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水处理工程(二):活性污泥法

摘要:         活性污泥法是一种污水的好氧生物处理法,由EdwardArdern(爱德华·阿登)和WilliamT....

        活性污泥法是一种污水的好氧生物处理法,由Edward Ardern(爱德华·阿登)和William T. Lockett(威廉·洛克特)于1914年首先在英国发明的。如今,活性污泥法及其衍生改良工艺是处理城市污水最广泛使用的方法。它能从污水中去除溶解性的和胶体状态的可生化有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质,同时也能去除一部分磷素和氮素,是废水生物处理悬浮在水中的微生物(micro-organism)的各种方法的统称。

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1.活性污泥法概念

 

 

1.1.活性污泥形态及组成

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和无机物资组成,具有一定活性和良好的净化污水功能的絮凝状污泥。

外观形态:比重:曝气池:1.002~1.003 g/cm3

                 粒径:0.02~0.2 mm

                 比表面积:20~100 cm/ml

                 含水率:>99%99.2~99.8%);

含固率:<1%(有机成分75~85%、无机成分15~25%)。

活性污泥组成:活性污泥(M=活细胞(Ma+微生物内源代谢的残留物(Me+吸附的原废水中难于生物降解的有机物(Mi+无机物质(Mii)。

生物相:细菌(活性污泥净化功能最活跃的成分)、真菌(具有分解碳水化合物、脂肪、蛋白质的功能但大量异常增殖会引发污泥膨胀现象)、其它微生物(原生动物、后生动物),在净化污水系统中:细菌是第一承担者,原生动物是第二承担者。

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1.2.活性污泥法的基本流程与特征

1.3.活性污泥法的工艺流程

曝气池:反应主体;

      二沉池:进行泥水分离,保证出水水质;保证回流污泥,维持曝气池内的污泥浓度;

回流系统:维持曝气池的污泥浓度;改变回流比,改变曝气池的运行工况。

剩余污泥排放系统:是去除有机物的途径之一;维持系统的稳定运行。

供氧系统 提供足够的溶解氧。

1.4.活性污泥系统有效运行的基本条件

废水中含有足够的可溶性易降解有机物;混合液含有足够的溶解氧;活性污泥在池内呈悬浮状态;活性污泥连续回流、及时排除剩余污泥,使混合液保持一定浓度的活性污泥;无有毒有害的物质流入。

1.5.微生物的增殖规律及其应用

污泥增长的一般过程:活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的必然结果;活性污泥的增长则是微生物增殖的结果。

适应期(延迟期或调整期):微生物的细胞内各种酶系统对环境的适应过程。

对数增长期:活性污泥能量水平很高,活性污泥处于松散状态。

减数增长期:营养物不过剩,它已成为微生物生长的限制因素活性污泥水平的能量低下,污泥絮凝。

内源呼吸期:能量水平极低,微生物活动能力非常低,絮凝体形成速率增大,处理水显著澄清,水质良好。

活性污泥的增殖状况,主要是由F/M值所控制;处于不同增值期的活性污泥,其性能不同,出水水质也不同;通过调整F/M值,可以调控曝气池的运行工况,达到不同的出水水质和不同性质的活性污泥;活性污泥法的运行方式不同,其在增值曲线上所处位置也不同。

1.6.活性污泥净化废水的实际过程

一般将这整个净化反应过程分为三个阶段:初期吸附;微生物代谢;活性污泥的沉淀分离。

初期较短时间 (10~30min) 内,由于活性污泥具有很大的表面积因而具有很强的吸附能力,因此能够去除废水中大量的呈悬浮和胶体状态的有机污物,使废水的BOD5( COD) 大幅度下降。但这并不是真正的降解,随着时间的推移,混合液的 BOD5 值会回升,再之后, BOD5 值才会逐渐下降。

1.7.活性污泥净化反应影响因素

溶解氧:约1~2mg/l ;水温:15~30℃;营养物质:BOD5 NP = 10051pH值:6.5~8.5;有毒物质:重金属离子等;BOD污泥负荷NS

2.活性污泥净化反应影响因素及主要设计运行参数

 

