第3篇生物处理理论与技术 13污水的生物处理—活性污泥法 一.教学内容及学时分配(4学时) 4.1活性污泥法的基本原理4.2性污泥法的净化机理、净化过程与影响因素 4.3活性污泥反应动力学 二。数学目的及要求： 掌握活性污泥法的基本流程和基本概念，活性污泥的组成、特征及评价指标，活性 污泥法的净化机理、净化过程与彭响因素，活性污泥法反应动力学原理及其应用 13.1活性污泥法的理论基础 13.1.1概念与工艺流程 ·活性污泥 活性污泥：以具有活性的微生物为主要构成的絮状悬浮物，易于沉淀分离，并使污 水得到澄清。 活性：有吸附、分解有机物的能力：此外，还具有凝集、沉降性能。 ·活性污泥法 是以活性污泥为主体的生物处理方法。 是利用人工培养和驯化的微生物群体去分解氧化污水中可生物降解的有机物，通过 生物化学反应，改变这些有机物的性质，再把它们从污水中分离出来，从而使污水得到 净化的方法。 1914年在英国曼彻期特建成试验厂以来，已有近百年历史。 ·活性污泥法工艺流程 空气 进水 Q,Xo,So 曝气池 Q沉淀0，Xe,Se-出水 X,Se 污泥回流 RQ,Xr,Se 余污泥
13.1.2活性污泥的特点与活性污泥微生物 (1)活性污泥的特点与组成 ①特点 外观呈黄褐色的絮绒颗粒状（称生物絮体）： 质轻，比重因含水率不同介于1.002~1.006之间： 含水率高，>99%： 比表面积大，每mL活性污泥表面积20~10m2,具有较强吸附性能： 粒径较小，粒径0.02-0.2mm之间 ②组成 含周率：<1% 有机：城市污水75一80%，微生物群体（主）、污水中有机颗粒 无机：城市污水15一25% M-M.+M.+M+Mn M—活性微生物群体： M。—微生物自身氧化残留物（衰老、死亡微生物残体）： M,一原污水挟入的不能为微生物降解的惰性有机物质（难降解有机物颗粒）： M 一原污水挟入的无机颗粒。 13.1.3活性污泥微生物及其在活性污泥反应中的作用 污水在活性污泥中净化过程食物链 细菌 原生动物 →后生动物 (含真菌) 净化第一承担者 净化第二承担者 分解者：分解有机物 第一次捕食者： 第二次捕食者： 摄食水中游离细菌 摄食水中原生动物 活性污泥微生物（原生动物）增长与递变的模式：图4-3 13.1.4活性污泥微生物的增殖与活性污泥的增长
A.微生物增殖 生物量 1对数 减速 内源呼吸 培养时间 图活性污泥增长曲线 微生物的生长规律一般可以微生物生长曲线来反映，这条曲线表示了微生物在不同 培养环境下的生长情况以及微生物的整个生长过程 一增殖曲线。 图4-4，活性污泥增长曲线以及其和有机污染物降解、氧利用速度的关系。 根据污泥增殖规律，分为四个阶段： ①适应期—一又称延迟期或调整期 。阶段特征：是微生物培养的最初阶段，是微生物细胞内各种酶系统对新培养基 环境的适应过程。 微生物量：初期，微生物不裂殖，数量不增加：后期，细胞开始分裂、微生物 开始增殖。 ·微生物特征：初期，微生物不裂殖，数量不增加，但在质的方面却开始出现变 化，如个体增大，酶系统逐渐适应新的环境：后期，酶系统对新环境已基本适 应，微生物个体发育也达孙了一定的程度，细胞开始分裂、微生物开始增殖。 ·延续时间：这一时期延续时间的长短，主要取决于培养基（污水）的主成分和 微生物对它的适应性。 ②对数增殖期一一又称增殖旺盛期，等速增殖期 ·阶段特征：该期营养物质非常充分，不成为微生物增殖的控制因素。 ● 微生物量：微生物以最高速度摄取营养物质，也以最高速度增殖。在本期内 衰亡的微生物量相对来说是较少的，在实际中可不予考虑。 。微生物特征：微生物以最高速度摄取营养物质，也以最高速度增殖。微生物细 胞数按几何级数增加，微生物的增殖速度与时间呈直线关系，为一常数值，其 值即为直线的斜率。 3
