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第 4 章污水的生物处理（一）---活性污泥法(Biological Treatment of Wastewater:The Activated Sludge Process)水体自净，氧化塘自然条件下土壤自净，土地处理好氧处理人工条件下活性污泥法生物处理生物膜法厌氧处理自然条件下：高温堆肥、厌氧塘人工条件下厌氧处理技术污泥消化(Aerobic/AnaerobicSuspended-Growth Treatment ProcessesAttached-Growth Treatment Processes)4.1.1. 活性污泥处理法的基本概念与流程Excess sludge4.1.2 活性污泥的形态与活性污泥微生物1．活性污泥的形态: 颜色，味，形状，比重，含水率表面积20-100cm2/ml；有机（75-85%）/无机成分，活性污泥组成：Ma +Me+Mi+Mii微生物惰性有机物无机物自身氧化残留物2．活性污泥微生物（Ma）及其在活性污泥反应中作用细菌：产碱干菌属，芽胞干菌属，动胶杆菌属，假单胞菌属，大肠杆菌属，无色杆菌属等（增殖世代时间20-30min）；数量：107-108个/mL 真菌：丝状菌，霉菌；净化能力与不利影响原生动物：肉足虫类：如变形虫、滴虫，鞭毛虫类，：豆形虫、肾形虫、草履虫；纤毛虫类：钟虫、等枝虫、盖纤虫原生动物------ 细菌的捕食者后生动物：轮虫；水质良好的标志微生物量图：原生动物在活性污泥反应过程中数量和种类的增长与递变模式3．活性污泥微生物的增殖与活性污泥的增长多种属的活性污泥微生物增殖规律与纯种微生物增殖规律相似微生物增殖==活性污泥增殖活性污泥的增殖受活性污泥能含量的控制F/M—有机物量/活性污泥量---有机负荷量适应期X静态培养条件下，活性污泥增长曲线、有机物降解和氧利用速率4．活性污泥絮体的形成意义与作用活性污泥絮凝体形成的骨干---菌胶团活性污泥形成机制：能含量---F/M；电斥力与范德华引力细菌种类：分泌粘着物的细菌：动胶杆菌、黄杆菌、蜡状芽孢杆菌等4.1.3 活性污泥净化反应过程有机物污染物净化---有机物被微生物摄取、代谢与利用1、 初期吸附去除初期：5-10 min 30min 内BOD 去除率达到70% 活性污泥强吸附能力的产生源：1） 具有很大的表面积：2000-10000m 2/m 3混合液2） 多糖类粘质层吸附能力影响因素：1）微生物的生理状态 处于饥饿状态的微生物具有最强吸附能力2）反应器中流态吸附不等于降解，吸附能力是有限的，提高吸附能力—污泥曝气2、 微生物代谢小分子有机物---细胞壁—微生物体内—内酶—代谢大分子有机物—水解酶—小分子—细胞壁—微生物体内… 有机物的氧化方程：H O H y x C O O z y x O H C z y x ∆++→-++2222)24(新细胞的合成：H O H y n CO x n NO H C O z y x n nNH O H nC n z y x ∆--+-+→--+++2227523)4(2)5()()524(微生物自身氧化：H O nH nCO nO NO H C n ∆++→+222275255)(分解代谢与合成代谢模式图：，NH有机物 +O 2 +能量 20%4.2 活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数4.2.1 活性污泥净化反应影响因素1. 营养物质平衡：C ：N ：P= 100：5：1其他微量元素：钠、钾、钙、镁、铁…2. 溶解氧含量： DO ≥2mg/L3. PH 值 6.5-8.54. 水温 适宜：10-450C 最佳：15-350C5. 有毒物质：重金属、酚类、甲醛经过培养驯化后， 微生物对有毒物质有适应与降解能力 （表4-4 p105）4.2.2活性污泥处理系统的控制指标与设计、运行操作参数 使活性污泥系统正常、高效运行的基本条件：∙适当的污水水质、水量∙具有活性和足够量的活性污泥生物量∙满足微生物需要的溶解氧∙良好的流态，气、液、固充分接触控制指标（设计、运行操作参数）1、 表示及控制混合液中活性污泥微生物量的指标(1)Mixed liquor suspended solids (MLSS)(2)Mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS) f=MLVSS/MLSS 0.752、 活性污泥的沉降性能及其评价指标（1） 30min 污泥沉降比（%） ~30%Settling Velocity / Sludge （settling ） Volume （SV ）（2）污泥容积指数，Sludge Volume Index （SVI ） 定义：曝气池出口处混合液经过30min 沉降后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占有的容积（mL/g ）：）（）（）悬浮固体干重（）静沉形成的污泥容积（L g MLSS SV L g L mL SVI /10%//min 30⨯==♣SVI 的意义：SVI ↓沉降性能↑；SVI ↑沉降性能↓♣SVI 正常范围：SVI=70-100（120） 城市和生活污水 SVI <100 沉降性能好；100<SVI <200 一般；SVI >200，不好♣SVI与BOD-污泥负荷的关系（城市污水）：300100BOD-污泥负荷（kgBOD/kgMLSS.d） BOD-污泥负荷（kgBOD/kg.d）BOD-污泥负荷与SVI之间的关系3.