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第四章 污水的好氧生物处理 —— 活性污泥法

第四章 污水的好氧生物处理 —— 活性污泥法. 第八节 活性污泥法的发展和演变. 第九节 活性污泥法的设计计算. 第十节 二次沉淀池. 第十一节 活性污泥法系统设计和 运行中的一些重要问题. 第八节 活性污泥法的发展和演变. 活性污泥法的多种运行方式. 有机物去除和氨氮硝化. 传统活性污泥法 渐 减 曝 气 分 步 曝 气 完全混合法 浅 层 曝 气 深 层 曝 气 高负荷曝气或变形曝气 克 劳 斯 法 延 时 曝 气 接触稳定法 氧 化 沟 纯 氧 曝 气 活性污泥生物滤池（ ABF 工艺）

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第四章 污水的好氧生物处理 —— 活性污泥法

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  1. 第四章 污水的好氧生物处理——活性污泥法 第八节 活性污泥法的发展和演变 第九节 活性污泥法的设计计算 第十节 二次沉淀池 第十一节 活性污泥法系统设计和 运行中的一些重要问题

  2. 第八节 活性污泥法的发展和演变

  3. 活性污泥法的多种运行方式 有机物去除和氨氮硝化 • 传统活性污泥法 • 渐 减 曝 气 • 分 步 曝 气 • 完全混合法 • 浅 层 曝 气 • 深 层 曝 气 • 高负荷曝气或变形曝气 • 克 劳 斯 法 • 延 时 曝 气 • 接触稳定法 • 氧 化 沟 • 纯 氧 曝 气 • 活性污泥生物滤池（ABF工艺） • 吸附－生物降解工艺（AB法） • 序批式活性污泥法（SBR法）

  4. 渐 减 曝 气 • 在推流式的传统曝气池中，混合液的需氧量在长度方向是逐步下降的。 • 实际情况是：前半段氧远远不够，后半段供氧量超过需要。 • 渐减曝气的目的就是合理地布置扩散器，使布气沿程变化，而总的空气量不变，这样可以提高处理效率。

  5. 渐 减 曝 气

  6. 分布曝气示意图 分 步 曝 气 • 把入流的一部分从池端引入到池的中部分点进水。

  7. 完 全 混 合 法 完全混合的概念 在分步曝气的基础上，进一步大大增加进水点，同时相应增加回流污泥并使其在曝气池中迅速混合，长条形池子中也能做到完全混合状态。

  8. 完 全 混 合 法 完全混合法的特征 （1）池液中各个部分的微生物种类和数量基本相同，生活环境也基本相同。 （2）入流出现冲击负荷时，池液的组成变化也较小，因为骤然增加的负荷可为全池混合液所分担，而不是像推流中仅仅由部分回流污泥来承担。完全混合池从某种意义上来讲，是一个大的缓冲器和均和池，在工业污水的处理中有一定优点。 （3）池液里各个部分的需氧量比较均匀。

  9. 浅 层 曝 气 1953年派斯维尔（Pasveer）的研究：氧在10℃静止水中的传递特征，如下图所示。 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。

  10. 浅 层 曝 气 • 扩散器的深度以在水面以下0.6～0.8m范围为宜，可以节省动力费用，动力效率可达1.8～2.6kg（O2） /kW·h。 • 可以用一般的离心鼓风机。 • 浅层曝气与一般曝气相比，空气量增大，但风压仅为一般曝气的1/4~1/6左右，约10kPa，故电耗略有下降。 • 曝气池水深一般3～4m，深宽比1.0～1.3，气量比30～40m3/（m3 H2O.h）。 • 浅层池适用于中小型规模的污水厂。 • 由于布气系统进行维修上的困难，没有得到推广利用。

  11. 深 层 曝 气 深井曝气法处理流程 深井曝气池简图

  12. 深 层 曝 气 • 一般曝气池直径约1~6m，水深约10～20m。深井曝气法深度为50～150m，节省了用地面积。 • 在深井中可利用空气作为动力，促使液流循环。 • 深井曝气法中，活性污泥经受压力变化较大，实践表明这时微生物的活性和代谢能力并无异常变化，但合成和能量分配有一定的变化。 • 深井曝气池内，气液紊流大，液膜更新快，促使KLa值增大，同时气液接触时间延长，溶解氧的饱和度也由深度的增加而增加。 • 当井壁腐蚀或受损时，污水可能会通过井壁渗透，污染地下水。

  13. 高负荷曝气或变形曝气 部分污水厂只需要部分处理，因此产生了高负荷曝气法。 曝气池中的MLSS约为300～500mg/L，曝气时间比较短，约为2～3h，处理效率仅约65％左右，有别于传统的活性污泥法，故常称变形曝气。

