第3章 废水好氧生物处理.ppt
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1、第3章 废水好氧生物处理,绪:废水好氧生物处理原理, 好氧: 是指这类生物必须在有分子态氧气 (O2)的存在下,才能进行正常的生 理生化反应. 厌氧:是指在无分子态氧存在的条件下, 能进行正常的生理生化反应的生物, 如厌氧细菌、酵母菌等.,1. 好氧生物处理的基本生物过程,A、好氧生物处理过程的生化反应方程式,其它各类微生物细胞物质的实验分子式分别是: 细菌:C5H7NO2;真菌:C16H17NO6;藻类:C5H8NO2; 原生动物:C7H14NO3, 内源呼吸(也称细胞物质的自身氧化), 合成反应(也称合成代谢、同化作用), 分解反应(又称氧化反应、异化代谢、分解代谢),C、H、O、N、S
2、+ O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +能量,C、H、O、N + 能量 C5H7NO2,废水好氧生物处理中异养微生物的代谢途径,内源呼吸产物 + 能量 (CO2、H2O、NH3、SO42-),污水中的可 降解有机物,新细胞物质 (C5H7NO2),代谢产物 (CO2、H2O、NH3、SO42-),(1/3),分解代谢,+ 异养微生物, 能量,废水好氧生物处理中自养微生物的代谢途径,1)二者不可分,而是相互依赖的; a、 分解过程为合成提供能量和前物,而合成则 给分解提供物质基础; b、分解过程是一个产能过程,合成过程则是一 个耗能过程。 2) 对有机物的去除,二者都有重要贡
3、献; 3)合成量的大小,对于后续污泥的处理有直接影 响;,B、分解与合成的相互关系:, 结构简单、小分子、可溶性物质, 直接进入细胞壁; 结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质, 则首先被微生物吸附,随后在细胞外酶的作 用下被水解液化成小分子有机物,再进入细 胞内。,C、有机物被生物降解的历程,2. 影响好氧生物处理的主要因素,1)溶解氧: 约12mg/l; 2)水温: 1530C; 3)营养物质: BOD5 N P = 100 5 1 (好氧工艺); 其它无机营养元素:K、Mg、Ca、S、Na等; 微量元素: Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等; 4)pH值: 一般好氧微生物的最适宜pH在6
4、.58.5之间; pH 4.5时,真菌将占优势,引起污泥膨胀;,2. 影响好氧生物处理的主要因素,5)有毒物质(抑制物质) 重金属 、氰化物 、H2S、 卤族元素及其化合物; 酚、醇、醛等 6)有机负荷率: 污水中的有机物本来是微生物的食物,但太多时, 也会不利于微生物。 7)氧化还原电位: 好氧细菌: +300 400 mV, 至少要求大于+100 mV。 厌氧细菌: 要求小于+100 mV,对于严格厌氧细菌, 则 -100 mV,甚至 -300 mV。,A、生物降解性:是指在微生物的作用下,使某一物 质改变原来的化学和物理性质,在 结构上引起的变化程度。 可分为三类: 1)初级生物降解 2
5、)环境可接受的生物降解 3)完全降解,3. 废水可生化性原理及其判别,3. 废水可生化性原理及其判别,B、有机物生物降解性能的分类: 易生物降解:易于被微生物作为碳源和 能源物质而被利用; 可生物降解:能够逐步被微生物所利用; 难生物降解:降解速率很慢或根本不降解;,注意:1)“难、易”是相对的; 2)同一种化合物在不同种属微生 物的作用下,其降解情况也会 有不同。,鉴定和评价废水中有机污染物的好氧生物降解性的方法:,根据氧化所耗氧量 :水质指标法 瓦呼仪法 根据有机物的去除效果 : 静置烧瓶筛选试验 振荡培养试验法 半连续活性污泥法 活性污泥模型试验 根据CO2量:斯特姆测试法 根据微生物生
6、理生化指标 主要有:ATP测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板计数测试法等,(1)BOD5/COD比值法 BOD5/COD0.58 为完全可生物降解 BOD5/COD=0.45-0.58 生物降解性能良好 BOD5/COD=0.30-0.45 可生物降解 BOD5/COD0.30 难生物降解 该法比较简单,但精度不高,可粗略反映有机物 的降解性能。,C、废水可生化性评价方法:,C、废水可生化性评价方法:,(2)瓦呼仪法 根据有机物的生化呼吸线与内源呼吸线的比较来判断有机物的生物降解性能。,C、废水可生化性评价方法:,(3)振荡培养试验法 在烧瓶中加入接种物、营养液及受试物等,在一定温度下振荡培养
7、,在不同的反应时间内测定反应液中受试物含量,以评价受试物的生物降解性; (4)其它:斯特姆测试法、 ATP测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板 计数测试法等,废水好氧生物处理工艺(1) 活性污泥法 Activated Sludge Processes Suspended Growth Biological Treament Process,第一节 活性污泥法的基本原理,2.1.1 活性污泥法的基本概念与流程,向生活污水注入空气进行曝气,并持续一段时间以后,污水中即生成一种絮凝体。这种絮凝体主要是由大量繁殖的微生物群体所构成,它有巨大的表面积和很强的吸附性能,称为活性污泥(activated sl
8、udge)。,活性污泥,一组活性污泥图片,曝气池中的活性污泥,曝气池中的活性污泥,活性污泥法的基本流程, 供氧系统: 提供足够的溶解氧,活性污泥法的基本组成, 曝气池:反应主体, 二沉池: 1)进行泥水分离,保证出水水质; 2)保证回流污泥,维持曝气池内的污泥浓度。, 回流系统: 1)维持曝气池的污泥浓度; 2)改变回流比,改变曝气池的运行工况。, 剩余污泥排放系统: 1)是去除有机物的途径之一; 2)维持系统的稳定运行。, 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
