废水处理总论

废水处理理论与工艺

邱立平、谢康济南大学土木建筑学院市政工程系TEL：0531－82765973Mobile-mail:Cea_qiulp@Wastewatertreatment-theoryandprogress课程基本要求考核形式：考察、读书报告考核具体要求：1、以废水预处理技术为主题，查阅指定的相关资料，撰写读书笔记；2、结合当前废水化学处理现状，查阅指定的相关资料，撰写读书笔记；3、针对工业废水综合整治和零排放问题，查阅指定的相关资料，撰写读书笔记；4、围绕废水处理工艺系统的选择和优化，查阅指定的相关资料，撰写读书笔记；5、结合本人研究方向，选择一个主题，准备一个30min的学术报告，综述废水处理领域某个方向的最新进展。共计提交读书笔记4份，做学术报告一次，作业一份，其余为课间讨论成绩。课程简介什么是“废水处理”？

“废水处理理论与工艺”的主要内容是什么？

学习“废水处理”后，能做什么？课程网站：/szgcx/废水处理(Wastewatertreatment)废水中不同类型的杂物或污染物（影响水的使用价值或污染环境），需要采用不同的处理方法和技术工艺进行去除处理；水和废水处理的对象主要是两大类废水：

1)生活污水（DomesticWastewater）

2)工业废水（IndustrialWastewater）城市污水（MunicipalWastewater，生活污水+初步处理后的工业废水）

两大类污染物：非溶解性污染物：无机物+有机物；溶解性污染物：有机物营养元素——氮和磷例1：生活污水或城市污水的处理进水水质：COD400mg/lBOD200mg/lSS200mg/l出水水质：COD40mg/lBOD15mg/lSS20mg/l排放标准：COD100mg/lBOD30mg/lSS70mg/l高碑店污水处理厂的工艺流程图污泥的厌氧消化活性污泥系统高碑店污水处理厂鸟瞰图初沉池曝气池二沉池一期二期污泥处理武汉东西湖啤酒厂厌氧UASB反应器好氧氧化沟武汉东西湖啤酒厂厌氧UASB反应器好氧氧化沟武汉东西湖啤酒厂本课程的教学目的学习废水处理的基本原理——熟练掌握基本理论:

主要废水处理工艺的基本原理；废水处理过程的主要影响因素。学习各种废水处理工艺的基本形式——全面掌握各种废水处理的工艺流程、特点及典型参数；学习与废水处理有关的构筑物设计计算、工程设计以及有关的工程实例——工程实践训练与理论分析

本课程的主要内容

本课程将按照:废水性质－水质指标－处理要求－单元处理技术原理与设计－工艺设计集成的思路分为四部分内容讲授，亦即：第一篇废水处理总论第二篇废水物化处理理论与技术第三篇废水生物处理理论与技术第四篇废水处理工艺系统设计教材及主要参考书目1.张自杰.排水工程(上册,第四版).北京:中国建筑工业出版社，20002.李圭白，张杰.水质工程学.北京:中国建筑工业出版社，20053.张自杰.废水处理理论与设计.北京:中国建筑工业出版社，20034.张忠祥，钱易.废水生物处理新技术.北京:清华大学出版社，20045.胡纪萃.废水厌氧生物处理理论与技术.北京:中国建筑工业出版,20026.郑兴灿,李亚新.污水脱氮除磷技术.北京:中国建筑工业出版社，19987.顾夏声.废水生物处理数学模型(第二版).北京:清华出版社，19958.顾夏声.水处理微生物学(第三版).北京:中国建筑工业出版社，19989.黄铭荣,胡纪萃.水污染治理工程.北京:高教出版社，199510.G.Tchobanoglous,F.L.BurtonandH.D.Stensel.WastewaterEngineering–TreatmentandReuse(4thEdition).清华大学出版社(影印版),2003第一篇废水处理总论第1章水资源及其开发利用1.1水的自然循环自然界的水，在地球引力和太阳的作用下，通过海洋、湖泊、河流、冰川、大气和地下水等环节，进行周而复始的水文大循环，称为水的自循环。全球海洋和陆地之间水的流动与分配，称为“大循环”或者“外循环”；海洋与大气及陆地与大气之间水的流动和交换，称为“小循环”或者“内循环”，包括海洋小循环和陆地小循环。1.2水的社会循环城市是人口和工业集中的地方。城市用水主要是人们的生活饮用水和工业用水。城市由天然水体取水，供人们生活和工业使用，用过的水又排回天然水体，这就是水的社会循环，在水的社会循环过程中，用过的水中常会有许多废弃物。一般天然水体都是一个生态系统，对排入的废弃物有一定的净化能力，称为水体的自净能力。由于社会循环的水量不断增大，排入水体的废弃物不断增多，一旦超出了水体的自净能力，水质就会恶化，从而使水体遭到污染。对城市污水进行处理，使其排入水体不会造成污染，从而实现水资源的可持续利用，称为水的良性社会循环。1.3全球水资源

