环境工程专业英语unit12-14.doc

12单元 污水处理从社区或市区收集的污水必须最终转化成可以接受的水，或者排放入水体，或者再利用。设计师和公共健康部门面临的复杂问题是：为了确保公众健康和保护环境，在特定的场合必须达到哪一级的处理才能允许排放。要解答这个问题首先需要详细的分析当地的实际情况和需求，其次需要应用科学知识和基于经验的工程决断，最后需要考虑联邦、州和当地法规。在有些情况下，还需要作详细的风险评估。处理方法 以物理法为主的水处理方法称为单元操作。以化学和生物反应为主去除污染物的方法成为单元反应。目前，单元操作和单元反应共同应用于水处理，分成了不同的级别，众所周知，有预处理、一级处理、高级的一级处理，二级处理（包括或者不包括营养物质的去除），三级或者称为深度处理。（见表12.1）在预处理中，能够损坏设备的大的固体被去除，例如大物体、碎布、砂粒。在一级处理中物理操作，通常是沉淀，被用来去除污水中的漂浮物和沉淀物质。高级的一级处理是指在一级处理过程中加入化学试剂，以提高悬浮固体和溶解固体的去除率。在二级处理中，利用生物和化学过程去除大部分有机物。在深度处理中，额外的单元操作和单元过程结合在一起被用来去除剩余的悬浮固体和在二级处理中不能被有效去除的其他成分。（enhance the removal to a lesser extent）大概20年前，生物营养素的去除，也就是氮磷的去除，曾被认为是深度水处理中的革新工艺。事实上，由于对BNR机理的大量研究，和它应用的优势，以及BNR系统的大量应用，营养素的去除已经成为了常规水处理的一部分。与化学法相比，BNR用的化学试剂少，减少了固体废弃物的产生量，降低了能耗。由于BNR法在水处理中的重要性，BNR被并入到生物处理方法的理论、应用、设计研究中。（for all practical purposes：事实上）通常称为天然系统的土地处理工艺，融合了物理、化学和生物处理机理，出水水质与深度处理相似或更好。现状直到20世纪80年代，常规二级处理是去除BOD和TSS最通用的方法。在美国，只在特殊的情形下才去除营养物质，比如在五大湖地区、佛罗里达州、切萨皮克湾，这里的水质对营养物质是敏感的。由于营养物质的富集会导致富营养化，从而使水质变坏（在某种程度上归因于点源的排放），所以营养物去除工艺逐步发展，现在也广泛应用于其他地区。由于联邦水污染防治法修正案的贯彻，我们可以获得为了完成计划关于污水处理设备应用及需求的数量和类型的数据。这些数据对描述美国污水处理的整体现状非常有用。城市污水处理规划诱16000个污水处理厂组成，处理流量为1400 m3 /s。处理能力大于等于0.044 m3 /s的污水处理厂能处理现有总流量的92左右。几乎现有设计能力的一半可以达到二级以上的处理。另外，考虑到大部分新的设计可以达到二级以上的处理，因此，本文的主要对象是设计能力大于0.044 m3 /s的污水处理厂。在过去的10年里，许多污水处理厂设计使用BNR工艺。同时，在需要去除剩余悬浮固体的地方安装了污水过滤装置。过滤对提高消毒效率非常有效，特别是对于紫外消毒系统。这是因为（1）大的颗粒的悬浮固体是细菌的附着场所，它的去除可以提高大肠杆菌的去除效果。（2）浊度的降低可以提高紫外的透光度。除了用于农业灌溉，污水回用系统毫无例外地使用过滤。新的研究方向和焦点在不同的水处理的具体领域都有明显的新的研究方向和焦点：需要处理的污水性质的变化、暴露出来的健康和环境问题、工业废水问题、新法规的影响、所有这些曾经讨论过的问题仍然是最重要的。