污水生物处理技术.ppt

第四节水环境污染控制及管理,一。水体污染的防治和管理,1。制定水环境质量标准：水质标准：水环境中污染物的允许含量，污染源排放污染物的数量和浓度等的技术规范。,按照水体类型：地面水水质标准，海水水质标准，地下水水质标准。按水的用途：生活饮用水水质标准，渔业用水水质标准，农业灌溉水质标准，娱乐用水水质标准，工业用水水质标准。,工业废水排放标准：标准中将排放的污染物按其性质分为两类：1。第一类污染物是指能在动植物体内蓄积，对人体健康产生长远不良影响的。2。第二类污染物指其长远影响小于第一类污染物质。两类污染物的允许排放浓度见附表11（1），11（2）,水环境污染防治对策：1。减少耗水量2。建立城市污水处理系统3。调整工业布局4。加强水资源的规划管理为了有效控制水污染，在管理上应冲浓度管理逐步向总量控制管理过渡。,二。废水处理方法,废水处理目的：对废水中的污染物以某种方式分离出来，或者将其分解转化为无害稳定物质，从而使污水得到净化。废水处理方法选择：废水水质和水量，废水处理后的用途等；取决于废水中污染物的性质，组成，状态及对水质的要求。分类：物理法，化学法及生物法,物理法：利用物理作用处理，分离和回收废水中污染物。沉淀法，浮选法，过滤法，蒸发法。化学法：利用化学反应或物理化学作用处理回收可溶性废物或胶状物质。中和法，萃取法，氧化还原法。生物法：利用微生物的生化作用处理废水中的有机污染物。生物过滤法，活性污泥法。,城市污水处理步骤划分为：一级，二级和三级处理。一级处理：筛滤，重力沉淀和浮选，处理后的污水达不到排放标准。二级处理：生物法和絮凝法。有机物，无机悬浮物和胶体颗粒物极低浓度有机物。三级处理：曝气，吸附，化学凝聚，电渗析等。控制富营养化或达到使废水能够重新回用。,1。生物处理的基本概念2。生物处理法在废水处理中的地位3。生物处理法的分类,1生物处理的基本概念,1.1生物处理的目的和重要性一、废水生物处理的目的：絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物稳定和去除废水中的有机物去除营养元素氮和磷,1生物处理的基本概念,二、废水生物处理的重要性：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；废水中氮的去除一般来说只有依靠生物法；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；大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体的。,1.2微生物在废水生物处理中的作用,去除有机物（以COD或BOD5表示），去除其它无机营养元素如N、P等絮凝沉淀和降解胶体状固体物稳定有机物,1.3废水生物处理中的重要微生物,微生物,非细胞形态的微生物,细胞形态的微生物,病毒、噬菌体,真核生物,酵母菌,原生动物,后生动物,原核生物,细菌,放线菌,蓝藻（蓝细菌）,真菌,霉菌,藻类,1.3生物处理中的重要微生物,细菌：是废水生物处理工程中最主要的微生物真细菌(eubacteria)、古细菌(archaebacteria)根据需氧情况不同：好氧细菌、兼性细菌、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(1015C)、中温菌(1545C)、高温菌(45C),真菌：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（1/2）3)能降解纤维素。应用：1)处理某些特殊工业废水2)固体废弃物的堆肥处理,原生动物：原生动物主要以细菌作为食物；种属与数量的变化，与出水水质相关，可作为指示生物。后生动物：后生动物以原生动物和细菌作为食物；也可作为指示生物。