北京大學環(huán)境工程概論廢水處理PPT課件

1、 細菌、真菌、藻類及輪蟲與甲殼動物。 描述細胞內進行的化學反應過程：分為分解代謝和合成代謝。廢水處理廠中，基質被氧化，釋放出來的能量被傳遞并儲存在能量載體中(如下圖所示)，供微生物利用。由分解代謝所產(chǎn)生的化學物質，部分被用于微生物的生存。第1頁/共46頁 好氧分解過程中必須有分子氧作為最終電子受體。在天然水體中氧以DO形式存在。當氧是唯一的電子受體時，有機物的最終代謝產(chǎn)物主要為CO2、水及新的細胞物質。第2頁/共46頁 在正常的天然水體中，好氧分解是水體自凈的主要途徑。由于好氧氧化過程中有大量的能量釋放出來，大部分好氧微生物有很高的生長速率，比其它氧化系統(tǒng)中產(chǎn)生的新細胞多，因此污泥的產(chǎn)生量就多

2、。 好氧分解速度快、效率高，產(chǎn)生的臭味少，因此廢水濃度較低（BOD5小于500mg/L）時可選用此法。當廢水濃度過高時（ BOD5大于1000mg/L），采用好氧處理不能得到足夠的溶解氧，且有大量的生物污泥產(chǎn)生，因此一般不適合于采用該法處理。 在缺少分子氧時，一些微生物能夠利用硝酸鹽作為最終受體，此時的氧化過程稱為反硝化過程。最終產(chǎn)物為氮氣、二氧化碳、水及新細胞物質。反硝化產(chǎn)生的能量約等于好氧分解產(chǎn)生的能量。第3頁/共46頁 為進行厭氧分解，分子氧與硝酸鹽不可作為電子受體。硫酸鹽、二氧化碳及有機物在厭氧分解中作為最終電子受體而被還原。有機物的厭氧分解通常分為兩個步驟：首先復雜的有機物發(fā)酵生成低

3、分子量的脂肪酸（揮發(fā)性酸）；第二步這些有機酸轉化成甲烷，二氧化碳作為電子受體。 厭氧氧化時僅能釋放出少量的能量，因此細胞的產(chǎn)生量即污泥的量很少?？衫么颂匦詫⒑醚鹾腿毖踹^程產(chǎn)生的污泥通過厭氧分解加以穩(wěn)定。目前，很多工廠利用此法處理污泥產(chǎn)生沼氣，發(fā)電。如北京高碑店污水處理廠。 廢水濃度較低時，不適合于利用厭氧分解直接處理。為提高厭氧分解的效率，必須提高廢水溫度。第4頁/共46頁（1）細菌生長的需要 最終電子受體 大量營養(yǎng)物：合成細胞所需的碳源、氮源；ATP（能量載體）和DNA所需的磷； 微量營養(yǎng)物：微量金屬；某些細胞所需的維生素。 適宜的環(huán)境：溫度；濕度；pH。（2）純培養(yǎng)物的生長 細菌的生長首

4、先經(jīng)歷一個延遲期。在延遲期的末端，細菌開始分裂，使數(shù)目逐漸增加，此階段為加速生長期。對數(shù)生長期：細菌數(shù)目P經(jīng)過n個世代周期后可用下式表示： P = P02n第5頁/共46頁第6頁/共46頁 廢水或天然水體微生物的存在不是唯一的。生長動力學描述的是不同微生物在相互競爭中其質量或濃度隨時間的變化。 不同菌種對同一基質競爭的能力取決于菌種對基質的代謝能力。由于細菌的體積較小，單位質量的表面積較大，可迅速的將基質去除，比真菌占優(yōu)勢，同樣真菌又比原生動物占優(yōu)勢。 當溶解性有機物缺乏時，細菌繁殖將減少，而撲食者則增加。在密閉系統(tǒng)中，最初添加混合微生物和基質后，細菌種群數(shù)量達到最大值后，因基質缺乏，微生物進

