水污染控制工程(下)
主讲:成官文教学要求:
1、掌握生物膜法的微生物学特征和工艺特征
2、掌握高负荷生物滤池、曝气生物滤池、塔式生物滤池以及生物转盘三相传质和工艺运行特点。
3、掌握生物接触氧化特点及其工艺设计
教学时数,8h
第五章 污水的生理处理
-生物膜法一,概 述
生物膜 —— 是使细菌、放线菌、蓝绿细菌一类的微生物和原生动物、后生动物、藻类、
真菌一类的真核微生物附着在滤料或某些载体上生长繁殖,并在其上形成膜状生物污泥。
生物膜法:污水经过从前往后具有细菌 → 原生动物 → 后生动物、从表至里具好氧 → 间氧
→ 厌氧的生物处理 系统而得到净化的生物处理技术。
1、生物构造及其对有机物的降解
构造:生物膜 (好氧层+兼氧层+厌氧层 )+附着水层 (高亲水性 )。
微生物:沿水流方向为细菌 —— 原生动物 —— 后生动物的食物链或生态系统。具体生物以菌胶团为主、辅以球衣菌、藻类等,含有大量固着型纤毛虫(钟虫、等枝虫、独缩虫等)
和游泳型纤毛虫(楯纤虫、豆形虫、斜管虫等),它们起到了污染物净化和清除池内生物(防堵塞)作用。
污染物:重 → 轻 (相当多污带 → α中污带 → β中污带 → 寡污带 ).
供氧:借助流动水层厚薄变化以及气水逆向流动,向生物膜表面供氧。
传质与降解:有机物降解主要是在好氧层进行,部分难降解有机物经兼氧层和厌氧层分解,分解后产生的 H2S,NH3
等以及代谢产物由内向外传递而进入空气中,好氧层形成的
NO3 -- N,NO2-- N等经厌氧层发生反硝化,产生的
N2也向外而散入大气中。
生物膜更新:经水力冲刷,使膜表面不断更新( DO及污染物),维持生物活性(老化膜固着不紧)。
2、生物膜的主要特征:
1)微生物相方面的特征:
a、参与净化反应微生物多样化。与活性污泥法相比,膜法具有更好的生物多样性,生物膜固着在载体上时间长或生物平均停留时间(泥龄)长,其除细菌广泛存在外,世代时间长、比增殖速度小的微生物,如硝化菌等也大量存在,此外,丝状菌,藻类众多,线虫、纤毛虫、轮虫以及昆虫等也都较广泛地存在(见 P200表 5-1)。
b、食物链长,污泥产率低。生物膜的生物中动物性营养所占比例较大,能栖息高营养水平的生物,其在捕食性纤毛虫,
线虫之上还栖息有寡毛类和昆虫,因而污泥少。
c、能够存活世代较长的微生物,在生物膜法中,Qc与污水的停留时间无关,因此硝化细菌等可以增值(特别是在冬季低温)。
d、可分段运行,形成优势微生物种群,提高降解能力。
2)工艺方面的特征:
a、对水质水量变动有较强适应性 —— 顺水流方向形成了微生态系统。
b、污泥沉降性能好,宜于固液分离。膜法污泥的生物组分中动物所占比重较大,含水率相对低,且剥落泥块体积较大,
故沉降性能好,宜固液分离。但若厌养层过厚,剥落污泥中有轻散颗粒,影响出水水质。
c、能处理低浓度污水。生物膜能处理活性污泥法不能处理的低浓度污水和微污染的原水,使 B0D5降至 5-10mg/L。
d、易于维护管理、节能。无污泥回系统,甚至无曝气系统,
节能并易运行管理。
与活性污泥法相比:
①活性污泥法系人工强化生物处理系统,生物量大,处理能力强,而膜法更趋于自然净化原理。
②活性污泥法为人工强化三相传质,膜法趋向浓度差扩散传质,传质效果较活性污泥差,处理效率较活性污泥差。
③适于工业废水处理站和小规模生活污理厂。
二,生 物 滤 池
1、概述;原理:土壤自然净化原理
进展:早期滤料为石头,砖块、陶料等。其掛膜后易堵塞,
且负荷低;随着滤料轻质化,滤料可以高架与滤料层变厚,
因而可以增加水力负荷,改善气液传质,提高负荷(形成高负荷生物滤池);也可以通过曝气传质、提高负荷(接触氧化)。
2、普通生物滤池,(现在少见,只需要了解 )
构造:池体、滤料、布水装臵和排水系统 (P204 图 5-2)。
a、池体、一般深 2~ 2.5m,池壁超高 0.5~ 0.9m(防风 ),其底部为承托层 (排水系统和大块滤料 (起支撑、排水以及通水 )
中部为工作层(掛膜),上部为配水系统,壁可设孔也可不开孔,开孔在冬季有影响。
b、滤料:碎石、卵石、炉渣、焦炭等,总厚度 1.5~ 2.0m,其中工作层 1.3-1.8m,粒径 20-40mm;承托层 0.2m,粒径 70-
