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水污染控制工程（下） 主讲：成官文

水污染控制工程（下） 主讲：成官文. 六、污水的自然生物处理. 教学要求 了解其自然生物处理的主要类型，净化机理，生态系统特征。 教学时数： 2h. 污水自然生物处理的回顾与前瞻

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水污染控制工程（下） 主讲：成官文

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  1. 水污染控制工程（下） 主讲：成官文

  2. 六、污水的自然生物处理 • 教学要求 • 了解其自然生物处理的主要类型，净化机理，生态系统特征。 • 教学时数：2h

  3. 污水自然生物处理的回顾与前瞻 • 污水的自然生物处理已有300多年的历史，但随着经济和社会的发展，生活污水和工业废水的水质水量发生了很大的变化，“经典式”生态系统的自然净化能力承受不了越来越沉重的污染负荷。为了解决日益严重的水环境污染问题，出现了以普通活性污泥法、生物膜法等高效的人工净化技术。但进入20世纪70年代，严重的世界能源危机，迫使人们又转向研究节省能源、资源和投资的处理方法。污水的自然生物处理作为“替代技术”之一将受到重视。 • 在我国，国家环保局组织了“七五”、“八五”城市废水生物稳定塘技术和废水的土地处理技术攻关，使污水的自然生物处理向规范化、资源化和系统化迈进了一步。目前，我国还在人工湿地方面进行了系统研究。

  4. 一、稳定塘（生物塘） 1、概述 稳定塘：又叫生物稳定塘（biological stabilization pond），俗称氧化塘（oxidation pond）。 1)工作原理：依靠自然生态系统的净化作用使污水净化。 2)供氧方式：通过大气复氧和藻类的光合作用供氧，或人工曝气（曝气塘）。 3)分类：按DO浓度高低分好氧稳定塘,兼性塘,厌氧塘,曝气塘。 按处理程度分一级、二级和深度处理塘。 按出水方式又可分连续出水塘、控制性水塘、贮存塘。 4)适宜条件：要求有废河道、沼泽地、峡谷、荒地且地质条件良好的地形；要考虑气温、光照和风力。 5)优缺点：工程简单，建设投资少，能耗少，成本低廉，利于农业灌溉，能实现污水资源化。但占地面积大，净化效果受季节（含光照、气温）影响，易造成地下水污染，周边环境条件较差。

  5. 2、净化机理： 1）生态系统的组成 a.细菌：好氧菌、兼性菌、产酸菌、厌氧菌、硝化菌、光合细菌等。 b.藻类：绿藻、蓝绿藻等。 c.原生动物和后生动物：不同类型稳定塘数量变化较大，不宜作为指示生物。 d.水生植物（耐污耐水植物） 浮水植物：水葫芦、浮萍等，可作为青贮饲料，其它处理方 式困难(因为含水率在95％左右，堆肥、厌氧发酵、脱 水均困难)，易影响水体景观及水质，需定期打捞。 沉水植物：马来眼子菜、叶状眼子菜等（需定期收割）。 挺水植物：水葱、芦苇、蒲草等。 e.高等水生动物：鱼、鸭、鹅等。 思考题：生物塘的生态系统与活性污泥法、生物膜法有什么异同？是否什么植物均可用于生物塘？

  6. 2）生态系统——菌藻共生体系及其作用。 藻类在光合作用放出氧，细菌则利用藻类提供的氧降解有机污染物，其它仅起辅助作用。具体机理见P263图6-1。 a、生态系统：由细菌、藻类、原生动物、后生动物、水生植物、高等水生动物组成，但悬浮生物总量不高。 b、不同水层存在分区：上方因复氧、光合作用成好氧区，下部兼性区，底部（泥）厌氧区。 c、表层藻类放氧： 106CO2＋16NO3－＋HPO42－＋122H2O＋18H＋→ C106H263O110N16P＋138O2↑ d、上层异氧菌降解： C11H29O7＋14O2＋H＋→11CO2＋13H2O＋NH4＋ e、底层厌氧水解：大分子→小分子→挥发酸→甲烷。

