《废水处理》PPT课件

第四次作业情况,当kr=kd时，下式的准确性？,第四章 废水处理,4.1 废水中的微生物 4.1.1 微生物的作用 不同种类的微生物都具有分解有机物质的能力。微生物将胶体的和溶解性的含碳有机物转化成CO2并合成新的微生物菌体。微生物菌体的密度稍微大于水，可以利用重力沉降法将其从处理过的水中去除。 微生物菌体本身即为有机物，以BOD的形式存在于出水中。因此如果被处理过的水中微生物菌体未被去除，则未达到完全处理。,4.1.2 微生物的分类： （1）以界划分：动物（轮虫、甲壳生物）、植物（苔藓、藻类）、真菌（蘑菇、酵母）、原生生物（阿米巴虫）和细菌（沙门氏杆菌）。 （2）以能源和碳源划分：异养型微生物（以有机物为碳源）、自养型微生物（仅以CO2为碳源）。光能型微生物（利用阳光作为能源）。化能型微生物（从有机物或无机物的氧化还原反应中获得能源）。有机营养型微生物利用有机物，而无机营养型微生物则氧化无机物质。 （3）以与氧的关系划分：专性好氧菌、专性厌氧菌、兼性厌氧菌和反硝化菌。 （4）以生长温度划分：嗜冷性微生物（20C）、嗜温性微生物（2540C）、嗜热性微生物（4560C）以及兼性嗜热微生物。,4.1.3 废水中的重要微生物 细菌、真菌、藻类及轮虫与甲壳动物。 4.1.4 细菌的代谢 描述细胞内进行的化学反应过程：分为分解代谢和合成代谢。废水处理厂中，基质被氧化，释放出来的能量被传递并储存在能量载体中，如下图所示，供微生物利用。由分解代谢所产生的化学物质，部分被用于微生物的生存。,4.1.5 污染物的分解 （1）好氧分解 好氧分解过程中必须有分子氧作为最终电子受体。在天然水体中氧以DO形式存在。当氧是唯一的电子受体时，有机物的最终代谢产物主要为CO2、水及新的细胞物质。,在正常的天然水体中，好氧分解是水体自净的主要途径。由于好氧氧化过程中有大量的能量释放出来，大部分好氧微生物有很高的生长速率，比其它氧化系统中产生的新细胞多，因此污泥的产生量就多。 好氧分解速度快、效率高，产生的臭味少，因此废水浓度较低（BOD5小于500mg/L）时可选用此法。当废水浓度过高时（ BOD5大于1000mg/L），采用好氧处理不能得到足够的溶解氧，且有大量的生物污泥产生，因此一般不适合于采用该法处理。 （2）缺氧分解 在缺少分子氧时，一些微生物能够利用硝酸盐作为最终受体，此时的氧化过程称为反硝化过程。最终产物为氮气、二氧化碳、水及新细胞物质。反硝化产生的能量约等于好氧分解产生的能量。,（3）厌氧分解 为进行厌氧分解，分子氧与硝酸盐不可作为电子受体。硫酸盐、二氧化碳及有机物在厌氧分解中作为最终电子受体而被还原。有机物的厌氧分解通常分为两个步骤：首先复杂的有机物发酵生成低分子量的脂肪酸（挥发性酸）；第二步这些有机酸转化成甲烷，二氧化碳作为电子受体。 厌氧氧化时仅能释放出少量的能量，因此细胞的产生量即污泥的量很少。可利用次特性将好氧和缺氧过程产生的污泥通过厌氧分解加以稳定。目前，很多工厂利用此法处理污泥产生沼气，发电。如北京高碑店污水处理厂。 废水浓度较低时，不适合于利用厌氧分解直接处理。为提高厌氧分解的效率，必须提高废水温度。,4.1.6 微生物生长动力学 （1）细菌生长的需要 最终电子受体 大量营养物：合成细胞所需的碳源、氮源；ATP（能量载体）和DNA所需的磷； 微量营养物：微量金属；某些细胞所需的维生素。 适宜的环境：温度；湿度；pH。 （2）纯培养物的生长 细菌的生长首先经历一个延迟期。在延迟期的末端，细菌开始分裂，使数目逐渐增加，此阶段为加速生长期。对数生长期：细菌数目P经过n个世代周期后可用下式表示： P = P02n,（3）混合培养物的生长 废水或天然水体微生物的存在不是唯一的。生长动力学描述的是不同微生物在相互竞争中其质量或浓度岁时间的变化。 不同菌种对同一基质竞争的能力取决于菌种对基质的代谢能力。由于细菌的体积较小，单位质量的表面积较大，可迅速的将基质去除，比真菌占优势，同样真菌又比原生动物占优势。 当溶解性有机物缺乏时，细菌繁殖将减少，而扑食者则增加。在密闭系统中，最初添加混合微生物和基质后，细菌种群数量达到最大值后，因基质缺乏，微生物进入内源呼吸状态后而逐渐死亡。随后被其它种类的细菌分解。这个过程不断循环进行。,开放系统中（如废水处理厂或河流中）由于基质连续流进，优势种群数量和种类在处理厂的反应器长度方向上随位置改变。不同的微生物种群对进水特性很敏感，进水特性需保持稳定，以达到适宜的菌种平衡。,（4）Monod方程 在废水处理系统中，对大多数混合培养的微生物，Monod方程均可适应。该方程中微生物以质量表示而不是以生物数量表示。在对数生长期，微生物质量增加的速率可表示为： 为生长速率常数，t-1；X为菌体浓度，mg/L。 利用混合培养微生物不易直接测量值。假设食物利用速率与菌体产生速率均受限于供给所需食物的酶反应速率，得到： 式中， m为最大生长速率常数；S为限制性基质浓度，mg/L；Ks为半饱和常数，mg/L。当=0.5 m时，Ks=S。,Monod方程中生长速率与限制性基质浓度的关系,在废水处理系统中有两种极限情况：首先当限制性基质过量时，即SKs时，m= ，菌体的生长速率为一级反应；当SKs时，由于基质量的限制，菌体的生长速率为零级反应，与菌体浓度无关。 Monod方程仅考虑了微生物的生长，没考虑它的自然死亡： 式中kd为内源衰减速率常数，t-1。 假设系统中所有基质均转化为菌体： 式中，Y为食物转化菌体的比例，或合成系数，mg菌体/mg基质。,5.2 废水的特性 （1）生活污水的物理特性 新鲜和好氧的生活污水：煤油或新翻土壤的气味 一段时间后：变质的水则会令人不快，有硫化氢或硫醇的腐烂臭蛋味。 正常温度：1020C；密度：1000kg/m3； 通常情况下，每立方米中平均含有500克固体物，其中一半为溶解性固体物，如钙、钠及溶解性有机物，而另一半为非溶解性有机物。 （2）生活污水的化学特性 一般不考虑废水中具体的某种物质的含量，用BOD5和COD来表示废水中有机物含量。一般废水的COD大于BOD5。因为大多数物质可被化学氧化但不易被生物氧化，此外BOD5并不代表最终BOD。,测定COD约需要3h，若能建立COD与BOD5的关系，则对废水处理厂的控制和操作非常有利。 总凯氏氮（TKN）表示废水中总有机氮及氨氮的含量。TKN测量值表示有多少氮可用于细胞生长，以及需要提供多少氧以满足氮的需氧量。 废水中存在不同形式的磷，包括正磷酸盐、聚磷酸盐以及有机磷酸盐，称为“总磷”，以P表示。 （3）工业废水的特性 工业生产中会产生很多种类的污染物，美国环保局将这些污染物分成三类：传统污染物（BOD5，TSS，油脂、动植物油、pH）、非传统污染物（氨、六价铬、COD，总磷、TOC等）及优先控制污染物。,4.3 现场处理系统,4.3.1 化粪池与排水区 化粪池与排水区不能相互分离，若缺乏其中一种，将无法达到其最初的设计功能。 