工业废水处理工艺详解：原理与设计计算

一、预处理阶段

原理：

设计：

1.格栅与筛网在废水处理过程中扮演着至关重要的角色，它们作为预处理阶段的关键组成部分，主要用于拦截和去除废水中的大颗粒物以及漂浮物。为了满足不同的处理需求和效果，设计时需要充分考虑格栅和筛网的尺寸、形状及材质等因素。格栅通常被安装在废水处理设施的入口处，其设计原则是确保能够捕捉并阻止诸如树枝、树叶、塑料碎片等较大体积  的固体杂质进入系统内部，以防止后续设备遭受堵塞或损坏。根据废水中可能存在的大颗粒物种类和数量，格栅的间隙大小应合理设置，既要保证能有效截留这些有害物质，又要避免因间隙过小而导致废水流通受阻，影响处理效率。筛网则是一种更为精细的筛选工具，通常在格栅之后使用，进一步分离和去除废水中的小微粒、悬浮物以及部分胶体物质。筛网的目数（单位面积上的孔洞数量）是衡量其过滤精度的重要指标，不同规格的筛网可以应对不同浓度的废水处理需求。较高的目数意味着更小的孔径，能够拦截更细微的物质，从而减轻后续工艺负荷，保障整个处理流程的稳定运行。

2.沉砂池：其设计目的在于通过重力沉降原理有效地去除废水中的无机颗粒。在实际应用中，沉砂池主要采用平流式或旋流式两种主流构造。平流式沉砂池结构简单，运行稳定，废水在其内部以均匀速度水平流动，通过缓慢的水流速度给予颗粒足够的沉降时间，使得废水中的无机颗粒（如砂粒、石子等）在重力作用下自然沉淀到底部，从而实现颗粒与废水的有效分离。而旋流式沉砂池则利用了离心力的作用，废水在池体内高速旋转流动，产生强烈的离心效应，使得密度较大的无机颗粒被甩向池壁，最终在池壁处形成浓缩的砂层，达到去除废水中无机颗粒的目的。

3.混凝沉淀/气浮工艺是一种常用的水处理方法，尤其是在工业废水和市政污水处理过程中。该工艺的核心在于利用混凝剂的选择性吸附和电性中和作用，将废水中的胶体颗粒、悬浮物以及部分可溶性杂质转化为不可溶性大分子化合物。当投加到废水中的混凝剂（如聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等）与胶体粒子接触时，会发生一系列复杂的物理化学反应。例如，聚合氯化铝作为一种常见的无机混凝剂，其水解产物能强烈吸附在胶体颗粒表面，并通过压缩双电层、电性中和以及吸附架桥等机制，使原本稳定分散的胶体失去稳定性，进而凝聚成大颗粒絮体。而聚丙烯酰胺（PAM）等有机混凝剂则主要通过分子链上的活性基团与胶体粒子发生吸附作用，形成大的絮凝体。这些经混凝剂作用形成的较大絮体，具有较高的沉降性能，能够在重力作用下快速下沉，实现固液分离。在混凝沉淀过程中，通过设置专门的沉淀池，利用沉淀池中的絮体颗粒在重力作用下自然沉降，从而将澄清的液体与含絮体的污泥分离。沉淀池通常采用合适的机械搅拌或气流扰动以促进絮体成长和下沉，同时通过排泥装置定期排出污泥。对于某些难以沉淀的轻质絮体或微小悬浮物，可以采用气浮技术进行去除。气浮装置利用微气泡发生器产生大量微小气泡，这些气泡与废水中的絮体发生黏附作用，使絮体上浮至水面形成浮渣，从而实现与水体的有效分离。通过刮渣装置定期清理浮渣，可确保气浮装置连续稳定运行。

计算与公式：

• 混凝剂投加量的精确计算是水处理过程中至关重要的步骤，这一环节通常涉及到复杂的化学动力学和化学反应机理。在实际操作中，为了确定最佳的混凝剂投加比例，必须通过严谨的实验方法进行验证和优化。通常采用的方法是在实验室环境下进行模拟水处理烧杯实验或利用小试装置进行系统性测试。