100mm。这种滤料比表面积较大,且较粗糙,易掛膜,孔隙率一般,利于供氧与传质,且易就地取材,但材料比重大,荷载重,
工作层不厚,工作效率不变,占地大。
c、布水装臵:固定喷咀式布水系统 —— 即投配池、布水管、
喷咀组成。污水流入投配池是连续的,但布水是间歇式,
喷水周期 5-8min。
投配池内设虹吸装臵 (间歇供水,使滤料排水后间歇充氧,
生物膜再生 )。排水干管布设在滤池表面下 0.5-0.8m,支
(竖 )管依据喷咀服务半径设臵,高出滤料之上 0.15-0.2m,
竖管上安装喷咀,通过喷咀均匀布水。
d、排水系统:包括渗水装臵、汇水沟、总排水沟 (或集水槽 ),
见图 5-2,汇水沟 i=0.01-0.02(横向 )、集水槽 i=0.05-
0.01(纵向- 书中出错 )。作用:排放处理后出水,保证间歇阶段的通风 (底部 h≥0.6m) ;汇水沟宽 0.15m,间距 2.5-
4.0m(与布水间距一致 );排水沟内流速> 0.7m/s;
渗水装臵可以是大块滤料,也可以是图 5-4混凝土板,渗水装臵排水口面积占滤池总面积的 20%以上。
3、高负荷生物滤池:
1)特征:通过限制进水 BOD值 (≤200mg/L) 或采用处理水回流,均化水质,提高或加大水力负荷 (10倍 ),及时冲刷和更新过厚生物膜,保持较高生物活性,改善处理环境状况(抑制厌氧、减少臭味散发)。
设原污水量 Q、回流水量 QR、则回流比 R= QR/Q,喷总水量( 1+R) Q,进水 BOD浓度 Sa= (S0+ RSe) /(1+R),具体工艺回流比 R建议值见 P207表 5-3,城市生活污水一般一段 1.5,二段各段 1.0;对工业废水可参照选取。
2)工艺流程
a、一段法(见 P207图 5-5共 5种典型流程)部分污泥回流,
图中排剩余污泥无。
工艺 1:污泥回流初沉池,滤池出水回流滤池,利于改善水力负荷,减轻二沉池负荷。
工艺 2:污泥回流初沉池,二沉池出水回流过滤池,(较工艺 1比,二沉池负荷略重)。
工艺 3:污泥与二沉池出水同时回流初沉池,加大初沉池负荷(二者回流量大)。
工艺 4:具有吸附再生工艺特点,但出水水质差,初沉水力负荷大。
工艺 5:滤池出水与污泥均回流到初沉池,初沉水力负荷大
b、当污水浓度较高时或对处理出水要求较高时,建议考虑二段法(见 P208图 5-6,7)。
二段法强化了优势生物种群,但第二段因污染物少或负荷率低,生物膜生长差,其容积负荷未充分发挥。但二段法能很好解决一段法生物膜积存与堵塞现象。为充分发挥二段法工艺效果与作用,建议采用图 5-7的交替出水工艺。 。
3)构造特点:
构造与普通生物滤池同(池体、滤料、出水与排水系统),
不同之处如下:
a、池形,圆形( P210图 5-9)
b、滤料:聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的人工滤料,
滤料质轻、耐蚀、高强,呈波状、管状和蜂窝状,使滤料表面积大,空隙率高(具体见 P209表 5-4)。当采用自然通风时,滤层厚度 ≤ 2m,其中工作层 1.8m,承托层 0.2m;当采用人工通风时,滤层厚度 2~ 4m。
c、施转式排水器(见 P216图 5-10),在横管的同一侧开有一系列间距不等的孔口,中心疏,二头密,使污水从孔口喷出时产生反作用力,从而反向自由旋转布水(间歇或周期)。竖管连接装臵具体见 P210图 5-8。
4)装臵的需氧与供氧
a、生物膜量:由于在不同厚度的污水浓度不一样,
其微生物量不一样,进水端生物膜厚,出水端生物膜薄,故生物量计算困难。
生物膜量计算有二种方法。一种是测膜的厚度(不同深度) — 用显微镜,后按表面积计算;另一种方法是称重法,先取定量的滤料或一定面积的膜称重,
挂膜后再取一定量滤料或一定面积的滤料称重(烘干),得出单个滤料或单位面积的生物量。
b、需氧量 O2= a′BODr + b′P = a′Sa + b′P =
a′ ( S0- Se)+ b′P
式中:
a′,降解 1KgBOD5所需氧量。对城市污水取 1.46.