③减速增殖期一一又称稳定期和平衡期 ·阶段特征：经对数增殖期，营养物质逐步成为微生物增殖的控制因索 ·微生物量：微生物增殖速度减慢，增殖速度几乎和细胞衰亡速度相等，微生物 活体数达到最高水平，但却也趋于稳定。在本期末端，由于增殖的微生物活体 数抓不上衰亡的数量时，增殖曲线开始出现下降趋势， ● 微生物特征：微生物细胞开始为本身积累贮行物质，如肝糖、脂肪粒、异染颗 粒等。 ·延续时间：减速增殖期的长短，取决于微生物种属和环境条件。 ④内源呼吸（代谢）期一又称衰亡期 ·阶段特征：培养液中营养物质继续下降，并达到近乎耗尽的程度。 微生物量：在此期，多数细菌进行自身代谢而逐步衰亡，只有少数微生物细胞 继续裂殖，活菌体数大为下降，增殖曲线呈显著下降趋势。 ·微生物特征：微生物由于得不到充足的营养物质，而开始利用自身体内储存的 物质或衰死菌体，进行内源代谢以营生理活动。在细菌形态方面，此时也多呈 退化状态，并往往产生芽孢。 应用：，F多寡，影响者微生物的生长繁殖： ∴·控制F供应，就控制微生物的生长繁殖及活动。 实际工程中：控制FM值，就可得到不同的微生物生长率，微生物活性，处理效果， 沉降性能等。 (4).絮凝体的形成 ①絮凝体：其骨干是千万个细菌组成的“菌胶团”团粒。 ②机制：微生物的能量水平： 微生物的代谢产物（如聚B-羟基丁酸等）。 13.1.5活性污泥净化反应过程 初期吸附去除 在反应初期以物理过程为主。 ·现象：污水与污泥5~10mi接触后，污水中有机物即被大量去除，nBop5=70% 左右（数量有限） ·对象：胶态、悬浮态有机物 ·原因：物理吸附与生物吸附交织在一起的吸附作用的结果： 自污泥具有巨大的比表面积2000~10000m2/m3混合液 包活性污泥表面上富集大量微生物：
·覆盖多糖类的粘质层，可吸附悬浮（胶体）有机物： ·絮体具有网状结构，具网捕作用。 旬这一过程的快慢由下述因素决定： ·微生物活性程度，决定吸附凝聚功能，这又取决于表面积和微生物所 处增殖期：如内源期微生物活性最强（饥饿） ·反应器内水力扩散程度，决定了接触程度。 ·注意：物理吸附只是将污水中颗粒转移到污泥中，不是真正意义上的去除，产 生的污泥活性差，不稳定，回流污泥需曝气再生，恢复活性。 吸附在活性污泥上的有机底物，包括小分子有机物，如葡萄糖、有机酸醇等， 和大分子有机物，如淀粉、蛋白质、纤维素、脂防等：大分子有机物在水解酶作用 下，经透腴通过细胞壁进入细胞内。 生化过程 包括三个过程：氧化分解代谢、合成代谢、内源呼吸代谢 ①氧化分解代谢：将一部分有机物转化为CO2+H,O-△H G0++w4-z2)0,照氢售xC0,+y21H,0-△HW信 氧化酶 ②合成代谢：另一部分有机物，形成新的细胞物质： nC0+mNH,+mx+-50，C,H,N0,+m-5C0,+号0-4H,0-4h ③内源呼吸：微生物对自身的细胞物质进行氧化分解，并提供能量，当有机底物 耗尽时，内源呼吸成为提供能量的主要方式。 (C,H,N0,n+5n0,)5nC0,+2nH,0+nNH,+4H 有机底物分解代谢与合成代谢及其产物模式图，图45。 13.1.6活性污泥净化反应影响因素 1.营养平衡 为了使活性污泥反应正常进行，就必使污水中微生物的基本元素C、N、P达到 定浓度值，并保持一定的平衡关系。微生物细胞的组成物：C、N、O、H、P约占90~ 97%,其余3~10%为无机元素，其P含量高达50% 平衡比例关系：BOD5:N:P=100:5:1 经物理处理
