工学污水的自然生物处理

工学污水的自然生物处理第1页/共109页教学内容1、概述2、稳定塘3、污水的土地处理4、自然生物处理新进展第2页/共109页1.概述1.1净化机理污水自然处理系统的净化作用主要是利用土壤浅表层中的物理作用、化学作用和微生物的生化作用。1.2特点工艺简便、操作管理方便、建设投资和运转成本低的特点。第3页/共109页自然处理系统（Natural

Treatment

Systems）稳定塘系统（Aquatic

Systems）土地处理系统（Soilbased

System）水—水生生物系统土壤—微生物—植物系统陆地生态系统1.3分类第4页/共109页2.稳定塘(biologicalstabilizationpond)2.1概述2.2稳定塘的净化机理2.3稳定塘分类介绍第5页/共109页2.1概述2.1.1稳定塘——又名氧化塘（Oxidationponds）、生物塘。是经过人工适当修正的土地，设围堤和防渗层的污水池塘，主要依靠生物净化功能使污水得到净化的一种污水生物处理技术.

第6页/共109页2.1.2稳定塘的特点优点:（1）投资省，工程简单（2）能够污水资源化，农业灌溉（效益显著，复合的生态系统）（3）能耗低缺点:（1）占地面积大（2）净化效果受自然因素控制（3）对地下水的影响（4）卫生状态差第7页/共109页2.2稳定塘对污水的净化作用（1）稀释作用;风力、水流及污染物扩散的作用--物理过程（2）沉淀和絮凝作用：SS自然沉降，小SS，微生物絮凝作用（3）好氧微生物的代谢作用:异养型好氧菌和兼性菌（4）厌氧微生物的代谢作用:兼性塘的塘底+厌氧塘内（5）藻类的主要作用——供氧；浮游生物的主要功能——吞食游离细菌，使水清澈，分泌产生生物凝的粘液；

底栖生物——摇蚊摄取污泥层的藻类或细菌，使污泥层数量减少；

鱼类——捕食微型水生动物及污物。（6）水中维管束植物的作用

a、吸收N、P；b、富集重金属

c、向塘水供氧；

d、根、茎为细菌提供了生长介质。第8页/共109页稳定塘内典型的生态系统第9页/共109页稳定塘内的生态系统细菌降解有机物藻类其光合作用是塘水中DO的主要供应者。原生动物后生动物水生植物白昼吸CO2，放O2夜间耗O2，放CO2a、吸收N、Pb、富集重金属c、向塘水供氧d、根、茎为细菌提供了生长介质。吞食游离细菌和藻类，使水清澈，分泌产生生物絮凝的粘液。第10页/共109页稳定塘内碳元素的转化和循环不溶性有机碳分解处理水CH4沉淀分解沉淀呼吸作用光合作用CO2合成解体污水解体分解代谢有机碳C细菌藻类沉积物无机碳CO2HCO3-②稳定塘内各种物质的转化碳的转化与循环第11页/共109页

a、细菌的新陈代谢作用，使溶解性有机碳转化为CO2合成细菌增殖；

b、藻类光合作用吸收CO2,呼吸时又放出CO2；

c、死亡的细菌，藻类沉入池底，分解为有机碳与无机碳；

d、塘底的厌氧发酵反应，对不溶解的有机碳分解。碳的转化途径

※综合作用的结果：溶解性有机物的降解，和细菌、藻类的增殖※塘水的PH值有变化

CO2+H2OH2CO3HCO3-+H+

白天左移夜间右移pH值升高

CO3-+H2OHCO3-+OH-

白天右移夜间左移pH值降低第12页/共109页有机氮Org-N氨氮NH3-N硝酸盐氮NO3-N挥发污水处理水反硝化氨化硝化细菌藻类氮在稳定塘内的转化与循环过程沉积物沉淀沉淀反硝化固氮作用N2氮的转化与转移N2第13页/共109页a、氨化作用使有机氮生成氨氮进而硝化b、硝化作用使NH4+-N转化为NO3--N2NH3+4O2=2HNO3+2H2O+能c、反硝化作用：NO3—N转化为N22HNO3+CH3COOH=2H2O+2HCO3-+N2d、挥发作用：HRT长，温度较高的环境下，NH3挥发至大气，N2占大气的21%；e、吸收作用:微生物及各种水生植物，吸收铵态氮或硝酸氮合成其本身的有机体；f、分解作用：衰死的细菌和藻类解体后，形成溶解性的有机氮和沉渣物，沉淀层中的有机N在厌氧菌的作用下也可得到分解。

