當(dāng)代給水與廢水處理原理(第一章)

1、當(dāng)代給水與廢水處理原理當(dāng)代給水與廢水處理原理xxx大學(xué)Xx教授授課主要內(nèi)容授課主要內(nèi)容n相關(guān)基本概念介紹相關(guān)基本概念介紹n生物化學(xué)工程基礎(chǔ)生物化學(xué)工程基礎(chǔ)n廢水生物化學(xué)處理基礎(chǔ)廢水生物化學(xué)處理基礎(chǔ)n活性污泥法活性污泥法n生物膜法生物膜法n厭氧生物處理法厭氧生物處理法n生物脫氮除磷生物脫氮除磷n常規(guī)分離與膜分離常規(guī)分離與膜分離n活性碳吸附活性碳吸附n傳質(zhì)與曝氣傳質(zhì)與曝氣第一部分：相關(guān)基本概念介紹第一部分：相關(guān)基本概念介紹一、理論需氧量一、理論需氧量 理論需氧量(ThOD)是根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算求得的有機(jī)物被全部氧化所需的氧量。例如，含有300mgL葡萄糖溶液的理論需氧量可計(jì)算如下：n氨基乙酸的理論

2、需氧量，可利用下列化學(xué)方程式：(a)(b)(c)由方程式a計(jì)算得氨基乙酸的碳化需氧量為：bc二、化學(xué)需氧量二、化學(xué)需氧量 化學(xué)需氧量或耗氧量是指在一定嚴(yán)格條件下水中有機(jī)物與強(qiáng)氧化劑(如重鉻酸鉀、高錳酸鉀)作用所消耗的氧量。當(dāng)用重鉻酸鉀作為氧化劑，硫酸銀作為催化劑時(shí)，水中有機(jī)物幾乎可以全部(約90-95左右)被氧化。這時(shí)所測(cè)得的耗氧量稱為重鉻酸鉀耗氧量或稱化學(xué)需氧量，以CODCr或COD表示。在測(cè)定過程中無機(jī)性還原物質(zhì)也會(huì)被氧化。所以一般測(cè)得的COD包括可生物降解和不可生物降解兩部分，即化學(xué)需氧量區(qū)別不出可生物降解和不可生物降解的物質(zhì)。COD=CODB+CODNB且當(dāng)用Ag2SO4作催化劑時(shí)，部

3、分Ag2SO4將消耗于與Cl-所起的化學(xué)反應(yīng)三、生化需氧量三、生化需氧量 在有氧的情況下，由于微生物(主要是細(xì)菌)的活動(dòng)，降解有機(jī)物穩(wěn)定化所需的氧量，稱為生化需氧量，常以BOD表示。下圖表示示有機(jī)物氧化和微生物細(xì)胞合成的關(guān)系： 在有氧的條件下，廢水中的有機(jī)物分解一般分為兩階段。第一階段(亦稱碳氧化階段)，主要是不合氮有機(jī)物的氧化，但也包括含氮有機(jī)物的氨化及氨化后生成的不含氮有機(jī)物的繼續(xù)氧化，這也就是有機(jī)物中碳氧化為二氧化碳的過程。碳氧化階段所消耗的氧稱為碳化需氧量或碳化BOD，一般即稱BOD。前面圖中Oa和Ob之和即表示這部分生化需氧量。總的碳化需氧量常稱為第一階段生化需氧量(因?yàn)樘佳趸偸鞘?/p>

