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水污染控制工程讲义
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【建筑工程管理】水污染控
制工程讲义
水污染控制工程
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(>1m):
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——深度处理
一级处理:
去除效果:
EBOD30%,ESS50%;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:
EBOD8590%,ESS90%;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=
200300mg/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:
820m3废水/m3酒,COD=20003500mg/l;酒精废水:
1215m3
废水/m3酒,COD=36万mg/l;味精废水:
2535m3废水/吨味精,COD=610万mg/l;造纸黑液:
120600m3废水/吨纸浆,COD=1015万mg/l
1.3生物处理法的分类
1.4
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(02)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+02C02+H2O+NH3+SO42-++
(有机物的组成元素)
合成反应(也称合成代谢、同化作用)
C、H、0、N、S+能量C5H7NO2
内源呼吸(也称细胞物质的自身氧化)
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:
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4050%)。
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k
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/l
2)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1530C;40C或10C后,会有不利影响。
3)营养物质:
细胞组成中,C、H、0、N约占9097%
其余310%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BODNP=
10051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:
般好氧微生物的最适宜pH在6.58.5之间;
pH4.5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)
0.51.0
苯
10
锌化合物(以Zn
计)
513
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)
15
间苯三酚
100
钒化合物(以V计)
5
邻苯三酚
100
银化合物(以Ag
0.25
苯胺
100
计)
铬化合物(以Cr计)
25
二硝基甲苯
12
(以Cr3+
2.7
甲醛
160
计)
(以Cr6+
0.5
乙醛
1000
计)
硫化物(以S2-计)
525
二甲苯
7
(以H2S计)
20
甲苯
7
氢氰酸氰化钾
18
氯苯
10
硫氰化物
36
吡啶
400
砷化合物(以As3+
0.72.0
烷基苯磺酸盐
15
计)
汞化合物(以Hg
0.5
甘油
5
计)
6)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:
+300400mV,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)初级生物降解一一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一一指有机物失去了对环境有害的特性;
3)完全降解一一在好氧条件下,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、C02等。
有机物生物降解性能的分类:
1)易生物降解一一易于被微生物作为碳源和能源物质而被利用;
2)可生物降解一一能够逐步被微生物所利用;
3)难生物降解一一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:
分类
方法
方法要点
方法评价
水质指标
采用B0D5/C0D作为有机物评价指标。
比较简单,但精
法
方法改进:
日本通产省测试法,以ThOD
度不高,可粗略
代替COD,采用BOD自动测定仪测定
反映有机物的降
根据氧
有机物28天的生化需氧量,并以
解性能;
化所耗
BOD28/ThOD来评价有机物的生物降
氧量
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,接种物可米用活性污泥,接种
量为13gSS/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;
静置烧瓶
以10ml沉淀后的生活污水上清液作为
操作简单,但在
筛选试验
接种物,90ml含有5mg酵母膏和5mg
静态条件下混合
受试物的BOD标准稀释水作为反应液,
及充氧不好;
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
根据有