9、有害的物质流入。,活性污泥系统有效运行的基本条件,2.1.2 活性污泥的形态与活性污泥微生物,1. 活性污泥的基本性质, 物理性能: “菌胶团”、“生物絮凝体”:,颜色:黄褐色 状态:似矾花絮绒颗粒 味道:土腥味 比重:曝气池混合液:1.002-1.003;g/cm3 回流污泥:1.004-1.006;g/cm3 粒经: 0.02-0.2 mm 比表面积: 20-100 cm2/mL,2.1.2 活性污泥的形态与活性污泥微生物,1. 活性污泥的基本性质, 生化性能: 1)活性污泥的含水率:99.299.8%; 2)固体物质的组成: 活细胞(Ma); 微生物内源代谢的残留物(Me); 吸附的原废
10、水中难于生物降解的有机物(Mi); 无机物质(Mii).,2、活性污泥中的微生物, 细菌:是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(P98); 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。,活性污泥中微生物食物链,活性污泥中原生动物及指示作用,3.活性污泥微生物的增殖与活性污泥的增长,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。,污泥增长的一般过程:,微生物的增殖曲线,注意:1)间歇静态培养;2)底物是
11、一次投加,对数增殖,减速增殖,内源呼吸,氧利用速率曲线,微生物增殖曲线(M),BOD变化曲线(F),适应期,增长曲线的四个阶段,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。,活性污泥增殖规律的应用, 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
12、,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。,2.1.3 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; 活性污泥的凝聚、沉淀与浓缩。,初期较短时间(1030min)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染物,使废水的BOD5值(或COD值)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。,第二节 活性污泥净化反应影响因 素与主要设计运行参数,
13、2.2.1 活性污泥净化反应影响因素,1)营养物质(nutrients): BOD5 N P = 100 5 1 ; 2)溶解氧(dissolved oxygen, DO) :约12mg/l; 3)pH值: 6.5 8.5 ; 4)水温(temperature): 1530C; 5)有毒物质(toxic materials):重金属离子等;,2.2.2 活性污泥处理系统的控制指标 与设计、运行操作参数,1. 表示及控制混合液中微生物量的指标 混合液悬浮固体浓度(MLSS) (Mixed Liquor Suspended Solids): 曝气池单位容积混合液内所含有的污泥固体物的总重量。单位:
14、mg/l ; g/m3 MLSS = Ma + Me + Mi + Mii 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24g/L。, 混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS) (Mixed Volatile Liquor Suspended Solids): 指混合液悬浮固体中的有机物的重量, 单位:mg/L、g/L或kg/m3。 MLVSS = Ma + Me + Mi; 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0.750.85, 污泥沉降比(SV)(Sludge Volume
15、) 是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2030%。 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。,2. 活性污泥的沉降性能及其评定指标,污泥沉降比(SV)的测定, 污泥体积指数(SVI) (Sludge Volume Index) 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(活性)和凝聚、沉降性能。 其值过低,说明泥粒小,密实,无机成分多; 其值过高,说明其沉降性能不好,将要或已经发生膨胀现象
16、(sludge bulking); 一般认为,处理生活污水时SVI200时,沉降性能不好。 城市污水的SVI一般为50150 ml/g.,3. 污泥龄(ts或c)和水力停留时间(t),污泥龄(sludge age)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。,正常情况下Xe很小, 可忽略,所以: Xr(max)=106/SVI,活性污泥法各符号的意义,3. 污泥龄(ts或c)和水力停留时间(t),水力停留时间(HRT) (hydraulic retention time, HRT) 是指水在处理系统中的停留时间,单位也是d。 HRTV/Q V是曝气池的体积; Q是废水的流量。,4.
