《水污染控制工程》课程教学资源（教案讲义，word电子版，共两篇共十八章）.doc_大学文库

主要参考书目: 1)《水处理工程》,第一版,顾夏声等,清华大学出版社,1985 2)《现代废水生物处理新技术》,钱易等,中国科技出版社 3)《排水工程》,第三版,张自杰等,中国建筑工业出版社, 4)《水污染治理工程》,黄铭荣、胡纪萃,高教出版社,1995 5)《废水生物处理数学模型》,第二版,顾夏声,清华大学出版社, 6)《水处理微生物学》,第三版,顾夏声等,中国建筑工业出版社, 第一章概述 1.1生物处理的目的和重要性废水生物处理的目的:1)絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物:2)稳定和去除废水中的有机物:3)去除营养元素氮和磷废水生物处理的重要性:1)城市污水中约有60%以上的有机物只有用生物法去除才最经济:2)废水中氮的去除一般来说只有依靠生物法:3)目前世界上己建成的城市污水处理厂有90%以上是生物处理法:4) 大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体的。微生物在废水生物处理中主要有三个作用:1)去除有机物(以COD或BODs亮示),去除其它无机营养元素如N、P等:2)絮凝沉淀和降解胶体状固体物:3)稳定有机物。微生物代谢过程简介 CO2、H2O 有机微生物/分解内源呼吸成新的细胞物质生物残渣微生物代谢所需要的几个基本要素:能源:碳源:无机营养元素——N、P、S、K、Ca、M等:有时还需要一些特殊的有机营养物(也称生长因子,如维生素、生物素等) 废水生物处理中涉及的微生物代谢过程主要有:化能异养型代谢:化能自养型代谢:光合异养型代谢光合自养型代谢生物处理中的重要微生物 ①细菌:细菌——包括了真细菌( eubacteria)和古细菌( archaebacteria):——是废水生物处理工程中最主要的微生物:根据需氧情况不同:好氧细菌、兼性细菌和厌氧细菌:根据能源碳源利用情况的不同:光合细菌——光能自养菌、光能异养菌:非光合细菌一一化能自养菌、化能异养菌:根据生长温度的不同低温菌(-10°C-15℃、中温菌(15"C~45℃和高温菌(>45°C ②真菌:真菌的三个主要特点:1)能在低温和低pH值的条件生长:2)在生长过程中对氮的要求较低(是般细菌的12);3)能降解纤维素。真菌在废水处理中的应用:1)处理某些特殊工业废水:2)固体废弃物的堆肥处理 ③原生动物、后生动物:原生动物主要以细菌为食:其种属和数量随处理出水的水质而变化,可作为指示生物。后生动物以原生动物为食:也可作为指示生物 12生物处理法在废水处理中的地位有机物在废水中的存在形式及其主要去除方法:颗粒状有机物(>1pm):可以采用机械沉淀法进行去除的颗粒物:胶体状有机物(1nm-100m):不能采用机械沉淀法进行去除的较小的有机颗粒物:溶解性有机物(<1mm):以分散的分子状态存在于水中的有机物生物法处理的主要对象:废水中呈胶体状和溶解状态的有机物:废水中溶解状态的营养元素N和P。废水处理程度的分级:一级处理一一预处理或前处理:二级处理一一生物处理:三级处理一深度处

4 主要参考书目： 1）《水处理工程》，第一版，顾夏声等，清华大学出版社，1985 2)《现代废水生物处理新技术》，钱易等，中国科技出版社，1993 3）《排水工程》，第三版，张自杰等，中国建筑工业出版社，1996 4）《水污染治理工程》，黄铭荣、胡纪萃，高教出版社，1995 5）《废水生物处理数学模型》，第二版，顾夏声，清华大学出版社，1995 6）《水处理微生物学》，第三版，顾夏声等，中国建筑工业出版社，1998 第一章概述 1.1 生物处理的目的和重要性废水生物处理的目的：1) 絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物；2) 稳定和去除废水中的有机物；3) 去除营养元素氮和磷。废水生物处理的重要性：1)城市污水中约有 60%以上的有机物只有用生物法去除才最经济；2)废水中氮的去除一般来说只有依靠生物法；3)目前世界上已建成的城市污水处理厂有 90%以上是生物处理法；4) 大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体的。