  14. 克 劳 斯 法 • 克劳斯工程师把厌氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝气，然后再进入曝气池，克服了高碳水化合物的污泥膨胀问题，这个方法称为克劳斯法。 • 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。

  15. 延 时 曝 气 • 延时曝气的特点： • 曝气时间很长，达24h甚至更长，MLSS较高，达到3000～6000mg/L； • 活性污泥在时间和空间上部分处于内源呼吸状态，剩余污泥少而稳定，无需消化，可直接排放； • 适用于污水量很小的场合，近年来，国内小型污水处理系统多有使用。

  16. 接 触 稳 定 法 混合液曝气过程中第一阶段BOD5的下降是由于吸附作用造成的，对于溶解的有机物，吸附作用不大或没有，因此，把这种方法称为接触稳定法，也叫吸附再生法。混合液的曝气完成了吸附作用，回流污泥的曝气完成稳定作用。

  17. 接 触 稳 定 法 • 直接用于原污水的处理比用于初沉池的出流处理效果好；可省去初沉池；此方法剩余污泥量增加。

  18. 氧 化 沟 • 氧化沟是延时曝气法的一种特殊形式，它的池体狭长，池深较浅，在沟槽中设有表面曝气装置。 • 曝气装置的转动，推动沟内液体迅速流动，具有曝气和搅拌两个作用，沟中混合液流速约为0.3～0.6m/s，使活性污泥呈悬浮状态。

  19. 纯 氧 曝 气 纯氧代替空气，可以提高生物处理的速度。纯氧曝气池的构造见右图。 在密闭的容器中，溶解氧的饱和度可提高，氧溶解的推动力也随着提高，氧传递速率增加了，因而处理效果好，污泥的沉淀性也好。纯氧曝气并没有改变活性污泥或微生物的性质，但使微生物充分发挥了作用。 纯氧曝气的缺点是纯氧发生器容易出现故障，装置复杂，运转管理较麻烦。

  20. 活性污泥生物滤池（ABF工艺） 上图为ABF的流程，在通常的活性污泥过程之前设置一个塔式滤池，它同曝气池可以是串联或并联的。

  21. 活性污泥生物滤池（ABF工艺） • 塔式滤池滤料表面附着很多的活性污泥，因此滤料的材质和构造不同于一般生物滤池。 • 滤池也可以看作采用表面曝气特殊形式的曝气池，塔是一外置的强烈充氧器。因而ABF可以认为是一种复合式活性污泥法。

  22. 吸附－生物降解工艺（AB法）

  23. 吸附－生物降解工艺（AB法） • A级以高负荷或超高负荷运行，B级以低负荷运行，A级曝气池停留时间短，30～60min，B级停留时间2～4h。 • 该系统不设初沉池，A级曝气池是一个开放性的生物系统。A、B两级各自有独立的污泥回流系统，两级的污泥互不相混。 • 处理效果稳定，具有抗冲击负荷和pH变化的能力。该工艺还可以根据经济实力进行分期建设。

  24. 序批式活性污泥法（SBR法） SBR工艺的基本运行模式由进水、反应、沉淀、出水和闲置五个基本过程组成，从污水流入到闲置结束构成一个周期，在每个周期里上述过程都是在一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行的。

  25. 序批式活性污泥法（SBR法） SBR工艺与连续流活性污泥工艺相比的优点 (1)工艺系统组成简单，不设二沉池，曝气池兼具二沉池的功能，无污泥回流设备； (2)耐冲击负荷，在一般情况下（包括工业污水处理）无需设置调节池； (3)反应推动力大,易于得到优于连续流系统的出水水质; (4)运行操作灵活，通过适当调节各单元操作的状态可达到脱氮除磷的效果； (5)污泥沉淀性能好,SVI值较低,能有效地防止丝状菌膨胀; (6)该工艺的各操作阶段及各项运行指标可通过计算机加以控制，便于自控运行，易于维护管理。

  26. 序批式活性污泥法（SBR法） SBR工艺的缺点 (1)容积利用率低； (2)水头损失大； (3)出水不连续； (4)峰值需氧量高； (5)设备利用率低； (6)运行控制复杂； (7)不适用于大水量。

  27. 第九节 活性污泥法的设计计算

  28. 活性污泥系统工艺设计 应把整个系统作为整体来考虑，包括曝气池、二沉池、曝气设备、回流设备等，甚至包括剩余污泥的处理处置。 主要设计内容： （1） 工艺流程选择； （2） 曝气池容积和构筑物尺寸的确定； （3）二沉池澄清区、污泥区的工艺设计； （4） 供氧系统设计； （5）污泥回流设备设计。 主要依据：水质水量资料 生活污水或生活污水为主的城市污水：成熟设计经验 工业废水：试验研究设计参数

