北京大学环境工程概论_第四章_废水处理ppt课件

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4.9废水三级处理虽然二级处理加上消毒工艺可去除85%以上的BOD5和悬浮固体以及几乎所有的致病菌,但对氮、磷、溶解性COD、重金属等污染物的去除较少。在许多情况下，这些污染物可能更令人关心。无法在二级处理中去除的污染物可以通过三级废水处理或高级废水处理过程去除。这些工艺除了可以解决不易处理的污染问题外，还可改善出水水质，以满足许多回用的目的，将废水转变为可再利用的资源。n4.9.1过滤二级处理工艺，如活性污泥法，可有效地去除生物可降解的胶体性和溶解性有机物，但是经过处理的出水，其BOD5值会高于理论计算值。典型的BOD5值约为20~50mg/L。这主要是由于二沉池无法有效地将生物处理所产生的微生物完全沉淀去除。这些微生物细胞死亡后分解需消耗氧从而产生悬浮固体与BOD5。利用与水处理厂相似的过滤工艺可以去除残留的悬浮固体，包括未被沉淀的微生物。去除微生物也可降低残留的BOD5。应用于水处理厂的传统砂滤池通常会很快地被堵塞，因此经常需要反冲洗。n为了延长滤池的使用时间，减少反冲洗次数，可在滤池上端采用粒径较大的砂砾，这种安排可使一些大颗粒生物絮体不能渗入滤池深处而在表面即被捕获。多介质滤床由大颗粒低密度的煤炭、中颗粒中密度的砂和小颗粒高密度的石榴石组合而成。在反冲洗时，由于较大颗粒的密度较小，因此，煤炭仍然在上面，砂维持在中间，而石榴石在底部。4.9.2活性炭吸附一些生物无法分解的溶解性有机物质仍存在于经过二级处理、混凝、沉淀及过滤等工艺处理后的出水中，这些物质称为难分解有机物(refractoryorganics)。出水中的难分解有机物表现为溶解性COD，二级处理出水的COD值经常在30～60mg／Ln去除难分解有机物实际可行的方法是用活性炭(activatedcarbon)吸附。吸附是物质在其界面(interface)上的积累，吸附是一种表面现象，活性炭的表面积越大，其对有机物质的吸附量就越多。孔隙的巨大表面积占活性炭颗粒总表面积的绝大部分，这就是活性炭可有效去除有机物的原因。当活性炭达到吸附饱和后，可以在高温炉中加热，将吸附的有机物驱出而获得再生。炉内的氧量必须很低以避免碳燃烧。驱出的有机物需通过后燃室以避免造成空气污染。小处理厂因成本原因而无法设置现场再生炉，用过的活性炭可运送到再生中心处理。n4.9.3除磷所有的聚磷酸盐(分子间脱水的磷酸盐)在水中逐渐水解形成正磷酸盐(PO43-)。在废水中以含一个氢的磷酸盐(HPO42-)为主。防止或降低富营养化，通常可利用下列三种化学试剂之一，现给出每一种沉降反应。n利用氯化铁：利用明矾：利用石灰：应该注意氯化铁和明矾会降低pH值，石灰则会提高pH。使用氯化铁和明矾的有效pH范围是5.5～7。若系统中没有足够的碱度缓冲pH到上述范围，则需要添加石灰以抵消形成的H+。磷的沉淀需要一个反应池和一个沉淀池。若使用氯化铁和明矾，则可以直接加到活性污泥系统的曝气池中，此时曝气池便可作为反应池，而沉淀物可在二沉池中去除。n若使用石灰，因形成沉淀物所需的pH值较高，对活性污泥微生物有害而不能使用上述做法。在一些废水处理厂中，废水流入初沉池之前即添加氯化铁和明矾，这样可提高初沉池的效率，但也可能除去生物处理所需的营养物。Example:若废水中含有4.00mg/L的溶解性正磷酸盐(以P计)，计算将其完全去除所需的氯化铁的理论需要量。