生物工程环境治理实验教案

环境治理综合实验主讲白春节生物与环境学院环境科学系2014-02-25,实验项目,实验1：间歇式活性污泥法（SBR）实验（1）实验2：间歇式活性污泥法（SBR）实验（2）实验3：污水处理动态模型实验实验4：膜生物反应实验实验5：曝气充氧实验,实验1间歇式活性污泥法（SBR）实验（1）,一、目的1.了解SBR法系统的特点2.加深对SBR法工艺及运行过程的认识3.掌握微生物接种、驯化过程4.掌握MLSS、MLVSS、SV%、SVI的测定及计算方法,二、实验原理,SBR又称序批式活性污泥法（SequencingBathReactorAct-ivatedSludgeProcess），其工作过程如上图所示5个阶段，因生物处理工艺需要微生物，所以该工艺投入运行初期需要微生物接种，而处理水质不同，接种微生物需要驯化培养才能具有较强的净化功能。在培养过程中需要判断生物生长状况好坏，其判断指标为MLSS、MLVSS、SV%、SVI以及镜检。,三实验装置与仪器,1SBR装置2量筒、烧杯、烘箱、滤纸3漏斗、三角瓶、电子天平4移液管、称量瓶、COD测定所需仪器与试剂5溶解氧仪、pH计、马弗炉,四、实验材料,1接种物泥2COD测定所需试剂,五、实验步骤,1.根据实验装置的原理熟悉其自动工作步骤与参数设定2.在SBR反应器中投入适量的接种污泥3.根据接种污泥的数量多少，在反应器中投加适量需要处理的污水4.根据微生物培养原理，设定SBR各阶段参数5.打开电源并按启动电钮，等反应器搅拌均匀后取出100ml混合液与100ml量筒内进行沉淀,6.观察沉淀过程，当时间为1min，3min，5min，10min，15min，20min，30min时分别记下污泥体积7.将30min的污泥与上清液过滤，过滤后的滤纸放入烘箱中烘干至恒重，按照计算公式计算8.按照生物镜检方法观察接种污泥生物相9.将上述测得的数据填入表1,表1接种活性污泥沉降性能实验数据,六、实验结果分析,1.根据实验测定结果分析MLSS、MLVSS与沉淀时间关系？2.判断接种污泥活性好坏？3.SVI与SV%的区别与联系？4.分析活性好的污泥的沉淀过程有何特征？,实验2间歇式活性污泥法（SBR）实验（2）,一、目的1.对SBR法工艺在不同运行参数下其处理效果的考察2.掌握微生物驯化、培养过程3.熟悉SBR工艺运行管理过程4.加深理解污水生物处理的吸附再生原理5.掌握活性吸附性能测定方法,二、实验原理,SBR法对污水处理效果的好坏关键在于，一是污水的性质，二是SBR的5个操作过程的不同时间组合，三是微生物的活性与数量。活性污泥性能的优劣，对活性污泥系统的净化功能有决定性的作用。活性污泥是由大量的微生物凝聚而成，具有很大的表面积，性能优良的活性污泥应具有很强的吸附性能和氧化分解有机物的能力，并具有良好的沉淀性能，因此活性污泥的活性即指吸附性能、生物降解能力和污泥凝聚沉淀性能。,当良好的活性污泥与污水接触初期，由于吸附作用，而使污水中底物得以大量去除，随着外酶作用，某些被吸附物质经水解后，又进入水中，使底物浓度有所上升，随后由于微生物对底物的降解作用，污水中底物浓度随时间而逐渐缓慢的降低，整个过程如右图所示。,活性污泥吸附曲线,BOD5mg/l,三实验装置与仪器,1SBR装置2量筒、烧杯、烘箱、滤纸3漏斗、三角瓶、电子天平4移液管、称量瓶、COD测定所需仪器与试剂5溶解氧仪、pH计、马弗炉,四、实验材料,1水样（生活污水或自行配制水样）2COD测定所需试剂,五、实验步骤,（一）活性污泥的吸附性能实验步骤取SBR反应器内混合液（曝气阶段结束后取），经沉淀浓缩后，倾去上清液备用。