地球上的总水量约为13.86×108km3，覆盖地球表面的70%；全球各个国家的年均降雨径流量较高的国家为巴西、俄罗斯、加拿大、中国、印度尼西亚、美国、印度等国；

1950s-1999，全球人口由25亿增加至60亿，农业用水增长5倍，工业用水增长26倍，市政用水增长18倍；目前全球有26个国家2.32亿人口缺少淡水，全世界有1/5的人口得不到符合卫生标准的饮用水。

水资源将成为新世纪影响国家关系的重要因素之一。20世纪60～70年代的撒哈拉大旱；1976～1977和1988的美国大旱；发展中国家的缺水问题严重，如印度的孟买和加尔各答、埃及开罗、孟加拉的达卡、巴西圣保罗、中国天津和青岛等；阿拉伯地区拥有全球9%的土地，5%的人口，仅仅拥有0.5%的可再生水资源。水资源短缺的原因在于用水浪费、水污染和人口剧增。1.4中国水资源

中国年均降水量约6.0×1012m3/a（623mm/a），河流径流量2.638×1012m3/a，地表径流量2.0×1012m3/a，地表蒸发量3.29×1012m3/a，产水量2.72×1012m3/a

水资源总量接近印尼和美国，占4-6位，但是人均水资源量仅为2200m3/C.a，为中等偏下水平；特点：时空分布不均匀，部分地区水污染严重。1.5水资源合理利用的对策及途经政策和对策：《水法》和《水污染防治法》；措施和办法：

1）多渠道开辟水资源：降雨利用；海水开发；城市污水资源化；水资源调配；

2）建设节水型城市、农业和工业：节水型城市；工业节水；农业节水；生活节水第2章水污染与废水性质、指标2.1水污染水体污染：水体在接受了来自工厂企业、矿山、城市、农业、养殖等生产或生活用水所携带的各种污染物后导致水质或水生态变劣，水体的使用价值下降，称为水体污染；我国目前的水污染现状极其严峻，水环境质量呈逐年下降趋势。2.2污染源与污染物污染源：排放污染物的源头称为污染源，污染物排放相对集中的污染源称为点源，包括生活污水、工业废水等；污染物排放相对分散且面广的污染源称为面源，包括农田排水、地表径流和大气沉降等。水中的主要污染物

1）病原微生物：致病菌、病毒、寄生虫；

2）需氧耗氧有机物：碳水化合物、蛋白质、脂肪酸、油脂、氨基酸；

3）植物营养素：氮磷等；

4）重金属：汞、镉、铬、铅、镍；

5）难降解有机物：多氯联苯（PCBs）、有机氯农药、多环芳烃（PAHs）、有机金属化合物等等。2.3废（污）水的种类及出路污（废）水是生活污水、工业废水和被污染的雨水的总称；生活污水（domesticwastewater）是人类在日常生活中使用过的，并被生活废料所污染的水；工业废水（industrialwastewater）是在工业生产及其辅助过程中使用过，并受到污染的水，分为生产废水和生产污水；城市污水是生活污水和工业废水混和后的废水的统称；废水的最终处置包括排放水体和再生回用。2.4废水的性质、危害及水质指标物理性质及指标

1）水温：约为10-20℃之间，极为重要；

2）色度：灰色至黑灰色，表色和真色；

3）嗅味：有机物酸败或挥发气体所致；

4）固体含量：分为悬浮固体、胶体和溶解固体。一般用总固体量（totalsolid,TS）为指标，定量水样在105-110℃烘干至恒重，即为TS。

悬浮固体（suspendedsolid,SS）：为水样经过滤烘干至恒重的重量，滤液中的固体为胶体和溶解固体。SS可以分为细分散、粗分散和可沉三部分，也可分为挥发性SS和非挥发性SS；

