水污染控制工程讲义.docx

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1、水污染控制工程第一章 概述1.1 生物处理的目的和重要性废水生物处理的目的：1) 絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物；2) 稳定和去除废水中的有机物；3) 去除营养元素氮和磷。废水生物处理的重要性：1)城市污水中约有60%以上的有机物只有用生物法去除才最经济；2)废水中氮的去除一般来说只有依靠生物法；3)目前世界上已建成的城市污水处理厂有90%以上是生物处理法；4)大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体的。微生物在废水生物处理中主要有三个作用：1)去除有机物（以COD或BOD5表示），去除其它无机营养元素如N、P等；2)絮凝沉淀和降解胶体状固体物；3)稳定有机物。微生物代谢过程简介：有

2、机物微生物新的细胞物质CO2、H2O生物残渣内源呼吸分解合成微生物代谢所需要的几个基本要素：能源；碳源；无机营养元素N、P、S、K、Ca、Mg等；有时还需要一些特殊的有机营养物（也称生长因子，如维生素、生物素等）废水生物处理中涉及的微生物代谢过程主要有：化能异养型代谢；化能自养型代谢；光合异养型代谢；光合自养型代谢。生物处理中的重要微生物细菌：细菌包括了真细菌(eubacteria)和古细菌(archaebacteria)；是废水生物处理工程中最主要的微生物；根据需氧情况不同：好氧细菌、兼性细菌和厌氧细菌；根据能源碳源利用情况的不同：光合细菌光能自养菌、光能异养菌；非光合细菌化能自养菌、化能异

3、养菌；根据生长温度的不同：低温菌(-10C15 C)、中温菌(15 C 45 C)和高温菌(45 C)真菌：真菌的三个主要特点：1)能在低温和低pH值的条件生长；2)在生长过程中对氮的要求较低（是一般细菌的1/2）；3)能降解纤维素。真菌在废水处理中的应用：1)处理某些特殊工业废水；2)固体废弃物的堆肥处理原生动物、后生动物：原生动物主要以细菌为食；其种属和数量随处理出水的水质而变化，可作为指示生物。后生动物以原生动物为食；也可作为指示生物。1.2 生物处理法在废水处理中的地位有机物在废水中的存在形式及其主要去除方法：颗粒状有机物(1mm)：可以采用机械沉淀法进行去除的颗粒物；胶体状有机物(1

4、nm100nm)：不能采用机械沉淀法进行去除的较小的有机颗粒物；溶解性有机物(40C 或 10C后，会有不利影响。3)营养物质：细胞组成中，C、H、O、N约占9097%其余310%为无机元素，主要的是P。生活污水一般不需再投加营养物质；而某些工业废水则需要， 一般对于好氧生物处理工艺，应按BOD : N : P = 100 : 5 : 1 投加N和P。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6.58.5之间；pH 4.5时，真菌将占优势，引起污泥膨胀；另一方面，微生物的活动也会影响混合液的pH值。5

5、)有毒物质（抑制物质）主要有：重金属 蛋白质的沉淀剂（变性；与-SH结合而失活） 氰化物； H2S； 卤族元素及其化合物 酚、醇、醛 使蛋白质变性或脱水 染料等；活性污泥系统中有毒物质的最高允许浓度：有毒物质允许浓度有毒物质允许浓度铜化合物(以Cu计)0.51.0苯10锌化合物(以Zn计)513氯苯10镍化合物(以Ni计)2对苯二酚15铅化合物(以Pb计)1.0间苯二酚450锑化合物(以Sb计)0.2邻苯二酚100镉化合物(以Cd计)15间苯三酚100钒化合物(以V计)5邻苯三酚100银化合物(以Ag计)0.25苯胺100铬化合物(以Cr计)25二硝基甲苯12 (以Cr3+计)2.7甲醛160

6、 (以Cr6+计)0.5乙醛1000硫化物(以S2-计)525二甲苯7 (以H2S计)20甲苯7氢氰酸氰化钾18氯苯10硫氰化物36吡啶400砷化合物(以As3+计)0.72.0烷基苯磺酸盐15汞化合物(以Hg计)0.5甘油56）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2.2)，所以有机底物非常丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；(1) 微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应，它仅由微生物本身