氮的转化与转移第14页/共109页磷在稳定塘内的转化与循环溶解性无机磷有机磷不溶性无机磷有机磷处理水污水细菌藻类沉淀分解沉淀分解吸收吸收分解磷的转化与循环进水中，含有有机磷及溶解性的无机磷酸盐第15页/共109页

磷的转化与循环进水中，有机磷也有溶解性的无机磷酸盐a、细菌、藻类吸收无机磷转化为有机磷（满足生命活动——有机磷）b、溶解性P与不溶解性P的互相转化

白天，PH上升，磷酸盐易于沉淀夜间，PH下降，磷酸盐易于溶解c、有机磷在细菌作用下的净化分解——稳定塘能去处磷50-70%第16页/共109页有害物质的转化

a、生物降解作用——微生物对苯、酚、腈、有机染料、农药、多氯联苯

b、吸附与吸收作用：水生植物的根系适于微生物的生长并吸收重金属

c、螯合与沉淀作用第17页/共109页（1）温度好氧菌10-40℃（最佳25-35℃）藻类存活5-40℃（最佳30-35℃）厌氧菌15-60℃35℃、53℃（2）光照光照——光合作用的能量，对藻类的产量有影响33--43g/m².d

光饱和值：藻类对光的利用有限值，Lumen/m²；当日光的强度超过藻类所能利用的光照强度，其有向深层移动的习性；（3）混合（使营养物质与溶解氧均匀分布）3、稳定塘净化过程的影响因素

风力水力搅拌人工搅拌（4）营养物质满足正常的C、N、P、S等（5）预处理第18页/共109页2.1.3稳定塘的分类

（1）好氧稳定塘（2）兼性稳定塘（3）厌氧稳定塘（4）曝气稳定塘（5）深度处理稳定塘第19页/共109页（1）好氧稳定塘——好氧塘特点：深度浅，一般不超过0.5m，阳光能进入塘底，主要由藻类供氧，全塘处于好氧状态，好氧微生物降解有机物。

华金集团氧化塘污水处理工程

第20页/共109页（2）兼性稳定塘——兼氧塘（※城市污水处理常用的一种塘）特点：较深，一般在1.0m以上,分好氧、兼性、厌氧区，净化作用由好氧，兼性，厌氧微生物共同完成。（3）厌氧稳定塘——厌氧塘特点：塘深〉2.0m，整个塘基本上都是厌氧状态，有机负荷率高，净化速度低，停留时间长，一般为高浓度有机废水的前级处理工艺，后接其他处理工艺。第21页/共109页（4）曝气稳定塘——曝气塘分为好氧曝气塘和兼氧曝气塘特点：h>2.0m以上，由表曝机供氧，并对塘水搅动，在曝气条件下，藻类的生长与光合作用受到抑制

（5）深度处理塘——二级处理后用，进一步降低有机物、氮磷等，靠大气复氧和藻类光和作用供氧。

第22页/共109页第23页/共109页齐齐哈尔氧化塘第24页/共109页喀吐穆炼油厂氧化塘第25页/共109页1.3好氧塘1、概述（1）塘深：h=0.5m（2）DO：白天充足，晚上降低（3）PH：白天上升，夜间降低（4）生物相：丰富（菌、藻、原生、后生动物）2、特点（1）优点：净化功能较高，HRT较短（2）缺点进水有必要进行预处理，去除SS，防止污泥沉淀层、占地面积大，含有大量藻类，需除藻3、分类高负荷好氧塘；普通好氧塘；深度处理好氧塘第26页/共109页4、设计（1）一般规定①选址：气温——日照——通风条件②需要预处理③分格——不少于两格，分串联或并联④面积≯40000m2，矩形分布，长：宽=2-3：1，塘深1/2处为设计平面，取0.5m为超高⑤处理水回流，定期除底泥，除藻处理⑥HRT约为20天（2）好氧塘的计算按表面负荷计算A=QS0/NA(m2)S0——kg/m³