胶体：粒径0.001-0.1μm，

溶解性固体(DS)：有机和无机的化学性质及指标

1）无机物及指标（1）酸碱度：用pH表示，或者用碱度；（2）氮及其化合物：总氮=有机氮+氨氮+亚硝酸盐氮+硝酸盐氮

凯氏氮的定义，不同类型氮的关系？（3）磷及其化合物：总磷=有机磷+无机磷（4）硫酸盐和硫化物：（5）氯化物：（6）非金属无机有毒物质：氰化物和砷化物（7）重金属离子：原子序数为21-83的金属。想一想，大量含磷化合物进入水体有什么危害？2）有机物

（1）碳水化合物（2）蛋白质和尿素（3）脂肪和油类（4）酚类（5）有机酸、碱（6）表面活性剂（7）有机农药（8）取代苯类化合物

生物性指标

1）大肠菌群数

2）病毒

3）细菌总数

几种水质标准中主要指标浓度值（mg/L）主要指标CODcrBOD5SSNH3-NTP一般城市污水250－300100－150150-20030（TKN:40）4-5国家排放标准GB189182002一A5010105（8）1一B6020208（15）1.5二级100303025（30）3三级1206050－5中水回用（冲厕）－10510－I类<15<30.50.02地表水II类<153无漂浮沉积物0.50.1(0.025)III类15410.1(0.05)IV类20620.2V类251020.2一般景观用水CODmn：108透明>0.5m0.50.05从上面几个水质标准看看废水处理工程的任务？第3章水体自净与水质评价3.1水体自净作用物理净化作用-稀释稀释废水排入水体后，在流动过程中逐渐与水体混合，使得污染物的浓度不断下降的过程。稀释的效果主要靠两种运动形式的影响，对流和稀释。对流是指污染物随水流方向的运动，包括水流方向、河宽方向和河深方向运动的统称。扩散包括分子扩散、紊流扩散和弥散；紊流扩散和弥散作用符合虎克定律，则或物理净化作用－混合、沉淀和挥发河流的混合稀释效果取决于混合系数的大小，混合系数α＝Q混⁄Q总，混合系数受河流形状、污水排污口形式等因素影响。若要计算出排污口下游某处特定断面的混合系数，可采用α＝L计算⁄L全混，该断面称为计算断面或者控制断面。根据污染物在水体中的稳定程度，可以将之区分为持久性污染物和非持久性污染物。废水中的可沉物质可以通过沉淀去除，沉淀作用的大小与沉淀系数有关。可挥发物质可通过挥发而降低其浓度。化学净化作用氧化还原作用：溶解氧的氧化作用、铁锰的氧化等等；酸碱中和作用：矿物质、碳酸盐缓冲体系、一些盐的溶出与溶入等；吸附与凝聚作用：属于物理化学作用，胶体微粒的静电吸附、电中和等过程。生物化学净化作用生物净化和化学净化目前还很难进行精准的数学描述！3.2水体水质模型简介水体水质模型是描述水体中的污染物在物理净化、化学净化和生物净化的作用下迁移转化的过程。水质模型有5种分类方法：运动空间、水质组成、时间相关性、数学特征、水体类型。按照运动空间，可以将水质模型分为0维、1维、2维和3维模型零维水体水质模型一维水体水质模型假设污染物在河流各断面的宽度和深度方向分布均匀，浓度梯度为0，仅考虑纵向的浓度变化，包括流量模型和质量模型。流量模型质量模型二维水体水质模型假设污染物在断面的深度上均匀分布，即z向的浓度梯度为0，仅在x和y向扩散。水质模型为：三维水体水质模型考虑水体的各点在x、y、z方向上的流量和质量浓度的变化，比较符合实际情况，但是求解比较困难。水质模型（Brooks）为：二维水体水质模型的应用废水在河流中的扩散稀释及应用污水在河流中扩散时，可将深度方向的流速视为0，x方向的扩散与流速相比作用甚微，可忽略，故二维水质模型可简化为：