Solution:从FeCl3去除磷的反应式可知，去除1mol的磷需要lmol的氯化铁，FeCl3的摩尔质量为162.21g/mol，P的摩尔质量为30.97g/mol。当PO43-~P为4.00mg／L时，氯化铁的理论需要量为：4.00*162.21/30.97=21.0mg/Ln4.9.4脱氮氮的任何一种形式(NH3、NH4+、NO2-及NO3-，但不包括N2气)均可作为营养物质，为控制受纳水体中藻类生长，需从废水中将其去除。此外，氨态氮会消耗氧，并且对鱼类有毒性。氮的去除方法有生物法和化学法。生物工艺称为硝化／反硝化(nitrification/denitrification)，而化学过程称为氨气提(ammoniastripping)。n（1）硝化/反硝化自然的硝化过程可由活性污泥系统完成，在温和气候下需维持细胞停留时间(c)达15d，而在寒冷气候时则需20d，硝化步骤的化学反应式如下：当然，必须有细菌存在才能发生反应。此步骤需满足氨离子对氧的需求。若硝酸盐氮可被受纳水体接受，废水经沉淀后即可排放。否则必须进行进一步处理，即后接缺氧反硝化步骤：n反硝化时需要有机物作为细菌的能源。细菌可从胞内或胞外获取有机物。在多阶段除氮系统中，由于反硝化工艺中废水的BOD5浓度相当低(这是因为先前已进行过含碳BOD的去除及硝化过程)，为了进行反硝化作用，需添加有机碳源。有机物质可从原废水或已沉淀过的废水中获得，也可添加合成物质如甲醇(CH3OH)。若利用原废水或已沉淀过的废水，可能会增加出水BOD5及氨氮含量，因而对水质有不利的影响。（2）氨气提当氮主要以氨的形式存在时，可用化学方法提高水中pH值，使铵离子转变成氨，然后在水中通人大量空气，以气提方式将氨从水中去除。n该方法对硝酸盐无去除效果，因此在活性污泥工艺操作时应维持较短的细胞停留时间，以避免发生硝化作用。氨气提的化学反应式如下：通常添加石灰以提供氢氧根离子。石灰也会与空气和水中的CO2反应形成碳酸钙沉淀，在水中必须定期清除。低温会增加氨在水中的溶解度，降低气提能力。4.10土地处理AWT（advancedwastewatertreatment）工艺可获得相当好的出水水质。土地处理(1andtreatment)可用来代替AWT工艺。土地处理经常设置于二级处理之后，将出水以一种传统灌注方式注入土壤中。n土地处理将废水常含有的营养盐作为资源，而不是考虑如何进行处置。废水通过土壤及植物所提供的天然滤床而得到处理。废水会因蒸发而部分损失，剩余部分可通过地表水流或地下水体系进入水循环系统。大部分地下水最后会直接或间接回到地表水系统。废水土地处理可提供农作物生长所需的水分和营养物质。在传统二级处理中主要营养物质(氮、磷及钾)去除很少，因此这些元素大部分均会存在于二级处理出水中。土壤中的营养物质会因每年农作物生长及土壤侵蚀而消耗，而这些损失可从废水中得到补充。n土地处理可采用下述三种方法中的任何一种：（1）慢速率；（2）地表水流；（3）快速渗入。右图以图解方式显示出每一种方法。根据不同的场址条件，能产生不同的出水水质，可满足不同的使用目的。n4.10.1慢速流现在利用的主要的土地处理方法是灌溉法，它利用土地处理废水并提供植物生长所需的营养。其目的有：(1)避免营养物的表面排放；(2)利用水及营养物质生产有价值的农作物，以获得经济效益；(3)灌溉草坪、公园及高尔夫球场以节约水资源；(4)维护并扩大绿化地带与开放空间。n当出水用于灌溉价值很低时，可使水力负荷达到最大(假设符合水质标准)，从而使系统操作成本降至最低。在用高速率灌溉时(10~15mm/d)，农作物主要是去除高含量营养盐的耐水植物。