4、先發(fā)生)，也稱完全或總的生他需氧量，常以La或BODu表示。由于硝化作用所消耗的氧量稱為硝化需氧量或硝化BOD，可以NOD表示。Oc和Od之和表示這部分生化需氧量(忽略細(xì)菌內(nèi)源呼吸產(chǎn)生的氨進(jìn)一步氧化所消耗的氧)?？偟南趸柩趿糠Q為第二階段生化需氧量可以LN或NOD表示。上一頁符號(hào)的解釋：上一頁符號(hào)的解釋： 生化需氧量的反應(yīng)速度在很大程度上取決于微生物的種類、數(shù)目及溫度，而在測(cè)定過程中溶解氧又是逐漸消耗的。所以測(cè)定生化需氧量就須保持一定的溫度，同時(shí)也需要規(guī)定一定的時(shí)間。通常是在20溫度下培養(yǎng)5d檢查溶解氧的損失，用BOD5表示，單位以O(shè)2mg/L計(jì)。測(cè)定溫度用20是因?yàn)檫@個(gè)溫度比較接近溫帶地區(qū)一

5、般河水的平均溫度。BOD5的含義：的含義：BOD反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：第一階段反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第一階段反應(yīng)動(dòng)力學(xué): 生化需氧量反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究表明，對(duì)第一階段BOD的變化，可認(rèn)為具有一級(jí)反應(yīng)性質(zhì)。這是因?yàn)橛袡C(jī)物為微生物分解的作用雖可被認(rèn)為是雙分子反應(yīng)（見下式1），但在這個(gè)反應(yīng)中當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定時(shí)間細(xì)菌非但不減少而且往往大量增加，一旦至細(xì)菌數(shù)目無多大變化時(shí)，就有機(jī)物來說，它的分解就具有一級(jí)反應(yīng)的性質(zhì)，即反應(yīng)速度與任何時(shí)刻剩余的有機(jī)物量成正比(如果存在著足夠的氧的話)。(1)(2) 積分求解(2)式可得：K1：碳化耗氧常數(shù)如Yt或BODt取為t時(shí)日內(nèi)所吸收的氧量或所滿足的BOD，則： 多年來當(dāng)水溫為2

6、0時(shí)常采用K10.1d-1。這是英美等國對(duì)污染河水實(shí)測(cè)而得的平均值。自從BOD測(cè)定時(shí)采用了所謂標(biāo)準(zhǔn)稀釋水和對(duì)各種不同廢水進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)K1隨水質(zhì)的變化是有相當(dāng)大差異的，一般變化在0.05-0.3d-1之間，而生物處理出水的K1值則又小于進(jìn)水的K1，常在0.05-0.1d-1之間。K1變化對(duì)變化對(duì)BOD的影響的影響:溫度對(duì)溫度對(duì)BOD的影響：的影響：La和和K1的確定：的確定： 耗氧常數(shù)K1值和第一階段需氧量La的確定有最小二乘方法、矩量法、日差法和托馬斯(Thomas)法等，但均需用到生化需氧量的測(cè)定。下面介紹使用比較簡單，但也足夠準(zhǔn)確的托馬斯圖解法。在 中， )1 (1teLaYtK(

7、1)而：或： 式(1)是一直線方程，根據(jù)不同日的BOD測(cè)定結(jié)果，井作圖，即可求得K1及La的值。如下圖所示：K1和溫度的關(guān)系：和溫度的關(guān)系：K1與溫度的關(guān)系可根據(jù)阿累尼烏斯（Arrhenius)經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)求得：或：K1和溫度的關(guān)系式推導(dǎo)：和溫度的關(guān)系式推導(dǎo)：將阿累尼烏經(jīng)驗(yàn)式求導(dǎo)并積分運(yùn)算后可得： 實(shí)際上并非常數(shù)，它是隨溫度而稍有變化的。其值可通過試驗(yàn)，并按下式作圖求得；t一般說來，在10-30 時(shí)，可采用 =1.047。tLa與溫度的關(guān)系：與溫度的關(guān)系：對(duì)于一給定水樣，不但K1隨溫度而增加La也隨溫度而增加，可以認(rèn)為La K1，所以根據(jù)下式(1)，可以寫出式(2)：(1)或(2)(3) 展開

