稳定塘和污水的土地处理(I)

1水污染控制工程—第14章稳定塘和污水的土地处理同济大学环境科学与工程学院2019年5月内容纲要稳定塘1稳定塘污水土地处理12人工湿地处理3推荐书目主讲：闻岳教授Phone:133-9123-6969Email:[e-mail]1稳定塘1.概述2.好氧塘3.厌氧塘4.兼性塘5.曝气塘2019年5月22日，第13周2Part1稳定塘1.概述（1）基本描述艺范畴稳定塘称氧化塘是种A.工艺范畴：稳定塘（stabilizationpond），又称氧化塘，是一种天然的或经一定人工构筑的污水净化系统B.基本构造--塘体（梯形围坝）--衬垫层*--进、出水管渠--压顶***（混凝土）讨论：设置在水面与围坝交错处的混凝土压顶的作用Part1稳定塘1.概述（1）基本描述基过C.基本过程--污水在塘内经较长时间的停留、储存--通过微生物（细菌等）的代谢活动，以及相伴随的物理、化学和物理化学的过程，使污水中的有机污染物、营养素和其他污染物质进行多级转换、降解和去除，--从而实现污水的无害化、资源化与再利用D.应用场合--二级生物处理：相当于传统的生物处理--“精制”或“深度”处理：二级生物处理出水的深度处理--预处理或后处理：不同类型、不同功能的稳定塘串联使用Part1稳定塘1.概述（1）基本描述艺优E.工艺优点--处理成本低，操作管理容易--不仅能取得良好的BOD去除效果，还可以有效地去除氮、磷营养物质及病原菌，重金属及有毒有机物F.工艺缺点--占地面积大，没有空闲余地时不宜采用占地面积大，没有空闲余地时不宜采用--处理效果受环境条件（温度、光照、降雨）影响大，效率相对较低--可能形成二次污染，产生臭味及滋生蚊蝇，不宜建设在居住区附近Part1稳定塘1.概述（2）系统分类依浓度与生物优势群体类分为依途分为A.依DO浓度与微生物优势群体类型分为：--好氧塘--兼性塘--厌氧塘--曝气塘B.依据用途分为：--深度处理塘--强化处理塘--储存塘--综合生物塘组合：上述不同性质（作用）的塘组合成的塘系统称为“复合稳定塘”组合：上述不同性质（作用）的塘组合成的塘系统称为复合稳定塘厌氧塘兼性塘好氧塘/熟化塘综合生物塘进水出水3Part1稳定塘1.概述（2）系统分类依浓度与生物优势群体类分为依途分为A.依DO浓度与微生物优势群体类型分为：--好氧塘--兼性塘--厌氧塘--曝气塘***B.依据用途分为：--深度处理塘--强化处理塘--储存塘--综合生物塘组合：上述不同性质（作用）的塘组合成的塘系统称为“复合稳定塘”组合：上述不同性质（作用）的塘组合成的塘系统称为复合稳定塘C.其他分类：--间歇或连续排放--污水进塘前的处理程度或塘的排放方式讨论：以分类A为例，分析生态处理的“被动性”Part1稳定塘1.概述2.好氧塘3.厌氧塘4.兼性塘5.曝气塘Part1稳定塘2.好氧塘（1）基本描述A工艺范畴A.工艺范畴好氧塘（aerobicpond）是一类在有氧状态下净化污水的稳定塘，其完全依靠藻类光合作用和塘表面风力搅动的自然复氧对系统供氧B.构造特征讨论：判断上述两类自然复氧过程对供氧量的相对比例塘深浅，一般为15~50cm，不大于1m，污水停留时间一般为2~6d讨论：为什么要将好氧塘的塘深控制在较小的范围？C.适用范围适于处理BOD5小于100mg/L的污水，多用于处理其他处理方法的出水Part1稳定塘2.好氧塘（1）基本描述D出水特征D.出水特征出水溶解性BOD5低，但藻类固体含量高。因此需要补充除藻处理过程讨论A：稳定塘出水中溶解性有机物和颗粒性有机物组成讨论B：稳定塘出水中颗粒性有机物的环境行为4Part1稳定塘2.好氧塘（1）基本描述统分类E.系统分类类型高负荷好氧塘普通好氧塘深度处理好氧塘有机负荷高中低作用处理污水；产生藻类二级处理作用深度处理好氧塘分类及其特征作用污水；产藻类作用深度位置处理系统的前部处理系统的中部塘处理系统或二级处理系统之后塘深较浅较深较深讨论：深度处理好氧塘与熟化塘之间关系Part1稳定塘2.好氧塘（2）净化机理过识别塘内菌藻类和生物成“生统”A.