(好資料)2.3廢水好氧生物處理工藝(1)--活性污泥法--水處理教案(清華大學(xué)精品課程)

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一、活性污泥法的基本工藝流程剩余活性污泥回流污泥二次沉淀池廢水曝氣池初次沉淀池出水空氣1、活性污泥法的基本組成 曝氣池：反應(yīng)主體 二沉池： 1）進行泥水分離，保證出水水質(zhì)；2）保證回流污泥，維持曝氣池內(nèi)的污泥濃度。 回流系統(tǒng)： 1）維持曝氣池的污泥濃度；2）改變回流比，改變曝氣池的運行工況。 剩余污泥排放系統(tǒng)： 1）是去除有機物的途徑之一；2）維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 供氧系統(tǒng)： 提供足夠的溶解氧2、活性污泥系統(tǒng)有效運行的基本條件是： 廢水中含有足夠的可容性易降解有機物； 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、及時排除剩余污泥，使混合液保持一定濃度的活性污泥； 無有毒有害的物質(zhì)流入。二、活性污泥的性質(zhì)與性能指標(biāo) 1、活性污泥的基本性質(zhì) 物理性能：“菌膠團”、“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。 生化性能：1) 活性污泥的含水率：99.299.8%；固體物質(zhì)的組成：有機物7585%活細(xì)胞（Ma）、微生物內(nèi)源代謝的殘留物（Me）、吸附的原廢水中難于生物降解的有機物（Mi）、無機物質(zhì)（Mii）。2、活性污泥中的微生物： 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；基本特征：1) 絕大多數(shù)都是好氧或兼性化能異養(yǎng)型原核細(xì)菌；2) 在好氧條件下，具有很強的分解有機物的功能；3) 具有較高的增殖速率，世代時間僅為2030分鐘；4) 其中的動膠桿菌具有將大量細(xì)菌結(jié)合成為“菌膠團”的功能。 其它微生物-原生動物、后生動物-在活性污泥中大約為103個/ml3、活性污泥的性能指標(biāo)： 混合液懸浮固體濃度（MLSS）（Mixed Liquor Suspended Solids）：MLSS = Ma + Me + Mi + Mii 單位： mg/l g/m3 混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）（Mixed Volatile Liquor Suspended Solids）：MLVSS = Ma + Me + Mi；在條件一定時，MLVSS/MLSS是較穩(wěn)定的，對城市污水，一般是0.750.85 污泥沉降比（SV）（Sludge Volume）：是指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；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發(fā)現(xiàn)早期的污泥膨脹；正常數(shù)值為2030%。 污泥體積指數(shù)（SVI）（Sludge Volume Index）：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， 單位是 ml/g。能更準(zhǔn)確地評價污泥的凝聚性能和沉降性能，其值過低，說明泥粒小，密實，無機成分多；其值過高，說明其沉降性能不好，將要或已經(jīng)發(fā)生膨脹現(xiàn)象；城市污水的SVI一般為50150 ml/g；三、活性污泥的增殖規(guī)律及其應(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長。對數(shù)增殖減速增殖內(nèi)源呼吸氧利用速率曲線微生物增殖曲線BOD降解曲線時間Xa01、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；3)圖中同時還表示了有機底物降解和氧的消耗曲線。 適應(yīng)期：是活性污泥微生物對于新的環(huán)境條件、污水中有機物污染物的種類等的一個短暫的適應(yīng)過程；經(jīng)過適應(yīng)期后，微生物從數(shù)量上可能沒有增殖，但發(fā)生了一些質(zhì)的變化：a.菌體體積有所增大；b.酶系統(tǒng)也已做了相應(yīng)調(diào)整；c.產(chǎn)生了一些適應(yīng)新環(huán)境的變異；等等。BOD5、COD等各項污染指標(biāo)可能并無較大變化。 對數(shù)增長期：F/M值高(2.2)，所以有機底物非常豐富，營養(yǎng)物質(zhì)不是微生物增殖的控制因素；微生物的增長速率與基質(zhì)濃度無關(guān)，呈零級反應(yīng)，它僅由微生物本身所特有的最小世代時間所控制，即只受微生物自身的生理機能的限制；微生物以最高速率對有機物進行攝取，也以最高速率增殖，而合成新細(xì)胞；此時的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活動能力很強，導(dǎo)致污泥質(zhì)地松散，不能形成較好的絮凝體，污泥的沉淀性能不佳；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行工況，但也有采用的，如高負(fù)荷活性污泥法。 