另外，其他重大关切包括：（1）基础设施的老龄化（2）新方法的过程分析和控制（3）污水处理厂的运行情况以及可靠性（4）废水消毒（5）合流下水道排污能力不足（6）暴雨和清洁排水过量的影响以及非点源污染（7）回流水的单独处理（8）臭味控制和VOC排放控制（9）污水处理厂的翻新和改进。污水处理未来的趋势美国环保署需求调查评估中心表示，在未来二三十年，污水处理厂总设计处理能力预期增长15。美国环保署预计在这一时期，将新建约2300座新的污水处理厂，大部分能达到二级以上的处理水平。将来，能达到二级以上处理水平的污水处理厂的设计能力预计能提高40。很明显，污水处理厂设计的趋势是设计更先进的处理设备。一些新发明的处理方法在新的或者改进的处理设备中应用，这些新方法包括：旋风分离器、高效过滤器、生物膜反应器、压力膜过滤器（超滤膜和反渗透）、紫外线（低压、低高密度紫外灯、中等压力、高密度紫外灯）。一些新技术占地小，特别是在欧洲发明的新技术，这非常适合扩建场地有限的污水处理厂。近些年，许多私有的污水处理方法发展起来，为建设和运营提供了潜力。这种趋势将要继续，特别是在评估替代处理系统和设备私有化的地方。私有化通常解释为公私合作，其中，私人合作者负责筹措资金、设计、建造、处理设备的运行。有些情况，私人合作者拥有设备。 在美国，对私人资金融通的需要是私有化的最主要原因；维护本地控制是反对私有化的最主要理由。13 自来水处理过程 现代化技术所取得的伟大成就之一就是极大的降低了霍乱和伤寒等水源性疾病的发生。这些疾病曾经对人类的健康产生过巨大威胁，但现在不是了。进步的关键在于人们认识到被人为污染的公共水供应是主要的传染源，这可以通过更积极更先进的水处理技术所消除。今天的水处理厂被设计为能持续的提供符合饮用水标准的水。有四个主要的方面要考虑：水源的选择、水质的保护、所使用的处理方法和如何防止二次污染。一般的预防地下水污染和地表水污染的措施包括防止排泄物管道和雨水管道的排放口靠近蓄水池，安装栅栏防止娱乐用水的污染，限制在水库流域使用化肥和杀虫剂。隔离、混凝/絮凝、沉淀、过滤是地表水处理的四个主要步骤。水处理要实现一到三个目标：去除沙和尘土等颗粒物质、有机物质、微生物和藻类；去除引起色度和硬度的溶解物质；去除或破坏致病细菌和病毒。实际的处理工艺的选择有赖于水源的类型和所需要的水质。有时，不太混浊的进水可以通过自然沉降来去除较大的颗粒，在利用过滤去除剩余的颗粒。但通常，进水的颗粒物非常小，在短时间内仅仅依靠沉淀和简单的过滤无法去除。作为补救，将会加入胶体这种化学药品来吸附小颗粒，形成大颗粒在沉淀池里析出，或在过滤池里直接去除。颗粒物质的去除从水中去除颗粒物的操作步骤包括隔离、混凝/絮凝、沉淀、过滤。隔离 去除像木屑、树枝、碎布和小鱼这样的大的固体物的隔离过程是水处理的第一步。碎片万一进入处理厂可能会损坏水泵，阻塞管道。同样的原因，进水口一般设置在湖面和河水面以下，以免吸入漂浮物，最大程度的减少冰的破坏作用。沉降是水和废水处理中使用最古老最广泛的处理方式，它是利用重力作用从水中去除颗粒物。它工艺相对简单，造价低廉，可以造成圆形、正方形、矩形。就像前面提到的，对于浊度高的水，沉淀可以放在混凝后面，对于浊度不高的水，则可以完全省去该过程。地表水中的悬浮颗粒物的粒径在10-1和10-7毫米之间，分别是细沙和微尘的尺寸。浊度和不透明度是由那些粒径大于10-4mm的颗粒引起的，小于10-4mm的颗粒主要对色度和臭味有贡献。