[工学]同济环工水控教案.doc

第九章 污水水质与污水出路 第一节 污水水质 国际通用三大类指标：物理性指标、 化学性指标、 生物性指标水质分析指标：1、 物理性指标温度：工业废水常引起水体热污染造成水中溶解氧减少加速耗氧反应，最终导致水体缺氧或水质恶化色度：感官性指标，水的色度来源于金属化合物或有机化合物嗅和味：感官性指标，水的异臭来源于还原性硫和氮的化合物、挥发性有机物和氯气等污染物质固体物质： 溶解物质、悬浮固体物质、挥发性物质、固定性物质2、 化学性指标 （1） 生化需氧量（BOD）biological oxygen demand在一定条件下，好氧微生物氧化分解水中有机物所需要的氧量。（20，5d）。反映了在有氧的条件下，水中可生物降解的有机物的量主要污染特性（以mg/L为单位）。有机污染物被好氧微生物氧化分解的过程，一般可分为两个阶段：第一个阶段主要是有机物被转化成二氧化碳、水和氨；第二阶段主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐。污水的生化需氧量通常只指第一阶段有机物生物氧化所需的氧量，全部生物氧化需要20100d完成。实际中，常以5d作为测定生化需氧量的标准时间，称5日生化需氧量（BOD5）；通常以20为测定的标准温度。讨论： 任何日BOD与第一阶段BOD(L0)的关系 生化研究试验表明,生化反应的速度决定于微生物和有机物的含量,至于水中溶解氧的含量只要满足微生物的生命活动就可以,在反应初期,微生物的数量是增加的,但到一定时间后,微生物的量就受到有机物含量的限制而达到最大值,此时反应速度受到有机物含量的限制,即有机物的降解速度和该时刻水中有机物的含量成正比,由于有机物可以用生化需氧量表示,所以水中的耗氧速率和该时刻的生化需氧量成正比 d(L0-Lt)/dt=KLt dLt/dt=-KLt 式中: L0、Lt分别表示开始、t时刻水中剩余的第一阶段的BOD K反应速率常数，d-1积分得： 任何时刻水中剩余的BOD为Lt=L0 e -Kt从而求得经t时间反应消耗的溶解氧BODt为: BODt=L0-Lt=L0(1-e-Kt)=L0(1-10-kt) (k =K /2.303)(经验表明:20时,k=0.1 日-1,若t=5天,则 BOD5=0.68L0) 反应速度常数k与温度的关系利用阿累尼乌斯经验公式可求得: K(t)=k(20)(T-20)式中:K(t)T时反应速率常数，d-1k(20)20时反应速率常数，d-1温度系数(经验:在10-30时，=1.047) 第一阶段BOD(L0)与温度的关系L0随温度增加而增大,关系式为: L0(t)=L0(20)0.02T+0.6式中: L0(t)T时的第一阶段的BODL0(20)20时的第一阶段的BOD （2） 化学需氧量（COD） chemical oxygen demand用化学方法氧化水中有机物过程中所消耗的氧化剂量折合成的氧量（O2）（mg/L）。常用的氧化剂主要是重铬酸钾（称 CODCr）和高锰酸钾(称CODMn 或OC ) 。酸性条件下，硫酸银作为催化剂，氧化性最强。废水中无机的还原性物质同样被氧化。如果废水中有机物的组成相对稳定，则化学需氧量和生化需氧量之间应有一定的比例关系：生活污水通常在0.40.5。当前测定COD常用的方法有:(1) 重铬酸钾法(CODCr)：以0.25N重铬酸钾溶液为氧化剂,以硫酸银为催化剂,加入水样,加热回流两小时,然后将重铬酸钾的消耗量折算成每升水样耗氧的毫克数。此法氧化程度高，用于污染严重的水和工业废水的测定。(2) 高锰酸钾法(OC或CODMn)：用0.01N高锰酸钾溶液为氧化剂，加入水样,煮沸10分钟(水浴为30分钟),然后将高锰酸钾的消耗量折算成每升水样耗氧的毫克数。此法用于较清洁的水样。讨论：v COD与BOD5的比较比较CODBOD5测试时间耗时短 2小时时间长 5天代表性较全面反映有机物只反映可生物降解的有机物成本仅需化学试剂需要培养微生物v COD与BOD5优缺点：BOD5优点：基本上反映了有机物进入水体后，能被生物氧化分解的有机物的量，比较符合实际情况，较为确切的说明问题。缺点：完成全部检验需时5天，对于指导生产实践不够迅速、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，有时甚至无法测定。COD优点：几乎可以表示出有机物全部氧化所需要的氧量,它的测定不受废水水质的限制,并且在3个小时内即能完成。缺点：不能反映出被生物氧化分解的有机物的量。BOD5虽有不少缺点,但从有机物对水体的影响角度看,还没有比BOD5更好的指标。在没有条件测定BOD时，可采用COD方法。（3） 总有机碳（TOC）和总需氧量（TOD）TOC: total organism carbon 在950高温下，以铂作为催化剂，使水样气化燃烧，然后测定气体中的CO2含量，从而确定水样中碳元素总量。测定中应该去除无机碳的含量。