減速增長期：F/M值下降到一定水平后，有機底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底物呈正比，為一級反應(yīng)；有機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，直至在本期的最后階段下降為零，但微生物的量還在增長；活性污泥的能量水平已下降，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；由于殘存的有機物濃度較低，出水水質(zhì)有較大改善，并且整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定；一般來說，大多數(shù)活性污泥處理廠是將曝氣池的運行工況控制在這一范圍內(nèi)的。 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；污泥的無機化程度較高，沉降性能良好，但凝聚性較差；有機物基本消耗殆盡，處理水質(zhì)良好；一般不用這一階段作為運行工況，但也有采用，如延時曝氣法。2、活性污泥增殖規(guī)律的應(yīng)用： 活性污泥的增殖狀況，主要是由F/M值所控制； 處于不同增值期的活性污泥，其性能不同，出水水質(zhì)也不同； 通過調(diào)整F/M值，可以調(diào)控曝氣池的運行工況，達到不同的出水水質(zhì)和不同性質(zhì)的活性污泥； 活性污泥法的運行方式不同，其在增值曲線上所處位置也不同。3、有機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)兩項作用的綜合結(jié)果，活性污泥微生物在曝氣池內(nèi)每日的凈增長量為: ;式中: 每日污泥增長量(),； ；每日處理廢水量()； 進水濃度(或)；出水濃度(或)。a, b 經(jīng)驗值：對于生活污水活與之性質(zhì)相近的工業(yè)廢水，； 或試驗值：通過試驗獲得。4、有機物降解與需氧量：活性污泥中的微生物在進行代謝活動時需要氧的供應(yīng)，氧的主要作用有： 將一部分有機物氧化分解； 對自身細(xì)胞的一部分物質(zhì)進行自身氧化。因此，活性污泥法中的需氧量: 式中： 曝氣池混合液的需氧量，；代謝每所需的氧量，；每每天進行自身氧化所需的氧量，。 二者的取值同樣可以根據(jù)經(jīng)驗或試驗來獲得。5、活性污泥凈化廢水的實際過程：BOD吸附降解曝氣過程在活性污泥處理系統(tǒng)中，有機污染物物從廢水中被去除的實質(zhì)就是有機底物作為營養(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。一般將這整個凈化反應(yīng)過程分為三個階段： 初期吸附； 微生物代謝； 活性污泥的凝聚、沉淀與濃縮。所謂“初期吸附”是指: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間(1030min)內(nèi)，由于活性污泥具有很大的表面積因而具有很強的吸附能力，因此在這很短的時間內(nèi)，就能夠去除廢水中大量的呈懸浮和膠體狀態(tài)的有機污染物，使廢水的BOD5值(或COD值)大幅度下降。但這并不是真正的降解，隨著時間的推移，混合液的BOD5值會回升，再之后，BOD5值才會逐漸下降?；钚晕勰辔侥芰Φ拇笮∨c很多因素有關(guān)： 廢水的性質(zhì)、特性：對于含有較高濃度呈懸浮或膠體狀有機污染物的廢水，具有較好的效果； 活性污泥的狀態(tài)：在吸附飽和后應(yīng)給以充分的再生曝氣，使其吸附功能得到恢復(fù)和增強，一般應(yīng)使活性污泥微生物進入內(nèi)源代謝期。四、活性污泥法的基本工藝參數(shù)1、容積負(fù)荷（Volumetric Organic Loading Rate）： ; 2、污泥負(fù)荷（Sludge Organic Loading Rate）： ; 3、水力停留時間（Hydraulic Retention Time）： （h）4、污泥齡或污泥停留時間（Sludge Retention Time）：（h 或 d）5、回流比：第二節(jié) 活性污泥法的主要運行方式一、各種活性污泥法工藝迄今為止，在活性污泥法工程領(lǐng)域，應(yīng)用著多種各具特色的運行方式。主要有以下幾種： 傳統(tǒng)推流式活性污泥法； 完全混合活性污泥法； 階段曝氣活性污泥法； 吸附再生活性污泥法； 延時曝氣活性污泥法； 高負(fù)荷活性污泥法； 純氧曝氣活性污泥法； 淺層低壓曝氣活性污泥法； 深水曝氣活性污泥法； 深井曝氣活性污泥法。1、傳統(tǒng)推流式活性污泥法： 工藝流程： 供需氧曲線： 主要優(yōu)點：1) 處理效果好：BOD5的去除率可達90-95%；2) 對廢水的處理程度比較靈活，可根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)。 主要問題：1) 為了避免池首端形成厭氧狀態(tài)，不宜采用過高的有機負(fù)荷，因而池容較大，占地面積較大；2) 在池末端可能出現(xiàn)供氧速率高于需氧速率的現(xiàn)象，會浪費了動力費用；3) 對沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性較弱。 一般所采用的設(shè)計參數(shù)(處理城市污水)：2、完全混合活性污泥法 主要特點：a.可以方便地通過對F/M的調(diào)節(jié)，使反應(yīng)器內(nèi)的有機物降解反應(yīng)控制在最佳狀態(tài)；b.進水一進入曝氣池，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工業(yè)廢水。 主要結(jié)構(gòu)形式：a.