混凝/絮凝 当颗粒太小而用普通沉淀法无法去除时，利用混凝或絮凝的化学-物理过程，就可以让这些颗粒物失去稳定性，凝结成团，从而更快的得到沉降。水中相当比例的悬浮颗粒物粒径非常小，沉淀到池底需要数天甚至数周，这些胶体状的颗粒物都不能用普通沉淀法处理。混凝是使胶体颗粒失去稳定的一种化学过程。精确的机理不太好理解，但大体意思就是添加一种含有正电荷胶体的化学药品到含有负电荷胶体的水中。这将会中和胶体的负极电荷，并且能够降低胶体互相排斥的趋势。使混凝剂扩散需要快速搅拌几秒钟。轻柔的搅拌，叫做絮凝，悬浮液通过扩大颗粒的接触面。这可以通过机械混合通过使用内置的慢速混凝/絮凝转动桨，或者由液压混合发生在池的挡板周围流动。在混凝/絮凝池内停留时间通常是20 - 40分钟，池深有3 4m。通过结合实际物理/化学混凝过程，胶体粒子，不会通过由普通沉淀出的结块，凝聚成所谓的较大的浮冰固体来出去。这些显示为不规则形状蓬松生长的有能力吸附沉淀时向下的不易凝聚颗粒。硫酸铝是最常见的混凝剂，但有机聚合物也可以单独使用或与明矾一起，改善絮凝效果。大浮冰悬浮物通常都是从混凝池转移至沉淀池，或当大浮冰去处时可直接转移至过滤器。消毒为了确保水中没有有害细菌，消毒是很有必要的。氯化消毒是公共供水的消毒最常用的方法。足量的氯气或次氯酸盐添加到水中以杀死致病菌。氯化是一个可靠的，相对便宜，且易于使用的消毒方法。其他消毒剂包括氯胺，二氧化氯，其他卤素，臭氧，紫外线和高温。臭氧氧化,已被广泛地使用法国。目前在北美地区也以获得认可，特别是作为替代在天然有机物存在的地方的预氯化。虽然有效，但是臭氧不会留下长期持久的残余消毒。臭氧化是向水中添加臭氧的一种消毒方式。臭氧是一种能氧化无机和有机杂质的强氧化剂 。相比氯消毒它的优点是，它不会留下味道或气味，与氯气不同的是，臭氧显然不与自然界有机物反应形成有毒化合物来危害人类。溶解物质的去除曝气是用来清除地下水中过量的铁和锰。这些物质引起了味道和颜色的问题，干扰清洗和污染水管装置，并促进铁细菌在水管的繁殖，通过向水中鼓泡空气，或者通过喷射来增大空气与水的接触面积，溶解性铁或锰（的Fe2+，Mn2 +）被氧化成一种不易溶解形式（Fe3+，Mn4 +的），这样沉淀出来后可以在沉淀池或过滤器中出去。曝气也消除了硫化氢（H2S）气体造成的臭味。水的软化是一个去除硬度过程，硬度是由二价金属离子的存在造成的，主要是钙离子和镁离子。水的硬度是在二氧化碳的存在下土壤和岩石，特别是石灰岩接触的结果。活性炭是一种在水处理中去除有机污染物吸附能力极强的材料。活性炭的生产有两个阶段。首先，一个合适的基材如木材、虫、蔬菜等物质或者骨头，在通过隔绝空气的条件下加热使它们碳化。然后碳化材料在空气，二氧化碳，或蒸汽条件下加热燃烧掉它的杂质后被活化，并增加其孔径。活性炭对气体，液体和固体的吸附是受温度，水的pH值以及需要除去的有机物的复杂性。在反渗透（RO）中，淡水强行通过半透膜的方向，是自然渗透的相反方向。由于膜能去除可溶性盐，所以反渗透主要应用在海水淡化。然而，这个处理过程也能去除有机物质，细菌和病毒，其在水处理中的应用越来越大。14单元 颗粒污染物控制选择正确的处理设备需要使设备的特性和污染物的特征相匹配。污染物在大小尺寸上包含了从气体分子到肉眼可见的直径几毫米的很大范围。任何一种设备都不能有效或者是高效的去除所有的污染物，即使是从一个烟囱排出的污染物。污染物的化学行为同样可以决定污染控制工艺的选择。各种空气污染物控制设备可以方便的分为用来控制颗粒物质的设备和用来控制气体污染物的设备。后者将在下一单元讨论。旋风分离器旋风分离是一种广泛应用的，经济有效的去除颗粒物的方法。