TOD: total oxygen demand 在900950高温下，将污水中能被氧化的物质（主要是有机物，包括难分解的有机物及部分无机还原物质），燃烧氧化成稳定的氧化物后，测量载气中氧的减少量，称为总需氧量（TOD）。TOD测定方便而快速。各种水质之间TOC或TOD与BOD不存在固定的相关关系。在水质条件基本不变的条件下，BOD与TOC或TOD 之间存在一定的相关关系。（4） 油类污染物石油类：来源于工业含油污水。动植物油脂：产生于人的生活过程和食品工业。油类污染物进入水体后影响水生生物的生长、降低水体的资源价值。油膜覆盖水面阻碍水的蒸发，影响大气和水体的热交换。油类污染物进入海洋，改变海水的反射率和减少进入海洋表层的日光辐射，对局部地区的水文气象条件可能产生一定影响。大面积油膜将阻碍大气中的氧进入水体，从而降低水体的自净能力。石油污染对幼鱼和鱼卵的危害很大，堵塞鱼的鳃部，能使鱼虾类产生石油臭味，降低水产品的食用价值。破坏风景区，危害鸟类生活。（5） 酚类污染物酚污染来源：煤气、焦化、石油化工、木材加工、合成树脂等工业废水。原生质毒物，可使蛋白质凝固，引起神经系统中毒。酚浓度低时，能影响鱼类的洄游繁殖。酚浓度达0.10.2mg/L时，鱼肉有酚味。酚浓度高会引起鱼类大量死亡，甚至绝迹。酚的毒性可抑制水中微生物的自然生长速度，有时甚至使其停止生长。酚能与饮用水消毒氯产生氯酚，具有强烈异臭（0.001mg/L即有异味，排放标准0.5mg/L ）。 灌溉用水酚浓度超过5mg/L时, 农作物减产甚至枯死。（6） 无机物性质指标植物营养元素：过多的氮、磷进入天然水体，易导致富营养化，使水生植物尤其是藻类大量繁殖，造成水中溶解氧急剧变化，影响鱼类生存，并可能使某些湖泊由贫营养湖发展为沼泽和干地。pH和碱度：一般要求处理后污水的pH在69之间。当天然水体遭受酸碱污染时，pH发生变化，消灭或抑制水体中生物的生长，妨碍水体自净，还可腐蚀船舶。碱度指水中能与强酸定量作用的物质总量，按离子状态可分为三类：氢氧化物碱度；碳酸盐碱度；重碳酸盐碱度。重金属：作为微量金属元素。重金属的主要危害：生物毒性，抑制微生物生长，使蛋白质凝固;逐级富集至人体，影响人体健康。（7） 含氮化合物 氮是有机物中除碳以外的一种主要元素，也是微生物生长的重要元素。污水中的氮有四种，即有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。危害：消耗水体中溶解氧；促进藻类等浮游生物的繁殖，形成水华、赤潮；引起鱼类死亡，导致水质迅速恶化。关于氮的几个指标：有机氮：主要指蛋白质和尿素。 TN：一切含氮化合物以N计量的总称。TKN： TN中的有机氮和氨氮，不包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮。氨氮：有机氮化合物的分解，或直接来自含氮工业废水。NOx-N：亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。（8） 含磷化合物 磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生长的重要元素。磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及含磷工业废水。危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡；使水质迅速恶化，危害水产资源。 含磷化合物 有机磷：有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等无机磷：磷酸盐:正磷酸盐(PO43-)、磷酸氢盐(HPO42-) 、磷酸二氢盐（H2PO4- ） 、聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P2O74)、三磷酸盐(P3O105-)、三磷酸氢盐(HP3O92-)生物性指标 来源及危害：生活污水：肠道传染病、肝炎病毒、SARS、寄生虫卵等制革屠宰等工业废水：炭疽杆菌、钩端螺旋体等医院污水：各种病原体 危害：传播疾病，影响卫生，导致水体缺氧细菌总数：水中细菌总数反映了水体有机污染程度和受细菌污染的程度。常以细菌个数/mL计。饮用水：100个/mL医院排水：500/mL大肠菌群：大肠菌群的值可表明水样被粪便污染的程度，间接表明有肠道病菌存在的可能性。常以大肠菌群数/L计。饮用水：3个/L城市排水：10000个/L游泳池： 1000个/L融会贯通各水质指标间的关系第二节污染物在水体环境中的迁移与转化水体的自净作用河流的自净作用是指河水中的污染物质在河水向下游流动中浓度自然降低的现象。1. 根据净化机制分为三类 物理净化：稀释、扩散、沉淀化学净化：氧化、还原、分解生物净化：水中微生物对有机物的氧化分解作用2. 污水排入河流的混合过程竖向混合阶段：污染物排入河流后因分子扩散、湍流扩散、弥散作用逐步向河水中分散，由于一般河流的深度与宽度相比较小，所以首先在深度方向上达到浓度分布均匀，从排放口到深度上达到浓度分布均匀的阶段称为竖向混合阶段，同时也存在横向混合作用。