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=Vmax/2                                m=mMAX/2

                     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 

   **反应

          Vmax                            V=Vmax

                    **反应

          Vmax/2                           零级反应区

                    S=KS                         S

在大多数污水生物处理中，用**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**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） **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**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