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水污染控制工程（下）主讲：成官文•教学要求•了解其自然生物处理的主要类型，净化机理，生态系统特征。•教学时数：2h六、污水的自然生物处理污水自然生物处理的回顾与前瞻•污水的自然生物处理已有300多年的历史，但随着经济和社会的发展，生活污水和工业废水的水质水量发生了很大的变化，“经典式”生态系统的自然净化能力承受不了越来越沉重的污染负荷。为了解决日益严重的水环境污染问题，出现了以普通活性污泥法、生物膜法等高效的人工净化技术。但进入20世纪70年代，严重的世界能源危机，迫使人们又转向研究节省能源、资源和投资的处理方法。污水的自然生物处理作为“替代技术”之一将受到重视。•在我国，国家环保局组织了“七五”、“八五”城市废水生物稳定塘技术和废水的土地处理技术攻关，使污水的自然生物处理向规范化、资源化和系统化迈进了一步。目前，我国还在人工湿地方面进行了系统研究。一、稳定塘（生物塘）1、概述稳定塘：又叫生物稳定塘（biologicalstabilizationpond），俗称氧化塘（oxidationpond）。1)工作原理：依靠自然生态系统的净化作用使污水净化。2)供氧方式：通过大气复氧和藻类的光合作用供氧，或人工曝气（曝气塘）。3)分类：按DO浓度高低分好氧稳定塘,兼性塘,厌氧塘,曝气塘。按处理程度分一级、二级和深度处理塘。按出水方式又可分连续出水塘、控制性水塘、贮存塘。4)适宜条件：要求有废河道、沼泽地、峡谷、荒地且地质条件良好的地形；要考虑气温、光照和风力。5)优缺点：工程简单，建设投资少，能耗少，成本低廉，利于农业灌溉，能实现污水资源化。但占地面积大，净化效果受季节（含光照、气温）影响，易造成地下水污染，周边环境条件较差。2、净化机理：1）生态系统的组成a.细菌：好氧菌、兼性菌、产酸菌、厌氧菌、硝化菌、光合细菌等。b.藻类：绿藻、蓝绿藻等。c.原生动物和后生动物：不同类型稳定塘数量变化较大，不宜作为指示生物。d.水生植物（耐污耐水植物）浮水植物：水葫芦、浮萍等，可作为青贮饲料，其它处理方式困难(因为含水率在95％左右，堆肥、厌氧发酵、脱水均困难)，易影响水体景观及水质，需定期打捞。沉水植物：马来眼子菜、叶状眼子菜等（需定期收割）。挺水植物：水葱、芦苇、蒲草等。e.高等水生动物：鱼、鸭、鹅等。思考题：生物塘的生态系统与活性污泥法、生物膜法有什么异同？是否什么植物均可用于生物塘？2）生态系统——菌藻共生体系及其作用。藻类在光合作用放出氧，细菌则利用藻类提供的氧降解有机污染物，其它仅起辅助作用。具体机理见P263图6-1。a、生态系统：由细菌、藻类、原生动物、后生动物、水生植物、高等水生动物组成，但悬浮生物总量不高。b、不同水层存在分区：上方因复氧、光合作用成好氧区，下部兼性区，底部（泥）厌氧区。c、表层藻类放氧：106CO2＋16NO3－＋HPO42－＋122H2O＋18H＋→C106H263O110N16P＋138O2↑d、上层异氧菌降解：C11H29O7＋14O2＋H＋→11CO2＋13H2O＋NH4＋e、底层厌氧水解：大分子→小分子→挥发酸→甲烷。f.C、N、P的迁移与转化碳的转化：改变水体碳酸盐的缓冲平衡(p265)。氮的转化：有机氮→氨氮（少部分挥发和被生物同化）→亚硝酸氮→硝酸氮→氮气。磷的转化：进水中的磷有有机磷、聚磷酸盐和正磷酸盐(预处理沉淀约10％的不溶解性磷)→正磷酸盐、偏磷酸盐→生物和化学沉淀。由于C、N、P的转化以及日昼光合作用与否，导致水体pH变化，日间升高、夜间降低；硝化作用时降低、反硝化时升高，并引起磷酸盐(日间易于沉淀、夜间溶解)、重金属等沉淀和溶解。g.其它有害物质转化：生物降解(难降解有机物)、吸附与吸收重金属(植物)，鳌合与沉淀(底泥)。3）净化作用：a、稀释作用：在风力、水流与浓度差的作用下，与塘内污水混合。b、沉淀与絮凝作用：水力作用降低而沉淀；微生物及其分泌物与污染物质絮凝。