横向混合阶段：当深度上达到浓度分布均匀后，在横向上还存在混合过程。经过一定距离后污染物在整个横断面上达到浓度分布均匀，这一过程称为横向混合阶段。断面充分混合后阶段：在横向混合阶段后，污染物浓度在横断面上处处相等。河水向下游流动的过程中，持久性污染物的浓度将不再变化，非持久性污染物浓度将不断减少。3. 持久污染物的稀释扩散当持久性污染物随污水稳态排入河流后，经过混合过程达到充分混合阶段时，污染物浓度可由质量守恒原理得出河流完全混合模式：式中： 排放口下游河水的污染物浓度； w，qvw污水的污染物浓度和流量； h，qvh上游河水的污染物浓度和流量。4. 非持久性污染物的稀释扩散和降解河断面达到充分混合后，污染物浓度受到纵向分散作用和污染物的自身分解作用不断减小。根据质量守恒原理，其变化过程可用下式描述：式中： u河水流速；x初始点至下游x断面处的距离；Mx纵向分散系数；K污染物分解速度常数；0初始点的污染物浓度；x断面处的污染物浓度。5. 水体污染与恢复氧垂曲线：水体受到污染后，水体中溶解氧逐渐被消耗，到临界点后又逐步回升的变化过程，称氧垂曲线。有机物降解： 氧垂曲线的求解：35、某点处的氧不足量变化速率是该处耗氧速率和复氧速率之和： 求解得某点的亏氧量：某点的溶解氧： c= cs- D到达最缺氧点时间dD /dt=0：讨论：氧垂曲线反映：废水排入河流后溶解氧的变化,表示河流的自净过程；最缺氧点的位置及其溶解氧含量溶解氧的来源：原有水中的氧；大气复氧；水生植物光合作用。氧 的 消 耗：有机物的生物氧化；硝化作用；水底沉泥的分解；水生植物的呼吸作用；无机还原性物质的影响。若Cp点的溶解氧(DO)大于规定的标准值，从溶解氧的角度，污水的排放未超过河段的自净能力。若Cp的溶解氧(DO)小于规定的标准，从溶解氧的角度，污水的排放超过河段的自净能力，甚至出现无氧状态，此时氧垂曲线中断，水体失去自净能力，产生厌氧分解，水质变坏，河水发臭。水体存在的生物群可反映河流自净的进程。如污染重时，真菌、蓝、绿藻占优势；水质变好时，后生动物(钟虫、轮虫)、硅藻就会出现。因此，可用水生物群落结构来判断和评价水体自净的状况。6. 污染物在不同水体中的迁移转化规律污染物在河流中的扩散和分解受到河流的流量、流速、水深等因素的影响。河口是指河流进入海洋前的感潮河段。河口污染物的迁移转化受潮汐影响，受涨潮、落潮、平潮时的水位、流向和流速的影响。湖泊水库的贮水量大，但水流一般比较慢，污染物的稀释、扩散能力较弱。海洋虽有巨大的自净能力，但是海湾或海域局部的纳污和自净能力差别很大。污染物在地下水中的迁移转化受多种因素影响，地下水一旦污染，要恢复原状非常困难。第三节 污水出路 1. 污水的最终出路：排放水体 工农业利用 处理后回用2. 污水排放水体的限制： 污水综合排放标准GB89781996城镇污水处理厂污染物排放标准 GB 189182002 地表水环境质量标准GB 38382002 海洋水质量标准GB30973. 污水回用应满足的要求：对人体健康不应产生不良影响 对环境质量和生态系统不应产生不良影响对产品质量不应产生不良影响 应符合应用对象对水质的要求或标准应为使用者和公众所接受 回用系统在技术上可行，操作简便价格应比自来水低廉 应有安全使用的保障4. 城市污水回用的几个方面城市生活用水和市政用水：供水、城市绿地灌溉、市政与建筑用水、城市景观农业、林业、渔业和畜牧业工业：工艺生产用水、冷却用水、锅炉补充水、其他杂用水、地下水回灌、其他方面第四节废水处理方法1、 通常分为物理处理法、化学处理法、生物处理法三大类；1. 物理处理法：利用物理作用分离或回收废水中的悬浮物(或油)的处理方法。通常有重力分离法(沉淀池、沉砂池、气浮池)、离心分离法(离心机和水旋分离器)和筛选分离法(格栅、筛网、砂滤池、微滤机)。此外，利用蒸发法浓缩废水中的溶解性不挥发物质也是一种物理处理法。2. 化学处理法：通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状的污染物或将其转化为无害物质的处理方法。在化学处理法中，以投加化学药剂为基础的处理单元有：混凝、中和、氧化还原反应等；以传质作用为基础的处理单元有：萃取、汽提、吹脱、吸附、离子交换、电崐渗折和反渗透等(后二种又称膜分离技术)。在传质作用的处理单元中，既有化学反应，又有与之相关的物理作用，所以可以从化学处理法中分离出另一类处理方法，称为物理化学法。3. 生物处理法：通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶解、胶体和微细悬浮状态的有机物，转化为稳定、无害的物质的废水处理方法。根据作用微生物的不同，生物处理又可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两种类型。好氧生物处理又分为活性污泥法(完全混合、多点进水、延时曝气)和生物膜法(生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物硫化床)2、 废水处理的分级和处理程度一级处理：从废水中除去呈悬浮状的固体污染物，SS去除率为70-80，BOD去除率为25-40，废水净化程度不高。