第2章-污水与污泥特性

第 2 章 废水与污泥特性 Mogens Henze 著 来自一种混合来源的各种不同的分析方法用于废水和污泥的特性分析 他们当中许多 方法是特别用于污水处理厂及及其处理工艺的 下面对一些特性分析方法加以描述 关于 这方面的详细论述参见参考文献 1 2 3 2 1 悬浮固体 将污染物分为溶解的与悬浮的 是最为本质的划分 因为这对于许多处理工艺而言都 是仅对其中之一有效 而对另一种是无效的 可溶的与可悬浮的物质的划分并未经过很好的定义 在丹麦 使用孔径为 16 m 的滤 膜 GF A 型滤膜 该滤膜能截留水中大部分细菌与其他粒子 在其他大多数国家中 使 用孔径为 1 m GF C 或 0 45 m 左右的滤膜 当然 这些滤膜能够去除更多的悬浮固体 通过滤膜的固体定义为溶解固体 S 而被滤膜截留的固体则定义为悬浮固体 X 见图 2 1 图 2 1溶解固体与悬浮固体的区分 丹麦标准 4 总固体为 C C S X 2 1 与化学沉淀有关 粒径 0 1 m 的粒子可沉淀下来 因此 0 1 m 的滤膜过滤来确定 悬浮固体 可能是个好主意 对于分离与沉淀工艺而言 粒子在污 水中的分布是最基本的 图 2 2 表明了粒子 可能的分布 不考虑污水浓度在三个取样 期内的变化 由曲线的外观可以看出 它 24 第 2 章 废水与污泥特性 们存在着一个特定的方式 污水有其特有 的特性 有时 使用溶解性指数来表示 定义为 S C 2 2 2 1 1 可沉固体 可沉固体一般按沉淀 2 小时来确定 即未处理的污水中固体总量与沉淀 2 小时 后污水上清液中固体含量的差值 2 2 有机物质 污水通常含有上千种不同的有机质 单独测量每一种有机物是不可能的 因此 要采用不同的集合分析 其中包含了大部 分或少部分有机物 其集合分析的概率统 计可以由有机物氧化的反应方程式来说明 在此 其组成可以由平均组成 C18H19O9N 图 2 2 原污水中颗粒的分布 来自丹麦 Lundtofte 处理厂 19 来表示 5 C18H19O9N 17 5O2 H 18CO2 8H2O NH 2 3 如果有机物被氧化 可以测量所消耗的氧 即 BOD COD TOD 分析 或所产生的 CO2 TOC 分析 不同的方法会产生不同的结果 因此它们之间不能不加区别地互相替 表 2 1 对两类 不同污水的不同测量方法分别给出了分析值 分析参数的选择已经是 比并仍将是讨论的主题 通常 化学分析快 但不能总代表 其相对大小 生化分析慢 许多情况下 却可以代表其相对大小 生化需氧量 BOD BOD5 BOD5代表 5 日生化需氧量 BOD 分析是在本世纪到来前不久由英国开发的 这种分 析的创意是 由于污染水中的氧消耗是由微生物引起的 其耗氧量的测定即可反应水被污 染的程度 由于耗氧量随反应时间与温度的增加而增加 见图 2 3 因此 原来规定使用 标准值 即温度 650F 约 18 时间 5 天 现在规定温度为 20 BOD 分析用于测量氧化有机物及氨氮所消耗的氧 5 天时间内 主要可生物降解物质 将被氧化程度见图 2 3 相应的 20 曲线 由于耗氧量通常在 5 天后测定 因此图 2 3 所示的曲线对其变化形式并未提供可用的 信息 曲线形式的变化可以相当强烈 如图 2 3 该图并未揭示可降解的有机物的量与氨 氮氧化的量 污水中有机物质的分析及其相互关系表 2 1 典型浓度 gO2 m3 2 1 悬浮固体 25 项目分析名称 原污水未经硝化的生物处理的污水 CCODP CBOD CBOD7 CBOD CCOD SS COD XS COD CTOD CTOD 理论 CTOC CTOC 理论 化学需氧量 高锰酸钾 5 日生化需氧量 7 日生化需氧量 总生化需氧量 化学需氧量 重镉酸钾 易生物降解 COD 慢速生物降解物质 总需氧量 900 铂催化 理论总需氧量 总有机碳 800 理论 TOC 180 280 320 400 600 60 200 800 850 200 200 30 25 30 35 100 5 10 230 270 35 35 如果有机物质含量已知 通过化学计算可得 单位 g C m3 不同的有机物具有不同的耗氧量 这表明 BOD 分析只能给出大致的有机物氧化量 BOD 的测量过程如图 2 5 所示 传统的稀释法最常用 11 污染水与曝气的清水混合 混合液转移到瓶子内 