2.1.活性污泥的性能指标

      混合液悬浮固体浓度(MLSS):曝气池单位容积混合液内所含有的污泥固体物的总重量。计量曝气池中活性污泥数量多少的指标。一般活性污泥法中,MLSS浓度一般为2~4g/L

混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS):一般在活性污泥法中用MLVSS表示活性污泥中生物的含量(相对)。在条件一定时, MLVSS/MLSS是较稳定的,对城市污水,一般是 0.75~0.85

污泥沉降比(SV):指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的体积比,一般以%表示;正常数值为20~30% 。污泥沉降比可以反映曝气池正常运行时的污泥量。可用于控制剩余污泥的排放。还能及时反映出污泥膨胀等异常情况。

污泥体积指数(SVI):曝气池出口处混合液经30分钟静沉后, 1g 干污泥所形成的污泥体积,单位 :ml/g SVI值能较好地反映出活性污泥的松散程度和凝聚、沉降性能。其值过高,说明其沉降性能不好,将要或已经发生膨胀现象;其值过低,说明泥粒小,密实,无机成分多;一般认为,处理生活污水时 SVI<100 时,沉降性能良好;SVI 100~200 时,沉降性能一般;SVI>200时,沉降性能不好。城市污水的SVI一般为50~150

2.2.设计与运行参数

BOD负荷——污泥负荷(NsF/M)、容积负荷(Nv):在活性污泥法中,一般将有机物(BOD5)与活性污泥 (MLSS) 的重量比值:F/M) ,称为有机负荷 ,一般用 N 表示,有机负荷又分为污泥负荷和容积负荷。

污泥负荷(NsF/M):单位重量活性污泥在单位时间内所承受的BOD5量,单位为 kgBOD5/(kgMLSS*d)


                            

                   NSimage016.png

 式中:

     Q-废水的处理量,m3/d

     V-曝气池的有效容积,m3

     S0-进水BOD5浓度,kg/m3

     X-活性污泥浓度,kg MLSS/m3 

容积负荷(Nv):曝气池单位有效容积在单位时间内所承受的BOD5量,单位为kg BOD5 /(m3. . d)


                   Nv =image017.png

式中:

     Q-废水的处理量,m3/d

     V-曝气池的有效容积,m3

     S0-进水BOD5浓度,kg/m3

去除负荷(Nrs):单位重量活性污泥在单位时间所去除的有机物重量。


                   NS =image018.png

式中:

     Q-废水的处理量,m3/d

     V-曝气池的有效容积,m3

     S0-进水BOD5浓度,kg/m3

     Se-进水BOD5浓度,kg/m3

     X-活性污泥浓度,kg MLSS/m3 

污泥龄是曝气池中活性污泥总量与每日排放的污泥量之比 ,单位是d  

                                 Θc=image019.png

正常情况下 出水活性污泥浓度Xe 很小,可忽略,所以:回流污泥浓度Xrmax=106/SVI

污泥回流比:指从二沉池返回到曝气池的回流污泥量Qr与污水流量比。


物料平衡原理:Q+Qr)×X=Qr×Xr  R=image020.png=image021.png


曝气时间,水力停留时间(HRT):指水在处理系统中的停留时间,单位也是d


                   HRT image022.png

     式中:


           V—曝气池的体积;

           Q—废水的流量。

活性污泥微生物增殖=微生物增殖-自身氧化(内源呼吸)


                            X = aQSr-bVXv

式中:


     ΔX= 每日污泥增长量 (VSS),kg/d

     Q — 每日处理废水量 (m3/d)

     Sr =Si -Se

     Si进水BOD5浓度(kgBOD5 /m3):

     Se 出水 BOD5浓度(kgBOD5/m3):

     a — 降解每kgBOD5所产生的值,即产率系数(kgVSS/kgBOD5 *d);

     b—KgVSS每日自身氧化的数,即自身氧化系数(d-1)。

3.活性污泥反应动力学及应用

4.活性污泥法运行方式及参数

 

 

