污水处理(水污染控制).doc

污水处理 （水污染控制）
Wastewater Engineering
Prof. Ji Min（季民） and Guo Jing
教材：(排水工程)下（第3、4版）
主要参考书目（REFERENCES）：
1． 高庭耀等：水污染控制工程（下），高教出版社
2． 水处理工程理论与应用，（译著），建工出版社
3． 废水生物处理过程设计，（译著），建工出版社
4． 废水处理概论，（译著），建工出版社
5． 沈耀良等：废水生物处理新技术，中国环境出版社
6． George T. and F.L.Burton: Wastewater Engineering: treatment, Disposal, Reuse.
7． 环境工程手册（水污染卷），高教出版社

第1篇 总论 (Introduction)
第1章 污水的性质与污染指标
（Wastewater Characteristics）
1.1 污水 （Wastewater）
生活污水：家庭、公共建筑物、医院等。
污水 工业废水：生产废水和生产污水
城市污水 生活污水+工业废水
初期雨水
排放水体
污水最终出路： 灌溉农田
重复使用
最终排放之前需要进行处理、去除或减少水中的污染物质。

1. 2城市污水的性质与指标
（Wastewater Characteristics/measurements/parameters）
污水中污染物的分类：
1． 按物理形态：非溶解性的污染物质（悬浮固体，Suspended solid）0.1mm -1mm
胶体性的污染物质（Colloidal matter）， 0.001mm-0.1mm
溶解性的污染物质（matter in solution），〈 0.001mm
2． 按化学组成： 无机性污染物：（Inorganic ）
酸、碱、重金属、沙砾、无机毒物、盐等
有机性污染物：(Organic)
植物性：纤维（水果、蔬菜等碳水化合物）
动物性：脂肪、蛋白质（粪便、动物组织等含氮的物质）
人工合成：各种高分子化学物质（酚、醛、苯、氨基化合物，有机磷，涂料、染料等）

溶解 ：生物易降解 / 生物难降解
有机污染物：非溶解性：生物可吸附 ：
生物易降解 / 生物难降解
生物不可吸附 （水解）

1.2.1 污水的物理性质与指标
§水温（Temperature）
§色度 （Color）
§臭味 （Odors）
§固体含量（悬浮固体 SS，挥发性悬浮固体 Volatile SS--VSS）
1.2.2 污水的化学性质及指标
1. 无机物及指标
§ 酸碱度---PH
§ 氮、磷 （Nitrogen，Phosphorus）
总氮（TN）：有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮与硝酸盐氮
有机氮—分解 氨氮---亚硝酸盐氮--硝酸盐氮
凯氏氮（KN）：有机氮+氨氮
氨氮：NH3+NH+4
磷：有机磷+无机磷（PO43-）
一般城市污水中：TN=30-60，NH3-N=5-40mg/L；污水排放标准要求处理后污水：NH3-N£15-25，磷酸盐£0.5-1
§ 硫酸盐（SO42-）与硫化物

§ 氯化物 （盐）
§ 非重金属无机有毒物：氰化物（CN），砷化物（As）
§ 重金属离子：Hg，Cd，Cr，Pb，Zn，
2. 有机物
碳水化合物：糖、淀粉、纤维素和木质素等
蛋白质与尿素
脂肪和油类
酚、有机酸、碱、表面活性剂、有机农药、各种人工合成高分子有机化合物等
3. 有机物污染指标
BOD：Biochemical Oxygen Demend 生物化学需氧量
COD：Chemical Oxygen Demend 化学需氧量
TOD：Total Oxygen Demend 总需氧量
ThOD ：Theory Oxygen Demend 理论需氧量
TOC：Total Organic Carbon 总有机碳
合成
新细胞
呼吸（氧化） 自氧菌
CO2，H2O，能，NH3
有机物 Oa Oe
（可生物降解） H2O，NO2-，能

异养菌 自养菌
合成 残存物质 合 Od
新细胞 成
CO2，H2O，能，NH3 新 NO3-
Ob（内源呼吸） 细胞 能

BOD
（mg/L） NODu

BODu

5 10 15 20 25 30 35 （d）
两阶段生化需氧量曲线
BOD的限制：
1） 测定时间太长；
2） 难降解有机物高时，测定结果误差大；
3） 当含有抑制微生物生长的有毒有害物质时，影响测定结果。
COD的优点：精确表示污水中有机物含量；测定时间短，不受水质限制。COD的缺点：难于象BOD那样反映出微生物氧化的有机物，包括不能被微生物氧化的有机物，难于生物降解的有机物。
COD：生物可降解COD；生物难降解COD；不可生物降解COD；
慢速可生物降解COD；溶解性COD；颗粒性COD。

理论需氧量（ThOD）：（有机物--- CO2+H2O，计算需氧）
CH2（NH2）COOH+3/2 O2®NH3+2CO2+H2O
NH3+3/2 O2®HNO2+H2O
HNO2+1/2 O2®HNO3