接种物,如此连续4周,同时进行已知
机物的
降解化合物的对照试验;
去除效
振汤培养
在烧瓶中加入接种物、营养液及受试物
生物作用条件
果
试验法
等,在疋温度卜振汤培养,在不同的
好,但吸附对测
反应时间内测定反应液中受试物含量,
定有影响;
以评价受试物的生物降解性;
半连续活
测试时,采用试验组及对照组二套反应
试验结果可靠,
性污泥法
器间歇运行,测定反应器内COD、TOD
但仍不能模拟处
或DOC的变化,通过二套反应器结果
理厂实际运行条
的比较来评价;
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
斯特姆测
采用活性污泥上清液作为接种液,反应
系统复杂,可反
CO2量
试法
时间28天,温度25C,有机物降解以
映有机物的无机
CO2产量占理论CO2产量的百分率来判
化程度;
断;
根据微
主要有:
ATP测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平
试验结果可靠,
生物生
板计数测试法等
但测试程序较为
理生化
复杂。
指标
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、温度、营养物等)。
2.2悬浮生长的好氧生物处理工艺
2.2.1活性污泥法(ActivatedSludgeProcess)
221.1活性污泥法的基本原理
曝气池:
反应主体
二沉池:
1)进行泥水分离,保证出水水质;
2)保证回流污泥,维持曝气池内一定的污泥浓度。
回流系统:
1)保证曝气池内维持足够的污泥浓度;
2)通过改变回流比,改变曝气池的运行工况。
剩余污泥:
1)是去除有机物的途径之一;
2)维持系统的稳定运行。
供氧系统:
提供足够的溶解氧
活性污泥系统有效运行的基本条件是:
1)废水中含有足够的可容性易降解有机物;
2)混合液含有足够的溶解氧;
3)活性污泥在池内呈悬浮状态;
4)活性污泥连续回流、及时排除剩余污泥,使混合液保持一定浓度的活性污泥;
5)没有对微生物有毒有害的物质流入。
2.2.1.2活性污泥的性质及性能指标
1.物理性能:
——“菌胶团”——“生物絮凝体”颜色:
褐色、(土)黄色、铁红色气味:
泥土味(城市污水)
比重:
略大于1(1.0021.006)
粒径:
0.020.2mm
比表面积:
20100cm2/ml2.生化性能:
b.固体物质的组成:
1)活细胞(Ma):
2)微生物内源代谢的残留物(Me):
3)吸附的原废水中难于生物降解的有机物(Mi):
4)无机物质(Mii):
3.活性污泥中的微生物:
A•细菌:
是活性污泥净化功能最活跃的成分
主要菌种有:
动胶杆菌属、假单胞菌属、微球菌属、黄杆菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属等
特征:
1)多属好氧和兼性异养型的原核细菌;
2)在有氧条件下,具有较强的分解有机物的功能;
3)具有较高的增殖速率,其世代时间为2030分钟;
4)其中的动胶杆菌具有将大量细菌结成为“菌胶团”的功能
diH傩诫醐KB刪
L牠;
B.其它微生物------原生动物----在活性污泥中大约为103个/ml
原生动物在活性污泥反应过程中数量和种类的增长与递变的模式
活性污泥系统启动初期,游离细菌居多,原生动物肉足虫(如变形虫)一—游泳型纤毛虫(如豆形虫、草履虫)。
菌胶团培育成熟,细菌多“聚居”在活性污泥上,处理水水质良好;原生动物以带柄固着型的纤毛虫(如钟虫、等枝虫等)为主。
原生动物能不断摄食水中的游离细菌,起到进一步净化水质的作用。
后生动物(主要指轮虫)在活性污泥中是不经常出现的,仅在处理水质优异的完全氧化型活性污泥系统(如延时曝气)中出现,因此,轮虫出现是水质非常稳定的标志。
4.活性污泥的性能指标:
(1)混合液悬浮固体浓度(MLSS)(MixedLiquorSuspendedSolids)
MLSS=Ma+Me+Mi+Mii单位:
mg/lg/m3
(2)混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)(MixedVolatileLiquorSuspendedSolids)
MLVSS=Ma+Me+Mi
在条件一定时,MLVSS/MLSS是较稳定的,对城市污水,一般是0.75—0.85
(3)污泥沉降比(SV)(SludgeVolume)
――是指将曝气池中的混合液在量筒中静置30分钟,其沉淀污泥与原混合液的
体积比,一般以%表示;
――能相对地反映污泥数量以及污泥的凝聚、沉降性能,可用以控制排泥量和及时发现早期的污泥膨胀;
――正常数值2030%
(4)污泥体积指数(SVI)(SludgeVolumeIndex)
――曝气池出口处混合液经30分钟静沉后,1g干污泥所形成的污泥体积,单
位是ml/g。
――能更准确地评价污泥的凝聚性能和沉降性能,
其值过低,说明泥粒小,密实,无机成分多;
其值过高,说明其沉降性能不好,将要或已经发生膨胀现象;
——城市污水的SVI一般为50150ml/g;
――注意:
1)对于工业废水,SVI不在上述范围内,有时也属正常;
2)对于高浓度活性污泥系统,即使污泥沉降性能较差,由于MLSS较
高,其SVI也不会很高。
5.关于活性污泥法运行控制中常用的一些参数:
流量
COD
BOD
微生物浓度(MLSS)
A
Q
Ci
Bi
Xi
B、C
Q+Qr
C
B
X
D
Q-Qw
Ce
Be
Xe
E
Qw
Cr
Br
Xr
F
Qr
Cr
Br
Xr
1)曝气池的有机容积负荷:
式中的Bi
2)曝气池的有机污泥负荷:
曝气池的有机污泥去除负荷:
用Ci-Ce代替上式中的Ci,用Bi
-Be代替上
式中的Bi
3)曝气池的水力停留时间(
Hydraulic
RetentionTime):
(h)
4)曝气池的污泥停留时间
SludgeRetentionTime):
SRT=V?
