水污染控制工程授课教案.doc

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1、水污染控制工程授课教案目录第一章污水水质和污水出路11.1 污水质12.2 污染物在水体环境中的迁移与转化22.3 污水出路4第二章污水的物理处理42.1格栅和筛网52.2 沉淀的基础理论62.3沉砂池92.4 沉淀池122.5调节池162.6 隔油和破乳172.7 浮上法182.8过滤23第三章污水的化学处理293.1化学混凝法293.2中和法313.3化学沉淀法323.4氧化还原法32第四章污水的物理化学法处理324.1吸附法324.2离子交换法344.3萃取法354.4膜析法36第五章废水处理的基本概念和生化反应动力学385.1废水的好氧生物处理和厌氧生物处理385.2微生物的生长规律和

2、生长环境415.3反应速度和反应级数425.4米歇里斯-门坦方程式445.5莫诺特方程式455.6废水生物处理工程的基本数学式46第六章稳定塘和污水的土地处理476.1 稳定塘486.2 污水土地处理52第七章污水的好氧生物处理（二）生物膜法 527.1生物滤池537.2生物转盘617.3 生物接触氧化637.4 生物流化床64第八章污水的好氧生物处理（二）活性污泥法668.1基本概念668.2活性污泥法的设计计算688.3活性污泥法的发展和演变718.4活性污泥法的设计计算738.5活性污泥法系统设计和运行中的一些重要问题828.6二沉池85第九章污水的厌氧生物处理869.1厌氧生物处理的基

3、本原理869.2污水的厌氧生物处理方法869.3厌氧生物处理法的设计879.4厌氧和好氧技术的联合87第十章城市污水的深度处理8810.1氮、磷的去除8810.2城市污水的三级处理94第十一章污泥的处理和处置9411.1污泥的来源、性质和数量9411.2污泥的处置及其前处理9711.3污泥浓缩9811.4污泥的稳定9911.5污泥的调理10011.6污泥脱水10111.7污泥的干燥与焚化10211.8污泥的管道输送103第十二章污水处理厂的设计10312.1厂址选择10312.2厂、站处理方法和流程的选择10412.3污水厂的平面布置10412.4污水处理厂的高程布置104水污染控制工程授课教

4、案上部：水处理技术I第一章 污水水质和污水出路学时分配：2学时本章教学要点：重点在于要求学生掌握水体自净作用的定义、机理，了解污水回用领域及水质要求。教学内容：1.1 污水质污水水质通用三大类指标：一、 物理性指标：1、温度：工业废水常引起水体热污染。2、色度：感官性指标，水的色度来源于金属化合物和有机化合物。3、嗅和味：感官性指标，水的异臭来源于还原性硫和氮的化合物、挥发性有机物和氯气等污染物质。4、固体物质：溶解物质和悬浮固体物质。二、化学性指标：1、有机物：（1）生化需氧量（BOD）：biological oxygen demand，在规定条件下的微生物氧化分解污水或受污染的天然水样中有

5、机物所需要的氧量（20，5d）。反映了在有氧的条件下，水中可生物降解的有机物的量主要污染特性（以mg/L为单位）。有机污染物被好氧微生物氧化分解的过程，一般可分为两个阶段：第一个阶段主要是有机物被转化成二氧化碳、水和氨；第二阶段主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐。污水的生化需氧量通常只指第一阶段有机物生物氧化所需的氧量，全部生物氧化需要20100d完成。实际中，常以5d作为测定生化需氧量的标准时间，称5日生化需氧量（BOD5）；通常以20为测定的标准温度。（2）化学需氧量（COD）：chemical oxygen demand，用化学方法氧化分解废水水样中有机物过程中所消耗的氧化剂量折合成氧量（

