第19章自然生物处理.

第19章自然生物处理教学目的与要求了解稳定塘工艺的基本原理，不同类型及各自的工艺特点；了解土地处理系统的净化机理，类型及各自的工艺特点。稳定塘的净化机理，类型及工艺特点；土地处理系统的净化机理，类型及工艺特点。稳定塘系统的净化机理；土地处理系统的净化机理。教学重点教学难点课程内容19.1水体中碳氮与能量循环19.2稳定塘19.3污水的土地处理19.4自然生物处理新进展19.5工程实例自然处理系统（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1／2—1／3，运转费用仅为常规处理技术的1／2—1／10，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。19.1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能OHHNOONH232322423233222HCOOHCOOHCHHNO4．挥发作用: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。有机氮Org-N氨化氨氮NO3-N硝酸盐氮NO3-N细菌藻类沉积物污水挥发处理水反硝化硝化解体合体反硝化N2固氮作用光合解体合成合成合成沉淀沉淀解体氮在水体中的转化与循环过程O2O2O2O2O2O2O2O2O2河流含氮有机污染物经好氧菌作用产生NH4NH3H2OCO2经亚硝化菌作用产生NO2经硝化菌作用产生NO3有机底泥在缺氧条件下，经厌氧菌作用产生NH3，CH4H2SCO2有氧条件下CO2CH4H2S污水大气复氧+--水体中含氮有机物生物化学净化示意图又名氧化塘（Oxidationponds）、生物塘19.2.1概述1、稳定塘——是经过人工适当的修正的土地，设围堤和防渗层的污水池塘，主要依靠生物净化功能使污水得到净化的一种污水生物处理技术稳定塘（Stabilizationponds）19.2稳定塘一般不人工强化（不是实质性的人工强化）与水体自净过程相似停留时间较长通过微生物+水生生物的多种生物的综合作用，使有机物降解，进而净化污水净化过程包括——好氧，兼氧，厌氧三种状态DO来源于光和作用适用各种污水适用于各种气候条件可以实现从一级到二级到深度处理技术的全过程，一般相当于二级2、稳定塘的分类根据塘水中的微生物优势群体类型和塘水的DO工况来分（1）好氧稳定塘——好氧塘特点——深度浅，一般不超过0.5m，阳光能进入塘底，主要由藻类供氧，全塘处于好氧状态，好氧微生物降解有机物（2）兼性稳定塘——兼氧塘（※城市污水处理常用的一种塘）特点：较深，一般在1.0m以上塘深小于0.5m，好氧状态兼性区——介于好氧与厌氧之间塘底——沉淀污泥，厌氧状态，厌氧发酵净化作用——好氧，兼性，厌氧微生物共同完成（3）厌氧稳定塘——厌氧塘特点：塘深〉2.0m，整个塘基本上都是厌氧状态，有机负荷率高，净化速度低，停留时间长，一般为高浓度有机废水的前级处理工艺，后接其他处理工艺。（4）曝气稳定塘——曝气塘分为好氧曝气塘和兼氧曝气塘特点：h2.0m以上，由表曝机供氧，并对塘水搅动，在曝气条件下，藻类的生长与光合作用受到抑制。（5）深度处理塘——二级处理后用，进一步降低有机物、氮磷等，靠大气复氧和藻类光和作用供氧。根据处理水出水方式分:①连续出水塘②控制出水塘③贮存塘：只进不出靠蒸发和渗透上述的（1）-（5）均按连续出水运行19.2.2好氧塘与厌氧塘1.好氧塘好氧塘深度一般在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：BOD5表面负荷率：0.004-0.016kg/m2·d；普通好氧塘：BOD5表面负荷率：0.002-0.004kg/m2·d；深度处理好氧塘：BOD5表面负荷率：0.0005kg/m2·d。污水在进入好氧塘前必须进行沉淀预处理。流入污水可沉物质风阳光处理水好氧区兼性区厌氧区衰死菌类衰死菌类藻类新细胞光合作用藻类O2好氧分解有机污染物细菌细菌新细胞甲烷有机酸醇厌氧发酵有机污染物厌氧分解厌氧发酵CO2+NH3H2OPO4O2O22CH4CO2NH4污泥层稳定塘内典型的生态系统设计计算好氧塘的计算，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/m3NA——BOD面积负荷率，kg/(m2·d)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塘的运行数据确定。ANQS0A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。2.厌氧塘厌氧塘设计参数a．BOD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/(104m2·d)、(200～600)kgBOD5/(104m2·d)。