取一定量上步备用污泥放入大烧杯中，用待测水搅匀倒入曝气池中，并向曝气池中注入待测水，使混合液悬浮物浓度在2000-3000mg/l，混合液体积78l左右；同时取原水样测定COD或BOD5值。开充气泵，调节好气量开始曝气，同时记,时，当时间为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、5.0、10、20、40、70min，分别取出100ml左右混合液。6.将上述所取水样过滤液或沉淀后上清夜，测定其COD值，并将结果记录在表2中。,表2COD/BOD（mg/l）吸附性能测定记录,（二）SBR工艺运行工况考核实验1.按照实验1中方法进行微生物驯化、培养，在满足MLSS2000-4000mg/l、SV%25-50、DO2-4mg/l、,COD去除率比培养初期有明显的提高条件时，其污泥培养阶段结束。2.逐步减少曝气时间，其他阶段时间不变，连续运行几个周期，并测定每个周期的运行效果。3.对SBR5个运行阶段的运行参数进行不同组合并按照第2步的实验进行，并测定其处理效果。4.将上述实验数据填入表3中,表3SBR工艺运行情况汇总表,六、实验结果分析,1.写出微生物接种与驯化培养过程并判断该阶段结束的标志，分析总结该阶段的成果与建议；2.分析不同组合条件下该系统的处理效果分析（要求有曲线图）；3.结论与建议。,实验3膜生物反应法处理废水实验,一、目的1.了解膜生物法系统的特点以及与活性污泥法的区别2.加深对膜生物法工艺及运行过程的认识3.掌握微生物接种、驯化过程4.对膜生物法工艺在不同运行参数下其处理效果的考察,二、实验原理,生物膜法又称固定膜法，是与活性污泥法并列的一类废水好氧生物处理技术；但活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着的活性污泥来分解有机物的，而生物膜法则主要依靠固着于载体表面的微生物膜来去除废水中溶解性,的和胶体状的有机污染物的，同时对废水中的氨氮还具有一定的硝化能力（如图）。具体过程是：水中氧、有机物质传递到生物膜表面供微生物分解，分解后的,产物释放到水中，同时微生物会增长从而促使生物膜增厚，随之导致靠近载体面缺氧加剧，经过一定时间后，缺氧层与载体分离随处理后水流出。因此该法具有剩余污泥少、不会发生污泥膨胀、二沉池小、也适合低浓度废水处理的优点。,三实验装置与仪器,1膜生物装置2量筒、烧杯、烘箱、滤纸3漏斗、三角瓶、电子天平4移液管、称量瓶、COD测定所需仪器与试剂5溶解氧仪、pH计、马弗炉,四、实验材料,1水样（生活污水或自行配制水样）2COD测定所需试剂,五、实验步骤,1.生物膜的培养最好采用接种培养法，即采取污水处理厂曝气池内的活性污泥，可以直接注入或与水样混合后泵入，大约经过15d左右，载体上就可以出现透明生物膜，当生物膜成熟后，便可以进行实验应用。2.打开水泵，根据进水浓度，按照逐渐增大容积负荷率法，调节进水流量。3.测定水温、pH及进出水浓度，记录在表4中。,表4膜法工艺运行情况汇总表,六、实验结果分析,1.写出微生物接种与驯化培养过程并判断该阶段结束的标志，分析总结该阶段的成果与建议；2.分析不同组合条件下该系统的处理效果分析（要求有曲线图）；3.结论与建议。,实验4污水处理动态模型实验,一、目的1.加深了解废水生物处理反应器的种类2.直观了解不同构筑物内部结构3.了解水在构筑物的流动轨迹4.加深所学的专业知识,二、实验原理,废水生物处理技术，其主要是依靠不同微生物的分解作用，将水中的污染物质分解掉。根据微生物在分解污染物质时对氧的要求分为好氧与厌氧；按生长状态，将其处理技术分为微生物固定生长型与悬浮生长型。因此在研究与实际工程运用过程中有各种各样的生物处理工艺，如SBR、UASB、氧化沟、生物转盘等。