水处理基础知识

水处理基础知识(总

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水 处 理 基 础 知 识

培

训

讲

义

2016年10月

第一章 污水水质与污染指标

污水分类：生活污水、工业废水、初降雨

一、污水的物理性指标

1 感官性状指标

（1）温度：工业废水厂引起水体热污染。危害:

① 水中的化学反应

② 生化反应

③ 水生生物的生命活动

④ 可溶性盐类的溶解度 ⑤ 溶解氧在水体中的溶解度

⑥ 可溶性有机物的溶解度 ⑦ 水体自净及其速率

⑧ 细菌与微生物的增殖速度。

（2）色度：主要来源于金属化合物或有机化合物。所含杂质不同，色度不同。

危害：色度升高，透光性下降，水生植物的光合作用受到影响，水体自净作用减弱。

（3）嗅与味：主要来源于还原性硫和氮的化合物、挥发性有机物和氯气等。

2 固体含量

危害：产生色度，堵塞鱼腮，消耗溶解氧，恶化水质，吸附其他物质随水流迁移。

性质：有机、无机、生物

水中各种固体物的形态：

水样 蒸发 总固体（TS ）

TS ：定量水样在105~110℃烘箱中烘干至恒重所得重量。

温度升高，饱和溶解氧浓度越低，亏氧量越低，大温度升高，化学反应速度越高，耗氧量越高，溶解氧含

水样沉降可沉降固体

二、污水

的化学性

指标

1 无机污

染物指标

（1）酸

碱度，无

机盐及指

标：一般

要求后污

水的pH

值在6~9

之间。当

天然水体

遭受酸碱

污染时，pH值发生变化，消灭或抑制水体中生物的生长，妨碍水体自净，还腐蚀船舶。

碱度指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，按离子状态可分为三类：氮氧化合物碱度，碳酸盐碱度，重碳酸盐碱度。

（2）植物性营养元素：过多的氮、磷进入天然水体易导致富营养化，导致水体植物尤其是藻类的大量繁殖，造成水中溶解氧的急剧变化，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。

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。它消耗水体中的溶解氧，促进藻类等浮游生物的繁殖，形成水花、赤潮，引起鱼类死亡，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

总氮（TN）一切含氮化合物以氮计的总称

TKN：总氮中的有机氮和氨氮，不包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮；

氨氮：有机化合物的分解或直接来自含氮工业废水

-N：亚硝酸盐氮和硝酸盐氮

NO

X

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，主要来自于人体排泄物以及合成洗涤剂，牲畜饲养及含磷工业废水。它易导致藻类等浮游生物大量繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡，使水质迅速恶化，危害水产资源。

（3）重金属：微量金属元素

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。

2 有机污染物指标

按被生物降解的难易程度有机物可分为2类4种：

可生物降解有机物：包括可生物降解有机物对微生物的无毒害及抑制作用，可

生物降解有机物但对微生物有毒害和抑制作用。

难生物降解有机物：难生物降解有机物对微生物无毒害或抑制作用，难生物降

解有机物对微生物有毒害和抑制作用。

（1）BOD（生化需氧量）：在水温为20℃的条件下，由于微生物（主要是细菌）的生活活动，将有机物氧化成无机物所消耗的氧量。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20天－100天完成。