7、所特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身的生理机能的限制；(2) 微生物以最高速率对有机物进行摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞；(3) 此时的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活动能力很强，导致污泥质地松散，不能形成较好的絮凝体，污泥的沉淀性能不佳；(4) 活性污泥的代谢速率极高，需氧量大；(5) 一般不采用此阶段作为运行工况，但也有采用的，如高负荷活性污泥法。l 减速增长期:(1) F/M值下降到一定水平后，有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素；(2) 微生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比，为一级反应；(3) 有机底物的降解速率也开始下降；(4) 微生物的增殖速率在逐渐下降

8、，直至在本期的最后阶段下降为零，但微生物的量还在增长；(5) 活性污泥的能量水平已下降，絮凝体开始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；(6) 由于残存的有机物浓度较低，出水水质有较大改善，并且整个系统运行稳定；(7) 一般来说，大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在这一范围内的。l 内源呼吸期:（1）内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，因此从整体上来说，活性污泥的量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残留物，而这些物质多是难于降解的细胞壁等；（2）污泥的无机化程度较高，沉降性能良好，但凝聚性较差；有机物基本消耗殆尽，处理水质良好；（3）一般不采用这一阶

9、段作为运行工况，但也有采用，如延时曝气法。4、活性污泥增殖规律的应用：(1) 活性污泥的增殖状况，主要是由F/M值所控制；(2) 处于不同增长期的活性污泥，其性能不同，处理出水的水质也不同；(3) 可以通过调整F/M值，来调控曝气池的运行工况，以达到所要求的出水水质和活性污泥的良好性能；(4) 推流式： 一段线段； 完全混合式： 一个点5、有机物降解与微生物增殖： 活性污泥微生物增殖是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： 式中：活性污泥微生物的净增殖速率（）； 活性污泥微生物的合成速率； 降解每所产生的值，即产率系数（）； 活性污泥微生物自身氧化速率

10、； 每每日自身氧化的数，即自身氧化系数（）； 。因此，活性污泥微生物增殖的基本方程式: 积分后，得出活性污泥微生物在曝气池内每日得净增长量为: 式中: 每日污泥增长量(),； ； 每日处理废水量()； 进水浓度(或)； 出水浓度(或)。l 的经验值：(1) 对于生活污水活与之性质相近的工业废水，；(2) 几种工业废水的值:废水合成纤维废水0.380.10含酚废水0.550.13制浆与造纸废水0.760.016制药废水0.77酿造废水0.93亚硫酸浆粕废水0.550.13l 通过小试求得：将上式改写为: 6、有机物降解与需氧: 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

11、对自身细胞的一部分物质进行自身氧化。 需氧量: 式中曝气池混合液的需氧量，； 代谢每所需的氧量，； 每每天进行自身氧化所需的氧量，。 上式可改写成: 或 其中: 单位重量污泥的需氧量，； 去除每的需氧量，。l 值的确定:(1) 活性污泥法处理城市污水时的和值:运行方式DO2ab完全混合式0.71.10.420.11生物吸附法0.71.1传统曝气法0.81.1延时曝气法1.41.80.530.188(2)几种工业废水的值:废水ab石油化工废水0.750.16合成纤维废水0.550.142含酚废水0.56制浆与造纸废水0.380.092制药废水0.350.354酿造废水0.93漂染废水0.50.6

12、0.065炼油废水0.550.12亚硫酸浆粕废水0.400.185(3)试验法:将上述方程式改写成: 7、活性污泥净化反应过程:BOD吸附降解曝气过程在活性污泥处理系统中，有机底物从废水中被去除的实质就是有机底物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，这一过程的结果是污水得到了净化，微生物获得了能量而合成新的细胞，活性污泥得到了增长。 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、沉淀与浓缩初期吸附: 在活性污泥系统内，在污水开始与活性污泥接触后的较短时间(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，因此在这很短的时间内，就

13、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（由于胞外水解酶将吸附的非溶解状态的有机物水解成为溶解性小分子后，部分有机物又进入污水中使BOD值上升。此时，活性污泥微生物进入营养过剩的对数增殖期，能量水平很高，微生物处于分散状态，污水中存活着大量的游离细菌，也进一步促使BOD值上升 ），再之后，BOD5值才会逐渐下降（活性污泥微生物进入减速增殖期和内源呼吸期，BOD值又行缓慢下降）。活性污泥吸附作用的大小与很多因素有关:1）废水的性质、特性：对于含有较高浓度呈悬浮或胶体状态的有机污染物