  7. f.C、N、P的迁移与转化 碳的转化：改变水体碳酸盐的缓冲平衡(p265)。 氮的转化：有机氮→氨氮（少部分挥发和被生物同化）→亚硝酸氮→硝酸氮→氮气。 磷的转化：进水中的磷有有机磷、聚磷酸盐和正磷酸盐(预处理沉淀约10％的不溶解性磷)→正磷酸盐、偏磷酸盐→生物和化学沉淀。 由于C、N、P的转化以及日昼光合作用与否，导致水体pH变化，日间升高、夜间降低；硝化作用时降低、反硝化时升高，并引起磷酸盐(日间易于沉淀、夜间溶解)、重金属等沉淀和溶解。 g.其它有害物质转化：生物降解(难降解有机物)、吸附与吸收重金属(植物)，鳌合与沉淀(底泥)。

  8. 3）净化作用： a、稀释作用：在风力、水流与浓度差的作用下，与塘内污水混合。 b、沉淀与絮凝作用：水力作用降低而沉淀；微生物及其分泌物与污染物质絮凝。 c、好氧微生物的代谢：主要是细菌，但随负荷降低细菌作用降低。 d、厌氧微生物的代谢：能经历厌氧水解，产氢产酸和产甲烷的全过程。 e、浮游生物：光合作用与降解作用。 f、水生植物：吸收与产氧作用。 思考题：生物塘的污染降解作用与活性污泥法、生物膜法有何区别？其对污染控制工程有何影响？

  9. 4）影响因素 a、温度：稳定塘运行的主要影响因素之一。温度每增高10℃微生物的代谢速度将提高一倍。生物塘表面水温高，但昼夜温差大；底层温度低，但较稳定。温度影响水力停留时间。 b、光照：提供能量，使藻、植物进行光合作用，对有机物的降解和藻类供氧有重要影响。 c、风力：风力大且四季分布均匀，利于产生良好的水力条件，利于DO、污水的传质。 d、营养比例：C、N、P、K、Fe、S等。 e、进出水水质与有机负荷：浓度高和难降解有机物多（或高负荷），采用厌氧或兼氧塘；水质浓度低、出水水质要求高或低负荷，采用深度处理等。 f、蒸发量与降雨量：降雨－稀释、蒸发—浓缩。 g、污水的预处理：去除可沉SS和油脂；调节pH值，去除有毒有害物质。 3、好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝氧塘、深度处理塘，控制出水塘（见补充材料）。

  10. 二、污水的土地处理系统 1.概念：在人工控制条件下,将污水投配在土地上，通过土壤－微生物－植物的生态系统，进行物理、化学、物理化学和生物化学的净化过程，使污水得到净化的一种污水处理工艺。 2.工作原理：利用土壤—微生物—植物生态系统,进行物理、化学、物化和生化作用过程，使污水得到净化。其中土壤胶体和土壤微生物是土壤能够容纳、缓冲和分解微生物的关键。 3.净化作用机理 物理过滤：土壤颗粒孔隙的截留。 物理吸附：黏土等硅酸盐类物质具有离子交换和吸附作用。 物理化学吸附：重金属离子与土壤胶体、腐植酸等的鳌合作用. 化学反应和化学沉淀：与土壤中的某些组分形成难溶性化合物或因pH、Eh改变而沉淀、挥发。如与土壤中的铁、铝、钙、磷、碳酸盐等发生反应，氨氮在碱性条件下挥发等。 微生物代谢：通过各种微生物的相互依存、协同作用，降解各种有机物和氮磷等污染物质。 植物代谢：植物的吸收、降解和蒸腾作用。

  11. 4、组成：预处理设备，调节与贮存设备，污水输送、配水控制系统，土地净化田、净化水的收集、利用系统。4、组成：预处理设备，调节与贮存设备，污水输送、配水控制系统，土地净化田、净化水的收集、利用系统。 5、工艺 a、慢速渗滤处理系统：利用草场、林地、荒地以及农田、蔗地等（土壤微生物与植物），不考虑处理水的流出。