6、O2）（mg/L）。常用的氧化剂主要是重铬酸钾K2Cr2O7 （称 CODCr )和高锰酸钾KMnO4 (称CODMn 或OC ) 。酸性条件下，硫酸银作为催化剂，氧化性最强。废水中无机的还原性物质同样被氧化。如果废水中有机物的组成相对稳定，则化学需氧量和生化需氧量之间应有一定的比例关系：生活污水通常在0.40.5。（3）总有机碳（TOC）和总需氧量（TOD）TOC: total organism carbon，在950高温下，以铂作为催化剂，使水样气化燃烧，然后测定气体中的CO2含量，从而确定水样中碳元素总量。测定中应该去除无机碳的含量。TOD: total oxygen demand，在9

7、00950高温下，将污水中能被氧化的物质（主要是有机物，包括难分解的有机物及部分无机还原物质），燃烧氧化成稳定的氧化物后，测量载气中氧的减少量，称为总需氧量（TOD）。TOD测定方便而快速。各种水质之间TOC或TOD与BOD不存在固定的相关关系。在水质条件基本不变的条件下，BOD与TOC或TOD 之间存在一定的相关关系。（4）油类污染物石油类：来源于工业含油污水。动植物油脂：产生于人的生活过程和食品工业。油类污染物进入水体后影响水生生物的生长、降低水体的资源价值。油膜覆盖水面阻碍水的蒸发，影响大气和水体的热交换。油类污染物进入海洋，改变海水的反射率和减少进入海洋表层的日光辐射，对局部地区的水文

8、气象条件可能产生一定影响。大面积油膜将阻碍大气中的氧进入水体，从而降低水体的自净能力。石油污染对幼鱼和鱼卵的危害很大，堵塞鱼的鳃部，能使鱼虾类产生石油臭味，降低水产品的食用价值。破坏风景区，危害鸟类生活。（5）酚类污染物酚污染来源：煤气、焦化、石油化工、木材加工、合成树脂等工业废水。原生质毒物，可使蛋白质凝固，引起神经系统中毒。酚浓度低时，能影响鱼类的洄游繁殖。酚浓度达0.10.2mg/L时，鱼肉有酚味。酚浓度高会引起鱼类大量死亡，甚至绝迹。酚的毒性可抑制水中微生物的自然生长速度，有时甚至使其停止生长。酚能与饮用水消毒氯产生氯酚，具有强烈异臭（0.001mg/L即有异味，排放标准0.5mg/L

9、 ）。灌溉用水酚浓度超过5mg/L时, 农作物减产甚至枯死。2、无机性指标（1）植物营养元素：过多的氮、磷进入天然水体，易导致富营养化，使水生植物尤其是藻类大量繁殖，造成水中溶解氧急剧变化，影响鱼类生存，并可能使某些湖泊由贫营养湖发展为沼泽和干地。（2）pH和碱度：一般要求处理后污水的pH在69之间。当天然水体遭受酸碱污染时，pH发生变化，消灭或抑制水体中生物的生长，妨碍水体自净，还可腐蚀船舶。碱度指水中能与强酸定量作用的物质总量，按离子状态可分为三类：氢氧化物碱度；碳酸盐碱度；重碳酸盐碱度。（3）重金属：作为微量金属元素。重金属的主要危害：生物毒性，抑制微生物生长，使蛋白质凝固;逐级富集至人

10、体，影响人体健康。三、生物性指标（1）细菌总数：水中细菌总数反映了水体有机污染程度和受细菌污染的程度。常以细菌个数/mL计。饮用水：100个/ mL ，医院排水： 500个/ mL。（2）大肠菌群：大肠菌群的值可表明水样被粪便污染的程度，间接表明有肠道病菌存在的可能性。常以大肠菌群数/L计。饮用水：3个/L，城市排水：10000个/L。来源及危害：来源：生活污水：肠道传染病、肝炎病毒、SARS、寄生虫卵等；制革屠宰等工业废水：炭疽杆菌、钩端螺旋体等；医院污水：各种病原体。危害：传播疾病，影响卫生，导致水体缺氧。1.2 污染物在水体环境中的迁移与转化一、水体的自净作用河流的自净作用是指河水中的污