二级处理：大幅度去除废水中的有机污染物(BOD)去除率为80-90三级处理：进一步去除二级处理中未能去除的污染物，如氮、磷。三级处理耗资较大，管理复杂，主要用于废水复用为目的处理。以计算为例说明废水排放前所需处理的程度。例：河水最旱年最旱月平均时流量：Q=5 m3/秒,含酚废水流量(最大) q=100 m3/时=0.028 m3/秒,废水含酚浓度 C0=200 mg/L,河水中酚浓度 C1=0.005 mg/L,混合系数取 a=0.75,计算此生产废水排入河道前,酚所需处理的程度？(注：计算时应以最不利的情况为基准，即河水流量以最旱年最旱月平均流量计，废水以最高时流量计。水体中酚浓度C20.01 mg/L) 解：由于废水和河水混合前后所含的酚量相等，所以C1aQC(aQq)C2C(aQq)C2C1aQ/q式中：C 允许排入河流的挥发酚浓度 mg/LC1废水排放口上游河水中的挥发酚浓度 mg/LC2水体中挥发酚最大容许浓度 mg/La混合系数C(0.7550.028)0.01-0.7550.005/0.0280.68 mg/L但由于排放标准为0.5 mg/L,所以废水所需处理的程度为E=（C0-C）/C0100=(200-0.5)/200100=99.75如果计算值C0.5 mg/L，则计算上式时采用计算所得的数字。第十章 污水的物理处理(1) 第一节 格栅和筛网1、 格栅的作用 格栅由一组（或多组）相平行的金属栅条与框架组成，倾斜安装在进水的渠道，或进水泵站集水井的进口处，以拦截污水中粗大的悬浮物及杂质。作用：去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大悬浮物，并保证后续处理设施能正常运行。选用栅条间距的原则：不堵塞水泵和水处理厂、站的处理设备。格栅所截留的污染物数量与地区的情况、污水沟道系统的类型、污水流量以及栅条的间距等因素有关，可参考的一些数据：当栅条间距为1625mm时，栅渣截留量为0.100.05m3/（103m3污水）；当栅条间距为40mm左右时，栅渣截留量为0.030.01 m3/（103m3污水）；栅渣的含水率约为80%，密度约为960kg/m3。2、 格栅的清渣方法人工清除： 与水平面倾角：4560 设计面积应采用较大的安全系数，一般不小于进水渠道面积的2倍，以免清渣过于频繁。机械清除：与水平面倾角：6070过水面积一般应不小于进水管渠的有效面积的1.2倍。3、 格栅的类型 XG型旋转式格栅除污机 回转式固液分离机螺旋压榨细格栅 螺旋压榨细格栅 回转式格栅除砂机及栅渣皮带输送机齿耙式格栅除污机GL型格栅除污机阶梯式细格栅曝气沉砂池前细格栅格栅的液位差自动控制格栅栅条断面形状：圆形、矩形、方形圆形的水力条件较方形好，但刚度较差。目前多采用断面形状为矩形的栅条4、 格栅的设计与计算 通过格栅的水头损失h2的计算： 式中： h 0计算水头损失，m； v污水流经格栅的速度，m/s； 阻力系数，其值与栅条断面的几何形状有关； k考虑到格栅受污染物堵塞后阻力增大的系数，可用式： k=3.36v-1.32求定，一般采用k=3。 格栅的建筑尺寸1. 格栅的间隙数量n式中：d栅条间距，m；h栅前水深，m； v污水流经格栅的速度，m/s。格栅的建筑宽度b 式中：b格栅的建筑宽度；s栅条宽度，m。3.栅后槽的总高度h总：式中：h栅前水深，m；h2格栅的水头损失,m；h1格栅前渠道超高，一般h1=0.3m。2. 格栅的总建筑长度L 式中：进水渠道渐宽部位的长度，m；进水渠道宽度m；进水渠道渐宽部位的展开角度，一般=20格栅槽与出水渠道连接处的渐窄部位的长度，一般=0.5L1 ； 格栅前的渠道深度,m。3. 每日栅渣量 式中：栅渣量，m3/103m3污水)； 生活污水流量总变化系数。总变化系数?4. 最优水力断面公式：qvmax 1/2b2vb=2h5. 筛网作用：用于废水处理或短小纤维的回收形式：振动筛网、水力筛网格栅、筛网截留的污染物的处置方法：填埋、焚烧（820以上）、堆肥、将栅渣粉碎后再返回废水中，作为可沉固体进入初沉池第二节 沉淀的基础理论沉淀法是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能，在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。1、 沉淀处理工艺的四种用法 沉砂池：用以去除污水中的无机易沉物。初次沉淀池：较经济地去除，减轻后续生物处理构筑物的有机负荷。二次沉淀池：用来分离生物处理工艺中产生的生物膜、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。污泥浓缩池：将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓缩，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理费用等。