  12. b、快速渗滤处理系统：在专门的处理地上间歇处理(利用土壤微生物进行交替厌氧与好氧)，下设专门回收处理水系统。b、快速渗滤处理系统：在专门的处理地上间歇处理(利用土壤微生物进行交替厌氧与好氧)，下设专门回收处理水系统。 c、地表漫流处理系统：利用缓坡草地缓慢流动（要求土地渗透性差），并以地表径流汇集、排放和利用处理水。 思考题:土地处理与已学的生物处理方法的降解机理有何区别.

  13. 三、湿地处理系统：利用沼泽土壤的物理化学作用和微生物的生物化学作用、以及耐水植物（芦苇、香蒲、灯心草等）的协同净化作用使污水得到净化的一种土地处理工艺。三、湿地处理系统：利用沼泽土壤的物理化学作用和微生物的生物化学作用、以及耐水植物（芦苇、香蒲、灯心草等）的协同净化作用使污水得到净化的一种土地处理工艺。 a、分类：天然湿地，人工湿地和人工潜流湿地系统(见附图)。 b、生态系统：耐水植物（芦苇、香蒲等）、土壤（粘土矿物）及其微生物联合作用。 c、供氧：植物光合作用在植物根际周围形成“含氧区”，为好氧微生物供氧(见附图）。 d、净化机理：物理沉降，根际截留，化学沉淀，土壤及其微生物、植物的吸附吸收与生物代谢，阳光及其植物分泌物的灭活作用等。 e、设计运行： 对天然湿地，水深一般0.3-0.8m，不超过1m。 对人工湿地：有机负荷NA0.0018—0.011kg/ m2d,Nq150-200m3/ha.d。 对人工潜流(芦苇—石料/或水草—芦苇系统)，在渗滤和毛细管作用下通过过滤、沉淀、吸附和微生物作用降解污染物。

  14. 思考题：人工湿地系 统建设和使用过程中 应重点注意那些环节 ？

  15. 七、污水的深度处理与回用 教学要求： 1.了解深度处理去除的对象及其相对应的处理方法 2. 初步掌握污水的脱氮除磷技术 教学时数:6h

  16. 一、问题提出 • 经二级生物处理后，其出水一般含有：BOD30mg/L左右，COD60mg/L左右，NH315-25mg/L，P3-8mg/L，SS30mg/L左右，以及细菌、重金属等，必须经过处理，否则易导致水体富营养化，并对鱼类，农作物、淡水水质及处理成本等带来影响。而与此同时，很多地方（如淮河以北地区）水资源缺乏，城市绿化等市政用水成本高，迫切需要水的回用与污水资源化。所以，污水的深度处理与回用被得到重视。 • 思考题：为什么对二级生物处理出水进行深度处理？

  17. 二、部分深度处理工艺概述 1、悬浮物的去除 1）颗粒粒径：二级出水SS是以1um~1mm的生物絮凝体和未被絮凝的胶体物质。一般通过混凝、砂滤、微滤和反渗透去除（见p293图7－1）。 2）混凝沉淀：通过投加混凝剂，并经快速搅拌混凝，慢速搅拌絮凝，使微小颗粒和胶体物质脱稳而凝聚，成为较大颗粒絮体而沉淀去除。 a.混凝机理：压缩双电层(高价聚合盐)、吸附——电中和、吸附架桥、卷扫—网捕。