总需氧量TOD：900oC下燃烧有机物消耗氧量。
总有机碳TOC：在900oC高温下燃烧，把有机物所含的碳氧化成CO2，用红外气体分析仪记录CO2的数量折算成含碳量即等于总有机碳TOC值。
各参数之间的关系：ThOD>CODcr>BODu>BOD5>TOC
BOD/COD 的关系与废水可生物降解性能的判断指标。
BOD/COD>0.3 可生化，<0.25 难生化

1.2.3 污水的生物性质及指标
1） 大肠菌群数（个/L）与大肠菌指数（查出1个大肠菌群所需的最少水量，mL）--污水被粪便污染的程度的卫生指标
2） 病毒
3） 细菌总数

第2章 水体污染与自净
2.1 水体污染及其危害 （概念，点源与面源）
2.1.1 水体的物理性污染及其危害
1） 感官性污染（色度）
2） 热污染（水温）
3） 悬浮物污染
4） 油类污染

2.1.2. 无机物污染及其危害
1） 酸、碱无机盐类污染
酸碱来源：工业废水，酸雨；
危害：水体PH，土壤
酸碱污染导致水中无机盐类和硬度的增加：
H2SO4+(Ca,Mg)CO2® (Ca,Mg)SO4+H2O+CO2
(酸与水体中粘土、石灰岩和白云岩作用而被中和)
2（Na，K）OH+SiO2®（Na，K）2SiO3+H2O
（碱与硅石反应而中和）
2） 重金属等有毒物质污染
重金属不能被生物降解，只能在各种形态之间相互转化、分散和富集。水体—底泥
‚重金属的转化：无机汞—在微生物作用下—有机汞
六价铬 三价铬
ƒ重金属的富集：食物链
„重金属的危害：进入人体，能与体内蛋白质及酶等发生化学反应，而使其失去活性，并可能在人体中积累，形成慢性中毒。因此国家污水排放标准（见附录《污水综合排放标准》P620）对重金属有严格规定。
2.1.3 有机物污染及其危害 （以后详细讲）

2.1.4 植物性营养物—氮、磷的污染与水体富营养化
1） 水体富营养化的现象及主要原因 (eutrophication)
富营养化水指的是富含磷酸盐和某些形式的氮素的水。在光照和其他适宜的环境条件下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和异样微生物代谢活动中，水体中溶解氧很可能被耗尽，造成水质恶化和水生态环境结构破坏，这就是水体富营养化现象。

2） 水体中氮磷的来源
未经处理的工业和生活污水；污水处理厂出水；面源性农业污染；城市生活--高磷洗涤剂。
3） 含氮化合物在水体中转化
第一步：
有机氮（蛋白质、多肽、氨基酸）--（氨化）---无机氮、氨氮
第二步：氨氮—亚硝化—硝化
2NH3+3O2----（亚硝化菌）--2HNO2+2H2O+能
2HNO2+O2--（硝化菌）---2HNO3+能
硝化反应必须有充足的溶解氧，在缺氧条件下发生反硝化反应：

N 有机氮 NH3-N NO3-N

NO2-N

Day
水体中不同形态氮随时间的变化
4） 磷在水体中的存在形式
无机磷：磷酸盐形式：PO43-，HPO42-，H2PO4-
聚合磷酸盐：P2O74-，P3O105-
有机磷：葡萄糖-6-磷酸，，2-磷酸-甘油酸等形式
磷+金属离子（Ca2+，Fe3+，Al3+） 可沉物
（次生污染源水流运动使磷再度释放到水中。）
5） 氮磷污染以及水体富营养化的危害
藻类过量繁殖；藻类种类减少；水体溶解氧下降；
降低水的透明度；水有腥臭味；向水体释放毒素（赤潮）；
影响供水水质，增加制水成本；破坏水生生态；
影响污水回用
6） 水体富营养化防治措施：
一般认为总磷和无机氮分别为0.02mg/L和0.3mg/L时，就可以认为水体已处于富营养化状态。
ª减少N、P排放量
ª控制污染源
ª污水深度处理
ª清除底泥
ª清藻
2.2 水体自净的基本规律
2.2.1 水体的自净作用
1） 物理净化：稀释、扩散、混合、沉淀、挥发—位置的迁移
2） 化学净化：氧化还原、酸碱反应、分解吸附与凝聚—形态变化
3） 生物净化：微生物对有机污染物的氧化分解
v物理净化：
稀释与扩散：
稀释—污水排入水体，浓度降低；
扩散—从高浓度区向低浓度区的迁移（对流与分子扩散）
‚混合：混合状态，混合程度，混合距离
完全混合断面污染物平均浓度计算公式：