  29. 工艺流程的选择 流程选择是活性污泥设计中的首要问题，关系到日后运转的稳定可靠以及经济和环境效益，必须在详尽调查的基础上进行技术、经济比较，以得到先进合理的流程。 需要调查研究和收集的基础资料： 1. 污水的水量水质资料 水量关系到处理规模，多种方法分析计算，注意收集率和地下水渗入量； 水质决定选用的处理流程和处理程度。 2. 接纳污水的对象资料 3. 气象水文资料 4. 污水处理厂厂址资料 厂址地形资料；厂址地质资料。 5. 剩余污泥的出路调研

  30. 有机物负荷率法 劳伦斯（Lawronce）和麦卡蒂(McCarty)法 麦金尼(McKinney)法 曝气池的计算：纯经验方法

  31. 活性污泥负荷率NS（简称污泥负荷） 曝气区容积负荷率NV（简称容积负荷） 有机物负荷率的两种表示方法

  32. 经验水力停留时间：t 根据某种工艺的经验停留时间和经验去除率，确定曝气池的水力停留时间。 例如：流量200m3/h，曝气池进水BOD浓150mg/L, 出水要求为15mg/L，采用多点进水，求曝气池容积。 多点进水经验去除率：85%~90％ 经验停留时间：3~5h 取停留时间为4.5h，则曝气池容积： V＝200×4.5m3=900m3

  33. 污泥负荷率 污泥负荷率是指单位质量活性污泥在单位时间内所能承受的BOD5量，即: 式中：Ns——污泥负荷率,kg BOD5/（kgMLVSS·d）; qv——与曝气时间相当的平均进水流量，m3/d； ρs0——曝气池进水的平均BOD5值，mg/L； ρs——曝气池中的污泥浓度，mg/L。

  34. 容积负荷率 容积负荷是指单位容积曝气区在单位时间内所能承受的BOD5量，即： 式中：Nv——容积负荷率，kg (BOD5)/(m3·d)。

  35. 根据上面任何一式可计算曝气池的体积，即: ρs0和qv是已知的，ρx和N可参考教材中表14－5选择。对于某些工业污水，要通过试验来确定ρx和N值。污泥负荷率法应用方便，但需要一定的经验。

  36. 劳伦斯和麦卡蒂法 1.曝气池中基质去除速率和微生物浓度的关系方程 式中：dρs/dt——基质去除率，即单位时间内单位体积去除的基质量，mg(BOD5)/(L·h)； K——最大的单位微生物基质去除速率，即在单位时间内，单位微生物量去除的基质，mg(BOD5)/(mgVSS·h)； ρs——微生物周围的基质浓度，mg(BOD5)/L； Ks——饱和常数，其值等于基质去除速率的1/2K时的基质浓度，mg/L； ρx——微生物的浓度，mg/L。

  37. 当ρ>Ks时，该方程可简化为 当ρ<Ks时，该方程可简化为 当曝气池出水要求高时，常处于ρ<Ks状态

  38. 劳伦斯和麦卡蒂法 2.微生物的增长和基质的去除关系式 式中：y——合成系数，mg(VSS)/mg(BOD5)； Kd——内源代谢系数，h-1 。

  39. 上式表明曝气池中的微生物的变化是由合成和内源代谢两方面综合形成的。不同的运行方式和不同的水质，y和Kd值是不同的。活性污泥法典型的系数值可参见下表：

  40. 也 可 以 表 达 为 这里的yobs实质是扣除了内源代谢后的净合成系数，称为表观合成系数。y为理论合成系数。

  41. 劳伦斯和麦卡蒂法 3.完全混合曝气池的计算模式 (1)曝气池体积的计算

  42. qv——进水流量； Qvw——排除的剩余活性污泥流量； qvr——污泥回流量； ρx ——曝气池中的微生物浓度； ρxe——出流水中带走的微生物浓度； ρxr——回流污泥中的微生物浓度； ρs0——进水基质浓缩； ρs——出流基质浓度； V——曝气池体积。

  43. 微生物平均停留时间，又称污泥龄，是指反应系统内的微生物全部更新一次所用的时间，在工程上，就是指反应系统内微生物总量与每日排出的剩余微生物量的比值。以θC表示，单位为d。

  44. 对上图所示系统进行微生物量的物料平衡计算：

  45. 污水中的ρx0很小,可以忽略不计,因而ρx0=0,在稳定状态下dρx/dt=0且 整理后即得

  46. 劳伦斯和麦卡蒂法 3.完全混合曝气池的计算模式 (2)排出的剩余活性污泥量计算

  47. 根据yobs以及上面的物料平衡式可推得： 则剩余活性污泥量Px（以挥发性悬浮固体表示的剩余活性污泥量）为：

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