北京大学环境工程概论 第四章 废水处理-3

4.9.3 除磷 所有的聚磷酸盐(分子间脱水的磷酸盐)在水 中逐渐水解形成正磷酸盐(PO43-)。在废水中 以含一个氢的磷酸盐(HPO42-)为主。防止或 降低富营养化，通常可利用下列三种化学试 剂之一，现给出每一种沉降反应。
FeCl 利用氯化铁： 3 HPO42 FePO4 H 3Cl 2 2 Al2 (SO4 )3 2HPO4 2 AlPO4 2H 3SO4 利用明矾： 利用石灰： 5Ca(OH) 3HPO Ca (PO ) OH 3H O 6OH 应该注意氯化铁和明矾会降低pH值，石灰 则会提高pH。使用氯化铁和明矾的有效pH 范围是5.5～7。若系统中没有足够的碱度缓 冲pH到上述范围，则需要添加石灰以抵消 形成的H+。 磷的沉淀需要一个反应池和一个沉淀池。若 使用氯化铁和明矾，则可以直接加到活性污 泥系统的曝气池中，此时曝气池便可作为反 应池，而沉淀物可在二沉池中去除。
2NO3 有机物 N2 CO2 H2O
反硝化时需要有机物作为细菌的能源。细菌可从胞 内或胞外获取有机物。在多阶段除氮系统中，由于 反硝化工艺中废水的BOD5浓度相当低(这是因为先前 已进行过含碳BOD的去除及硝化过程)，为了进行反 硝化作用，需添加有机碳源。有机物质可从原废水 或已沉淀过的废水中获得，也可添加合成物质如甲 醇(CH3OH)。若利用原废水或已沉淀过的废水，可能 会增加出水BOD5及氨氮含量，因而对水质有不利的 影响。 （2）氨气提 当氮主要以氨的形式存在时，可用化学方法提高水 中pH值，使铵离子转变成氨，然后在水中通人大量 空气，以气提方式将氨从水中去除。
(3) 二沉污泥(secondary sludge) 二级生物处理系统中废 弃排出的二沉污泥，含有大量微生物和其他惰性物质。 一般二沉污泥固体中有机物约占90％。当停止供气时， 如不及时处理则会出现厌氧状态而产生臭味。污泥中 固体物质浓度与处理工艺有关：废弃活性污泥为0.5 ％～2％；滴滤池污泥约为2％一5％。化学法除磷是 在曝气池中加入化学药剂使磷沉淀，这将使二沉污泥 中化学沉淀物含量显著增加。 (4) 三级处理污泥(tertiary sludge) 三级处理产生的污泥， 其特性依处理工艺而定。如使用化学法除磷，所产生 的化学污泥不易处理；若将化学沉淀除磷与活性污泥 工艺合并，使化学污泥与生物污泥混合，则更增加了 处理难度。反硝化脱氮产生的生物污泥与废弃活性污 泥十分相似。

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若使用石灰，因形成沉淀物所需的pH值较高，对活 性污泥微生物有害而不能使用上述做法。在一些废 水处理厂中，废水流入初沉池之前即添加氯化铁和 明矾，这样可提高初沉池的效率，但也可能除去生 物处理所需的营养物。 Example: 若废水中含有4.00mg/L的溶解性正磷酸盐 (以P计)，计算将其完全去除所需的氯化铁的理论需 要量。 Solution: 从FeCl3去除磷的反应式可知，去除1mol的 磷 需 要 lmol 的 氯 化 铁 ， FeCl3 的 摩 尔 质 量 为 162.21g/mol，P的摩尔质量为30.97g/mol。 当PO43-~P为4.00mg／L时，氯化铁的理论需要量为： 4.00*162.21/30.97=21.0mg/L
4.9.4 脱氮 氮 的 任何 一 种形 式 (NH3 、 NH4+ 、 NO2- 及 NO3-，但不包括N2气)均可作为营养物质， 为控制受纳水体中藻类生长，需从废水中 将其去除。此外，氨态氮会消耗氧，并且 对鱼类有毒性。氮的去除方法有生物法和 化学法。生物工艺称为硝化／反硝化 (nitrification/denitrification)，而化学过程称 为氨气提(ammonia stripping)。
污泥处理的基本流程如下： (1) 浓缩(thickening) 利用重力或气浮方法尽可能多地 分离出污泥中的水分。 (2) 稳定(stabilization) 利用“消化”(digestion)，即生 物氧化方法将污泥中的有机固体物质转化为其他惰性 物质，以避免在用作土壤改良剂或用于其他用途时， 产生臭味和危害健康。
4.11 污泥处理 污泥处理是污水净化过程中所产生的另一个 问题。污水处理程度越高，就会产生越多的 污泥残余物需要加以处理。除非是利用土地 处理或污水塘处理污水，否则一般的污水处 理厂必须设有污泥处理设施。 对现代化的污水处理厂而言，污泥的处理与 处臵已成为污水处理系统运行中最复杂、且 花费最高的一部分。污泥是由原废水中的固 体物质和在废水处理过程中所产生的固体物 质组成的。
土地处理可采用 下述三种方法中 的任何一种： （1）慢速率； （2） 地表水流； （3） 快速渗入。 右图以图解方式 显示出每一种方 法。根据不同的 场址条件，能产 生不同的出水水 质，可满足不同 的使用目的。

