武理工水污染控制原理研究生教案第8章 活性污泥法.docx

第八章活性污泥法(-)教学设计1.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面活性污泥法中的生物动力学参数CSTR型活性污泥法及设计活塞流型活性污泥法及设计硝化动力学参数及污泥氧消化反应器设计活性污泥数学模型L2本章节重点本章节重点：活性污泥法与设计相关的动力学参数、不同废水的动力学参数取值、CSTR型活性污泥法原理及设计、活塞流型活性污泥法原理及设计、硝化动力学参数取值及好氧消化反应器设计、数学模型法在活性污泥设计中的应用-AZ.I-J刖景本章节难点：动力学参数取值、CSTR与活塞流型设计的差异、数学模型法的应用1.3本章节教学内容本章教学内容如下8.活性污泥法8.1 活性污泥法的基本概念8.2 CSTR型活性污泥法8.3 CSTR型活性污泥法的设计8.4 活塞流型活性污泥法8.5 硝化8.6 污泥需氧硝化反应器8.7 活性污泥数学模型1.4本章节教学方法1 .情景导入本章节及以后章节为应用内容，通过完全混合和推流式两类池型运行工况入手，引入介绍两类反应器原理CSTR和活塞流型，对比分析活性污泥工程上的两类池型-推流式与完全混合反应器的设计原理及相关基础理论。2 .双案例关联案列十六：CSTR在基础研究中的应用案列十七：柱塞流反应器的应用(同氧化沟案列)L本章节教学互动与考核在课程本章节教学过程中，引导研究生进行活性污泥设计原理方面相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：活性污泥法设计方法讨论、泥龄法设计原理、CSTR和活塞流型两类反应器相似与不同、推流式与完全混合式活性污泥反应器理论分析、数学模型法原理、数学模型法应用前景（二）教学内容1 .活性污泥法的基本概念工艺流程、参数表达、动力学参数及不同废水取值、活性污泥控制参数2 .CSTR型活性污泥法CSTR物料平衡、泥龄与设计、反应器体积设计、反应器氧摄入率、二沉池设计、设计统合3 .活塞流型活性污泥法活塞流型物料平衡、泥龄与设计、CSTR与活塞流型对比、活塞流型反应器设计4 .硝化污泥需氧硝化反应器设计理论二级硝化活性污泥法设计参数、污泥需氧消化物料平衡、需氧及混合能量计算5 .活性污泥数学模型IAWQASMNo.1的动力学参数和化学计量学参数、表现转化速率表达式及应用、IAWQASMNo.2简介第八章活性污泥法§8.1 活性污泥法的基本概念1 .基本流程讨论回顾2 .废水处理中的“微生物”术语及其定量表示方式讨论回顾3 .活性污泥法中的生物动力学参数有关上述的各生物动力学参数均可采用如图7-3所示的恒化器求得。另外,本书在讨论时虽然以BoDL代表有机物浓度。MLVSS代表微生物浓度，但试验时，有机物浓度P可以用BODL,B0D5,COD或其它方法表示，微生物浓度可以用MLVSS、MLSS或其它方法表示。表示方法不同,求得的动力学参数值也必然不一样。表82、表83、表84分别为所收集到的活性污泥法处理废水的生物动力学参数。4 .活性污泥系统性能的控制因素(1)底物的代谢速率(2)生物絮体的沉降和浓缩性能(3)传氧的限制综合上述三个控制因素，可以认为，最佳的活性污泥系统应该是，在保证生物絮体具有良好的沉降和浓缩性能条件下，能供给充足的需氧量来维持尽可能高的底物代谢速率。§8.2 CSTR型活性污泥法X.基本方程式图8-1绘出了反应器为CSTR型的活性污泥法系统。图8-1CSTR型的活性污泥法系统Qpf+RQp+VRo=(1+R)Qp+V农(8-1)dtQXf+RQX+V/?,=(+R)QX+V(8-2)dt在稳定状态下，学及三等于零，因此得，dtdtQQ+RQ+V%=(1+R)Qp(8-3)QX,+RQX”+VRf,=(1+R)QX(8-4)稳定状态这一假定很重要，因为下面的许多公式和有关的参数都是在这一假定上建立起来的。2.