《水污染控制工程》讲义

水污染控制工程2目录第一篇污水的物理化学处理方法第一章绪论第二章水体的自净及水污染控制的基本方法、工艺流程第三章混凝第四章沉淀与澄清第五章过滤第六章消毒第七章气浮第八章氧化还原第九章膜分离第十章其他物化方法第十一章水的软化与除盐第十二章循环水的冷却和稳定3第二篇污水的生物处理方法第一章概述第二章好氧生物处理（原理与工艺）第三章厌氧生物处理第四章营养元素的生物去除第五章天然条件下的生物处理第六章污泥的处理与处置4主要参考书目：1）《水处理工程》，第一版，顾夏声等，清华大学出版社，19852)《现代废水生物处理新技术》，钱易等，中国科技出版社，19933）《排水工程》，第三版，张自杰等，中国建筑工业出版社，19964）《水污染治理工程》，黄铭荣、胡纪萃，高教出版社，19955）《废水生物处理数学模型》，第二版，顾夏声，清华大学出版社，19956）《水处理微生物学》，第三版，顾夏声等，中国建筑工业出版社，1998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：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①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、化能异养菌；根据生长温度的不同：低温菌(10ºC~15ºC)、中温菌(15ºC~45ºC)和高温菌(45ºC)②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③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(1m)：可以采用机械沉淀法进行去除的颗粒物；胶体状有机物(1nm~100nm)：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(1nm)：以分散的分子状态存在于水中的有机物生物法处理的主要对象：废水中呈胶体状和溶解状态的有机物；废水中溶解状态的营养元素N和P。废水处理程度的分级：一级处理——预处理或前处理；二级处理——生物处理；三级处理——深度处有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5异氧微生物理一级处理：去除效果：EBOD30%,ESS50%；功能：去除颗粒状有机物，减轻后续生物处理的负担；2）调节水量、水质、水温等，有利于后续的生物处理。主要方法：物化法，如：沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、加热或冷却等二级处理：去除效果：EBOD8590%，ESS90%；功能：大量去除胶体状和溶解状有机物，保证出水达标排放；方法：各种形式的生物处理工艺三级处理：目的：去除二级处理出水中残存的SS、有机物，或脱色、杀菌，或脱氮、除磷——防止水体富营养化；方法：物化法——超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等；生物法——生物法脱氮除磷，等我国水环境中有机物污染的严重状况①废水排放量巨大；②我国水环境中量大面广的污染物是有机物；③N、P的污染也日益严重有机污染的主要来源：①生活污水：COD=400~500mg/l，BOD5=200300mg/l；②工业废水：主要有石油化工、轻工、食品等行业，如：啤酒废水：820m3废水/m3酒，COD=20003500mg/l；酒精废水：1215m3废水/m3酒，COD=36万mg/l；味精废水：2535m3废水/吨味精，COD=610万mg/l；造纸黑液：120600m3废水/吨纸浆，COD=1015万mg/l1.3生物处理法的分类第二章好氧生物处理（原理与工艺）2.1基本概念2.1.1好氧生物处理的基本生物过程所谓“好氧”：是指这类生物必须在有分子态氧气（O2）的存在下，才能进行正常的生理生化反应，主要包括大部分微生物、动物以及我们人类；所谓“厌氧”：是能在无分子态氧存在的条件下，能进行正常的生理生化反应的生物，如厌氧细菌、酵母菌等。好氧生物处理过程的生化反应方程式：分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢）CHONS+O2CO2+H2O+NH3+SO42-++能量（有机物的组成元素）合成反应（也称合成代谢、同化作用）C、H、O、N、S+能量C5H7NO2内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化）C5H7NO2+O2CO2+H2O+NH3+SO42-++能量在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分是相对稳定的，一般可用下列实验式来表示：生物处理法天然生物处理人工生物处理生物稳定塘土地处理系统好氧生物处理厌氧生物处理活性污泥法生物膜法传统厌氧消化现代高速厌氧反应器微生物异氧微生物6细菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻类：C5H8NO2；原生动物：C7H14NO3分解与合成的相互关系：1）二者不可分，而是相互依赖的；a．分解过程为合成提供能量和前物，而合成则给分解提供物质基础；b．分解过程是一个产能过程，合成过程则是一个耗能过程。