化粪池的主要功能是驱除大颗粒物质及油脂，避免排水区被这些物质堵塞。较重的固体物会沉到底部并进行厌氧分解，油脂则浮在水面上而被截留，只有少量分解。 由于化粪池未被加热，只有少量BOD5分解，沉降下来的部分固体有机物质被液化，通过化粪池而到达排水区。,在排水区，废水流至排水管与沙砾层的连接处时，沙砾层过滤一些由化粪池流出的固体物质。 废水区也是一个储留废水的区域，让废水能够渗入土壤。 化粪池与排水区仅可在土壤条件合适的情况下使用。土壤渗透实验（过滤实验）可用于确定是否建立排水系统：挖一个尺寸符合规定的洞，填满水后测量水渗入土壤的速率。 4.3.2 BLWRS BLWRS由一堆泥土和泥土堆下内衬不透水的阻挡层所组成。当处理过的水通过阻挡层边缘时， 被收集或被再注入含水层中。土堆是由细砂组成的，土堆再由0.15米的土层覆盖，在表面种植耐寒且耐旱的杂草。,4.4 城市废水处理系统,按照处理程度划分，城市废水处理技术分为一级处理、二级处理和三级处理。一般进行某种程度处理的废水均需经过前面的处理步骤。 预处理的目的是保护废水处理厂的后续处理设备； 一级处理的主要目标是通过沉降或气浮去除水中的固体污染物。典型地可去除60%的悬浮固体及35%的BOD5，但无法去除溶解性有机物。,二级处理的主要目的是去除一级去除出水中的溶解性BOD5，并进一步去除悬浮固体物质。二级处理主要为生物过程。在合适的天然条件下，在受纳水体中会发生同样的生物过程。二级处理工艺可在相当短的时间内分解有机污染物，是设计用来加速分解的过程。可以去除85%的BOD5和悬浮固体物质，但无法显著地降低氮、磷或重金属。难以完全去除病原菌和病毒。 当二级处理无法满足要求时，需进行三级处理，可能使用化学处理或过滤方法（就象在二级处理的末端加上一个水处理厂），或将二级处理的出水灌入土壤中，利用土壤-作物系统去除污染物。可以去除99%的BOD5、磷悬浮固体和细菌，以及95%的含氮物质。,三级处理过程和土壤处理系统除常用于进一步处理二级处理出水外，也可用于取代传统的二级处理过程。 废水中的污染物一部分被分解成无害的二氧化碳和水，而另一部分从废水中去除后成为固体物，即污泥。因此，为控制污染将不得不对污泥进行进一步的处理与处置。 工业废水预处理：城市或工业废水中可能含有有毒物质，而废水的收集与处理系统并不是针对这些物质来进行设计的。当这些物质未被去除时则影响出水水质，若被去除则沉积在污泥中，使污泥成为了有害固体废物，影响污泥的进一步处理或资源化利用。,废水预处理的目的： 防止污染物干扰废水处理厂的运行，包括影响污泥的利用与处置；防止污染物直接通过处理设备或使这些设备无法运转；增加城市与工业废水及污泥再循环与利用的机会。 4.5 预处理单元操作 为保护废水处理厂的设备，将一些设施与构造物放在一级处理操作前，由于通过这些设施降低BOD5的效果很有限，因此称其为预处理。 4.5.1 格栅 废水进入处理厂遇到的第一个设施通常就是格栅。目的：去除会阻塞或卡住泵、阀及其它机械设备的大颗粒物质，下水道废水中的破布、木材及其它颗粒较大的物质被格栅去除。以机械方式清除格栅上的拦截物。定期填埋。,4.5.1 格栅 废水进入处理厂遇到的第一个设施通常就是格栅。目的：去除会阻塞或卡住泵、阀及其它机械设备的大颗粒物质，下水道废水中的破布、木材及其它颗粒较大的物质被格栅去除。以机械方式清除格栅上的拦截物。定期填埋。 