微生物在废水生物处理中主要有三个作用：1)去除有机物（以COD或BOD5表示），去除其它无机营养元素如N、P等；2)絮凝沉淀和降解胶体状固体物；3)稳定有机物。微生物代谢过程简介：微生物代谢所需要的几个基本要素：能源；碳源；无机营养元素——N、P、S、K、Ca、Mg等；有时还需要一些特殊的有机营养物（也称生长因子，如维生素、生物素等）废水生物处理中涉及的微生物代谢过程主要有：化能异养型代谢；化能自养型代谢；光合异养型代谢；光合自养型代谢。生物处理中的重要微生物 ①细菌：细菌——包括了真细菌(eubacteria)和古细菌(archaebacteria)；——是废水生物处理工程中最主要的微生物；根据需氧情况不同：好氧细菌、兼性细菌和厌氧细菌；根据能源碳源利用情况的不同：光合细菌——光能自养菌、光能异养菌；非光合细菌——化能自养菌、化能异养菌；根据生长温度的不同：低温菌(−10ºC~15 ºC)、中温菌(15 ºC ~45 ºC)和高温菌(>45 ºC) ②真菌：真菌的三个主要特点：1)能在低温和低pH值的条件生长；2)在生长过程中对氮的要求较低（是一般细菌的1/2）；3)能降解纤维素。真菌在废水处理中的应用：1)处理某些特殊工业废水；2)固体废弃物的堆肥处理 ③原生动物、后生动物：原生动物主要以细菌为食；其种属和数量随处理出水的水质而变化，可作为指示生物。后生动物以原生动物为食；也可作为指示生物。 1.2 生物处理法在废水处理中的地位有机物在废水中的存在形式及其主要去除方法：颗粒状有机物(>1m)：可以采用机械沉淀法进行去除的颗粒物；胶体状有机物(1nm~100nm)：不能采用机械沉淀法进行去除的较小的有机颗粒物；溶解性有机物(<1nm)：以分散的分子状态存在于水中的有机物生物法处理的主要对象：废水中呈胶体状和溶解状态的有机物；废水中溶解状态的营养元素N和P。废水处理程度的分级：一级处理——预处理或前处理；二级处理——生物处理；三级处理——深度处有机物微生物新的细胞物质 CO2、H2O 生物残渣分解内源呼吸合成

级处理:去除效果:EBOD≈30%Ess≈50%:功能:去除颗粒状有机物,减轻后续生物处理的负担 2)调节水量、水质、水温等,有利于后续的生物处理。主要方法:物化法,如:沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、加热或冷却等二级处理:去除效果:B≈85~90%,Bs≈90%:功能:大量去除胶体状和溶解状有机物,保证出水达标排放:方法:各种形式的生物处理工艺三级处理:目的:去除二级处理出水中残存的SS、有机物,或脱色、杀菌,或脱氮、除磷一一防止水体富营养化:方法:物化法—一超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等:生物法一一生物法脱氮除磷,等我国水环境中有机物污染的严重状况 ①废水排放量巨大:②我国水环境中量大面广的污染物是有机物:③N、P的污染也日益严重有机污染的主要来源:①生活污水:COD=400~500mg,BODs=200-300ml:②工业废水:主要有石油化工、轻工、食品等行业,如:啤酒废水:8~20m废水m2酒,COD=20003500m智/酒精废水:12-15 m废水m酒,COD=3-6万腮l味精废水:25~35m废水吨味精,COD=6-10万l:造纸黑液: 120~600m3废水吨纸浆,COD=10-15万mg1 13生物处理法的分类厌然生物处理土地处理系生物处理法好氧生物破性污泥法 [物法传统厌氧消化 1代高速厌氧反应器第二章好氧生物处理(原理与工艺) 2.1基本概念 2.1.1好氧生物处理的基本生物过程所谓“好氧”:是指这类生物必须在有分子态氧气(O2)的存在下,才能进行正常的生理生化反应,主要包括大部分微生物、动物以及我们人类所谓“厌氧”:是能在无分子态氧存在的条件下,能进行正常的生理生化反应的生物,如厌氧细菌酵母菌等好氧生物处理过程的生化反应方程式分解反应(又称氧化反应、异化代谢、分解代谢) 异氧微生物 CHONS 02 CO2+H2O+NH3+SO42+.+能量 (有机物的组成元素) 合成反应(也称合成代谢、同化作用 C、H、O、NS CsH,NO ●内源呼吸(也称细胞物质的自身氧化) 微生物 CsH,NO,+O3 CO2+H2O+NH3+SO2+.+能量在正常情况下,各类微生物细胞物质的成分是相对稳定的,一般可用下列实验式来表示:

5 异氧微生物理一级处理：去除效果：EBOD  30%, ESS  50%；功能：去除颗粒状有机物，减轻后续生物处理的负担； 2）调节水量、水质、水温等，有利于后续的生物处理。主要方法：物化法，如：沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、加热或冷却等二级处理：去除效果：EBOD  8590%，ES S  90%；功能：大量去除胶体状和溶解状有机物，保证出水达标排放；方法：各种形式的生物处理工艺三级处理：目的：去除二级处理出水中残存的SS、有机物，或脱色、杀菌，或脱氮、除磷——防止水体富营养化；方法：物化法——超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等；生物法——生物法脱氮除磷，等我国水环境中有机物污染的严重状况 ①废水排放量巨大；②我国水环境中量大面广的污染物是有机物；③N、P 的污染也日益严重有机污染的主要来源：①生活污水：COD = 400~500mg/l，BOD5 = 200300mg/l；②工业废水：主要有石油化工、轻工、食品等行业，如：啤酒废水：820m 3废水/m 3 酒，COD = 20003500mg/l；酒精废水：1215 m 3废水/m 3 酒，COD = 36 万 mg/l；味精废水：2535 m 3废水/吨味精，COD = 610 万 mg/l；造纸黑液： 120600 m 3废水/吨纸浆，COD = 1015 万 mg/l 1.3 生物处理法的分类第二章好氧生物处理（原理与工艺） 2.1 基本概念 2.1.1 好氧生物处理的基本生物过程所谓“好氧”：是指这类生物必须在有分子态氧气（O2）的存在下，才能进行正常的生理生化反应，主要包括大部分微生物、动物以及我们人类；所谓“厌氧”：是能在无分子态氧存在的条件下，能进行正常的生理生化反应的生物，如厌氧细菌、酵母菌等。好氧生物处理过程的生化反应方程式： ⚫ 分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢） CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO4 2- ++能量（有机物的组成元素） ⚫ 合成反应（也称合成代谢、同化作用） C、H、O、N、S + 能量 C5H7NO2 ⚫ 内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO4 2- ++能量在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分是相对稳定的，一般可用下列实验式来表示：生物处理法天然生物处理人工生物处理生物稳定塘土地处理系统好氧生物处理厌氧生物处理活性污泥法生物膜法传统厌氧消化现代高速厌氧反应器微生物异氧微生物

pH<4.5时,真菌将占优势,引起污泥膨胀另一方面,微生物的活动也会影响混合液的pH值。 5)有毒物质(抑制物质) 主要有:重金属白质的沉淀剂(变性:与SH结合而失活) 氰化物:H2S;卤族元素及其化合物酚、醇、醛使蛋白质变性或脱水染料等活性污泥系统中有毒物质的最高允许浓度有毒物质允许浓度有毒物质允许浓度铜化合物(以Cu计) 0.5-1.0苯锌化合物(以Zn计) 镍化合物(以Ni计) 对苯二酚铅化合物(以Pb计) 1.0 间苯二酚锑化合物(以Sb计) 0.2 邻苯二酚 100 镉化合物(以Cd计) 间苯三酚钒化合物(以V计) 银化合物(以Ag计) 0.2 苯胺铬化合物(以Cr计) 2-5 硝基甲苯 (以Cr计) 2.7 甲醛 (以Cr计) 0.5 醛 1000 硫化物(以S2计) 甲苯 (以H2S计) 甲苯 7 氢氰酸氰化钾氯苯 10 硫氰化物吡啶砷化合物(以As3计) 0.7~2.0 烷基苯磺酸盐汞化合物(以Hg计) 0.5 甘油 6)有机负荷率:污水中的有机物本来是微生物的食物,但太多时,也会不利于微生物。 