第十七章活性污泥法

第十七章活性污泥法 17. 1 基本概念 17. 2 活性污泥法处理系统 17．3 活性污泥法主要设计参数 17．4 活性污泥反应动力学基础 17．5活性污泥处理系统的运行方式 17. 6 曝气的基本理论 17. 7 活性污泥处理系统的工艺设计 17.8 活性污泥处理系统的运行管理思考题与习题

17. 1 基本概念 17.1.1 活性污泥及其组成 17.1.2 评价活性污泥性能的指标 17.1.3 活性污泥净化反应过程 17.1.4 活性污泥的增殖规律

17.1.1 活性污泥及其组成 1．活性污泥的形态 1）外观形态：活性污泥（生物絮凝体）为黄褐色絮凝体颗粒： 2）特点： (1)颗粒大小：Φ=0.02～0.2 mm (2)表面积：20～100 cm2/mL (3)(2000～10000)m2/m3污泥 (4) 图 17-1 活性污泥形状图

2．活性污泥组成 活性污泥M =Ma + Me + Mi + Mii 1） Ma—具有代谢功能的活性微生物群体好氧细菌（异养型原核细菌）真菌、放线菌、酵母菌原生动物后生动物 2） Me—微生物自身氧化的残留物 3） Mi—活性污泥吸附的污水中不能降解的惰性有机物有机物（75～85%） 4） Mii—活性污泥吸附污水中的无机物无机物（由原污水带入的）（15～25%）挥发性活性污泥 M v + X v= Ma + Me + Mi

3．活性污泥微生物的分类（Ma） 1）细菌：（1）异养型原核细菌（107～108个/mL）动胶杆菌属假单胞菌属（在含糖类、烃类污水中占优势）产碱杆菌属（在含蛋白质多的污水中占优势）黄杆菌属大肠埃希式杆菌（2）特征：G=20～30min，结合成菌胶团的絮凝体状团粒 2）真菌：微小的腐生或寄生丝状菌 3）原生动物：肉是虫鞭毛虫，纤毛虫等。通过辨认原生物的种类，能够判断处理水质的优劣，它是一种指示性生物。原生物摄食水中的游离细菌，是细菌的首次捕食者。 4）后生动物：主要是轮虫，它在活性污泥中的不经常出现，轮虫的出现是水性稳定的标志。后生动物是细菌的第二捕食者。

17.1.2 评价活性污泥性能的指标 1．絮凝体的形成与凝聚沉淀主要取决于NS（BOD—污泥负荷率） 2．污泥沉降比SV：又称30min沉降率，指混合液在100ml量筒内静置30min后所形成的沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率。城市污水：SV取15%--30% 3．衡量活性污泥沉淀性能好坏的指标——SVI（污泥指数）（1）SVI=70～100 其活性污泥凝聚沉淀性能很好 SVI值过低，活性污泥颗粒细小，无机物含量高，缺乏活性。 SVI值过高，沉淀性能不好，可能产生污泥膨胀。（2）影响SVI值的主要因素 1）NS 的影响：见图17-2 2）丝状菌的大量繁殖，引起污泥膨胀，SVI值↑ 影响丝状菌大量繁殖的因素： • DO不足 • NS大 • PH≤4.5 •缺乏N、P、Fe 3）T水太高

17.1.3 活性污泥净化反应过程 1．初期吸附去除（物理吸附和生物吸附） ●活性污泥巨大的表面积（2000～10000m2/m3活性污泥）其表面为多糖类的粘质层，污水中悬浮和胶体状态的有机物被其凝聚和吸收而得到去除。在30min 内能去除70% BOD。 ●一般处于饥饿状态的内源呼吸期的微生物其活性最强，吸附能力也强 ●初期吸附去除的过程 2．微生物的代谢

1〉氧化分解 （17－1） 2〉合成代谢（合成新细胞）（17－2） 3〉内源代谢

17.1.4 活性污泥的增殖规律 1．适应期（延迟期或调整期）：是微生物的细胞内各种酶系统对环境的适应过程 2．对数增殖期（等速增殖期）活性污泥能量水平很高，活性污泥处于松散状态 3．减速增殖期（减速增长期、私定期、平衡期）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。

4．内源呼吸期（衰亡期） 营养物缺乏，为了获得能量维持生命，分解代谢自身的能量物质，开始衰亡。同时内酶分解细胞壁，使污泥量减少。后来有机物几乎被耗尽，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。

17. 2 活性污泥法处理系统 17.2.1 活性污泥法的基本流程 17.2.2 活性污泥反应动力学 17.2.3 几个重要的参数 17.2.4 活性污泥净化反应影响因素