细菌的平均停留时间Q和增殖率Rg由表示稳定状态的方程式(820)可以推导出细菌的增殖率凡与另一个重要概念“细菌的平均停留时间”(MCRT)的关系。MCRTa.的定义为:Q反应器中的活细菌总量,qcc每日从系统中流走的活细菌总量MCRT也称为污泥停留时间(SRT)O固体停留时间(SOIidSretentiontime)或简称污泥龄(sludgeage)0可表示为：VX=-(8-6)QwX+(Q-Qw)Xe-QXiVXQWXJ(Q-。W)Xe-QXi(8-7)当无回流，只=O时得:Tj=0QX Q(8-8)无回流时，。，退化成为反应器的水力停留时间。Q.的简化公式：(8-9)(8-10)简化式为常用的形式。(8-11)Gw-J.V一%(8-12)当由沉淀池底排走Q“时，按照同样的推导过程可得出下列类似关系：QWXQwXXRLF-fx一瓦(8-13)(8-14)QwX=1VXc=815)34和有机物的去除速率R。Ro=WM+Rp-(1+R)p=p,÷RPti-d÷RR(8-16)VQy(8-17)3-急Si)(8-18)4 .和产率因数Y=(8-19)式(8-32)提供了试验求和b的方法，先将式(8-32)写成:1=-L÷yYg Yc(8-20)这样就可以根据式子绘成一条直线，从而求出七和b的值。5 .反应器中有机物浓度P和微生物浓度XP=YGk07(8-22)反应器中细菌质量浓度X的表达式:p.pX=均储方%23)6.讨论当活性污泥法的b、K、Yc、Ko四个生化动力学参数以及反应器的进水有机物浓度自己知后，即可计算出反应器在个同污泥龄值及水力停留时间。位时的有机物浓度夕、细菌质量浓度X以及产率因数Y来。因此，活性污泥法的试验就是求出有关废水处理的b、K、K。四个动力学参数，并对之进行评价。活性污泥法的反应器也就是根据试验得出的或者根据经验选用的这四个参数的值来进行设计。当反应器的有机物浓度趋近于无穷大，相应的，极小值为：§8.3CSTR型活性污泥法的设计本节讨论CSRT型活性污泥系统的设计，其中包括反应器及二次沉淀池的有关计算。设计资料有：(1)废水的性质，如BODl、氮及磷浓度、PH及水温等；(2)出水水质要求；(3)由试验或其它来源得到的生化动力学常数%、K、及b；(4)污泥沉降速度数据。设计所用公式及步骤如下：1.确定最短的污泥龄并选用设计值以出水的最大允许BODL值为P代入式(834a)即可解出最短的污泥龄为：OCmin=Ycko-b(K+ p)(8-25)得出Jmin后，即可按>min的条件，选用几个设计的值，进行下列一系列计算。2.计算反应器容积以®=V / Q代人式(835)可解出反应器容积V为:v_Yg°cQ3- p) _ YoCQ(Pi- P) V -X(l+他)(8-26)式中:K(l+ W)Yckoc-(+ bc) Ykoc-(8-27)接选定的。，值可计算出相应的反应器内的有机物浓度4，P即用这一计算值。在P已知后(即4选定后)，对不同的微生物质量浓度X,相应地存在一反应器容积V。因此，对于一个选定的处值，还要同时选择几个X值构成一组，这 样就计算出对应的一组反应器容积V来。选择几个»值就得出几组容积Vo3.计算反应器内氧的摄入率%氧的摄入率可表示为：R0=Ro(-4Y)式子中RO取下式的绝对值:(8-28)(8-29)式子(8-41)可用于计算R。从式子(8-41)可看出对于不同的X值有一个相应的Ror也就是说，对一个选定的处值所算出的一组反应器容积V,也相应地存在一组R%值。4 .二次沉淀池的设计沉淀池的面积AC可由下列物料衡算关系略去X,项得出(1÷R)-jx=Ac+(-Qw)XeACw)。一如邑(8.30)由上式可看出,在犷固定的条件下,对选定的每一个X可算出一个面积AC来。因此，对每一个求得的犷值，再按照设计反应器时所选择的那一组X值计算，就可算出一组对应的A,值来。回流比R可利用二沉池的下列近似的物料衡算关系得出:(1+R)Q-QwlX=RQX”QX-QwQXLQX(8-31)(+ R)QX(P(8-32)(8-34)当由沉淀池底流排出Qw时，相应的4.