瓶口密封以保证液面上没有空气 污染水中的微生物消耗氧 因此 要确保 5 天中氧的存在 如果氧被消耗或者浓度过低 测量结果不能使用 所以 有必要 制成稀释系列 以确保 5 天后至少一瓶内仍有充足的氧 图 2 3 典型 BOD 曲线 9 基于 5 日生化耗氧量及烧瓶内污水的体积 可以计算 BOD 单位为 g m3 或 mg L BOD 值仅代表生物可降解物质的一部分 这使得利用 BOD 来做污水处理厂的物料平 衡计算 变得十分困难 更完全的分析要通过将 BOD 试验的时间从 5 天延长至 20 到 30 天来获得 对普通污水来说典型的 BOD 值比 BOD 5 天 高 40 50 即 BOD BOD 约为 0 6 0 7 尽管 BOD BOD 的比值变化很大 但可因生物处理而减小 26 第 2 章 废水与污泥特性 图 2 4 工业污水与一般城市污水不同降解速率的实例 10 自动分析仪可减少时间的消耗 这些方法基于这样一个事实 即污水样 通常是未经 稀释的 直接存放于容器内 液面上带有空气 耗氧量既可通过低压方式 即氧在密封容 器内被消耗 来测量 又可通过补充容器内的氧以维持其压力来测定 自动分析仪的结果 可能会相当地偏离稀释倍数法 例如 有毒物质会破坏氧化过程 而导致未经稀释的自动 分析中偏低的 BOD 值 这说明了使用 BOD 分析的问题 即当在不同实验室使用同样方法 时与使用不同方法时所产生的较大的不确定性与结果的可变性 图 2 5 BOD 的分析方法 12 对于一般的城市污水而言 清水的稀释倍数约为 100 倍 起初 BOD 分析的 开发并非用于污水处理厂的设计 但它仍然广泛地用于这一目的 即使 COD 分组分析已有迹象用于更先 进的设计中 例如计算机模型的使用 2 7 污泥的呼吸速率 27 例 2 1 测出原污水中 BOD 5 日 为 240g O2 m3 估计 BOD 的值 通常 BOD BOD 0 6 0 7 在此估计 BOD BOD 0 7 BOD BOD 0 7 240 g m3 0 7 340 g O2 m3 确实 计算值为 BOD 342 g O2 m3 但作为估计值而言 2 这些读数可以省略 即 BOD 340 g O2 m3 改进的 BOD 测定 如果要将氨与有机物的氧化分开 需要作改进的 BOD 分析 将某种物质加入实验室 烧瓶 例如 硫脲 抑制氨的氧化却不影响有机物的氧化 这种分析程序本身并未改变 分析结果只包含有机物的氧化 改进的 BOD 分析方法有时用于生物处理厂的出水测定 化学需氧量 CODP 和 COD 不同的化学氧化剂用于此项分析 高锰酸钾和重镉酸钾 高锰酸钾用于测定化学需氧量 CODP 是一种很不完全的有机物的氧化 因此只能 用于估计做 BOD 分析时的稀释倍数 使用重镉酸钾 氧化更彻底 包括不同的无机物 NO S S2O Fe2 SO 的氧化 氨与铵盐并不氧化 而是因有机氮的氧化而释放 所测的 COD 值能够很好地反 应有机物的总量 因为所提到的无机物在污水中的浓度通常并不高 COD 分析可以自动实现 且相对较快 1 2 小时 COD 值适于计算处理厂的物料 平衡 CODP和 COD 都以氧的单位表示 例如 g O2 m3 这意味着高锰酸钾和重镉酸钾的 消耗被转化为等价的需氧量 即用氧进行氧化时所耗的氧量 COD 的划分 COD 值代表大量能够改变生物性质的有机物质 出于污水厂计算的考虑 COD 可以 做如下划分 13 CCOD SS SI XS XI 2 4 式中 SS 可溶性 易生物降解基质 SI 可溶性生物惰性有机质 XS 悬浮性 慢速可生物降解基质 XI 悬浮的生物惰性有机质 要确定这 4 个组分需要大量分析与计算工作 因此它们不可能用于污水厂每天的管理 控制与运行 但对于污水厂的设计和运行试验却可能非常重要 对可用于污水厂设计和运 行优化的计算机模型也是如此 生物处理厂中的惰性物质降解缓慢 因此实际中经常作为不可生物降解物质看待 对于两个可生物降解组分 SS和 XS 将其划分为溶解的和悬浮的并不确切 但溶解性 固体以易生物降解基质为主 悬浮性固体以慢速可生物降解基质为主 因此分析时给出这 两种可能性 这两类物质的大致估计可通过过滤确定 亦可通过生物降解速率确定 在某种情形下可生物降解部分的 COD 可进一步划分 溶解性易生物降解 COD 可分为 28 第 2 章 废水与污泥特性 两部分 极易生物降解基质 