实际中，以5天作为测定生化需氧量的标准时间，称五日生化需氧量（BOD

5

）。

（2）COD（化学需氧量）：用强氧化剂在酸性条件下，将有机物氧化成二氧化碳和水所消耗的氧量。

※BOD/ COD：可生化性指标，比值越大越容易被生物处理。

（3）TOD：（4）ThOD：（5）TOC：

※对于同一种污水来说，ThOD﹥TOD﹥COD

Cr ﹥BOD

5

﹥TOC

3 污水的生物性质指标

（1）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

（2）细菌总数：水中细菌总数反映了水体有机污染物程度和受细菌污染的程度。常以：细菌个数/mL计。如：饮用水小于100个/mL，医院排水小于500个/mL

（3）大肠菌群：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

第二章水体污染与自净

污染物随污水排入水体后，经过物理的、化学的与生物化学作用，使污染的浓度降低或总量减少，受污染的水体部分地或完全地恢复原状，这种现象称为水体自净作用。

按照净化机理可分为3类：物理净化作用，化学净化作用，生物化学净化

1 物理净化作用

水体中的污染物通过稀释、混合、沉淀与挥发，使浓度降低，但总量不减。

（1）稀释：

（2）混合：

（3）沉淀与挥发：

2 化学净化作用

水体中的污染物通过氧化还原、酸碱反应、分解合成、吸附凝聚等过程，使存在形态发生变化及浓度降低，但总量不减。

（1）氧化还原：水体化学净化的主要作用。

（2）酸碱反应：水体中存在的地表矿物质以及游离二氧化碳、碳酸系碱度等对排入的酸、碱有一定的缓冲能力，使水体的pH值维持稳定。

（3）吸附与凝聚：胶体微粒的存在

3 生物化学净化作用

以水体中氮的迁移转化为例介绍

有机氮 NH 4+ NO 2— NO 3

— N 2 第三章 污水的物理处理 生活污水和工业废水中都含有大量的漂浮物与悬浮物，其进入水处理构筑物会沉入水底或浮于水面，对设备的正常运行带来影响，使其难以发挥应有的

功效，必须予以去除。 物理处理的去除对象：漂浮物、悬浮物。

物理处理方法：

1) 筛滤：筛网、格栅（去除漂浮物、纤维状物质和大块悬浮物），滤池、微滤机（去除中细颗粒悬浮物）。

2) 重力分离：沉砂池、沉淀池（去除不同密度、不同粒径悬浮物）、隔油池与气浮池（去除密度小于1或接近1的悬浮物）。

3) 离心分离：离心机、旋流分离器（去除比重大、刚性颗粒）。

第一节 格栅

格栅由一组平行的金属栅条、带钩的塑料栅条或金属筛网组成。安装在污水沟渠、泵房集水井进口、污水处理厂进水口及沉砂池前。根据栅条间距，截留不同粒径的悬浮物和漂浮物，以减轻后续构筑物的处理负荷，保证设备的正常运行。被截留的污染物称为栅渣，其含水率70～80％，容重750kg/m 3 。

第二节 沉淀理论

污水中许多悬浮固体的密度比水大，因

此，在水中他们可以自然地下沉，利用这一原

理进行的废水固液分离过程称为沉淀。

一、沉淀分类

沉淀是实现固液分离或泥水分离的重要环

节，由于沉淀的对象和空间不同，其沉淀形式

也各异，根据固体颗粒在沉淀过程中出现的不

同物理现象将沉淀过程分为4类。

1 自由沉淀

当SS 浓度不高，沉淀过程中颗粒间互不

碰撞、呈单颗粒状态，各自独立地完成沉淀过

程。如沉砂池和初沉池中的沉淀。

2 絮凝沉淀

当SS 浓度较高(50~500mg/L)时，沉淀过程中颗粒间可能互相碰撞产生絮凝作用，使颗粒粒径与质量逐渐加大，沉速加快。如活性污泥在二沉池中的沉淀。

3 区域沉淀

因SS 过大，沉淀过程中相邻颗粒间互相妨碍、干扰，沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒，各自保持相对位置不变，颗粒群以整体向下速度沉降，并与上清液形成清晰的固液界面。如二沉池中下部的沉淀。

4 压缩沉淀

氨化细菌 氨化作用 亚硝化细＋O 2 硝化细菌 ＋O 2 反硝化细＋C 碱度增大 好氧或厌氧条件 碱度减小 好氧条件 碱度增大 低氧、缺氧条件

颗粒间相互支撑，上层颗粒在重力作用下挤压下层颗粒间的间隙水，使污泥得到浓缩。如二沉池泥斗和浓缩池的过程。

第四章污水的生物处理

第一节基本原理

一、活性污泥处理法的基本概念与流程

活性污泥：是由多种好氧微生物、某些兼性或厌氧微生物以及废水中的固体物质、胶体等交织在一起的呈黄褐色絮体。

活性污泥法：是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。

实质：人工强化下微生物的新陈代谢(包括分解和合成)，

生物处理系统：微生物或活性污泥降解有机物，使污水净化，但同时增殖。为控制反应器微生物总量与活性，需要回流部分活性污泥，排出部分剩余污泥；回流污泥是为了接种，排放剩余污泥是为了维持活性污泥系统的稳定或MLSS恒定。

