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1、第20章 自然生物处理,主讲教师：娄金生教授,南华大学建筑工程与资源环境学院给水排水教研室,课程内容,1、概述 2、水体中碳氮与能量循环3、稳定塘 4、污水的土地处理5、自然生物处理新进展6、工程实例 7、思考题和习题,20.1 概述,自然处理系统（NaturalTreatmentSystems）分为稳定塘系统和土地处理系统。稳定塘系统（AquaticSystems）通过水水生生物系统（菌藻共生系统和水生生物系统）对污水进行自然处理。土地处理系统（SoilbasedSystem）利用土壤微生物植物系统的陆地生态系统的自我调控机制和对污染物的综合净化功能，对污水进行净化。,污水自然处理系统的净化
2、作用主要是利用土壤浅表层中的物理作用、化学作用和微生物的生化作用。与常规处理技术相比，前者具有工艺简便、操作管理方便、建设投资和运转成本低的特点。建设投资仅为常规处理技术的1213，运转费用仅为常规处理技术的12110，可大幅度降低污水处理成本。而且净化效果良好，净化水质可达二级以上处理水平。,返回,20.2 水体中碳氮与能量循环,氮在水体中的转化与循环途径主要是：1氨化作用:有机氮化合物在微生物作用下分解为氨态氮。2硝化作用:氨态氮在硝化菌的作用下，转化为硝酸氮。反应式为：3反硝化作用:硝酸氮在反硝化菌的作用下，还原成分子态氮。反应式为：式中CH3COOH表示反硝化菌所需要的有机碳源,4挥发
3、作用:水中的NH3向大气挥发，其量可达21%。5吸收作用:微生物及水生植物，吸收铵氮或硝氮作为营养。6分解作用:沉淀在沉积层中的有机氮在厌氧菌的作用下分解。,第20章 自然生物处理,第20章 自然生物处理,返回,20.3 稳定塘,20.3.1 好氧塘与厌氧塘20.3.1.1概述,好氧塘深度一般在0.5m左右，好氧塘内高效地进行着光合作用。DO的变化：白天饱和状态，夜间降低，凌晨时最低；PH的变化：白天PH上升，夜间降低。根据有机物负荷率的高低，好氧塘可分为三种：高负荷好氧塘：BOD52d；普通好氧塘：BOD52d；深度处理好氧塘：BOD5表面负荷率：0.0005kg/m2d。污水在进入好氧塘前
4、必须进行沉淀预处理。厌氧塘是依靠厌氧菌的代谢功能使有机污染物得到降解，具有以下特点：1只有细菌，产酸菌、产氢、产乙酸菌和产甲烷菌共存；2反应速度慢，进程长；3一切条件必须符合甲烷菌的要求；4多用以处理高浓度且水量不大的有机废水。厌氧塘一般为首塘，可代替初沉池。,20.3.1.2设计计算,1.好氧塘 好氧塘的计算，主要内容是确定塘的表面面积。应以塘深处的面积作为设计计算平面。近表面有机负荷率进行计算。计算公式为：式中：A好氧塘的有效面积，m2；Q污水设计流量，m3/d；S0原污水的BOD5浓度，kg/m3NABOD面积负荷率，kg/(m2d)BOD面积负荷率应根据试验或相近地区污水性质相近的好氧
5、塘的运行数据确定。表20-1为好氧塘典型设计参数，供参考选用。,第20章 自然生物处理,2厌氧塘 1）设计参数 aBOD表面负荷率厌氧塘为了维持其厌氧条件，应规定其最低BOD表面负荷率。如果厌氧塘的BOD表面负荷率过低，其工况就将接近于兼性塘。最低容许BOD表面负荷率与BOD5容积负荷率、气温有关。我国北方可采用300kgBOD/(104m2d)、(200600)kgBOD5/(104m2d)。我国给水排水设计手册对厌氧塘处理城市污水的建议负荷率值为2060gBOD5/(m2d)、(200600)kgBOD5/(104m2d)。bBOD容积负荷,第20章 自然生物处理,cVSS容积负荷率 VS