及R的表达式为:AJ(1+R)QXAC一(P(8-35)二次沉淀池的面积已知后，根据经验选用沉淀池深度后可以得出它的容积匕来。5 .设计统合(designintegration)(1)为了对活性污泥法进行整体的评价比较，应将各种条件下的总池容(反应器容积V+二沉池容积匕)计算出来.这种过程称为设计统合。(2)二次沉淀池的设计例题分析(3)设计统合由上面的计算得出了各种在理论条件下的反应器及沉淀池容积，它们又可以进一步组合起来得出许多个反应器与沉淀池的总容积理论值。§8.4活塞流型活性污泥法L基本方程式(1+R)Qp÷AxR0=(l+R)Qp(p+-x)+-Ax(8-36)xt化简得出：-Q+R)氾+R0二迦(8-37)0t同样，由容积Ax的细菌物料方程式可得出MLSS浓度X的下列关系:-(l+R)g+4=容(8-38)t式子中，Rg为细菌的增值率。在稳定状态分别化简成(8-39)(8-40)-Q+R)也+Ro=00-(1÷?)+Rp=08记="哨50)k/XK+ p(1+R嗡(8-41)2.细菌的平均停留时间Q与增殖率40C=VXQWXO(5-42)当从沉淀池底流中废弃污泥时VXQ(5-43)假定X*X,得出与CSTR系统同样的公式:(5-44)同样把反应器沿池长分n段，得出以下式子："，旦(X1÷X2÷.+AXzt)=用(8-45)式中以V代替n(AAx)。X*可表示为：(8-46)(8-47).QX+RQX,Xj+RXfJQ+RQ1+/?当忽略原废水的MLSS浓度Xi时得：.RXHX=匕1+R因此得：*RX11X1÷X2+.+X=X-X*=X-(8-48)1+R(1+ R) Q %、一 F(8-49)当忽略二沉池所流出的MLSS量(Q-QW)X,则得出二次沉淀的物料衡算关系为:(l+R)Q-QJX=RQXzz由此式得:RX11(l÷R)QX-RQX=(l+/?)Q(Xs-T)=QwXo(8-50)1÷AQWXG)V=RgYR.=(8-51) 1 【瓦 (8-52)式中，斤为平均比值增值率。3.4和产率系数Y仿照CSTR模型式(8-32)的推导可得下列关系:Rft=-Y R; = -YgRo-bX化简最后得出：=4.4和有机物去除率R。X(+ bc)生YG(8-53)5.微生物浓度X和反应器中有机物浓度先求反应器进口处的有机物浓度p得:*二 pQ + RQpQ +RQP卢 RPHi + R(8-54)假定4可以忽略得:P*=P.1+ R(8-63)由此得出MLSS的浓度X的表达式为:X=-Y(P-Pw)=X-X*(8-55)X是停留时间为。处的MLSS浓度，当。=。，且忽略P0时得：X=X*+Yp（8-65）式子中，Vu.=;VQ=水力停留时间。，因此X*可表示为:Yp(8-66)(8-56)(8-57)k0KmP(X,+4-)lIbX*+3-%1+Ka"+X*X*pYX"当。二®,即在反应器出口处的浓度p的表达式为:k°GKp*(+a*-W),1jX+a_3v二in+一in1+Ra"+X*X*pYX"可看出，当给定-P值时，可以直接算出停留时间。来，再算出X值来。但是，如果反过来由给定的。值求夕值，出于之间的隐函数关系，必须通过选代法计算。反应器的停留时间。与出口浓度p间互相计算关系也是一样。6 .CSTR型与活塞流型的比较活塞流反应器出水的有机物浓度去除与女。、R、K、Y等参数有关系外，还X*和p'的值有关系。Pe）与夕和X"有关系，也就是PO和。,及也有关系。但是，从CSTR反应器的公式看出，出水浓度只和4o，K、Y及Q.这几个参数有关系，它和、。及Pj均无关系。所以对于同样的废水水质数据进行CSTR及活塞流两种不同模型的反应器出水水质计算时，所需要的参数项目是不相同的。理论上说明CSTR模型与活塞流模型的出水水质是无多大差别的。7 .活塞流型活性污泥法的设计在活塞流型活性污泥法设计时，一般已知废水流量Q、废水BODL浓度出水BODL要求上（即PP内）以及微生物生长的动力学常数K、b、YG及女。