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20～60gBOD5/(m2·d)、(200～600)kgBOD5/(104m2·d)。b．BOD容积负荷c．VSS容积负荷率VSS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0.063～0.16kgVSS/(m3·d)奶牛粪水0.166～1.12kgVSS/(m3·d)猪粪水0.064～0.32kgVSS/(m3·d)菜牛屠宰废水0.593kgVSS/(m3·d)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30～50d。国外有长达160d的设计运行数据，但也有短为12d的。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2～2.5:1。b.塘深，厌氧塘的有效深度（包括污泥层深度）为3～5m，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1.0～3.6m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5～10年。c.保护高度0.6～1.0m。d.塘底略具坡度，堤内坡1:1～1:3。e.厌氧塘的单塘面积不应大于8000m2(0.8×104m2)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0.6～1.0m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200～300mm。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。1、概述（1）塘深1.0-2.5m上层——好氧（2）中间——变化（DO时有时无）下层——厌氧兼性区：生化反应主导厌氧区：产酸，产氢产乙酸，产甲烷三阶段反应好氧区：与好氧塘一样，（硝化菌）（3）生物相也比较丰富19.2.3兼性塘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，或者作为深度处理塘的预处理工艺。(2)塘深。一般采用1.2～2.5m，污泥层厚度取值0.3m(3)停留时间。一般规定为7～180d，幅度很大。(4)BOD5表面负荷率。按0.0002～0.010kg/(m2·d)考虑.(5)BOD去除率一般可达70%～90%。(6)藻类浓度取值10～100mg/L(7)如采取处理水循环措施，循环率可为0.2‰～2.0‰。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。1.曝气塘1）概述（1）曝气塘——人工强化的稳定塘。（2）塘的种类——曝气相关，可分为好氧曝气塘和兼性曝气塘。（1）效率高，占地少、耗电高。2）特点19.2.4其他稳定塘BOD表面负荷率：30-60gBOD5/m².d；塘深：2.5-5.0m，SS：80-200mg/l；HRT：好氧1-10d、兼性曝气塘7-20d；3）设计（1）一般规定（2）计算公式流态完全混合假定有机物降解量是一级反应无污泥回流系统因此有下式成立ds/dt=-ks改写为(S0-Se)/t=-kSeK：有机物降解速度常数；t:污水在塘内的停留时间d;S0、Se：原水和处理水有机物浓度mg/l；由物料平衡：(S0-Se)Q=(kSe)VV：曝气塘容积m3将V/Q=t及去除率(S0-Se)/S0×100=E曝气塘：t=E/K(100-E)推出Se=S0/(1+Kt)兼性曝气塘：Se=S0/(1+Kt)×FF:夏季1.4、冬季1.0；※K(t)=K(20)×θT-20θ是温度系数，介于1.065-1.09之间2.深度处理塘（三级处理塘、熟化塘）1）概述（1）处理对象——二级出水，设在稳定塘的最后或起缓冲作用BOD；不高于30mg/l（2）进水水质COD：不高于120mg/lSS：30-60mg/l进水除BOD、SS外，其他指标应符合渔业用水标准。2）特点3）计算负荷率计算负荷率的选取根据去除的具体污染物选取（1）BOD的去除(COD)，去除率不高（2）除菌效果好（3）藻类的去除※——养鱼（4）N、P的去除——藻类的吸收3.控制出水塘1）概述（1）控制除水塘多为兼性塘（2）主要考虑冬贮问题停留时间（冬季）一般稳定塘（夏季）2）设计要点（1）设计应考虑的因素塘深高于冰冻线1m进出水口：污泥层之上,冰冻层之下（2）需有一级处理：不少于2座，可并联或串联，避免短流（3）BOD表面负荷率法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。19.3.1污水灌溉系统19.3污水的土地处理19.3