,三实验装置,UASB反应器,接触氧化,膜生物反应器,卡鲁塞尔氧化沟,四、实验步骤,1.熟悉各生物反应器构造2.打开水泵，进水，注意进水流量3.观察各构筑体中水的流动轨迹,六、实验结果分析,1.画出各生物反应器的内部机构剖面图与平面图并能说明工作原理。2.分析他们的优缺点,实验5曝气充氧实验,一、目的1.加深理解曝气充氧的机理及影响因素2.掌握曝气设备充氧性能测定的方法3.测定几种不同形式的曝气设备氧的总转移系数Kla（20）、氧利用率EA、动力效率EP,二、实验原理,曝气是人为地通过一些设备向水中加速传递氧的过程。其充氧过程均属于传质过程，气液传质过程通常遵循一定的传质扩散理论，即双膜理论。双膜理论认为，在气-水界面上存在着气膜和液膜，气膜外和液膜外有空气和液体流动，属紊流状态，气膜和液膜间属层流状态，不存在对流。在一定条件下会出现气压梯度和浓度梯度。如果液膜中氧的浓度低于水中氧的饱和浓度，在其界面存在的浓度梯度将促使氧向液膜传递，空气中的氧继续向内扩散透过液膜进入水体，因而液膜和气膜将成为氧传递的障碍，这就是双膜理论。,气相主体,界面,Cs,层流,液相主体,C,pg,pi,Pg表示气相中氧的分压,Pi表示界面处氧的分压,Cs表示界面处水中氧的浓度,C表示水中氧的浓度,氧传递过程的基本方程如下:,式中：dC/dt氧的传递速率(氧进入水的速率)，mg/(Lh)；C液相氧的实际浓度，mg/L；Cs氧的饱和浓度，mg/L；KLa液相总传质系数，1/h。,将上式积分整理得,根据实验测定数据就可以求出Kla，同时求出曝气设备效能的指标：动力效率EP、氧转移效率EA和充氧能力。,衡量曝气设备效能的指标有动力效率EP、氧转移效率EA和充氧能力。（i）动力效率EP是指消耗1kWh电能所转移到液体中去的氧量，单位为kg/kWh。（ii）氧转移效率EA也称氧利用率，它是指鼓风曝气转移到液体中的氧占供给氧的百分数：EA=(Ro/W)100。其中：W供氧量，kg/h；Ro吸氧量，kg/h。对于鼓风曝气，各种扩散装置在标准状态下的EA值是事先通过脱氧清水的曝气试验测定得出的，一般为515左右。（iii）充氧能力是指叶轮或转刷在单位时间内转移到液体中的氧量kg/h。,三实验装置,四实验所用材料1、脱氧剂：无水亚硫酸钠2、催化剂：氯化钴0.1mg/l3、溶解氧测定仪五实验步骤1、向实验装置内注满清水2、测定实验装置内清水中DO，含量G=DO.V，按照以下公式计算投药量（1）无水亚硫酸钠根据2Na2SO3+O2=2Na2SO4计算，每次投药量g=（1.11.5）8.G（2）氯化钴投加浓度为0.1mg/l，用温开水化开，由池顶倒入池内，约10min后，取水样测其DO,3、待池内DO降为0后，打开充氧机充氧，并开始计时间，当时间为1，2，3，4，5，7，9，11，13，15min.取样测定DO，直至溶液中溶解氧浓度稳定（即饱和）为止，并将清水中饱和值记为CS4、记录数据至表5中,表5水中溶解氧记录表,六、实验数据及结果整理,1、根据表5中的数据，整理计算填表6,表6氧总转移系数Kla（T）计算表,2、根据表6绘制半对数曲线,利用图解法或线性回归法求解Kla3、根据表5、6以及相关公式求解动力效率EP、氧转移效率EA和充氧能力。,实验6给水处理动态模型实验,一、目的1.加深了解过滤、沉淀池的种类2.直观了解不同过滤、沉淀池构筑物内部结构3.了解水在构筑物的流动轨迹及其运转操作方法4.加深所学的专业知识,二、实验原理,1、过滤：含有一定细小悬浮固体的水，流入装有滤料的过滤池，通过滤料层的吸附、筛滤、沉淀等作用，截留水中杂质，使水变清。