环境科学导论-第4章课件

1、第4章 水污染及其控制技术Water pollution and control technology*环境科学导论1导读: 水环境是人类社会和经济发展不可缺少的重要资源。我国是水资源比较贫乏的国家之一。大约有40%以上的人口生活在缺水地区，其中2000多万农村人口饮水困难，1.6亿多城市居民的正常生活受到影响。缺水造成地下水被超量开采，失水的绿洲正在变为荒漠。随着社会和经济的高速发展，一些不合理的开发活动导致了一系列新的水环境问题，全国废水排放量由1980年的315亿吨增加到2014年的695.4亿吨，50%的城市地下水不同程度的受到污染。大型淡水湖泊和城市湖泊、水库均达到中等以上的污染程度

2、。同时赤潮发生频率增加，海洋污染日益严重。严重的水环境污染问题对人类的生存环境以及经济社会的可持续发展造成了严重威胁，水体污染防治已成为我国最紧迫的环境问题之一。提要： 本章在介绍了全球和我国的水资源状况、水质指标和水质标准、水污染和水体自净的基础上，系统介绍了水体污染防治的基本途径和国内外污水处理的先进适用技术。要求： 通过本章的学习，了解水资源对人类的重要性、水资源在世界范围内的匮乏情况；水体主要污染物的种类和危害、我国常用水质标准、水体污染的防治途径；重点掌握各种水污染控制技术，力求理论联系实际，培养分析问题和解决问题的能力。*环境科学导论第2页4.1 水环境概述4.1.1水资源 水资源

3、（Water resource）指一切用于生产和生活的地表水、地下水和土壤水。 1.水资源的重要作用 1）水是一切生物不可少的物质。 2）水流塑造地球表面的形态。 3）水具有物质运输的功能. 4）调节气候。 5）水是人类赖以生存和生产的物质基础。*环境科学导论第3页 2.世界水资源概况通常，人们以全球陆地入海径流总量4.7104km3为理论水资源总量，但是水资源在全球的分布是不均匀的，各国水资源丰缺程度相差很大。某地区水资源的丰缺取决于多种因素，地理位置、地形、温度和太阳辐射以及地面植被和人类活动都会对水资源的运动和分配造成显著的影响。近50年来，世界农业用水量增加了3倍，工业用水增加了7倍，

4、生活用水增加的更多。2000年，全球用水总量已达6.11103km3，占总径流量的13%。但是可供人类利用的水资源并没有相应的增长，反而由于人为污染等原因造成水资源质量和数量的下降。据估计，全球范围内，可用水量与总需水量在2030年前处于供大于求，2030年为分界点，2030年后进入供不应求的水资源危机阶段。目前，全世界有100多个国家缺水，43个国家和地区严重缺水，占全球面积的60%。*环境科学导论第4页 3）中国水资源概况中国水资源总量丰富。流域面积在100 km2以上的河流有5万余条，1000 km2以上的有1500余条；面积1 km2以上的湖泊有2300余个，约占国土面积的0.8%，湖

5、水总储量约为708.8 km3，其中淡水量为32%；我国还有丰富的冰川资源，共有冰川43000余条，集中分布在西部地区，总面积58700 km2，占亚洲冰川总量的一半以上，总储量约为5200 km3。我国平均年降水量为6188.9 km3，平均降水深648.4mm，年均河川径流量2711.5 km3，合径流深284.1mm。河川径流主要靠降水补给，由冰川补给的只有50 km3左右。我国地表水和地下水的量分别为2711和829 km3，扣除两者之间重复量728 km3后，则我国多年平均水资源总量为2812 km3，居世界第六位，但人均占有量为2200m3，只有世界人均占有量的1/4，排在世界第8