,2生物处理法在废水处理中的地位,2.1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)：可采用机械沉淀法去除胶体状有机物(1nm100nm)：不能用机械沉淀法去除溶解性有机物(1nm)：以分散的分子状态存在于水中,2.2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,城市污水处理厂的典型流程,北京市酒仙桥污水处理厂,一级处理,二级处理,城市污水处理厂的典型流程,2.2废水处理程度的分级,一级处理：去除效果：EBOD30功能：1）去除大颗粒状有机物，以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，沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、加热或冷却等,2.2废水处理程度的分级,二级处理：去除效果：EBOD8590%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,2.2废水处理程度的分级,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；生物法生物脱氮除磷、生物陶粒、生物活性炭、曝气生物滤池等,2.3我国水环境中有机物污染现状,废水排放量巨大总废水量达400亿m3(1.1108m3/d)，其中工业废水和城市生活污水近各50%，处理率低主要污染物是有机物和氮磷营养盐,我国城市污水处理概况,目前，在全国范围内已经建成很多城市废水处理厂，估计目前我国的城市废水处理率已经达到近20%。,我国已有的大型污水处理厂,污染物的主要来源：,生活污水：COD=400500mg/l,BOD5=200300mg/l工业废水：轻工、食品、石油化工等啤酒废水：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,生物处理法的分类,例1：生活污水或城市污水的处理,进水水质：COD400mg/lBOD200mg/l,出水水质：COD40mg/lBOD15mg/l,排放标准：COD100mg/lBOD30mg/l,例1：生活污水或城市污水的处理,高碑店污水处理厂的工艺流程图,高碑店污水处理厂的工艺流程图,初沉池,曝气池,二沉池,一期,二期,污泥处理,曝气池,活性污泥好氧微生物,曝气池,第三章复习,1。水体环境概述2。污染物在水体中的扩散3。污染物在水体中的转化4。水环境污染控制及管理,目前世界各国每年消耗的淡水为2088km3/a,连同可循环用水，总量为3300km3/a，约占全球全年总径流量的90，其余10流入海洋，总体看来水量丰富。世界人口增加和工农业生产发展，水量需求增加；淡水资源分布不均，水源和人口分布不成比例；水污染加剧，水资源供应不足称为世界各国面临的严重问题。,天然水化学组成天然水中几乎包括化学元素周期表中所有化学元素溶解气体：主要气体O2,N2等，微量气体：CH4，H2等主要离子：阴离子：Cl-,SO42-等,阳离子：K+,Na+等微量元素：I，F等胶体：无机胶体，有机胶体固体悬浮物质：砂砾，粘土等,水体概念及水体污染,水体：水体是地表水圈的重要组成部分，指的是以相对稳定的陆地为边界的天然水域，包括一定流速的河渠，江河和相对静止的塘堰，水库，湖泊，沼泽，以及受潮汐影响的三角洲与海洋。包括：水中悬浮物质，溶解物质，底泥和水生生物等,水体分类：按类型分：海洋水体陆地水体：地表水体，地下水体区域：某一具体的被水覆盖的地段，如太湖，洞庭湖等。,概念判别：水质：水相的质量，通过水体的物理，化学和生物特征及组成状况，反映了水体环境自然演化过程和人类活动影响的程度。水体：包括除水相以外的其他固相物质，内容广泛。