在200m以下者，为微孔）；EA=1525%，EP=2 kgO2/kw.h以上；缺点：易堵塞，空气需经过滤处理净化，扩散阻力大。,b.中气泡型曝气装置 气泡直径为23mm。,穿孔管和莎纶管：钢管或塑料管，管径2550mm；在管下部两侧呈45开孔，孔眼直径35mm，间距50100mm；不易堵塞，构造简单，阻力小；氧利用率(EA)低，一般为46%；动力效率(EP)可达12 kgO2/kw.h；,C.大气泡型曝气装置 气泡直径为15mm左右。常采用竖管。,(3)机械曝气装置 又称表面曝气装置
35、,曝气的原理：水跃曝气机转动时，表面的混合液不断地从周边被抛向四周，形成水跃，液面被强烈搅动而卷入空气；提升曝气机具有提升作用，使混合液连续地上下循环流动，不断更新气液接触界面，强化气、液接触；负压吸气曝气器的转动，使其在一定部位形成负压区，而吸入空气。,表面曝气装置的分类,竖轴式表面曝气装置横轴式表面曝气装置。,竖轴式机械曝气装置,泵型叶轮曝气器K型叶轮曝气器倒伞型叶轮曝气器平板型叶轮曝气器,卧轴式机械曝气器,主要有曝气转刷和曝气转盘，也称曝气转碟；主要应用于氧化沟；调节方便、维护简易、动力效率较高。,衡量曝气设备的技术性能指标,1)氧的利用率（EA）：又称氧转移效率，是指通过鼓风曝气系统转
36、移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比（%）；2)充氧能力（R0）：通过表面机械曝气装置在单位时间内转移到混合液中的氧量（kgO2/h）；3)动力效率（Ep）：每消耗1度电转移到混合液中的氧量（kgO2/kw.h）。1)和3)用于鼓风曝气系统，2)和3)用于机械曝气系统。,86,各类曝气设备的性能,标准状态是指用清水作曝气实验，水温20，标准大气压，初始水中溶解氧为0,实际数据是指用废水作实验，水温15，海拔150m，水中溶解氧保持2mg/L,曝气设备比较,曝气池的类型,曝气池的分类：根据曝气池内的流态，可分为推流式、完全混合式和循环混合式三种；根据曝气方式，可分为鼓风曝气池、机械曝气池以及二者联合使用的机械-鼓风曝气池；根据曝气池的形状，可分为长方廊道形、圆形、方形以及环状跑道形等四种；根据曝气池与二沉池之间的关系，可分为合建式（即曝气沉淀池）和分建式两种。,正在运行的曝气池,重点,活性污泥法基本类型AB法，SBR法，氧化沟主要曝气设备,