  18. b.投加药剂：Fe、Al盐、聚合Fe、Al盐，聚丙烯酰胺等。投加量要通过实验确定（为什么？），金属盐一般20~100mg/L，聚合Fe、Al盐一般小于50mg/L，聚丙烯酰胺5‰左右。b.投加药剂：Fe、Al盐、聚合Fe、Al盐，聚丙烯酰胺等。投加量要通过实验确定（为什么？），金属盐一般20~100mg/L，聚合Fe、Al盐一般小于50mg/L，聚丙烯酰胺5‰左右。 c.水动力学：G值和GT值，一般多级串联G值逐步减少，90－70－50S-1（考虑混凝与絮凝）。 思考题：混凝过程如何搅拌？为什么？ 3）过滤技术：通过滤料和滤膜截留、过滤。 a.作用机理：直接截留，并逐步形成滤泥层，截留更小的粒子（≤20um颗粒）。 b.运行：随着表面截污层变厚，过滤阻力加大，过滤水量减少，此时需反冲洗（最好是气液反冲洗，为什么？）。

  19. 2、溶解性有机物去除 1）活性碳吸附：活性碳具有区大的表面积和细小的孔隙，能吸附有机物，重金属离子等。 • 活性碳分类：粒状活性碳和粉末活性碳。 • 吸附量：在温度一定条件下，发生等温吸附（具有一定的吸附容量）。 • 接触方式：多级串联，依次吸附，依次穿透，依次再生。 • 接触时间：15-30min。 • 生物活性炭 2）O3氧化处理 • 目的任务：对二级处理水进行以回用为目的的处理，力求去除污水中存在的有机物、色度和杀菌、消毒。 • 工艺要求：最好砂滤（前处理）+臭氧。其效果好，减少O3使用量，提高O3效率。 • 动力学要求：进行混合反应，加速O3与水的混合，改善传质、提高或强化气液接触。混合反应器：扩散板式、喷射式，机械搅拌（类似曝气）。 3）双氧水作用类似O3氧化。

  20. 3、溶解性性无机盐的去除 • 危害：具有腐蚀性，易结垢，SO42－还原产生H2S，造成土地板结和盐碱化。因而出水回用和农用前要求脱盐。 • 脱盐技术：反渗透、电渗析、离子交换。 a.反渗透：利用半渗透膜，当对高浓度一侧施加高于渗透压的压力时，水分子通过渗透膜，从而使水得到净化。 b.电渗析：在电流作用下，阳、阴离子分别通过阳、阴离子交换膜而在局部富集，使水得到净化，从而脱盐。 c. 离子交换：带离子水经过交换树脂、沸石等时，无机盐通过交换吸附反应而被去除。

  21. 4、污水的消毒处理 • 原因：无论什么工艺，出水细菌均会超标，从而带来危害。 • 使用场合：污水农灌、排放水源地上游、旅游景区，以及流行病流行季节。 • 消毒方法：液氯、臭氧、次氯酸钠和紫外线，其优缺点及适宜范围见p304表7-3。 1）液氯消毒 • 原理：Cl2＋H2O→HOCl＋HCl • 工艺参数： • 投加量：一级20-30mg/L、一级半处理10-15mg/L、二级处理5-10mg/L。 • 混合反应：机械搅拌5-15S，鼓风混合0.2m3/m3.min。 • 水力混合：V≥0.6m/s。 • 接触时间：30min。 • 要求余氯：≥0.5mg/L（为什么？）。

  22. 2)O3消毒 • 原理：O3→O2＋[O]，由于O3溶解度低(仅10mg/L左右)，工艺要求水深加达5-6m，或接触池密闭，以提高利用率。 • 接触时间：15min，但由于O3有腐蚀性，出水必须进行消除处理。 3）次氯酸钠消毒 • 原理：Cl2＋2NaOH→NaOCl+NaCl+H2O NaOCl+H2O→HOCl＋NaOH HOCl→OCl－+H+ • 接触时间：同臭氧法 4）紫外线消毒 • 原理：紫外线穿透细胞壁并与细胞质反应而达到消毒目的。 • 方法：浸水式和水面式（高压石英水银灯）。 • 照射强度：0.19－0.25W.s/cm2。 • 污水深度：0.65－1.0m。 • 缺点：不能解决消毒后管网的再污染问题，电耗大，水中悬浮杂质和色度对紫外线透射有影响。