4.10.2地表水流地表水流是一种生物处理过程。水在具有坡度场地的上端供给，允许其通过植物表面，流至径流收集沟渠。水流在通过较不透水的斜坡时，通过物理、化学与生物作用使水质得到恢复。地表水流可作为二级处理工艺，使硝化出水的BOD低至可接受的程度，或作为高级废水处理工艺。用于高级废水处理时可允许有较高的应用速率（18mm/d或更高），这要根据所需的高级废水处理程度而定。n4.10.3快速渗入在渗入-过滤系统中，废水在处理区域以较高速率被分散或喷淋到土壤中，废水通过土壤层时被处理。这种处理系统的目的有：(1)补充地下水；(2)用泵抽取或利用地下水道来回收处理水；(3)以垂直与侧面方式通过土壤的处理水，可补充到地表水系。当地下水中侵入盐分使水质下降时，补充地下水可以改变水力梯度并保护现有的地下水。若现有的地下水水质与期望恢复的水质不同，或利用地点与现有排放位置不同时，可利用泵抽取、地下水道或自然排水系统将处理水回流到地表水中。n4.11污泥处理污泥处理是污水净化过程中所产生的另一个问题。污水处理程度越高，就会产生越多的污泥残余物需要加以处理。除非是利用土地处理或污水塘处理污水，否则一般的污水处理厂必须设有污泥处理设施。对现代化的污水处理厂而言，污泥的处理与处置已成为污水处理系统运行中最复杂、且花费最高的一部分。污泥是由原废水中的固体物质和在废水处理过程中所产生的固体物质组成的。n一级处理所产生的污泥，其体积约为处理水量的0.25％~0.35％；活性污泥法二级处理所产生的污泥量为处理水量的1.5％～2.0％；若用化学沉淀法除磷，则产生的污泥体积会再增加1.0％。前述各污水处理单元中排出的污泥，仍含有高达97％的水。因此，污泥处理就是将污泥中的水分与残余固体物分离，并将分离所得的水回流至污水处理厂进行处理。污泥处理的基本流程如下：(1)浓缩(thickening)利用重力或气浮方法尽可能多地分离出污泥中的水分。(2)稳定(stabilization)利用“消化”(digestion)，即生物氧化方法将污泥中的有机固体物质转化为其他惰性物质，以避免在用作土壤改良剂或用于其他用途时，产生臭味和危害健康。n(3)调理(conditioning)利用加热或化学试剂处理污泥，使污泥中的水分容易分离。(4)脱水(dewatering)用真空、加压或干燥方法使污泥中的水分进一步分离。(5)减量(reduction)利用湿式氧化或焚烧等化学氧化方法将污泥固体物质转化为更稳定的物质，由于减少了污泥的体积，故称为减量。虽然污泥处理有各种各样的流程和设备的组合，但其基本方法很有限。污泥的最后处置，是将污泥所含的各种物质移转至土壤、大气或水体中。目前的政策不鼓励污泥排海。污泥焚烧必须设置空气污染控制设备，以避免造成空气污染。n污泥处理工艺的基本流程n4.11.1污泥来源与特性在讨论各种污泥处理工艺之前，先扼要概述一下污泥的来源及特性。(1)砂砾(grit)在沉砂池中所收集的砂、碎玻璃渣等较重物质，并非真正的污泥，但仍需加以处置。由于砂砾易于脱水，且不可生物分解，一般不需进一步处理，可直接用卡车运至填埋场作进一步处理。(2)初沉污泥(primaryorrawsludge)从初沉池底排出的初沉污泥含有的固体物质浓度约为3％～8％(1％固体物质浓度相当于100mL体积的污泥中含有1g的固体物)。初沉污泥固体物质中有机物约占70％，因此初沉污泥极易变成厌氧状态并产生臭味。n(3)二沉污泥(secondarysludge)二级生物处理系统中废弃排出的二沉污泥，含有大量微生物和其他惰性物质。一般二沉污泥固体中有机物约占90％。