4.1.曝气反应池的基本形式

4.1.1.推流式曝气池

平面布置:推流式曝气池的长宽比一般为510;进水方式不限;出水用溢流堰。

横断面布置:推流式曝气池的池宽和有效水深之比一般为12

4.1.2.完全混合曝气池

4.1.3.封闭环流式反应池

4.1.4.序批式反应池

4.2.活性污泥法的主要运行方式

4.2.1.传统推流式

特征:有机物的吸附与代谢在一个曝气池中连续进行;污泥:对数期减速期内源期。吸附与代谢二个阶段;S由大小,dO2 /dt由大小。

池首往往供氧不足,后段供氧过剩,池前段DO浓度较低,沿池长逐渐增高。

优点:处理效果好,BOD去除效率>90%

缺点:不适应冲击负荷和有毒物质;前段供氧不足,后段供氧过剩;N s不高,曝气池V大,占地大。

4.2.2.阶段曝气法

特点:分段多点进水,负荷分布均匀,均化了需氧量,避免了前段供氧不足,后段供氧过剩的缺点;提高了耐水质,水量冲击负荷的能力;活性污泥浓度沿池长逐渐降低。

4.2.3.高负荷曝气法

短时曝气,不完全处理活性污泥法。

      特点:曝气时间短(1.53.0h),Ns 1 1. .5 5 3 3. .0 0 kgBOD/kgMLSS*d),由于负荷高,高负荷活性污泥法曝气池容积小,占地面积较小;处理效果差BOD去除效率小于6575%;产泥量高;适合做预处理。

4.2.4.延时曝气法

长时间曝气、低负荷。

Ns非常小,只有0.050.10 kgBOD/kgMLSS*d;曝气时间t 长(24h以上),污泥处于内源呼吸期,剩余污泥量少且稳定,池容大。出水水质好,对原污水有较强的适应能力,无需设初沉池,只适合于小城镇污水处理(Q≤1000m3/d)。污泥不需进行厌氧消化处理;池容大、负荷小、曝气量大、基建费和运行费较高。

4.2.5.吸附-再生法

型式: 廊道式( 吸附池和再生池可合建);流态: 中间进水,推流。

特点:吸附与再生分别进行,二沉池在二者之中;吸附时间较短(3060min),再生池只对回流污泥再生,整个池容小于普通活性污泥法;处理效果低于普通活性污泥法;具有一定的耐冲击负荷的能力;不宜处理溶解性有机物较多的污水。

4.2.6.完全混合法

特点:耐冲击负荷,特别适应于工业废水处理;池内水质均匀一致,各点污泥负荷相同,各部分工况几乎完全一致,可通过 F/M 来调整工作情况;池内需氧均匀,动力消耗小于推流式;出水水质比推流式差,活性污泥易产生膨胀。

4.2.7.深层曝气法

亨利定律:C H×P

特征:氧的利用效率EA高达90%;动力效率EP高达6kgO2/KW*h;占地少(传统活性污泥法EA10EP23);适用于各种气候条件,可不设初沉池;适用于处理 高浓度有机废水。

不足:施工难度大,对地质条件和防渗要求高。

4.2.8.浅层曝气法(殷卡曝气法)

特点:气泡形成和破裂瞬间的氧传递速率是最大的。在水的浅层处用大量空气进行曝气,就可以获得较高的氧传递速率。

4.2.9.纯氧曝气法

特点:氧的利用率EA=(8090)%,MLSS 47g/L,使 Nrv ↑, V ↓SVI100,一般不会发生污泥膨胀;剩余污泥量小不足: 要密闭运行,工艺运行管理复杂。

4.2.10.克劳斯(Kraus)法

把厌氧消化富含氨氮的上清液加到回流污泥 中一起曝气硝化,然后再进入曝气池, 克服了高碳水化合物污泥膨胀问题, 称为克劳斯法。

消化池上清液中富有氨氮,可以供应大量碳水化合物代谢所需的氮。

消化池上清液夹带的消化污泥相对密度较大,有改善混合液沉淀性能的功效。

4.3.活性污泥法的主要运行参数

BOD 负荷:一般 BOD 污泥负荷0.20.4;延时曝气法低(<0.1),高负荷活性污泥法 BOD 污泥负荷 >1.5 ,而对特殊的深井曝气和纯氧曝气因氧的传质改善,可以把 BOD 负荷设计在0.51.5之间。