• 沉淀池的设计核心是依据沉淀效率公式来精确计算和配置各项关键参数，以确保废水中的固体颗粒能在特定时间内有效沉淀。该公式为：v = Q/A，这是设计沉淀池的基础理论依据。其中，v代表沉淀池内的水流速度，它是影响固体颗粒沉淀效果的重要因素；Q表示废水的流量，即单位时间内进入沉淀池的废水体积；A则是沉淀池的有效面积，即能够提供固体颗粒充分沉淀的水面面积。通过这一公式，设计者可以科学地计算出沉淀池的最佳水流速度，从而保证废水中的固体颗粒在流经沉淀池时能够有足够的时间和空间进行自然沉淀，提高污水处理的效果和效率。 

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二、厌氧处理

原理：

厌氧处理是一种利用厌氧微生物在严格无氧或低氧环境下将有机物进行分解代谢的技术过程。在这一过程中，厌氧细菌和古菌等微生物通过其du特的生物化学途径，将复杂的有机污染物转化为较为简单的物质，并在此过程中产生甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）等气体。其中，甲烷是一种重要的可再生能源，而二氧化碳则是主要的温室气体之一。

在厌氧消化过程中，废水中的大部分有机物，包括但不限于碳水化合物、蛋白质、脂肪以及合成有机物等，在厌氧微生物的作用下被分解和转化。这些有机物首先被微生物细胞吸收并转化为细胞物质或贮存在细胞内，随后在特定的代谢途径中经过水解、发酵、产氢和产乙酸等阶段，最终生成甲烷和二氧化碳。

该技术不仅能够有效去除废水中的有机污染物，实现废水的资源化利用和无害化处理，而且由于厌氧微生物对某些难降解有机物的du特降解能力，使得一些传统好氧处理难以解决的有机废水可以通过厌氧工艺得到有效处理。

设计：

在设计污水处理设施时，厌氧反应器作为核心组件之一，其设计和选择对于整个处理过程的效率和效果具有关键性影响。常用的厌氧反应器类型包括UASB（上流式厌氧污泥床）反应器和IC（内部循环）厌氧反应器等。

UASB反应器是一种通过自然循环和内部循环相结合的方式实现污泥与污水充分接触反应的设备。设计UASB时，需要综合考虑反应器的容积大小，这直接关系到能处理的污水流量和处理时间；污泥负荷，即单位时间内单位体积污泥床所能承受的有机污染物量，过高可能导致污泥沉降性能下降、处理效果变差，而过低则可能造成设备闲置空间过大、投资成本增加；水力停留时间，即污水在反应器内的平均停留时间，影响到污水与污泥混合接触的充分程度以及反应时间，从而影响有机物的去除效率。

IC厌氧反应器则是一种集成了UASB和其他类型反应器优点的高效厌氧处理装置，其特点在于通过特殊的结构设计实现了污泥和污水的高效混合以及内部循环流动，以增强反应效率和生物质利用能力。在设计IC反应器时，同样需要仔细确定反应器的容积、污泥负荷以及水力停留时间等关键参数，以保证反应器能够在满足污水处理要求的同时，实现zui/优的经济运行效果。   

计算与公式：

• 污泥负荷（F/M）是污水处理过程中一个重要的参数，它用于衡量反应器内微生物对有机物的转化能力。F/M的计算公式为：F/M = Qs/(VXSV)，这个公式中，Qs代表进入反应器的有机负荷，通常以化学需氧量（COD）为单位，表示反应器单位时间内需要去除的有机物的量；V则是反应器的有效容积，即反应器内部可供微生物生长和代谢的空间体积；XSV则是污泥浓度，它表示反应器内混合液中悬浮固体（VSS）的浓度，VSS通常包括微生物菌体、部分难降解有机物以及无机颗粒等。通过这个公式，可以计算出污泥负荷，从而了解反应器内微生物对有机物的处理效率。

• 水力停留时间（Hydraulic Retention Time，简称HRT）是污水处理工艺设计中的一个关键参数，它反映了废水在生物反应器中平均停留的时间。计算HRT的公式简单易懂，即HRT = V/Q，其中V代表反应器的有效容积，也就是反应器内部能够进行有效处理的空间体积；Q则是废水的流量，表示单位时间内进入反应器的废水体积。通过将这两个数据相除，即可得出废水在反应器内的平均停留时间，以小时（h）为单位表示量。