生活污水BOD5:N:P=100:5:1 →B0D5:N:P=100:20:25 营养物含量多于需要，宜与工业废水一道处理 ①C源—BOD 废水中缺C源，活性污泥将生长不好，会出现污泥松散，絮凝不好的情况。 一般废水中大多有微生物可利用的碳源，对含碳量低的工业废水(BOD5<100mgL) 不能满足生物处理中细菌需C量的，应另加碳源：生活污水、米泔水、淀粉浆等。 ②N源：细菌较易利用氨态氮 生活污水：含粪便、NH量高，N源足够 工业废水：N源含量少，如石油化工废水，制浆废水 添加N源：尿素、硫酸铵、粪水等，P95表4-2，生物营养物质。 ③P源：是细菌所需矿物元素中的最主要者，在细胞组成元素中，它占了全部矿物 元素的50%左右（矿物元素有：S、K、Mg、Ca、P等） 生活污水：粪便中，含P较多，不必另加 工业废水：P含量少时添加P,过磷酸钙、磷酸、磷酸钾、磷酸钠、生活污水 否则，影响许多酶的活性，如石化、制浆 ①其它矿物元素：S、K、Mg、Ca,需量较少 ⑤讨论： 生活污水中含营养较丰富、齐全，是最佳营养源 工业废水采用生物处理宜与生活污水合并处理，较理想： 城市污水规划时，工业废水或者回用，或者经预处理（除有毒有害物质）后，进入 城市下水道，与生活污水合并处理。 2.D0 活性污泥微生物都是好氧菌，故混合液中保持一定D0非常重要。 D0↑↑，大量耗能，不经济： D0!↓，有利于系统中丝状菌占优，引入膨胀，好氧菌活性降低 正常DO:出口处混和液DO=2g/L(对于絮体深处细菌的需氧满足要求，单个游离好 氧南当混合液D0-0.3mg/L即满足要求) 3.pH值
最适pH6.5~8.5 pH9菌胶团解体，絮体破坏，代谢速率受影响 应使废水生物处理反应器的进水pH保持稳定在一个合适的范围 当废水pH变化较大时，应设调节池（均质），使废水经调节稳定后，再进入反应器： 酸、碱废水则考虑中和处理 4.温度 微生物的生理活动与周围温度密切相关，一方面温度升高，细胞生化反应速度加快， 增殖加快：另一方血：细胞组织如蛋白质抗酸对温度增加敏感。 微生物活性与温度成正比，最佳温度是指微生物生长速度最高时温度。 酶系统，酶促反应最佳温度：20一30℃，该范围微生物生理活动旺盛 最低生长温度45℃，会使微生物蛋白质迅速变性，酶系统遭破坏而失去活性，甚 至使微生物死亡： 微生物最适温度：中温菌20一34℃常用 嗜热菌>45℃ 嗜冷菌<20℃ 高温废水进入生物处理系统前，应进行冷却：低温地区（常年、多半年），可降低 负荷，提高D0,延长T:,或者是小型生物处理系统建于室内，大中型生物处理系统 建于室外应保温 5有毒物质 大多化学物质都可能对微生物生理功能有这样、那样毒害作用，但其程度取决于其 在污水中的浓度，即达到一定浓度时，毒害作用才显示出来： 重金属离子和酚、氰等，使细胞的正常结构遭破坏，菌体内的酶变质，并失去活性： 确立每种化学物质和元素对微生物功能产生毒害作用最低值，p105表4-4： 在废水生物处理中，将这些毒物浓度控制在允许范围内（可通过试验确定）。 13.2活性污泥的评价指标 13.2.1活性污泥微生物量的指标 ·混合液悬浮周性(MLSS)浓度(Mixed Liquor Suspended Solids) 自概念：指曝气池内污水与活性污泥混合后的悬浮固体总含量：即在单位容 积混合液内所含有的活性污泥固体物质的总重量： 7
