水污染控制工程第十八章.ppt

第十八章 自然条件下的生物处理,第一节 概述,第三节 土地处理系统,第二节 生物处理系统,第一节 概述,自然条件下的生物处理,水体净化,土地处理,稳定塘,生态系统塘,好氧塘,兼性塘,厌氧塘,曝气塘,水生植物塘,养殖塘,地表慢流,快速渗滤,慢速渗滤,湿地处理,菌藻共生,以好氧细菌和厌氧细菌为主进行有机物的好氧分解氧化、有机物的厌氧消化,以藻类和水生植物为主进行光合作用,稳定塘处理原理,土地处理原理,以土壤为介质对污水进行净化：土壤中的颗粒孔隙对污水中的悬浮颗粒进行截留、滤除，部分重金属离子并附着在土壤胶体表面，通过离子交换作用被置换吸附并生成难溶物质，有机物被土颗粒吸附而截留，土壤中的微生物对此进行氧化、分解，转化成CO2及无机盐类,土壤的净化作用,物理过滤,物理吸附及物理沉积,物理化学吸附,化学反应与沉淀,微生物的代谢与有机物的分解,第二节 生物处理系统,稳定塘又名氧化塘或生物塘。稳定塘对污水的净化过程与自然水体的自净过程相似，是一种利用天然净化能力处理污水的生物处理设施。稳定塘多用于小型污水处理，可用作一级处理、二级处理，也可用作三级处理。,概 述,按塘内的微生物类型、供氧方式和功能等划分,好 氧 塘,兼 性 塘,厌 氧 塘,曝 气 塘,深度处理塘,水生植物塘,生 态 塘,完全储存塘,稳 定 塘 的 分 类,净化机理,基本原理：自然水体的自净。基本过程：稀释扩散、（絮凝）沉淀分离、生物降解、食物链。DO来源：大气复氧、藻类光合作用（或人工曝气供氧）。关键环节：菌藻共生系统（SP中最基本的生态系统）。,（1）稀释作用：靠风力、水流及污染物的扩散作用使进入塘内的污水与氧化塘中原有的水混合，使进水得到稀释；（2）沉淀与絮凝作用：塘中部分生物分泌物可将小颗粒絮凝成达颗粒并发生沉淀；（3）好氧微生物的代谢作用；（4）厌氧微生物的代谢作用；（5）浮游生物的作用：吞食细菌和悬浮有机颗粒；分泌粘液促进絮凝；（6）水生维管束植物的作用：吸收氮、磷；富集重金属；充氧；作为微生物生长的载体；配水。,氧化塘中污染物的迁移与转化,（1）碳的转化排入塘内的含碳化合物可通过以下途径得以转化：1）微生物的新陈代谢作用，可将有机碳转化为CO2，微生物得以生长；2）水生植物（主要是藻类）可通过光合作用吸收无机碳，自身得以增殖，呼吸作用又释放部分无机碳；3）机体死亡后沉入塘底，经厌氧微生物作用分解为溶解性有机碳和无机碳；4）不溶性有机物在塘底经厌氧发酵分解为溶解性的有机碳和无机碳；5）有机体经食物链向高营养级传递，最后转化为水产，获得一定效益。,（2）氮的转化氧化塘可通过如下作用实现氮的转化：1）氨化作用；2）硝化作用；3）反硝化作用；4）挥发作用：高pH时向大气挥发，挥发量甚至可达21%；5）吸收作用：机体合成代谢的吸收。,（3）磷的转化1）合成作用：无机磷变有机磷；2）分解代谢：有机磷变无机磷。3）溶解性磷与非溶解性磷的相互转化：由于塘水pH值的变化引起不同形态磷的相互转化。白天光合作用消耗H+，使塘水pH值升高；夜晚由于光合作用停止，底泥的厌氧分解使pH值降低。氧化塘中磷的去除率一般可达5070%。,影响因素,光照影响藻类生长及DO；导致净化途径的改变；温度影响微生物的生物代谢作用；导致“冬季分层”、“春秋翻塘”和温度异重流等问题；pH值、营养元素等组成SP系统的环境因子；混合影响微生物与废水中底物的接触，需要良好的水力流态；蒸发与降雨降雨：利于稀释与混合，但缩短HRT；蒸发：延长HRT，产生浓缩而提高底物浓度。有毒物控制条件及要求与人工生物处理同。,好 氧 塘,兼 性 塘,厌 氧 塘,曝 气 塘,深度处理塘,好氧塘的深度较浅，阳光能透至塘底，全部塘水内都含有溶解氧，塘内菌藻共生，溶解氧主要是由藻类供给，好氧微生物起净化污水作用。