7)氧化还原电位:好氧细菌:+300~400mV,至少要求大于+1 厌氧细菌:要求小于+100mV,对于严格厌氧细菌,则<-10 甚至<-300mV 2.1.3废水可生化性和可生化程度的判别生物降解性能是指在微生物的作用下,使某一物质改变原来的化学和物理性质,在结构上引起的变化程度。可分为三类 1)初级生物降解——指有机物原来的化学结构发生了部分变化,改变了分子的完整性: 2)环境可接受的生物降解—一指有机物失去了对环境有害的特性 3)完全降解——在好氧条件下,有机物被完全无机化:在厌氧条件下,有机物被完全转化为CH、CO2 有机物生物降解性能的分类: 1)易生物降解—一易于被微生物作为碳源和能源物质而被利用 2)可生物降解一一能够逐步被微生物所利用 3)难生物降解——降解速率很慢或根本不降解。注意:1)“难、易”是相对的 2)同一种化合物在不同种属微生物的作用下,其降解情况也会有不同鉴定和评价废水中有机污染物的好氧生物降解性的方法:

7 pH  4.5 时，真菌将占优势，引起污泥膨胀；另一方面，微生物的活动也会影响混合液的 pH 值。 5)有毒物质（抑制物质）主要有：重金属蛋白质的沉淀剂（变性；与-SH 结合而失活）氰化物； H2S；卤族元素及其化合物酚、醇、醛使蛋白质变性或脱水染料等；活性污泥系统中有毒物质的最高允许浓度：有毒物质允许浓度有毒物质允许浓度铜化合物(以 Cu 计) 0.51.0 苯 10 锌化合物(以 Zn 计) 513 氯苯 10 镍化合物(以 Ni 计) 2 对苯二酚 15 铅化合物(以 Pb 计) 1.0 间苯二酚 450 锑化合物(以 Sb 计) 0.2 邻苯二酚 100 镉化合物(以 Cd 计) 15 间苯三酚 100 钒化合物(以 V 计) 5 邻苯三酚 100 银化合物(以 Ag 计) 0.25 苯胺 100 铬化合物(以 Cr 计) 25 二硝基甲苯 12 (以 Cr3+计) 2.7 甲醛 160 (以 Cr6+计) 0.5 乙醛 1000 硫化物(以 S 2-计) 525 二甲苯 7 (以 H2S 计) 20 甲苯 7 氢氰酸氰化钾 18 氯苯 10 硫氰化物 36 吡啶 400 砷化合物(以 As3+计) 0.72.0 烷基苯磺酸盐 15 汞化合物(以 Hg 计) 0.5 甘油 5 6）有机负荷率：污水中的有机物本来是微生物的食物，但太多时，也会不利于微生物。 7）氧化还原电位：好氧细菌： +300  400 mV，至少要求大于+100 mV。厌氧细菌：要求小于+100 mV，对于严格厌氧细菌，则-100 mV，甚至-300 mV。 2.1.3 废水可生化性和可生化程度的判别生物降解性能是指在微生物的作用下，使某一物质改变原来的化学和物理性质，在结构上引起的变化程度。可分为三类： 1）初级生物降解——指有机物原来的化学结构发生了部分变化，改变了分子的完整性； 2）环境可接受的生物降解——指有机物失去了对环境有害的特性； 3）完全降解——在好氧条件下，有机物被完全无机化；在厌氧条件下，有机物被完全转化为 CH4、CO2 等。有机物生物降解性能的分类： 1）易生物降解——易于被微生物作为碳源和能源物质而被利用； 2）可生物降解——能够逐步被微生物所利用； 3）难生物降解——降解速率很慢或根本不降解。注意：1）“难、易”是相对的； 2）同一种化合物在不同种属微生物的作用下，其降解情况也会有不同。鉴定和评价废水中有机污染物的好氧生物降解性的方法：

分类方法方法要点方法评价水质指标法|采用 BODVCOD作为有机物评价指标。方法改进:日比较简单,但精度不本通产省测试法,以mHOD代替COD,采用BOD自高,可粗略反映有机物动测定仪测定有机物28天的生化需氧量,并以的降解性能根据氧化 BODwThOD来评价有机物的生物降解性能: 所耗氧量瓦呼仪法根据有机物的生化呼吸线与内源呼吸线的比较来判较好地反应微生物氧断有机物的生物降解性能。