原污水BOD5浓度

Q——m3/d污水设计流量

NA——BOD表面负荷率kg/m².d（P272，表6-1）第27页/共109页1.4兼性塘1、概述（1）塘深

1.0-2.5m

上层——好氧（2）中间——变化（DO时有时无）下层——厌氧兼性区：生化反应主导厌氧区：产酸，产氢产乙酸，产甲烷三阶段反应好氧区：与好氧塘一样，（硝化菌）（3）生物相也比较丰富第28页/共109页1.4兼性塘2、特点（1）耐冲击负荷（水质、水量上的）（2）效率相同时，建设投资低（3）适用范围广（4）可以减少底泥第29页/共109页3、设计（1）一般规定①停留时间，7-180d，②负荷高，负荷率的选定应以最冷月的平均温度为控制条件③矩形池，长：宽=2：1-3：1④塘数不少于两座（2）兼性塘的计算求表面积经验数据进行计算V=3-5×10-5Qla[θ(35-t)]ff———（Gloyna）V:塘容积m³；Q:L/d；La:进水BOD或CODmg/l；θ:温度系数；T:塘水温度,℃；f:藻的毒性系数；f’:硫化物的需氧量BOD5表面负荷率：0.0002---0.010kg/m2.d停留时间7—180天第30页/共109页1.5厌氧塘1、概述（1）主要功能——稳定废水中高浓度有机固体，而不要求提供高质量的出水（2）生物——细菌

PH6.5-7.5（3）控制CH4阶段C:N20：1

温度、重金属离子

（4）塘深：3-5m第31页/共109页1.5厌氧塘1、概述2、特点（1）主要问题——气味；远离住宅区至少500m，使塘表层保持好氧（可以回流）（2）浓度高，深度大，易污染地下水第32页/共109页3、厌氧塘的设计（1）一般规定①HRT的确定（经验）②形状：矩形，长宽比：2-2.5：1，面积不大于8000m²③贮存底泥深度不小于0.5m，清除周期5-8年④进水出水进水口——据塘底0.6-1.0m，进入消化槽中，可以控制气味，且与活性污泥固体混合出水口——淹没是，入水中0.6m（2）经验数据设计①有机负荷率：厌氧反应是HRT的函数，而与塘面积的函数关系较小

“oswald”指出：有机负荷指标取决于地理位置，地理位置进而影响水的物理、化学、生物性质，影响水温②温度——保持15℃以上，最好为32℃，因此不应过深，降温梯度为-1℃/0.3m第33页/共109页1.6曝气塘1、概述（1）曝气塘——人工强化的稳定塘。（2）塘的种类——曝气相关，可分为好氧曝气塘和兼性曝气塘。第34页/共109页第35页/共109页第36页/共109页1.6曝气塘（1）效率高，占地少、耗电高。2、特点3、设计（1）一般规定BOD表面负荷率：30-60gBOD5/m².d；塘深：2.5-5.0m，SS：80-200mg/l；HRT：好氧1-10d、兼性曝气塘7-20d；第37页/共109页（2）计算公式流态完全混合假定有机物降解量是一级反应无污泥回流系统因此有下式成立

ds/dt=-ks改写为(S0-Se)/t=-kSeK：有机物降解速度常数；t:污水在塘内的停留时间d;S0、Se：原水和处理水有机物浓度mg/l；由物料平衡：(S0-Se)Q=(kSe)VV：曝气塘容积m3将V/Q=t及去除率(S0-Se)/S0×100=E曝气塘：t=E/K(100-E)推出Se=S0/(1+Kt)兼性曝气塘：Se=S0/(1+Kt)×FF:夏季1.4、冬季1.0；※K(t)=K(20)×θT-20θ是温度系数，介于1.065-1.09之间第38页/共109页1.7深度处理塘（三级处理塘、熟化塘）1、概述（1）处理对象——二级出水，设在稳定塘的最后或起缓冲作用

