Suspendedculture反应堆
6.1活性污泥单元过程
的活性污泥法是基于自本世纪初以来一直在使用的悬浮培养系统。脱氮最常见的安排是单级碳氧化和硝化系统和分离级硝化系统。
活性污泥工艺可以设计有或没有回收污泥，并可能涉及完全混合或plug-flow过程(图6.1)。其他的可能性是充气水池，接触稳定延长曝气．活性污泥工艺有许多不同的应用。其中大部分在第6.3节中介绍。
将含有活生物或活性生物的污泥回流，以增加有效生物量并加速反应。
大多数活性污泥的应用是用于废水中有机物含量的氧化，而且氮的转化在一定程度上是可能的，用一个合适的污泥的年龄9-10天(图6.2)。污泥龄期很重要，因为合适的污泥龄期可以使污泥的发展成为可能nitrifyi浮冰中的细菌。因此，在适当的条件下，这些浮冰将能够将铵转化为氮气。
活性污泥法通常用于大量城市废水的二次处理，其硝化作用很小。EPA(1975)指出，有机负荷应低于0.16 kg BOD/ m3•天，如果硝化和碳氧化是可能同时进行的，由于细菌组成。硝化的性能在一个活化污泥处理处理厂，主要用于处理大量的城市废水。
在活性污泥工艺中从废水中去除氮的主要生物活动有两种:
1)污泥生产:污泥生产只能去除少量的氮。
2)不同氧条件下的硝化和反硝化作用。
EPA(1975)手册给出了以下碳氧化和硝化联合过程和单独阶段硝化过程之间的分类。各种能力活性污泥法硝化作用与BOD5/TKN比值相关。TKN是总kjeldahln，也就是有机氮加上氨氮。BOD5/TKN比值在1和3之间，大致对应于分段硝化系统中遇到的值，估计当BOD5/TKN比值为1时，硝化生物的分数在0,21之间，当BOD5/TKN比值为3时，硝化生物的分数在0.083之间。在大多数常规活性污泥法S时，硝化生物的比例因此被认为小于0.083值。EPA(1975)手册指出，当BOD5/TKN比值大于5时，该过程可归为碳氧化和硝化联合过程，当该比值小于3时，可归为分段硝化过程(见表6.1)。
二次澄清器 |
|
废水 |
11污泥底流
污泥返回
11污泥底流
主要的废水
平推流
二次澄清器
废水
污泥返回
污泥下溢
污泥浪费
图6.1 a)完全混合活性污泥工艺示意图b) plug-flow工艺示意图
表6.1硝化生物比例与BOD5/TKN比值的关系
BOD5/ TKN比硝化剂分数
0、5 |
0, 35 |
1 |
0, 21 |
2 |
0, 12 |
3. |
0083年 |
4 |
0064年 |
5 |
0054年 |
6 |
0043年 |
7 |
0037年 |
8 |
0033年 |
9 |
0029年 |
资料来源:EPA (1975)
6.2工艺设计
采用了几种完全混合和plug-flow系统的设计变体。有些涉及细微的修改，如空气或废水的应用，或不同的保留时间，或反应器的形状。其他的则涉及更大的差异，例如在生物过程之前的吸附和沉降，以及使用纯氧而不是空气。
这些设计变化中最常用的是在第6.3节中描述的。两种主要类型是图6.1所示的plug-flow和完全混合反应器。
在接下来的讨论中，重点讨论了影响活性污泥工艺的一些因素，即负荷标准，污泥产量，空气扩散，控制丝状微生物以及污泥循环利用的控制。加载条件。
为活性污泥工艺的设计和控制提出了许多参数。最常用的两个参数是:
1)食物与微生物比(F/M)。
2)平均细胞停留时间(|>c.;(有时称为滞留时间(SRT)食物与微生物的比值定义为:
地点:
F/M =食物与微生物的比率，d’1。
S0 =进水底物浓度，单位为mg/l (g/m3)。
()> =曝气池平均细胞停留时间，天。
V =曝气池容积。
Q =进水废水流量m3 / d。
X =的浓度挥发性悬浮物曝气池中，mg/l (g/m3)。
食物与微生物比与比利用率U的关系为:
E 100
其中E =以%为单位的过程效率。
用第一个方程代替食物与微生物的比率，用[(S0 - S)/S0]代替效率，得到如下项:
其中S =出水底物浓度，单位为mg/l (g/m3)。
平均细胞停留时间(污泥龄) 在/ l 'Xinfl +气/ f-Xgff ^ 如果定义基于系统的总体积，则平均单元驻留时间可以用以下关系表示。 Qmft-Xinfi + Q«时距«r 地点: <|>c =基于曝气池容积的平均细胞停留时间，d。 <)>ct =基于整个系统的平均细胞停留时间，d。 V =曝气池容积。 X =曝气池中挥发性悬浮物浓度，mg/l。 QinJ) =废污泥流量，m3/d。 Xinf| =废污泥中挥发性悬浮物浓度，mg/l (g/m3) Qeff =处理后的出水流速，m3/d。 Xeff =处理后出水中挥发性悬浮物的浓度，mg/l 建议反应器的设计基于<)>c，因为基本上所有的底物转换都发生在曝气池中。 比较这些参数，比利用率U可以认为是单位质量生物利用底物(氮)的速率的度量，<|>c可以认为是生物在系统中的平均停留时间的度量。 平均细胞停留时间<)>c、食物与微生物比F/M与比利用率U的关系为: 米100 地点: Y =细胞产率系数。 E =工艺效率，%。 Kd =内源性衰变系数，时间“1”。 研究发现，平均细胞停留时间超过9-10天可产生稳定的具有良好沉降特性的硝化污泥。 了解每天产生的污泥量是很重要的，因为这将影响污泥处理和多余污泥所必需的处置设施的设计。 研究了平均细胞停留时间(污泥龄)与硝化效率之间的关系活性污泥如图6.2所示。 每天产生的污泥量可由以下公式估算: P = Yobs ' Q ' (S0-S)■(1O3fiTA0)-1 (6-7) 地点: P =网废弃活性污泥每天生产，以VSS计，kg/d。 硝化的需氧量活性污泥厂． 当必须考虑硝化作用时，总需氧量可由下式得出。 kg 0,1 d- gs - sohltff *a)1 _ 1 ^。P + 4 57 " q^j " pfli^-1 (6.9) N0 =进水总氮氮，单位为mg/l (g/m3)。N =出水总氮-N，单位为mg/l (g/m3)。 对于活性污泥工艺，氧气利用率总是超过自然补充率。因此，必须使用一些人工的方法来添加氧气。氧气通常是通过给生物反应器中的废水充气来供应的。 氧气利用率(微生物消耗的氧气)是废水和反应器特性的函数。 采用延长曝气法处理普通城市废水通常可获得约10 mg/l *小时的氧气利用率。用常规活性污泥法处理相同的废水，其氧利用率约为30 mg/l *小时，最高可达100 mg/l *小时。氧的添加量应足以匹配氧的利用率，并始终保持废水中的少量过量，以确保有氧代谢。 曝气技术包括使用空气扩散器将压缩空气注入生物反应器和/或使用机械搅拌器剧烈搅拌内容物以使乘火车让空气穿过液体。在塞流系统中使用扩散空气，在完全混合系统中使用机械曝气是常见的做法。 丝状微生物的生长是活性污泥工艺中最常见的操作问题。系统中的丝状生物导致污泥沉降不良，通常称为“膨胀污泥”。 在单阶段活性污泥系统看到丝状生物的生长是正常的，因为在反应器中均匀存在低底物水平。 在一些塞流式反应器中，发生了明显的回混，也会发生类似的现象。 当氧气限制微生物的生长时，丝状生物可能占主导地位。在实际操作中，曝气池各区域溶解氧浓度应保持在1.5-4 mg/l左右。 最近的研究表明，在生物反应器中，通过使用单独的隔间或“选择器”作为微生物和废水之间的初始接触区，可以预防和控制丝状生物的生长。在选择器中，主要排出物和回收活性污泥结合在一起，从而提高了废水初始处理时的生物量浓度，从而提高了脱氮反应速率。选择器可用于大多数类型的活性污泥。 活性污泥回流的目的是在曝气池中保持足够的活性污泥浓度，以便在所需的时间间隔内获得所需的处理程度。 活性污泥从最终澄清池返回曝气池的入口是该工艺的基本特征。 每天产生的多余活性污泥必须被浪费掉，以维持给定的食物与微生物的比例或平均细胞停留时间。最常见的做法是从回泥线排出废泥，因为它更浓缩，需要更小的废泥泵。