,兼性塘的深度较大，上层是好氧区，藻类的光合作用和大气复氧作用使其有较高的溶解氧，由好氧微生物起净化污水作用；中层的溶解氧逐渐减少，称兼性区（过渡区），由兼性微生物起净化作用；下层塘水无溶解氧，称厌氧区，沉淀污泥在塘底进行厌氧分解。,厌氧塘的塘深在2m以上，有机负荷高，全部塘水均无溶解氧，呈厌氧状态，由厌氧微生物起净化作用，净化速度慢，污水在塘内停留时间长。,曝气塘采用人工曝气供氧，塘深在2m以上，全部塘水有溶解氧，由好氧微生物起净化作用，污水停留时间较短。,深度处理塘又称三级处理塘或熟化塘，属于好氧塘。其进水有机污染物浓度很低，一般BOD530mg/L。常用于处理传统二级处理厂的出水，提高出水水质，以满足受纳水体或回用水的水质要求。,稳定塘的优点基建投资低 当有旧河道、沼泽地、谷地可利用作物作为稳定塘时，稳定塘系统的基建投资低。运行管理简单经济 稳定塘运行管理简单，动力消耗低，运行费用较低，约为传统二级处理厂的1/31/5。可进行综合利用 实现污水资源化，如将稳定塘出水用于农业灌溉，充分利用污水的水肥资源；养殖水生动物和植物，组成多级食物链的复合生态系统。稳定塘的缺点占地面积大 没有空闲余地时不宜采用。处理效果受气候影响 如季节、气温、光照、降雨等自然因素都影响稳定塘的处理效果。设计不当时，可能形成二次污染 如污染地下水、产生臭氧和滋生蚊蝇等。,稳定塘的优缺点,（1）高负荷好氧塘 这类塘设置在处理系统的前部，目的是处理污水和产生藻类。特点是塘的水深较浅，水力停留时间较短，有机负荷高。（2）普通好氧塘 这类塘用于处理污水，起二级处理作用。特点是有机负荷较高，塘的水深较高负荷好氧塘大，水力停留时间较长。（3）深度处理好氧塘 深度处理好氧塘设置在塘处理系统的后部或二级处理系统之后，作为深度处理设施。特点是有机负荷较低，塘的水深较高负荷好氧塘大。,好 氧 塘,种 类,细菌的降解作用：有机物O2H+CO2H2ONH4+C5H7O2N（A）藻类的光合作用：106CO216NO3-HPO42-122H2O18H+C106H263O110N16P138O2（B）,好 氧 塘,基本工作原理,（细菌）,（藻类）,塘内存在着菌、藻和原生动物的共生系统。塘内的藻类进行光合作用，释放出氧，塘表面的好氧型异氧细菌利用水中的氧，通过好氧代谢氧化分解有机污染物并合成本身的细胞质（细胞增殖），其代谢产物CO2则是藻类光合作用的碳源。塘内菌藻生化反应可用下式（A）和（B）表示：,藻类光合作用使塘水的溶解氧和pH呈昼夜变化。白天，藻类光合作用使CO2降低，pH上升。夜间，藻类停止光合作用，细菌降解有机物的代谢没有终止，CO2累积，pH下降。其平衡关系式如下：,好 氧 塘,基本工作原理,好 氧 塘,好氧塘内的生物种群主要有藻类、菌类、原生动物、后生动物、水蚤等微型动物。,菌类主要是生存在水深0.5m的上层，浓度为11085109个/mL，主要种属与活性污泥和生物膜相同。,原生动物和后生动物的种属数与个体数，均比活性污泥法和生物膜法少。,藻类的种类和数量与塘的负荷有关，它可以反映塘的运行状况和处理效果。,好 氧 塘,好氧塘内的生物种群,塘水变化规律,因有机物降解及藻类活动，其水质量呈现昼夜交替变化；白昼，光合作用旺盛，DO饱和；夜间，无光合作用，DO下降甚至无氧状态；因白昼光合作用，藻类吸收CO2使pH上升；晚间，无光合作用，有机物降解产生CO2使pH下降；塘中藻类过多时可导致塘水在晚间DO过低而影响水生生物的生长；应用时，应控制适当的负荷，控制藻类生长，维持DO的供给与需求间的平衡。,好氧塘的应用,处理效率高，BOD5去除率可达80%以上；HRT短（26d）；负荷低，占地面积大；需进行除藻处理；多在塘中种植沉水、浮水、挺水植物或放养杂食性水生动物（鱼、鸭、鹅等）通过生态食物链进行“精”处理或实现水的资源化利用。,好氧塘的主要尺寸的经验值如下：好氧塘多采用矩形，表面的长宽比为3:14:1，一般以塘深的1/2处的面积作为计算塘面。塘堤的超高为0.61.0m。