BOD；不高于30mg/l（2）进水水质COD：不高于120mg/lSS：30-60mg/l进水除BOD、SS外，其他指标应符合渔业用水标准。（1）BOD的去除(COD)，去除率不高（2）除菌效果好（3）藻类的去除※——养鱼（4）N、P的去除——藻类的吸收2、特点3、计算负荷率计算负荷率的选取根据去除的具体污染物选取第39页/共109页1.8控制出水塘1、概述（1）控制出水塘多为兼性塘（2）主要考虑冬贮问题停留时间（冬季）一般稳定塘（夏季）2、设计要点（1）设计应考虑的因素塘深高于冰冻线1m

进出水口：污泥层之上,冰冻层之下（2）需有一级处理：不少于2座，可并联或串联，避免短流（3）BOD表面负荷率法1.9稳定塘设计要点1、包括土堤和进出水工程（1）以挖方和填方平衡为依据（2）堤的外坡1：3，（垂直于水流），内坡（1：2-1：3）需防渗漏第40页/共109页（3）进水小塘——塘的中心大塘——多点布水的进水扩散装置（4）短流的控制——多塘串联，多点进水，塘内安装导流板，一个塘系统不小于3个塘（5）渗漏的控制——塘底和堤内面做防渗粘土：膨润土混凝土：膜（6）污泥的容积——一切塘均有的问题优点：进水构筑物旁，通过厌氧层可提高BOD降解现象：温度变化诱发翻转，使水底SS悬浮起来，春季时发生冬天:污泥的蓄积后果：臭气上升，水质下降（NH3-N）等升高方法：一般保留容积，以蓄积污泥（7）病菌的控制

——长的HRT的兼性塘和控制出水塘，病菌存在明显，

FC：200个/100ml，亦可用氯消毒第41页/共109页污水的土地处理系统1.定义在人工调控和系统自我调控的条件下，利用土壤——微生物——植物组成的生态系统对废水中的污染物进行一系列物理的、化学的和生物的净化过程，使废水水质得到净化和改善；并通过系统内营养物质和水分的循环利用，使绿色植物生长繁殖，从而实现废水的资源化、无害化和稳定化的生态系统工程，称为废水土地处理系统。第42页/共109页2.土地处理机理

土壤对废水的净化，是一个受多种复杂因素作用的综合过程。(1)物理过滤-----悬浮物被表层土壤团粒间的孔隙过滤截留。(2)物理和化学吸附-----土壤中的粘土矿物颗粒能吸附水中的中性分子，废水中的各种离子则因离子交换作用被置换吸附并固定在矿物晶格中。(3化学反应和化学沉淀-----废水中的金属离子与土壤中的某些组分生成络合物和整合物，或生成硫化物、氨氧化物以及磷酸盐、碳酸盐等而被沉积于土壤中。(4)微生物作用类似于生物膜处理废水第43页/共109页3.污水土地处理系统工艺1、慢速渗滤2、快速渗滤3、地表漫流4、湿地处理系统第44页/共109页3.1慢速渗滤系统3.1.1概述：渗水性能良好的壤土、砂质壤土以及蒸发量小、气候湿润的地区；废水经石灌或喷灌后垂直向下缓慢渗滤，其上种有农作物；充分利用废水中的水分及营养成分，并藉土壤—微生物—农作物复合系统对污水进行净化，部分污水被蒸发和渗滤；使用寿命长。第45页/共109页第46页/共109页3.1慢速渗滤系统3.1.2工艺目标：处理废水；利用水和营养物质生产农作物；节省优质清洁水，(特别是干旱地区)3.1.3工艺性能：废水投配负荷一般较低，由于渗滤速度慢，废水在表层土壤（含大量微生物)中的停留时间长，废水净化效率高，出水水质好。第47页/共109页3.1慢速渗滤系统3.1.4预处理一级处理：初次沉淀或酸化(水解)池处理；二级处理：稳定塘或传统二级生物处理。3.1.5作物选择：处理废水为目标时，可选多年生板草，其生长期长，对氧利用率高，忍受水力负荷能力强；种植谷物则应以利用、生产为主，对废水的调蓄应加强管理；森林型SR系统第48页/共109页3.2快速渗滤系统3.2.1概述透水性非常良好的土壤，如砂土、壤土砂或砂壤土等；废水周期性地布水(投配或灌入)和落干(休灌)，使表层土壤处于厌氧、好氧交替运行的状态，藉不同种群的微生物分解降解废水中的有机物，A-O交替运行有利于去除N、P；第49页/共109页第50页/共109页3.2快速渗滤系统3.2.2工艺特点：有机负荷与水力负荷比其他土地处理工艺明显地高得多，但其净化效率仍很高。补给地下水；可藉井或地下排回收净化水；可将净化水贮存在地下含水层。第51页/共109页3.2快速渗滤系统3.2.3工艺性能：可以直接采用快速渗滤系统处理一级处理(酸化池)出水：该系统对污染物的去除率高：COD＞90%,BOD5＞95%，SS＞98%；系统出水的COD＜40mg/L，BOD＜10mg/L；耐冲击负荷能力强；脱氮能力强。