格栅的种类有粗栅、人工清渣格栅与机械清渣格栅。粗栅有40150mm的较大间隙，防止木材等非常巨大的物质进入水处理厂。后面一般还有较小间隙的格栅。人工清渣格栅的间隙为2550mm，流过渠道的设计速率在0.30.6m/s，人工清渣格栅很少使用。 机械清渣格栅的间隙范围在540mm，流过渠道的最大速度在0.61.2m/s，最小速度在0.30.6m/s，以避免沙砾累积。为方便格栅清淤或修理时备用，一般至少设置2个。,4.5.2 沉砂池 作用：去除惰性的、较重的物质，如沙子、碎玻璃、淤泥及卵石。若这些物质在废水中未被去除，将会磨损泵及其它机械设备。 沉砂池有三种基本类型：平流沉砂池、曝气沉砂池与恒水位快速沉砂池。 （1）平流沉砂池 也称为流速控制型沉砂池，可由传统沉淀理论分析其中不可凝聚颗粒的行为（第一型沉淀）假设水平流速保持在0.3m/s时，可用STOKES定律分析并进行设计。流体流速可由渠道末端的特殊堰加以控制。平流沉砂池最少需要设计两个渠道以备用。,Example: 长13.5米，宽0.56m的平流沉砂池，当其平均流量为0.15m3/s，水平流速为0.25m/s时，是否可以收集相对密度为2.65，半径为0.10mm的沙砾？已知废水温度为22C。 Solution: 22C时，水的密度为997.774kg/m3，粘度为0.995mPa.s，利用STOKES公式计算最终沉淀速度： 代入各数值，得到vs = 36 mm/s。颗粒的密度由其相对密度乘以水的密度。 计算处理面积：Ac=0.15m3/s0.25m/s=0.60m2。 渠道水深：h=0.60m2/0.56m=1.07m。,当沙砾从沉砂池的液面流入，则到达底部所需时间t为：t=h/vs=1.07m/0.036m/s=29.6s； 当池子长度为13.5m，水平流速为0.25m/s时，液体在池中的停留时间为13.5/0.25=54s。因此，上述颗粒可在沉砂池中去除。 普通平流沉砂池的主要缺点是：沉砂中含有15%的有机物，使沉砂的后续处理难度增加，采用曝气沉砂池可以克服这一缺点。 （2）曝气沉砂池 在曝气沉砂池内液体以螺旋滚动方式运动，较重的颗粒被甩向外层而下沉，较轻的颗粒被水流带走。气泡的剪切作用可剥除粘附在沙砾表面的有机物质。,曝气沉砂池的操作受滚动速度和水力停留时间的影响。滚动速度可通过调整注入空气的速率来控制，沉砂池长度方向上空气速率的范围为0.150.45m3/(min.m)，最大设计流量时的水力停留时间约为3min。长宽比为2.5：15：1，深度为25m。,曝气沉砂池的优点是通过调节曝气量，可以控制污水的旋流速度使除砂效率较稳定，受流量变化的影响较小，同时还对污水起预曝气作用。 1m3污水的曝气量为0.2m3空气。 曝气沉砂池设计公式：,（3）破碎机 用旋转切割棒破碎机破碎水中的固体物质（破布、纸张、塑料等）破碎，破碎机置于沉砂池之后，以避免切割棒的磨损。 （4）调节池 调节池并不是一种处理过程，但是可提高二级与三级废水处理的效率。由于废水不是以固定速率进入污水处理厂，其浓度也在不断变化，使得废水处理操作难于有效进行。因此很多废水处理单元必须按最大流速设计，结果导致这些设施在平均流速情况下过大。因此，流量调节池的任务就是减少水量波动。使废水以几乎固定的流速进入废水处理厂。可显著改善水处理厂的运行，提高处理能力。 调节池体积，可根据按平均流量设计的质量平衡估算。,（3）破碎机 用旋转切割棒破碎机破碎水中的固体物质（破布、纸张、塑料等）破碎，破碎机置于沉砂池之后，以避免切割棒的磨损。 （4）调节池 调节池并不是一种处理过程，但是可提高二级与三级废水处理的效率。由于废水不是以固定速率进入污水处理厂，其浓度也在不断变化，使得废水处理操作难于有效进行。因此很多废水处理单元必须按最大流速设计，结果导致这些设施在平均流速情况下过大。因此，流量调节池的任务就是减少水量波动。使废水以几乎固定的流速进入废水处理厂。可显著改善水处理厂的运行，提高处理能力。 调节池体积，可根据按平均流量设计的质量平衡估算。,流出调节池的BOD5的量为平均流出量（Qavg）、池中平均浓度（Savg）及时间（t）的乘积： 平均浓度浓度Savg为： 式中，Vi-在时间间隔t 内流入的体积，m3；S0-在时间间隔t 内的平均BOD5浓度，g/m3；Vs-前一时间间隔末端池中废水的体积，m3；Sprev-前一时间间隔末端池中BOD5浓度，它等于前一个Savg，g/m3。 注意: 由于调节池进出水流的差异，一般情况下，MBOD-in与MBOD-out是不相同的。,4.6 一级处理 经过格栅与沉砂池后，废水中仍含有较轻的有机悬浮固体，其中一部分可在沉淀池中通过重力沉降除去，沉淀下来的固体称为初污泥（raw sludge）。可利用机械刮除器或泵从沉淀池中去除，再进一步处理。,初沉池中的沉淀属于第二类的絮凝沉淀。其大小、形状、密度及絮体中的水分会连续地改变，因此无法利用STOKES公式描述。需要通过沉降实验来求得设计数据。 一般初沉池的长度为15100m，宽度324m。沉淀池的长宽比一般为3：15：1。池壁水深为25m。典型深度为3m。圆形沉淀池直径为390m，池壁水深为2.45m。 初沉池的设计参数为溢流率。按平均流量设计时典型的溢流率范围为2560m3/m2d，若有火星污泥回流到初沉池，则溢流率的范围为2535m3/m2d。平均流量时，沉淀池的水力停留时间为1.52.5h, 典型值为2.0h。,堰的设计有两种意见：长堰，约为沉淀池长度的33%50%；短堰，置于沉淀池末端的池宽方向上，堰的宽度为2.56m。 处理厂的平均流量小于0.04m3/d时，堰负荷率（通过堰的水流）为每米堰长不超过120m3/d；当流量较大时，其建议流速为190m3/(dm)。若池壁水深大于3.5m，堰负荷率的影响较小。,Example,用停留时间、溢流率及堰负荷率设计和评价初沉池。 设计资料：流量=0.150m3/s; 进水SS=280mg/L；污泥含量=6.0%；处理效率=60%；长度=40.0m（有效长度）；宽度=10.0m；水位深度=-2.0m；堰长度=75.0m。,Solution: 停留时间t=沉淀池体积V/流量Q =40102.0/0.15=1.5h，该停留时间合理。 溢流率等于流量除以表面积： v0=0.15/(40 10.0)=3.75 10-4m/s 86400=32m/d，溢流率在正常范围以内，可以接受。 堰负荷率WL等于流量除以堰的长度： WL=(0.15m3/s)/75.0m 86400=172.8m3/(dm)。堰的负荷率也很合理。,Questions,在15C静止水中的颗粒，其最终沉降速率为0.0950cm/s。设颗粒密度为2.05g/cm3，水的密度为1000kg/m3，试计算该颗粒的直径？ 设一初沉池进水最大时流量为0.570m3/s，溢流率为60.0m/d，试计算初沉池表面积。假设初沉池有效水深为3.0m，试计算其停留时间。,