X/
(Qw?
Xr)(h或d)
SVI221.3活性污泥的增长规律
1、活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的必然结果,而微生物增殖的结果则是活性污泥的增长。
2、一般可用活性污泥的增长曲线来描述:
注意:
1)间歇静态培养;2)底物是一次投加;3)图中同时还表示了有机底物降解和氧的消耗曲线。
F/M值:
在温度适宜、DO充足、且不存在抑制物质的条件下,活性污泥微生物的增
殖速率主要取决于微生物与有机基质的相对数量,即有机基质(Food)与微生物
(Microorganism)的比值,即F/M值。
F/M值也是影响有机物去除速率、氧利用速率的重要因素。
实际上,F/M值就是以BOD5表示的进水污泥负荷(),即:
注:
此处的Xv即Xi,也就是进水的MLSS3、一般来说,可将增长曲线分为以下四个时期:
(1)适应期;
(2)对数增长期;(3)减速增长期;(4)内源呼吸期。
适应期:
(1)是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机物污染物的种类等的一个短暂的适应过程;
(2)经过适应期后,微生物从数量上可能没有增殖,但发生了一些质的变化:
a.菌体体积有所增大;b.酶系统也已做了相应调整;c.产生了一些适应新环境的变异;等等。
(3)BOD5、COD等各项污染指标可能并无较大变化。
对数增长期:
F/M值高(2.2),所以有机底物非常丰富,营养物质不是微生物增殖的控制因素;
(1)微生物的增长速率与基质浓度无关,呈零级反应,它仅由微生物本身所特有的最小世代时间所控制,即只受微生物自身的生理机能的限制;
(2)微生物以最高速率对有机物进行摄取,也以最高速率增殖,而合成新细胞;
(3)此时的活性污泥具有很高的能量水平,其中的微生物活动能力很强,导致污泥质地松散,不能形成较好的絮凝体,污泥的沉淀性能不佳;
(4)活性污泥的代谢速率极高,需氧量大;
(5)一般不采用此阶段作为运行工况,但也有采用的,如高负荷活性污泥法。
减速增长期:
(1)F/M值下降到一定水平后,有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素;
(2)微生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比,为一级反应;
(3)有机底物的降解速率也开始下降;
(4)微生物的增殖速率在逐渐下降,直至在本期的最后阶段下降为零,但微生物的量还在增长;
(5)活性污泥的能量水平已下降,絮凝体开始形成,活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好;
(6)由于残存的有机物浓度较低,出水水质有较大改善,并且整个系统运行稳定;
(7)一般来说,大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在这一范围内
的。
内源呼吸期:
(1)内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率,因此从整体上来说,活性污泥的量在减少,最终所有的活细胞将消亡,而仅残留下内源呼吸的残留物,而这些物质多是难于降解的细胞壁等;
(2)污泥的无机化程度较高,沉降性能良好,但凝聚性较差;有机物基本消耗殆尽,处理水质良好;
(3)一般不采用这一阶段作为运行工况,但也有采用,如延时曝气法。
4、活性污泥增殖规律的应用:
(1)活性污泥的增殖状况,主要是由F/M值所控制;
(2)处于不同增长期的活性污泥,其性能不同,处理出水的水质也不同;
(3)可以通过调整F/M值,来调控曝气池的运行工况,以达到所要求的出水水质和活性污泥的良好性能;
(4)推流式:
一段线段;完全混合式:
一个点
5、有机物降解与微生物增殖:
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