干空气偏离中心的进入旋风分离器，这样，在锥体内空气产生了强烈的旋转，颗粒物围绕器壁被离心加速。器壁的摩擦力使颗粒物减速，从而滑落到底部被收集起来，而净化的空气从圆锥体顶部的中心离开。旋风分离器对大颗粒物的去除相当有效，因此，它被广泛的用作除尘的预处理。织物过滤器（袋式除尘器）用来去除颗粒物的袋式除尘器运行起来就像一个真空吸尘器。含尘气体被吸入或者吹入织物过滤袋，它能收集尘粒。通过袋子的周期性震动，落在袋子上的灰被清走。袋式除尘器可以高效的去除亚微米级的颗粒物，因此它在工业上广泛应用。袋式除尘器除尘的基本原理和水处理中砂滤池的原理相似。在诱捕作用产生的表面力的作用下，尘粒吸附在纤维上，并且在冲击和布朗扩散的作用下被带到织物的内部，和织物联结在一起。直径小于1微米的颗粒物质是有毒的，非常危险的，它的去除效果要好与99.9。当预处理过的气体被加压或真空吸入单级高效微粒微孔过滤器时能达到这样的去除率，4到6级HEPA过滤器串连处理可达到99.9999的去除率。例如，HEPA过滤器通常用于放射性颗粒物的去除。湿式除尘器喷雾塔和洗涤器可以有效的去除大颗粒物质。在进水的狭窄喉管处剧烈的作用可以促进水和空气的接触，从而使洗涤器更加有效。一般来讲，接触越剧烈，气泡和液滴越小，洗涤器越有效。文丘里洗涤器是一种经常用到的高效的洗涤器。气流经过喉管部分被收缩，高压水流垂直于气流方向进入。文丘里洗涤器基本上能100的去除直径大于5微米的颗粒物。虽然湿式洗涤器非常的高效，不但能捕集细小的颗粒物，而且能去除气体污染物，但是它也是有缺陷的。洗涤器需要消耗大量的水，洗涤过脏空气的水需要进一步的处理，否则不能再使用。在有些地方，例如美国的科罗拉多州，那里的水资源有限，相对于洗涤器，水有着更重要的用途。而且，洗涤器的好能高，它的运行费用和建设费用同样昂贵。另外，洗涤器经常会产生可见的水蒸气烟雾。（例：A plume of smoke rose from the chimney. 从烟囱里冒出一缕轻烟。注：Finally,没有译成最后，因为Finally后的内容仍然是洗涤器的其他缺点。）电除尘器在处理气量较大和湿式除尘器不适用的场合，静电除尘器广泛的应用于捕集细小颗粒物。在燃煤电厂，经常使用静电除尘器处理一、二级锅炉和焚化炉的尾气。在电除尘器中，含尘气流中带负电的颗粒物在通过高压电晕线时被去除。这些颗粒物在通过电极时被荷电，于是在电场中向集尘极迁移。集尘极或者是环绕电晕线的圆柱管，或者是平板。另外，需要周期性的用锤头振打集尘极，使灰从表面散落。由于集尘极上形成的粉尘层，捕集效率会下降，特别是圆柱形集尘极。而且，有些灰尘表面比电阻高，不能想从集尘极跌落，而是粘在上面。加热或用水冲刷电极可以解决这一难题。静电除尘器对细小颗粒物的捕集很有效。但因为捕集粉尘的数量与电流成正比，静电除尘器所耗费的电能可能会相当大，从而导致较高的运行费用。15单元 气态污染物控制气态污染物可以通过捕集、化学交换或者改变产生它们的过程而去除。前面讨论过的湿式洗涤器可以将污染物质溶解在洗涤液中，从而去除。发电厂废气中的SO2 和 NO2经常用这种方法去除。多级洗涤器是指分布有玻璃片或玻璃过滤板的喷淋塔，这可以使溶解过程比普通湿式洗涤器更高效。例如：从炼铝熔炉的废气中去除氟化物。吸附，或者化学吸收是利用一种吸附剂来去除有机化合物，例如活性炭。Smelter：熔炉 boiler：锅炉当有机污染物可以氧化为CO2和水时，或者将H2S 氧化为 SO2时，使用焚化或燃烧法。催化燃烧是焚烧的一种变形。