2、 根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀可分成四种类型：1. 自由沉淀：悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀, 颗粒沉淀轨迹呈直线。沉淀过程中,颗粒的物理性质不变。发生在沉砂池中。2. 絮凝沉淀：悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀轨迹呈曲线。沉淀过程中，颗粒的质量、形状、沉速是变化的。化学絮凝沉淀属于这种类型。3. 区域沉淀或成层沉淀：悬浮颗粒浓度较高（5000mg/L以上）；颗粒的沉降受到周围其他颗粒的影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，与澄清水之间有清晰的泥水界面。二次沉淀池与污泥浓缩池中发生。4. 压缩沉淀：悬浮颗粒浓度很高；颗粒相互之间已挤压成团状结构，互相接触，互相支撑，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到浓缩。二沉池污泥斗中及浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩沉淀。3、 自由沉淀及其理论基础 分析的假定：颗粒为球形沉淀过程中颗粒的大小、形状、质量等不变颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他颗粒影响静水中悬浮颗粒开始沉淀时, 因受重力作用产生加速运动,经过很短的时间后,颗粒的重力与水对其产生的阻力平衡时, 颗粒即等速下沉悬浮颗粒在水中的受力：重力、浮力重力大于浮力时，下沉；重力等于浮力时，相对静止；重力小于浮力时，上浮。4、 悬浮颗粒在水中的受力分析1. 悬浮颗粒在水中受到的 力Fg Fg是促使沉淀的作用力， 是颗粒的重力与水的浮力之差：式中： Fg水中颗粒受到的作用力； V颗粒的体积； 颗粒的密度； 水的密度； 重力加速度。2. 水对自由颗粒的阻力式中：水对颗粒的阻力；阻力系数； 自由颗粒的投影面积；颗粒在水中的运动速度，即颗粒沉速。5、 球状颗粒自由沉淀的沉速公式 当颗粒所受外力平衡时，即因得球状颗粒自由沉淀的沉速公式：34、阻力系数与雷诺数(Re)有关 = f(Re)从流体力学可知,雷诺数可用下式表示: Re=d/ 式中:Re-水流雷诺数 d-水流的特征尺寸,这里为球状自由颗粒的直径,cm 颗粒沉速-水的运动粘度cm2/s,=/ (:水的动力粘滞度g/cm秒) 当颗粒粒径较小、沉速小、颗粒沉降过程中其周围的绕流速度亦小时，颗粒主要受水的黏滞阻力作用，惯性力可以忽略不计，颗粒运动是处于层流状态。在层流状态下，=24/Re，带入式中，整理得自由颗粒在静水中的运动公式（亦称斯托克斯定律）： 略讨论:1、以上公式的推导考虑颗粒的形状为球状,但实际中,颗粒是不规则的,下沉时水的阻力要比规则的大.为此须考虑颗粒的形状系数此时,= 242/Re）一般卵石=1.17,类角石=1.5-1.67,无烟煤=1.5-2.52.2、 Stokes公式虽然是表示出根据颗粒粒径去计算颗粒的速度,但实际中,往往不是这样应用公式,因为测量这些微小粒径比观察它们下沉的速度还麻烦,有时几乎不可能.实际工作中,观察它们的下沉速度,然后用Stokes公式求粒径,它变成了间接测量细小颗粒粒径(d小于0.1mm)的工具.水文资料中泥砂颗粒的分析就是这样得来的，在泥砂粒径分析时，常加一种分散剂（氨水）防止砂粒间的粘结。3、当s小于L时，颗粒在水中受到的是浮力的作用，此时得出的Stokes公式为u上浮=(1/18)(L-s)/gds24、Stokes公式同样可以应用于在水以外的其它流体中，计算颗粒的沉或浮升速度，但要注意Re=usd/g必须小于2。 例：在水温20，观察到砂粒的沉降高度为60mm，沉降时间30秒，计算砂粒直径？（=0.0101g/cm.s ，s=2.65g/cm3）解：砂的沉速u=60/30=2mm/s=0.2cm/s水的绝对粘度=0.0101g/cm.s水的运动粘度=/L=0.0101cm2/s砂的密度s=2.65g/cm3us=(1/18)(s-L)/gds2 0.2=(1/18)（(2.65-1.0)/0.0101）981ds2ds2=0.0000225ds=0.00475cm=0.0475mmRe=usd/=0.20.004750.0101=0.094 Re 2,符合Stokes公式应用范围. 38、斯托克斯定律:由上式可知，颗粒沉降速度与下述因素有关：当大于时，-为正值，颗粒以下沉；当与相等时，=0，颗粒在水中呈悬浮状态，这种颗粒不能用沉淀去除；小于时，-为负值，颗粒以上浮，可用浮上法去除。与颗粒直径的平方成正比，因此增加颗粒直径有助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。与成反比，随水温上升而下降；即沉速受水温影响，水温上升，沉速增大。