这样。其设计计算可按下列程序进行。Q、P、Pq、K、bYg、kQI,假设R由去(8-23)计算一v假设4牛(8-32)计算Y1(8-66)计算X按式(8-67b)计算,按V=Q。算V按去(8-64)计算X0按去(8-61)计算RO按去(8-61)计算以图82活塞流曝气他的计算程序活塞流型二次沉淀池的设计与CSTR型的二沉池设计相同，只是将计算式中的X改为又即可。二沉池设计计算后同样可进行设计统合，方法也与CSTR型相同。§8.5硝化两级系统如图83所示，用第一级的反比器去除含碳有机物，第二级的反应器进行硝化过程，每一反应器后面有自己的沉淀池、回流和废弃污泥系统，第一级的SRT一般小于3d,没去除单位BOD所产生的污泥量高而耗氧量低第二级反应器比第一级的出水为进水，BOD较低。由于硝化过程对有机物或毒物的迅速变化比较敏感，所以第一级起了保护硝化过程的缓冲作用。第一级第二级硝化过程的耗氧量关系如下：3HN3+耳02NO/H20+H+(8-58)NO2+O2NO；(8-59)由上面两个关系得氧的摄人率为：0初2) + /(PN%, -Pn%)3203RCN1pnhPnh)NO2,02'N4Q12'LNtl3j/37'LJ式中，Qn及匕V分别为硝化反应器的流量及容积;浓度P的下标NH3I及NO2J分别表示以N计的NH3及N2:反应器进水浓度,无下标i的表示反比器出水浓度。设计硝化活性污泥法所应用的公式形式完全和设计第一级系统的公式一样，只是公式中的浓度P原来是以BODL计的，硝化系统改为以氯计，X也改为以MLSS表示的硝化细菌浓度Xn,因此其中动力学的常数及K也要按这些新涵义来定义。§8-6污泥氧消化反应器图84为采用需氧消化的活性污泥法基本流程。由图可看出，本法与常规活性污泥法的差别仅在于，把各种污泥都集中在一反应器内进行需氧氧化。需氧消化反应器的工作原理如下：上清液回流初沉污泥1 .基本方程式一般地说，需氧消化反应器多以CSTR型方式运行、如图815所示。进入和流出消化池的污泥流量均为。，进泥和出泥流中的VSS浓度分别为Xj和Xo根据式(21)写出容积V内的VSS物料衡算式V=QX.+rsV-QX(8-60)dt式中，G为由内源代谢引起的可降解固体的去除速率，该去除速率可以假定遵循一级反应共系：工二k,(XX)(8-61)污泥龄Q”与反应器的水力停留时间。”相等。在稳态条件下可得：(8-62)QX-k(X-XJ-QX=O由上式可得：(8-63)2 .需氧消化需氧量R%"(1)碳氧化过程的需氧量4。2需氧消化中有机碳氧化过程的需氧量包括两部分，一部分是活性污泥中生物固体氧化的需氧量，另一部分是初次污泥的BODL的耗氧量。用数学关系式表示为：O2=AOoXii+Qppp(8-64)式中：。为总污泥流量；为活性VSS浓度X。中降解细胞所占的分数；Qp为初次污泥流量；分为初次污泥的BoDL浓度;1.41为每克干细菌完全氧化约需的单体氧质量(参见74)o(2)硝化过程的需氧量NOD由于停留时间较长,在需氧消化的硝化作用是十分重要的。因此其需氧量必须考虑。需氧消化池的硝化所需耗氧量包括三部分：进泥中所含氨氮、活微生物衰减释放的氨氮以及初次污泥氧化时释放的氨氮硝化所需的氧量。用数学式表示为：NC)D=4.57Q夕川+QXp(0124)+Q/卬(8-65)式中：Qa为活性污泥过滤液的流量，它近似等于Qo；P.为活性污泥过滤液的NHT-N浓度(总基耶达氮)；0次为初次污泥的TKN浓度；0.124为每克下细菌完全氧化释放出的氨氮质量细胞干分C6oHs723N2P;为活性VSS浓度Y中细菌细胞降解分数：4.57为每克氨氮氧化成硝酸盐所需的氧质量。这样，需氧消化的总需氧量为：R2d=A2+NOD(8-66)3 .需氧消化混合所需能量混合所需能量通常用功率密度表示。需氧消化池中所需的功率密度与消化池中的固体浓度有关。