c、好氧微生物的代谢：主要是细菌，但随负荷降低细菌作用降低。d、厌氧微生物的代谢：能经历厌氧水解，产氢产酸和产甲烷的全过程。e、浮游生物：光合作用与降解作用。f、水生植物：吸收与产氧作用。思考题：生物塘的污染降解作用与活性污泥法、生物膜法有何区别？其对污染控制工程有何影响？4）影响因素a、温度：稳定塘运行的主要影响因素之一。温度每增高10℃微生物的代谢速度将提高一倍。生物塘表面水温高，但昼夜温差大；底层温度低，但较稳定。温度影响水力停留时间。b、光照：提供能量，使藻、植物进行光合作用，对有机物的降解和藻类供氧有重要影响。c、风力：风力大且四季分布均匀，利于产生良好的水力条件，利于DO、污水的传质。d、营养比例：C、N、P、K、Fe、S等。e、进出水水质与有机负荷：浓度高和难降解有机物多（或高负荷），采用厌氧或兼氧塘；水质浓度低、出水水质要求高或低负荷，采用深度处理等。f、蒸发量与降雨量：降雨－稀释、蒸发—浓缩。g、污水的预处理：去除可沉SS和油脂；调节pH值，去除有毒有害物质。3、好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝氧塘、深度处理塘，控制出水塘（见补充材料）。二、污水的土地处理系统1.概念：在人工控制条件下,将污水投配在土地上，通过土壤－微生物－植物的生态系统，进行物理、化学、物理化学和生物化学的净化过程，使污水得到净化的一种污水处理工艺。2.工作原理：利用土壤—微生物—植物生态系统,进行物理、化学、物化和生化作用过程，使污水得到净化。其中土壤胶体和土壤微生物是土壤能够容纳、缓冲和分解微生物的关键。3.净化作用机理物理过滤：土壤颗粒孔隙的截留。物理吸附：黏土等硅酸盐类物质具有离子交换和吸附作用。物理化学吸附：重金属离子与土壤胶体、腐植酸等的鳌合作用.化学反应和化学沉淀：与土壤中的某些组分形成难溶性化合物或因pH、Eh改变而沉淀、挥发。如与土壤中的铁、铝、钙、磷、碳酸盐等发生反应，氨氮在碱性条件下挥发等。微生物代谢：通过各种微生物的相互依存、协同作用，降解各种有机物和氮磷等污染物质。植物代谢：植物的吸收、降解和蒸腾作用。4、组成：预处理设备，调节与贮存设备，污水输送、配水控制系统，土地净化田、净化水的收集、利用系统。5、工艺a、慢速渗滤处理系统：利用草场、林地、荒地以及农田、蔗地等（土壤微生物与植物），不考虑处理水的流出。b、快速渗滤处理系统：在专门的处理地上间歇处理(利用土壤微生物进行交替厌氧与好氧)，下设专门回收处理水系统。c、地表漫流处理系统：利用缓坡草地缓慢流动（要求土地渗透性差），并以地表径流汇集、排放和利用处理水。思考题:土地处理与已学的生物处理方法的降解机理有何区别.三、湿地处理系统：利用沼泽土壤的物理化学作用和微生物的生物化学作用、以及耐水植物（芦苇、香蒲、灯心草等）的协同净化作用使污水得到净化的一种土地处理工艺。a、分类：天然湿地，人工湿地和人工潜流湿地系统(见附图)。b、生态系统：耐水植物（芦苇、香蒲等）、土壤（粘土矿物）及其微生物联合作用。c、供氧：植物光合作用在植物根际周围形成“含氧区”，为好氧微生物供氧(见附图）。d、净化机理：物理沉降，根际截留，化学沉淀，土壤及其微生物、植物的吸附吸收与生物代谢，阳光及其植物分泌物的灭活作用等。e、设计运行：对天然湿地，水深一般0.3-0.8m，不超过1m。对人工湿地：有机负荷NA0.0018—0.011kg/m2d,Nq150-200m3/ha.d。对人工潜流(芦苇—石料/或水草—芦苇系统)，在渗滤和毛细管作用下通过过滤、沉淀、吸附和微生物作用降解污染物。思考题：人工湿地系统建设和使用过程中应重点注意那些环节？教学要求：1.了解深度处理去除的对象及其相对应的处理方法2.初步掌握污水的脱氮除磷技术教学时数:6h七、污水的深度处理与回用一、问题提出•经二级生物处理后，其出水一般含有：BOD30mg/L左右，COD60mg/L左右，NH315-25mg/L，P3-8mg/L，SS30mg/L左右，以及细菌、重金属等，必须经过处理，否则易导致水体富营养化，并对鱼类，农作物、淡水水质及处理成本等带来影响。