17.2.1 活性污泥法的基本流程 1．产生：从间歇式发展到连续式 2．基本工艺流程：图 17-4 活性污泥法基本流程图

3．活性污泥法特征 1）曝气池是一个生物化学反应器 2）曝气池内混合是一个三相混合系统：液相—固相—气相；混合=污水+活性污泥+空气 3）传质过程：气象中 O2→液相中的溶解氧DO→进入微生物体内（固相）液相中的有机物→被微生物（固相）所吸收降解 →降解产物返回空气相（CO2）和液相（H2O） 4）物质转化过程：有机物降解→活性污泥增长

17.2.2 活性污泥反应动力学 曝气池内，在活性污泥微生物的代谢作用下，污水中的有机物得到降解去除，同时活性污泥得到增长。 1.活性污泥微生物在曝气池内每日净增殖量ΔX（kg/d）是微生物合成反应和内源代谢的综合结果，即（17-3）式中：a——污泥产率（污泥转换率） Sr——污水中被降解、去除的有机污染物量（BOD），kg/d X——曝气池混合液含有的活性污泥量，kg/d b——自身氧化率（衰减系数），d－1

2．曝气池内活性污泥微生物的净增殖量ΔX（kg/d）2．曝气池内活性污泥微生物的净增殖量ΔX（kg/d） 1）单位曝气池容积内活性污泥的净增殖速度：（17-4）净增殖速度合成速度内源代谢速而（17-5） Y ——污泥产率系数：MLVSS kg数/1kgBOD 对于生活污水：Y＝0.5～0.65

而式中：Kd——微生物自身氧化率（衰减系数），d-1 对于生活污水：Kd＝0.05～0.1 Xv——MLVSS 2）活性污泥微生物净增殖的基本方程式：

3）在曝气池中MLVSS的净增殖量ΔXv 式中：（17-6）将（17-6）式各项除以VXv得（17-7）

3．Nrs——BOD－污泥去除负荷率[kg BOD 5/kgMLSS•d] 则（17-7）式可写为：而（17-8）

（17-8）式分析 Nrv——BOD－污泥容积去除负荷率[kg BOD 5/kgMLSS•d] a、b一般在工程设计与运行中应用，并以MLSS为基准考虑 Y、Kd一般在科研和学术探讨上应用，且以MLVSS为计算基准

17.2.3 几个重要的参数 1．vmax 有机底物的最大比降解速度，t-1 2．Ks 饱和常数，为当μ=1/2·μmax时的底物浓度，也称之为半速度常数，质量/容积 3．Y 产率系数，即微生物每代谢1kgBOD所合成的 MLVSS kg数 4．Kd 活性污泥微生物的自身氧化率，d-1，亦称为衰减系数； 5．a´ 活性污泥微生物对有机污染物氧化分解过程的需氧率，即活性污泥微生物每项代谢1kg BOD 所需要的氧量，以kg计； 6．b´ 活性污泥微生物代谢活动被降解的有机污染物量，以BOD值计

17.2.4 活性污泥净化反应影响因素 营养物质：碳源、氮源、无机盐类、某些生长素 1）碳源：组成生物细胞的主要物质，对碳源的需求量较大，一般BOD5≥100mg/L 2）氮源：组成细胞的重要元素，其需要按BOD：N=100：5考虑 3）盐类：必不可少（1）主要的无机盐类 P：按BOD5:N:P=100:5:1考虑，它是微生物需要量最多的无机元素，约占全部无机盐元素的50% 还有K、Ca、F e 、S无机元素（2）微量无机元素对于生活污水，BOD5:N:P的比值为100:5:1，但经沉淀池处理后，其BOD5:N:P=100:20:25

2．BOD——污泥负荷NS Ns～SVI的关系（图 17-1） 3．DO——溶解氧 1）曝气池在稳定运行时，微生物的耗氧速率（Rr 需氧速率）＝曝气器的供氧速率时，其池中的溶解氧DO不变。 2）曝气池中DO浓度大小将取决于：（1）生物絮体的大小：要求生物絮体大，则要求DO浓度高， DO才能扩散转移到生物絮体内部,反之则不能。对此要求 DO浓度为2mg/L左右为好。

（2）考虑冲击负荷与中毒的影响，以便于操作以了解供氧量的变化（2）考虑冲击负荷与中毒的影响，以便于操作以了解供氧量的变化 DO突然↓ 冲击负荷 DO突然↑ 急性中毒慢性中毒 DO逐渐增加 4．水温：15～35℃之间 20～30℃，效果好，活动旺盛，＜15℃，＞35℃，效果↓，活动弱，＜5℃，＞45℃，效果很差， 5．pH值最佳的pH值为6.5～8.5 当pH＜6.5，丝状菌繁殖，pH＜4.5，丝状菌占优势当pH＞9.0，代谢速率↓ 6．有毒物质主要是重金属，H2S、CN－、酚等，当超过一定浓度时，就破坏细胞结构，抑制代谢。