6、 沉淀池的工作原理理想沉淀池分为：进口区域、沉淀区域、出口区域、污泥区域四个部分理想沉淀池的几个假定：沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为v；悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上；颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。由上述假定得到的悬浮颗粒自由沉降迹线：当某一颗粒进入沉淀池后一方面随着水流在水平方向流动，其水平流速v等于水流速度式中：颗粒的水平分速；进水流量；沉淀区过水断面面积， ；沉淀区的水深；沉淀区宽度。另一方面，颗粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是颗粒的自由沉降速度u颗粒运动的轨迹为其水平分速v和沉速u的矢量和，在沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度i=u/v设沉速为u1的颗粒占全部颗粒的dP，其中的颗粒将会从水中沉到池底而去除。在同一沉淀时间t，下式成立：故对于沉速为（）的全部悬浮颗粒，可被沉淀于池底的总量为：而沉淀池能去除的颗粒包u以及的两部分，故沉淀池对悬浮物的去除率为：式中：沉速小于的颗粒在全部悬浮颗粒中所占的比例； （1-）沉速的颗粒去除率。上页图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：将上式带入式中 并简化后得出反映沉淀池效力的参数，一般称为沉淀池的表面负荷率，或称沉淀池的过流率，用符号q表示：理想沉淀池中，与q在数值上相同，但它们的物理概念不同：的单位是m/h；q表示单位面积的沉淀池在单位时间内通过的流量，单位是m3/（m2h）。故只要确定颗粒的最小沉速，就可以求得理想沉淀池的过流率或表面负荷率。理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面积A有关，与池深H无关，即与池的体积V无关。公式说明:(1)表面负荷q在数值上等于可从废水中全部分离的最小颗粒的沉速值u0 。q小,具有uu0的颗粒占悬浮物固体总数的百分率就大，即总去除率高。(2)由于u0=f(1/A),在自由沉淀型的沉淀池中,沉淀效率E=f(u0)仅为沉淀池表面积的函数,而与水深无关,当容积一定(Q),池子越浅(A越大),沉淀效率就越高。沉淀池设计一定的深度，仅仅是为了满足安装刮泥机械所需要的深度和防止水平分速过大而将已沉淀的泥渣冲起。V=Q/HB(3)由于q=u0。所以沉淀试验取得u0后，可按q=Q/A计算沉淀池的表面积。第三节 沉砂池1、 沉砂池的作用：从污水中去除砂子、煤渣等密度较大的无机颗粒，以免这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行2、 沉砂池的工作原理：以重力或离心力分离为基础，即将进入沉砂池的污水流速控制在只能使相对密度大的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒则随水流带走沉砂池的几种形式：平流式、竖流式、曝气沉砂池、旋流式沉砂池、Doer沉砂池等3、 沉砂池工程设计中的设计原则与主要参数城市污水厂一般均设置沉砂池，并且沉砂池的个数或分格数应不小于2(并联);工业污水是否要设置沉砂池，应根据水质情况而定。设计流量应按分期建设考虑：最大时流量（自流）、最大组合流量（泵）、合流制流量（雨）沉砂池去除的砂粒相对密度为2.65，粒径为0.2mm以上。城市污水的沉砂量可按每106m3污水沉砂30m3计算，其含水率约为60%，容重约1500kg/m3。贮砂斗的容积应按2d沉砂量计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55,排砂管直径不应小于200mm。沉砂池的超高不宜小于0.3m。平流式沉砂池 平流式沉砂池是一种最传统的沉砂池，它构造简单，工作稳定。 1. 平流式沉砂池的系统参数 污水在池内的最大流速为0.3m/s，最小流速为0.15m/s；最大流量时，污水在池内的停留时间不少于30s，一般为3060s；有效水深应不大于1.2m，一般采用0.251.0m，池宽不小于0.6m；池底坡度一般为0.010.02，当设置除砂设备时,可根据除砂设备的要求，考虑池底形状。 2. 平流式沉砂池的计算公式 1.长度L 式中：v最大设计流量时的速度，m/s； t最大设计流量时的停留时间, s 2.水流断面面积A 3.池总宽度b 式中： 设计有效水深。 4.贮砂斗所需容积V式中: X城市污水的沉砂量,一般采用30m3/(106m3污水）; T排砂时间的间隔,d; 5.贮砂斗个部分尺寸计算 设贮砂斗底宽b1=0.5m；斗壁与水平面的倾角为60；则贮砂斗的上口宽b2为： 贮砂斗的容积V1： 6.贮砂室的高度设采用重力排砂，池底坡度i=6%，坡向砂斗，则7.