8、式(3)，可得：取一點(diǎn)說明：一點(diǎn)說明： 實(shí)驗(yàn)求得的La值與需氧量理論值(理論需氧量)之間的差別：多年來，有機(jī)物的第一階段生化需氧量La被認(rèn)為等于按化學(xué)方程式得到的理論值。例如，理論上全部氧化濃度為300mg/L的葡萄糖溶液的需氧量應(yīng)為320mg/L，此即所渭理論需氧量(計(jì)算見前)，但實(shí)際測(cè)定發(fā)現(xiàn)其La在250一285mg/L之間(20 )，顯然，葡萄糖并末全部轉(zhuǎn)化為CO2和水。要明了這個(gè)差別必須先了解微生物對(duì)于有機(jī)物的分解過程。 要使有機(jī)物能為細(xì)菌氧化，這種有機(jī)物必須要能夠作為細(xì)茵的食料，細(xì)菌由此獲得能量及組成細(xì)胞的原料。這就是說部分有機(jī)物轉(zhuǎn)變成了細(xì)胞物質(zhì)，細(xì)胞物質(zhì)通過內(nèi)源呼吸也能放出能量。細(xì)

9、菌死亡后，它即成為其它細(xì)菌的食料，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和水，并合成細(xì)胞物質(zhì)?；畹幕蛩赖募?xì)菌又可作為較高級(jí)微生物，如原生動(dòng)物的食料。在每次轉(zhuǎn)化過程中都有進(jìn)一步的氧化作用，但是最后還會(huì)有一些有機(jī)殘?jiān)z留下來。它們對(duì)于微生物分解的抗力十分強(qiáng)。這部分殘?jiān)创硭鶞y(cè)定的全部生化需氧量與理論需氧量之間存在差別的一部分有機(jī)物。第二階段動(dòng)力學(xué)：第二階段動(dòng)力學(xué)：碳化和硝化雖可同時(shí)進(jìn)行，但是，如前所述，對(duì)于一般的污染水，硝化常要在碳化進(jìn)行了一段時(shí)間才會(huì)顯著展開。 在上圖中，如坐標(biāo)原點(diǎn)移至c，并假定第二階段BOD的變化也具有一級(jí)反應(yīng)的性質(zhì)，則可寫出NOD的曲線方程：式中：硝化耗氧常數(shù)，此常數(shù)常小于碳化耗氧常數(shù)；LN和

10、K1N也可用托馬斯圖解法求得，但須采用新的坐標(biāo)系統(tǒng)。例題：例題：硝化需氧量曲線：硝化需氧量曲線：四、總有機(jī)碳（四、總有機(jī)碳（TOC）：）： 將水樣在高溫下燃燒，有機(jī)碳即被氧化成CO2，量測(cè)所產(chǎn)牛的CO2量，便可求得水樣的總有機(jī)碳(TOC)，單位以碳的mg/L表示。在作有機(jī)碳分析時(shí)，須采取措施去除無機(jī)碳的干擾。在測(cè)定條件下，基本上可以求得全部有機(jī)碳元素量，但因排除了其它元素。仍不能直接反映有機(jī)碳的真正濃度。 測(cè)定總有機(jī)碳也有儀器可供采蝴，測(cè)定迅速，也能在短時(shí)間內(nèi)完成分析工作。五、化學(xué)需氧量與生化需氧量的比較五、化學(xué)需氧量與生化需氧量的比較 化學(xué)需氧量(重鉻酸鉀耗氧量)和生化需氧量是目前應(yīng)用最廣泛