b′,单位重量生物膜的所需氧量,取值:对城市污水 0.18kg/kg.
P:每 m3滤料上的生物膜量。
C、滤池供氧:
生物滤池供氧是通过气水逆向运动,由污水或膜表面扩散传质的。
其通风传质的影响因素有:滤池内外的温差、风力、
滤料类型、水力负荷(布水量),其中主要是温差。
由于滤池内部温度较水温略高(冬季),空气向上流动;夏季滤池内温度低于池外气温,空气下向流动。温差与空气流速的关系为:
V= 0.075× ⊿T -0.15(m/min),当温差 =2℃ 时,
V=O,供氧效果不好。一般情况下温差在 6℃ 左右,
V=0.3m/min=432m/d.,即每 m3滤料通过气量
432m3,总供氧量 432× 0.28=120.96kg。尽管其氧的利用率低( 5%左右),但供气富裕,实际可利用氧量 ≥ 6kg/m3。故采用 BOD负荷 1.2kg/m3·d
时,供氧是没问题的。
① 池体:一般采用负荷法计算。
取值:容积负荷 1.2kgBOD5/( m3滤料,d);表面面积负荷 1.1~ 2kgBOD5/( m3滤料,d);水力负荷 10- 30m3/( m3.d),其主要取决于污水浓度或回流比:
a、进水浓度( BOD) Sa= αSe ( Se为出水浓度),
α见表 5-5的取值,它反映了其可降解的能力(- 1)
Se。
b、回流稀释倍数 n=( S0- Sa) /(Sa-Se)
c、滤料容积 V=Q(n+1)Sa/NV 为容积负荷,
d、滤池表面积 A=V/D D为滤料层高度。
或按表面负荷计算 A= Q(n+1)Sa/NA NA面积负荷
或按水力负荷计算 A= Q(n+1)/ Nq Nq 水力负荷
例题见 213 例 5-2
② 旋转布水器计算与设计。
a、旋转布水器的直径 D′=D -200mm ( D滤池直径)
b、布水横管的数目及其管径 D〞,横管数目一般 2-4根
选择数目依据管中流速 v= 0.5~ 1.0m/s D〞 =( q/4 v)
0.5 q设计流量。
c、布水横管的出水孔口数( m)、孔口直径( d)及每个孔口距池中心的距离 (ri)
设计依据,V> 0.5m/s以及每个孔口的喷洒面积基本相等。
则 m= 1/[1-(1-a/ D′) a 为最末端 2个出流孔口间距的 2
倍,取 0.08m;
出口孔径一般 10-15mm,不得小于 10mm。
每个出流孔口距滤池中心的距离 (ri) ri= R( i/m) 0.5
(中间间距大、外侧小) R为布水半径( D′/2 ),i为从池中心算起,每个孔口的排列顺序,一般从 300mm,开始逐步减少到 40mm。
d.每分钟的施转周数 n= 34.78× 106/m〃d2〃D′
e.工作水头(包括沿程水程、局部水损,而局部水损又含孔口阻力,管口降速水头)
∴ H= h1+ h2+ h3,其中 h1= 294D〃q2/103k2 式中:
h1= 294× Dq2/103k2 (沿程)
h2= 256× 106q2/m2d4(孔口局部水损)
h3= 81× 106q2/ D〞 4(流速恢复水头)
(孔口局部水损) (流速恢复水头)
k的取值见表 5-6
C阻力系数 =式中 n为粗糙系数。
R为水力强 。 书中已降 K的经验值编成表 5-6,直接查阅
∴ 按上式计算,所需 H一般为 0.2— 1.0m,水头较小(布水器的优点),实践证明,上述计算结果偏小(<实际水头),工程设计中应在计算结果上放大 50% -100%。