池总高度h式中: 超高，m； 有效水深,m; 贮砂斗高度,m。8.核算最小流速最小流量时工作的沉砂池数目; 最小流量时沉砂池中的水流断面面积，m2。例：已知某城市污水处理厂的最大设计流量为Qmax =0.17m3/s,最小Qmin =0.087m3/s，总变化系数k=1.60设计一座平流式沉砂池。曝气沉砂池特点：沉砂中含有机物的量低于5%；由于池中设有曝气设备，它还具有预曝气、脱臭、防止污水厌氧分解、除泡以及加速污水中油类的分离等作用。曝气沉砂池的构造：曝气沉砂池是一个长形渠道，沿渠道壁一侧的整个长度上，距池底约6090cm处设置曝气装置；在池底设置沉砂斗，池底有i=0.10.5的 坡度，以保证砂粒滑入砂槽；为了使曝气能起到池内回流作用，在必要时可在设置曝气装置的一侧装设挡板。曝气沉砂池的工作原理：污水在池中存在着两种运动形式，其一为水平流动（一般流速0.1m/s），同时在池的横断面上产生旋转流动（旋转流速0.4m/s ），整个池内水流产生螺旋状前进的流动形式。由于曝气以及水流的螺旋旋转作用，污水中悬浮颗粒相互碰撞、摩擦，并受到气泡上升时的冲刷作用，使粘附在砂粒上的有机污染物得以去除，沉于池底的砂粒较为纯净，有机物含量只有5%左右，长期搁置也不至于腐化。 曝气沉砂池的设计参数：水平流速一般取0.080.12m/s。污水在池内的停留时间为46min；雨天最大流量时为13 min。如作为预曝气，停留时间为1030min。池的有效水深为23m，池宽与池深比为11.5，池的长宽比可达5，当池长宽比大于5时，应考虑设置横向挡板。曝气沉砂池多采用穿孔管曝气，孔径为2.56.0mm，距池底约为0.60.9m，并应有调节阀门。曝气沉砂池的形状应尽可能不产生偏流和死角，在砂槽上方宜安装纵向挡板，进出口布置，应防止产生短流第十一章 废水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础第一节 废水的好氧生物处理和厌氧生物处理微 生 物 的 新 陈 代 谢 新陈代谢：微生物不断从外界环境中摄取营养物质，通过生物酶催化的复杂生化反应，在体内不断进行物质转化和交换的过程。 分解代谢：分解复杂营养物质，降解高能化合物，获得能量。 合成代谢：通过一系列的生化反应，将营养物质转化为复杂的细胞成分，机体制造自身。底物降解：污水中可被微生物通过酶的催化作用而进行生物化学变化的物质称为底物或基质。 可生物降解有机物量：可通过生物的降解转化的量。 可生物降解底物量：包括有机的和无机的可生物利用物质。废水生物处理可行性的试验方法 1、测定废水BOD5与COD的比值 通过BOD5与COD值的测定，可大体了解废水中可生物降解的那部分有机物质占全部有机物质的比例。在工程实际中，人们一般常通过这个比值去评定工业废水生物处理的可行性。 BOD5/COD 45可生物降解较好 30 可生物处理, 30 较难生物处理 25 不宜生物处理 上述方法，由于比较简单，人们较常采用，不过按此法判断废水可生化性，并确定是否可以采用生物处理工艺，严格来讲，还是很粗糙的(如营养配比，有毒物等)。一般再通过生物处理实验，去确定该工艺废水是否可以采用生化处理工艺较为妥当。2、测定微生物的呼吸耗氧过程法当废水与微生物接触后，微生物进行新陈代谢，同时呼吸耗氧。用瓦勃呼吸仪或溶氧测定仪，测得不同时间的耗氧量累计值或耗氧速率，绘制成微生物的呼吸过程线(O2-T或dO2/dt-T)，通过微生物的内源呼吸过程线以及废水接触后呼吸过程线的比较，去确定废水的可生化性。这个呼吸耗氧过程随底物性质而异，反映了底物被氧化分解的规律。 耗 mg/L 氧 a 呼吸耗氧过程线 累 积 b 内源呼吸线 量 c 呼吸耗氧过程线 时间(T) 讨论：线位于b线之上，说明废水量底物可被生物降解，相距越大，可生化性越好。线位于b线之下，说明废水底物对微生物有抑制作用，相距越大，抑制越大，与内源呼吸线重合，则说明废水中的底物是难降解的，但不是有害物。能量循环：三磷酸腺苷ATP(adenosine triphosphate)AMP+PADP+ P ATP ADP磷酸化生成ATP；ATP水解产生能量。ADP磷酸化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 电子传递磷酸化 光合磷酸化微 生 物 的 呼 吸 一切生物时刻都在进行着呼吸，没有呼吸就没有生命。呼吸作用的生物现象： 呼吸作用中发生能量转换：供细胞合成、其他生命活动，多余的能量以热量形式释放。通过呼吸作用，复杂有机物逐步转化为简单物质。呼吸作用过程中吸收和同化各种营养物质。微 生 物 的 呼 吸 类 型微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能 好氧呼吸、厌氧呼吸1 好 氧 呼 吸 好氧呼吸是营养物质进入好氧微生物细胞后，通过一系列氧化还原反应获得能量的过程。有分子氧参与的生物氧化， 反应的最终受氢体是分子氧。底物中的氢被脱氢酶活化，并从底物中脱出交给辅酶（递氢体），同时放出电子，氧化酶利用底物放出的电子激活游离氧，活化氧和从底物中脱出的氢结合成水。 