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)方程式計算求得的有機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)格條件下水中有機物與強氧化劑(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，水中有機物幾乎可以全部(約90-95左右)被氧化。這時所測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。在測定過程中無機性還原物質(zhì)也會被氧化。所以一般測得的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，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，降解有機物穩(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)，主要是不合氮有機物的氧化，但也包括含氮有機物的氨化及氨化后生成的不含氮有機物的繼續(xù)氧化，這也就是有機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?？偟奶蓟柩趿砍７Q為第一階段生化需氧量(因為碳氧化總是首

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。上一頁符號的解釋：上一頁符號的解釋： 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，而在測定過程中溶解氧又是逐漸消耗的。所以測定生化需氧量就須保持一定的溫度，同時也需要規(guī)定一定的時間。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。測定溫度用20是因為這個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)動力學(xué)：反應(yīng)動力學(xué)：第一階段反應(yīng)動力學(xué)第一階段反應(yīng)動力學(xué): 生化需氧量反應(yīng)動力學(xué)的研究表明，對第一階段BOD的變化，可認(rèn)為具有一級反應(yīng)性質(zhì)。這是因為有機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），但在這個反應(yīng)中當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定時間細(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，就有機物來說，它的分解就具有一級反應(yīng)的性質(zhì)，即反應(yīng)速度與任何時刻剩余的有機物量成正比(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時常采用K10.1d-1。這是英美等國對污染河水實測而得的平均值。自從BOD測定時采用了所謂標(biāo)準(zhǔn)稀釋水和對各種不同廢水進(jìn)行了試驗研究，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變化對變化對BOD的影響的影響:溫度對溫度對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)驗式求導(dǎo)并積分運算后可得： 實際上并非常數(shù)，它是隨溫度而稍有變化的。其值可通過試驗，并按下式作圖求得；t一般說來，在10-30 時，可采用 =1.047。tLa與溫度的關(guān)系：與溫度的關(guān)系：對于一給定水樣，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：取一點說明：一點說明： 實驗求得的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(計算見前)，但實際測定發(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。要明了這個差別必須先了解微生物對于有機物的分解過程。 要使有機物能為細(xì)菌氧化，這種有機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)菌又可作為較高級微生物，如原生動物的食料。在每次轉(zhuǎn)化過程中都有進(jìn)一步的氧化作用，但是最后還會有一些有機殘渣遺留下來。它們對于微生物分解的抗力十分強。這部分殘渣即代表所測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物。第二階段動力學(xué)：第二階段動力學(xué)：碳化和硝化雖可同時進(jìn)行，但是，如前所述，對于一般的污染水，硝化常要在碳化進(jìn)行了一段時間才會顯著展開。 在上圖中，如坐標(biāo)原點移至c，并假定第二階段BOD的變化也具有一級反應(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、總有機碳（四、總有機碳（TOC）：）： 將水樣在高溫下燃燒，有機碳即被氧化成CO2，量測所產(chǎn)牛的CO2量，便可求得水樣的總有機碳(TOC)，單位以碳的mg/L表示。在作有機碳分析時，須采取措施去除無機碳的干擾。在測定條件下，基本上可以求得全部有機碳元素量，但因排除了其它元素。仍不能直接反映有機碳的真正濃度。 測定總有機碳也有儀器可供采蝴，測定迅速，也能在短時間內(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、的間接表示有機物的指標(biāo)。它們都是利用氧化有機物的原理，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)，故比較符合實際情況，可以較為直接和確切地說明問題；缺點是完成全部檢驗需5d，對于指導(dǎo)生產(chǎn)，不夠迅速及時，且毒性強的廢水可抑制微生物的作用而影響測定結(jié)果，有時甚至無法進(jìn)行測定?；瘜W(xué)需氧量幾乎可以表示出有機物全部氧化所需的氧量，它的測定不受水質(zhì)的限制，并且在23h內(nèi)即能完成；缺點是不能反映出被微生物氧

12、化分解的有機物的量，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定時，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指標(biāo)之間的大體比例關(guān)系：下式列出通常生活污水個指標(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?zāi)Ｐ推摺U水生物處理中常用的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?1)基質(zhì)降解動力學(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，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。 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）生物處理動力學(xué)分類：）生物處理動力學(xué)分類：(2) Eckenfelder模式：模式： 此模式是w.w.Eckenfelder,Jr.對間歇試驗反應(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)的降解遵循一級反應(yīng)關(guān)系。因為所以令考慮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)源呼吸實際上是個連續(xù)反應(yīng)，貫穿于微生物的整個生命期、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，內(nèi)源代謝作用被掩蓋了，因為這時合成速度很快，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，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，微生物生長即進(jìn)入內(nèi)源代謝階段?；钚晕勰嘞到y(tǒng)常運行在(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，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)，有時也用懸浮固體(SS)計量。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：水力停留時間；X：微生物濃度，可以vss計量；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兩個重要概念及一點注意：兩個重要概念及一點注意：sU2）一點注意：1）兩個重要概念：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： 對于推流式反應(yīng)器，采用上列公式進(jìn)行計算，有時誤差較大，因為反應(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) 對于推流式反應(yīng)器，采用上列公式進(jìn)行計算，有時誤差較大，因為反應(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。 實際上對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。將一個反應(yīng)器分成幾個完全混合反應(yīng)器(完全混合多級反應(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。這也就是多點進(jìn)水曝氣法的設(shè)計概念。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，基質(zhì)以最快速度降解，而與濃度無關(guān)。MAXdtdSXMAX1因為：MAXXdtdS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)的去除遵循一級反應(yīng)關(guān)系。dtdSX1因為：所以：KXSdtdS 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）中等強度的基質(zhì)濃度：在這一范圍內(nèi)采用SKSSMAX計算，常數(shù) 和KS的確定：常數(shù) 和KS可通過小型試驗確定：MAXMAX試驗流程圖求中等基質(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(水力停留時間)以取得相應(yīng)的Se，然后根據(jù)下式求得對應(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