2)对有机物的去除，二者都有重要贡献；3）合成量的大小，对于后续污泥的处理有直接影响（污泥的处理费用一般可以占整个城市污水处理厂的4050%）。不同形式的有机物被生物降解的历程也不同：一方面：结构简单、小分子、可溶性物质，直接进入细胞壁；结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质，则首先被微生物吸附，随后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有机物，再进入细胞内。另一方面：有机物的化学结构不同，其降解过程也会不同：如：糖类脂类蛋白质2.1.2影响好氧生物处理的主要因素1）溶解氧（DO）：约1~2mg/l2）水温：是重要因素之一，a.在一定范围内，随着温度的升高，生化反应的速率加快，增殖速率也加快；b.细胞的组成物如蛋白质、核酸等对温度很敏感，温度突升或降并超过一定限度时，会有不可逆的破坏；最适宜温度1530C；40C或10C后，会有不利影响。3)营养物质：细胞组成中，C、H、O、N约占9097%其余310%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6.58.5之间；TCA循环7pH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)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)0.51.0苯10锌化合物(以Zn计)513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)15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)25二硝基甲苯12(以Cr3+计)2.7甲醛160(以Cr6+计)0.5乙醛1000硫化物(以S2-计)525二甲苯7(以H2S计)20甲苯7氢氰酸氰化钾18氯苯10硫氰化物36吡啶400砷化合物(以As3+计)0.72.0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400mV，至少要求大于+100mV。厌氧细菌：要求小于+100mV，对于严格厌氧细菌，则-100mV，甚至-300mV。2.1.3废水可生化性和可生化程度的判别生物降解性能是指在微生物的作用下，使某一物质改变原来的化学和物理性质，在结构上引起的变化程度。可分为三类：1）初级生物降解——指有机物原来的化学结构发生了部分变化，改变了分子的完整性；2）环境可接受的生物降解——指有机物失去了对环境有害的特性；3）完全降解——在好氧条件下，有机物被完全无机化；在厌氧条件下，有机物被完全转化为CH4、CO2等。有机物生物降解性能的分类：1）易生物降解——易于被微生物作为碳源和能源物质而被利用；2）可生物降解——能够逐步被微生物所利用；3）难生物降解——降解速率很慢或根本不降解。注意：1）“难、易”是相对的；2）同一种化合物在不同种属微生物的作用下，其降解情况也会有不同。鉴定和评价废水中有机污染物的好氧生物降解性的方法：8分类方法方法要点方法评价根据氧化所耗氧量水质指标法采用BOD5/COD作为有机物评价指标。方法改进：日本通产省测试法，以ThOD代替COD，采用BOD自动测定仪测定有机物28天的生化需氧量，并以BOD28/ThOD来评价有机物的生物降解性能；比较简单，但精度不高，可粗略反映有机物的降解性能；瓦呼仪法根据有机物的生化呼吸线与内源呼吸线的比较来判断有机物的生物降解性能。测试时，接种物可采用活性污泥，接种量为13gSS/l；较好地反应微生物氧化分解特性，但试验水量少，对结果有影响；根据有机物的去除效果静置烧瓶筛选试验以10ml沉淀后的生活污水上清液作为接种物，90ml含有5mg酵母膏和5mg受试物的BOD标准稀释水作为反应液，两者混合，室温下培养，1周后测受试物浓度，并以该培养液作为下周培养的接种物，如此连续4周，同时进行已知降解化合物的对照试验；操作简单，但在静态条件下混合及充氧不好；振荡培养试验法在烧瓶中加入接种物、营养液及受试物等，在一定温度下振荡培养，在不同的反应时间内测定反应液中受试物含量，以评价受试物的生物降解性；生物作用条件好，但吸附对测定有影响；半连续活性污泥法测试时，采用试验组及对照组二套反应器间歇运行，测定反应器内COD、TOD或DOC的变化，通过二套反应器结果的比较来评价；试验结果可靠，但仍不能模拟处理厂实际运行条件；活性污泥模型试验模拟连续流活性污泥法生物处理工艺，采用试验组与对照组，通过两套系统对比和分析来评价；结果最为可靠，但方法较复杂；根据CO2量斯特姆测试法采用活性污泥上清液作为接种液，反应时间28天，温度25C，有机物降解以CO2产量占理论CO2产量的百分率来判断；系统复杂，可反映有机物的无机化程度；根据微生物生理生化指标主要有：ATP测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板计数测试法等试验结果可靠，但测试程序较为复杂。影响有机物生物降解性能的因素：1）与化学物质的种类性质有关的因素（化学组成、理化性质、浓度、与它种基质的共存）；2）与微生物的种类、性质有关的因素（微生物的来源、数量、种属间的关系）；3）与有机物、微生物所处的环境有关的因素（pH值、DO、