14、的废水，具有较好的效果；2)活性污泥的状态：在吸附饱和后应给以充分的再生曝气，使其吸附功能得到恢复和增强，一般应使活性污泥微生物进入内源代谢期。2.2.1.4 活性污泥系统的主要运行方式迄今为止，在活性污泥法工程领域，应用着多种各具特色的运行方式。主要有以下几种：（一）传统活性污泥法：1)主要优点：a.处理效果好：BOD5的去除率可达90-95%；b.对废水的处理程度比较灵活，可根据要求进行调节。2)主要问题：a.为了避免池首端形成厌氧状态，不宜采用过高的有机负荷，因而池容较大，占地面积较大；b.在池末端可能出现供氧速率高于需氧速率的现象，会浪费了动力费用；c.对冲击负荷的适应性较弱。（二）完

15、全混合活性污泥法1）主要特点：a.可以方便地通过对F/M的调节，使反应器内的有机物降解反应控制在最佳状态；b.进水一进入曝气池，就立即被大量混合液所稀释，所以对冲击负荷有一定的抵抗能力；c.适合于处理较高浓度的有机工业废水。d.问题：微生物对有机物的降解动力低，易产生污泥膨胀；处理水水质较差。2）主要结构形式：a.合建式（曝气沉淀池）：b.分建式（三）阶段曝气活性污泥法又称分段进水活性污泥法或多点进水活性污泥法 工艺流程主要特点：a.废水沿池长分段注入曝气池，有机物负荷分布较均衡，改善了供养速率与需氧速率间的矛盾，有利于降低能耗；b.废水分段注入，提高了曝气池对冲击负荷的适应能力。c.混合液中

16、的活性污泥浓度沿池长逐步降低，出流混合液的污泥较低，减轻二次沉淀池的负荷，有利于提高二次沉淀池固、液分离效果。（四）吸附再生活性污泥法又称生物吸附法或接触稳定法。主要特点是将活性污泥法对有机污染物降解的两个过程吸附、代谢稳定，分别在各自的反应器内进行。1)主要优点：a.废水与活性污泥在吸附池的接触时间较短，吸附池容积较小，再生池接纳的仅是浓度较高的回流污泥，因此，再生池的容积也是小的。吸附池与再生池容积只和仍低于传统法曝气池的容积，建筑费用较低；b.具有一定的承受冲击负荷的能力，当吸附池的活性污泥遭到破坏时，可由再生池的污泥予以补充。2)主要缺点：对废水的处理效果低于传统法；对溶解性有机物含量

17、较高的废水，处理效果更差。（五）延时曝气活性污泥法完全氧化活性污泥法1)主要特点：a.有机负荷率非常低，污泥持续处于内源代谢状态，剩余污泥少且稳定，勿需再进行处理；b.处理出水出水水质稳定性较好，对废水冲击负荷有较强的适应性；c.在某些情况下，可以不设初次沉淀池。2)主要缺点：池容大、曝气时间长，建设费用和运行费用都较高，而且占地大；一般适用于处理水质要求高的小型城镇污水和工业污水，水量一般在1000m3/d以下。（六）高负荷活性污泥法又称短时曝气法或不完全曝气活性污泥法主要特点：有机负荷率高，曝气时间短，对废水的处理效果较低；在系统和曝气池的构造等方面与传统法相同。（七）纯氧曝气活性污泥法主

18、要特点：a.纯氧中氧的分压比空气约高5倍，纯氧曝气可大大提高氧的转移效率；b.氧的转移率可提高到80-90%，而一般的鼓风曝气仅为10%左右；c.可使曝气池内活性污泥浓度高达40007000mg/l，能够大大提高曝气池的容积负荷；d.剩余污泥产量少，SVI值也低，一般无污泥膨胀之虑。（八）浅层低压曝气法又称Inka曝气法1)理论基础：只有在气泡形成和破碎的瞬间，氧的转移率最高，因此，没有必要延长气泡在水中的上升距离；2)其曝气装置一般安装在水下0.80.9米处，因此可以采用风压在1米以下的低压风机，动力效率较高，可达1.802.60kgO2/kw.h；3)其氧转移率较低，一般只有2.5%；4)