11、染物质在河水向下游流动中浓度自然降低的现象。根据净化机制分为三类：（1） 物理净化：稀释、扩散、沉淀（2） 化学净化：氧化、还原、分解（3） 生物净化：水中微生物对有机物的氧化分解作用1、污水排入河流的混合过程（1）竖向混合阶段：污染物排入河流后因分子扩散、湍流扩散、弥散作用逐步向河水中分散，由于一般河流的深度与宽度相比较小，所以首先在深度方向上达到浓度分布均匀，从排放口到深度上达到浓度分布均匀的阶段称为竖向混合阶段，同时也存在横向混合作用。（2）横向混合阶段：当深度上达到浓度分布均匀后，在横向上还存在混合过程。经过一定距离后污染物在整个横断面上达到浓度分布均匀，这一过程称为横向混合阶段。（3

12、）断面充分混合后阶段：在横向混合阶段后，污染物浓度在横断面上处处相等。河水向下游流动的过程中，持久性污染物的浓度将不再变化，非持久性污染物浓度将不断减少。2、持久污染物的稀释扩散当持久性污染物随污水稳态排入河流后，经过混合过程达到充分混合阶段时，污染物浓度可由质量守恒原理得出河流完全混合模式：式中：排放口下游河水的污染物浓度；w，qvw污水的污染物浓度和流量； h，qvh上游河水的污染物浓度和流量。3、非持久性污染物的稀释扩散和降解河断面达到充分混合后，污染物浓度受到纵向分散作用和污染物的自身分解作用不断减小。根据质量守恒原理，其变化过程可用下式描述：式中：u河水流速； x初始点至下游x断面处

13、的距离；Mx纵向分散系数；K污染物分解速度常数；0初始点的污染物浓度；4、氧垂曲线水体受到污染后，水体中溶解氧逐渐被消耗，到临界点后又逐步回升的变化过程，称氧垂曲线。有机物降解： 氧垂曲线的求解： 某点处的氧不足量变化速率是该处耗氧速率和复氧速率之和：求解得某点的亏氧量：某点的溶解氧： c= cs- D到达最缺氧点时间dD /dt=0：二、污染物在不同水体中的迁移转化规律污染物在河流中的扩散和分解受到河流的流量、流速、水深等因素的影响。河口是指河流进入海洋前的感潮河段。河口污染物的迁移转化受潮汐影响，受涨潮、落潮、平潮时的水位、流向和流速的影响。湖泊水库的贮水量大，但水流一般比较慢，污染物的稀

14、释、扩散能力较弱。海洋虽有巨大的自净能力，但是海湾或海域局部的纳污和自净能力差别很大。污染物在地下水中的迁移转化受多种因素影响，地下水一旦污染，要恢复原状非常困难。2.3 污水出路污水的最终出路：排放水体；工农业利用；地下水回灌。一、污水排放水体的限制污水综合排放标准GB89781996；城镇污水处理厂污染物排放标准GB 189182002 ；地表水环境质量标准GB 38382002 ；海洋水质量标准GB3097。二、 污水回用应满足的要求污水回用应满足的要求：对人体健康不应产生不良影响；对环境质量和生态系统不应产生不良影响；对产品质量不应产生不良影响；应符合应用对象对水质的要求或标准；应为使

15、用者和公众所接受；回用系统在技术上可行，操作简便；价格应比自来水低廉。城市污水回用的几个方面：1、 城市生活用水和市政用水：（1） 供水（2） 城市绿地灌 溉（3） 市政与建筑用水（4） 城市景观2、 农业、林业、渔业和畜牧业3、 工业（1）工艺生产用水（2）冷却用水（3）锅炉补充水（4）其他杂用水4、地下水回灌5、其他方面第二章 污水的物理处理学时分配：16本章教学要点：重点掌握掌握格栅、调节池、平流式沉砂池、沉淀池、平流式隔油池和压力溶气浮上法、过滤的工作原理和设计计算，熟悉沉淀的类型和沉淀池的形式。本章难点：沉淀池的工作原理及斜板（管）沉淀池的设计计算。教学内容：2.1格栅和筛网一、格栅