5、入內源呼吸狀態(tài)后而逐漸死亡。隨后被其它種類的細菌分解。這個過程不斷循環(huán)進行。第7頁/共46頁 開放系統(tǒng)中（如廢水處理廠或河流中）由于基質連續(xù)流進，優(yōu)勢種群數(shù)量和種類在處理廠的反應器長度方向上隨位置改變。不同的微生物種群對進水特性很敏感，進水特性需保持穩(wěn)定，以達到適宜的菌種平衡。第8頁/共46頁 在廢水處理系統(tǒng)中，對大多數(shù)混合培養(yǎng)的微生物，Monod方程均可適應。該方程中微生物以質量表示而不是以生物數(shù)量表示。在對數(shù)生長期，微生物質量增加的速率可表示為： 為生長速率常數(shù)，t-1；X為菌體濃度，mg/L。 利用混合培養(yǎng)微生物不易直接測量值。假設食物利用速率與菌體產(chǎn)生速率均受限于供給所需食物的酶反應速

6、率，得到： 式中， m為最大生長速率常數(shù)；S為限制性基質濃度，mg/L；Ks為半飽和常數(shù)，mg/L。當=0.5 m時，Ks=S。XdtdXSKSsm第9頁/共46頁Monod方程中生長速率與限制性基質濃度的關系mm/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數(shù)第10頁/共46頁 在廢水處理系統(tǒng)中有兩種極限情況：首先當限制性基質過量時，即SKs時，m= ，菌體的生長速率為一級反應；當S85%的BOD5和懸浮固體物質，但無法顯著地降低氮、磷或重金屬。難以完全去除病原菌和病毒。 當二級處理無法滿足要求時，需進行三級處理，可能使用化學處理或過濾方法（就象在二級處理的末端加上一個水處理廠），或將二級處理的出水灌入

7、土壤中，利用土壤-作物系統(tǒng)去除污染物?？梢匀コ?9%的BOD5、磷懸浮固體和細菌，以及95%的含氮物質。第18頁/共46頁 三級處理過程和土壤處理系統(tǒng)除常用于進一步處理二級處理出水外，也可用于取代傳統(tǒng)的二級處理過程。 廢水中的污染物一部分被分解成無害的二氧化碳和水，而另一部分從廢水中去除后成為固體物，即污泥。因此，為控制污染將不得不對污泥進行進一步的處理與處置。城市或工業(yè)廢水中可能含有有毒物質，而廢水的收集與處理系統(tǒng)并不是針對這些物質來進行設計的。當這些物質未被去除時則影響出水水質，若被去除則沉積在污泥中，使污泥成為了有害固體廢物，影響污泥的進一步處理或資源化利用。第19頁/共46頁 防止污染

8、物干擾廢水處理廠的運行，包括影響污泥的利用與處置；防止污染物直接通過處理設備或使這些設備無法運轉；增加城市與工業(yè)廢水及污泥再循環(huán)與利用的機會。 為保護廢水處理廠的設備，將一些設施與構造物放在一級處理操作前，由于通過這些設施降低BOD5的效果很有限，因此稱其為預處理。 廢水進入處理廠遇到的第一個設施通常就是格柵。目的：去除會阻塞或卡住泵、閥及其它機械設備的大顆粒物質，下水道廢水中的破布、木材及其它顆粒較大的物質被格柵去除。以機械方式清除格柵上的攔截物。定期填埋。第20頁/共46頁 廢水進入處理廠遇到的第一個設施通常就是格柵。目的：去除會阻塞或卡住泵、閥及其它機械設備的大顆粒物質，下水道廢水中的破

9、布、木材及其它顆粒較大的物質被格柵去除。以機械方式清除格柵上的攔截物。定期填埋。 格柵的種類有粗柵、人工清渣格柵與機械清渣格柵。粗柵有40150mm的較大間隙，防止木材等非常巨大的物質進入水處理廠。后面一般還有較小間隙的格柵。人工清渣格柵的間隙為2550mm，流過渠道的設計速率在0.30.6m/s，人工清渣格柵很少使用。 機械清渣格柵的間隙范圍在540mm，流過渠道的最大速度在0.61.2m/s，最小速度在0.30.6m/s，以避免沙礫累積。為方便格柵清淤或修理時備用，一般至少設置2個。第21頁/共46頁三種隔柵的工作原理圖（1）第22頁/共46頁三種隔柵的工作原理圖（2）第23頁/共46頁