,水体污染及污染源,水污染指标:悬浮物生物化学需氧量(BOD)化学需氧量(COD)总有机碳(TOC)pH值大肠菌群数有毒物质,在人工控制的条件下，使水样中的有机物在微生物作用下进行生物氧化，在一定时间内所消耗的溶解氧的数量，可以间接反映出有机物的含量，以每升水（所含的污染物）所消耗的氧的毫克数来表示(mg/L)，简称生化需氧量(BOD)。BOD越高，表示水中需氧有机物质越多。,20条件下培养5天BOD5,用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量，以每升水所消耗的氧的毫克数来表示(mg/L)，简称化学耗氧量(COD)。COD越高，表示水中有机污染物污染越重。,常用的氧化剂:高锰酸钾(KMnO4)高锰酸盐指数重铬酸钾(K2Cr2O7)COD,水体污染源,工业污染源,生活污染源,农村污水和灌溉水,船舶废水,点源非点源,水体污染物,造成水体的水质、底质、生物质等质量恶化或形成水体污染的各种物质或能量均可能成为水体污染物。,无机无毒物,无机有毒物,有机无毒物,有机有毒物,放射性污染物,热污染物,病原体污染物,水体的自净,所谓水体的自净作用，是指受污染的各种水体在物理、化学和生物等作用下，水中污染物浓度自然降低的过程。水体自净作用往往需要一定的时间，一定范围的水域以及适当的水文条件，另外还决定于污染物的性质、浓度以及排放方式等。包括:(1)物理自净(2)化学自净(3)生物自净,污染物在水体中的运动特征,污染物在水体的运动形式有三种：推移迁移；扩散；衰减。三种运动的作用使污染物浓度降低，称水体“自净作用”。,综上所述可知：推移作用：总量不变，分布状态也不变；推移+分散：总量不变，分布状态发生变化；推移+分散+衰减：总量变化，分布状态变化。,1、一维稳态模型Dx2c/x2uxc/xKc=0(1)其特征方程为：Dx2uxk=0特征根为：1,2=ux/2Dx(1+m)式中：m=,当x=0，c=c0时，上式的解为（取负值）C=c0expuxx/2Dx1(1+4kDx/ux2)1/2弥散项忽略，则一维稳态模型解为：c=c0exp(-Kxx/ux)式中c0=(Qc1+qc2)/(Q+q)Q为河流流量；c1为河流中污染物的本底浓度；q为排入河流的污水的流量；c2为无水中的某污染物浓度；c为污染物的浓度；Dx纵向弥散系数；ux断面平均流速；K污染物的衰减速度常数,2、二维稳态模型：Dx2c/x2+Dy2c/y2uxc/xuyc/ykc=0(2)在均匀流场中其解析解为：C(x,y)=Q/4h(x/ux)2(DxDy)*exp(y-uyx/ux)2/4Dyx/ux)*exp(-kx/ux)(2-1)忽略Dx,ux:C(x,y)=Q/(ux*h(4Dxx/ux)*exp(-uxy2/4Dyx)*exp(-kx/ux)(2-2),在河流有边界条件下：才用镜像法：C(x,y)=2*Q/(ux*h(4Dxx/ux)*exp(-uxy2/4Dyx)+exp(-ux(2nB-y)2/4Dyx+exp(-ux(2nB+y)2/4Dyx*exp(-kx/ux)(2-3)h水深；B河宽；其它符号同前。,河流中的水质问题,一、污染物与河水的混合污染物排入河流后，从污水排放口到污染物在河流横断面上达到均匀分布，通常需经历竖向混合和横向混合两个阶段。,竖向混合污染物进入河流后，在较短距离内即达到竖向的均匀分布横向混合污染物达到竖向均匀分布到污染物在整个断面上达到均匀分布的过程注：直道中，主要动力为横向弥散作用;弯道中，横向环流大大加速了横向扩散,二、生物化学分解1.