19、池中设有导流板，可使混合液呈循环流动状态。（九）深水曝气活性污泥法1)主要特点：a.曝气池水深在78m以上，b.由于水压较大，氧的转移率可以提高，相应也能加快有机物的降解速率；c.占地面积较小。2)一般有两种形式：a.深水中层曝气法（空气扩散装置设在深4m左右处）； b.深水深层曝气法（空气扩散装置仍设于池底部）。（十）深井曝气活性污泥法又称超深水曝气法1)工艺流程：一般平面呈圆形，直径约介于16m，深度一般为50150m。2)主要特点：a.氧转移率高，约为常规法的10倍以上；b.动力效率高，占地少，易于维护运行；c.耐冲击负荷，产泥量少；d.一般可以不建初次沉淀池；e.但受地质条件的限制。各

20、种活性污泥法的设计参数(处理城市污水,仅为参考值)设计参数传统活性污泥法完全混合活性污泥法阶段曝气活性污泥法BOD5SS负荷(kgBOD5/kgMLSS.d)0.20.40.20.60.20.4容积负荷(kgBOD5/m3.d)0.30.6082.00.61.0污泥龄(d)515515515MLSS(mg/l)150030003000600020003500MLVSS(mg/l)120024002400480016002800回流比(%)2550251002575曝气时间HRT(h)483538BOD5去除率(%)859585908590设计参数吸附再生活性污泥法延时曝气活性污泥法高负荷活性污

21、泥法BOD5SS负荷(kgBOD5/kgMLSS.d)0.20.60.050.151.55.0容积负荷(kgBOD5/m3.d)1.01.20.10.41.22.4污泥龄(d)51520300.252.5MLSS(mg/l)吸附池10003000再生池40001000030006000200500MLVSS(mg/l)吸附池8002400再生池3200800024004800160400回流比(%)2510075100515曝气时间HRT(h)吸附池0.51.0再生池3618481.53.0BOD5去除率(%)8090956075设计参数纯氧曝气活性污泥法深井曝气活性污泥法BOD5SS负荷(k

22、gBOD5/kgMLSS.d)0.41.01.01.2容积负荷(kgBOD5/m3.d)2.03.23.03.6污泥龄(d)5155MLSS(mg/l)60001000030005000MLVSS(mg/l)4000650024004000回流比(%)25504080曝气时间HRT(h)1.53.01.02.0溶解氧浓度DO(mg/l)610SVI(ml/g)3050BOD5去除率(%)759585902.2.1.5 活性污泥系统的曝气一、曝气池的型式与构造(一)曝气池的分类：根据混合液在曝气池内的流态，可分为推流式、完全混合式和循环混合式三种；根据曝气方式，可分为鼓风曝气池、机械曝气池以及二

23、者联合使用的机械鼓风曝气池；根据曝气池的形状，可分为长方廊道形、圆形、方形以及环状跑道形等四种；根据曝气池与二沉池之间的关系，可分为合建式（即曝气沉淀池）和分建式两种。(二)曝气池的流态推流式、完全混合式、循环混合式1、推流式曝气池2、完全混合式曝气池3、循环混合式曝气池：氧化沟(三)曝气池的构造 曝气池在构造上应满足曝气充氧、混合的要求，因此，曝气池的构造首先取决于曝气方式和所采用的曝气装置。二、曝气的原理、方法及设备(一)曝气的原理1.曝气的作用：充氧：向活性污泥微生物提供足够的溶解氧，以满足其在代谢过程中所需的氧量。搅动混合：使活性污泥在曝气池内处于剧烈搅动的悬浮状态能够与废水充分接触。2.氧转移的理论基础： 双膜理论模型的示意图：(或称氧转移模式图（双膜理论）)边界层紊流紊流层流层流ygyiCLCiPiPg液膜气膜气相主体液相主体 （1） 式中：氧总转移系数，h-1，此值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中阻力大，则值低，反之则值高。的倒数1/KLa的单位为（h），它所表示的是曝气池中溶解氧浓度从提高到Cs所需要的时间。为了提高dC/dt值，可以从两方面考虑：