11、的間接表示有機(jī)物的指標(biāo)。它們都是利用氧化有機(jī)物的原理，即與氧化合。前者是利用化學(xué)氧化劑，氧來自氧化劑，后者則是微生物的作用，所需的氧來自水樣中的溶解氧。 生化需氧量基本上能反映出有機(jī)物進(jìn)入水體后，在一般情況下氧化分解所消耗的氧量(反映了能被微生物氧化分解的有機(jī)物的量，即間接表示出可生物降解物質(zhì)的量)，故比較符合實(shí)際情況，可以較為直接和確切地說明問題；缺點(diǎn)是完成全部檢驗(yàn)需5d，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)，不夠迅速及時(shí)，且毒性強(qiáng)的廢水可抑制微生物的作用而影響測(cè)定結(jié)果，有時(shí)甚至無法進(jìn)行測(cè)定。化學(xué)需氧量幾乎可以表示出有機(jī)物全部氧化所需的氧量，它的測(cè)定不受水質(zhì)的限制，并且在23h內(nèi)即能完成；缺點(diǎn)是不能反映出被微生物氧

12、化分解的有機(jī)物的量，不能區(qū)別可生物降解與不可生物降解的物質(zhì)。因此在水污染控制工作中以采用生化需氧量作為有機(jī)污染的指標(biāo)較為合適，但在沒有條件或受到水質(zhì)的限制而不能作生化需氧量測(cè)定時(shí)，可用化學(xué)需氧量代替。六、生化需氧量和化學(xué)需氧量之間的關(guān)系六、生化需氧量和化學(xué)需氧量之間的關(guān)系下式列出通常生活污水個(gè)指標(biāo)之間的大體比例關(guān)系：下式列出通常生活污水個(gè)指標(biāo)之間的大體比例關(guān)系：七、廢水生物處理中常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ推?、廢水生物處理中常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?1)基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)，涉及基質(zhì)降解與基質(zhì)濃度、生物量等因素之間的關(guān)系。 2)微生物增長動(dòng)力學(xué)，涉及微生物增長與基質(zhì)濃度、生物量、增長常數(shù)等因素之間的關(guān)系。 3)同時(shí)，還研究

13、基質(zhì)降解與生物量增長、基質(zhì)降解與需氧、營養(yǎng)要求等關(guān)系。 許多學(xué)者根據(jù)各自研究的成果提出了不少描述上述關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式或數(shù)學(xué)模式。在各個(gè)模式中含有一些常數(shù)。這些常數(shù)的數(shù)值表示了一類廢水生物降解的特點(diǎn)。 由于活性污泥法使用比較普遍，所以目前所提出的數(shù)學(xué)模式主要是根據(jù)活性污泥法推導(dǎo)出來的。這些模式對(duì)于其它好氧生物處理法和厭氧生物處理法泡基本適用。（1）生物處理動(dòng)力學(xué)分類：）生物處理動(dòng)力學(xué)分類：(2) Eckenfelder模式：模式： 此模式是w.w.Eckenfelder,Jr.對(duì)間歇試驗(yàn)反應(yīng)器內(nèi)微生物的生長情況進(jìn)行觀察后于1955年提出的?，F(xiàn)根據(jù)微生物增長曲線討論Eckenfelder模式于下：

14、(a) 生長率上升階段：生長率上升階段： 在此階段，基質(zhì)濃度高，微生物增長速度與基質(zhì)濃度無關(guān)，呈零級(jí)反應(yīng)，即微生物的生長不受食料數(shù)量的限制，只受自身生理機(jī)能的限制。這一階段微生物的增長過程可用下式表示：式1(b) 生長率下降階段：生長率下降階段： 在此階段，微生物的增長主要已不是受自身生理機(jī)能的限制而是受食料不足的影響，微生物的增長與基質(zhì)的降解遵循一級(jí)反應(yīng)關(guān)系。因?yàn)樗粤羁紤]了微生物濃度的影響，如以比基質(zhì)反應(yīng)速度表示，則或式2積分式2得：或(c) 內(nèi)源代謝階段內(nèi)源代謝階段:在此階段食料奇缺，微生物逐漸減少 內(nèi)源呼吸實(shí)際上是個(gè)連續(xù)反應(yīng)，貫穿于微生物的整個(gè)生命期、而并不僅僅在內(nèi)源代謝階段才存在。即

