第20章自然生物处 主讲教师:娄金生教授 南华大学建筑工程与资源环境学院 给水排水教研室
第20章 自然生物处理 主讲教师：娄金生教授 南华大学建筑工程与资源环境学院 给水排水教研室
课程内容 1、概述 2、水体中碳氮与能量循环 3、稳定塘 4、污水的土地处理 5、自然生物处理新进展 6、工程实例 7、思考题和习题
课程内容 1、概述 2、水体中碳氮与能量循环 3、稳定塘 4、污水的土地处理 5、自然生物处理新进展 6、工程实例 7、思考题和习题
20.1概述 自然处理系统( Natural Treatment Systems)分为稳定 塘系统和土地处理系统。稳定塘系统( Aquatic Systems)通 过水一水生生物系统(菌藻共生系统和水生生物系统)对污水 进行自然处理。土地处理系统( Soilbased System)利用土 壤—微生物—植物系统的陆地生态系统的自我调控机制和对污 染物的综合净化功能,对污水进行净化 污水自然处理系统的净化作用主要是利用土壤浅表层中的物 理作用、化学作用和微生物的生化作用。与常规处理技术相比, 前者具有工艺简便、操作管理方便、建设投资和运转成本低的 特点。建设投资仅为常规处理技术的1/2-1/3,运转费用仅 为常规处理技术的1/2—1/10,可大幅度降低污水处理成本。 而且净化效果良好,净化水质可达二级以上处理水平
20.1 概述 自然处理系统（Natural Treatment Systems）分为稳定 塘系统和土地处理系统。稳定塘系统（Aquatic Systems）通 过水—水生生物系统（菌藻共生系统和水生生物系统）对污水 进行自然处理。土地处理系统（Soilbased System）利用土 壤—微生物—植物系统的陆地生态系统的自我调控机制和对污 染物的综合净化功能，对污水进行净化。 污水自然处理系统的净化作用主要是利用土壤浅表层中的物 理作用、化学作用和微生物的生化作用。与常规处理技术相比， 前者具有工艺简便、操作管理方便、建设投资和运转成本低的 特点。建设投资仅为常规处理技术的1／2—1／3，运转费用仅 为常规处理技术的1／2—1／10，可大幅度降低污水处理成本。 而且净化效果良好，净化水质可达二级以上处理水平。 返回
20.2水体中碳氮与能量循环 氮在水体中的转化与循环途径主要是: 1.氨化作用:有机氮化合物在微生物作用下分解为氨态氮。 2.硝化作用:氨态氮在硝化菌的作用下,转化为硝酸氮。反应式为: 2NH, +40->2HNO, +2H.0+FE 3.反硝化作用:硝酸氮在反硝化菌的作用下,还原成分子态氮。反应式为: 2ANO+CH COOH 2H20+2HCO3 式中CH2CO0H表示反硝化菌所需要的有机碳源 4.挥发作用:水中的NH2向大气挥发,其量可达21%。 5.吸收作用:微生物及水生植物,吸收铵氮或硝氮作为营养。 6.分解作用:沉淀在沉积层中的有机氮在厌氧菌的作用下分解
20.2 水体中碳氮与能量循环 氮在水体中的转化与循环途径主要是： 1．氨化作用:有机氮化合物在微生物作用下分解为氨态氮。 2．硝化作用:氨态氮在硝化菌的作用下，转化为硝酸氮。反应式为： 3．反硝化作用:硝酸氮在反硝化菌的作用下，还原成分子态氮。反应式为： 式中CH3 COOH表示反硝化菌所需要的有机碳源 2NH3 + 4O2 ⎯→2HNO3 + 2H2 O +能 − 2HNO3 +CH3 COOH ⎯→2H2 O + 2HCO3 4．挥发作用:水中的NH3向大气挥发，其量可达21%。 5．吸收作用:微生物及水生植物，吸收铵氮或硝氮作为营养。 6．分解作用:沉淀在沉积层中的有机氮在厌氧菌的作用下分解
第20章自然生物处理 挥发 处理水 水 反硝化 有机氮 氨化 氨氮 硝化 硝酸盐氮 Org-N NO3-N NO 光 合体 解体 /解体 合 体 细菌 藻类 固氮作用 反硝化 沉积物 图20-1氮在水体中的转化与循环过程
第20章 自然生物处理 有机氮 Org-N 氨化 氨氮 NO3 -N 硝酸盐氮 NO3 -N 细菌 藻类 沉积物 污 水 挥发 处 理 水 反 硝 化 硝化 解 体 合 体 反硝化 N2 固氮作用 光 合 解 体 图 20-1 氮在水体中的转化与循环过程 合成 合成 合成 沉淀 沉淀 解体
第20章自然生物处理 污水 大 氧 条 件 CHa 下 河流 含氮有机污染物 经好氧菌作用 产生NBp 经亚硝化产生 经硝化产生 菌作用 菌作用 有机底泥 在缺氧条件下,经厌氧菌作用 H2s 图20-2水体中含氮有机物生物化学净化示意图
第20章 自然生物处理 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 河流 含氮有机污染物 经好氧菌作用 产生 NH4 NH3 H2O CO2 经亚硝化 菌作用 产生 NO2 经硝化 菌作用 产生 NO3 有机底泥 在缺氧条件下，经厌氧菌作用 产生 NH3， CH4 H2S CO2 有 氧 条 件 下 CO2 CH4 H2S 污水 大 气 复 氧 + - - 图 20-2 水体中含氮有机物生物化学净化示意图 返回