当停止供气时，如不及时处理则会出现厌氧状态而产生臭味。污泥中固体物质浓度与处理工艺有关：废弃活性污泥为0.5％～2％；滴滤池污泥约为2％一5％。化学法除磷是在曝气池中加入化学药剂使磷沉淀，这将使二沉污泥中化学沉淀物含量显著增加。(4)三级处理污泥(tertiarysludge)三级处理产生的污泥，其特性依处理工艺而定。如使用化学法除磷，所产生的化学污泥不易处理；若将化学沉淀除磷与活性污泥工艺合并，使化学污泥与生物污泥混合，则更增加了处理难度。反硝化脱氮产生的生物污泥与废弃活性污泥十分相似。n4.11.2污泥固体含量的计算（1）体积—质量关系污泥体积为含水率的函数。废水污泥中固体物质一般包括灰分（无机物）及挥发分（有机物）两部分。固体物质总体积可表示如下：Vs=Ms/Ss；式中Ms为固体物质质量，kg；Ss为固体物质的相对密度；为水的密度，1000kg/m3。由于固体物质可以分为灰分和挥发分两部分，因此Vs可以改写为：而污泥固体的相对密度为：下标f表示灰分，而v表示挥发分。n污泥由固体物质与水组成，因此污泥相对密度Ss1可由下式计算：污泥中固体物质的质量分数称为固体含量，表示为：污泥中所含水分的质量分数称为污泥含水率，表示为：由于Ms+Mw=Ms1，所以将上式两端同时除以该式：污泥相对密度计算：Ms1：污泥质量，kgMw：水质量，kgSs1：污泥相对密度；Sw：水的相对密度。Sw：取1.0000。n污泥体积（Vs1）可用下式计算：EXAMPLE：利用下列初沉池数据，确定每日污泥产量：流量=0.15m3/s；进水SS=280.0mg/L；去除率=59.0%；污泥浓度=5.00%；挥发性固体质量分数=60%；挥发性固体相对密度=0.990；灰分的质量分数=40%；灰分相对密度=2.65。SOLUTION：计算污泥中固体物质的相对密度：计算污泥相对密度：由初沉池进水SS浓度及去除率计算日产污泥量：Ms=0.59*280*0.15*86400/1000=2.14*103kg/dn计算日产污泥体积：（2）质量平衡废水处理厂的质量平衡：dS/dt=Min-MoutMin和Mout分别用来代表进入和离开处理工艺的各种物质，包括溶解性化合物、固体物质、气体等。在稳定状态下可假设dS/dt=0。因此Min=Mout。对于一些一些相关联的处理流程单元，可以用如下图所示的流程来确定单元间的质量进出关系。当流程图上表明所有进出物质的数量时，称为定量流程图。nn以下为质量平衡计算的主要步骤：（1）画出处理流程图（如上图）；（2）鉴别所有的流线，如流线A内的固体物质，包括原污水中的固体，加上在污水中加药所产生的化学沉淀。流线A中的固体质量流速可用Akg/d表示。（3）对各处理单元的所有进出流线，鉴别其相互关系，并用方程式表示。初沉池中，令初沉池底流固体物的质量（E）与进水总固体物质的质量（A+M）的比值为E，E即为沉淀池的固体物质去除率。而上述单元进出流物体质量的比值，可以用一般形式表示：n（4）利用已知或给出的量，或利用由处理单元特性所导出的关系式，组合各质量平衡关系式，简化成一个方程。Example:利用“一般废水处理厂流程图”并假设A，E，J，N，P，H已知或者可以从水化学知识和一般单元去除率经验值确定。利用这些参数，推导初沉池出水中的固体质量（E）是计算式。Solution：（1）由初沉池的固体质量平衡方程计算M：（2）按各单元固体流量计算M：M=N+P；N=N*E；P=P(H+K)H=HK。