10、作用：去除惰性的、較重的物質，如沙子、碎玻璃、淤泥及卵石。若這些物質在廢水中未被去除，將會磨損泵及其它機械設備。 沉砂池有三種基本類型：平流沉砂池、曝氣沉砂池與恒水位快速沉砂池。 也稱為流速控制型沉砂池，可由傳統(tǒng)沉淀理論分析其中不可凝聚顆粒的行為（第一型沉淀）假設水平流速保持在0.3m/s時，可用STOKES定律分析并進行設計。流體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設計兩個渠道以備用。第24頁/共46頁第25頁/共46頁第26頁/共46頁第27頁/共46頁 Example: 長13.5米，寬0.56m的平流沉砂池，當其平均流量為0.15m3/s，水平流速為0.25m/s時，是

11、否可以收集相對密度為2.65，半徑為0.10mm的沙礫？已知廢水溫度為22C。 Solution: 22C時，水的密度為997.774kg/m3，粘度為0.995mPa.s，利用STOKES公式計算最終沉淀速度： 代入各數(shù)值，得到vs = 36 mm/s。顆粒的密度由其相對密度乘以水的密度。 計算處理面積：Ac=0.15m3/s0.25m/s=0.60m2。 渠道水深：h=0.60m2/0.56m=1.07m。18)(2dgvss第28頁/共46頁 當沙礫從沉砂池的液面流入，則到達底部所需時間t為：t=h/vs=1.07m/0.036m/s=29.6s； 當池子長度為13.5m，水平流速為0.

12、25m/s時 ， 液 體 在 池 中 的 停 留 時 間 為13.5/0.25=54s。因此，上述顆?？稍诔辽俺刂腥コ?普通平流沉砂池的主要缺點是：沉砂中含有15%的有機物，使沉砂的后續(xù)處理難度增加，采用曝氣沉砂池可以克服這一缺點。 在曝氣沉砂池內液體以螺旋滾動方式運動，較重的顆粒被甩向外層而下沉，較輕的顆粒被水流帶走。氣泡的剪切作用可剝除粘附在沙礫表面的有機物質。第29頁/共46頁l曝氣沉砂池的操作受滾動速度和水力停留時間的影響。滾動速度可通過調整注入空氣的速率來控制，沉砂池長度方向上空氣速率的范圍為0.150.45m3/(min.m)，最大設計流量時的水力停留時間約為3min。長寬比為2

13、.5：15：1，深度為25m。第30頁/共46頁l曝氣沉砂池的優(yōu)點是通過調節(jié)曝氣量，可以控制污水的旋流速度使除砂效率較穩(wěn)定，受流量變化的影響較小，同時還對污水起預曝氣作用。l1m3污水的曝氣量為0.2m3空氣。l曝氣沉砂池設計公式：名稱公式符號說明(1) 池子總有效容積/m3V=Qmaxt*60Qmax-最大設計流量, m3/st-最大設計流量時的流行時間, min(2) 水流斷面積/m2A=Qmax/v1v1-最大設計流量時的水平流速, m/s一般采用 0.060.12。(3) 池總寬度/mB=A/h2h2-設計有效水深，m(4) 池長/mL=V/A(5) 每小時所需空氣量/m3/hq=dQ

14、max*3600d-1m3污水所需空氣量，一般為 0.2。第31頁/共46頁 用旋轉切割棒破碎機破碎水中的固體物質（破布、紙張、塑料等）破碎，破碎機置于沉砂池之后，以避免切割棒的磨損。 調節(jié)池并不是一種處理過程，但是可提高二級與三級廢水處理的效率。由于廢水不是以固定速率進入污水處理廠，其濃度也在不斷變化，使得廢水處理操作難于有效進行。因此很多廢水處理單元必須按最大流速設計，結果導致這些設施在平均流速情況下過大。因此，流量調節(jié)池的任務就是減少水量波動。使廢水以幾乎固定的流速進入廢水處理廠?？娠@著改善水處理廠的運行，提高處理能力。 調節(jié)池體積，可根據(jù)按平均流量設計的質量平衡估算。第32頁/共46頁

15、 流出調節(jié)池的BOD5的量為平均流出量（Qavg）、池中平均濃度（Savg）及時間（t）的乘積： 平均濃度濃度Savg為： 式中，Vi-在時間間隔t 內流入的體積，m3；S0-在時間間隔t 內的平均BOD5濃度，g/m3；Vs-前一時間間隔末端池中廢水的體積，m3；Sprev-前一時間間隔末端池中BOD5濃度，它等于前一個Savg，g/m3。 注意: 由于調節(jié)池進出水流的差異，一般情況下，MBOD-in與MBOD-out是不相同的。tSQMavgavgoutBODsiprevsiavgVVSVSVS0第33頁/共46頁 經(jīng)過格柵與沉砂池后，廢水中仍含有較輕的有機懸浮固體，其中一部分可在沉淀池中