废渣排到主池、浓稠池或其他地方污泥浓缩设施。 操作问题。 在活性污泥厂的运行中遇到的最常见的问题是膨胀的污泥，上升的污泥或诺卡氏泡沫。 膨胀污泥是一种具有较差的沉降特性和压实性的污泥。两个主要污泥种类-膨胀问题已被确定。一种是由丝状生物或在不利条件下能以丝状形式生长的生物的生长引起的。另一种是由束缚水引起的，其中组成浮冰的细菌细胞通过添加水而膨胀，其密度降低而不会沉淀。 主要的废水特性影响污泥膨胀的因素包括流量和强度的波动;pH值、温度、营养成分和废物成分的性质(Eddy和Metcalf 1991)。但一些设计上的限制，包括送风能力、澄清器设计、返泥泵送能力的限制以及废水混合不良也是影响污泥膨胀的因素。 丝状膨胀也可能是由于操作原因，其中包括曝气池中的溶解氧低，营养物质不足，有机废物负荷变化很大，或低F / M比． 在活性污泥厂中发现了超过20种不同类型的丝状有机物(Eddy and Metcalf 1991)。 在紧急情况下或在调查引起膨胀的因素时，可以使用氯和过氧化氢来提供暂时的帮助，但由于硝化生物死亡，硝化污泥的氯化将产生浑浊的流出物。 偶尔会观察到具有良好沉降特性的污泥在相对较短的沉降期后上升或漂浮到表面。造成这种现象的原因是反硝化，其中亚硝酸盐和硝酸盐转化为氮气．通过注意附着在漂浮固体上的小气泡的存在，可以将上升污泥与膨胀污泥区分开来。 上升的污泥问题可以通过增加从澄清池的回流活性污泥提取率来克服，以减少污泥在澄清池中的滞留时间，或通过降低曝气池的流速，或通过增加污泥浪费池的尺寸来减少平均细胞停留时间(固体滞留时间)。 最后一个要讨论的操作问题是粘稠的棕色泡沫，它可以覆盖曝气盆地和二级澄清剂。这种泡沫导致了活性污泥厂的许多问题。这种泡沫与诺卡氏菌属的一种生长缓慢的丝状生物有关。 减少污泥龄期是控制诺卡氏菌最常用的方法，但这可以防止工厂发生硝化作用。 扩散器主要有两种类型。细泡扩散器产生许多直径约为2,0到2,5毫米的气泡，而粗泡扩散器注入较少的较大(直径可达25毫米)气泡。两种类型都有优点和缺点。在氧气传递方面，细气泡扩散器由于每体积空气的表面积更大，因此效率更高。然而，通过小气孔的扬程损失需要对空气进行更大的压缩，因此需要更大的能量需求，压缩空气必须经过过滤，以清除所有会堵塞微小扩散器开口的颗粒。 粗泡扩散器提供较少的维护和较低的水头损失，但较差的氧气转移效率。一个折衷的办法是在粗泡扩散器上方安装一个机械涡轮，这样叶片在高速旋转时的剪切作用就能把大气泡分解成小气泡，并将它们分散到废水中。 机械曝气器在空气-水界面处产生湍流，这种湍流将空气带入液体。机械曝气机可能有高速叶轮，向相对少量的水中添加大量空气。然后，这种充气水通过速度梯度与反应堆内容物混合。大型叶轮以较慢的速度驱动，使大量的水搅动得不那么猛烈。 在扩展曝气系统中使用较小的高速机组是常见的，而低速机组在传统的活性污泥系统中更常见。在活性污泥氧化沟变化过程中，采用刷式曝气器为废水提供曝气和动力。 针对单一污泥生物硝化和反硝化，开发了两种基本的活性污泥工艺配置。取决于缺氧条件下在整个工厂，或多或少反硝化作用是实现。这两项安排是: 1) Wuhrmann构型。 2) Ludzack-Ettinger构型。 对于各自的反应器，两者都可以经历完全混合和plug-flow制度。下面将详细解释这两种配置。 单一污泥no3却由Wuhrmann(1964)首先提出了以内生能量释放为反硝化提供能量来源的系统。 它由两个组成(图6.3)串联反应器第一个是有氧的，第二个是缺氧的。进水被排放到第一反应器，在那里有氧的增长异养生物和硝化生物同时发生。如果污泥年龄足够大，系统的好氧分数足够大，硝化将在第一个反应器中完成。在第二个缺氧反应器中，反硝化发生。从缺氧反应器溢出的水通过一个沉降槽下流被循环回到好氧反应器．反硝化过程的能量来源是由于生物死亡而产生的污泥质量释放的能量。然而，能量释放率低，这意味着反硝化率也低。