当代给水与废水处理原理第一章

当代给水与废水处理原理XXX大学Xx教授第一部分：相关基本概念介冒一、理论需氧量理论需氧量(ThOD)是根据化学方程式计算求得的有机物被全部氧化所需的氧量。

例如，含有300mg / L葡萄糖溶液的理论需氧量可计算如下：C& 6CO2 + 6H2O180 6 X 32180 = 6 X 32300 _ ThODThOD = 320mg/l（以氧表示）氨基乙酸的理论需氧量，可利用下列化学方程式:(a)C H2(NH2) COOH + -|o2—- NH2 + 2CO2十H2075 48 17(b)N H a + 一＞ HNO2 + H2017 48 47(c)H NO2 + 尹一＞HNO34716由方程式a计算得氨基乙酸的碳化需氧量为:48- 192mg/l＜以氧计）3°°7^所产生的NH§为: ：世沪=6沁/I由式| b，得NH3转化成HNO2所需的氧量为：%储=192mg/l（以氧计）所产生的HN6为：翌評=188mg/l 由式C ，得HNO?转化为HNOj所需的氧量为:18\y— = 64mg/l（以氧计）4 i总的硝化需氧量为：192 + 64 = 256mg/l （以氧计）•••300mg/I氨基乙酸溶液的ThOD为:192 十256 = 448mg/K以氧计）二、化学需氧量化学需氧量或耗氧量是指在一定严格条件下水中有机物与强氧化剂（如重鎔酸钾、高猛酸钾）作用所消耗的氧量。

当用重鎔酸钾作为氧化剂，硫酸银作为催化剂时，水中有机物几乎可以全部（约90%- 95%左右）被氧化。

这时所测得的耗氧量称为重銘酸钾耗氧量或称化学需氧量，以CODc「或COD 表示。

在测定过程中无机性还原物质也会被氧化。

所以一般测得的COD包括可生物降解和不可生物降解两部分，即化学需氧量区别不岀可生物降解和不可生物降解的物质。

COD=COD B+COD NB式中COD B——可生物降解的COD；COD NB——不可生物降解的COD.此外＞COD不包括硝化所需的氧1 =iOI有机物+Cr z Or +H+- +C6+HQAg2S()4Ag2SO4用作催化剂。

水中Cl-多于30mg/l将明显干扰测定，因为：6Cl--PCr2O|- + 14H+ — 3C12 + 2CF「+ 7H2O 且当用Ag2SO4作催化剂时，部分Ag2SO4将消耗于与Cl■所起的化学反应Ag 卜+（：1 - 一AgCl | 加HgSQ,可以防止干扰。

Hg2+ + 2C1 - 一HgCl2；HgSO“ 应比A g2SO4^加。

三、生化需氧量在有氧的情况下，由于微生物（主要是细菌）的活动，降解有机物稳定化所需的氧量，称为生化需氧量，常以BOD表示。

下图表示示有机物氧化和微生物细胞合成的关系：呼吸（氧化）有机物介（可生物降解的〉Ofl能NH3细胞(COD B)6內源呼吸洸器•细胞心能金莖一细胞: 残存物质OrilQ、能NOz上一页符号的解释:在有氧的条件下，废水中的有机物分解一般分为两阶段。