第52页/共109页3.2快速渗滤系统3.2.4预处理要求一般情况下，一级处理即可；若对出水水质要求高或滤速高，则应以二级处理作为预处理。第53页/共109页3.3地表漫流系统3.3.1概述净化机制类似于固定膜生物处理法；将废水投配到多年生牧草、坡度和缓、土壤渗透性差的坡面上，废水在沿坡面缓慢流动的过程中得到净化；适用于土壤渗透性低的粘土、亚粘土。第54页/共109页3.3地表漫流系统3.3.2工艺特点：废水要求预处理(如格栅、筛滤)后进入系统，出水水质相当于传统生物处理后的出水；对BOD、SS、N的去除率较高；在处理废水的同时，可收获作物第55页/共109页第56页/共109页3.4地下渗滤处理系统

3.4.1概述将污水投配到距地面约0.5m深，有良好渗透性的地层中，藉毛管浸润和土壤渗透作用，使污水向四周扩散。通过过滤、沉淀、吸附和生物降解作用等过程使污水得到净化。

第57页/共109页3.4地下渗滤处理系统

3.4.2适用场合地下渗滤系统适用于无法接人城市排水管网的小水量污水处理，如分散的居民点住宅、度假村、疗养院等。污水进入处理系统前需经化粪池或酸化(水解)池预处理。第58页/共109页3.5湿地处理系统3.5.1概述在耐水植物和土壤联合作用下的一种土地处理工艺。人工湿地（constructedwetland）70年代以来，德国首先建造。湿地介绍湿地定义湿地作用湿地类型第59页/共109页湿地定义

国际《湿地公约》对湿地的定义为：“无论其为天然或人工，长久或短暂性的沼泽地、泥潭地或水域地带，静止或流动的淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6米的水域”均属于湿地范畴。第60页/共109页第61页/共109页第62页/共109页第63页/共109页第64页/共109页第65页/共109页湿地作用

一类重要的生态系统，它具有涵养水源、净化水质、调节局部小气候等功能。湿地也是生物多样性的重要发源地和保存地。因此它被誉为“地球之肾”和“天然物种基因库”。第66页/共109页湿地类型多种多样，通常分为自然和人工两大类。自然湿地包括沼泽地、泥炭地、湖泊、河流、海滩和盐沼等，人工湿地主要有水稻田、水库、池塘等。

第67页/共109页3.5湿地处理系统3.5.2净化机理（1）物理作用沉降，植物根系的截留；（2）物质的化学沉淀；（3）土壤及植物表面的吸附吸收；（4）微生物的代谢。第68页/共109页人工湿地一种人工将污水有控制地投配到种有水生植物的土地上，按不同方式控制有效停留时间并使其沿着一定的方向流动，在物理、化学、生物共同作用下，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等来实现水质净化的污水处理技术。人工湿地既吸收了天然湿地系统复杂而高效的净化污染物的功能优点，又能保护天然生态环境，是一种生态处理技术。