单塘面积不宜大于4ha；塘堤的内坡坡度为1:21:3（垂直:水平）外坡坡度为1:21:5（垂直：水平）；好氧塘的座数一般不少于3座，规模很小时不少于2座。,好 氧 塘,好氧塘内的设计,好氧塘工艺设计的主要内容是计算好氧塘的尺寸和个数。,好氧区对有机污染物的净化机理与好氧塘相同。兼性区的塘水溶解氧较低。异氧型兼性细菌，它们既能利用水中的溶解氧氧化分解有机污染物，也能在无分子氧条件下，以NO3-、CO32-作为电子受体进行无氧代谢。厌氧区无溶解氧。污泥层中的有机质由厌氧微生物对其进行厌氧分解，其厌氧分解包括酸发酵和甲烷发酵两个过程。发酵过程中未被甲烷化的中间产物进入塘的上、中层，由好氧菌和兼性菌继续进行降解。而CO2、NH3等代谢产物进入好氧层，部分逸出水面，部分参与藻类的光合作用。兼性塘不仅可去除一般的有机污染物，还可以有效地去除磷、氮等营养物质和某些难降解的有机污染物。,兼 性 塘,工 作 原 理,兼性塘的有效水深一般为1.02.0m。,兼性塘的应用,抗冲击负荷能力较强，处理出水水质尚难以达标；HRT=530d；适用于城市污水一级处理出水的处理、较高浓度废水的二级处理塘；无需进行除藻处理；贮存塘或控制出水塘属于兼性塘：贮存塘用于蒸发大于降雨的场合；,兼性塘一般采用负荷法进行计算，我国建立了较完善的设计规范。兼性塘的主要尺寸的经验值如下：兼性塘一般采用矩形，长宽比3:14:1。塘的有效水深为1.22.5m,超高为0.61.0m,储泥区高度应大于0.3m。兼性塘的堤坝的内坡坡度为1:21:3（垂直:水平），外坡坡度为1:21:5。兼性塘一般不少于3座，多采用串连，其中第一塘的面积约占兼性塘总面积的3060，单塘面积应少于4hm2，以避免布水不均匀或波浪较大等问题。,兼 性 塘,兼性塘的设计,厌氧塘对有机污染物的降解，与所有的厌氧生物处理设备相同，是由两类厌氧菌通过产酸发酵和甲烷发酵两阶段来完成的。即先由兼性厌氧产酸菌将复杂的有机物水解、转化为简单的有机物(如有机酸、醇、醛等)，再由绝对厌氧菌（甲烷菌）将有机酸转化为甲烷和二氧化碳等。由于甲烷菌的世代时间长，增殖速度慢，且对溶解氧和pH敏感，因此厌氧塘的设计和运行，必须以甲烷发酵阶段的要求作为控制条件，控制有机污染物的投配率，以保持产酸菌和甲烷菌之间的动态平衡。应控制塘内的有机酸浓度在3000mg/L以下，pH为6.57.5，进水的BOD5：N：P=100:2.5:1,硫酸盐浓度应小于500mg/L，以使厌氧塘能正常运行。,厌氧塘,基本工作原理,基本特征,池深大(2m)，有机负荷高，整个塘水都呈厌氧状态（环境条件较差）；净化过程慢，停留时间长。塘体较深，占地面积小。特征：生态系统单一，只有细菌产酸菌产甲烷菌的共生系统。甲烷菌世代时间长，繁殖增长慢；产酸菌世代时间短。增值迅速，两者之间必须保持动态平衡关系。否则，脂肪酸积累，pH下降会抑制甲烷发酵过程。应以甲烷发酵作为控制阶段，创造适宜于甲烷菌生长的环境。,厌氧塘的应用,常在污水BOD5300mg/L时设置；通常置于稳定塘处理系统的首端，作为预处理单元与兼性塘和好氧塘组合运行，其功能在于利用低耗厌氧反应降低有机负荷，保障后续处理单元的有效运行；多应用于高浓度有机废水之处理（肉类加工、食品生产、牲畜养殖等）；需要设置格栅、沉砂、隔油等预处理；有机物降解20%30%；存在具有保温功能、但影响环境的浮渣层；应用时应远离住宅区（500m以上）。,厌氧塘的设计通常是用经验数据，采用有机负荷进行设计的。设计的主要经验数据如下：有机负荷 有机负荷的表示方法有三种：BOD5表面负荷（kgBOD5/hm2d）、BOD5容积负荷（kgBOD5/m3d）、VSS容积负荷（kgVSS/m3d）。我国采用BOD5表面负荷。处理城市污水的建议负荷值为200600kg/（hm2d）。对于工业废水，设计负荷应通过试验确定。厌氧塘一般为矩形，长宽比为2:12.5:1。单塘面积不大于4hm2。