解之，可得应用计算示例废水排海的扩散稀释与应用废水排海后，存在着初始轴线稀释、输移扩散稀释和大肠菌群的衰亡稀释等；初始轴线稀释是指废水排入海底后，由于其密度远小于海水密度，因密度流而向上升腾的过程中被扩散稀释，称为～。输移扩散稀释是由于海洋洋流以及潮汐的影响所导致的扩散稀释作用，一般不考虑生物及化学作用；大肠菌群的衰亡稀释度是指废水排海后海洋流速对大肠菌群的扩散稀释；废水排海的总扩散稀释度等于以上三者之乘积。初始轴线稀释输移扩散大肠菌群稀释度扩散器计算－2扩散器计算扩散器计算－3扩散器计算－4扩散器计算－5计算例题1例题2计算例题3计算例题4图解图解氧垂曲线氧垂曲线－菲利普斯方程的建立氧垂曲线－菲利普斯方程的建立2氧垂曲线－菲利普斯方程的建立氧垂曲线的意义氧垂曲线的应用实例实例－2实例－3废水处理程度的计算方法允许排放的悬浮物浓度计算允许排放的BOD5浓度计算最后根据计算结果，确定废水的处理程度计算实例（1）实例－2实例－3实例－4湖泊水库水质模型湖泊水库水质模型2湖泊水库水质模型33.4水质评价与水环境容量水体水质评价的意义水质评价方法

1）现状评价

2）预断评价本节内容已经在《环境质量评价》课程中学习过，请同学可后结合有关专著对有关水质评价的方法、步骤和数学建模过程进行深入学习。水环境容量水环境容量是指在满足水环境质量标准的前提下，水体所能接纳的最大允许污染物负荷量，包括差值容量和同化容量。水环境容量的推算是环境管理工作的重要内容，一般分为河流水环境容量的推算和湖泊水库水环境容量的推算两类，有关详细计算请参阅教材和手册自学掌握。3.5水污染防治的原则与途径我国的水环境法规和标准

1）环保立法水法、水污染防治法等

2）水环境标准水环境质量标准、污水排放标准（一般标准、行业标准）水环境污染防治的原则应纳入国民经济建设计划，相互协调，同步发展；应与水资源开发利用相结合，并将废水资源化放在重要地位；应严格遵循国家有关政策、法规、规章和标准；应按照流域、地区、城市、乡镇、工业、农业进行统筹安排，全面规划，逐步实施。水环境污染防治的途径按照区域进行水环境综合整治；工业废水污染的综合防治；正确处理分散处理和合并处理的关系；采取综合措施防治乡镇企业的水污染；加强畜禽养殖业的污水污染防治；加强城市污水治理；加强农村面源污染的控制。第4章废水处理的基本方法和工艺系统4.1废水处理方法的分类物理处理：利用物理作用分离回收污水中悬浮状态的固体污染物质，包括筛滤法、沉淀法、上浮法、气浮法、过滤法和膜分离法等；化学处理：利用化学反应的作用，分离回收污水中各种形态的污染物质，包括中和、混凝、电解、氧化还原、气提、萃取、吸附、离子交换和电渗析等；生物处理：利用微生物的代谢作用将污水中的有机污染物转化为稳定的无害物质，包括好氧法、厌氧法。4.2废水处理程度的分级

根据处理程度，废水处理可以分为一级处理（Primarytreatment）——预处理或前处理，主要去除悬浮固体，BOD可去除30％左右；二级处理（Secondarytreatment）——生物处理，污水中的胶体和溶解有机物可去除90％以上；三级处理（Tertiarytreatment）——深度处理，进一步去除难降解有机物、植物营养性物质。一级处理去除效果：EBOD

30%,ESS

50%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，包括沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、加热或冷却等

二级处理去除效果：EBOD

85－90%，ESS

90%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——生物脱氮除磷、生物陶粒、生物活性炭、曝气生物滤池等4.3城市污水处理厂的典型流程污泥回流原废水粗细格栅进水泵房沉砂池初沉池曝气池二沉池接触池出水泥饼外运集泥井污泥回流泵房污泥浓缩池一级消化池二级消化池污泥脱水机房空气CL2或其它消毒剂絮凝剂上清液回流二级处理一级处理三级处理污泥处理一级处理4.4城市污水处理厂的典型流程实例北京市酒仙桥污水处理厂一级处理二级处理我国城市污水处理概况

年份污水厂处理能力处理率1921

上海北区污水厂4104m3/d

1926上海东、西区污水厂到1980全国238个城市,仅有16个建有39个污水厂

85104m3/d1.7%其中二级处理厂19.3万m3/d0.39%到1985年底33个城市，63个污水厂220104m3/d2.2%其中一级处理厂20个73104m3/d