泥龄:对一般的活性污泥法工艺以及深井曝气和纯氧曝气工艺,其泥龄一般在515d,多数68d ;高负荷活性污泥法泥龄2.5d 以下;而延时曝气则一般在20d

曝气池混合液浓度(X):一般在 3000mg/L 左右。延时曝气、合建式完全混合活性污泥法以及深井曝气略高。

污泥回流比(R):一般在100%以下,多数在50%左右;而延时曝气、完全混合法、纯氧曝气法、Kraus法回流比在100%以上。

曝气时间(HRT):一般在 8h 以下,多数为46h 。但延时曝气、吸附再生、深井曝气、纯氧曝气法、 Kraus法一般在20h 以上;高负荷工艺曝气时间很短。

各种工艺技术的着重点不同:强化不同微生物的作用(如高负荷 多级 延时曝气等工艺);提高氧的传质,降低能耗(纯氧曝气、深水曝气、深井曝气以及浅层曝气等);节省占地 (深井);保证出水水质(延时曝气、多级曝气等);活性污泥特性(收附再生、再生以及高负荷活性污泥法等 );易管理与构筑物单元少如合建式完全混合活性污泥法与SBR等。利于污泥处置,延时曝气以及A2/O等。

5.活性污泥新工艺

 

5.1.氧化沟工艺

氧化沟属于活性污泥处理工艺的变形工艺,一般不需初沉池,并且通常采用延时曝气;曝气池采用环形沟渠形式,污水和活性污泥混合液在其中循环流动,又称为“氧化渠”、“环形曝气池”、“连续循环曝气池”。

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氧化沟一般为环形沟渠状,也可以是长方形、圆形等;目前的池体常以钢筋混凝土浇筑(早期的是按土质挖成斜坡、浇以10cm厚的素混土),断面有梯形、单侧梯形和矩形;水深与曝气和混合推动设备有关,一般3.5~5.0m,最深可达8.0m。泥龄20-30d,污泥负荷在0.05-0.10kgBOD5/kgss*d

目前氧化沟技术已成功应用于化工废水、造纸废水、食品加工废水、制药废水等的处理。

工艺原理及过程:通过转刷(转盘),使泥水混合物在环状的渠内循环流动及曝气 。混合液通过转刷后,DO浓度提高,在渠内流动过程中又逐渐降低;常以延迟曝气的方式运行,HRT 10-24h,泥龄20-30d。通过设置进水与出水位置、污泥回流位置、曝气设备位置可以使氧化沟完成硝化和反硝化功能;如主要去除BOD 5 或进行硝化,进水点通常设置在靠近转刷的位置(上游),出水点设在进水点上游。

技术特征:工艺处理流程简单,不设初沉池,泥龄较长,泥量少且稳定,可不设消化装置。可与二沉池合建(一体化),也与其他工艺单元结合;结合了推流和完全混合两种流态,流速在0.4·m/s,沟长100-500m,一个循环需4-20minHRT10~24h,需72-360次循环。短期内呈推流,长时间内呈完全混合特征,两者结合使进水被大大稀释,提高氧化沟的缓冲能力。整体体积功率密度较低,曝气设备不是沿沟长均匀分布,而是集中在几处。具有明显的DO浓度梯度曝气之后DO逐渐降低,有明显的浓度梯度;有机负荷低,泥龄长,处理效果稳定,出水水质好。适用范围广,具有脱氮功能;基建和运行费用低。

氧化沟基本结构组成:氧化沟池体、曝气设备、进水出水设备、导流和混合装置、附属构筑物等。池体:一般呈环形,平面布置多呈椭圆或圆形,四壁多采用钢筋混凝土建造,水深与所采用曝气设备有关。

氧化沟的工艺类型:Carrousel氧化沟、Orbal氧化沟、体化氧化沟、替式氧化沟。

 