合建式（曝氣沉淀池）：b.分建式3、階段曝氣活性污泥法又稱分段進水活性污泥法或多點進水活性污泥法 工藝流程： 主要特點：a.廢水沿池長分段注入曝氣池，有機物負(fù)荷分布較均衡，改善了供養(yǎng)速率與需氧速率間的矛盾，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； 主要設(shè)計參數(shù)：4、吸附再生活性污泥法又稱生物吸附法或接觸穩(wěn)定法。主要特點是將活性污泥法對有機污染物降解的兩個過程吸附、代謝穩(wěn)定，分別在各自的反應(yīng)器內(nèi)進行。 工藝流程： 主要優(yōu)點：a.廢水與活性污泥在吸附池的接觸時間較短，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，再生池的容積也較小。吸附池與再生池容積之和低于傳統(tǒng)法曝氣池的容積，基建費用較低；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，可由再生池的污泥予以補充。 主要缺點：處理效果低于傳統(tǒng)法，特別是對于溶解性有機物含量較高的廢水，處理效果更差。 主要設(shè)計參數(shù)：5、延時曝氣活性污泥法完全氧化活性污泥法 主要特點：a.有機負(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，勿需再進行處理；b.處理出水出水水質(zhì)穩(wěn)定性較好，對廢水沖擊負(fù)荷有較強的適應(yīng)性；c.在某些情況下，可以不設(shè)初次沉淀池。 主要缺點：池容大、曝氣時間長，建設(shè)費用和運行費用都較高，而且占地大；一般適用于處理水質(zhì)要求高的小型城鎮(zhèn)污水和工業(yè)污水，水量一般在1000m3/d以下。 主要設(shè)計參數(shù)：6、高負(fù)荷活性污泥法又稱短時曝氣法或不完全曝氣活性污泥法 主要特點：有機負(fù)荷率高，曝氣時間短，處理效果較差；而在工藝流程和曝氣池的構(gòu)造等方面與傳統(tǒng)法基本相同。 主要設(shè)計參數(shù)：7、純氧曝氣活性污泥法 主要特點：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8090%，而一般的鼓風(fēng)曝氣僅為10%左右；c.可使曝氣池內(nèi)活性污泥濃度高達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，一般無污泥膨脹之慮。 曝氣池結(jié)構(gòu)： 主要設(shè)計參數(shù)：8、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，動力效率較高，可達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)。9、深水曝氣活性污泥法 主要特點：a.曝氣池水深在78m以上，b.由于水壓較大，洋的轉(zhuǎn)移率可以提高，相應(yīng)也能加快有機物的降解速率；c.占地面積較小。 一般有兩種形式：a.深水中層曝氣法：b.深水深層曝氣法：10、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，直徑約介于16m，深度一般為50150m。 主要特點：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，易于維護運行；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。 主要設(shè)計參數(shù)各種活性污泥法的設(shè)計參數(shù)(處理城市污水，僅為參考值)設(shè)計參數(shù)傳統(tǒng)活性污泥法完全混合活性污泥法階段曝氣活性污泥法BOD5SS負(fù)荷(kgBOD5/kgMLSS.d)0.20.40.20.60.20.4容積負(fù)荷(kgBOD5/m3.d)0.30.6082.00.61.0污泥齡(d)515515515MLSS(mg/l)150030003000600020003500MLVSS(mg/l)120024002400480016002800回流比(%)2550251002575曝氣時間HRT(h)483538BOD5去除率(%)859585908590設(shè)計參數(shù)吸附再生活性污泥法延時曝氣活性污泥法高負(fù)荷活性污泥法BOD5SS負(fù)荷(kgBOD5/kgMLSS.d)0.20.60.050.151.55.0容積負(fù)荷(kgBOD5/m3.d)1.01.20.10.41.22.4污泥齡(d)51520300.252.5MLSS(mg/l)吸附池10003000再生池40001000030006000200500MLVSS(mg/l)吸附池8002400再生池3200800024004800160400回流比(%)2510075100515曝氣時間HRT(h)吸附池0.51.0再生池3618481.53.0BOD5去除率(%)8090956075設(shè)計參數(shù)純氧曝氣活性污泥法深井曝氣活性污泥法BOD5SS負(fù)荷(kgBOD5/kgMLSS.d)0.41.01.01.2容積負(fù)荷(kgBOD5/m3.d)2.03.23.03.6污泥齡(d)5155MLSS(mg/l)60001000030005000MLVSS(mg/l)4000650024004000回流比(%)25504080曝氣時間HRT(h)1.53.01.02.0溶解氧濃度DO(mg/l)610SVI(ml/g)3050BOD5去除率(%)75958590二、曝氣池的型式與構(gòu)造1、曝氣池的類型 根據(jù)混合液在曝氣池內(nèi)的流態(tài)，可分為推流式、完全混合式和循環(huán)混合式三種； 根據(jù)曝氣方式，可分為鼓風(fēng)曝氣池、機械曝氣池以及二者聯(lián)合使用的機械鼓風(fēng)曝氣池； 根據(jù)曝氣池的形狀，可分為長方廊道形、圓形、方形以及環(huán)狀跑道形等四種； 根據(jù)曝氣池與二沉池之間的關(guān)系，可分為合建式（即曝氣沉淀池）和分建式兩種。