而与此同时，很多地方（如淮河以北地区）水资源缺乏，城市绿化等市政用水成本高，迫切需要水的回用与污水资源化。所以，污水的深度处理与回用被得到重视。•思考题：为什么对二级生物处理出水进行深度处理？二、部分深度处理工艺概述1、悬浮物的去除1）颗粒粒径：二级出水SS是以1um~1mm的生物絮凝体和未被絮凝的胶体物质。一般通过混凝、砂滤、微滤和反渗透去除（见p293图7－1）。2）混凝沉淀：通过投加混凝剂，并经快速搅拌混凝，慢速搅拌絮凝，使微小颗粒和胶体物质脱稳而凝聚，成为较大颗粒絮体而沉淀去除。a.混凝机理：压缩双电层(高价聚合盐)、吸附——电中和、吸附架桥、卷扫—网捕。b.投加药剂：Fe、Al盐、聚合Fe、Al盐，聚丙烯酰胺等。投加量要通过实验确定（为什么？），金属盐一般20~100mg/L，聚合Fe、Al盐一般小于50mg/L，聚丙烯酰胺5‰左右。c.水动力学：G值和GT值，一般多级串联G值逐步减少，90－70－50S-1（考虑混凝与絮凝）。思考题：混凝过程如何搅拌？为什么？3）过滤技术：通过滤料和滤膜截留、过滤。a.作用机理：直接截留，并逐步形成滤泥层，截留更小的粒子（≤20um颗粒）。b.运行：随着表面截污层变厚，过滤阻力加大，过滤水量减少，此时需反冲洗（最好是气液反冲洗，为什么？）。2、溶解性有机物去除1）活性碳吸附：活性碳具有区大的表面积和细小的孔隙，能吸附有机物，重金属离子等。•活性碳分类：粒状活性碳和粉末活性碳。•吸附量：在温度一定条件下，发生等温吸附（具有一定的吸附容量）。•接触方式：多级串联，依次吸附，依次穿透，依次再生。•接触时间：15-30min。•生物活性炭2）O3氧化处理•目的任务：对二级处理水进行以回用为目的的处理，力求去除污水中存在的有机物、色度和杀菌、消毒。•工艺要求：最好砂滤（前处理）+臭氧。其效果好，减少O3使用量，提高O3效率。•动力学要求：进行混合反应，加速O3与水的混合，改善传质、提高或强化气液接触。混合反应器：扩散板式、喷射式，机械搅拌（类似曝气）。3）双氧水作用类似O3氧化。3、溶解性性无机盐的去除•危害：具有腐蚀性，易结垢，SO42－还原产生H2S，造成土地板结和盐碱化。因而出水回用和农用前要求脱盐。•脱盐技术：反渗透、电渗析、离子交换。a.反渗透：利用半渗透膜，当对高浓度一侧施加高于渗透压的压力时，水分子通过渗透膜，从而使水得到净化。b.电渗析：在电流作用下，阳、阴离子分别通过阳、阴离子交换膜而在局部富集，使水得到净化，从而脱盐。c.离子交换：带离子水经过交换树脂、沸石等时，无机盐通过交换吸附反应而被去除。4、污水的消毒处理•原因：无论什么工艺，出水细菌均会超标，从而带来危害。•使用场合：污水农灌、排放水源地上游、旅游景区，以及流行病流行季节。•消毒方法：液氯、臭氧、次氯酸钠和紫外线，其优缺点及适宜范围见p304表7-3。1）液氯消毒•原理：Cl2＋H2O→HOCl＋HCl•工艺参数：•投加量：一级20-30mg/L、一级半处理10-15mg/L、二级处理5-10mg/L。•混合反应：机械搅拌5-15S，鼓风混合0.2m3/m3.min。•水力混合：V≥0.6m/s。•接触时间：30min。•要求余氯：≥0.5mg/L（为什么？）。2)O3消毒•原理：O3→O2＋[O]，由于O3溶解度低(仅10mg/L左右)，工艺要求水深加达5-6m，或接触池密闭，以提高利用率。•接触时间：15min，但由于O3有腐蚀性，出水必须进行消除处理。3）次氯酸钠消毒•原理：Cl2＋2NaOH→NaOCl+NaCl+H2ONaOCl+H2O→HOCl＋NaOHHOCl→OCl－+H+•接触时间：同臭氧法4）紫外线消毒•原理：紫外线穿透细胞壁并与细胞质反应而达到消毒目的。•方法：浸水式和水面式（高压石英水银灯）。•照射强度：0.19－0.25W.s/cm2。•污水深度：0.65－1.0m。•缺点：不能解决消毒后管网的再污染问题，电耗大，水中悬浮