15、使在環(huán)境中有充足的食料，微生物內(nèi)部的新陳代謝仍在進(jìn)行，只是在食料較豐富時(shí)，內(nèi)源代謝作用被掩蓋了，因?yàn)檫@時(shí)合成速度很快，內(nèi)源呼吸速度則慢，但在內(nèi)源代謝階段，食料缺乏，因而影響就明顯了。式3以上三階段劃分的一般依據(jù)：以上三階段劃分的一般依據(jù)： 一般說，當(dāng)食料微生物之比(FM)2.1-2.5 KgBOD5/Kg微生物d時(shí)，微生物的生長處于生長率上升階段，而當(dāng)(FM) 0.1 KgBOD5/Kg微生物d左右時(shí)，微生物生長即進(jìn)入內(nèi)源代謝階段。活性污泥系統(tǒng)常運(yùn)行在(FM)=2.1-2.5 KgBOD5/Kg微生物d的條件下。這一范圍位于生長率下降階段，可用式2進(jìn)行處理構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)，進(jìn)水BOD5常應(yīng)低于30

16、0-500mg/L。式2即常稱的Eckenfelder關(guān)系式。式1可用于高負(fù)荷生物處理系統(tǒng)，此時(shí)基質(zhì)濃度高(BOD5500mg/L)。式3常用于污泥好氧處理和延遲曝氣系統(tǒng)。 微生物濃度常用揮發(fā)性懸浮固體(VSS)，有時(shí)也用懸浮固體(SS)計(jì)量。在活性污泥處理系統(tǒng)中即以MLVSS或MLSS表示。(d) Eckenfelder模式的應(yīng)用：模式的應(yīng)用： 1) 完全混合系統(tǒng)：完全混合系統(tǒng)：式中，Q： 進(jìn)水流量； V： 反應(yīng)器容積； r： 生物回流比，在活性污泥法 中即污泥回流比； S0：進(jìn)水基質(zhì)濃度； Se：出水基質(zhì)濃度。按照Eckenfelder模式在生長率下降階段公式：由于：故，基質(zhì)物料平衡式可變

17、形為：上式(1)中t：水力停留時(shí)間；X：微生物濃度，可以vss計(jì)量；K2：減速增長速度常數(shù)，這里 也常稱基質(zhì)去除或降解常 數(shù)，可用幾組平行試驗(yàn)數(shù)據(jù) 通過圖解法求得。(1)污泥負(fù)荷(以基質(zhì)去除量為基礎(chǔ))，也稱基質(zhì)的比去除速率。eXSKU2由上式(1)可知：容積負(fù)荷(以基質(zhì)去除量為基礎(chǔ))UeSKUs2sU兩個(gè)重要概念及一點(diǎn)注意：兩個(gè)重要概念及一點(diǎn)注意：sU2）一點(diǎn)注意：1）兩個(gè)重要概念：與F/M不同， F/M是以進(jìn)水基質(zhì)濃度為基礎(chǔ)的，(雖然有時(shí)也稱污泥負(fù)荷)， 它與 F/M的關(guān)系是：XtSMF/0100)/(EMFUs E：處理效率2) 推流系統(tǒng)：推流系統(tǒng)：推流系統(tǒng)示意圖 在理想的推流式反應(yīng)器中進(jìn)

18、口處各層水流依次流到出口處，互不干擾，各層水流中微生物的工作情況，如用微生物增長曲線來表示，將是一段線段，廢水生物處理的數(shù)學(xué)模式可直接采用下式(1)或式(2)。如二次沉淀池出水基質(zhì)濃度為Se。上兩式可改寫成： 對(duì)于推流式反應(yīng)器，采用上列公式進(jìn)行計(jì)算，有時(shí)誤差較大，因?yàn)榉磻?yīng)器首末兩端的xZ值是有變化的。完全混合反應(yīng)器內(nèi)的K 2值基本不變。XtKSS20lnXtKeSS20(1)(2) 對(duì)于推流式反應(yīng)器，采用上列公式進(jìn)行計(jì)算，有時(shí)誤差較大，因?yàn)榉磻?yīng)器首末兩端的K2值是有變化的。完全混合反應(yīng)器內(nèi)的K2值基本不變。 實(shí)際上對(duì)于活性污泥法來說并沒有真正的推流系統(tǒng)(由于存在著縱向擴(kuò)散)或真正的完全混合系統(tǒng)