2、曝氣池的流態(tài) 推流式曝氣池 完全混合式曝氣池 循環(huán)混合式曝氣池：氧化溝3、曝氣池的構(gòu)造曝氣池在構(gòu)造上應(yīng)滿足曝氣充氧、混合的要求，因此，曝氣池的構(gòu)造首先取決于曝氣方式和所采用的曝氣裝置。第三節(jié) 活性污泥法的反應(yīng)動力學(xué)原理及其應(yīng)用活性污泥法反應(yīng)動力學(xué)可以定量或半定量地揭示系統(tǒng)內(nèi)有機物降解、污泥增長、耗氧等作用與各項設(shè)計參數(shù)、運行參數(shù)以及環(huán)境因素之間的關(guān)系。它主要包括： 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； 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； 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。在建立活性污泥法反應(yīng)動力學(xué)模型時,有以下假設(shè)： 除特別說明外，都認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)物料是完全混合的，對于推流式曝氣池系統(tǒng)，則是在此基礎(chǔ)上加以修正； 活性污泥系統(tǒng)的運行條件絕對穩(wěn)定； 二次沉淀池內(nèi)無微生物活動，也無污泥累積并且水與固體分離良好； 進水基質(zhì)均為溶解性的，并且濃度不變，也不含微生物； 系統(tǒng)中不含有毒物質(zhì)和抑制物質(zhì)。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1、米門公式 MichaelisMenton提出酶的“中間產(chǎn)物”學(xué)說，通過理論推導(dǎo)和實驗驗證，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：式中：酶促反應(yīng)中產(chǎn)物生成的反應(yīng)速率； 產(chǎn)物生成的最高速率； 米氏常數(shù)（又稱飽和常數(shù)，半速常數(shù)）； 基質(zhì)濃度。中間產(chǎn)物學(xué)說：米門公式的圖示：vmaxv=vmaxOKmS2、莫諾德模式 莫諾德模式的基本形式：Monod于1942年和1950年曾兩次進行了單一基質(zhì)的純菌種培養(yǎng)實驗，也發(fā)現(xiàn)了與上述酶促反應(yīng)類似的規(guī)律，進而提出了與米門公式想類似的表達微生物比增殖速率與基質(zhì)濃度之間的動力學(xué)公式，即莫諾德模式：式中： 微生物的比增殖速率，； 基質(zhì)達到飽和濃度時，微生物的最大比增殖速率， 反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度，mg/l； 飽和常數(shù)，也是半速常數(shù)。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)進行微生物增殖實驗，也取得了符合這種關(guān)系的結(jié)果?？梢约俣ǎ涸谖⑸锉仍鲋乘俾逝c底物的比降解速率之間存在下列比例關(guān)系：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： 比底物降解速率（）； 底物的最大比降解速率； 限制增殖的底物濃度； 飽和常數(shù)。對于廢水處理來說，有機物的降解是其基本目的，因此上式的實際意義更大。 莫諾德模式的圖示： 莫諾德方程式的推論：1) 在高底物濃度的條件下，即，呈零級反應(yīng)，則有： ， 2) 在低底物濃度的條件下，即，則： 二、LawrenceMcCarty模式：1、 有關(guān)基本概念： 微生物比增殖速率： 單位基質(zhì)利用率： 生物固體平均停留時間（又稱細(xì)胞平均停留時間，在工程上習(xí)稱污泥齡）： 在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)，微生物從其生成開始到排出系統(tǒng)的平均停留時間；也可以說是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的微生物全部更新一次所需要的平均時間；從工程上來說，就是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)微生物總量與每日排放的剩余污泥量的比值，以表示，單位為d，即： 式中:每日增殖的微生物量，穩(wěn)態(tài)運行時，就是每日排放的剩余污泥量。因此： 簡化后，則： 與的關(guān)系： ，而 ，所以有： 或2、LM模式的基本方程式： 第一基本方程式：前面已有： 式中 微生物的產(chǎn)率系數(shù)，； 自身氧化系數(shù)，又稱衰減常數(shù)，（）；經(jīng)整理后： 表示的是污泥齡（）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)之間的關(guān)系。 