河流中的有机物经过生物降解所产生的浓度变化，可由一级反应式表示：L=L0e-Kc*tLt时刻有机物的剩余生物化学需氧量L0初始时刻有机物的总生物化学需氧量Kc含碳有机物的降解速度常数，为温度的函数实验室测定Kc值：通过实验室中测定生化需氧量（BOD）和时间的关系2.1961年，托马斯（HThomas）提出了河流中BOD衰减的另一个原因沉淀，如果反映生化作用和沉淀作用的BOD衰减速度常数分别为Kd和Ks，则KcKd+Ks,3.1966年，KBosko研究了河流中生化作用的BOD衰减速度常数Kd和实验室的数值Kc之间的关系：为河床活度常数，综合反映河流对有机物生化降解作用的影响。4.稳态河流中BOD的变化规律满足下式：5.含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程：,三、大气复氧水中溶解氧的主要来源是大气。氧气由大气进入水中的质量传递速度：C-河流水中溶解氧的浓度Cs-河流水中饱和溶解氧的浓度KL-质量传递系数A-气体扩散的表面积V-水的体积,欧康奈尔（D.OConner）和多宾斯（WDobbins）在1958年提出根据河流的流速、水深计算大气复氧速度常数的方法：饱和溶解氧浓度Cs是温度、盐度和大气压力的函数。在760mmHg压力下，淡水中的饱和溶解氧浓度为T为0c,四、光合作用水生植物的光合作用是河流溶解氧的另一个重要来源。欧康奈尔假定光合作用的速度随着光照强度的变化而变化。中午光照强度最大时，产氧速度最快，夜晚没有光照时，产氧速度为零。五、藻类的呼吸作用藻类的呼吸作用要消耗河水中的溶解氧，通常把藻类呼吸耗氧速度看作是常数.六、底栖动物和沉淀物的耗氧底泥耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物返回到水中和底泥顶层耗氧物质的氧化分解.,单一河段水质模型,定义：在所研究的河段内只有一个排放口时称该河段为单一河段坐标：在研究单一河段时，一般把排放口置于河段的起点，即定义排放口处的纵向坐标x0.S-P模型描述河流水质的第一个模型，由斯特里特（HStreeter）和菲而普斯（EPhelps）在1925年建立。基本假设：河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应，反应速度为常数；河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。,生物降解反应的类别微生物参与的生物化学反应，属于生物降解反应的主要有这样一些基本反应：氧化、水解、脱水、脱氢、脱氨基、脱羧基等.,水体中耗氧有机物的降解,含氮有机物的降解有机氮化合物降解的最终产物是氨，所以这个过程也被称作氨化作用（或无机化作用）。在自然环境中，这类作用大多属于有微生物介入的生物降解过程。,含氮有机物:蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、硝基化合物等等。它们的元素组成，除氮外还含有碳、氢、氧、硫、磷等。含氮有机物生物降解较不含氮有机物更难，其产物污染性强；同时，它的降解产物与不含氮有机物的降解产物会发生相互作用，影响整个降解过程。,硝化作用由固氮作用生成的氨或由蛋白质等高分子含氮化合物经降解作用后产生的氨，都可能在有氧条件下，经细菌作用而硝化硝化作用对土壤中的植物有特殊意义:1.一般植物容易吸收NO3-形态的氮，不易吸收NH3或NH4+形态的氮。2.硝酸盐有极大可溶性，不易为土壤所阻留，这又是对植物不利的。,反硝化作用又称脱氮作用。在土壤中以及在水体的底泥或中间水层环境介质中都可能发生这种作用。反硝化过程可简单地表示如下：其中N2和N2O是反硝化作用的主要产物，但一般情况下，在生成过量N2O条件下才能产生N2。,2.水体中富营养污染物水体富营养化问题湖泊、水库、河口、港湾等水流较缓的区域，最容易发生富营养化问题。这是一种由磷和氮的化合物过多排入水体后引起的二次污染现象。主要表现为水体中藻类大量繁殖，严重影响了水质。