因此，为了获得足够的反硝化作用，植物的缺氧部分必须比好氧部分大。这可能会导致硝化过程的中断。 通常不可能去除所有的硝酸盐，特别是如果温度较低，低于15°C。此外，在缺氧反应器中，由于死亡的生物，有机氮和氨被释放出来，其中一些结合的氮随着出水排出，从而减少了系统的总氮去除。为了尽量减少流出物中的铵含量，可以在缺氧反应器和沉淀池之间放置一个闪蒸反应器或再曝气反应器。在这个反应器中铵是硝化硝酸。 废物流 缺氧反应器 废物流 定居者 废水 定居者 废水 污泥回收 图6.3 Wuhrmann脱氮过程。 1962年，Ludzack和Ettinger首次提出了这种构型(图6.4)。这是一种单一的污泥硝化和反硝化过程利用进水中的生物可降解材料作为反硝化过程的能源。 它由两个反应堆组成，只是部分分开，串联在一起。第一反应器通过无曝气的搅拌保持在缺氧状态。第二个反应器是充气和硝化发生。由于两个反应器之间只有部分分离，硝化废水和缺氧废水的混合被诱导，进入缺氧反应器的硝酸盐被还原为氮气。使用这种类型的配置，可以获得不同的反硝化结果，可能是由于缺乏对两个反应器之间废水交换的控制。 自20世纪60年代初以来，人们对上述两种活性污泥脱氮装置进行了许多改进。其中最流行的是改进的Ludzack-Ettinger过程和Bardenpho过程． 改进后的Ludzack-Ettinger配置(图6.5)完全分离了缺氧和好氧反应器，将底流从沉降器循环到缺氧反应器，并提供了从好氧到缺氧反应器的额外循环。这些修改提供了对过程性能控制的显著改进。高影响能源源排放到缺氧反应器，也称为预反硝化反应器或初级缺氧反应器，产生高的反硝化率。但是完全的反硝化不能实现，因为一部分来自好氧反应器的总氮没有被循环到缺氧反应器，而是直接与出水一起排放。 影响 缺氧的阅读 影响 缺氧的阅读 定居者 废水 定居者 废水 污泥回收 Bardenpho结构(图6.6)旨在克服不完全反硝化。从好氧反应器排放到二级缺氧反应器的低浓度硝酸盐将被反硝化，产生无硝酸盐的出水。为了去除附着在污泥浮体上的二次缺氧反应器中产生的氮泡，在二次缺氧反应器与最终沉淀池之间引入闪速曝气。 闪速曝气也被认为是必要的，以硝化在二次缺氧反应器中污泥停留时间释放的氨。为了减少残留硝酸盐反硝化导致污泥在沉降器中浮选的可能性，将污泥在沉降器中的堆积量保持在最低限度。这是通过一个非常高的回收率，从沉降器，大约等于平均流入流量。 曝气泻湖，接触稳定和延长曝气 这三个过程分别通过曝气泻湖和延长曝气，涵盖了从零硝化到完全硝化之间的极端操作，接触稳定通常实现中等程度的硝化(Gujer和Jenkins 1974)。加气泻湖本质上是完全混合的，无循环系统，其区别在于它们的水力停留时间 平均细胞停留时间相等。这样的系统通常具有1至5天的平均细胞驻留值，并可以在适当的条件下(如在夏季)以更高的值实现硝化。曝气泻湖不太可能用于需要低温硝化的地方，因为所需的反应器体积很大。这些泻湖的一个优点是，它们被设计成硝化，它们的大体积可以稀释进入的废水，从而减少冲击负荷对废水的影响硝化剂生长速率．除了减少瞬态负荷的影响外，为完整的混合活性污泥工艺开发的设计关系直接适用于加气泻湖。 延长曝气操作在非常高的平均细胞驻留值和低的有机负载率，以确保硝化在所有条件下。接触稳定与其他工艺流程的不同之处在于它由两个曝气阶段组成。第一个是隐形坦克在2至3小时的短滞留时间内，之后污泥与流出物分离并返回到第二个曝气池(稳定池)，滞留时间为4至6小时。在接触池中的短滞留时间限制了该系统的硝化性能(Gujer和Jenkins 1974)。 压缩空气 主要的废水 继续阅读:锥形曝气图 这篇文章有用吗?污泥产量。
控制丝状生物。
返回活性污泥控制。
污泥产量
空气扩散器。
机械限。
6.3活性污泥工艺配置
Wuhrmann构型。
Ludzack-Ettinger构型。
图6.5改进后的Ludzack-Ettinger过程。