SHAc 和易生物降解基质 SS 极易生物降解基质可由微生 物体直接去除 它可能扩散到生物絮体和生物膜中 易生物降解基质可能会水解后再扩散 并被微生物体所吸收 极易生物降解基质对于生物除磷可能非常重要 因为它在此过程中 起决定性作用 与此相似 极易生物降解基质对于极高负荷工艺中的需氧量而言非常本质 悬浮的易降解有机质可以分为微生物体 XB 和其它悬浮性物质 XS 污水中的微生 物体可以影响生物处理厂中的生物组成 因此会影响去除率和处理效率 下面简要概括一下如何测定单个的 COD 组分 惰性可溶性有机质 SI 通过污水与活性污泥混合 经过 20 30 天的氧化来确定 必须做与活性污泥单独混合的平行的空白实验 易降解有机质 SS 可以在呼吸试验的基础上确定 18 这样试验的例子示于图 2 6 产率常数 YH 已知 SS可以通过氧的物料平衡来确定 rv O2v qSS 1 YH SS rv O2 1 YH 2 5 由于 1 YH 为氧化的易降解有机质部分 而 YH为转移到生物量中的部分 为水力 停留时间 图 2 7 所示的 BOD 曲线也可用于估计 SS 假定曲线的第一个 快速 部分代 表 SS 极易降解的可溶性有机质 SHAc 是易降解有机质的一部分 尚无切实可行的测 定方法 其相当一部分组成醋酸 可通过气相色谱 离子色谱等来确定 摩尔重 量小于 800 1000 的物质浓度构成了这一组分的主要部分 但仍有少量低分子量 的溶解性惰性物质 悬浮的惰性有机质在污泥产率基础上通过改变泥龄来测定 XI也可以在好氧污泥 长期稳定的基础上来估测 悬浮的易降解有机质可由总 COD 和其它组分之间的差值来确定 即 XS CCOD XI SHac SS SI 细菌浓度 XB 可以在呼吸试验的基础上计算 16 例如 其中 20 下污水中每 公斤细菌呼吸耗氧估计为 200g O2 h 硝化菌的量可由以硝酸盐作为电子受体 约 为 70g NO N kg 细菌 h 的平行呼吸试验来确定 细菌浓度亦可通过 ATP 计数测量 脱氢酶测量等来估计 总需氧量 通过使用适当的催化剂 在高温氧化可以确定总需氧量 称之为 TOC 通过这种分析 少量不被 COD 分析所氧化的有机化合物可以被氧化 此外 铵盐亦被氧化 因此 TOD 的 值比 COD 的值多少要高 见表 2 1 总有机碳 利用这种分析 有机物质可以通过加热氧化为二氧化碳 氧化前后 二氧化碳的浓度 差用于计算 TOC TOC 与其它有机质的联系并非十分清晰 因为它表明了碳原子的数量 但并未说明其 氧化的状态 因此也不清楚究竟有多少氧用于氧化 在表 2 2 和 2 3 中 给出了一些物质的 TOC BOD 和 BOD20的值 2 7 污泥的呼吸速率 29 图 2 6 确定易降解有机质 基于 rV O2和 SS可以利用表达式 2 5 计算 13 图 2 7 城市污水与屠宰废水混合的 BODt曲线 例 2 2 两种污水 TOC 的分析值均为 12g m3 一种含甲烷 另一种含乙酸 计算两种水样的 COD 值 若均通过 COD 分析氧化 1 甲烷 CH4 1 mol CH4含 1mol 碳 12 g 表明污水含有 1 mol CH4 甲烷氧化 CH4 2O2 CO2 2H2O 2 6 需氧量 2O2 2 16 2 64 g 氧 COD 64 g m3 2 乙酸 CH3COOH 1 2 mol CH3COOH 含 1 mol 碳 12g 表明污水含有 1 2 mol 乙酸 30 第 2 章 废水与污泥特性 有机物质的耗氧与可生化性 14 表 2 2 TOC BODBOD20物质公式碳 gO2 g 物质 甲烷CH4754 乙烷C2H6803 74 己烷C6H14843 54 乙烯C2H4863 43 乙炔C2H2923 07 三氯甲烷CHCl3100 36 四氯甲烷Cl480 21 乙酸乙酯C4H10O652 59 丙酮C3H6O622 210 54 甲酸CH202260 350 090 25 乙酸C2H4O2401 070 700 90 丙酸C3H6O2491 521 301 40 丁酸C4H8O2551 821 151 45 戌酸C5H10O2592 041 401 90 16 碳酸C16H32O2752 881 681 84 18 碳酸C18H36O2762 931 131 59 乙二酸C2H2O4270 180 