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污水的深度处理与回用

'污水的深度处理与回用'
水质工程学电子教案 第7章水质工程学(下) 电子教案辽宁工程技术大学 建工学院市政系 水质工程学电子教案 第7章第7章 污水的深度处理与回用 7.1 概述 7.2 悬浮物的去除 7.3 溶解性有机物的去除 7.4 溶解性无机盐类的去除 7.5 污水的消毒处理 7.6 脱氮技术 7.7 除磷技术 7.8 同步脱氮除磷技术 7.9 城市水资源的合理开发与利用 水质工程学电子教案 第7章重点:深度处理的目的、对象、深度处理的 各种处理方法,脱氮除磷方法、 生物脱氮除磷机理、工艺流程。难点:生物脱氮除磷机理、工艺流程 水质工程学电子教案 第7章7.1 概述1、深度处理——是进一步去除常规二级处理所不能完全去除 污水中杂质的净化过程2 、深度处理目的:解决水资源短缺、污水回用3、深度处理对象           脱色 除臭、COD BOD SS、无机盐(营养型N,P) 重金属、细菌、病毒4、深度处理水用途;排放、回用、回灌地下 。 5、污水深度处理单元技术的确定原则 (1)处理水的用途; (2)原水水质、各级处理后水质; (3)单元工艺可行性与整体流程的适应性; (4)运行控制难易程度、设备国产化程度、废弃物处置方法; (5)工程投资与运行成本。 水质工程学电子教案 第7章表7—1 二级处理水深度处理的目的、去除对象和所 采用的处理技术与工艺流程 处理 去除对象 有关指标 采用的主要处理 目的 技术 悬浮状态 SS VSS 快滤机、微滤机、混凝沉淀 溶解状态 混凝沉淀、活性炭吸附、臭 BOD5 COD TOC TOD 氧氧化 氮 T—N K—N 吹脱、折点氯化脱氨、生物 脱氮 NH3—N - NO2 —N - 生物脱氮 NO3 —N 磷 金属盐混凝沉淀 石灰混凝 PO4—P T—P 沉淀晶析法 生物除磷 溶解性无机物 电导度 反渗透、电渗析、离子交换 无机盐类 Na、Ca、Cl离子 微生物 细菌、病毒 臭氧氧化、消毒(氯气、次 氯酸钠、紫外线) 水质工程学电子教案 第7章颗粒分离技术一览表 水质工程学电子教案 第7章 7.2 悬浮物的去除 概述 7.2.1 (1)SS的组成 生物絮体:数mm到10μm SS特 点 : 胶体颗粒(未被凝聚) (2)SS的有机化 颗粒几乎全是有机物 BOD:50-80%来源于这些颗粒 7.2.2 SS的去除技术?由SS的状态和粒径而定 d>1μm,一般用砂滤;微滤机等。?胶体状——混凝沉淀。 1、混凝沉淀(1)常用技术:去除微小悬浮状态的有机物和无机污染物、胶体. 也可去除:Mg,As(溶解态)、N、P、及细菌、病毒(2)特点: ①二级出水——胶体和菌胶团微粒;而天然水主要是针对泥砂等 ②不同于给水处理的混凝 主要原因是:污水中有生物微粒的存在,这种微粒与药剂 的亲和力强,进而投药后混凝过程短时间内可以完成。 (3)药剂 水质工程学电子教案 第7章 ①传统药剂:Al2(SO4)3,聚合氯化铝,及助凝剂(活化硅酸等) “七.五”开发药剂——聚合氯化铁(PFC),降低了铁盐的酸性并清除了残余亚铁及色度.②新型药剂 :对浊度、色度、除磷效果明显天津大学:(PDM)有机高分子絮凝剂,高效脱色、浊度低于5度后来发展PDMMC(唯一达到4万个分子量);中科院:AL13 纳米絮凝剂。 (4)工艺形式①沉淀池——平流、辐流、竖流、斜管②澄清池——上升流速较给水低,0.4-0.6mm/s 压力溶气气浮 DAF(Dissolves Air Hotation) 涡凹气浮 空气在分散于水中叶③气浮池— CAF(Cavitation Air Hotation) 片、轮盘等吸入 引气气浮 IAF(Induced Air Flotation)(5) 混凝机理 同给水 水质工程学电子教案 第7章 2、过滤(1)特点①给水过滤技术不宜简单的直接应用于污水处理。原因:a、滤池截留的污泥粘而易碎,污泥在滤池表面积聚 形成滤膜 b、如果加大水头,污泥又很容易穿透滤层 。②过滤时一般情况下不需要加药剂 胶体过滤难于去除,浊度上升,需投药剂 溶解性有机物——用活性炭吸附③反冲洗难度大,需水气同时冲洗 气:20l/m².s; 水:10l/m².s;④滤料粒径适当放大。(2)过滤作用 SS、BOD、重金属、细菌①去除各类污染物 化学絮凝产生的Al、Fe盐及石灰等沉淀物 去除化学除P时,水中不溶性P②活性炭或离子交换:预处理设施,可以节省后续的活性炭费用;③克服生物、和化学处理的不稳定性,提高回用的连续性和可靠性 。 水质工程学电子教案 第7章 (3)过滤机理 ? 废水过滤——有机物絮体 区别:强度不一样,穿透滤料的性能不同 给水过滤—— 无机泥砂? 对二沉池出水过滤——隔滤被认为是去除悬浮固体的主要机理①隔滤 a、机械隔滤:粒径大于滤料孔径的颗粒被滤料滤去; b、偶然隔滤:粒径小于滤料孔径的颗粒由于偶然接触而被截获。②沉淀在滤料内部,颗粒可以沉淀在滤料上;③碰撞:较重的颗粒不随水运动;④截获:随水流运动的颗粒与滤料表面接触时被去除;⑤粘附:当絮凝颗粒通过滤料时,它们就会附着在滤料表面⑥化学吸附: a、键吸附 b、化学的相互作用; a、静电作用⑦物理吸附: b、动电作用 c、范德华力对其吸附⑧絮凝:大颗粒与小颗粒接触时,形成更大颗粒;⑨生物繁殖:生物滤池内繁殖可使滤料孔隙减少。 水质工程学电子教案 第7章 (4)进水特征 ①特征(※) a、 悬浮固体浓度(二级处理水中,SS:6-30mg/l)以浓度监测 过程 b、粒径大小:(双峰分布)(混合10d的活性污泥出水) c、絮体强度:与处理方法及操作方式有关 生物处理 化学沉淀 该值下降 泥龄长 但超过15d下降 较小粒径:1-15μm d、双峰图 较大粒径:50-150μm 双峰分布——影响过滤机理——二级过滤(5)深度处理滤池设计 ①预处理——生物处理和滤池之间,通常增设混凝沉淀(澄清或 气浮池) 对比试验 直接过滤:简单、但COD、TP去除率不高,运行复杂 纪 庄 子 微生物絮凝过滤:去除率高,但周期短,冬季2-4h 污 水 厂 絮凝沉淀:过滤周期长,17h以上,全年水质合格 水质工程学电子教案 第7章 ②滤速(V)——重要参数,决定滤池面积絮体强度:其值低时,滤速上升会使絮体颗粒遭受破 坏,污物穿透滤池,使出水不能达标;生物絮体牢 固(4- 11m/h不影响),化学絮体强度较弱。 双层滤料:5-10m/h取决于滤池型式 单层滤料:4-6m/h 压力滤池:24m/h③生物繁殖:滤池内生物繁殖可使滤料孔隙减少④水头损失——取决于滤速和滤料的截污能力,滤料的组成和尺寸对水头损失影响大。 Ht=H0+∑(hi)t i=1--n Ht——t时间的总水头损失,m H0——开始过滤时,清水总水头损失(管道,闸门,仪表,弯头,下部排水系统,滤料,构筑物),m (H0)t——滤层内第I滤料在时间t时的水头损失 7.3 溶解性有机物的去除 水质工程学电子教案 第7章 丹宁 ?二级出水中,溶解性有机物:木质素 等难降解有机物 黑腐酸 ?从技术、经验、工程实践中,活性炭和臭氧氧化法适应 7.3.1 活性炭吸附 1、活性炭吸附——由煤或木等材料经一次炭化制成,高温下, 用CO使其活化,使炭形成多孔结构。 