第二基本方程式：認(rèn)同莫諾德模式： 認(rèn)為有機基質(zhì)的降解速率等于其被微生物的利用速率，即 式中： 反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度； 單位生物量的最大基質(zhì)利用速率； 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。3、L-M模式的導(dǎo)出方程式 第一導(dǎo)出方程出水水質(zhì)與污泥齡之間的關(guān)系：（對于完全混合式）將 代入：則有： 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。第二種排泥方式的優(yōu)點：1）減輕了二沉池的負(fù)擔(dān)；2）可將剩余污泥單獨濃縮處理；3）便于控制曝氣池的運行。 因此按這種排泥方式的污泥齡的計算就可以變得更簡單，如下： 簡化后， 由此可看出這種排泥方式更有利于控制和運行管理。 第二導(dǎo)出方程曝氣池內(nèi)微生物濃度與污泥齡的關(guān)系 對曝氣池作有機底物的物料衡算： 底物的凈變化率 = 底物進入曝氣池的速率 - 底物從曝氣池中消失的速率 代入第一基本方程有： 由于，則有： 上式說明：曝氣池中微生物量濃度是與有機物的濃度、和曝氣時間等有關(guān)的。式中，可以稱為污泥循環(huán)因子，其物理意義為：活性污泥從生長到被排出系統(tǒng)期間與廢水的平均接觸次數(shù)。 第三導(dǎo)出方程回流比與之間的關(guān)系 對曝氣池的生物量進行物料衡算： （曝氣池內(nèi)生物量的凈變化率）=（生物量進入曝氣池的速率）-（生物量離開曝氣池的速率） 其中 ， 所以：所以： 式中：回流污泥的濃度，可由下式估算： 注意：1）是近似值；2）由算出的是值，應(yīng)再換算成。 產(chǎn)率系數(shù)（）與表觀產(chǎn)率系數(shù)（）之間的關(guān)系：產(chǎn)率系數(shù)（）是指單位時間內(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)（）是指單位時間內(nèi)，實際測定的污泥產(chǎn)量與基質(zhì)降解量的比值， 即： 將，以及 代入，則有： 該式還提供了通過試驗求及的方法，將其取倒數(shù)后得： 以對作圖，即可求得及值。 其中 與Se及E的關(guān)系：(見附圖3) 升高 Se 下降 E 升高； 下降 Se 升高 E 下降因此，對于一個活性污泥系統(tǒng)有一個()min可以通過假定Se = SI并代入 則有：一般，所以， 對方程式的推論已有： 因 ，所以，活性污泥處理系統(tǒng)一般為低基質(zhì)濃度，即,所以， ， 其中又： ，所以： 在穩(wěn)態(tài)下， 所以： 三、動力學(xué)參數(shù)的測定動力學(xué)參數(shù)、是模式的重要組成部分，一般是通過實驗來確定的。 、的確定： 將下式： 取倒數(shù)，得： 式中 所以 取不同的值，即可計算出值，繪制關(guān)系圖， 圖中直線的斜率為值，截距為值。 、值的確定 已知 以及 取不同的值，并由此可以得出不同的值，代入上式，可得出一系列值。 繪制的關(guān)系圖，圖中直線的斜率為值，截距為值。第四節(jié) 曝氣的原理、方法與設(shè)備一、曝氣的原理與理論基礎(chǔ)在活性污泥法中，曝氣的作用主要有： 充氧：向活性污泥中的微生物提供溶解氧，滿足其在生長和代謝過程中所需的氧量。 攪動混合：使活性污泥在曝氣池內(nèi)處于懸浮狀態(tài)，與廢水充分接觸。1、Fick定律 通過曝氣，空氣中的氧，從氣相傳遞到混合液的液相中，這實際上是一個物質(zhì)擴散過程，即氣相中的氧通過氣液界面擴散到液相主體中。所以，它應(yīng)該服從擴散過程的基本定律Fick定律。 Fick定律認(rèn)為：擴散過程的推動力是物質(zhì)在界面兩側(cè)的濃度差，物質(zhì)的分子會從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴散、轉(zhuǎn)移。即 (1)式中： 物質(zhì)的擴散速率，即在單位時間內(nèi)單位斷面上通過的物質(zhì)數(shù)； 擴散系數(shù)，表示物質(zhì)在某種介質(zhì)中的擴散能力，主要取決于擴散物質(zhì)和介質(zhì)的特性及溫度； 物質(zhì)濃度； 擴散過程的長度 濃度梯度，即單位長度內(nèi)的濃度變化值。式（1）表明，物質(zhì)的擴散速率與濃度梯度呈正比關(guān)系。 如果以M表示在單位時間t內(nèi)通過界面擴散的物質(zhì)數(shù)量，以A表示界面面積，則有： (2)代入（1）式，得： (3)2、雙膜理論： 對于氣體分子通過氣液界面的傳遞理論，在廢水生物處理界被普遍接受的是Lewis & Whitman于1923年建立的“雙膜理論”。 雙膜理論認(rèn)為： 1) 當(dāng)氣、液面相接觸并作相對運動時，接觸界面的兩側(cè)，存在著氣體與液體的邊界層，即氣膜和液膜； 2) 氣膜和液膜內(nèi)相對運動的速度屬于層流，而在其外的兩相體系中則均為紊流； 3) 氧的轉(zhuǎn)移是通過氣、液膜進行的分子擴散和在膜外的對流擴散完成； 4) 對于難溶于水的氧來說，分子擴散的阻力大于對流擴散，傳質(zhì)的阻力主要集中在液膜上； 5) 在氣膜中存在著氧分壓梯度，而液膜中同樣也存在著氧的濃度梯度，由此形成了氧轉(zhuǎn)移的推動力； 6) 實際上，在氣膜中，氧分子的傳遞動力很小，即氣相主體與界面之間的氧分壓差值很低，一般可認(rèn)為。