16、的作用作用：去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大悬浮物，并保证后续处理设施能正常运行。格栅由一组（或多组）相平行的金属栅条与框架组成，倾斜安装在进水的渠道，或进水泵站集水井的进口处，以拦截污水中粗大的悬浮物及杂质。选用栅条间距的原则：不堵塞水泵和水处理厂、站的处理设备。格栅所截留的污染物数量与地区的情况、污水沟道系统的类型、污水流量以及栅条的间距等因素有关，可参考的一些数据：1、当栅条间距为1625mm时，栅渣截留量为0.100.05m3/（103m3污水）；2、当栅条间距为40mm左右时，栅渣截留量为0.030.01 m3/（103m3污水）；3、栅渣的含水率约为80%，密度约为960kg

17、/m3。格栅的清渣方法：1、人工清除：与水平面倾角：4560，设计面积应采用较大的安全系数，一般不小于进水渠道面积的2倍，以免清渣过于频繁。2、 机械清除：与水平面倾角：6070，过水面积一般应不小于进水管渠的有效面积的1.2倍。格栅栅条断面形状：圆形；矩形；方形。圆形的水力条件较方形好，但刚度较差目前多采用断面形状为矩形的栅条。过格栅渠道的水流流速：格栅渠道的宽度要设置得当，应使水流保持适当流速，一方面泥沙不至于沉积在沟渠底部；另一方面截留的污染物又不至于冲过格栅，通常采用0.40.9m/s。污水过栅条间距的流速：为防止栅条间隙堵塞，一般采用0.61.0m/s；最大流量时可高于1.21.4m

18、/s；渐扩20，沉底大于水头损失。二、格栅的设计与计算 通过格栅的水头损失h2的计算：式中： h0计算水头损失，m；v污水流经格栅的速度，m/s；阻力系数，其值与栅条断面的几何形状有关； 格栅的放置倾角； g重力加速度，m/s2；k考虑到格栅受污染物堵塞后阻力增大的系数，可用式：k=3.36v-1.32求定，一般采用k=3。城市污水一般取0.10.4m。1. 格栅的间隙数量n式中：qvmax最大设计流量，m3/s；d栅条间距，m；h栅前水深，m；v污水流经格栅的速度，m/s。2.格栅的建筑宽度b式中：b格栅的建筑宽度；s栅条宽度，m。3.栅后槽的总高度h总式中:h栅前水深，m；h2格栅的水头损

19、失,m；h1格栅前渠道超高，一般h1=0.3m。4.格栅的总建筑长度L式中：L1进水渠道渐宽部位的长度，m；其中:b1 进水渠道宽度m；1 进水渠道渐宽部位的展开角度，一般1=20；L2 格栅槽与出水渠道连接处的渐窄部位的长度，一般L2=0.5L1 ；H1格栅前的渠道深度,m。5.每日栅渣量W式中：W1栅渣量，m3/(103m3污水)；KZ生活污水流量总变化系数。三、 筛网作用：用于废水处理或短小纤维的回收形式：振动筛网；水力筛网格栅、筛网截留的污染物的处置方法：填埋；焚烧（820以上）；堆肥；将栅渣粉碎后再返回废水中，作为可沉固体进入初沉池。2.2 沉淀的基础理论一、概述沉淀法是利用水中悬浮

20、颗粒的可沉降性能，在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。沉淀处理工艺的四种用法:1、 沉砂池：用以去除污水中的无机易沉物。2、 初次沉淀池：较经济地去除，减轻后续生物处理构筑物的有机负荷。3、 二次沉淀池：用来分离生物处理工艺中产生的生物膜、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。4、 污泥浓缩池：将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓缩，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理费用等。二、沉淀的类型根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀可分成四种类型 ：1、 自由沉淀：悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀, 颗粒沉淀轨迹呈直线。沉淀过程中,颗粒的物理性质不