2、活性炭技术指标 碘值、亚甲兰值、糖蜜值 3、活性炭孔的分布 大孔(100-1000nm)、过渡孔(100-2nm)、微孔〈2nm〉 4、活性炭吸附处理二级处理水的特点(1)对分子量〈1500(道尔顿)的环状化合物,不饱和化合物效果 好;对分子量〈3000的直链化合物(糖类)效果好;(2)吸附时有微生物存在——提高处理效果(对有机物)但可能有生 物泄漏的问题(代谢产物有毒性) 水质工程学电子教案 第7章 活性炭指标测定值 单位 A B C D E摩擦系数 wt% 83.5 89.3 85.5 90.2 88.9 强度 wt% 95.4 99.5 97.9 99.7 98.4 表观密度 g/l 510 520 500 520 540 飘浮率 wt% 0.0 1.4 0.0 0.0 0.0 pH值 -- 8.6 9.2 8.9 9.1 8.9 总灰分 wt% 9.1 7.2 11.8 8.7 10.5 水溶物 wt% 0.05 0.09 0.08 0.03 0.06 碘值 mg/g 1001 997 938 958 860 亚甲兰值 mg/g 262 259 227 256 207 丁烷值 wt% 24.2 24.2 23.4 23.7 20.3 四氯化碳 wt% 62.19 62.19 60.14 60.91 52.17 糖蜜值 158 153 152 148 145 单宁酸值 - 34.3 30.0 33.2 46.5 61.3 有效粒径 mm 0.60 1.44 1.48 1.44 1.49 均匀系数 - 1.88 1.12 1.15 1.15 1.15 平均粒径 mm 1.068 1.585 1.652 1.618 1.668 水质工程学电子教案 第7章五种活性炭的扫描电镜照片(×3000) ¯A ¯B ¯D ¯C ¯E 水质工程学电子教案 第7章四种炭原子力显微镜扫描照片 B C D E 水质工程学电子教案 第7章 7.3.2 臭氧氧化处理 1、目的(二级出水回用) 去除残余有机物、脱除污水的色度、杀菌消毒。 2、去除有机物的特征(1)能够氧化有机物,(蛋白质、氨基酸、木质素、腐殖酸);(2)氧化有机物并易形成中间产物(甲醛、酸等)可生化性好;(3)氧化效果与PH值有关,PH高,效果好,(OH-)羟基自由基由臭氧分解产生(4)臭氧化的副产物问题,溴酸盐上升,浊度上升。 3、脱色效果 砂滤后+ O3脱色效果好 4、消毒效果 砂滤后+O3消毒效果好 5、O3混合形式 扩散板式(反应为主)、喷射式(扩散为主)、机械搅拌式。 水质工程学电子教案 第7章 水质工程学电子教案 第7章 7.4 溶解性无机盐类的去除? 反渗透:膜分离技术,半渗透膜? 电渗析:膜分离技术,阴、阳离子交换膜? 离子交换:阳离子交换树脂、阴离子交换 树脂 水质工程学电子教案 第7章7.5 污水的消毒处理 ? 液氯 ? 臭氧 ? 次氯酸钠 ? 紫外线 水质工程学电子教案 第7章 7. 6 脱氮技术 氮、磷为植物营养物质,能助长藻类和水生生物,引起水体的富营养化,影响饮用水水源。 水质工程学电子教案 第7章 7.6.1 概述 1、氮污染的危害(1)富营养化——N、P引起,藻类问题(滇池,太湖);(2) 提高制水成本——饮用水,污水消毒时,增加投氯量;(3)污水回用填塞管道——NH3-N可促进设备中微生物的繁殖;(4) 农业灌溉——TN不大于1mg/l,否则对农作物有影响。 