這樣，就可以認(rèn)為界面處的溶解氧濃度等于在氧分壓條件下的飽和溶解氧濃度值，因此氧轉(zhuǎn)移過程中的傳質(zhì)推動力就可以認(rèn)為主要是界面上的飽和溶解氧濃度值與液相主體中的溶解氧濃度值。 雙膜理論模型的示意圖：(或稱氧轉(zhuǎn)移模式圖（雙膜理論）)邊界層紊流紊流層流層流ygyiCLCiPiPg液膜氣膜氣相主體液相主體 設(shè)液膜厚度為（此值是極小的），因此在液膜內(nèi)溶解氧濃度的梯度為： （4）代入式（3），得： （5）式中 氧傳遞速率，kgO2/h； 氧分子在液膜中的擴散系數(shù)，m2/h； A 氣、液兩相接觸界面面積，m2； 在液膜內(nèi)溶解氧的濃度梯度，kgO2/m3.m；設(shè)液相主體的容積為V(m3)，并用其除以上式，則得： （6） （6）式中 液相主體溶解氧濃度變化速率（或氧轉(zhuǎn)移速率），kgO2/m3.h； KL液膜中氧分子傳質(zhì)系數(shù)，m/h，。由于氣液界面面積難于計量，一般以氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（）代替，則上式改寫為 ： （7） 式中：氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，h-1， （8） 此值表示在曝氣過程中氧的總傳遞性，當(dāng)傳遞過程中阻力大，則值低，反之則值高。的倒數(shù)1/KLa的單位為（h），它所表示的是曝氣池中溶解氧濃度從提高到Cs所需要的時間。 為了提高dC/dt值，可以從兩方面考慮：（式（8）1) 提高值加強液相主體的紊流程度，降低液膜厚度，加速氣、液界面的更新，增大氣、液接觸面積等。2) 提高Cs值提高氣相中的氧分壓，如采用純氧曝氣、深井曝氣等。3、氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（）的求定氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（）是計算氧轉(zhuǎn)移速率的基本參數(shù)，一般是通過試驗求得。將式（7）整理，得： （9）積分后得： （10）換成的以10為底，則 (10)式中：C0當(dāng)t=0時，液體主體中的溶解氧濃度(mg/l)； Ct當(dāng)t=t時，液體主體中的溶解濃度(mg/l)； Cs是在實際水溫、當(dāng)?shù)貧鈮合氯芙庋踉谝合嘀黧w中飽和濃度(mg/l)。由式（10）可見與t之間存在著直線關(guān)系，直線的斜率即為KLa/2.3。測定值的方法與步驟如下：1) 向受試清水中投加Na2SO3和CoCl2，以脫除水中的氧；每脫除1mg/L的氧，在理論上需7.9mg/L Na2SO3，但實際投藥量要高出理論值1020%；CoCl2的投量則以保持Co2+離子濃度不低于1.5mg/L為準(zhǔn)，Co2+是催化劑。2) 當(dāng)水中溶解氧完全脫除后，開始曝氣充氧，一般每隔10分鐘取樣一次，（開始時可以更密集一些），取610次，測定水樣的溶解氧；3) 計算值，繪制與t之間的關(guān)系曲線，直線的斜率即為KLa/2.3。二、氧轉(zhuǎn)移速率的影響因素 標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率指脫氧清水在20C和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下測得的氧轉(zhuǎn)移速率，一般以R0表示（kgO2/h）； 實際氧轉(zhuǎn)移速率以城市廢水或工業(yè)廢水為對象，按當(dāng)?shù)貙嶋H情況（指水溫、氣壓等）進行測定，所得到的為實際氧轉(zhuǎn)移速率，以R表示，單位為kgO2/h。影響氧轉(zhuǎn)移速率的主要因素：廢水水質(zhì)、水溫、氣壓等1、水質(zhì)對氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（KLa）值的影響：廢水中的污染物質(zhì)將增加氧分子轉(zhuǎn)移的阻力，使KLa值降低；為此引入系數(shù)a，對KLa值進行修正： 式中 KLaw廢水中的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)；a值可以通過試驗確定，一般a = 0.80.852、水質(zhì)對飽和溶解氧濃度（Cs）的影響：廢水中含有的鹽分將使其飽溶解氧濃度降低，對此，以系數(shù)b加以修正：，式中 Csw廢水的飽和溶解氧濃度，mg/l；b值一般介于0.90.97之間。3、水溫對氧總轉(zhuǎn)移系（KLa）的影響：水溫升高，液體的粘滯度會降低，有利于氧分子的轉(zhuǎn)移，因此KLa值將提高；水溫降低，則相反。溫度對KLa值的影響以下式表示： 式中 KLa（T）和KLa（20）分別為水溫TC和20C時的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)；T設(shè)計水溫 C；4、水溫對飽和溶解氧濃度（Cs）的影響：水溫升高，Cs值就會下降，在不同溫度下，蒸餾水中的飽和溶解氧濃度可以從表中查出。