当代给水与废水处理原理(第一章)

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℃温度下培养 5d检查溶解氧的损失，用BOD5表示，单位以O2mg/L计。 测定温度用20℃是因为这个温度比较接近温带地区一般 河水的平均温度。
Us (F / M )E 100
E：处理效率
2) 推流系统：
推流系统示意图 在理想的推流式反应器中．进口处各层水流依次流到出口处，互不干扰，各层 水流中微生物的工作情况，如用微生物增长曲线来表示，将是一段线段，废水生物 处理的数学模式可直接采用下式(1)或式(2)。如二次沉淀池出水基质浓度为Se。上 两式可改写成：
由于： 故，基质物料平衡式可变形为： (1)
两个重要概念及一点注意： 1）两个重要概念： 由上式(1)可知：
U K 2 XSe
U
容积负荷(以基质去除量为基础)
Us K2 Se Us 污泥负荷(以基质去除量为基础)，也称基质的比去除速率。
2）一点注意：
U s与F/M不同， F/M是以进水基质浓度为基础的，(虽然有时也称污 泥负荷)， F / M S 0 / Xt 它与 F/M的关系是：
(2)
K1：碳化耗氧常数 如Yt或BODt取为t时日内所吸收 的氧量或所满足的BOD，则：
K1变化对BOD的影响:
多年来当水温为20℃时常采用K1＝0.1d-1。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K1随水质的变化是有相当大差异的，一般变化在0.050.3d-1之间，而生物处理出水的K1值则又小于进水的K1，常在0.05-0.1d-1之间。
COD=CODB+CODNB
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
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：
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，一般即称BOD。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La或BODu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LN或NOD表示。
六、生化需氧量和化学需氧量之间的关系
下式列出通常生活污水个指标之间的大体比例关系：
七、废水生物处理中常用的经验模型
（1）生物处理动力学分类：
1)基质降解动力学，涉及基质降解与基质浓度、生物量等因素之间的关系。 2)微生物增长动力学，涉及微生物增长与基质浓度、生物量、增长常数等因素 之间的关系。 3)同时，还研究基质降解与生物量增长、基质降解与需氧、营养要求等关系。 许多学者根据各自研究的成果提出了不少描述上述关系的数学表达式或数学 模式。在各个模式中含有一些常数。这些常数的数值表示了一类废水生物降解的 特点。 由于活性污泥法使用比较普遍，所以目前所提出的数学模式主要是根据活性 污泥法推导出来的。这些模式对于其它好氧生物处理法和厌氧生物处理法泡基本 适用。
La与温度的关系：
对于一给定水样，不但K1随温度而增加．La也随温度而增加，可以认为La 所以根据下式(1)，可以写出式(2)： (1) 取
K1，
(2) 或 (3)
展开式(3)，可得：
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250一285mg/L之间(20℃ )， 显然，葡萄糖并末全部转化为CO2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CO2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。
氨基乙酸的理论需氧量，可利用下列化学方程式：
(a)
(b)
(c)
由方程式a计算得氨基乙酸的碳化需氧量为：
b
c
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(如重铬酸钾、高锰酸钾)作用所消耗的氧量。当用重铬酸钾作为 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铬酸钾耗氧量或称化 学需氧量，以CODCr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出可生物降解和不可生物降解的物质。
式1
(b) 生长率下降阶段：
在此阶段，微生物的增长主要已不是受自身生理机能的限制而是受食料 不足的影响，微生物的增长与基质的降解遵循一级反应关系。
或
式2
因为
所以 令 或 考虑了微生物浓度的影响，如 以比基质反应速度表示，则
积分式2得：
(c) 内源代谢阶段:
在此阶段食料奇缺，微生物逐渐减少
式3
内源呼吸实际上是个连续反应，贯穿于微生物的整个生命期、而并不仅仅在 内源代谢阶段才存在。即使在环境中有充足的食料，微生物内部的新陈代谢仍在进 行，只是在食料较丰富时，内源代谢作用被掩盖了，因为这时合成速度很快，内源 呼吸速度则慢，但在内源代谢阶段，食料缺乏，因而影响就明显了。
(2) Eckenfelder模式：
此模式是w.w.Eckenfelder,Jr.对间歇试验反应器内微生物的生长情况进行观察 后于1955年提出的。现根据微生物增长曲线讨论Eckenfelder模式于下：
(a) 生长率上升阶段：
在此阶段，基质浓度高，微生物增长速度与基质浓度无关，呈零级反应，即 微生物的生长不受食料数量的限制，只受自身生理机能的限制。这一阶段微生物 的增长过程可用下式表示：
而：
或：
(1)
K1和温度的关系：
K1与温度的关系可根据阿累尼乌斯（Arrhenius)经验公式推导求得：
或：
K1和温度的关系式推导：
将阿累尼乌经验式求导并积分运算后可得：
t 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；
一般说来，在10-30℃ 时，可 采用 t =1.047。
当代给水与废水处理原理
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Xx教授
授课主要内容