第一阶段（亦称碳氧化阶段），主要是不合氮有机物的氧化，但也包括含氮有机物的氨化及氨化后生成的不含氮有机物的继续氧化，这也就是有机物中碳氧化为二氧化碳的过程。

碳氧化阶段所消耗的氧称为碳化需氧量或碳化BOD, —般即称BODo前面图中Oa和Ob之和即表示这部分生化需氧量。

总的碳化需氧量常称为第一阶段生化需氧量（因为碳氧化总是首先发生），也称完全或总的生他需氧量，常以-或BOD U表示。

由于硝化作用所—消耗的氧量称为硝化需氧量或硝化BOD,可以NOD表示。

Oc和Od之和表示这部分生化需氧量（忽略细菌内源呼吸产生的氨进一步氧化所消耗的氧）。

总的硝化需氧量称为第二阶段生化需氧量可以L N或NOD表示。

BOD5的含义:生化需氧量的反应速度在很大程度上取决于微生物的种类、数目及温度，而在测定过程中溶解氧又是逐渐消耗的。

所以测定生化需氧量就须保持一定的温度，同时也需要规定一定的时间。

通常是在20°C温度下培养5d检查溶解氧的损失, 用BOD5表示, 单位以O 2mg/L计。

测定温度用20°C是因为这个温度比较接近温带地区一般河水的平均温度。

BOD 反应动力学:也）碳化需氧曲线（在硝化被抑制条件下测得）⑹ 碳化加硝化需紙曲线或合并需氧曲线（未加硝化抑制剂情况下测得）时间（心二、.呼巴二O第一阶段反应动力学:生化需氧量反应动力学的研究表明，对第一阶段BOD的变化，可认为具有一级反应性质。

这是因为有机物为微生物分解的作用虽可被认为是双分子反应（见下式1）,但在这个反应中当反应进行到一定时间细菌非但不减少而且往往大量增加，一旦至细菌数目无多大变化时，就有机物来说，它的分解就具有一级反应的性质，即反应速度与任何时刻剩余的有机物量成正比（如果存在着足够的氧的话）。

02有机物+徼生物—CO? + HQ积分求解（2）式可得:処話仝=K\L式中h——第一阶段BOD（BOR）；L—在任何时£存有的B06K1：碳化耗氧常数如£或BODt取为t时日内所吸收的氧量或所满足的BOD,贝9：Y f =BOD r = L/1 - e—弘）=L fl（l 一10-V）£变化对BOD的影响:多年来当水温为2(rc时常采用匕=0・1占。

这是英美等国对污染河水实测而得的平均值。

自从BOD测定时采用了所谓标准稀释水和对各种不同废水进行了试验研究，发现0随水质的变化是有相当大差异的，一般变化在0.05・ 0.3屮之间，而生物处理出水的0值则又小于进水的0,常在0.05-0.1d-1之间。

(一、言心值对BOD的影响(乙一定》温度对OD的影响:9C时|ir]td)K\t 十(KM d)~^zT]7 = K * 1 — 而：用国1十学(K/〉z (K3十—6 —— 21.6故£可写成:K\i~Z~厂屮L ]心=°・43°KU = 2・61万 ・=2. 3昭疋La 和0的确定:耗氧常数0值和第一阶段需氧量-的确定有最小二乘方法、矩量法、日差 法和托马斯(Thomas)法等，但均需用到生化需氧量的测定。

下面介绍使用比较 简单，但也足够准确的托马斯图解法。

在M = 中，Z=(K\L a )-l/3+式(1)是一直线方程，根据不同 日的BOD 测定结果，井作图， 即可求得匕及La 的值。

如下图和温度的关系:0与温度的关系可根据阿累尼乌斯(Arrhenius)经验公式推导求得：阿累尼乌斯公式：K =Ae_ 齐或：LnK =—石;+ InA式中K——反应速度常数(这里就是耗氧常数九E--- 活化能•对于废水,~般为8400—84000 J/mol?T——绝对温度(K)；R——气体常数,8.31 J/(K*mol);A——频率因子(即反应分子间的碰撞率)；0和温度的关系式推导:K 2 =K\8「LS将阿累尼乌经验式求导并积分运算后可得:“戎=貯化⑴—『J-温度厂时的耗氧常数；•温度口时的耗氧常数； 厂及口均为绝对温度。

在室温时，氏需值几乎不变，如以C 代表，则式中K 、 K. 1 唆=CCG _曲） •筝=严-「）令』=仇（也称为温度系数），则在水污染控制工作中，习惯上写成下式二心⑴=心曲-迦 式中 K®——20C 时的耗氧常数$ S ——:TC 时的耗氧常数。

