《水处理工程》绪论

《水处理工程》
第二篇废水物化处理的原理与工艺
（讲义）
左剑恶
清华大学环境科学与工程系
2003年7月
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
•第一章废水生物处理概述
第一节废水生物处理简介
一、废水生物处理的目的和重要性
1、废水生物处理的目的
废水生物处理的主要目的有以下3点：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。

2、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。

二、微生物在废水生物处理中的作用
微生物在废水生物处理中主要有三个作用：
①去除溶解性有机物（以COD或BOD5表示）（将其转化成CO2和H2O），去除其它溶解性无机营养元素如N（最终转化为N2气）、P（转化为富含磷的剩余污泥从水中分离出来）等；
②絮凝沉淀和降解胶体状固体物（某些难降解颗粒或胶体状有机物，可以通过微生物产生的胞外多聚物等具有絮凝效果的物质发生沉淀，与剩余污泥一同被排出系统；或通过吸附较长期地滞留在系统内而被缓慢降解）；
③ 稳定有机物（某些有毒有害难降解有机物可以被微生物初步分解或部分降解，而减轻毒性作用或得到部分稳定，或最终被完全转化为无机物而得到稳定）。

三、微生物代谢过程简介
1、废水生物处理过程中微生物代谢过程示意图
2、微生物代谢的基本要素
① 能源：化学能，或光能——化能营养型、光能营养型；
② 碳源：有机碳，或无机碳——异养型、自养型；
③ 无机营养元素——又分为宏量元素，如：N 、P 、S 、K 、C a 、M g 等，在处理工业废水时，N 、P 元素与所需要去除的有机污染物之间的营养平衡问题有时会很关键，必要时就需要在进行中投加一定量的N 、P ；以及微量元素，如Fe 、Co 、Ni 、Mo 等，微量元素对于某些特殊的细菌如产甲烷细菌等的生长十分重要，因此在设计和运行厌氧生物反应器时，应给予足够的重视，否则会出现所谓的“微量元素缺乏症”；
④ 特殊有机营养物（也称生长因子，如维生素、生物素等）：对于某些特殊细菌，某些特殊的维生素对其生长的影响会很大，因此，在必要时应考虑补充。

3、废水生物处理中涉及的微生物代谢过程主要有：
① 化能异养型代谢：在废水生物处理中最主要的代谢形式，主要用于对废水中有机物的去除，包括主要的好氧细菌和厌氧细菌；
② 化能自养型代谢：也是废水生物处理中常见的一种代谢形式，主要包括硝化细菌（将氨氮氧化为亚硝酸盐，或进一步氧化为硝酸盐）、氢细菌（对其的应用还处在研究阶段）、铁细菌等；
③ 光合异养型代谢：利用光合细菌以高浓度有机废水为基质生产菌体蛋白；
④ 光合自养型代谢：在废水生物处理中少有应用。

四、废水生物处理中的微生物
1、细菌：
主要包括真细菌(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
有机物 微生物 新的细胞物质 CO 2、H 2O
生物残渣
内源呼吸 分解
合成
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。

第二节生物处理工艺在废水处理中的地位
一、有机污染物在废水中的存在形式及其主要去除方法
1、颗粒状有机物(>1μm)：
可以采用机械沉淀法进行去除的颗粒物；
2、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；
3、溶解性有机物(<1nm)：
以分散的分子状态存在于水中的有机物
4、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。

二、废水处理程度的分级
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——深度处理
1、一级处理：
去除效果：E BOD≈ 30%, E SS≈ 50%；
主要功能：①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
2、二级处理：
去除效果：E BOD≈ 85~90%，E SS≈ 90%；
主要功能：大量去除胶体状和溶解状有机物，保证出水达标排放；
主要方法：各种形式的生物处理工艺
3、三级处理：
主要目的：①去除二级处理出水中残存的SS、有机物，或脱色、杀菌，
②脱氮、除磷——防止水体富营养化；方法：
主要方法：①物化法——超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等；
②生物法——生物法脱氮除磷，等
早期，在国内还将脱氮除磷作为深度处理看待，认为在我国水环境中主要的污染物还只是有机物，对氮、磷引起的污染的严重性还认识不足；但近年来，随着国内多个大型湖泊富营养化问题和近海海域赤潮现象的日益增多，对于控制废水中的氮、磷的排放逐渐有了新的认识，因此，在新的排放标准中，也将氮、磷指标列入，并且在很多新建污水厂的设计和运行上对于氮、磷的控制都有了明确要求，因此生物脱氮除磷已经逐渐转变为二级处理的范畴，不再作为三级处理来要求了。

三、我国水环境中有机物污染的严重状况
1、我国水环境污染现状
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
2、水环境中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：8~20m3废水/m3酒，COD = 2000~3500mg/l；
酒精废水：12~15 m3废水/m3酒，COD = 3~6 万mg/l；
味精废水：25~35 m3废水/吨味精，COD = 6~10 万mg/l；
造纸黑液：120~600 m3废水/吨纸浆，COD = 10~15万mg/l；等等
四、我国城市污水处理概况
1、现状：处理率低下；
2、发展趋势：全国范围内大量的城市污水厂正在建设之中，各种先进工艺在国内均有应用。

第三节废水生物处理工艺的分类
一、人工强化废水处理系统
主要包括好氧生物处理工艺和厌氧生物处理工艺，将是本课程重点介绍内容。

二、天然废水生物处理系统
主要包括生物稳定塘系统和土地处理系统，其中生物稳定塘系统是在河流自净功能的基础上发展起来的；而土地处理系统则是在污水的土地灌溉技术的基础上发展起来的。