4.10.1 慢速流 现在利用的主要的土地处理方法是灌溉法，它利 用土地处理废水并提供植物生长所需的营养。其 目的有： (1) 避免营养物的表面排放； (2) 利用水及营养物质生产有价值的农作物，以 获得经济效益； (3) 灌溉草坪、公园及高尔夫球场以节约水资源； (4) 维护并扩大绿化地带与开放空间。
当出水用于灌溉价值很低时，可使水力负荷达到 最大(假设符合水质标准)，从而使系统操作成本 降至最低。在用高速率灌溉时(10~15mm/d)，农 作物主要是去除高含量营养盐的耐水植物。 4.10.2 地表水流 地表水流是一种生物处理过程。水在具有坡度场 地的上端供给，允许其通过植物表面，流至径流 收集沟渠。水流在通过较不透水的斜坡时，通过 物理、化学与生物作用使水质得到恢复。 地表水流可作为二级处理工艺，使硝化出水的 BOD低至可接受的程度，或作为高级废水处理 工艺。用于高级废水处理时可允许有较高的应用 速率（18mm/d或更高），这要根据所需的高级 废水处理程度而定。
污泥处理工艺的基本流程
4.11.1 污泥来源与特性

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在讨论各种污泥处理工艺之前，先扼要概述一下 污泥的来源及特性。 (1) 砂砾(grit) 在沉砂池中所收集的砂、碎玻璃渣 等较重物质，并非真正的污泥，但仍需加以处臵。 由于砂砾易于脱水，且不可生物分解，一般不需 进一步处理，可直接用卡车运至填埋场作进一步 处理。 (2) 初沉污泥(primary or raw sludge) 从初沉池底排 出的初沉污泥含有的固体物质浓度约为3％～8％(1 ％固体物质浓度相当于100mL体积的污泥中含有1g 的固体物)。初沉污泥固体物质中有机物约占70％， 因此初沉污泥极易变成厌氧状态并产生臭味。
(3) 调理(conditioning) 利用加热或化学试剂处理污泥， 使污泥中的水分容易分离。 (4) 脱水(dewatering) 用真空、加压或干燥方法使污泥 中的水分进一步分离。 (5) 减量(reduction) 利用湿式氧化或焚烧等化学氧化方 法将污泥固体物质转化为更稳定的物质，由于减少 了污泥的体积，故称为减量。 虽然污泥处理有各种各样的流程和设备的组合，但 其基本方法很有限。污泥的最后处臵，是将污泥所 含的各种物质移转至土壤、大气或水体中。目前的 政策不鼓励污泥排海。污泥焚烧必须设臵空气污染 控制设备，以避免造成空气污染。
4.9.1 过滤 二级处理工艺，如活性污泥法，可有效地去除生 物可降解的胶体性和溶解性有机物，但是经过处 理的出水，其BOD5值会高于理论计算值。典型的 BOD5 值约为20~50mg/L。这主要是由于二沉池无 法有效地将生物处理所产生的微生物完全沉淀去 除。这些微生物细胞死亡后分解需消耗氧从而产 生悬浮固体与BOD5。 利用与水处理厂相似的过滤工艺可以去除残留的 悬浮固体，包括未被沉淀的微生物。去除微生物 也可降低残留的BOD5。应用于水处理厂的传统砂 滤池通常会很快地被堵塞，因此经常需要反冲洗。

4.10.3 快速渗入 在渗入-过滤系统中，废水在处理区域以较高速 率被分散或喷淋到土壤中，废水通过土壤层时被 处理。这种处理系统的目的有： (1) 补充地下水； (2) 用泵抽取或利用地下水道来回收处理水； (3) 以垂直与侧面方式通过土壤的处理水，可补 充到地表水系。 当地下水中侵入盐分使水质下降时，补充地下水 可以改变水力梯度并保护现有的地下水。若现有 的地下水水质与期望恢复的水质不同，或利用地 点与现有排放位臵不同时，可利用泵抽取、地下 水道或自然排水系统将处理水回流到地表水中。
（1） 硝化/反硝化 自然的硝化过程可由活性污泥系统完成，在温和 气候下需维持细胞停留时间(c)达15d，而在寒冷 气候时则需20d，硝化步骤的化学反应式如下：
NH 4 2O2 NO3 H2O 2H