而由：P=P(1+H)K，K+J+N=E,得到：K=E-J-N=E(1-J-N)以及nP=PE(1-J-N)(1+H)，经整理后得到：M=E[N+P(1-J-N)(1+H)]得到：进一步得到：“一级废水处理厂流程图”的质量平衡关系式见下表：n右图是一个比较复杂的系统。nn重要的参数说明如下：（1）A表示进水固体物质的质量；（2）X表示出水固体物质的质量，应指出悬浮固体的去除率；（3）E，G，J，X，R，和T表示固体物质的去除、增加或消失率；（4）D表示生物处理单元中固体物质净减少率，或因生物合成的净增加率。若D为正值，表示固体物质因分解作用而减少；若D为负值，表示固体物质因合成作用而增加。通过调整参数，可以产生不同的处理流程组合方案：（1）将R设定为零，可去除过滤单元；（2）将G设定为零，可去除浓缩单元；（3）将J设定为零，可去除消化单元；n（4）将P设定为零，可去除脱水单元；（5）设定E近似为零，可以模拟没有初沉池的系统因为E位于分母，不能设定其为零。当处理流程中的流线发生改变时，“表5-14”中的质量平衡关系式应该重新进行推导。4.11.3污泥浓缩浓缩是常用的固液分离方法，可以采用气浮或重力浓缩的方法实现。污泥浓缩的目的是：在进行污泥消化或脱水之前尽量将多余的水分从污泥中分离。污泥浓缩可以减少污泥处理后续单元如硝化、脱水所需的处理容量，而后续单元因容积减少所节省的成本，远高于污泥浓缩单元的设置与运行费用，因此设置污泥浓缩单元有助于降低污泥处理过程的总成本。n污泥浓缩的目的是：在进行污泥消化或脱水之前尽量将多余的水分从污泥中分离。污泥浓缩可以减少污泥处理后续单元如硝化、脱水所需的处理容量，而后续单元因容积减少所节省的成本，远高于污泥浓缩单元的设置与运行费用，因此设置污泥浓缩单元有助于降低污泥处理过程的总成本。（l）气浮浓缩典型的气浮浓缩池操作：在压力为275~550kPa下，将空气注入污泥中，大量的空气溶入污泥。然后污泥流入敞开容器，其压力降为与大气压力相同，原来溶解于污泥中的空气因过饱和而形成大量微小气泡。当这些微小气泡向液面浮升时，会附着在污泥中的固体颗粒上，将这些颗粒带向液面，最后累积成一层上浮污泥。n一般而言，气浮对不易用重力方式浓缩的活性污泥特别有效。对活性污泥而言，气浮浓缩可将其固体含量从0.5％~1％增加至3％~6％。（2）重力浓缩污泥重力浓缩原理与沉降池的沉降原理相同。在重力浓缩池中，污泥固体颗粒沉降至池底，再利用机械刮臂将污泥刮至污泥斗，最后从污泥斗中将浓缩污泥抽至后续单元进行处理。重力浓缩单元用于处理纯的初沉污泥，其浓缩效果最佳，可将1％～3％的初沉污泥浓缩至10％；若用于处理初沉污泥与活性污泥的混合污泥，其浓缩污泥固体含量将随活性污泥所占比例的增加而降低。目前污泥浓缩的设计趋势，大致上是以重力浓缩处理初沉污泥，以气浮浓缩处理活性污泥，然后混合浓缩污泥，进行后续处理。n典型重力浓缩池设计准则：n4.11.4污泥稳定污泥稳定的主要目的是利用生化方法降解污泥中的有机固体物质，使污泥更为稳定（减少臭味及腐败）、且更易脱水，同时减少污泥质量。污泥稳定有两种基本方式：厌氧消化和好氧消化。（1）好氧消化生物污泥的好氧消化是活性污泥法的继续。当好氧性异养微生物处于有机物基质来源充分的环境中，微生物将开始消耗这些有机物质；一部分有机物质被微生物用来合成新的细胞物质，另一部分有机物质被氧化成二氧化碳、水及其他稳定产物。在代谢过程中产生的能量，被细胞用于合成新细胞物质和维持生命活动。n当环境中的有机物质耗尽后，微生物进入内源呼吸阶段，此时微生物开始氧化其自身的细胞物质，以产生足够能量来维持生命活动。如果上述的内源呼吸期持续一段时间，生物细胞物质将显著减少。