二、活性污泥的形态和活性污泥微生物

1 活性污泥形态

（1）特征

1)形态：在显微镜下呈不规则椭圆状，在水中呈“絮状”。

2)颜色：正常呈黄褐色，但会随进水颜色、曝气程度而变（如发黑为曝气不足，发黄为曝气过度）。

3)理化性质：含水率99%，直径大小0.02~0.2mm，表面积

20~100cm2/mL，pH值约6.7，有较强的缓冲能力。其固相组分主要为有机物，约占75~85%。

4)生物特性：具有一定的沉降性能和生物活性。（理解：自我繁殖、生物吸附与生物氧化）。

（2）组成

由微生物群体Ma，微生物残体Me，难降解有机物Mi，无机物Mii四部分组成。

2 微生物组成及其作用

1)细菌：以异养型原核生物(细菌)为主，数量107～108个/ml，自养菌数量略低。其优势菌种：产碱杆菌属等，它是降解污染物质的主体，具有分解有机物的能力。

2)真菌：由细小的腐生或寄生菌组成，具分解碳水化合物，脂肪、蛋白质的功能，但丝状菌大量增殖会引发污泥膨胀。

3)原生动物：肉足虫、鞭毛虫和纤毛虫3类，捕食游离细菌。其出现的顺序反映了处理水质的好坏（这里的好坏是指有机物的去除），最初是肉足虫，继之鞭毛虫和游泳型。

4)纤毛虫：当处理水质良好时出现固着型纤毛虫，如钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫、盖纤虫等。

5)后生动物(主要指轮虫）：捕食菌胶团和原生动物，是水质稳定的标志。因而利用镜检生物相评价活性污泥质量与污水处理的质量。

3 微生物增殖与活性污泥的增长

（1）微生物增值：在污水处理系统或曝气池内微生物的增殖规律与纯菌种的增殖规律相同，即停滞期（适应期），对数期，静止期（减速增殖期）和衰亡期（内源呼吸期）。

（2）从时间上看

1)停滞期：污泥驯化培养的最初阶段，即细胞内各种酶系统的适应期。此时菌体不裂殖、菌数不增加。

2)对数期：细胞以最快速度进行裂殖，细菌生长速度最大，此时微生物的营养物质丰富，生物生长繁殖不受底物或基质限制。如A段；在此阶段微生物增长的对数值与时间呈直线关系。其微生物数量大，但个体小，其净化速度快，但效果较差，只能用于前段处理（相当于生物一级强化工艺）。

3)减速增殖期：由于营养物质被大量耗消，此时细胞增殖速度与死亡速度相当。活菌数量多且超于稳定，个体趋于成熟。如B段（相当于二级处理）。

4)衰亡期：营养物基本耗尽，微生物只能利用菌体内贮存物质，大多数细胞出现自溶现象，细菌死亡多，增殖少，但细胞个体最大、净化效果强（对有机物而言）。同时，自养菌比例上升，硝化作用加强。如氧化沟或硝化段（相当于二级半或延时曝气工艺）。

可见不同增殖期对应于不同微生物组合，对应于不同生物处理工艺。

（3）从空间看：

由前至后污染物浓度不断降低，微生物数量由对数期逐步过渡至衰亡期，微生物组成由细菌逐步过度为轮虫等，水质逐步变好——类似于水体自净这一污水处理的原型。

4 絮体形成

活性污泥的核心——菌胶团，它是成千上万细菌相互粘附形成的生物絮体。其在对数增长期，个体处于旺盛生长，其运动活性大于范德华力，菌体不能结合；但到了衰亡期，动能低微，范德华力大，菌体相互粘附，形成生物絮体，因此静止期与衰亡期个体是活性污泥的重要微生物。

三、活性污泥净化反应过程

1 初期吸附去除

污水与活性污泥接触5-10min，污水中大部分有机物(70%以上的BOD，75%以上COD)迅速被去除。此时的去除并非降解，而是被污泥吸附，粘着在生物絮体的表面，这种由物理吸附和生物吸附交织在一起的初期高速去除现象叫初期吸附。

吸附速度取决于：

①微生物的活性程度——饥饿程度，衰亡期最强；

②水动力学条件：泥水接触或混合越迅速、越均匀、液膜更新越快，接触时间越长则越好；泥水接触水力学状态以湍流或紊流为好，但过大会击碎絮体。

2 微生物的代射

被吸附的有机物粘附在絮体表面，与微生物细胞接触，在渗透膜的作用下，进入细胞体内，并在酶的作用下或者被降解，或者被同化成细胞本身。

其代谢产物的模式如下图：

从上述结果可以看出，污染物的降解主要是通过静止期、衰亡期微生物的内源呼吸进行，并非直接的生物氧化(仅33％)。

第二节活性污泥净化反应影响因素与主要设计、运行参数

一、影响因素

1 营养物组分

有机物、N、P、以及Na、K、Ca、Mg、Fe、Co、Ni等（营养物和污染物只是以数量及其比例相对而言）。对工业废水，上述营养比例一般不满足，甚至缺乏某些微量元素，此时需补充相应组分。