0实际上并非常数，它是随温 度而稍有变化的。

其值可通过 试验，并按下式作图求得；lg^i （T ） = lgK 如 + （T — 20）lgft一般说来，在10-30°C 时，可 米用3{ =1.047 oLa 与温度的关系:对于一给定水样，不但K1随温度而增加. 所以根据下式(1),可以写出式(2)：n =申©-丁『厶灯“或 L a(r }> = ^a (T,)e i3<Tz'T>)式中芒为一常数’—展开式(3),可得：r 1厶％ =厶存]> 1 + 0(7\ — 门)十 y/32(T 2— TJ1 r +押CG N・・・_]La也随温度而增加，可以认为LaocKI,取S T*=厶呵》[1十0(兀—7】)]当 7\ = 2OC,0=a 02,乙“「厂2〉=厶K2O)[0・027*2十 0. 6]习惯上9写成：厶《门=厶4o〉[°・02T + 0・6]式中5——厂C时的第一阶段BOD；乙(20)—— 20。

时的第一阶段BOD.一点说明:实验求得的La值与需氧量理论值（理论需氧量）之间的差别：多年来，有机物的第一阶段生化需氧量La被认为等于按化学方程式得到的理论值。

例如，理论上全部氧化浓度为300mg/L的葡萄糖溶液的需氧量应为320mg/L,此即所渭理论需氧量（计算见前），但实际测定发现其La在250-285mg/L之间（2（TC ）, 显然，葡萄糖并末全部转化为CO?和水。

要明了这个差别必须先了解微生物对于有机物的分解过程。

要使有机物能为细菌氧化，这种有机物必须要能够作为细茵的食料，细菌由此获得能量及组成细胞的原料。

这就是说部分有机物转变成了细胞物质，细胞物质通过内源呼吸也能放出能量。

细菌死亡后，它即成为其它细菌的食料, 进一步转变为CO?和水，并合成细胞物质。

活的或死的细菌又可作为较高级微生物，如原生动物的食料。

在每次转化过程中都有进一步的氧化作用，但是最后还会有一些有机残渣遗留下来。

它们对于微生物分解的抗力十分强。

这部分残渣即代表所测定的全部生化需氧量与理论需氧量之间存在差别的一部分有机物。

第二阶段动力学:碳化和硝化虽可同时进行，但是，如前所述，对于一般的污染水，硝化常要在碳化进行了一段时间才会显著展开。

K b v——硝化耗氧常数，此常数常小于碳化耗氧常数；S——总的硝化需氧量L N和&N也可用托马斯图解法求得, 但须采用新的坐标系统。

当时（仅碳化九匕=乙（1 一10 W）当时（碳化加硝化儿儿=L a（l一10一勺）+ 厶垃1 一10-W叮氧化lmg/I的NH「N需氧4・6mg/L阶段BOD的变化也具有一级反应的性质，则可写出NOD的曲线方程：△丫「・=Eg —例题:某BOD试验在20 r温度下共进行了15d.求得K E = 0. 16cT Km = 0・1旷1,厶= 400mg/i,乙z=300mg/l,并发现硝化作用8d后显著展开，计算BOD0和BOD12.因为硝化作用在8d前影响还不大，故可认为BOD H仅是碳化需氧量y% =EOD E =乙（1 一10~^10= 400（ 1 —①叫日）=426mLg/lY l2 =乙（1 — 10一&〉+ — 10—02-4〉]=400（1 - 10-5x12）十300[1 —诃= 626mg/l硝化需氧量曲线:曲线——总的BOD 曲线或碳化加硝牝BOD 曲线（在硝化未誠抑制的条 件下测得〕曲线——碳化BOD 曲线＜在硝化被抑制的条件下测得）t Cd)线a)硝化EOD 曲线 LI四、总有机碳(TOC)：将水样在高温下燃烧，有机碳即被氧化成co?，量测所产牛的CC>2量，便可求得水样的总有机碳(TOC),单位以碳的mg/L表示。