相对来说，残余的细胞物质也较为稳定，并有利于生物污泥的最终处置，这就是好氧消化的基本原理。在好氧消化过程中，有机污泥在类似于活性污泥曝气池的开放体系中曝气。除非将液态污泥直接弃置于土地上，一般好氧消化池后须设置类似于活性污泥系统中所使用的沉淀池。与活性污泥法不同的是，沉淀池出水(上清液)将回流至污水处理厂前端，而不是直接排放，这是因为好氧消化的上清液中含有高浓度的悬浮固体(100~300mg/L)、BOD5(可高达500mg/L)、总凯氏氮(TKN，可高达200mg/L)及总磷(可高达100mg/L)。n经过好氧消化后，污泥中挥发性有机物的比例降低，因此消化污泥固体物质的密度将比消化前升高。消化污泥易于沉降分离，沉淀池底流浓度可达3％，但其脱水性会明显变差。（2）厌氧消化污泥的厌氧分解可分为两个步骤：首先，污泥中的复杂有机物，通过兼性菌或厌氧菌的作用，水解为较小分子的有机物，并通过微生物的发酵或其他代谢作用，将这些有机物分解为更简单的有机物。以上是厌氧分解的第一阶段，一般称为酸性发酵(acidfermentation)阶段，此阶段的主要作用是将复杂有机物转化为有机酸、醇类及微生物细胞物质，因此对BOD或COD的去除没有明显效果。n而在厌氧分解的第二阶段中，第一阶段的产物即有机酸等有机物质，将进一步被几种不同的厌氧菌转化为气体(主要为甲烷及二氧化碳)，而达到最终稳定。厌氧分解的第二阶段，一般称为甲烷发酵阶段。厌氧消化反应途径下图所示。厌氧消化两个阶段实际上反应是同时且在相互协同作用下发生的。复杂有机物复杂有机物丙酸其它产物乙酸CH4CO2CO2产甲烷阶段产酸阶段n甲烷发酵通常是厌氧分解的速率限制步骤。厌氧消化的最佳温度一般为35℃，Lawrence认为，温度在20～35~C时，长链和短链肪酸的甲烷发酵动力学，可代表整个厌氧处理过程的动力学。目前常见的厌氧消化工艺有两种：标准速率法和高速率法。如“图5-39”所示，标准速率厌氧消化法在消化池中不加搅拌，污泥在消化池中自然分层。污泥的加入与排出，多采用间歇式，而不是连续式。为提高发酵速率，缩短停留时间，消化池一般需加热。厌氧消化池的容积负荷一般为0.48~l6kgVSS/(m3.d)。nn高速率厌氧消化系统是在改进标准速率厌氧消化单元基础上开发出来的。如“图5-40”所示，厌氧消化过程中，两个串联操作的消化池分别负责发酵与固液分离。在第一消化池中，污泥被加热并完全混合以提高发酵速率。由于采用搅拌方式使污泥混合，因此消池内各处的温度分布较为均匀。污泥以连续或近于连续的方式投入和排出。第一消化池中污泥停留时间为10~15d，容积负荷约为1.6~8.0kg/m3dn二级消化池的功能是固液分离。不加热、不搅拌、依靠剩余热量继续消化。由于第一消化池中的混合接近完全混合，且没有固体物回流，因此污泥停留时间（SRT）与水力停留时间相等。与好氧消化过程相同，影响消化池中挥发性固体分解的主要因素是污泥停留时间和操作温度。污泥经过消化后，仍有相当高的残余BOD。消化污泥中悬浮固体浓度可高达12000mg/L，TKN浓度在1000mg/L数量级，因此从高速厌氧消化的第二消化池排出的上清液，需回流至污泥处理厂前端。污泥经调理、脱水后处置。nQuestions某污水处理厂的操作数据如下：流量为0.050m3/s；进水SS=155.0mg/L；去除率为53.0%；含挥发性固体70.0%，挥发性固体相对密度为0.970；含矿物质30.0%，矿物质相对密度为2.50；污泥固体含量为4.50%。试确定初沉污泥的日产生量。试分析在以下两种情况下，哪种的污泥处理成本会比较高？（1）c=3d；（2）c=10d。