第69页/共109页3.5.3工艺特征以生长在沼泽地的维管束植物为主要特征。根据湿地中主要植物形式人工湿地可分为：1、浮游植物系统;2、挺水植物系统；3、沉水植物系统。第70页/共109页其中水面浮水植物以睡莲、风眼莲、荇菜、菱为主

第71页/共109页沉水植物一般原生于水质清洁的环境，其生长对水质要求比较高，因此，沉水植物只能用作人工湿地系统中最后的强化稳定植物加以应用，以提高出水水质。

第72页/共109页挺水植物以芦苇、香蒲、黄菖蒲、茭白、荷花、水葱、伞草、风车草、泽泻

第73页/共109页第74页/共109页第75页/共109页第76页/共109页第77页/共109页3.5.4工艺类型按照水流方向分类：自由水面人工湿地—表面流潜流水平流潜流垂直流潜流第78页/共109页污水与植物作用投配污水与土壤作用湿地出水图11天然湿地处理系统示意图水深30—80cm,净化作用与好氧塘相似，适宜作污水的深度处理第79页/共109页横孔布水管芦苇水面溢流出水溢流出水集水沟隔水层土壤层生物膜苇根自由水面人工湿地水深浅，水层保持好氧状态；有机负荷率及水力负荷率较低，有机负荷率介于18—110kgBOD5/ha.d。第80页/共109页自然湿地相类似，水面位于湿地基质层以上，其水深一般为0.3—0.5m。多采用地表径流，污水从进口以一定深度缓慢流过湿地表面，部分污水蒸发或渗入湿地，出水经溢流堰流出。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点。第81页/共109页潜流人工湿地污水在湿地床的表面下流动，利用填料表面生长的生物膜、植物根系及表层土和填料的截留作用净化污水。第82页/共109页碎石坡度土壤层根系层隔水层可调水位的集水管芦苇穿孔布水管人工潜流湿地处理系统潜流人工湿地主要形式为采用各种填料的芦苇床系统。芦苇床由上下两层组成，上层为土壤，下层是由易使水流通过的介质组成的根系层，如粒径较大的砾石、炉渣或砂层等，在上层土壤层中种植芦苇等耐水植物。第83页/共109页进水带孔布水管碎石碎石隔水层集水管去出水管芦苇人工潜流湿地（碎石床）第84页/共109页潜流人工湿地潜流式湿地能充分利用了湿地的空间，发挥植物、微生物和基质之间的协同作用，因此在相同面积情况下其处理能力得到大幅提高。污水基本上在地面下流动，保温效果好，卫生条件也较好。第85页/共109页碎石坡度土壤层根系层隔水层可调水位的集水管芦苇穿孔布水管水平流潜流式湿地：其水流从进口起在根系层中沿水平方向缓慢流动，出口处设水位调节装置，以保持污水尽量和根系接触。第86页/共109页第87页/共109页垂直流潜流式湿地：其水流方向和根系层呈垂直状态，其出水装置一般设在湿地底部。主要作用在于提高氧向污水及基质中的转移效率。其表层为渗透性良好的砂层，间歇式进水，提高氧转移效率，以此来提高BOD去除和氨氮硝化的效果。第88页/共109页第89页/共109页复合流潜流式湿地：芦苇床基质层中污水同时以水平流和垂直流的流态流出底部的渗水管中。也可以用两级复合流潜流式湿地进行串联的复合流潜流湿地系统，第一级湿地中污水以水平流和下向垂直流的组合流态进入第二级湿地，第二级湿地中，污水以水平流和上向垂直流的组合流态流出湿地。

第90页/共109页3.5.5人工湿地构造第91页/共109页第92页/共109页第93页/共109页第94页/共109页防渗层:

防止未经处理的污水通过渗透作用污染地下含水层而铺设的一层透水性差的物质。如果现场的土壤和黏土能够提供充足的防渗能力，那么压实这些土壤作湿地的衬里已经足够。基质层——核心基质颗粒的粒径、矿质成分等直接影响着污水处理