污泥龄（Sludge age，Mean cell—residence time）污泥增长与剩余污泥的产生与排出剩余污泥产量：∆X=Q W X r+（Q-Q W）X e（g/d）污泥龄：曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比XVX∆=θ（d）rWewrWXQVXXQQXQVX≈-+=)(θ当二沉池处于最佳沉淀状态下：10001000/110)(6max⨯==⇒=LmgmLggmLSVIXr污泥龄的重要性：系统控制参数，生物种类控制4.BOD-污泥负荷F/M —Food-to-microorganism ratioXVQS N M F a s == kgBOD/kgMLSS.d X=MLSS ； Q=进水流量； S a =BOD in ；V=曝气池体积 ♣BOD 容积负荷VQS N a v = kgBOD/m 3.d ♣BOD 负荷对有机物降解与活性污泥增长以及污泥沉降性能的影响（生物处理过程中的两个重要关系）：5.有机物降解与活性污泥增长活性污泥的增殖⇐有机物的降解活性污泥的增殖=合成反应-内源代谢活性污泥增长基本方程：污泥净增长速率=合成速率-内源代谢速率es g dt dX dt dX dt dX ⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛ 合成速率与有机物利用有关：us dt dS Y dt dX ⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛ Y-产率系数 内源代谢速率与生物量有关：v d e X K dt dX =⎪⎭⎫ ⎝⎛ K d-衰减系数d -1v d ug X K dt dS Y dt dX -⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛ （霍克来金 Heukelekian 方程）净增长速率以天（d ）计时：v d e a VX K Q S S Y X --=∆)(S a -BODin ；S e -BODout ；X v -MLVSSOr ： bVX Q aS X r -=∆ S r =S a -S e ；X=MLSS ♦a ，b---Y ， K d （Y=0.5-0.65；K d =0.05-0.1） ♦污泥泥龄与BOD 污泥去除负荷的关系的推导： 由：v d e a VX K Q S S Y X --=∆)(两边同以X V V 除： d v r VK V X YQS V X X -=∆ 令：V X S S Q V X QS N ve a v r rs )(-== BOD 污泥去除负荷（kg/kg.d ） 而根据泥龄的定义：X VX ∆=θ ⇒cv V X X θ1=∆则推导出：d rs c K YN -=θ1思考题：推导出水BOD 浓度与污泥泥龄的关系 （城市污水20O C ：Y=0.4-0.8 mgVSS/mgBOD ；0.25-0.4mgVSS/mgCOD K d =0.04-0.075 d -1） 6. 有机物降解与需氧v r VX b QS a O ''2+=kg O 2/d ；a '- kg O 2/kgBOD去除 ；b '- kg O 2/kg 污泥自身氧化由以上式子也可导出两个重要关系：☞单位重量活性污泥需氧量与BOD 污泥去除负荷： v r VX b QS a O ''2+=''''2b N a b VX QS a V X O rs v r V +=+= ☞每降解1kgBOD 的需氧量与BOD 污泥去除负荷：rs r v r N b a QS V X b aQS O 1''''2+=+=a '=0.42-0.53；b '=0.188-0.11 (生活污水)系数 Y ，K d ，a ，b ，；a '，b ' 的确定：d v r V K V X YQS V X X -=∆ ∆X/X Vb VX aQS XV X r -=∆ K O 2/X V●''2b VX QS a V X O v r V += QS r /X V V4.3 活性污泥反应动力学基础♑活性污泥反应：活性污泥对有机物的代谢；活性污泥的增长；活性污泥微生物对氧的利用等生化反应♑活性污泥反应动力学主要研究活性污泥生化反应速率及其影响因素.主要内容：☜有机物降解速率与有机物浓度、活性污泥生物量☜活性污泥增殖速率与有机物浓度、活性污泥生物量 4.3.2 Monod 方程式1.基本方程由描述酶（纯酶）促反应的米-门公式----描述纯种微生物在单一基质上增殖速率的Monod方程μMAXμ=μMAXSS S=KS米-门关系曲线 Monod 曲线E + S ES E+ P μ--微生物比增殖速度，t-1酶基质复合物酶产物μmax--微生物最大比增殖速度，t-1[][]mK S S V V +=max V-基质降解速度 s K S S +=max μμ K m 饱和常数 进一步应用到污水处理过程（混合的活性污泥菌群）中： − 因为微生物的比增殖速度（μ）与有机物的比降解速度（v ）成正比： μ∝ v则有机物比降解速度也可以用米门公式描述：sK S Sv v +=max v max-有机物的最大比降解速度，t -1有机物比降解速度的定义：Xdt S S d dt dS X v )(10-=-= S 0，S 进出水有机物浓度t 反应时间所以： s K S Sv dt dS X v +=-=max 1 s K S XS v dt dS +=-max有机物降解速度X=MLVSS当 2max v v = ； 2max max max2212v v s s s s S K S K S K S SK S S v v ==⇒+=⇒+=⇒+=2. Monod 方程式的两点推论（在两种极限有机物浓度下，Monod 方程式的两种简化表示式） （1） S >> K S⇒+=-s K S XS v dt dS max 忽略K S X k X v SXS v dt dS 1max max ===-零级反应（2） S << K S⇒+=-s K S XSv dt dS max 分母中S 忽略不计 XSk XS K v K XS v dt dS ss 2max max ===- 一级反应 VV maxS 在大多数污水生物处理中，用一级反应动力学表示有机物的降解速率是适当的。