6、S容积率用于厌氧塘处理VSS含量废水的设计。下面是国外对几种工业废水厌氧塘采用的VSS容积负荷。家禽粪水 0.0630.16kgVSS/(m3d)奶牛粪水 0.1661.12kgVSS/(m3d)猪粪水 0.0640.32kgVSS/(m3d)菜牛屠宰废水 0.593kgVSS/(m3d)d.水力停留时间 污水在厌氧塘内的停留时间，采用的数值介于很大的幅度内，无成熟数据可以遵循，应通过试验确定。我国给水排水设计手册的建议值，对城市污水是3050d。国外有长达160d的设计运行数据，但也有短为12d的。,2）厌氧塘的形状和主要尺寸 a.厌氧塘表面仍以矩形为宜，长宽比22.5:1。b.塘深，厌氧塘
7、的有效深度（包括污泥层深度）为35m，当土壤和地下水条件适宜时，可增大到6m。处理城市污水用厌氧塘的塘深为1.03.6m处理城市污水的厌氧塘底部储泥深度，不应小于0.5m，污泥量按50L/(人a)计算。污泥清除周期为510年。c.保护高度0.61.0m。d.塘底略具坡度，堤内坡1:11:3。e.厌氧塘的单塘面积不应大于8000m2(0.8104m2)f.厌氧塘一般位于稳定塘系统之首，截留污泥量较大，因此，宜设并联的厌氧塘，以便轮换清除塘泥。g.厌氧塘进出口，厌氧塘进口一般按设在高于塘底0.61.0m处，使进水与塘底污泥相混合。塘底宽度小于9m时，可以只用一个进口，宽塘 应采用多个进口。进水管径
8、200300mm。出水口为淹设式，深入水下0.6m，不得小于冰层厚度或浮渣层厚度。,20.3.2 兼性塘20.3.2.1概述,图 20-3 所示为典型的兼性塘净化功能模式。在各种类型的氧化塘中，兼性塘是应用最为广泛的一种。塘的上层为好氧层；塘的底部为厌氧层；在好氧层和厌氧层之间存在一个兼性层，该层存活的是兼性微生物，它们能够利用水中游离的氧也能够在厌氧条件下，从或中摄取氧。兼性塘的=(7090)%。,20.3.2.2计算,兼性塘计算的主要内容也是求定塘的有效面积。对兼性塘仍多采用经验数据进行计算。1设计参数 1)兼性塘可以作为独立处理技术考虑，也可以作为生物处理系统中的一个处理单元，或者作为深
9、度处理塘的预处理工艺。2)塘深。一般采用1.22.5m，污泥层厚度取值0.3m 3)停留时间。一般规定为7180d，幅度很大。4)BOD5表面负荷率。按0.00020.010kg/(m2d)考虑.,5)BOD去除率一般可达70%90%。6)藻类浓度取值10100mg/L 7)如采取处理水循环措施，循环率可为0.22.0。2在塘的构造方面应考虑的因素 1)塘形，以矩形为宜，矩形塘易于施工和串联组合，有助于风对塘水的混合，而且死角少，长宽比以2:1或3:1为宜。2)塘数，除小规模的兼性塘可以考虑采用单一的塘进行处理外，一般不宜少于2座。宜采用多级串联，第一塘面积大，约占总面积的30%60%，采用较
10、高的负荷率，以不使塘都处理厌氧状态为限。串联可得优质处理水。3)进水口，矩形塘进水口应尽量使塘的横断面上配水均匀，宜采用扩散管或多点进水。4)出水口，出水口与进水口之间的直线距离应尽可能的大，一般在矩形塘按对角线排列设置，以减少短路。应参照有关资料进行。,20.3.3 其他稳定塘,20.3.3.1曝气塘 人工机械曝气向塘内污水供氧根据曝气强度大小分二类：好氧曝气塘：功率较大，全部生物污泥都处于悬浮状态；兼性曝气塘：功率较小，部分污泥悬浮，部分污泥沉积。,深度处理塘深度处理塘为三级处理塘，设置在二级处理工艺之后或稳塘系统之后，采用好氧塘或曝气塘的形式。深度处理塘能去除以下物质：1）去除BOD、C
11、OD：BOD=（3060）%；COD=（1025）%；2）去除细菌；3）去除藻类：养鱼除藻；4）去除N、P深度处理塘的计算在当前仍采用负荷率进行，根据去除对象的不同而采用不同的负荷率及他各项设计参数。,第20章 自然生物处理,20.3.3.3控制出水塘1）概述设于北方地区，冬季贮水，天气转暖生物降解功能恢复正常时才开始运行的稳定塘，一般是兼性塘类型。2）设计要点污水进塘前要经过一级处理，多级塘串联、并联方式运行均可，塘数不得少于2座。塘形宜根据地形选用，但要避免产生短流现象。,返回,20.4 污水的土地处理,20.4.1 污水灌溉系统,污水灌溉存在以下问题：1不能解决污水的终年问题（为雨季及冬