相关基本概念介绍 生物化学工程基础

厌氧生物处理法 生物脱氮除磷
Hale Waihona Puke Baidu

废水生物化学处理基础
活性污泥法 生物膜法


常规分离与膜分离
活性碳吸附 传质与曝气
第一部分：相关基本概念介绍
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：
温度对BOD的影响：
La和K1的确定：
耗氧常数K1值和第一阶段需氧量La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 K ' 简单，但也足够准确的托马斯图解法。在 Yt La(1 e 1t ) 中， 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K1及La的值。如下图 所示：
BOD反应动力学：
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)。 (1) 积分求解(2)式可得：
例题：
硝化需氧量曲线：
四、总有机碳（TOC）：
将水样在高温下燃烧，有机碳即被氧化成CO2，量测所产牛的
CO2量，便可求得水样的总有机碳(TOC)，单位以碳的mg/L表示。在 作有机碳分析时，须采取措施去除无机碳的干扰。在测定条件下，基 本上可以求得全部有机碳元素量，但因排除了其它元素。仍不能直接 反映有机碳的真正浓度。 测定总有机碳也有仪器可供采蝴，测定迅速，也能在短时间内完 成分析工作。
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。 硝化耗氧常数，此常数常 小于碳化耗氧常数；
LN和K1N也可用托马斯图解法求得， 但须采用新的坐标系统。
在上图中，如坐标原点移至c，并假定第二 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： 式中：
五、化学需氧量与生化需氧量的比较
化学需氧量(重铬酸钾耗氧量)和生化需氧量是目前应用最广泛的间接表 示有机物的指标。它们都是利用氧化有机物的原理，即与氧化合。前者是利 用化学氧化剂，氧来自氧化剂，后者则是微生物的作用，所需的氧来自水样 中的溶解氧。 生化需氧量基本上能反映出有机物进入水体后，在一般情况下氧化分解 所消耗的氧量(反映了能被微生物氧化分解的有机物的量，即间接表示出可 生物降解物质的量)，故比较符合实际情况，可以较为直接和确切地说明问 题；缺点是完成全部检验需5d，对于指导生产，不够迅速及时，且毒性强的 废水可抑制微生物的作用而影响测定结果，有时甚至无法进行测定。化学需 氧量几乎可以表示出有机物全部氧化所需的氧量，它的测定不受水质的限制， 并且在2—3h内即能完成；缺点是不能反映出被微生物氧化分解的有机物的 量，不能区别可生物降解与不可生物降解的物质。因此．在水污染控制工作 中以采用生化需氧量作为有机污染的指标较为合适，但在没有条件或受到水 质的限制而不能作生化需氧量测定时，可用化学需氧量代替。
(d) Eckenfelder模式的应用：
1) 完全混合系统： 上式(1)中 t：水力停留时间； X：微生物浓度，可以vss计量； K2：减速增长速度常数，这里 也常称基质去除或降解常 数，可用几组平行试验数据 通过图解法求得。
式中，Q： 进水流量； V： 反应器容积； r： 生物回流比，在活性污泥法 中即污泥回流比； S0：进水基质浓度； Se：出水基质浓度。 按照Eckenfelder模式在生长率下降阶段公式：
以上三阶段划分的一般依据：
一般说，当食料—微生物之比(F／M)＞2.1-2.5 KgBOD5/Kg微生 物d时，微生物的生长处于生长率上升阶段，而当(F／M) ＜0.1 KgBOD5/Kg微生物d左右时，微生物生长即进入内源代谢阶段。活性 污泥系统常运行在(F／M)=2.1-2.5 KgBOD5/Kg微生物d的条件下。这 一范围位于生长率下降阶段，可用式2进行处理构筑物的设计，进水 BOD5常应低于300-500mg/L。式2即常称的Eckenfelder关系式。式1 可用于高负荷生物处理系统，此时基质浓度高(BOD5＞500mg/L)。式 3常用于污泥好氧处理和延迟曝气系统。 微生物浓度常用挥发性悬浮固体(VSS)，有时也用悬浮固体(SS) 计量。在活性污泥处理系统中即以MLVSS或MLSS表示。