在表面催化的作用下，燃烧反应从能量角度上讲更加容易实现，并能 在较低的温度下进行。SO2控制SO2普遍存在且危害严重。在美国和工业化国家，SO2最大的一个来源就是发电过程中含硫煤和油的燃烧。控制标准的日益严格，促进了减少SO2排放的多种可选办法和技术的发展。这些可选办法有：l 使用低硫燃料。天然气含硫非常低，而为得到工业热和电厂动力而燃烧的油含硫量在0.5 % 至 3%，煤含硫量在0.3 % 至 4%。然而低硫燃料价格昂贵、供应不稳定。l 燃烧前脱硫。人们可以用多种化学方法去除工业重油中的硫，方法类似于去除原油中的H2S。在煤中，硫分可以是无机物（例如黄铁矿FeS2）的形态存在，也可以有机物的形式存在。黄铁矿硫可以通过将煤粉碎并用洗涤溶液洗选的方法去除。有机硫可以通过浓酸洗涤去除。首选的脱硫方法是煤气化或溶剂萃取，这样可以分别得到符合管道运输质量的煤气和低硫的液态燃料。l 高烟囱。虽然，高烟囱可以降低气体污染物的地面浓度，但这并不是一种恰当的控制方法。l 烟气脱硫。燃烧器或者其他产生SO2过程排放的气体称为烟气。SO2可以通过化学过程净化，一些净化方法将在本章的后半部分讨论。SO2合成硫酸或其他硫酸盐的反应在烟气脱硫中是最常用的方法。它有两个局限：在进入生产酸酸工厂前烟气必须除尘，另外，只有在气流中SO2的浓度在330000ppm时酸才能顺利形成。形成酸的反应：双触点制酸厂可以生产技术等级98的硫酸。非铁熔炉和精炼工业最适用这种方法。可以进行相似的反应，生产(NH4)2SO4，一种肥料和石膏CaSO4。化石燃料燃烧烟气中的SO2浓度太低，不能作为酸而捕集，也不能作商业肥料或石膏。另外，燃煤锅炉尾气太脏。另一种典型的方法是单碱洗涤法，反应为：从这一过程中回收的高浓度SO2可以工业化应用于制浆和造纸，以及硫酸生产中。烟气中的SO2也可以通过溶解在柠檬酸钠溶液中被去除，反应式如下：柠檬酸钠本身不参与反应，而是作为一种缓冲剂将溶液的pH值控制在4.5柠檬酸盐缓冲剂容易再生。柠檬酸盐法的去除效率在8099，比碱液吸收法75的效率要高的多。氮氧化物的控制湿式洗涤器吸收SO2的同时也吸收NO2，但湿式洗涤器的安装通常不是主要为了NO2的去除。在燃烧化石燃料的发电厂常用的控制氮氧化物的有效办法是低氮氧化物燃烧技术。这种方法是通过将燃烧过程的空气量限值在比燃料燃烧所需理论空气量稍多的水平而控制NO2的形成。例如：天然气燃烧的反应为，空气中的氮和氧在高温下结合形成NO，在这一过程中，天然气燃烧在竞争中占优势。天然气燃烧所需氧的理想比例是：事实上，助燃空气中氧气的微小过量可以促进氧气与燃料的化合，而不是与氮化合。在实践中，可以调节气流在可见烟羽消失时进入燃烧室，从而达到低NO燃烧。VOC和臭氧的去除因为VOC和臭氧微溶于液态洗涤介质，所以用完全氧化（焚化或催化燃烧）的方法去除。16单元 焚烧焚烧是一种利用燃烧的方法使垃圾体积减小、毒害降低的方法。从体积角度看，焚烧的主要产物是二氧化碳、水、和灰，但是这些产物是最让人担心的，因为它们的环境效应无物是含有硫、氮和卤素的化合物。当燃烧产生的气态产物中包含新的污染物时，必须运用二次燃烧、洗涤或过滤等二级处理把污染物浓度降低到可接受的水平再排放到大气中。焚烧过程产生的固体灰尘是另一个引人关注的问题，必须达到充分的最终处理。焚烧作为处理有害废物的方法的优点如下：1. 在控制的条件下燃烧废料和燃料已经进行了很多年，基本的工艺技术是可以掌握并能非常好的发展。2. 焚烧可以广泛的用于大部分有机废物，还能处理大体积的液体废物。