12、季），往往不能进行终年泼水灌溉。非灌溉期间污水若不经贮存排入地表水体，会造成地表水污染。2污水灌溉农田后出水不加收集，不能有效控制排放与利用。3如污水达不到农田灌溉标准，则会影响作物的生长、产量和品质，特别是污水中的重金属和化学有机合成物含在作物的某些部位富集，对人体健康造成危害。4重金属在土壤中积累会影响土壤的特性和使用。,第20章 自然生物处理,20.4.2 土地渗滤系统,1慢速渗滤系统用于渗透水性能良好的土壤（如砂质土壤），它适用于蒸发量小，气候湿润地区；慢速渗滤系统用表面布水或喷灌布水，对污水的BOD5、COD、N的去除率分别为：2快速渗滤系统 污水周期地向渗滤田灌水和休灌，表层土壤交
13、替地处于厌氧-好氧状态，有机物被土层中的微生物所分解，同时也对N、P进行了去除。各种指标的去除率为：,20.4.3 湿地处理系统 将污水投配到沼泽地上，污水沿一定方向流动，在耐水植物的土壤联合作用下而得到净化的一种土地处理工艺。湿地处理系统可分为以下几种类型：1天然湿地系统 利用天然洼地、苇塘，并加以人工修整而成。中设导流土堤，使污水沿一定方向流动，H一般在3080cm之间，不超过1.00m，净化作用与好氧塘相似。1）由水面人工湿地 用人工筑成水了或沟槽状，地面铺设隔水层以防渗漏，再充填一定深度的土壤层，土壤层种植芦苇一类的维管束植物，污水由湿地的一端通过布水装置进入，并以较浅的水层在地表上以
14、推流方式向前流动，从另一端溢入集水沟，在流动地程中保持着自由水面。有机负荷率介于18110kgBOD5/(had)，幅度较大。,第20章 自然生物处理,2）人工潜流湿地处理系统 人工潜流湿地处理系统是人工筑成的床槽，床内充填介质支持芦苇类的挺水植物生长，床底设粘土隔水层，并具有一定的坡度。污水从沿床宽度设置的布水装置进入，水平流动通过介质，与布满生物膜的介质表面和溶解氧充分的植物根区接触，在这一过程中得到净化。,返回,20.5 自然生物处理新进展,20.5.1水解池-稳定塘生物处理系统的新工艺 稳定塘占地面积大，冬季水温低，影响处理效果，应用水解代替沉淀池作为预处理构筑物，以提高污水的可生化性
15、，并减少悬浮物。在水解池部分大分子难降解物质在水解池中经历了水解和酸化两个阶段，变成了小分子易降解的有机酸，使污水在后续的塘中降解更快。从污泥沉淀角度讲，稳定塘的底泥来源主要是进水悬浮物和塘中生长的藻类。水解-稳定塘系统能有效地从两方面加以控制。,20.5.2稳定塘的除藻技术 藻类具有降解污染物质的功能，但只是使有机污染物质转移到藻类中，并没有最后去除。如果处理不当，就会造二次污染。国外所采用的除藻技术有自沉淀、混凝沉淀、气浮和过滤等技术。这里介绍两种比较有效的方法。(1)在稳定塘的最后一塘放养水生植物。由于水生植物覆盖了水面，阴隔了光照，藻类不能进行正常光合作用，因此沉淀至塘底，使出水水质改
16、善。如放养水葫芦、浮萍。(2)气浮除藻。近年来通过对气浮设备的改进，使气浮的处理成本大幅度下降。,20.5.3污水地下渗滤处理技术 污水在土壤的渗滤作用和毛细管作用下，污水向四周扩散，通过过滤、沉淀、吸附和微生物作用降解，污水得到净化。这种的污水处理法称之为污水地下渗滤处理系统。这种工艺具有以下特征：(1)整体处理系统都设于地下，无损于地面景观，而且能够种植绿色杆物，美化环境。(2)不受外界气温变化的影响，或影响较小。(3)易于建设、便于维护、不堵塞、建设搞资少、运行费用低；(4)对进水负荷的变化适应性较强，耐受冲击负荷；(5)如运行得当，处理水水质良好、稳定、可回用于灌溉、浇灌城市绿化地、街