19、。真正的推流系統(tǒng)較完全混合系統(tǒng)處理效率高，但由于難于得到真正的推流，外加推流式受沖擊負(fù)荷的影響較大。所以這兩種系統(tǒng)的處理效果相差不大。將一個(gè)反應(yīng)器分成幾個(gè)完全混合反應(yīng)器(完全混合多級(jí)反應(yīng)器)可以改進(jìn)處理性能，并仍保持定的適應(yīng)沖擊負(fù)荷的能力。這也就是多點(diǎn)進(jìn)水曝氣法的設(shè)計(jì)概念。下圖表示完全混合反應(yīng)器與推流式反應(yīng)器在理論上處理效率的比較。兩種系統(tǒng)的比較：兩種系統(tǒng)的比較：（3）Lawrence-McCarty模式：模式： 一般認(rèn)為A.W.Lawrence和P.L.McCarty于1970年最先將莫諾特方程引入廢水生物處理領(lǐng)域。利用這一類型的模式可以從微生物生理學(xué)角度更深入地了解微生物增長與基質(zhì)降解之間

20、的關(guān)系。a)莫諾特方程： 此方程是40年代初J.Monod研究了利用單純基質(zhì)培養(yǎng)純菌種后提出的。莫諾特方程類似于以酶促反應(yīng)為基礎(chǔ)的米門關(guān)系式。下即表示莫諾持方程。SKSSmax微生物比增氏速度(d-1)，即單位微生物量的增長速度 ，x為微生物濃度；XdtdX /MAX在飽和濃度中微生物的最大比增長速度；飽和常數(shù)，其值為 的基質(zhì)濃度（mg/L）；MAX2/1KSS基質(zhì)濃度（mg/L） 。莫諾特方程經(jīng)過變形為下式（基質(zhì)降解方程式）：如果存在不可生物降解物質(zhì)，其濃度為Sn，則：SKSSmax)()(maxnSnSSKSS莫諾持關(guān)系曲線(a)一般的奠諾特關(guān)系， (b) 受抑制后的異諾特關(guān)系。方程式的討

21、論：方程式的討論： SKSSmax1) 高基質(zhì)濃度： SKs于是式中分母的Ks與S相比，可以略去， 顯然，基質(zhì)濃度高時(shí)，基質(zhì)以最快速度降解，而與濃度無關(guān)。MAXdtdSXMAX1因?yàn)椋篗AXXdtdS所以：dtdSydtdX0由XydtdXmax0max0yK KXdtdX令K為常數(shù)，得：2）低基質(zhì)濃度： SKS 則：SKSmaxKKSMAX/令，則：KS上式表示基質(zhì)的去除遵循一級(jí)反應(yīng)關(guān)系。dtdSX1因?yàn)椋核裕篕XSdtdS 上式與從微生物生長率下降階段Eckenfeld模式所求得的方程相比，是一致的。3）中等強(qiáng)度的基質(zhì)濃度：在這一范圍內(nèi)采用SKSSMAX計(jì)算，常數(shù) 和KS的確定：常數(shù) 和KS可通過小型試驗(yàn)確定：MAXMAX試驗(yàn)流程圖求中等基質(zhì)濃度情況下方程式參數(shù)： a) 和Se 保持X和S0不變，改變t(水力停留時(shí)間)以取得相應(yīng)的Se，然后根據(jù)下式求得對(duì)應(yīng)的基質(zhì)比去除速度 。XtSSe0 和KS取方程maxSeKSeSmax的倒數(shù)，得max111SeKMAXS這是一直線方程。做圖即可