随着过滤时间的延长，滤料间的空隙逐渐被这些杂质堵塞，过滤速度、水量逐步减小，为了使过滤装置发挥其设计能力，过滤一定时间后需要进行从下向上反洗，反洗结束后再进行过滤，如此反复操作进行。目前各种过滤池的原理相同，只是实现此原理的方式与构造不同。,2、沉淀：含有一定细小悬浮固体的水或原水经过加药反应形成含有悬浮固体颗粒的水，均匀流入沉淀池，通过颗粒物本身的重力作用，使水中杂质沉到池底，使水变清，上清液从上部滗出，池底污泥汇集排出。目前各种沉淀池的原理相同，只是实现此原理的方式与构造不同。,三实验装置,无阀滤池,虹吸滤池,普通快滤池,竖流式沉淀池示意图,进水,出水,排泥,出水,多斗平流式沉淀池,四、实验步骤,1.熟悉各生物反应器构造2.打开水泵，进水，注意进水流量3.观察各构筑体中水的流动轨迹,五、实验结果分析,1.画出各生物反应器的内部机构剖面与平面示意图并能说明工作原理。2.分析他们的优缺点,实验7废水处理工艺立体模型实验,一、目的1.加深了解常规生物处理工艺流程2.熟悉各处理单元的作用、构造、原理3.了解水在构筑物的流动轨迹及其运转操作方法4.掌握各处理单元的相互关系与连接方式,二、实验原理,废水生物处理技术，其主要是依靠不同微生物的分解作用，将水中的污染物质分解掉。根据微生物在分解污染物质时对氧的要求分为好氧与厌氧；按生长状态，将其处理技术分为微生物固定生长型与悬浮生长型。悬浮生长型的生化池中微生物在曝气下呈悬浮态，常规活性污泥法需要回流，当原水中SS高时，一般在生化前需要设沉淀单元等配套处理设施。,三实验装置,四、实验步骤,1.熟悉立体处理模型的流程2.观察各处理单元的构造、作用3.检查各处理单元之间的管道连接与其相互之间的关系4.按照流程要求打开（或关闭）相互间连接管道上的阀门5.打开水泵，进水，注意进水流量6.观察各构筑体中水的流动轨迹7.测量各单元的尺寸、管径、设备型号参数等,五、实验结果分析,1.画出该立体模型流程框图，并说明各处理单元的作用、处理单元的类型2.自拟表格，把测量记录的尺寸、参数整理填入表格中3.按照测量的实际尺寸，用CAD画出该处理工艺高程图。4.分析该处理装置在设计上值得改进的地方。,实验8混凝沉淀实验,一、实验目的1.通过本实验，确定某水样的最佳投药量。2.观察絮凝体的形成过程及混凝沉淀效果3.加深了解混合、反应过程的要求二、实验原理水中存在大量的细小胶体颗粒，胶粒间的静电斥力、布朗运动、表面的化学作用等使得颗粒具有分散稳定性，从而使其自然沉淀难以去除。,向水中投加混凝剂能提供大量的相反离子，压缩胶团的扩散层（如图），使电位降低，相互间斥力减小，布朗运动转为不稳定，从而颗粒间吸附凝聚能力增强。,胶团边界,扩散层,吸附层,三、实验设备与用具1.磁力搅拌机2.1000mL烧杯3.200mL烧杯4.移液管、量筒5.洗耳球、秒表、温度计、pH计6.浊度仪7.混凝剂溶液,四、步骤与记录,1、测定原水水温、浊度、pH2、量取相同（1L）体积的水样放入12个（1L）烧杯中，设6个一组共分二组3、设最小、最大投药量，利用均分法确定第一组各水样的混凝剂投加量4、将第一组水样置于磁力搅拌机上，调整转速为300-500r/min，同时加入计算好的投药量，并记录搅拌时间30S5、30S后，调速至中速（80r/min）搅拌10min6、搅拌过程中，注意观察并记录矾花形成的过程、矾花外观、大小、密实程度等，并记录入表中,7、搅拌结束后，停机，将水样杯取下静止沉淀15min，并记录矾花沉淀的过程。8、取上清夜测定浊度、pH9、根据第一组的实验结果与观察到的现象，对最佳投药量范围做出判断，缩小实验范围重新设定第二组的投药分配量，重复上述实验。10、实验数据整理填入表中。五实验结果分析1、绘制投药量-剩余浊度曲线2、分析实验结果,实验9酸性废水过滤中和试验,一、实验目的1.