塘水有效深度一般为2.04.5m,储泥深度大于0.5m，超高为0.61.0m。厌氧塘的进水口离塘底0.61.0m,出水口离水面的深度应大于0.6m，使塘的配水和出水较均匀，进、出口的个数均应大于两个。厌氧塘很少用于单独污水处理，而是作为其他处理设备酸的前处理单元。厌氧塘宜用于处理高浓度有机废水，也可用于处理城镇污水。,厌氧塘,设计和应用,曝气塘是在塘面上安装有人工曝气设备的稳定塘。,曝 气 塘,曝气塘出水的悬浮固体浓度较高，排放前需进行沉淀，沉淀的方法可以用沉淀池，或在塘中分割出静水区用于沉淀。若曝气塘后设置兼性塘，则兼性塘要在进一步处理其出水的同时起沉淀作用。曝气塘的水力停留时间为310d，有效水深26m。曝气塘一般不少于3座，通常按串连方式运行。,完全混合曝气塘中曝气装置的强度应能使塘内的全部固体呈悬浮状态，并使塘水有足够的溶解氧供微生物分解有机污染物。,部分混合曝气塘不要求保持全部固体呈悬浮状态，部分固体沉淀并进行厌氧消化。其塘内曝气机布置较完全混合曝气塘稀疏。,完 全 混 合 曝 气 塘,部 分 混 合 曝 气 塘,曝气塘的两种类型,完 全 混 合 曝 气 塘,部 分 混 合 曝 气 塘,曝气塘特征,在塘表面安装浮筒式曝气器，强化充氧，保证DO；塘深35m，HRT=38d，BOD5去除率70%以上；介于延时曝气工艺和好氧塘之间的工艺（无污泥回流工艺）；净化效果好、HRT短；塘深大，占地小；运行稳定；动力消耗大与其它SP系统。人工强化的氧化塘，通过人工曝气可向塘内供氧，并使塘水搅动。根据曝气强度可分为好氧曝气塘和兼性曝气塘。通常池深2m，安装表面曝气器(浮筒式)，停留时间短。其特征介于氧化塘和延时曝气法之间。氧源：人工曝气7080，表面复氧；由于强烈紊动，藻类生长受到抑制，甚至停止；生长有少量生物污泥，不设回流；流态近于完全混合型。,水生植物塘,养殖塘,生态系统塘,水生植物塘净化作用主要通过水生植物对污染物的吸收储存富集捕集沉淀以及污染物在生物根系上形成生物膜这两种净化途径。,养殖鱼类、蚌、鸭、鹅等家禽,以太阳光为能源，对污染物进行氧化分解，并通过食物链进行迁移转化，并变成蛋白质。多采用多塘串联的设置形式,法国南部某镇（MeZe），氧化塘污水处理系统,MeZe生态中心的氧化塘实验装置,MeZe氧化塘处理系统中曝气塘,水生植物塘,稳 定 塘 系 统 的 工 艺 流 程,稳定塘处理系统的组成,稳定塘的流程组合依当地条件和处理要求不同而异，下图为几种典型的流程组合。,稳定塘的流程组合,Fc=KL(s-)s：饱和溶解氧浓度 KL:与风速有关,稳定塘内的溶解氧,1、充分发挥风力作用，使水体易于循环；2、设置简单的风力机供氧；3、增加少量动力设施，使水体流动；4、设计植物塘利用植物茎的传氧能力，提高复氧效率；,提高稳定塘溶解氧的措施,塘的位置 稳定塘应设在居民区下风向200m以外，以防止塘散发的臭气影响居民区。此外，塘不应设在距机场2km以内的地方，以防止鸟类（如水鸥）到塘内觅食、聚集，对飞机航行构成危险。防止塘体损害 为防止浪的冲刷，塘的衬砌应在设计水位上下各0.5m以上。若需防止雨水冲刷时，塘的衬砌应做到堤顶。衬砌方法有干砌块石、浆砌块石和混凝土板等。在有冰冻的地区，背阴面的衬砌应注意防冻 若筑堤土为黏土时，冬季会因毛细作用吸水而冻胀，因此，在结冰水位以上位置换为非黏性土。塘体防渗 稳定塘的渗漏可能污染地下水源；若塘体出水再考虑回用，则塘体渗漏会造成水资源损失，因此，塘体防渗是十分重要的。但某些防渗措施的工程费用较高，选择防渗措施时应十分谨慎。防渗方法有素土夯实、沥青防渗衬面、膨胀土防渗衬面和塑料薄膜防渗衬面等。塘的进出口 进出口的形式对稳定塘的处理效果有较大影响。设计时应注意配水、集水均匀，避免短流、沟流及混合死区。主要措施为采用多点进水和出水；进口、出口之间的直线距离尽可能大；进口、出口的方向避开当地主导风向。