测试时,接种物可采用活化分解特性,但试验水性污泥,接种量为1~3gS: 量少,对结果有影响静置烧瓶筛|以10m/沉淀后的生活污水上清液作为接种物,9m操作简单,但在静态条选试验含有5mg酵母音和5mg受试物的BOD标准稀释水作件下混合及充氧不好为反应液,两者混合,室温下培养,1周后测受试物浓度,并以该培养液作为下周培养的接种物,如此连续4周,同时进行已知降解化合物的对照试验根据有机振荡培养试|在烧瓶中加入接种物、营养液及受试物等,在一定温生物作用条件好,但吸物的去除验法度下振荡培养,在不同的反应时间内测定反应液中受附对测定有影响效果试物含量,以评价受试物的生物降解性半连续活性测试时,采用试验组及对照组二套反应器间歇运行,试验结果可靠,但仍不污泥法测定反应器内COD、TOD或DOC的变化,通过二套能模拟处理厂实际运反应器结果的比较来评价行条件活性污泥模模拟连续流活性污泥法生物处理工艺,采用试验组与|结果最为可靠,但方法型试验对照组,通过两套系统对比和分析来评价: 较复杂根据CO2斯特姆测试采用活性污泥上清液作为接种液,反应时间28天,系统复杂,可反映有机温度25°C,有机物降解以CO2产量占理论CO2产量物的无机化程度的百分率来判断根据微生主要有:ATP测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板计数测试法等试验结果可靠,但测试物生理生程序较为复杂。化指标影响有机物生物降解性能的因素 1)与化学物质的种类性质有关的因素(化学组成、理化性质、浓度、与它种基质的共存) 2)与微生物的种类、性质有关的因素(微生物的来源、数量、种属间的关系) 3)与有机物、微生物所处的环境有关的因素(pH值、DO、温度、营养物等)。 2.2悬浮生长的好氧生物处理工艺 221活性污泥法( Activated sludge process) 2.2.1.1活性污泥法的基本原理基本流科 ,,1 曝气池沉淀池回流污泥剩余活性污泥曝气池:反应主体二沉池:1)进行泥水分离,保证出水水质:

8 分类方法方法要点方法评价根据氧化所耗氧量水质指标法采用 BOD5/COD 作为有机物评价指标。方法改进：日本通产省测试法，以 ThOD 代替 COD，采用 BOD 自动测定仪测定有机物 28 天的生化需氧量，并以 BOD28/ThOD 来评价有机物的生物降解性能；比较简单，但精度不高，可粗略反映有机物的降解性能；瓦呼仪法根据有机物的生化呼吸线与内源呼吸线的比较来判断有机物的生物降解性能。测试时，接种物可采用活性污泥，接种量为 13 gSS/l；较好地反应微生物氧化分解特性，但试验水量少，对结果有影响；根据有机物的去除效果静置烧瓶筛选试验以 10ml 沉淀后的生活污水上清液作为接种物，90ml 含有 5mg 酵母膏和 5mg 受试物的 BOD 标准稀释水作为反应液，两者混合，室温下培养，1 周后测受试物浓度，并以该培养液作为下周培养的接种物，如此连续 4 周，同时进行已知降解化合物的对照试验；操作简单，但在静态条件下混合及充氧不好；振荡培养试验法在烧瓶中加入接种物、营养液及受试物等，在一定温度下振荡培养，在不同的反应时间内测定反应液中受试物含量，以评价受试物的生物降解性；生物作用条件好，但吸附对测定有影响；半连续活性污泥法测试时，采用试验组及对照组二套反应器间歇运行，测定反应器内 COD、TOD 或 DOC 的变化，通过二套反应器结果的比较来评价；试验结果可靠，但仍不能模拟处理厂实际运行条件；活性污泥模型试验模拟连续流活性污泥法生物处理工艺，采用试验组与对照组，通过两套系统对比和分析来评价；结果最为可靠，但方法较复杂；根据 CO2 量斯特姆测试法采用活性污泥上清液作为接种液，反应时间 28 天，温度 25C，有机物降解以 CO2产量占理论 CO2 产量的百分率来判断；系统复杂，可反映有机物的无机化程度；根据微生物生理生化指标主要有：ATP 测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板计数测试法等试验结果可靠，但测试程序较为复杂。影响有机物生物降解性能的因素： 1）与化学物质的种类性质有关的因素（化学组成、理化性质、浓度、与它种基质的共存）； 2）与微生物的种类、性质有关的因素（微生物的来源、数量、种属间的关系）； 3）与有机物、微生物所处的环境有关的因素（pH 值、DO、温度、营养物等）。 2.2 悬浮生长的好氧生物处理工艺 2.2.1 活性污泥法（Activated Sludge Process） 2.2.1.1 活性污泥法的基本原理曝气池：反应主体二沉池： 1）进行泥水分离，保证出水水质；