17．3 活性污泥法主要设计参数 17.3.1 表示混合液中活性污泥数量的指标（曝气池） 17.3.2 表示活性污泥的沉降性能及评定指标（二沉池）

17.3.1 表示混合液中活性污泥数量的指标（曝气池） 1. MLSS浓度——混合液悬浮固体浓度〈混合液污泥浓度〉： mg/L混合液；g/L混合液；g/m3混合液； kg/m3混合液 MLSS＝M=X=Ma + Me + Mi + Mii 2. MLVSS浓度——混合液挥发性悬浮固体浓度 MLVSS＝MV=XV=Ma + Me + Mi

17.3.2 表示活性污泥的沉降性能及评定指标（二沉池） 1.SV——污泥沉降比，又叫30min污泥沉降率 SV反应了曝气池正常运行的污泥量，可用于控制剩余污泥排放量，同时通过它能及早发现污泥膨胀等异常现象的发生。 2. SVI——污泥容积指数（污泥指数）曝气池出口处的混合液经30min静沉后，每g干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积—mL/g

SVI在习惯上只称数字，而把单位略去 SVI值能够反映活性污泥的凝聚、沉降性能要维持曝气池一定的MLSS（如3000mg/L）的情况下，SVI值越高，则要求的污泥回流比R就越大，但当SVI值高达400mL/g时，则难于用提高R来维持曝气池一定的MLSS浓度。 3.θC——污泥龄（生物固体平均停留时间）系统中每日增长的活性污泥量应等于每日排出的剩余污泥量（ΔX）（17－9） θC的定义式（17－10）活性污泥在曝气池内的平均停留时间——生物固体平均停留时间。将△X（17-9）式代入（17-10）式：

（17-11） （17-12） (17-13) Xr是活性污泥特性和二沉池沉淀效果的函数。 (17-14)

4. 曝气池中有机污染物与活性污泥微生物比值的指标：（17-15）式中：S0——原污水中有机污染物的浓度（BOD），mg/L X——混合液悬浮固体（MLSS）浓度，mg/L V——曝气池容积，m3 （17-16）（17-17） Ns=f(SVI) 见图17-2

17．4 活性污泥反应动力学基础 17.4.1 概述 17.4.2 莫诺方程式 17.4.3 劳伦斯——麦卡蒂方程式

17.4.1 概述 、其值不同，就会导致、的变化 ∵ ∴动力学是研究讨论下列函数关系：

17.4.2 莫诺方程式 1. Monod（莫诺）公式的由来与演变

1）米－门公式：（1913年） 纯酶→单一基质酶促反应中基质比降解速率

2） Monod公式（1942年） 纯菌种→单一基质微生物的比增长速率 3） Monod公式（1950年）微生物的比增长速率异养微生物群体→单一基质（17-18）

∵ ∴ （17-19） ∴ （17-20）

4） Lawrence公式：（1960～1970年） 异养微生物群体（活性污泥）→污水中混合有机物证实有机物降解速率也符合Monod公式 2．Monod公式的推论 1）当混合液中S＞＞KS则（17-20）式中KS可忽略不计——高有机物浓度将（17-22）积分： (17-23) (17-24)

2）当混合液中S在S´～S´´之间——中等有机物浓度 3）一相说与二相说一相说——Monod公式二相说——Eckenfelder二相说——非连续函数

3．Monod公式的应用与参数的确定

S＝Se＜＜S´´并为定值且处于减速生长期，属一级反应： S＝Se＜＜S´´并为定值且处于减速生长期，属一级反应：适合于（17-25）在稳定条件下，对有机物进行物料平衡：＝ + （17-26）进入曝气池流出曝气池在曝气池降解的（17-27）

（17-28） 当以Se代替莫诺方程式（17-22）式中的S得出：（17-29）并在等式两边同时除以X得出：

（17-30） （17-31） (17-32) 由（17-30）式可知：

（17-33） （17-34） 4．K2、Vmax、KS的求定 1） K2的求定（图17-8）（17-32）

2） Vmax、KS的求定（图17-9）

将（17-30）式取倒数得： = + （17-35）为纵坐标斜率为横坐标截距 5．对推流式曝气池的分析 1）分析与问题的提出 Qw＜＜Q，Xe≈0

2）完全混合式、推流式二者水力停留时间的比较给水工程（第四版）：P249 表14－3，（17-36）（17-37）（17-38）

则 CFSTR—— Continuous—Flow Stirred Tank Rector PF——Plug－Flow

17.4.3 劳伦斯——麦卡蒂方程式 1．概述 1）单位微生物量的底物利用率q （17-39）以θC、q作为基本参数，并以第一、二两个基本方程式表达。 2）劳－麦第一基本方程式（17-40）

3）劳－麦第一基本方程式：由V＝q推出 有机物的降解速度等于其被微生物的利用速度。（17-41）有机底物的利用速率（降解速率）与曝气池内微生物浓度 Xa及有机底物浓度S之间的关系。 2．劳－麦方程式的推论与应用 1）处理水有机底物浓度Se计算（17-42） Y——微生物产率：mg微生物量/mg有机物量 Ks——半速度系数

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