,稳 定 塘 塘 体 设 计 要 点,第三节 污水土地处理,污水土地处理是在在农田灌溉的基础上，运用人工调控利用土壤-微生物-植物组成的生态系统使污水中的污染物净化的处理方法。土地处理是以土地作为主要处理系统的污水处理方法，其目的是净化污水，控制水污染，其设计参数（如负荷率）需通过试验研究确定。土地处理技术有五种类型：慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流、湿地和地下渗滤系统。土地处理系统是由污水预处理设施，污水调节和储存设施，污水的输送、布水及控制系统，土地净化田，净化出水的收集和利用系统等五部分组成。,污 水 土 地 处 理,污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。,土地处理系统的净化机理,BOD的去除,磷和氮的去除,悬浮物质的去除,病原体的去除,重金属的去除,污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。,土地处理系统的净化机理,BOD的去除,磷和氮的去除,悬浮物质的去除,病原体的去除,重金属的去除,污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。,BOD的去除,磷和氮的去除,悬浮物质的去除,病原体的去除,重金属的去除,土地处理系统的净化机理,污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。,土地处理系统的净化机理,BOD的去除,磷和氮的去除,悬浮物质的去除,病原体的去除,重金属的去除,污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。,土地处理系统的净化机理,BOD的去除,磷和氮的去除,悬浮物质的去除,病原体的去除,重金属的去除,土 地 处 理 基 本 工 艺,土 地 处 理 基 本 工 艺,土 地 处 理 基 本 工 艺,土 地 处 理 基 本 工 艺,地下渗滤,人工湿地处理系统,由一些浮水或潜水性植物以及处于水饱和状态的基质层和生物组成的复合体，是人工优化模拟湿地系统而建造的具有自然生态系统综合降解净化功能、可人为监督控制的废水处理系统。特点：缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、耗电低、运行费用低,人工湿系统及其类型,地表流湿地（Surface Flow Constructed Wetland，SFCW）；潜流湿地（SubSurface Flow Constructed Wetland，SSFCW）；垂直流湿地（Vertical Flow Constructed Wetland，SSFCW）。,净化原理,综合物理（截留、沉淀）、化学（絮凝沉淀、氧化还原、吸附）、生物降解及植物（光合作用）吸收等作用。SS：废水流经填料层和植物根系时，其中SS的被填料和植物根系截留而去除；有机物：通过生长在填料和根系的生物膜及自由微生物通过好氧、缺氧及厌氧等生物作用而去除；金属离子：被具有吸附、沉淀功能的填料去除；N、P：通过植物吸收、微生物转化、化学沉淀等去除。,土 地 处 理 基 本 工 艺,建设中的人工湿地处理试验系统,建设中的氧化塘处理试验系统,人 工 湿 地 系 统,无植物时人工湿地系统空白试验,人工湿地系统植物栽种,昆明滇池人工湿地处理暴雨径流试验系统,沉砂池,格栅,湿地1,泄洪沟,泻洪闸,示范工程（占地6.2公顷）,人工湿地处理暴雨示范工程,土地处理系统工艺类型的选择主要是根据土壤性质、透水性、地形、作物种类、气候条件和废水处理程度的要求来选择。土地处理系统的主要工艺参数为负荷率。常用的负荷率有水量负荷和有机负荷，有时还辅以氮负荷和磷负荷。,土 地 处 理 系 统 的 工 艺 选 择 和 工 艺 参 数,