20.3稳定塘 20.3.1好氧塘与厌氧塘 20.3.1.1概述 风 阳光 光合作用 新细胞 藻类 流入污水 处理水 衰死菌类 CO2+20 凶屏次 可沉物质 有机 好氧分舵 污染物 细菌 细 新细胞 衰死菌类 CO. 污泥层 厌氧分解 厌氧发醇>「有机厌氧发醇>[甲烷 污染物
20.3 稳定塘 20.3.1 好氧塘与厌氧塘 20.3.1.1概述 流入污水 可 沉 物 质 风 阳光 处理水 好氧区 兼性区 厌氧区 衰死菌类 衰死菌类 藻类 新细胞 光合作用 藻类 O2 好氧分解 有机 污染物 细菌 细菌 新细胞 有机 甲烷 酸醇 有机 厌氧发酵 污染物 厌氧分解 厌氧发酵 CO2 + NH3 H2O PO4 O2 O2 2 CH4 CO2 NH4 污 泥 层 图 20-3 稳定塘内典型的生态系统
好氧塘深度一般在0.5m左右,好氧塘内高效地进行着光合作用。DO 的变化:白天饱和状态,夜间降低,凌晨时最低;P的变化:白天PH上 升,夜间降低 根据有机物负荷率的高低,好氧塘可分为三种: 高负荷好氧塘:BOD5表面负荷率:0.004-0.016kg/m2d; 普通好氧塘:BOD表面负荷率:0.002-0.004kg/m2d; 深度处理好氧塘:BOD表面负荷率:0.0005kg/m2-d。 污水在进入好氧塘前必须进行沉淀预处理。厌氧塘是依靠厌氧菌的 代谢功能使有机污染物得到降解,具有以下特点: 1.只有细菌,产酸菌、产氢、产乙酸菌和产甲烷菌共存; 2.反应速度慢,进程长 3.一切条件必须符合甲烷菌的要求; 4.多用以处理高浓度且水量不大的有机废水 厌氧塘一般为首塘,可代替初沉池
好氧塘深度一般在0.5m左右，好氧塘内高效地进行着光合作用。DO 的变化：白天饱和状态，夜间降低，凌晨时最低；PH的变化：白天PH上 升，夜间降低。 根据有机物负荷率的高低，好氧塘可分为三种： 高负荷好氧塘：BOD5表面负荷率：0.004-0.016kg/m2·d； 普通好氧塘：BOD5表面负荷率：0.002-0.004kg/m2·d； 深度处理好氧塘：BOD5表面负荷率：0.0005kg/m2·d。 污水在进入好氧塘前必须进行沉淀预处理。厌氧塘是依靠厌氧菌的 代谢功能使有机污染物得到降解，具有以下特点： 1．只有细菌，产酸菌、产氢、产乙酸菌和产甲烷菌共存； 2．反应速度慢，进程长； 3．一切条件必须符合甲烷菌的要求； 4．多用以处理高浓度且水量不大的有机废水。 厌氧塘一般为首塘，可代替初沉池
20.3.1.2设计计算 1.好氧塘 好氧塘的计算,主要内容是确定塘的表面面积。应以塘 深处的面积作为设计计算平面。近表面有机负荷率进行计算。 计算公式为 OS A N 式中:A——好氧塘的有效面积,m2; Q——污水设计流量,m3/d; S原污水的BOD浓度,kg/m N—BOD面积负荷率,kg/(m2d BOD面积负荷率应根据试验或相近地区污水性质相近的好 氧塘的运行数据确定。表20-1为好氧塘典型设计参数,供参 考选用
20.3.1.2设计计算 1.好氧塘 好氧塘的计算，主要内容是确定塘的表面面积。应以塘 深处的面积作为设计计算平面。近表面有机负荷率进行计算。 计算公式为： 式中： A——好氧塘的有效面积，m 2； Q——污水设计流量，m 3/d； S0——原污水的BOD5浓度，kg/m3 NA——BOD面积负荷率，kg/(m2·d) BOD面积负荷率应根据试验或相近地区污水性质相近的好 氧塘的运行数据确定。表20-1为好氧塘典型设计参数，供参 考选用。 NA A QS0 =
第20章自然生物处理 2.厌氧塘 1)设计参数 a.BOD表面负荷率 厌氧塘为了维持其厌氧条件,应规定其最低BOD表面负荷率。如 果厌氧塘的BOD表面负荷率过低,其工况就将接近于兼性塘。 最低容许BO表面负荷率与BOD容积负荷率、气温有关。我国北 方可采用300kgB0D/(104m2d)、(200~600) kgBOD=/(104m2d)。 我国给水排水设计手册对厌氧塘处理城市污水的建议负荷率值 为20~60gBOD5/(m2d)、(200~600) kgBOD5/(10m2d)。 b.BOD容积负荷
第20章 自然生物处理 2．厌氧塘 1）设计参数 a．BOD表面负荷率 厌氧塘为了维持其厌氧条件，应规定其最低BOD表面负荷率。如 果厌氧塘的BOD表面负荷率过低，其工况就将接近于兼性塘。 最低容许BOD表面负荷率与BOD5容积负荷率、气温有关。我国北 方可采用300kgBOD/(104m 2·d)、(200～600)kgBOD5 /(104m 2·d)。 我国给水排水设计手册对厌氧塘处理城市污水的建议负荷率值 为20～60gBOD5 /(m2·d)、(200～600) kgBOD5 /(104m 2·d)。 b．BOD容积负荷