100 12 丁二酸C2H2O4410 950 640 84 顺丁烯二酸C4H4O4410 83 乳酸C3H6O3401 070 540 96 酒石酸C4H6O6310 530 350 46 柠檬酸C6H8O7370 750 460 67 甘氨酸C2H5O2N310 96 0 55 丙氨酸C3H7O2N401 35 0 94 缬氨酸C5H11O2N511 84 谷按酸C5H9O4N411 14 酪氨酸C9H11O3N601 81 甲醇CH4O371 500 961 26 乙醇C2H6O522 091 351 80 丙醇C3H5O602 401 42 戌醇C5H12O682 731 271 73 理论计算值 包括硝化 2 7 污泥的呼吸速率 31 1 2 mol 乙酸氧化 1 2 CH3COOH O2 CO2 H2O 2 7 需氧量 O2 16 2 32 g COD 32 g m3 显然 尽管两种类型的水具有同样的 TOC 值但 COD 含量都大不相同 2 3 氮 与有机物质相似 污水中的氮可以分为若干组分 有机物质的耗氧与可生化性表 2 3 TOD BODBOD20物质公式碳 gO2 g 物质 乙二醇C2H6O2391 290 49 丙三醇C3H8O3391 220 720 94 MannitolC6H14O6401 140 680 94 葡萄糖C6H12O6401 070 640 95 乳糖C12H22O11421 120 610 91 糊精C6H10O5451 190 520 84 淀粉C6H10O5451 190 680 90 苯C6H6923 07 甲苯C7H8913 13 萘C10H8943 00 酚C6H6O772 391 702 00 对甲苯酚C7H8O782 521 601 80 萘酚C10H8O832 560 931 60 邻本二酚C6H6O2651 890 900 90 苯甲酸C7H6O2691 971 251 45 水杨酸C7H6O3611 620 951 25 苯甲醇C7H8O782 521 551 95 苯胺C6H7N772 66 1 49 比啶C5H5N762 53 1 15 ChinloanlC9H7N842 66 1 71 理论计算 包括硝化 CTN SNOX SNH SI N XS N XI N 式中 CTN 总氮 32 第 2 章 废水与污泥特性 SNOX 硝态氮与亚硝态氮之和 SNH 氨氮与按盐之和 SI N 可溶性随性有机氮 XS N 悬浮性易降解有机氮 XI N 悬浮性惰性 有机 氮 氮的组分既可以通过传统分析值来确定 凯氏氮 亚硝态氮 硝态氮 氨氮 也 可以作为有机粒子的一部分来确定 通常可以假定 不同有机组分中的氮相当恒定 因此 有 SI N fSI NSI COD 2 9 XI N fXI NXI COD 2 10 XS N fXS NXS COD 2 11 其中 fSI N fXI N和 fXS N的典型值为 0 04 0 08 溶解性惰性氮 SN I在一般城市污水中 变化有当大 1 4 g N m3 因此当要求也水氮浓度较低时会引起问题 表 2 4 给出城市污水有机物质中氮 碱的典型组分 城市污水有机物质中氮磷的组分 g g COD 20 表 2 4 符号组分典型范围 SS易生物降解 发酵性 基质NP SA挥发酸 乙酚 SI惰性不可生物降解有机质 XI惰性不可生物降解有机质 XS慢速可生物降解基质 XH异养性生物量 XPAO聚磷菌 XPHA贮存的聚 羟丁酸 XA自养性硝化菌 2 4磷 污水中的磷可分为以下组分 CTP SPO4 Sp P Sorg P Xorg P 2 12 式中 CTP 总磷 SPO4 可溶性无机正磷 Sp P 可溶性无机聚磷 Sorg P 可溶性有机磷 Xorg P 悬浮性有机磷 2 7 污泥的呼吸速率 33 通常没必要更详细地划分磷 这些组分的分析可以使用众所周知的实验方法 2 5 碱度 TAL 污水中的碱度非常重要 因为它能够缓解酸 碱的影响 碱度用传统的滴定法 用酸 滴定至终点 pH 为 4 5 时来测定 其值越大 缓冲能力越大 不同的污水处理工艺能改变碱度 硝化 反硝化和化学沿淀就是这样 通常碱度超过 5 eqv m3的城市污水不会引起硝化 反硝化与同时沉淀的问题 而较低的碱度合导致 pH 的 下降从而降低这些工艺过程的效率 从另一方面讲 在预沉淀和后沉淀中 