6、8位。我国年总用水量已达7000多亿m3，占我国总水资源的20%以上，占总可用水量的60%，占实际可用水量的100%，占实际可用清洁水资源的175%。由此，我国水资源面临的严峻形势可见一斑。*环境科学导论第5页 4.中国水资源面临的主要问题 1）人均和亩均水量少； 2）水资源时空分布不均匀，水土资源组合不平衡； 3）水土流失严重，许多河流含沙量大； 4）开发利用各地很不平衡； 5）水资源污染、破坏严重。*环境科学导论第6页4.1.2水循环 水循环指自然界中各类水体相互联系的过程，又称作“水文循环（Hydrologic cycle）”、“水分循环（Water cycle）”。*环境科学导论第7页

7、图4-1水的自然循环过程4.2 水体污染与自净4.2.1水体 水体（Water body）有两个含义： 一般是指地球的地面水与地下水的总称。 在环境学领域中，水体的概念则是指地球上的水及水中的悬浮物（Suspended solids）、溶解物质（Dissolved substances）、底泥(Bottom mud)和水生生物(Aquatic organisms)等完整的生态系统(Ecological system)或完整的综合自然体，而水只是水体中的一部分。*环境科学导论第8页4.2.2水体污染 水体污染(Water bodypollution) 指污染物进入河流、海洋、湖泊或地下水等水体后

8、，使其水质和沉积物的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值和使用功能，并达到了影响人类正常生产、生活以及影响生态平衡的现象。水体污染根据来源的不同，可以分为:自然污染（Nature pollution) 指自然界自行向水体释放有害物质或造成有害影响的现象。人为污染（Man-made pollution） 人类生产生活活动中产生的废物对水体的污染，对水体造成较大危害的现象，包括工业废水、生活污水、农田水的排放等。*环境科学导论第9页4.2.3水体污染源 水体污染源（Water body pollution sources） 指造成水体污染的污染物的发生源，通常，指向水体排

9、入污染物或对水体产生有害影响的场所、设备和装置。 根据污染物来源的不同，水体污染源可以分为：天然污染源（Natural pollution source）人为污染源（Man-made pollution source） 人为污染源是环境保护研究和水污染防治中的主要对象。按污染物排放的空间分布方式分为：点源（Point source） 以点状形式排放而使水体造成污染的发生源。非点源(Non-point source) 污染物以面形式分布和排放而造成水体污染的发生源。*环境科学导论第10页4.2.4主要污染物及其危害 1.水体的物理性污染及其危害 热污染 (Thermal pollution) 指

10、高温废水排入水体后，使水温升高，物理性质发生变化，危害水生动、植物的繁殖与生长。造成的后果主要有： 水温升高，导致水中溶解氧浓度降低，造成水生生物的窒息死亡； 导致水中化学反应速度加快，引发水体物理化学性质的急剧变化，臭味加剧； 加速水体中细菌和藻类的繁殖。 (2)色度 (Chromacity) 城市污水，特别是有色工业废水（印染、造纸、农药、焦化和有机化工等排放的废水）排入水体后，使水体形成色度，引起人们感官的不悦。水体色度加深，使透光性降低，影响水生生物的光合作用，抑制其生长，妨碍水体的自净作用（ Self-purification of water body ）。 (3)固体污染物 (S

11、olid substance pollution) 水体受悬浮态(直径大于100nm)或胶体态（直径介于1-100nm）固体物污染后，主要产生以下危害： 浊度增加，透光性减弱，影响水生生物的生长； 悬浮固体可以堵塞鱼鳃，导致鱼类窒息死亡； 由于微生物对部分悬浮有机固体有代谢作用，消耗了水中的溶解氧； 沉积于河底造成底泥沉积与腐化，恶化水体水质； 悬浮固体作为载体，可以吸附其他污染物质，随水流迁移污染。*环境科学导论第11页2.水体的化学性污染物及其危害 (1)酸、碱污染： 水体的酸、碱污染往往伴随着无机盐污染。 (2) 氮、磷污染与水体的富营养化(Water eutrophication) (