5.2.SBR工艺

工艺基本运行模式:在同一个反应池中间歇地完成进水、反应、沉淀、出水和闲置五个基本过程;不需设二沉池,可灵活地调节运行时间和周期。image024.png

SBR工艺特点:工艺流程简单,无污泥回流设备,占地少,投资省;较强的耐冲击负荷能力、出水稳定;处理效果好;运行操作灵活,易于实现脱氮除磷的效果;污泥沉淀性能好,能有效地防止丝状菌膨胀;采用自动控制系统,操作更灵活;活性污泥浓度高,适用废水范围广。

间歇式循环延时曝气活性污泥法(ICEAS 工艺)。循环式活性污泥法(CASS工艺)、UNITANK 工艺。

5.3.A-B(吸附-生物降解)法工艺image025.png

5.4.膜生物反应器(MBR)工艺image026.png

MBR工艺的优、缺点:容积负荷高、水力停留时间短,占地小;污泥龄较长,剩余污泥量减少;避免了 因为丝状菌膨胀或其它问题而影响曝气反应区的 MLSS 浓度;在低溶解氧浓度运行时,可以同时进行硝化和反硝化,有 脱氮除磷功能;出水水质好,甚至致病微生物都可被截留。由于膜组建造价高,所以 运行费用高

6.曝气的原理、方法及工艺

 

6.1.气体传递原理image027.png

Fick定律:扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差,物质的分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散、转移。

双膜理论: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。

双模理论:在气液两相接触时,相界面附近两侧存在气模和液膜;在界面上,气液两相呈平衡态,相界面上无扩散阻力;在两相主体中吸收质的浓度均匀不变,因而不存在传质阻力,薄膜中发生浓度变化,存在传质阻力。

dC/dt = KLa×(CS-CL

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提高KLa:加强液相主体紊流,加速气液界面更新,增大气液接触面积、降低液膜厚度;提高Cs:提高气相中氧分压,如纯氧曝气、深井曝气。

6.2.氧转移的影响因素

水质(影响氧总转移系数KLa、影响饱和溶解氧浓度CS)、水温(影响氧总转移系数KLa、影响饱和溶解氧浓度CS)、气压(影响饱和溶解氧浓度CS)、

6.3.曝气系统的设计计算

6.4.曝气方法与设备

7.活性污泥系统工艺设计

8.活性污泥处理系统的维护管理

活性污泥的培养驯化:异步培养法(先培养再驯化)、同步培养法(培养驯化同时进行)、接种:接种培养培养法,以污水厂污泥作为种泥,粪便废水。

进水方式:连续进水(适合以生活污水为主的城市污水)、间歇进水(一般,闷曝-沉淀-排除上清夜-加新-鲜水-闷曝-沉淀)。

试运行的目的是确定最佳的运行条件;作为变数考虑的因素:MLSS、空气量、污水注入方式;如果是吸附再生法,则吸附与再生的时间比;NP的投加 。根据上述各种参数的组合运行结果 找出最佳运行条件。

处理效果指标:CODBODTODTOCSS、有毒物质。

污泥营养及环境指标:pH、温度、NP

污泥沉降性:SV%MLSSMLVSSSVIDO

生物相:生物相观察。

污泥膨胀:活性污泥质量变轻、膨大,沉降性能恶化,在二沉池中不能正常沉淀下来,SVI异常增高,不易沉降的现象。

危害:污泥不易沉降,污泥流失;污泥浓度不足,处理率下降;排入水体,生物污染。

分类:丝状菌膨胀(C/N 过高,缺少营养;DO 不足;水温高;pH 过低)、结合水膨胀(排泥不通畅,高负荷运转)。

污泥腐化:活性污泥呈灰黑色 污泥发生厌氧反应,污泥中出现硫细菌,出水水质恶化。

原因:负荷量增高;曝气不足;工业废水的流入等。

处理方法:控制负荷量;增大曝气量;切断或控制工业废水的流入。

污泥上浮:污泥沉淀30~60分钟后呈层状上浮(污泥上浮)多发生在夏季。

原因:硝化作用导致在二沉池中被还原成N2,引起污泥上浮。

处理方法:减少污泥在二沉池的HRT;减少曝气量。

污泥解体、泥水界面不明显、泡沫。




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