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三、AO（反硝化-硝化）处理

原理：

AO工艺，全称为缺氧-好氧工艺，是一种在污水处理中应用广泛的生物脱氮除磷技术。该工艺巧妙地结合了好氧和缺氧两个不同的生物反应过程，以实现对污水中的有机物和氮化合物的高效去除。

在好氧段，由于充足的氧气供应，好氧微生物能够进行有氧呼吸，从而有效降解污水中的有机物，如生活污水、工业废水等。这一过程中，有机物被好氧微生物分解为简单的无机物，如二氧化碳和水，同时，氨氮在好氧条件下通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用逐步氧化为亚硝酸根离子和硝酸根离子。

而在缺氧段，由于溶解氧浓度较低，厌氧或微缺氧环境有利于反硝化细菌的生长与活动。反硝化细菌在这种条件下，以硝酸盐（NO3-）作为电子受体，将硝酸盐还原为亚硝酸盐、一氧化氮（NO）和最终产物氮气（N2），从而实现污水中氮的去除。这种利用硝酸盐进行反硝化脱氮的方式，不仅提高了氮的去除效率，还避免了因过度氧化导致的磷酸盐积累问题。   

设计：

AO工艺，即厌氧-好氧工艺，是一种常用的污水处理生物脱氮除磷工艺。其主体部分通常包括一个厌氧池和一个好氧池，这两个池子依次串联连接，共同构成AO系统。在设计该系统时，需要综合考虑多个关键参数以确保污水处理效果和系统稳定性。其中，池体容积是基础数据之一，它依据污水进水流量、污水水质指标（如BOD、COD、氨氮、磷等）、设计水温以及预期的污泥产率等因素进行合理计算。

曝气量则是影响生物反应过程的重要因素，好氧池内充足的曝气供应不仅能保证活性污泥中好氧微生物的正常生长代谢，还能有效推动混合液循环流动，防止污泥沉积；而缺氧池中的微曝气或轻微搅拌则有利于兼性厌氧菌群的活性发挥和反硝化作用的进行。

混合液回流比也是关键设计参数，它涉及到系统内污泥龄、污泥负荷以及脱氮除磷效率的平衡。适当的回流比可以将好氧池中的过量剩余污泥通过内回流管道输送到缺氧池，从而调节系统内的污泥浓度，并促进污泥龄的合理分布，有利于实现高效的生物脱氮除磷作用。

计算与公式：

• 曝气量计算是污水处理生物反应器工艺设计中的关键环节，特别是在活性污泥法中的好氧池处理阶段。曝气的主要目的是向混合液中充分供氧，以满足微生物生长繁殖对溶解氧的需求，同时也要防止因过度曝气导致能耗浪费或污泥沉降性能下降。在好氧池内，通常要求维持一个适宜的溶解氧浓度，一般为2-4毫克/升，以满足好氧微生物的正常生理活动。这个浓度要求是基于特定的污水处理工艺条件和季节变化等因素考虑的。根据这一要求，需要借助氧转移效率公式来精确计算曝气量。

• 混合液回流比计算：混合液回流比是生物脱氮除磷工艺中的关键参数之一，它直接影响着生物反应器内的污泥浓度、微生物种群分布以及整体处理效果。在计算混合液回流比时，首先需要根据设定的脱氮效率目标，结合实际运行工况、水质特性（如氨氮、总氮浓度等）和污水厂的设计负荷，通过试验测定或参考行业gong认的经验公式，来确定一个合适的混合液回流比。   

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四、深度处理

原理：

深度处理工艺是一种在水处理过程中进一步净化水质的关键步骤，通常在水解酸化、生物膜法、臭氧氧化等预处理技术之后应用，其目标主要是去除常规处理难以ce底清除的微量污染物、重金属离子、细菌、病毒以及有机物等有害物质，以期达到更为严格的排放标准或回用水标准。

在这一阶段，常见的处理技术包括砂滤。砂滤层由均匀粒径的砂粒组成，其表面具有较高的粗糙度，能够截留水中的悬浮物、胶体颗粒以及部分大分子有机物。这些被吸附的物质在砂粒间隙中形成一层薄膜，起到过滤作用。

活性炭吸附是深度处理中常用的另一种技术。活性炭具有ji高的比表面积和丰富的微孔结构，能够强力吸附水中的有机污染物、余氯、色素、异味物质以及重金属离子等，从而有效提高水的感官指标，并降低潜在的健康风险。