12、3)需氧有机物污染 ：主要包括糖、蛋白质、脂肪、有机酸类、醇类等，它们易于生物降解，在此过程中，需要消耗水中的溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)。 (4)有机有毒物质污染 这类有机污染物(Organic pollutants)大多属于人工合成物质，常见的有农药、酚类、芳香族化合物等。 三个主要特征： 1）多数不易被微生物降解，在自然环境中可存留十几年甚至上百年。 2）危害人体健康，有的甚至是致癌物质，如联苯、3，4苯并芘、1，2苯并蒽等，具有强烈致癌性。 3）这类物质在某些条件下，能缓慢降解，也能消耗水中溶解氧*环境科学导论第12页几类常见的有机有毒污染物：农药： 根据化学成分

13、的不同，可以分为有机氯农药、有机磷农药、有机汞农药、有机砷农药、氨基甲酸酯以及苯酰胺类。它们对环境、各种农畜产品、食用性植物会造成普遍性污染，并通过食物链进入人体，损害人体健康。酚类： 化工、冶金、火电和煤气等工业都排出大量酚。酚类化合物中以苯酚毒性最强，苯酚、甲酚都能对人的神经系统造成严重伤害。环境中的酚中毒呈慢性状态，使人出现头昏、头痛、精神不安等神经症状以及呕吐、腹泻等慢性消化道症状。高浓度酚可引起急性中毒，甚至死亡。渔业、农灌用水对酚浓度都有严格要求。有机氯化合物： 有机氯化合物被人们使用的有数千种，其中污染广泛的是多氯联苯（PCB）和有机氯农药。多氯联苯含氯原子越多越容易在人体脂肪组

14、织和器官中蓄积，其毒性表现为：影响皮肤、神经、肝脏，破坏钙的代谢，导致骨骼、牙齿的损害，并有亚性、慢性致癌和遗传变异的可能性。不少其他有机氯化合物也具有致癌作用。*环境科学导论第13页(5)持久性有机污染物（Persistent organic pollutants，POPs） 按照关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约界定，可将有机污染物分为持久性有机污染物和其他有机污染物, 基本类别如图4-2所示。*环境科学导论第14页图4-2 环境有机污染物的基本类别*环境科学导论第15页 持久性有机污染物（Persistent organic pollutants， POPs)是指通过各种环境介质（大气

15、、水、生物体等）能够长距离迁移并长期存在于环境，具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性，且能通过食物网积聚，对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质。 国际POPs公约首批持久性有机污染物分为三类： 第一类-杀虫剂： 1）艾氏剂(aldrin) 2）氯丹（chlordane） 3）滴滴涕(DDT） 4)狄氏剂（dieldrin） 5）异狄氏剂（endrin） 6）七氯 7）六氯代苯（HCB） 8）灭蚁灵（mirex） 9）毒杀芬（toxaphene） 第二类工业化学品： 1）多氯联苯（PCBs） 2）六氯苯（HCB） 第三类生产中的副产品： 二恶英(Dioxin),和呋

16、喃（Oxole），其来源： 1）不完全燃烧与热解，包括城市垃圾、医院废弃物、木材及废家具的焚烧，汽车尾气，有色金属生产、铸造和炼焦、发电、水泥、石灰、砖、陶瓷、玻璃等工业及释放PCBs的事故。 2）含氯化合物的使用，如氯酚、PCBs、氯代苯醚类农药和菌螨酚。 3）氯碱工业。 4）纸浆漂白。 5）食品污染，食物链的生物富集、纸包装材料的迁移和意外事故引起食品污染。国际对POPs的控制：禁止和限制生产、使用、进出口、人为源排放，管理好含有POPs废弃物和存货。5）食品污染 食物链的生物富集、纸包装材料的迁移和意外事故引起食品污染。（7）油脂类污染 含油废水的排放和石油产品的泄漏是这类污染的主要来源

17、。*环境科学导论第16页4.2.5水体自净 (Self-purification of water body) 污染物随污水排入水体后，经物理、化学与生物化学作用，使污染物浓度降低或总量减少，受污染的水体部分的或完全的恢复原状的现象。水体自净过程十分复杂，按其作用机制可以分成三类： 1.物理自净(Physical self-purification) 污染物进入水体后，由于稀释(Dilution)、扩散(Diffusion)和沉淀(Precipitation)等作用，使水中污染物的浓度降低，使水体得到一定的净化，但是污染物总量保持不变。 2.化学自净(Chemical self-purific