  23. 三、脱氮技术 1、问题提出：污水中氮一般是过量的，经二级生物处理后的出水氨氮或总氮往往超标,带来较大危害：①导致水体营养化，降低水体DO浓度，使水有异味，增加水处理成本； ②当农灌时，TN超过1mg/L，作物因过量吸收氨氮而疯长，不结果； ③硝态氮会演变为致癌物。必需进行污染防治。 • 措施或对策：物理化学脱氮和生物脱氮。

  24. 2、氨的吹脱去除 1）原理：NH3+H2O→NH4++OH－ 。 • 根据p307图7-12，当pH≥11时，以NH3的形式存在，以曝气形式使NH3从水中逸出，从而脱氮。 • 装置：脱除塔。采用NaOH或石灰预处理调节pH至10.5以上；后进入脱除塔，水从上方喷淋，气从塔底进入，气液逆向接触，风扇排气。 • 设计参数：pH≥10.5；水力负荷≤180m3/m2.d；气液比≤2200-2300；气速1600m/min。 • 适宜范围：中高浓度的含NH3废水。对于城市生活污水和二级城市生活污水处理厂出水采用此法处理后，NH3浓度仍在数mg/L，冬季会超过10mg/L，很不经济，工程上少采用。因而一般用于含高氨氮的工业废水处理。 • 思考题：吹脱氨氮会带来那些环境问题？

  25. 3、生物脱氮 1）污水中的含氮化合物有有机氮（蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物等）和氨态氮等。在初沉池前，其形态以前者为主（为什么？）；经初沉池水解后以NH4＋为主（为什么？） 。具体反应如下： • 氨化反应：以氨基酸为例，RCHNH2COOH＋O2→RCOOH＋CO2＋NH3 • 2）当初沉池出水进入曝气池后，由于C/N比高，微生物以异氧菌为主，对有机物进行降解，此时对氨氮的降解以同化代谢为主；当BOD5/N＜3时开始进行硝化反应（为什么？），第一步由亚硝酸菌将氨氮(NH4＋和NH3)转化成亚硝酸盐(NO2--N)；第二步再由硝酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐（NO3—N）。具体反应如下： NH4＋＋3/2O2→ NO2-＋H2O＋2H＋ NO2-＋1/2 O2→ NO3-

  26. 若考虑硝化细菌新细胞的合成，则反应式为： 55NH4＋＋76O2＋109HCO3－→ C5H7NO2＋54 NO2-＋57H2O＋104H2CO3 400NO2-＋NH4＋＋4H2CO3＋HCO3－＋195O2→ C5H7NO2＋3H2O＋400NO3- • 将两式合并，得： NH4＋＋1.83O2＋1.98HCO3－→ 0.02C5H7NO2＋1.04H2O＋0.98NO3-＋1.88H2CO3 • 硝化反应过程中氮元素的转化过程如下： NH4＋→ NH2OH→ NOH→ (NO2. NHOH) → NO2-→ NO3- NH4＋氧化为NO2-经历了3个步骤6个电子变化，这说明亚硝酸菌的酶系统十分复杂，而硝酸反应只经历了1步和2个电子变化，相对简单些。 • 影响生物硝化的因素有：温度、溶解氧、pH、有毒物质和C/N比。

  27. 3）硝化反应的条件与工艺参数： • 微生物：硝化菌、亚硝化菌、光合细菌。 • 碳氮比：C/N≤3或=2.86（不是书中所提的BOD<20mg/L. • DO：根据反应方程式摩尔氮变成NO3－，需2mol分子氧，即需要O24.57g(硝化需氧量)，在曝气池中DO须维持在1.5－2.0mg/L。 • pH：高硝化速度出现在pH=7.8-8.4，当pH＜6或＞9时，硝化反应将停止；生活污水pH值稳定，要维持pH稳定，必须要有足够的碱度，每硝化1gN，需碱度7.1g。 • 水温（t）：适应温度30-35℃，当t<10℃以下（准确应是8℃以下时），硝化作用迅速降低。 • 泥龄（Qc）：Qc＞15d，最好20-36d（若温度达40℃左右，减少泥龄，10-15d左右可实现短程反硝化）。 • 回流比(R)：R100~200%,否则能耗大，效果提高也不明显。 • 水力停留时间（HRT）：3.5~6h。