2、氮的存在形式 (1)有机氮 凯氏氮 + (2)氨态氮(NH3—N、NH4 —N) (3) NO2—N、NO3—N (4) N2 3、二级处理技术的局限性 ※合成代谢对氮磷的去处率低,水中氮磷过剩 nCxHyOz+nNH3+n(x+y/4-z/2-5)O2 ? (C5H7NO2)n+n(x-5)CO2+n/2(y-4)H2O水质工程学电子教案 第7章 太湖的富营养化水质工程学电子教案 第7章水质工程学电子教案 第7章 水质工程学电子教案 第7章 7.6.2 氮的吹脱去除 1、原理 + 废水中,NH3与NH4 以如下的平衡状态共存: ? ? NH3 ? H2O ? NH4 ? OH PH=7时,以NH4+存在 PH=11时,90%NH3存在 PH升高,去除NH3上升 T上升,去除NH3上升 这一平衡受pH的影响,pH为10.5~11.5时,因废水中的氨呈饱和状态而逸出,所以吹脱法常需加石灰。 吹脱过程包括将废水的pH提高至10.5~11.5,然后曝气,这一过程在吹脱塔中进行。 水质工程学电子教案 第7章(2)脱氮塔 脱氮塔技术的特点: 除氮的效果稳定 操作简便,容易控制 NH3二次污染(可回 收) 使用CaO易结垢(改用 NaOH) 水温下降时,效果差 水质工程学电子教案 第7章(3)脱氮塔工作影响因素与设计参数①PH值——PH升高到10.5以上,去除率增加缓慢②水温——水温升高,效率升高③布水状态——滴状下落最好,膜状下落,效果大减④布水负荷率——填料6m高以上时,其值不超过180m³/m².d⑤气液比——填料6m高以上时,2200-2300以下为好。 7.6.3 生物脱氮原理 水质工程学电子教案 第7章?活性污泥法的传统功能——去除水中溶解性有机物? N、P只满足生理要求即可,因此对二者去除率低,仅为20-40%、5-20% 生物脱氮是在微生物的作用下,将有机氮和氨态 氮转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝 化两个反应过程。 污水生物处理中氮的转化过程 1.氨化反应 氨化反应原理 氨化菌 RCHNH2COOH+O2 RCOOH+CO2+NH3 氨化菌为异氧菌 一般在氨化过程与微生物去除有机物同时进行,有机物去除结束时, 已经完成了氨化反应 水质工程学电子教案 第7章2.硝化反应 (1)硝化反应原理 亚硝酸菌 NH4++1.5O2 NO2-+H2O+2H+-△F(△F=278.42kJ) 硝酸菌 2- - NO +0.5O2 NO3 -△F(△F=72.27kJ) 总反应 + 硝化菌 - + NH4 +2O2 NO3 +H2O+2H -△F(△F=351kJ) (2)硝化菌的特点 ① 硝化菌——亚硝酸菌和硝酸菌的统称; ② 硝化菌属于——化能自养菌,革兰氏染色阴性,可生芽 孢的短杆状细菌 . (3)硝化反应的控制指标 水质工程学电子教案 第7章※硝化菌对环境条件的变化极为敏感①溶解氧—— 氧是电子受体,DO不能低于1.0mg/l 硝化需氧量(NOD)——4.57g(氧)/g(N)②碱度——7.1g碱度(以CaCO3计)/1g氨态氮(以N计),一 般碱度不低于50mg/l③PH——对PH变化敏感(硝化菌),最佳值8.0-8.4,效率最高④温度——适应20-30℃,15℃时硝化速度下降,低5℃完全停止⑤有机物——BOD应低于15-20mg/l⑥污泥龄(SRT)——微生物在反应器内的停留时间(θc) N>(θc)Nmin,一般认为硝化菌最小世代时间 在适宜的温度条件下为3d,实际至少为硝化菌最小的 世代时间 (θc)Nmin的2倍以上,⑦重金属及有害物质 重金属 + 对硝化反应抑制 高浓度NH4 —N,高浓度NOx-—N 有毒有机物、络合物阳离子 水质工程学电子教案 第7章 3、反硝化反应 反硝化反应——指NO3—N和NO2—N在反硝化菌的作用下, 还原成气态N2的过程。 (1)反硝化菌的特点①反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌;②以NO3—N为电子受体,以有机碳为电子供体,不能释放更多的ATP,合成的细胞物质较少 。 (2)反应过程 水质工程学电子教案 第7章 同化反硝化 H 2NH2OH 2NH3 +4 +4H +4H2HNO3 2HNO2 2HNO -2H2O -2H2O 2 + H -2 H2O -H2O H N2 +2 NO -2H2O 异化反硝化 - NO2 NH2OH 有机体(同化反硝 化) - NO3 - NO N2(异化反硝化) 2 N2O 反硝化过程式 上式的简化式 图7-14 反硝化反应过程(同化反硝化、异化反硝化) (3)反硝化反应的控制指标 水质工程学电子教案 第7章 污水中的碳源, 时,勿需外加① 碳 源 BOD5/T—N>3-5 外加碳源,CH3OH(反硝化速率高生成CO2+H2O), 当BOD5/T—N<3-5时 适当的PH值(6.5-7.5) ——主要的影响因素②PH值 PH>8,或PH<6,反硝化速率下降③溶解氧 0.5mg/l以下,厌氧、好氧交替的环境,如存在氧,会抑制反硝化菌体内硝酸盐还原酶的合成,或氧成为电子受体阻碍硝酸氮的还原,但另一方面,某些酶系统还需有氧才能合成;④温度 最适宜的温度是20-40℃,低于15℃时代谢速率下降;⑤冬季低温季节 提高SRT,降低负荷率,提高污水的HRT 。 表7-4生物脱氮反应过程各项水生质工化程反学电应子特教征案 第7章生化反应类 去除有机物    硝化 反硝化 型 (好氧分解) 亚硝化 硝化 微生物 好氧菌和兼性菌   Nitrosomonas   Nitrobacter 异养型细菌 (异养型细菌) 自养型细菌 自养型细菌兼性菌        能源 有机物 化学能 化学能 有机物 氧源 受体 - - (H ) O2 O2 O2 NO3 NO2 溶解氧 1—2mg/l以上 2mg/l以上 2mg/l以上 0—0.5mg/l 碱度 没有变化 氧化 + 没有变化 还原 - - 生成 1mg NH4 -N 1mgNO3 -N,N02 -N 需要7.14mg的碱 3.57g碱度 度 氧的消耗 分解 有机物 氧化 + 氧化 - 分解 有机物 需要 1mg 1mg NH4 - 1mgNO2 -N 1mg (COD) NO3- 需氧 需氧 需氧 , (BOD5) 2mg N 3.43mg 1.14mg N 0.35mg, N02-N0.58mg 以提供化合态的氧 最适pH值 6—8 7—8.5 6—7.5 6—8 最适温度 15—25℃ 30℃ 30℃ 34—37℃ θ=1.0—1.04 θ=1.1 θ=1.1 θ=1.06—1.15增殖速度(d-1) 1.2—3.5 0.21—1.08 0.28—1.44 好氧分解的 1/2 —1/2.5 分解速度 + 70—870mg 7mg NH4 - N 0.02 2—8mg · - BOD/(gMLSS h) /(gMLSSh) NO3 —N/(gMLSS·h) 产率 16% 0.04—0.13 mg 0.02—0.07 mg 16% CH3OH/gC5H7O2N8 + - 能 CH3OH/gC5H702 SS/ mg NH4 - N VSS/mg N02 -N N 能量转换率为 量转换率10%— 5%—35%
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