17、 BOD-污泥负荷与BOD-容积负荷,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(food to biomass, 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。,4. BOD-污泥负荷与BOD-容积负荷,污泥负荷(sludge loading rate, NS) 即单位重量活性污泥在单位时间内所承受的BOD5量,单位为kgBOD5 /(kgMLSSd)。 容积负荷(volumetric loading rate, NV)是曝气池单位有效容积在单位时间内所承受的BOD5量,单位为kgBOD5/(m3d)。,有机负荷的计算公式:,式中:
18、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,kgMLSS/m3 。,为了表示有机物的去除情况,也采用去除负荷Nr,即单位重量活性污泥在单位时间所去除的有机物重量。,Nr去除负荷; Se出水BOD浓度。,污泥负荷对处理效果的影响:,污泥负荷是影响有机污染物降解、活性污泥增长的重要因素。 是活性污泥处理系统设计运行最基本参数之一。 污泥负荷较高,将加快有机污染物的降解速度与活性污泥增长的速度,降低曝气池容积,经济上比较适宜,但处理水质未必能达到预定的要求。 实践表明,在一定的活性污泥法系统中,污泥的SVI值与污泥负荷之间有复杂的变化关
19、系。,BOD负荷及水温对污泥SVI的影响(P108),低SVI负荷区2,高SVI负荷区2,高SVI负荷区1,低SVI负荷区1,低SVI负荷区3,SVI与污泥负荷曲线是具有多峰的波形曲线,有三个低SVI的负荷区和两个高SVI的负荷区。 如果在运行时负荷波动进入高SVI负荷区(0.5-1.5 0kgBOD /kgMLSSd ),污泥沉降性差,将会出现污泥膨胀。 高负荷:1.5-2.0kgBOD /kgMLSSd, 中负荷:0.2-0.4kg BOD/kgMLSSd, 低负荷:0.030.05kgBOD/kgMLSSd,思考题 能否通过增加污泥浓度,减少构筑物的体积,节省投资?,活性污泥微生物增殖是
20、微生物增殖和自身氧化(内源呼吸)两项作用的综合结果,所以,微生物的净增殖速率为:,5.有机物降解与微生物增殖:,式中: X=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每KgVSS每日自身氧化的数,即自身氧化系数(d-1);,式中: 活性污泥微生物的净增殖速(kgVSS/d),活性污泥微生物的合成速率;,活性污泥微生物自身氧化速率;,因此,活性污泥微生物增殖的基本方程式:,积分
21、后,得出活性污泥微生物在曝气池内每日得 净增长量为:,式中: X = 每日增长(排放)的挥发性污泥量 (VSS),kg/d; QSr 每日的有机污染物降解量(Kg/d); VXV 混合液中挥发性悬浮固体总量Kg, Y、Kd的经验值: (1)对于生活污水活与之性质相近的工业废水; Y=0.5-0.65 Kd=0.05-0.1 (2)城市污水:Y=0.4-0.5 Kd=0.07左右 (3)几种工业废水的值:通过实际测定确定。, Y、Kd值应根据试验或运行所取得的数据按下式 以图解法(P112)确定:,c=VX/X,Nrs=Q(S0Se)/VX,污泥龄与污泥去除负荷成反比关系,6.有机物降解与需氧:
22、, 微生物的代谢需要氧: (1)需要将一部分有机物氧化分解; (2)也需要对自身细胞的一部分物质进行自身氧化。 需氧量计算:,式中 : O2曝气池混合液的需氧量,kgO2/d; a代谢每kgBOD5所需的氧量,kgO2/kgBOD5d ; b每kgVSS每天进行自身氧化所需的氧量, kgO2/kgVSS d;,a、b 值的确定:,a、b可以通过一组试验结果作图求得(P113图410)。 a值:对生活污水为 0.40.53。 b值:介于0.11 0.188之间。 试验法:,例 3.1 某污水处理厂,设计流量Q=500000m3,原废 水的BOD5浓度为240mg/l,初沉池对BOD5的去除率为2
23、5%,处理工艺为活性污泥法,要求处理出水的BOD5为15mg/l,曝气池容积V=150000m3,曝气池中MLSS浓度为3000mg/l,VSS/SS=0.75,回流污泥中的MLSS浓度为10000mg/l。有关参数: a=0.5KgO2/KgBOD5 ,b=0.1KgO2/KgVss.d; a=0.6KgVss/KgBOD5 ,b=0.08d-1; 试求: (1)曝气池的水力停留时间; (2)曝气池的F/M值、容积去除负荷及污泥去除负荷; (3)剩余污泥的产量及体积; (4)污泥龄; (5)所需要的氧量;,解:(1)曝气池的水力停留时间,(2)曝气池的F/M值、容积去除负荷及污泥去除负荷;,
24、(3)剩余污泥的产量及体积;,(4)污泥龄;,(5)所需要的氧量;, 基本概念 1.动力学:研究反应速度和各种关系的学说. 2.生化反应动力学:研究污水生物处理中有机物降解 速度和微生物增长速率的动力学模式. 3.反应速度: 单位时间里底物的减少量,最终产物的增加量. 4.生化反应速度:底物(S) - 细胞(X)+ 残留物(P). 以底物浓度的减少率或细胞的增加率表示反应速度。 5.反应级数:,第三节 活性污泥反应动力学基础,第三节 活性污泥反应动力学基础, 活性污泥法反应动力学: A、作用:可定量或半定量地揭示系统内有机物降解 污泥增长、耗氧等作用与各项设计、运行 参数以及环境因素之间的关系
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