21、变。发生在沉砂池中。2、 絮凝沉淀：悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀轨迹呈曲线。沉淀过程中，颗粒的质量、形状、沉速是变化的。化学絮凝沉淀属于这种类型。3、 区域沉淀或成层沉淀：悬浮颗粒浓度较高（5000mg/L以上）；颗粒的沉降受到周围其他颗粒的影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，与澄清水之间有清晰的泥水界面。二次沉淀池与污泥浓缩池中发生。4、 压缩沉淀：悬浮颗粒浓度很高；颗粒相互之间已挤压成团状结构，互相接触，互相支撑，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到浓缩。二沉池污泥斗中及浓缩池中污泥的浓缩过程存

22、在压缩沉淀。三、自由沉淀及其理论基础 分析的假定：颗粒为球形；沉淀过程中颗粒的大小、形状、质量等不变；颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他颗粒影响；静水中悬浮颗粒开始沉淀时, 因受重力作用产生加速运动,经过很短的时间后,颗粒的重力与水对其产生的阻力平衡时, 颗粒即等速下沉。悬浮颗粒在水中的受力：重力、浮力。重力大于浮力时，下沉；重力等于浮力时，相对静止；重力小于浮力时，上浮。悬浮颗粒在水中的受力分析：1. 悬浮颗粒在水中受到的力FgFg是促使沉淀的作用力， 是颗粒的重力与水的浮力之差：式中：Fg水中颗粒受到的作用力；V颗粒的体积；S颗粒的密度；L水的密度；g重力加速度。2. 水对自由颗粒的阻

23、力式中：FD水对颗粒的阻力；阻力系数；A自由颗粒的投影面积；uS颗粒在水中的运动速度，即颗粒沉速。球状颗粒自由沉淀的沉速公式：当颗粒所受外力平衡时，即：因：得球状颗粒自由沉淀的沉速公式：当颗粒粒径较小、沉速小、颗粒沉降过程中其周围的绕流速度亦小时，颗粒主要受水的黏滞阻力作用，惯性力可以忽略不计，颗粒运动是处于层流状态。在层流状态下，=24/Re，带入式中，整理得自由颗粒在静水中的运动公式（亦称斯托克斯定律）：式中:水的动力黏度。斯托克斯定律: 由上式可知，颗粒沉降速度us与下述因素有关：1、当s大于L时，s-L为正值，颗粒以us下沉；2、当s与L相等时，us=0，颗粒在水中呈悬浮状态，这种颗粒

24、不能用沉淀去除；3、s小于L时，s-L为负值，颗粒以us上浮，可用浮上法去除。4、us与颗粒直径d的平方成正比，因此增加颗粒直径有助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。5、us与成反比，随水温上升而下降；即沉速受水温影响，水温上升，沉速增大。四、沉淀池的工作原理理想沉淀池 ：分为：进口区域、沉淀区域、出口区域、污泥区域四个部分。理想沉淀池的几个假定：1、 沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为v；2、 悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；3、 在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上；4、 颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。当某一颗粒进入沉淀池后，一方

25、面随着水流在水平方向流动，其水平流速v等于水流速度；式中：v颗粒的水平分速； qv进水流量；A沉淀区过水断面面积，Hb； H沉淀区的水深； b沉淀区宽度。另一方面，颗粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是颗粒的自由沉降速度u。颗粒运动的轨迹为其水平分速v和沉速u的矢量和，在沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度i=u/v。设u0为某一指定颗粒的最小沉降速度。1、当颗粒沉速uu0时，无论这种颗粒处于进口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除，即左上图中的迹线xy与xy。2、 当颗粒沉速uu0时，位于水面的颗粒不能沉到池底，会随水流出，如左下图中轨迹xy所示；而当其位于水面下的某一位置时，它可以沉到