2 DO

据研究当DO高于0.1~0.3mg/L时，单个悬浮细菌的好氧化谢不受DO影响，但对成千上万个细菌粘结而成的絮体，要使其内部DO达到0.1~0.3mg/L 时，其混合液中DO浓度应保持不低于2mg/L。

3 pH值

pH值在6.5~7.5最适宜，经驯化后，以6.5~8.5为宜。

4 t（水温）

以20~30℃为宜，超过35℃或低于10℃时，处理效果下降。故宜控制在15℃~35℃，对北方温度低，应考虑将曝气池建于室内。

5 有毒物质

重金属、酚、氰等对微生物有抑制作用。 Na、Al盐，氨等含量超过一定浓度也会有抑制作用。

二、活性污泥处理系统的控制指标与设计，运行操作参数

活性污泥处理系统是一个人工强化与控制的系统，其必须控制进水水量，水质，维持池内活性污泥泥量稳定，保持足够的DO，并充分混合与传质，以维持其稳定运行。

1 微生物量的指标

混合液悬浮固体浓度（MLSS）：在曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体的总重量，由Ma+Me+Mi+Mii组成。

混合液挥发固体浓度（MLVSS）：混合液活性污泥中有机性固体物质部分的浓度，由MLVSS=Ma+Me+Mi组成。

2 活性污泥的沉降性能及其评定指标

污泥沉降比SV（%）：混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分比。

第三节污水的生物处理方法——生物膜法

生物膜——是使细菌、放线菌、蓝绿细菌一类的微生物和原生动物、后生动物、藻类、真菌一类的真核微生物附着在滤料或某些载体上生长繁殖，并在其上形成膜状生物污泥。

生物膜法：污水经过从前往后具有细菌→原生动物→后生动物、从表至里具好氧→兼氧→厌氧的生物处理系统而得到净化的生物处理技术。

一、生物构造及其对有机物的降解

1 生物膜的构造特征

生物膜(好氧层＋兼氧层＋厌氧层)

＋附着水层(高亲水性)。

2 降解有机物的机理

1)微生物：沿水流方向为细菌——原生

动物——后生动物的食物链或生态系

统。具体生物以菌胶团为主、辅以球衣菌、藻类等，含有大量固着型纤毛虫（钟虫、等枝虫、独缩虫等）和游泳型纤毛虫（楯纤虫、豆形虫、斜管虫等），它们起到了污染物净化和清除池内生物（防堵塞）作用。

2)污染物：重→轻(相当多污带→α中污带→β中污带→寡污带).

3)供氧：借助流动水层厚薄变化以及气水逆向流动，向生物膜表面供氧。

4)传质与降解：有机物降解主要是在好氧层进行，部分难降解有机

物经兼氧层和厌氧层分解，分解后产生的H

2S，NH

3

等以及代谢产物由内向外传

递而进入空气中，好氧层形成的NO

3－－N、NO

2

－－N等经厌氧层发生反硝化，产

生的N2也向外而散入大气中。

5)生物膜更新：经水力冲刷，使膜表面不断更新（DO及污染物），维持生物活性（老化膜固着不紧）。

二、生物膜的主要特征

1 微生物相方面的特征

1)参与净化反应微生物多样化；

2)食物链长，污泥产率低；

3)能够存活世代较长的微生物；

4)可分段运行，形成优势微生物种群，提高降解能力。

2 工艺方面的特征

1)对水质水量变动有较强适应性；

2)污泥沉降性能好，宜于固液分离；

3)能处理低浓度污水；

4)易于维护管理、节能。

第四节生物接触氧化

一、生物接触氧化的工作原理

生物接触氧化处理技术的实质之一是在池内充填填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定的流速流经填料。在填料上布满生物膜，污水与生物膜广泛接触，在生物膜上微生物的新陈代谢功能的作用下，污水中有机污染物得到去除，污水得到净化。

生物接触氧化处理技术的另一项技术实质是采用与曝气池相通的曝气方法，向微生物提供气所需要的氧，并起到搅拌与混合作用。

二、基本构造

1 构造

由池体、填料、进水装置、曝气系统组成

池体：圆形、矩形、方形。填料高3~3.5m，底部布气层高为0.6~0.7m，顶部稳定水层0.5~0.6m，H总=4.5~5.0m

填料：蜂窝式填料，波纹板状填料，半软性填料，弹性立体填料，不规则粒状填料，球状填料

第五章生物除磷技术

一、除磷方法概述

1)使磷成为不溶性的固体沉淀物从污水中除去(化学法)