膜处理技术，如超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），则是通过高分子膜来实现对水分子和其他物质的分离过程。这些膜材料具有特定的孔径范围和电荷特性，可以选择性地拦截水中的各种溶解性盐类、有机物及微生物等，实现高度净化的水质效果。

设计：

在选择合适的深度处理工艺时，首先需要对出水水质要求进行全面深入的分析和理解。根据不同的水质标准，如排放标准或回用水标准，确定需要去除的污染物种类和浓度，这将直接影响到深度处理工艺的设计和选择。例如，如果需要严格遵守特定的污染物排放限制，如总氮、总磷、COD、BOD等指标，那么就需要选择能够有效去除这些污染物的深度处理工艺，如生物脱氮除磷工艺、化学沉淀法、高级氧化技术等。

在设计深度处理工艺时，需要综合考虑多个关键因素，确保处理效果的同时，也要考虑经济成本和运营管理的便利性。首先，对于处理单元的尺寸选择，需要在满足处理需求的前提下，充分考虑现场实际情况，确保设备的安装空间和运行稳定性。其次，运行参数的设定也是至关重要的，包括温度、pH值、混合搅拌强度、反应时间等，这些都会直接影响到处理效果和设备运行效率。

计算与公式：    

• 膜处理通量的计算是一项关键技术环节，它涉及到根据所使用的膜材料的特性、有效的膜面积大小以及操作压力等核心参数，通过运用膜通量公式来精确估算单位时间内膜系统能够处理并透过液体的体积。这一计算过程对于评估膜设备的性能、优化系统配置以及预测处理能力等方面具有至关重要的作用。

• 活性炭吸附量计算：活性炭是一种具有高度发达孔隙结构和强大吸附能力的碳质材料。其吸附性能主要取决于自身du特的微观结构，包括比表面积的大小、孔径分布情况以及表面化学性质等因素。在进行废水处理时，活性炭能够有效地吸附并去除水中的各种污染物，如重金属离子、有机染料、余氯、臭味物质等。为了准确了解活性炭对特定污染物的吸附效果，通常需要通过实验来测定其吸附量。吸附量的计算是基于吸附前后废水污染物浓度的变化，通过对比分析确定活性炭对目标污染物的吸附容量。具体操作步骤包括：选取具有代表性的废水样品，测定其中污染物初始浓度；然后向废水中投加一定量的活性炭，并进行充分搅拌或接触一定时间以确保吸附反应达到平衡；之后再次测定吸附后废水中的污染物浓度；根据吸附前后的浓度差及活性炭的质量，可计算出单位质量活性炭在一定条件下所吸附的污染物质量，即活性炭的吸附量。

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五、总结

工业废水处理工艺设计是一个综合性ji强的过程，涉及多个处理单元的优化组合与精细操作。预处理阶段通常包括格栅拦截、调节池均衡等步骤，旨在去除废水中的大颗粒物和调整水质水量，为后续处理减轻负荷和难度。厌氧处理环节则主要利用厌氧微生物的代谢作用，在无氧或低氧条件下将有机污染物转化为甲烷和二氧化碳等气体，实现废水的初步净化。

AO处理（缺氧-好氧工艺）是工业废水处理中常见的一种生物脱氮除磷技术，通过在缺氧和好氧交替的环境下培养不同的微生物菌群，有效去除废水中的氨氮、总氮以及磷等营养物质。而深度处理阶段则包括混凝沉淀、过滤、消毒等过程，旨在进一步去除悬浮物、胶体及可能存在的病原微生物，确保出水水质达到国家或地方的排放标准。

在实际设计和操作过程中，工程师们必须充分考虑废水的水质特性，如COD浓度、BOD浓度、pH值、温度、污染物种类等因素，以及处理目标的要求，比如需要达到的排放标准或回用水的标准。经济性考量也是不可忽视的一环，合理的工艺设计应在保证处理效果的前提下尽量降低投资成本和运行费用。    

为了确保工业废水处理系统的稳定运行和出水水质的达标排放，往往需要通过实验室试验或参考经验公式对各个处理环节的参数进行细致调整和优化。同时，借助先进的监测技术和自动化控制系统实时监控和调整工艺参数，使得整个处理流程既能满足严格的环保要求，又能体现出最佳的经济效益。