26、池底而被去除，如图中轨迹xy所示。说明对于沉速u小于指定颗粒沉速u0的颗粒，有一部分会沉到池底被去除。设沉速为u1的颗粒占全部颗粒的dP，其中的颗粒将会从水中沉到池底而去除。在同一沉淀时间t，下式成立：故： b 对于沉速为u1（u1u0）的全部悬浮颗粒，可被沉淀于池底的总量为：而沉淀池能去除的颗粒包括uu0以及 u1v时，颗粒将以u-v的差值向下沉淀，颗粒得以去除； 当u=v时，则颗粒处于随遇状态，不下沉也不上升； 当uv时，颗粒将不能沉淀下来，会被上升水流带走。 当颗粒属于自由沉淀类型时，其沉淀效果（在相同的表面水力负荷条件下）竖流式沉淀池的去除率要比平流式沉淀池低。当颗粒属于絮凝沉淀类型时

27、，由于在池中的流动存在着各自相反的状态，就会出现上升着的颗粒与下降着的颗粒，上升颗粒与上升颗粒之间、下沉颗粒与下沉颗粒之间的相互接触、碰撞，致使颗粒的直径逐渐增大，有利于颗粒的沉淀。2、竖流式沉淀池的构造竖流式沉淀池的平面可为圆形、正方形或多角形。 竖流式沉淀池的深、宽（径）比一般不大于3，通常取2。 竖流式沉淀池的中心管如下图所示。三、辐流式沉淀池1、辐流式沉淀池的构造及特点l 辐流式沉淀池是一种大型沉淀池，池径可达100m,池周水深1.53.0m。l 有中心进水、周边进水、周进周出、旋转臂配水等几种形式。l 沉淀与池底的污泥一般采用刮泥机刮除，对辐流式沉淀池而言，目前常用的刮泥机械有中心传

28、动式刮泥机和吸泥机以及周边传动式的刮泥机与吸泥机等。 2、周边进水辐流式沉淀池的入流区在构造上的特点l 进水槽断面较大，而槽底的孔口较小，布水时的水头损失集中在孔口上，故布水比较均匀。l 进水挡板的下沿深入水面下约2/3深度处，距进水孔口有一段较长的距离，这有助于进一步把水流均匀地分布在整个入流渠的过水断面上，而且废水进入沉淀区的流速要小得多，有利于悬浮颗粒的沉淀。四、斜流式沉淀池1、斜流式沉淀池的构造斜流式沉淀池是根据浅池理论，在沉淀池的沉淀区加斜板或斜管而构成。它由斜板（管）沉淀区、进水配水区、清水出水区、缓冲区和污泥区组成。按斜板或斜管间水流域污泥的相对运动方向来区分，斜流式沉淀池有同向

29、流和异向流两种。污水处理中常采用升流式异向流斜流沉淀池。 异向斜流式沉淀池中，斜板（管）于水平面呈60角，长度通常为1.0m左右，斜板净距（或斜管孔径）一般为80100mm。斜板（管）区上部清水区水深为0.71.0m，底部缓冲层高度为1.0m。2、斜流式沉淀池在废水处理中的应用斜流式沉淀池具有沉淀效率高、停留时间短、占地少等优点，在给水处理中得到比较广泛的应用，在废水处理中应用不普遍。在选矿水尾矿浆的浓缩、炼油厂含油废水的隔油等方面已有较成功的经验，在印染废水处理和城市污水处理中也有应用。2.5 调节池调节池的作用和目的：作用: 调节水量、均和水质、贮存事故水目的: 防止冲击负荷：生物处理设备控制pH：有利于中和处理减小波动：物化处理系统药剂投加与废水进入同步连续处理：工厂间断排水，废水连续处理保护城市管网：处理符合均匀减小毒物冲击：生物处理设备一、水量调节池变容水量调节池：Qout = constant ；Qin变化1、调节池容积的求法（一）流量曲线图解法（1）. 以时间t为横坐标，流量Q为纵坐标作图；（2）. 曲线围成的面积为废水总量WT；（3）. 计算平均流量（4）. 计算出调节池容积V。2、调节池容