当然，必须有细菌存在才能发生反应。此步骤需 满足氨离子对氧的需求。若硝酸盐氮可被受纳水 体接受，废水经沉淀后即可排放。否则必须进行 进一步处理，即后接缺氧反硝化步骤：


该方法对硝酸盐无去除效果，因此在活性污泥工艺 操作时应维持较短的细胞停留时间，以避免发生硝 化作用。氨气提的化学反应式如下：
NH 4 OH NH 3 H 2O
通常添加石灰以提供氢氧根离子。石灰也会与空气 和水中的CO2反应形成碳酸钙沉淀，在水中必须定 期清除。低温会增加氨在水中的溶解度，降低气提 能力。 4.10 土地处理 AWT（advanced wastewater treatment）工艺可获得相 当好的出水水质。土地处理(1and treatment)可用来代 替AWT工艺。土地处理经常设臵于二级处理之后， 将出水以一种传统灌注方式注入土壤中。

一级处理所产生的污泥，其体积约为处理水量的0.25 ％~0.35％；活性污泥法二级处理所产生的污泥量为处 理水量的1.5％～2.0％；若用化学沉淀法除磷，则产生 的污泥体积会再增加1.0％。前述各污水处理单元中排 出的污泥，仍含有高达97％的水。因此，污泥处理就 是将污泥中的水分与残余固体物分离，并将分离所得 的水回流至污水处理厂进行处理。

为了延长滤池的使用时间，减少反冲洗次数，可 在滤池上端采用粒径较大的砂砾，这种安排可使 一些大颗粒生物絮体不能渗入滤池深处而在表面 即被捕获。多介质滤床由大颗粒低密度的煤炭、 中颗粒中密度的砂和小颗粒高密度的石榴石组合 而成。在反冲洗时，由于较大颗粒的密度较小， 因此，煤炭仍然在上面，砂维持在中间，而石榴 石在底部。



土地处理将废水常含有的营养盐作为资源，而不 是考虑如何进行处臵。废水通过土壤及植物所提 供的天然滤床而得到处理。废水会因蒸发而部分 损失，剩余部分可通过地表水流或地下水体系进 入水循环系统。大部分地下水最后会直接或间接 回到地表水系统。 废水土地处理可提供农作物生长所需的水分和营 养物质。在传统二级处理中主要营养物质(氮、磷 及钾)去除很少，因此这些元素大部分均会存在于 二级处理出水中。土壤中的营养物质会因每年农 作物生长及土壤侵蚀而消耗，而这些损失可从废 水中得到补充。
4.9.2 活性炭吸附 一些生物无法分解的溶解性有机物质仍存在于经过二 级处理、混凝、沉淀及过滤等工艺处理后的出水中， 这些物质称为难分解有机物(refractory organics)。出水 中的难分解有机物表现为溶解性COD，二级处理出水 的COD值经常在30～60mg／L
去除难分解有机物实际可行的方法是用活性炭 (activated carbon)吸附。吸附是物质在其界面 (interface)上的积累，吸附是一种表面现象，活 性炭的表面积越大，其对有机物质的吸附量就 越多。孔隙的巨大表面积占活性炭颗粒总表面 积的绝大部分，这就是活性炭可有效去除有机 物的原因。 当活性炭达到吸附饱和后，可以在高温炉中加 热，将吸附的有机物驱出而获得再生。炉内的 氧量必须很低以避免碳燃烧。驱出的有机物需 通过后燃室以避免造成空气污染。小处理厂因 成本原因而无法设臵现场再生炉，用过的活性 炭可运送到再生中心处理。
4.9 废水三级处理

虽 然 二 级 处 理 加 上 消 毒 工 艺 可 去 除 85% 以 上 的 BOD5和悬浮固体以及几乎所有的致病菌,但对氮、 磷、溶解性COD、重金属等污染物的去除较少。 在许多情况下，这些污染物可能更令人关心。无 法在二级处理中去除的污染物可以通过三级废水 处理或高级废水处理过程去除。这些工艺除了可 以解决不易处理的污染问题外，还可改善出水水 质，以满足许多回用的目的，将废水转变为可再 利用的资源。