即MLSS=M+Me+M+M 自单位：mgL,gL 司作用：表示相对活性污泥生物量（含M。、M、M) ●混合液挥发性甚浮固体(LVSS)(Mixed liguor volatile suspended solids) 自概念：指混合液活性污泥中，有机性周体物质的浓度，即 MLVSS=M,+M+M; 自单位：mg/L g/L 自作用：因为含M。、M,仍表示相对活性污泥生物量，较MLSS能更表示 活性污泥微生物量 ●MLSS与LVSS关系 殷，每种污水MLVSS/MLSS有相对固定值，生活污水：MLVSS/MLSS=O.75 ②沉降与浓缩性能指标 过程：发育良好有一定→絮凝沉淀→成层沉淀→压缩沉淀→浓度很高的 浓度活性污泥 浓缩污泥层 30min可完成 需较长时间 ·污泥沉降比SV% 自概念：混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容 积的百分率，又称30min沉降率 目单位：以%表示，正常值3g/L左右，SV%=30%左右 自作用：能够反映反应器正常运行时的污泥量，可用于控制剩余污泥的排放 量，还能够通过它及早发现污泥膨胀等异常现象 自应用：广泛，由于测试简单，是评定活性污泥质量的重要指标之 ·污泥体积指数（污泥指数）SVI 包概念（物理意义）：是曝气池出口处混合液经30min静沉后，每克干污泥 所形成的沉淀污泥所占的容积，以mL计。 自单位：mL/g干污泥，一般只称数值，而将单位简化 面计算式： S=淀合液(IL)30mn净沉形成的活性污泥容积(mL) 混合液(1儿)中悬浮周体干重(g) SV(mL/L) MLSS(g/L) (mL/g干泥) SV1-SY)x10(mg/L) MLSS(g/L) 自作用：反映活性污泥的凝聚，沉降性能，判定活性污泥的沉降性能 8
正常活性污泥SV1:70~100或50~150 不正常活性污泥SVI150,说明沉降性能不好，并日已有产生膨胀可能。 注：工业废水活性污泥SI偏高或偏低，属正常：高浓度活性，污泥系统中MLSS值较高， 即使污泥沉降性差，S门值也不会很高。 SVI BOD负荷 2515 0.5 BOD污泥负荷率(kgBOD/kgMLSS·d) BOD污泥负荷介于0.5~1.5 kgBOD/kgMLSS·d之间时，污泥沉降效果不好。 13.2.2设计运行指标 ①污泥负荷率FM=N(kgBODs/kgMLSS·d) ·表达式：F/M=(kgBOD/kgMLVSSd) F=OS,其中S,—进水中的基质浓度BOD5(mgL)；Q一进水流量(m3/) M=X,其中X—混合液浓度MLSS(mgL):V一曝气池容积(m3) F1M=Sbm→F1M=S XV ·讨论： 旬F/>0.6或<2.2，对数增殖期 微生物繁殖快，活力强，污水处理能力强，分解能力强，V快 出水带有机物（游离菌体）多，水质较差，絮凝、沉降性较差，要取得稳 定出水和较高处理效果较困难。 FM=0.3一0.6，减速增殖期，沉降性好，处理能力较强，可取得较好处理 效果 自F/M<0.3,内源呼吸（初期），可取得较好处理效果 ·Ns对V与T的影响： 0
N-器 XN, Taw-g N,高：△X↑→V解↑→出水水质差 V!→T↓&造价↓ 强化一级处理，30%投资取得70%的效幸 N低： V↑→造价↑&Te↑ 如1.5时，SV1N>0.5时，SV>150污泥膨胀，设计中避免该区域 ②污泥龄0。 ·概念： 自曝气池中污泥量增长一倍所需时间，即反应系统内微生物全部更新一次所 需时间： 自生物固体细胞在反应器中平均停留时间： 自曝气池污泥总量/每天排除的剩余污泥量（=每日所增污泥量) 。越式紧 日.一泥龄d:△X一每日的污泥增长量（即排放剩余污泥量），kgd ·意义：通过泥龄控制剩余污泥排放量 回使曝气池内MLSS保持相对稳定状态： ▣控制活性污泥性能，如含硝化菌，使Q>(或<=)细菌世代时间，从而 控制反应器中细菌种类。 13.3有机底物降解与活性污泥反应动力学基础 13.3.5研究目的与研究内容 13.3.5.1目的 ①确定各项因素，如底物浓度、活性污泥微生物量、温度、DO浓度等对反应速度 的影响，创造更适宜于活性污泥反应进行的环境条件，使反应能够在比较理想的速度下 进行，使活性污泥处理系统的设计和运行更合理化和科学化