水溫（C）012345678910飽和溶解氧（mg/l）14.6214.2313.8413.4813.1312.8012.4812.1711.8711.5911.33水溫（C）1112131415161718192021飽和溶解氧（mg/l）11.0810.8310.6010.3710.159.959.749.549.359.178.99水溫（C）222324252627282930飽和溶解氧（mg/l）8.838.638.538.388.228.077.927.777.635、壓力對飽和溶解氧濃度（Cs）值的影響： 壓力增高，Cs值提高，Cs值與壓力(P)之間存在著如下關(guān)系： （15）式中 P所在地區(qū)的大氣壓力，Pa； Cs(P)和Cs(760)分別是壓力P和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力條件下的Cs值，mg/l； P水的飽和蒸氣壓力，Pa； 由于P很小（在幾kPa范圍內(nèi)），一般可忽略不計，則得： 其中 對于鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，曝氣裝置是被安裝在水面以下，其Cs值以擴散裝置出口和混合液表面兩處飽和溶解氧濃度的平均值Csm計算，如下所示： (18)式中Ot從曝氣池逸出氣體中含氧量的百分率，%； (19)EA氧利用率，%，一般在6%12%之間；Pb安裝曝氣裝置處的絕對壓力，可以按下式計算： (20)P曝氣池水面的大氣壓力，P1.013105 Pa；H曝氣裝置距水面的距離，m。三、氧轉(zhuǎn)移速率與供氣量的計算1、氧轉(zhuǎn)移速率的計算：標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速度（R0）為： ，式中 CL水中的溶解氧濃度，對于脫氧清水CL=0;V曝氣池的體積，（m3）；為求得水溫為T，壓力為P條件下的廢水中的實際氧轉(zhuǎn)移速率（R），則需對上式加以修正，需引入各項修正系數(shù)，即：，因此，R0/R為： （23）一般來說：R0/R = 1.331.61。將（23）式重寫： （24）式中CL曝氣池混合液中的溶解氧濃度，一般按2mg/l來考慮。2、氧轉(zhuǎn)移效率與供氣量的計算： 氧轉(zhuǎn)移效率：，式中：EA氧轉(zhuǎn)移效率，一般的百分比表示；OC供氧量，kgO2/h；，21%氧在容氣中的占的百分比；1.33120C時氧的容重，kg/m3；Gs 供氧量，m3/h。 供氣量Gs： （27） 對于鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，各種曝氣裝置的EA值是制造廠家通過清水試驗測出的，隨產(chǎn)品向用戶提供； 對于機械曝氣系統(tǒng)，按式（24）求出的R0值，又稱為充氧能力，廠家也會向用戶提供其設(shè)備的R0值。 需氧量：活性污泥系統(tǒng)中的供氧速率與耗氧速率應(yīng)保持平衡，因此，曝氣池混合液的需氧量應(yīng)等于供氧量。需氧量是可以根據(jù)下式求得： （28）四、曝氣系統(tǒng)的設(shè)計計算1、鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)： 求風(fēng)量即供氣量： 式(28)求得需氧速率O2 根據(jù)供氧速率 =需氧速率，則有：R=O2，根據(jù)式（24）求得標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率R0：，根據(jù)式（27）求得供氣量（m3/d） Gs (m3/min)； 求要求的風(fēng)壓（風(fēng)機出口風(fēng)壓）：根據(jù)管路系統(tǒng)的沿程阻力、局部阻力、靜水壓力再加上一定的余量，得到所要求的最小風(fēng)壓。 根據(jù)風(fēng)量與風(fēng)壓選擇合適的風(fēng)機。2、機械曝氣系統(tǒng)： 充氧能力R0的計算：根據(jù)式（28）求得需氧量O2；R=O2；， 根據(jù)R0值選配合適的機械曝氣設(shè)備。例題 一個城市污水處理廠，設(shè)計流量Q10000m3/d，一級處理出水BOD5150mg/l，采用活性污泥法處理，處理水BOD515mg/l。采用中微孔曝氣盤作為曝氣裝置。曝氣池容積V3000m3，Xr=2000mg/l，EA=10%,曝氣池出口處溶解氧Cl =2mg/l，水溫T=250C，曝氣盤安裝在水下4.5m處。有關(guān)參數(shù)為：a=0.5, b= 0.1, a=0.85, b=0.95，r=1.0求：(1)采用鼓風(fēng)曝氣時，所需的供氣量Gs（m3/min） (2)采用表面機械曝氣器時的充氧量R0(kgO2/h) 解： A鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)(1)按式（28）計算需氧量： (2)按式（18）計算20C和25C時曝氣池內(nèi)飽和溶解氧濃度的平均值：曝氣裝置出口處的壓力Pb：氣泡逸出曝氣池表面時，氧含量的百分比可以按式（19）計算： 查表得20C和25C時的飽和溶解氧濃度分別為： Cs(20)=9.17mg/l; Cs(25)=8.38mg/l; 代入式（18）有： （3）標(biāo)準(zhǔn)供氧速率R0：由式（24）有： （4）按式（27）計算供氣量： B.機械曝氣器 按式（29）求充氣能力R0： 五、曝氣方法與設(shè)備曝氣裝置，又稱為空氣擴散裝置，是活性污泥處理系統(tǒng)的重要設(shè)備，按曝氣方式可以將其分為鼓風(fēng)曝氣裝置和表面曝氣裝置兩種。1、曝氣裝置的技術(shù)性能指標(biāo)： 動力效率（Ep）：每消耗1度電轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量（kgO2/kw.h）； 氧的利用率（EA）：又稱氧轉(zhuǎn)移效率，是指通過鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量占總供氧量的百分比（%）； 充氧能力（R0）：通過表面機械曝氣裝置在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量（kgO2/h）。