16、通過重力沉降除去，沉淀下來的固體稱為初污泥（raw sludge）?？衫脵C械刮除器或泵從沉淀池中去除，再進一步處理。第34頁/共46頁 初沉池中的沉淀屬于第二類的絮凝沉淀。其大小、形狀、密度及絮體中的水分會連續(xù)地改變，因此無法利用STOKES公式描述。需要通過沉降實驗來求得設計數(shù)據(jù)。 一 般 初 沉 池 的 長 度 為 1 5 1 0 0 m ， 寬 度324m。沉淀池的長寬比一般為3：15：1。池壁水深為25m。典型深度為3m。圓形沉淀池直徑為390m，池壁水深為2.45m。 初沉池的設計參數(shù)為溢流率。按平均流量設計時典型的溢流率范圍為2560m3/m2d，若有火星污泥回流到初沉池，則溢流

17、率的范圍為2535m3/m2d。平均流量時，。的水力停留時間為1.52.5h, 典型值為2.0h第35頁/共46頁 堰的設計有兩種意見：長堰，約為沉淀池長度的33%50%；短堰，置于沉淀池末端的池寬方向上，堰的寬度為2.56m。 處理廠的平均流量小于0.04m3/d時，堰負荷率（通過堰的水流）為每米堰長不超過120m3/d；當流量較大時，其建議流速為190m3/(dm)。若池壁水深大于3.5m，堰負荷率的影響較小。第36頁/共46頁Example 用停留時間、溢流率及堰負荷率設計和評價初沉池。 設計資料：流量=0.150m3/s; 進水SS=280mg/L；污泥含量=6.0%；處理效率=60%

18、；長度=40.0m（有效長度）；寬度=10.0m；水位深度=-2.0m；堰長度=75.0m。第37頁/共46頁 Solution: 停 留 時 間 t = 沉 淀 池 體 積 V / 流 量 Q =40102.0/0.15=1.5h，該停留時間合理。 溢流率等于流量除以表面積： v0=0.15/(40 10.0)=3.75 10- 4m/s 86400=32m/d，溢流率在正常范圍以內，可以接受。 堰負荷率WL等于流量除以堰的長度： W L = ( 0 . 1 5 m3/ s ) / 7 5 . 0 m 86400=172.8m3/(dm)。堰的負荷率也很合理。第38頁/共46頁 二級處理主要

19、目的是去除一級處理出水中的溶解性BOD及懸浮固體。進行傳統(tǒng)的好氧二級生物處理的條件是：有大量微生物；微生物與有機物之間接觸良好；有提供充足的氧和維持其它需要的設施?？衫酶鞣N不同的方法來滿足這些條件。其中最常用的方法有：滴濾池法；活性污泥法和氧化塘法。另一種應用原理同于滴濾池法和活性污泥法的方法：生物轉盤法。第39頁/共46頁 滴濾池是由石頭、條板或塑料材料（介質）構成的濾床。廢水由上向下流過濾床。最常設計的是13m深的簡單礫石床。利用將水分散到石頭表面。濾床直徑可高達60m。 廢水滴流進入濾床時，微生物生長于石頭表面形成一層固定生物膜。廢水經(jīng)過生物膜時其中的有機物與微生物接觸，從而被去除。 滴濾池并不是簡單的過濾裝置。礫石直徑為5100mm，它們之間的空隙太大無法截留固體物質。它們有巨大的表面積供微生物附著，通過利用水中有機物質使微生物在介質上生長并形成生物膜，以去除有機物。第40頁/共46頁 過度生長的微生物會從石頭表面脫落，并從其縫間洗出，因此滴濾池出水需要經(jīng)過沉淀池以將這些固體去除。這種沉淀池稱為二沉池或最終沉淀池，以區(qū)別于一級處理的初沉池。 在高有機負荷下，生物膜生長很快，已致于堵塞石頭間的縫隙，造成溢流或整個系統(tǒng)失敗。此外，因濾床中的空隙體積有限，限制了空氣的流通和微生物所需的氧氣供應量，使滴濾池的處理量受到限制。 其它材料（如塑料波紋