CW—污水中某污染物浓度，q—污水流量；CR—河水中该污染物浓度，Q—河水流量，a-混合系数（=1）
ƒ沉淀

v化学净化：
氧化还原（由溶解氧的反应）：重金属被氧化成沉淀物
酸碱反应：PH的变化
吸附与凝聚：水中胶体微粒对污染物的吸附和凝聚

v生物化学净化：（水生生态系统对有机污染物的分解转化—无机化，无害化）
污水 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2
大 气 复 氧
有 氧 条 件 CH4 H2S
河流 含氮有机物 好氧菌 NH+4，NH3 亚硝化菌 NO2- NO3-
H2O，CO2 硝化菌
可沉有机物

有机底泥 缺氧---厌氧细菌 NH3，CH4，H2S

天然水体中含氮有机物生物净化示意图

细菌
藻类

污水 原生动物

人类 水生动物

天然水体有机物循环示意图

2.2 河流氧垂曲线方程—Streeter-Phelps equation
（Dissolved oxygen variation in a stream）
2.2.1 氧垂曲线（Dissolved oxygen sag curve）

清洁带 污染带 恢复带 清洁带
BOD Clean Degradation Recovery Clean
or
DO 20
（ mg/L）16 BOD
12
8 DO a b DO

4 BOD O
0
2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
河流流下时间（d）
污水
河流中的BOD和DO的变化
2.2.2 氧垂曲线方程
The DO concentration variation in a stream depends on many factors.The classical development of Streeter and Phelps(1925) considers the two main influences: oxygen decrease resulting from the exertion of BOD and oxygen replenishment by natural reaeration from the atmosphere. Flow in the stream is assumed to be in the PF regime and steady state conditions are also assumed to exist
(假定：推流，河水和污水流量不变，河水温度恒定)
¨河水中有机物生化降解的耗氧速率（rL）与河水中有机物浓度（L）成正比（一级反应动力学）：
rL= - k1 L （ k1——耗氧速率常数）

¨大气复氧速率（raer）与亏氧量（Cs-C）成正比：
raer=k2（Cs-C）
k2——复氧速率常数，Cs——水中饱和溶解氧，mg/L
假定河流为狭长形，断面浓度处于完全混合，即一维河流。取一微元进行分析：
1 2
Q，C A Q，C+

Dx

The equation for the mass balance is:

输入 输出 增加或减少 积累量
假定稳态：

等式两边同乘以1/ A：
因为：
令Dx®0

河水中DO的变化是由BOD降解和大气复氧两个过程的综合结果决定：
即：

\
定义氧亏量： D= （CS-C）

也可以写成：
初始条件： t=0， D=D0， L=L0（初始BOD）
由BOD降解方程 ：
将L的表示式代入上式，在初始和边界条件下：
t=0， D=D0， L=L0； t=t D=Dt
积分后：
Dt--某时刻或下游某点的亏氧量
or：
氧垂曲线方程的工程意义：1）分析河水中溶解氧变化，推算环境容量；2）推算最大缺氧点即氧垂点的位置及到达时间，即dD/dt=0：

也可以求Dc.
以上两个公式推导假定和适用条件：
1） 只考虑生化耗氧和大气复氧
2） 污水与河水完全混合
3） k1，k2必须与温度相适应
4） 如沿河有几个排放点，应逐段计算。
0 CS
初始D
2 最大D
D Sag curve
（mg/L）
累计溶氧量 累计耗氧量
0 Time， d 8

2.3 污水处理的基本方法
§物理处理法：
分离：过滤、沉淀、气浮、格栅
§ 化学处理：
化学反应；中和、混凝、氧化还原、电解、
吸附、离子交换等。
§ 生物处理：
（微生物）好氧、厌氧；附着（生物膜）、
悬浮生物（活性污泥）
§城市污水的3级处理技术
一级处理：物理处理
二级处理：生物处理
三级处理：深度处理
§处理方法和工艺流程的选择
考虑： 处理对象、水质、水量、污染物特性、排放要求，经济建设投资能力等
作业：某河段AD上，在A和C点有废水排入，B点有一支流，如图所示。废水和河水的流量、溶解氧含量和BOD5均示在图中。本河段平均水温为200C，水流速度稳定在0.3m/s，k1为0.1d-1，k2为0.35 d-，假定废水与河水在排放口即完全混合。试估算D点的亏氧量；确定AB河段的最大亏氧点及最大亏氧量。
废水 Q=2 m3/s 废水 Q=2
BOD=20mg/L BOD=15
DO=4 mg/L DO=6
河水
Q=4 20km 20km 20km
BOD=1 A B C D
DO=9.17

支流：Q=2，BOD=1，DO=8
思考题：
1. 废水水质指标有那些？
2. 说明生化需氧量的基本概念。
3. 什么叫做第一阶段和第二阶段生化需氧量？
4. 水体自净包括那些过程？
5. k1，k2的数值和什么因素有关？
6.如何合理地选择污水处理方法和工艺流程？
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