2、鼓風(fēng)曝氣裝置：鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)由鼓風(fēng)機、空氣輸送管道以及曝氣裝置所組成。鼓風(fēng)曝氣裝置可分為：（微）小氣泡型、中氣泡型、大氣泡型、水力剪切型、水力沖擊型、等 （微）小氣泡型曝氣裝置：由微孔透氣材料（陶土、氧化鋁、氧化硅或尼龍等）制成的擴散板、擴散盤和擴散管等；氣泡直徑在2mm以下（氣泡在200mm以下者，為微孔）；氧的利用率較高，EA=1525%，動力效率在2 kgO2/kw.h以上；缺點：易堵塞，空氣需經(jīng)過濾處理凈化，擴散阻力大。 中氣泡型曝氣裝置：氣泡直徑為26mm。1) 穿孔管：2) 新型中氣泡型曝氣裝置： 水力剪切型空氣擴散裝置：利用裝置本身的構(gòu)造特點，產(chǎn)生水力剪切作用，將大氣泡切割成小氣泡，增加氣液接觸面積，達到提高效率的目的。如：定螺旋曝氣器等。 水力沖擊型曝氣器：射流曝氣：分為自吸式和供氣式自吸式射流曝氣器由壓力管、噴嘴、吸氣管、混合室和出水管等組成；EA = 20%；噪音小，無需鼓風(fēng)機房；一般適用于小規(guī)模污水廠。3、機械曝氣裝置又稱表面曝氣裝置 曝氣的原理：1) 水躍曝氣機轉(zhuǎn)動時，表面的混合液不斷地從周邊被拋向四周，形成水躍，液面被強烈攪動而卷入空氣；2) 提升曝氣機具有提升作用，使混合液連續(xù)地上下循環(huán)流動，不斷更新氣液接觸界面，強化氣、液接觸；3) 負(fù)壓吸氣曝氣器的轉(zhuǎn)動，使其在一定部位形成負(fù)壓區(qū)，而吸入空氣。分類：按轉(zhuǎn)動軸的安裝形式，可分為豎軸式和橫軸式兩大類。 豎軸式機械曝氣裝置：泵型葉輪曝氣器、K型葉輪曝氣器、倒傘型葉輪曝氣器和平板型葉輪曝氣器等。1) 泵型葉輪曝氣器 （圖9、圖10）由葉片、進氣孔、引氣孔、上壓罩、下壓罩和進水口等部分組成； 對于泵型葉輪曝氣器，其充氧量和軸功率可按下列經(jīng)驗公式計算： （30） 式中 R0在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下清水的充氧能力，kgO2/h； N軸葉輪軸功率，kw； V葉輪周邊線速度，m/s； D葉輪公稱直徑，m； K1池型結(jié)構(gòu)對充氧量的修正系數(shù)； K2池型結(jié)構(gòu)對軸功率的修正系數(shù)；2) K型葉輪曝氣器 （圖11）呈雙曲線形；浸沒深度為010mm；線速度為45m/s。3) 倒傘型葉輪曝氣器 （圖12）由圓錐形殼體及連接在外表面的葉片所組成；轉(zhuǎn)速在3060r/min；動力效率為22.54) 平板型葉輪曝氣器 （圖13）由葉片與平板等部件組成；葉片與平板半徑的角度在025之間；線速度一般在4.054.85之間。 橫軸式機械曝氣裝置：曝氣轉(zhuǎn)刷、曝氣轉(zhuǎn)盤等。第五節(jié) 活性污泥系統(tǒng)的工藝計算與設(shè)計一、設(shè)計基礎(chǔ)資料 進行活性污泥系統(tǒng)的工藝計算和設(shè)計時，首先應(yīng)比較充分地掌握與廢水、污泥有關(guān)的原始資料并確定設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要有：廢水的水量、水質(zhì)及其變化規(guī)律；對處理后出水的水質(zhì)要求；對處理中產(chǎn)生的污泥的處理要求；以上屬于設(shè)計所需要的原始資料；污泥負(fù)荷率與BOD5的去除率；混合液濃度與污泥回流比。以上屬于設(shè)計所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對生活污水和城市污水以及與其類似的工業(yè)廢水，已有一套成熟和完整的設(shè)計數(shù)據(jù)和規(guī)范，一般可以直接應(yīng)用；對于一些性質(zhì)與生活污水相差較大的工業(yè)廢水或城市廢水，一般需要通過試驗來確定有關(guān)的設(shè)計參數(shù)。二、工藝計算與設(shè)計的主要內(nèi)容 活性污泥系統(tǒng)由曝氣池、二次沉淀池及污泥回流設(shè)備等組成。其工藝計算與設(shè)計主要包括：1)工藝流程的選擇；2)曝氣池的計算與設(shè)計；3)曝氣系統(tǒng)的計算與設(shè)計；4)二次沉淀池的計算與設(shè)計；5)污泥回流系統(tǒng)的計算與設(shè)計。三、工藝流程的選擇 主要依據(jù)：廢水的水量、水質(zhì)及變化規(guī)律；對處理后出水的水質(zhì)要求；對處理中所產(chǎn)生的污泥的處理要求；當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢谩⒌刭|(zhì)條件、氣候條件等；當(dāng)?shù)氐氖┕に揭约疤幚韽S建成后運行管理人員的技術(shù)水平等；工期要求以及限期達標(biāo)的要求；綜合分析工藝在技術(shù)上的可行性和先進性以及經(jīng)濟上的可能性和合理性等；對于工程量大、建設(shè)費用高的工程，則應(yīng)進行多種工藝流程的比較后才能確定。四、曝氣池的計算與設(shè)計主要內(nèi)容：曝氣池容積的計算；需氧量和供氣量的計算；池體設(shè)計。1、曝氣池容積的計算： 計算方法與計算公式 常用的是有機負(fù)荷法，有關(guān)公式有：； 設(shè)計參數(shù)的選擇：在進行曝氣池容積計算時，應(yīng)在一定范圍內(nèi)合理地確定或和或值，以及