运行经验表明，当固体浓度低于20g/L时，功率密度在14-20kW/1000m3；高于20g/L时，需要2040kw/1OOOm301973年,Reynolds在美国普渡(PUrdUe)大学召开的第28届工业废水处理国际会议上，提出了一个需氧消化所需最低功率密度(单位为kW/IOOOn?)的经验关系式d=0.935/03X10-298(8-67)式中，为水的动力粘度(单化为g/cm-s)；X为消化池中稳态条件下的总悬浮固体浓度(学位为mg/L)。4 .需氧消化设计参数需氧消化的主要设计参数主要有六项：(1)水力停留时间这与需要消化的污泥类别及消化温度有关；20C条件下各类污泥的水力停留时间一般取：废弃活性污泥1015d、污水处理厂无初次沉淀池的活性污泥1218d、初沉池污泥加活性污泥或加滴滤池的污泥为15-20do(2)固体负荷一船取1.64.8kgVSSm3do(3)需氧量这也与所需消化的污泥类别有关，对于活性污泥或滴滤池污泥,一般为2.3kgO?/kgSS；对于初沉池污泥，一般为1.61.9kg2/kgBODs(4)搅拌需能与搅拌方式有关，机械曝气器搅拌需能为2040Wm3微孔曝气搅拌需能为0.02-0.04m3/m3min。(5)污泥中剩余溶解氧浓度一般取1-2mg/Lo(6)挥发性固体的降低百分率一般为40%50%。§8-7活性污泥数学模型1. IAWQASMNo.1的表述形式IAWQASMNo.1采用矩阵形式表述，如表830所示产【。表中行号表示工艺过程.记为八列号表示参与反应的组分，记为从表810可知，该模型含13个组分和8个工艺过程，各组分的定义及单位见表8-1Io2. IAWQASMNo.1的动力学参数和化学计量学参数IAWQASMNo.1共有19个参数，共中动力学参数14个，化学计量学系数5个。表812和表813分别表示了中性PH、20条件下、生活污水的动力学参数与化学计量学系数的典型值网。3. IAWQASMNo.1中各组分的表现转化速率表达式矩阵元素为计量系数，表示组分i与工艺过程)的相互关系。若某组分不参与过程变化，则计量系数为零，短阵中以空项表示。计量系数的符号表示该组分在转化过程中的增减。这种矩阵表述形式可以方便地看出所有可能的转化过程对各组分的影响。在反应速率中使用了“开关函数”概念，以反映环境因素对反应的“开关”作用，即反应是否能够进行。例如，对于异养茵的需氧生长，溶解氧是必需的，即如果没有溶解氧.则不论有机底物浓度有多高.异养菌都不可能进行需氧生长。因此，在反应速率表达式中设置了溶解氧开关函数s。/(KoH+S°)作为异养菌需氧生长的“开关”，其中KOH选用一个较小的数值(0.1OmgO2/L)。当溶解氧浓度SO很小时,开关函数S0/(Kg+S0)趋于零，其生长速率也趋于零；当SO达到一定值后，S。/(K.+S°)会趋向于1,异养菌的需氧生长才可顺利进行。各组分在所有工艺过程中总的表现转化速率可用下式计算Ti=EVijrj(8.68)J式中，5为i组分的表观转化速率；%认为，列/行的矩阵元紊；5表示，行的工艺过程反应速率。例如，可快速生物降解底物SS(i=2)的表观转化速率为r2=v2G'=v2ir+匕22÷½7(8-69)把反应速率代入式(8-80)得出：一力)d +Xsk/XbH_ r/HgX九(8-70)hz7cfx-xlOH-roO八。十Jo八No十JNo4. 活性污泥数学模型的应用数学模型对于废水生物处理系统的优化设计与运行管理都很重要，设计人员可利用数学模型从各种可供选择的工艺中较迅速地筛选出经济可行的工艺流程，并在保证处理效果的前提下确定出合适的工艺参数。对己建的处理系统，可利用数学模型来寻求改善水质、降低能耗、减小废弃污泥量的解决措施。IAWQASMNo.1和ASMNo.2比单个工艺的单组分数学模型要庞大和复杂得多，因此不可能获得反应器中各类的污染物浓度的解析解，而必须采用矩阵解和数值分析技术。为求解模型各类污染物的质量平衡方程以用于各种构型的反应器，国际上已有一些单位开发出了计算机代码。其中SSSP采用菜单型式，可在微机上执行,适用于单级和多级CSTR反应器的稳态和动力学模拟。