过程识别：塘内细菌、藻类和原生动物组成“共生系统”--塘内的藻类进行光合作用，释放出氧--塘内好氧型异氧细菌利用水中的氧，通过好氧代谢氧化分解有机物并用于合成（细胞增殖），代谢产物CO2则是藻类光合作用的碳源讨论A：菌藻共生系统讨论A：菌藻共生系统的本质是什么？讨论B：共生循环的主要媒介物是什么？循环的驱动力是什么？Part1稳定塘2.好氧塘（2）净化机理计学B.计量学###细菌的代谢过程：有机物+O2+NH3→CO2+H2O+C5H7O2N藻类的光合作用：106CO2+65H2O+16NH3+H3PO4→C106H45O110N16P+118O21272mgCO2-C0224NHN2428mg藻类细胞0224mgNH3-N0031mgPO4-P3776mgO2--光合微生物生长可以去除污水中的氮和磷，藻类细胞的氮磷比约为7:1--藻类细胞的含磷量为1.28%，适宜条件下可达~6%--每合成1mg的藻类，释放3776/2428=1.56mgO2Part1稳定塘2.好氧塘（2）净化机理C能量学C.能量学稳定塘中藻类的太阳能利用效率为3%~5%，一般取3%--在适宜条件下，植物的太阳能利用率约为1%，生物圈的约为0.1%每合成1mg的光合生物细胞需要24J的能量5Part1稳定塘2.好氧塘（2）净化机理建[例]美国加州修建稳定塘，塘内藻类生长在夏季和冬季均受阳光的限制，设太阳能转化效率为3%，试估算塘内藻类的生长速率和产氧速率[解]在夏季和冬季加州接受到的太阳能分别为30000和12000kJ/(m2·d)据此可知：Part1稳定塘2.好氧塘（2）净化机理酸碱度与值D.酸碱度与pH值HOHOHOHHCOOHCOHHCOCOHOHCO2322333222一般而言，废水的pH值缓冲能力主要由碳酸盐的电离平衡提供HOHOH2讨论：好氧塘内DO、CO2和pH值变化特征是什么？--白天：藻类光合作用使CO2降低，pH值上升--夜间：藻类停止光合作用，细菌的有机物代谢没有终止，CO2累积，pH值下降因此，藻类光合作用使塘水的溶解氧和pH值呈昼夜变化的特征Part1稳定塘2.好氧塘（3）生物种群好氧塘生物种群主要有菌藻类生物生物水等好氧塘的生物种群主要有细菌、藻类、原生动物、后生动物、水蚤等A.细菌--主要生存在水深0.5m的上层，浓度约为1×108~5×109个/mL，--主要种属与活性污泥和生物膜相同B.藻类--藻类的种类和数量与塘的负荷有关--可以反映塘的运行状况和处理效果C.原生动物和后生动物--种属数与个体数均比活性污泥法和生物膜法少Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计适条件在有供污水塘洼气适宜A.适用条件：在有可供污水处理利用的湖塘、洼地，气温适宜、日照条件良好的地方，可以考虑采用好氧塘B.预处理：一般需进行预处理，以去除可沉悬浮物6Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计C主要设计内容塘的尺寸和个数C.主要设计内容：塘的尺寸和个数注：每座塘的面积以不超过40000m2为宜（为什么？）Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计D设计方法D.设计方法方法一：负荷法方法二：衰减方程方法三：一级动力学模型方法四：机理模型（CFD模型；生化动力学模型；复合模型）讨论：关于发展生态处理单元设计方法（数学模型）的一般性历程E.基于有机负荷的设计方法步骤一：根据表面有机负荷设计塘的面积步骤二：再相应确定塘结构的其他尺寸步骤三：最后校核停留时间讨论：关于发展生态处理单元设计方法（数学模型）的般性历程Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计E基于有机负荷的设计方法E.基于有机负荷的设计方法步骤一：(i)选取表面有机负荷讨论：关于深度处理好氧塘BOD5负荷的选取方法Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计E基于有机负荷的设计方法E.基于有机负荷的设计方法步骤一：(ii)依据表面有机负荷设计塘的面积讨论：“塘的总面积”是有效总面积，还是构造总面积？7Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计E基于有机负荷的设计方法E.基于有机负荷的设计方法步骤二：(i)选取有效水深讨论：关于有效水深的选取，即：为什么高负荷好氧塘的水深较浅？Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计E基于有机负荷E.基于有机负荷的设计方法步骤二：(ii)确定塘结构的其他尺寸Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计E基于有机负荷E.基于有机负荷的设计方法步骤三：(i)计算水力停留时间讨论：表中的HRT是名义HRT，还是实际HRT？Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计E基于有机负荷的设计方法E.基于有机负荷的设计方法步骤三：(ii)校核停留时间8Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计F主要设计经验F.主要设计经验--多采用矩形，表面的长宽比为3:1~4:1，一般以塘深的1/2处的面积作为计算塘面。塘堤的超高为0.6~1.0m--塘堤的内坡坡度为1:2~1:3（垂直:水平），外坡坡度为1:2~1:5（垂直:水平）--好氧塘的座数一般不少于3座，规模很小时不少于2座Part1稳定塘2.好氧塘（4）工程设计G基于衰减方程的出水有机物估算G.基于衰减方程的出水有机物估算0.440.70.66016.3essHRTTs0:进水BOD5浓度，mg/Lse:出水BOD5浓度，mg/LHRT水力停留时间dHRT:水力停留时间，dT:平均水温，℃讨论A：为什么好氧塘出水有机物浓度Se与HRT相关？与S0也相关？讨论B：评估衰减方程对出水有机物估算的精确性和可参考性Part1稳定塘1.概述2.好氧塘3.厌氧塘4.兼性塘5.曝气塘Part1稳定塘3.厌氧塘（1）基本描述艺范畴A.工艺范畴：厌氧塘(anaerobicpond)是一类在无氧状态下净化污水的稳定塘，其有机负荷高、以厌氧反应为主B.构造特征：塘深一般为2.5~5.0m9Part1稳定塘3.厌氧塘（1）基本描述D.优点（作为预处理单元）C.适用范围：多作为预处理单元--工业废水：特别适用于高温高浓度废水的处理--城镇污水：亦适用讨论：为什么厌氧塘适用于高温废水处理？最佳温度是多少？--显著降低后续兼性塘、好氧塘的面积/容积--消除兼性塘夏季运行时经常出现漂浮污泥层的问题--使后续的处理塘中不会形成大量导致淤积的污泥层Part1稳定塘3.厌氧塘（2）净化机理基过氧发酵蛋白质脂类氨基酸；糖脂肪酸；乙醇中间产物（丙酸，丁酸等）碳水化合物复杂有机物水解厌氧氧化发酵A.基本过程：厌氧发酵--水解--发酵（厌氧氧化）--产氢产乙酸--产甲烷（丙酸，丁酸等）乙酸甲烷二氧化碳氢二氧化碳营乙酸甲烷化营氢甲烷化同型乙酸化产氢产乙酸二氧化碳Part1稳定塘3.厌氧塘（2）净化机理过约束B.过程约束甲烷菌的世代时间长，增殖速度慢，且对溶解氧和pH敏感，因此厌氧塘的设计和运行，必须以甲烷发酵阶段的要求作为控制条件C.控制方法控制有机污染物的投配率以保持产酸菌和甲烷菌之间的动态平衡讨论：甲烷菌生长的适宜pH值范围和最佳pH值范围控制有机污染物的投配率，以保持产酸菌和甲烷菌之间的动态平衡讨论A：厌氧四阶段中反应速率及其稳定性（鲁棒性）的特征讨论B：厌氧塘启动过程中，应该如何控制投配率？讨论C：在启动期，如何控制投配率？讨论D：哪种投配率的控制方法更好？Part1稳定塘3.厌氧塘（2）净化机理控制指标D.控制指标--有机酸浓度：3000mg/L--pH值：6.5~7.5--进水BOD5:N:P=100:2.5:1=200:5:2--硫酸盐浓度：500mg/L讨论A：有机酸浓度的计量单位是什么？讨论A：有机酸浓度的计量单位是什么？讨论B：有机酸浓度和pH值中，哪项指标更准确反映系统的临界状态？讨论C：为什么要将进水N:P控制在5:2，而非5:1?讨论D：除了考虑计量学，是否需要考虑动力学？讨论E：工程实践中，如何