了解掌握酸性废水过滤中和原理及工艺2.测定升流式石灰石滤池在不同滤速时的中和效果二、实验原理因有些工业生产过程的废水中含有较多的酸性物质，其处理方法有：酸、碱污水混合中和，药剂中和，过滤中和。,二、原理,过滤中和法具有设备简单、不需药剂配制和投药系统的特点。其原理是让酸性污水从下向上流过装有石灰石颗粒的酸碱中和反应器，废水在流动的过程中，废水中的酸性物质与石灰石进行酸碱中和反应，从而使水变为中性，其反应如下：H2SO4+CaCO2=CaSO4+H2O+CO2,四、试验步骤及记录,将自来水接入配水箱至配水箱满而溢出加入浓硫酸于配水箱中（浓度为1.52g/L），搅拌均匀，取水样测定pH将搅拌均匀之酸性污水，打入高位恒位水箱，当水箱中水从溢流管流出时，关小进水管阀继续进水。打开升流式酸洗滤池进水阀门，调整流量至要求值。待水从上流出后取样分析改变流量（要求5组以上），重复上述实验。测量反应器尺寸、记录实验结果填入表,实验记录表,五、实验结果与分析,实验结果整理如表根据表中数据做出滤速-出水pH图结果分析,实验10离子交换软化实验,一、实验目的1.熟悉离子交换运行操作过程2.加深对离子交换基本理论的理解二、实验原理当含有Ca2+、Mg2+离子的水通过装有阳离子交换树脂的交换器时，水中的Ca2+、Mg2+便与树脂中可交换离子（Na2+、H+）交换，使水中Ca2+、Mg2+含量降低或去除，这个过程就是软化。随交换量的增加，树脂逐步失去作用，从而需要再生。其化学反应式为：,实验原理,2RNa+CaRCa+2Na,（HCO3Cl-SO42-,（HCO3Cl-SO42-,2RNa+MgRMg+2Na,（HCO3Cl-SO42-,（HCO3Cl-SO42-,交换,R2Ca+2NaCl2RNa+CaCl2,再生,R2Mg+2NaCl2RNa+MgCl2,三、实验设备与用具,四、实验步骤,1、熟悉实验装置，搞清楚每条管路、每个阀门的作用。2、测定原水硬度，测量交换拄内径及树脂层高度。3、软化：进水流速15m/h，每隔20min分别测阳、阴柱出水硬度与电导率，测两次并进行比较。4、改变运行流速：流速分别为20、25、30m/h，每个流速下运行10min，分别测阳、阴柱出水硬度与电导率,五、实验结果与分析,1、整理实验结果与记录的数据，填入实验与记录表中（表为1张，表格形式内容自拟）。2、根据实验表格的数据做出时间-出水水质，运行流速-出水水质的关系图。3、根据表、图进行实验分析。,实验11活性炭吸附实验,一、实验目的1、通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能，并熟悉整个实验过程的操作。2、掌握用间歇法确定活性炭处理废水的设计参数的方法。二、实验原理活性炭吸附是利用活性炭的固体表面对水中一种或多种物质的吸附作用，以达到净化水质的目的。活性炭的吸附作用产生于两个方面，一是由于活性炭内部分子在各个方向受着同等大小的力而在表面的分子则受到不平衡的力，这就使其他分子吸附于其表面上，此为物理吸附；另一个是由于活性炭与被吸物资之间的化学作用产生的化学吸附，活性炭吸附是这两种吸附综合作用的结果。,原理,当活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等时，即为吸附平衡，此时被吸附物质在溶液中的浓度称为平衡浓度。活性炭的吸附能力以吸附量qe表示：,在温度一定的条件下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高，两者之间的变化曲线称吸附等温线，通常用下式表达：,K、n按照下式并通过实验数据做图或数学解析求解,