2)使磷以溶解态被微生物同化，与微生物一起被分离出去，从而达到除磷的目的(生物法)。

二、化学法除磷

1 铝盐除磷

Al3+ + PO

43-→AlPO

4

2 铁盐除磷

Fe3+ + PO

43-→FePO

4

3 石灰混凝除磷

5Ca2+

+ OH- + 3PO

4

3-→Ca

5

(OH)(PO

4

)3-

三、生物除磷方法的原理

生物除磷是利用聚磷菌一类微生物，能够过量地、在量上超过其正常细胞合成的需要，从外部环境摄取磷，并将磷以聚合的形态储存在菌体内，形成高磷污泥，通过排泥达到从污水中除磷的目的。

1 聚磷菌对磷的过量摄取

在好氧条件下，聚磷菌进行有氧呼吸，不断分解其细胞内储存的有机物，

其释放的能量为ADP获得并结合正磷酸生成ATP，而利用的H

3PO

4

基本上是通过

主动运输从外部环境摄入细胞内的，除用于合成ATP外，其余被用于合成聚磷酸盐。从而出现磷过量摄取(luxury uptake)的现象。

2 聚磷菌释磷

在厌氧条件下，聚磷菌体内的ATP进行水解，放出H

3PO

4

和能量，生成

ADP。

第六章 Fenton处理系统简介

一、概述

过氧化氢与催化剂Fe2+构成的氧化体系通常称为Fenton试剂。在催化剂作用下，过氧化氢能产生两种活泼的氢氧自由基，从而引发和传播自由基链反应，加快有机物和还原性物质的氧化。Fenton试剂一般在pH =3.5下进行，在该pH值时羟基自由基生成速率最大

1894年，化学家Fenton首次发现有机物在(H2O2)与Fe组成的混合溶液中能被迅速氧化，并把这种体系称为标准Fenton试剂，可以将当时很多已知的有机化合物如羧酸、醇、酯类氧化为无机态，氧化效果十分明显。Fenton试剂是

由H

2O

2

和Fe混合得到的一种强氧化剂，特别适用于某些难治理的或对生物有毒

性的工业废水的处理。由于具有反应迅速、温度和压力等反应条件缓和且无二次污染等优点，近30年来，其在工业废水处理中的应用越来越受到国内外的广泛重视。

二、影响因素

1、PH值

因为Fe 在溶液中的存在形式受制于溶液的pH值，所以Fenton试剂只在

酸性条件下发生作用，在中性和碱性环境中，Fe不能催化H

20

2

产生·OH。研究

者普遍认为，当pH值在2-4范围内时，氧化废水处理效果较好，最佳效果出现在pH=3时。当pH值增加并超过3时，废水中的COD迅速升高，从而得到最优点pH=3。在该条件下，COD的去除率达到80%。

在Fenton反应中，Fe起到催化剂的作用，是催化H

20

2

产生自由基的必要

条件。在无Fe条件下，H

20

2

难于分解产生自由基。当Fe浓度很低时，反应速

度很慢，自由基的产生量小，产生速度慢，整个过程受到限制。当Fe浓度过高

时，会将H

20

2

还原且被氧化成Fe，造成色度增加。

2、反应温度

根据反应动力学原理，随着温度的增加，反应速度加快。但对于Fenton 试剂这样的复杂反映体系，温度升高，不仅加速正反应的进行，也加速副反

应。因此，温度对Fenton试剂处理废水的影响复杂。适当的温度可以激活·OH

自由基，温度过高会使H

20

2

分解成H

2

O和O

2

。

3、投加方式

正如前面所提，Fenton试剂在不同的Fe/ H

20

2

比值下具有不同的处理功

能。FeSO

4大于H

2

2

时，Fenton试剂具有化学絮凝作用。当后者大于前者时，

Fenton试剂具有化学氧化功能。因此，将整个反应过程分为两步进行，两步中考察不同的侧重点，可能具有实际意义。有关实验将Fenton试剂的一次投加

(FeSO

4/ H

2

2

比值为400/1000) 和二次投加(FeSO

4

/ H

2

2

比值为300/100，

100/900) 进行比较，结果发现，尽管反应进行到第二步时，COD的去除率仍有累积效应。但总的去除率并没有明显的提高。

此外，影响Fenton试剂处理程度的因素还有诸如有机物的浓度、停留时间、压力等，因此，在工程实践中需要综合考虑多种因素以确定最佳的处理工艺，才能取得良好的经济运行效果。

第七章可能存在问题及解决办法

厌氧段中存在的问题及解决方法：

好氧段中存在的问题及解决方法：