较低的碱度又 成为优点 因为只需少量化学药剂来获得期待的 pH 值 2 6 污泥容积指数等 污泥体积表明活性污泥絮凝与沉降的特性 污泥容积指数即污泥相在量筒中沉淀 0 5 小时后的污泥浓度的倒数 SVI 单位通常为 ml gSS 1 0 5 X 其中 X0 5为污泥相在 0 5 小时沉淀后的污泥浓度 污泥指酸愈低 絮凝与沉降愈好 如若在沉降过程中进行搅拌 则此 搅拌的 的污 泥容积指数与常规相比较小 污泥指数 用德语讲 即 Schlammindex 或 MollmansIndes Index 通常认为 100 ml g 的 SVI 值能够令人满意地确保活性污泥厂的良好功能 通过这种方 式有可能维持一个满意的回流污泥浓度 并保证良好的沉降性能 污泥密度指数表明污泥相在 30 min 沉降后的污泥浓度 X0 5 污泥百分数表明 30 min 沉降后 污泥相体积占初始体积的百分比 例 2 3 从曝气池中取活性污泥样 充入 1 升的标准量筒 污泥浓度为 5 gSS L kgSS m3 30 分 钟后 沉降的污泥相为 400 ml 上部水澄清 求污泥容积指数 污泥密度指数和污泥百分数 污泥体积指数 5 g 污泥占 400 ml SVI 400 ml 5 g 80 ml g 污泥密度 5 g 污泥占 400 ml SDI 5 g 400ml 5 g 0 4 L 12 5 g L 污泥百分数 400 ml 1000 ml 100 40 2 7 污泥的呼吸速率 污泥的氧利用率 OUR 或硝酸盐利用率 NUR 可以提供污泥条件的基本情报 图 2 8 所示为一呼吸实验的结果 先将污水充氧到较高的溶解氧浓度 8 12 g m3 接着停 34 第 2 章 废水与污泥特性 止氧化 仍继续搅拌污水 曲线的斜率与干污泥固体的测定 COD SS 或 VSS 相结合 可以用来计算原污水中污泥的呼吸 在此 其值约为 50 gO2 kgVSS h 20 40 gO2 kgVSS h 的活性污泥呼吸速率表明污泥是活性的 较低的呼吸速率 5 10 gO2 kgVSS h 表明其它情况 如 污泥中毒 易降解有机质不存在 污泥已稳定 例如 好氧污泥稳定 平行地测定硝酸盐呼吸率 可以找到反硝化菌的比例 g g 硝酸盐呼吸速率 m e egv h 氧呼吸速率 m e egv h 2 13 将氧与硝酸盐分别转化为电子当量可通过转挽因子来实现 32 g 氧 1 mol O2 4 e eqv 14 g 硝酸盐氮 1 mol NO3 N 5 e eqv 图 2 8 原污水的呼吸实验 氧与硝酸盐呼吸 15 氨的呼吸速率 AUR 可用于估算硝化菌的量 自养菌 16 例 2 4 活性污泥样品的呼吸速率已测定分别为 32 g O2 kgVSS h 和 7 g NO3 N kgVSS h 求 反硝化菌的比例 g 32 g O2 kgVSS h 等于 32 g O2 32 g O2 4 e eqv 4 e eqv kgVSS h 一个良好的呼吸速率表明污泥是活性的 有机物质作为基质可用的 7 g NO3 N kgVSS h 等于 7 g NO3 N 14 g NO3 N 5 e eqv 2 5 e eqv kgVSS h 7 g N g Vss h 是较高的反硝化速率 表明该污水具有良好的易降碳源 g 2 5 4 0 63 这是一般的反硝化菌的比例数 参考文献 35 参考文献 1 APHE 1985 Standard Methods for the Examination of Water and Waste water 16th edition American Public Health Association Washington D C 2 VCH 1989 Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser Abwassen undSchlamm Untersuchung Bd I lll German Standard Procedures for the Exa mination of Water Wastewaters and Sludge Volumes I lll VCH Verlagsge sellschaft Weinheim 3 Danske standarder for analysemetoder for vand