17、心公园等。,第20章 自然生物处理,污水地下渗滤处理技术，现在国外采用的种类很多，不下几十种，本节择其中主要的几种加以阐述。(1)污水土壤渗滤净化沟 在本系统中，污水先经化粪池，或沉淀池等预处理构筑物处理，去除其中的悬浮物，然后进入埋在地下的渗滤沟和带孔的布水管，从布水管中缓慢地向周围土壤浸润、渗透和扩散。布水管一般埋设在距地面0.4m左右的深度其周围铺满砾石层底部宽0.50.7m，其下部铺厚约为0.2m的砂。水力负荷是维持本工艺正常运行的关键因素。水力负荷值不能过大，应根据测得的土壤渗透能力以确定适当适宜的水力负荷。,(2)毛管浸润渗滤沟 本工艺也称为尼米(Niimi)系统，是日本开发的。是
18、利用土壤毛管浸润扩散原理研制的一种浅型土壤污水处理系统。污水经预处理后进入陶土管，在其周围铺毛管砾石层，其下铺砂层，砂层下铺有机树脂膜，以防止污水污染地下水。污水通砂砾的毛细管虹吸作用，缓慢地上升，并向其四周浸润、扩散，进入周围土壤，在地面下0.30.5m的土壤层内存活着大量的微生物，在这些微生物的作用下，污水中的有机污染物被吸附、降解，通过生物土壤系统的复杂而又互联系和互相制约的作用下，污水得到净化。,返回,20.6 工程实例,20.6.1稳定塘实例 某县的河水实际是一天然排水沟，长期受工业及生活污水的污染，严重影响沿河村民的身体健康。该河旱季流量在20002800m3/d之间，是由上游十几
19、家单位排放的污水，污水BOD5据测定为50100mg/L，悬浮物5873mg/L，同时该河在雨季有排洪的功能。根据现场踏勘，稳定塘选址拟在该村村南250m处，紧靠河床的一片弃耕多年的耕地，面积约20000m2(约30亩)，长300m，宽60m。将稳定塘建在此，可以使河水在进村前得到净化，并且该位置远离居民，建塘不会带来明显的环境问题。20.6.1.1设计水质BOD5=100mg/L；COD=200mg/L；SS=100mg/L。经过稳定塘处理后的水质，在312月可以达到以下水平：BOD20mg/L；COD100mg/L；SS20mg/L。,20.6.1.2设计工艺上的考虑(1)排洪与处理相结合
20、 本着因地制宜、综合利用、尽量减肥少基建投资和运行费用的原则，进行工艺设计。采用筑坝将水头抬高1m，自流进入稳定塘。为了防洪，在河道上砌坝，在雨量小时，坝上设有分洪溢流道，而洪水较大时，则开闸放水。(2)多级串联 根据最新的研究成果，采用多种类型稳定塘串联系统。各塘设计水深1.5m，实际水面13333m2(20亩)，总池容为19500m3,平均停留时间8d，采用多塘有以下考虑。改善了流特性。塘的长宽比为30:1。避免层流、异重流发生，各塘进水口交替为水平和淹没流形式。分为多塘，在第一、四塘种植耐污的水葫芦，第二、三塘藻菌共生塘。这样由于第一、四塘种植了水生植物，抑制了藻类的过度生长，避免了出水
21、中藻类的SS。可以避免由于混合、内部回流和风的搅拌等引起生物群落次序的混乱，使适应一定水质条件的生物种类较为稳定而有效地发挥作用。,第20章 自然生物处理,20.6.2湿地面积设计实例 某城市污水，原水BOD5=200mg/L，要求二级出水BOD520mg/L，采用地表流人工芦苇湿地处理系统，处理水量为10000m3/d，求湿地面积。解：依据试验结果或经验数据可确定基本参数，假定：污水中不可沉淀去除的BOD5份额a=0.52；水温为20时的生化反应速率常数K20=0。0057d-1；活性生物比表面积AV=18.85m2/m3；湿地床水深H=10cm（冬季H=30cm）；系统孔隙度n=0.75。,(1)水力停留时间t 水温为20时：水温为10时：水温为5时：(2)占地面积A 水温为20时：水温为10（水深为20cm）时：水温为5（水深为30cm）时：,返回,思考题1、作为污水生物处理技术，稳定塘具有哪些优、缺点？可以分为哪几种类型？2、简述稳定塘的净化机理和稳定塘对污水的净化作用。3、试以兼性塘为例说明稳定塘降解污染物的机理。4、简述土地处理系统对污水的净化作用机理。习题1、简述水体中碳氮与能量循环过程。2、叙述自然生物技术的新进展。3、好氧塘中DO值和PH值在昼夜是如何变化的？为什么？4、何谓污水湿地处理系统？5、试比较污水土地处理与湿地处理的优缺点？,返回,