  28. 4)反硝化作用(脱氮反应) • 原理：生物反硝化是指污水中的硝态氮NO3-－N和亚硝态氮NO2-－N，在无氧或低氧条件下被反硝化细菌还原成氮气的过程。具体反应如下： • NO2-＋3H→ 1/2N2＋H2O＋OH－ • NO3-＋5H→ 1/2N2＋H2O＋OH－ • 反硝化过程中NO2-和NO3-的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用完成的。同化作用是NO2-和NO3-被还原成NH3－N，用于新细胞的合成。异化作用是NO2-和NO3-被还原成N2。具体生化反应过程见p310图7－14。

  29. 反硝化的影响因素有：温度、溶解氧、pH、碳源有机物、C/N比和有毒物质。反硝化的影响因素有：温度、溶解氧、pH、碳源有机物、C/N比和有毒物质。 • a、微生物：反硝化细菌（异养菌）。 • b、BOD/N比：BOD/N>3。 • c、DO＜0.5mg/L。 • d、pH值：适宜pH为6.5－7.5，过高过低（＞8或＜6）都将受到影响。 • e、温度：适宜20-38℃，当t＜15℃明显下降、＜3℃停止。 • f、HRT：由于反硝化速度快，5－10min基本完成，30min能达到85-90%左右。故缺氧段或反硝化段HRT＝1－1.5h。 • 其它可参见P311表7-4。

  30. 5）同时硝化一反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification，简写为SND） • 指硝化与反硝化二个过程同时在反应器中进行或硝化的同时进行反硝化反应。 • 理论依据有宏观环境、微环境理论和生物学解释。 • 宏观环境解释为充氧、混合、布水不均，形成局部缺氧－厌氧，发生反硝化。 • 微环境理论认为在污泥或生物膜上存在DO浓度梯度，即由好氧→缺氧→厌氧（或硝化→反硝化）。 • 微生物学理论：发现了好氧反硝化菌和异氧硝化菌,打破了传统的好氧条件下自养菌硝化与缺氧条件下异养菌反硝化的观点。

  31. 6）、生物脱氮工艺 ①后置反硝化 a、传统三级脱氮工艺（P312图7-15） 各段有自己的沉淀池与污泥回流系统，反硝化投加外加碳源。

  32. b、二级后置脱氮工艺（倒置反硝化）

  33. 2）前置反硝化，又叫A/O工艺（缺氧－好氧工艺）2）前置反硝化，又叫A/O工艺（缺氧－好氧工艺） • 该工艺不需设中沉池和投加C源，在反硝化段反硝化后回收部分碱度，同时降解部分有机物，对好氧段有利，减少供氧量，并有利于难降解有机物降解。

  34. 3）A2/O工艺（厌氧－缺氧－好氧工艺） • 该工艺具有脱氮除磷功能。厌氧段形成厌氧环境，使聚磷菌释放磷，利用其在好氧段加倍吸收磷；在缺氧段进水与回流硝酸氮和亚硝酸氮混合，在反硝化菌的作用下进行反硝化，并降解部分有机物，回收部分碱度；在好氧段进行有机物的降解、氨氮的硝化和磷的吸收。

  35. 7）、影响因素与主要技术参数 • a、HRT：对城市污水处理厂，为取得80％以上的硝化率和60％以上的脱氮率，必须保证相应的HRT。一般硝化段≥6h，反硝化段1.5h左右。 • b、内回流：一般R200％。 • C、MLSS：3000mg/L。 • d、Qc：20d以上，不得低于15d。 • e、氨氮负荷：一般低于0.03gN/（gMLSS.d）

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