3. 焚烧是已知的最好的处理混合废物的方法。4. 焚烧是一种优秀的处理生物毒性肥废料的方法，例如医疗废物。5. 不需占用太多昂贵的土地。焚烧的缺点包括：1. 与其他替代方法相比，设备运行费用越来越贵，而且工艺必须满足空气污染物控制的严格的调整要求。2. 焚烧不总是一种最终的处理方法，这是因为一般不管灰烬参残余有无毒性都必须进行适当的处置使其对环境的污染降到最低。3. 除非运用大气污染控制技术来控制，否则焚烧产物中的气态或颗粒污染物会危害人们的健康或损坏财产。决定用焚烧法处理某种废物取决于与其他替代方法相比焚烧的环境恰当性及焚烧法与其他环境可行的供选方案的经济性。对废物完全氧化影响最大的可变因素有废物可燃性、在炉膛内的停留时间、火焰温度和炉膛内燃烧区呈现的紊乱度。可燃性是一种燃料被氧化的难易程度的量度。低可燃极限、低闪点、低着火或自燃温度的物质可以在不太剧烈的氧化环境中燃烧，即低温和低过剩空气的环境。三T条件指停留时间、温度、湍流度。焚化炉建成后，在这三个条件中只有温度是比较容易控制的，可以通过调节空燃比控制。如果想让含炭固体废物燃烧不产生烟，必须保持燃烧室的温度不低于760度。焚化炉的温度上限取决于可以用来建造燃烧室内衬墙的防火材料。一般需要耐1300度以上高温的特殊材料。氧化废物燃料的空气的湍流程度会显著地影响焚化炉的性能。一般来讲，为达到空气和燃料的充分混合，会用到化学和空气动力学两种方法。湍流的程度和效果会显著地影响燃烧的完成和完全燃烧的时间。良好燃烧的第三个条件是时间。必须提供足够的燃烧时间使燃烧缓慢的颗粒或液滴在同冷的表面或空气接触冷却之前完全燃烧。所需的燃烧时间取决于温度、燃烧规模、湍流程度。如果废气中含有可燃的有机材料，焚化是最后一种考虑采取的办法。当混合物中大部分可燃物低于可燃下限，就需要加入少量天然气或者其它辅助燃料以保持炉内的燃烧。因为辅助燃料价格昂贵，所以经济因素在选择焚化炉系统时至关重要。工业过程中产生高温的锅炉可以作为焚化炉处理有毒或者危险含炭废物。水泥窖的操作温度必须高于1400度，可以用有机溶剂作燃料。这就为处理废液和废油提供了一种可接受的方法。焚化炉也可以处理液态废物。从焚化的角度说，液体废物可以分为两类：可燃液体和部分可燃液体。可燃液体包括所有有足够热值支持常规燃烧室和燃烧器中燃烧的物质。不可燃液体不能用焚化法处理，这些物质包括在不添加辅助燃料时不支持燃烧的材料和不可燃成分（例如水）占很高百分比的物质。为了使废物在不添加助燃剂的条件下在空气中燃烧，废物的焓值一般必须在18 500kJ /kg至 23 000kJ /kg之间或者更高。热值低于18 500kJ /kg的液体废物被认为是部分可燃材料，需要特殊处理。如果废物最初是液体状态，除了把它加热到燃点外，还必需提供足够的热量使它气化。对于可燃废物， 。废物应该在常温或被加热到合理的温度时可以用泵抽送。因为液体被雾化后气化和反应速度都加快，所以，通常当液体粘度允许雾化时，用雾化喷嘴将液体废物注入到焚化炉设备。如果废物不能被泵抽送或雾化，它也不能作为液体燃烧，而是当作污泥或者固体来处理。设计部分可燃废液焚烧炉时必须确保废液能尽可能雾化，从而有最大的表面积与空气混合。同时还需要确保足够的空气以提供有机物氧化或焚烧时所需的氧气。另外，辅助燃料的热量必须足以使废物和燃烧空气的温度上升到废物中有机材料的燃点以上。焚烧污泥或者泥浆废物也是一个重要的废物处理问题。适用于这种废物的焚烧炉是流化床焚烧炉、回转窑焚化炉和多炉膛焚烧炉。对于许多固体或污泥来说焚化并不是万能的