NAD(P)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸过程实质上是脱氢和氧活化相结合的过程。在这个过程中，同时放出能量。依好氧微生物的类型不同，被其氧化的底物不同，氧化产物也不同。好氧呼吸有异养型微生物呼吸和自养型微生物呼吸两种 。异养型微生物： 异养型微生物以有机物为底物（电子供体），其终点产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时放出能量。如下式所示： 异氧微生物又可分为化能异氧微生物和光能异氧微生物。 化能异氧微生物：氧化有机物产生化学能而获得能量的微生物。 光能异氧微生物：以光为能源，以有机物为供氢体还原CO2，合成有机物的一类厌氧微生物。有机废水的好氧生物处理，如活性污泥法、生物膜法、污泥的好氧消化等属于这种类型的呼吸。自养型微生物：以无机物为底物（电子供体），其终点产物也是无机物，同时放出能量。 光能自养微生物：需要阳光或灯光作能源，依靠体内的光合作用色素合成有机物。光 CO2+H2O CH2OO2 叶绿素化能自养微生物：化能自养微生物不具备色素，不能进行光合作用，合成有机物所需的能量来自氧化NH3、H2S等无机物。 大型合流污水沟道和污水沟道存在该式所示的生化反应生物脱氮工艺中的生物硝化过程2 厌 氧 呼 吸 在无分子氧（O2）的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放能量较少。如有机污泥的厌氧消化过程中产生的甲烷，是含有相当能量的可燃气体。厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵和无氧呼吸。3 发酵指供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用，最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。例如，葡萄糖的发酵过程：略4 无氧呼吸 是指以无机氧化物，如NO3-，NO2-，SO42-，S2O32-，CO2等代替分子氧，作为最终受氢体的生物氧化作用。 在反硝化作用中，受氢体为NO3-，可用下式所示：略 在无氧呼吸过程中，供氢体和受氢体之间也需要细胞色素等中间电子传递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，能量得以分级释放，故无氧呼吸也产生较多的能量用于生命活动。但由于有些能量随着电子转移至最终受氢体中，故释放的能量不如好氧呼吸的多。好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的能量水平不同， 如下表所示。废水的好氧生物处理好氧生物处理是在有游离氧（分子氧）存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物（以溶解状与胶体状的为主），作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置。废水好氧生物处理的最终过程可用下图表示。废水的好氧生物处理好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5浓度小于500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。废水的厌氧生物处理 废水的厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为简单的化合物，同时释放能量。 在这个过程中，有机物的转化分为三部分进行：部分转化为CH4，这是一种可燃气体，可回收利用；还有部分被分解为CO2、H2O、NH3、H2S等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处理法，其污泥增长率小得多。 由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥量少、可回收能量（CH4）等优点。 其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。为维持较高的反应速度，需维持较高的温度，就要消耗能源。 对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD52000mg/L）可采用厌氧生物处理法。 第二节 微生物的生长规律和生长环境微生物的生长规律 微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映。按微生物生长速率，其生长可分为四个生长期：停滞期、对数期、静止期、衰老期1. 停 滞 期： 如果活性污泥被接种到与原来生长条件不同的废水中（营养类型发生变化，污泥培养驯化阶段），或污水处理厂因