,在适宜的光照、温度、pH值和具备充分营养物质的条件下，天然水体中藻类进行光合作用，合成本身的原生质，其总反应式可写为:藻类繁殖所需要各成分,控制性因素是磷和氮，藻类繁殖的程度主要决定于水体中这两种成分的含量，并且已经知道能为藻类吸收的是无机形态的含磷、氮的营养物。,湖水的营养化程度在湖泊水体中，凡生产者、还原者、消费者达到生态平衡者是属调和型的湖泊.依据湖水营养化程度:贫营养化湖、低营养化湖、中营养化湖和富营养化湖。,调和型湖泊的营养化程度可用总磷含量、总氮含量、叶绿素a含量和透明度等指标来度量。具体数值见表1。表1湖水的营养化程度,表2水体富营养化防治的各种方法,水体富营养化营养物质负荷模型,湖泊富营养化相关模型：P作为自变量，湖泊营养状况作为因变量,湖泊、水库完全混合箱式水质模型：沃伦威德尔，70年代初研究北美大湖。模型从宏观上研究湖泊、水库中营养物质平衡的输入产出关系的模型。,模型建立了输入湖泊的某一水质组份的总量，湖泊中该水质组份的浓度与湖泊的自然特征，如：平均水深，水流停留时间等的关系。模型不描述发生在湖泊内的物理，化学和生物学过程，同时也不考虑湖泊和水库的热分层。,1.沃伦威德尔模型,停留时间很长，水质基本处于稳定状态的湖泊和水库，可作为一个均匀混合的水体进行研究。沃伦威德尔假设：湖泊中某中营养物的浓度随时间的变化率，是输入，输出和在湖泊内沉积的该种营养物质的量的函数。,V-湖泊水库的容积（m3)；c某中营养物质的浓度(g/m3)；Ic某中营养物质的总负荷(g/a);S营养物在湖泊或水库中的沉积速度常数(l/a)；Q湖泊出流的流量(m3/a),2.吉柯奈尔迪龙模型,针对上一模型中营养物质在水库中的沉积速度常数S难于确定而建立。吉柯奈尔迪龙：1975年，引入滞留系数Rc营养物在湖泊和水库中的滞留分数。,式中：Rc营养物在湖泊和水库中的滞留分数。t=0,c=c0,方程解析解为:,J出湖泊输出的总P量J入湖泊输入的总P量迪龙通过多次回归分析，得出：Rc与面积水负荷qs相关。（Q输出水量，A湖泊表面积）,由迪龙模型绘制总P负荷图。,h(g),Lp(1-RP)/r(g/m2),允许界限,危险界限,过渡区,富营养区,贫营养区,重金属在水体中的迁移转化,一。重金属元素在水环境中的污染特征1。在自然界中的分布:分布广,含量低,危害明显2。属于过渡性元素:化学性质由电子层结构决定,价态变化较多,配位络合能力强3。在水环境中的迁移转化:机械迁移,物理化学迁移,生物迁移4。毒性效应:易与蛋白质和酶高分子化物质结合,产生不可逆变性,使生理或代谢过程障碍,或与脱氧核糖核酸等相互作用而致突变,二.重金属在水体中的迁移转化1.重金属化合物的沉淀-溶解作用重金属化合物在水中的溶解度可以直观地表示其在水体中的迁移能力，溶解度大者迁移能力大，溶解度小者迁移能力小。水作为一种溶剂对许多物质都有很强的溶解能力。,2.重金属的氧化还原转化重金属的迁移转化趋势和污染效应均与此有密切关系天然水具有相应的P，故有可能使水中重金属元素进行氧化还原转化，产生价态的变化。一般说来，重金属元素在高P水中，将从低价态氧化成高价态或较高价态。而在低P的水中将被还原成低价态，或与其中硫化氢反应形成难溶硫化物。,3.重金属元素络合作用在水环境中存在着多种多样的天然和人工合成的配位体，它们能与重金属离子形成稳定度不同的络合物或螯合物，对重金属元素在水环境中的迁移在很大影响。,4.重金属的胶体化学吸附迁移转化在水体中的悬浮颗粒物和底泥中含有丰富的胶体，能够强烈地吸附各种分子和离子，对重金属离子在水环境中的迁移有明显影响，胶体的吸附作用是使重金属从不饱和的溶液中转入固相的主要途径。在天然水体中，重金属发生的许多现象和污染过程在固、液、气三相界面上进行，而与胶体吸附作用关系密切。,（1）水环境中胶体的吸附机制：胶体微粒吸附重金属离子的机制主要有三种；A、离子交换吸附：粘土矿物微粒通过层状结构边缘的羟基氢和OM基中M+离子以及层状结构之间的M+离子，交换水中重金属离子而将其吸附。B