Danish Standards forMethods of Analysis for Water Danish Standards Association Copenhagen 4 DS 207 1985 Vandunders gelse Suspenderet stof og gl derest Total NonFiltrable Residue and Fixed Matter in Non Filtrable Residue Danish Stand ards Association Copenhagen 5 Popel E editor 1975 88 Lehrbuch filr Abwassertechnik und Gewdsser schutz Texthook for Wastewater Engineering and Protection of AquaticEnvironment Deutcher Fachschriften Verlag Wiesbaden 6 Institut filr Wasserversorgung Abwasserreinigung und Gewdsserschutz derTechnischen Hochschule Wien 1972 Kldranlage Wien Inzersdorf Blumen tal Betriebsbericht fur den Zeitraum Oktober 1969 Oktober 1972 Institutefor Water Supply Wastewater Treatment and Protection of Aquatic Environ ment Vienna Technical University 1972 Treatment plant Wien Inzersdorf Blumental Report on the operation for the period October 1969 to October 1972 7 Lynghy Taorbesk Kommune 1977 Analyser fra Lynghy Taarbeek Kornrnunes rensningsanlesg i Lundtofte 1970 1977 The Municipality of Lynghy Taarbesk 1977 Analyses from the treatment plant in Lundtofte owned by the Muni cipality of Lyngby Taorbeek 1970 1977 8 Metcalf k Eddy hic 1991 Wastewater Engineering Treatinent Disposaland Reuse McGraw Hill Book Company New York N Y 9 Gotaas H B 1948 Effect of Temperature on Biochemical Oxidation ofSewage Sewage Works Joumal 20 441 477 10 Frederiksen J 1963 Om nedbrydningshastigheden af sukketholdigt spil devand About the degradation rate for wastewater containing carbohy drate Hedeselskabets Ttdsskrift 84 136 143 11 DS 1977 5 dogns biokemisk oxygenforbrug BOD wateranalysis Deter mination of biochemical oxygen demand BOD Danish Standards Associa tion Copenhagen DS R 254 12 Henze M 1986 BOD eller BIS analysen Vand h Miljo 3 30 31 The BOD or BODS analysis Vand k Miljo 3 30 31 13 Henze M Grady C PL Gujer W Marais G v R and T M