18、ation) 污染物在水体中以简单或复杂的离子或分子状态迁移(Migration)，并发生化学性质或形态、价态上的转化(Transformation)，使水质也发生了化学性质的变化，减少了污染危害，如酸碱中和、氧化还原、分解化合、吸附、溶胶凝聚等过程。 3.生物自净(Biological self-purification) 水体中的污染物经生物吸收(Bioabsorption)、降解(Biodegradation)作用而发生浓度降低的过程。*环境科学导论第17页4.2.6水环境容量 水体所具有的自净能力就是水环境接纳一定量污染物的能力。一定水体所能容纳污染物的最大负荷被称之为水环境容量（Wa

19、ter environmentalcapacity），即某水域所能承担外加的某种污染物的最大允许负荷量。 水体对某种污染物质的水环境容量可用下式表示： 式中：W某地面水体对某污染物的水环境容量，Kg；V该地面水体的体积，m3；Cs地面水中某污染物的环境标准值（水质目标），g/L；Cb地面水中某污染物的环境背景值，g/L；C地面水对该污染物的自净能力，Kg。*环境科学导论第18页4.3 水质指标、水环境标准与水环境保护法规4.3.1水质指标水质指标(Water quality index)就是水质性质及其量化的具体表现，还是控制和掌握污水处理设备的处理效果与运行状态的重要依据。 1pH值 2.

20、悬浮固体（Suspendedsolid） 3. 有机物含量：这类污染物反映指标： （1）生物化学需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD） 生物化学需氧量是指水中有机污染物被好氧微生物分解时所需的氧量，简称生化需氧量，单位为mg/L。 （2）化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD） 化学需氧量是指用化学氧化剂氧化水中有机污染物时与所消耗的氧化剂量当量相当的氧量，单位为mg/L。 （3）总需氧量（Total Oxgen Demand，TOD）总需氧量是指有机物中碳、氢、氮、硫等元素全部被氧化为二氧化碳、水、一氧化氮和二氧化硫等时所需的氧量。 （

21、4）总有机碳（Total Organic Carbon，TOC） 总有机碳是指水样中所有有机污染物质的含碳量。这两个指标都是燃烧化学氧化反应，前者测定结果以氧表示，而后者则以碳表示。 4.植物营养元素 氮、磷是植物的营养元素。 5. 溶解氧（DO） 6. 有毒有害物质指标(Toxic and harmful substances index) 7.细菌污染指标用两种指标表示水体被细菌污染的程度：细菌总数，单位为个/mL和总（或粪）大肠菌数，单位为个/mL。*环境科学导论第19页4.3.2水环境标准 (Water environmental quality standards ) 1.水环境质量

22、标准及用水水质标准 我国已颁布主要有：地表水环境质量标准（GB 3838-2002）、生活饮用水卫生标准（GB 57492006）、农田灌溉水质标准（GB 50842005）、渔业水质标准（GB 116071989）、海水水质标准（GB 3097-1997）、 景观娱乐用水水质标准（GB 129411991）。以上各标准详细说明了各类水中污染物的允许最高浓度，以保证水环境及用水质量。 2.污水排放标准 我国根据我国的具体自然条件、经济发展水平和科技发展水平，综合平衡，全面规划，充分考虑可持续发展的需要，有重点、有步骤的控制污染源，保护水环境质量，并为此制定了污水的各种排放标准(Wastewat

23、er discharge standard)。可以分为一般排放标准和行业排放标准两大类。一般排放标准主要有：污水综合排放标准（GB 89781996）、农用污泥中污染物控制标准（GB 42841984）等。我国的造纸、纺织、钢铁、肉类加工等行业也都制定了相应的行业排放标准。*环境科学导论第20页4.3.3水环境保护法规中华人民共和国环境保护法（1979年制订并颁布实施，1989年修正，2014年再次修订）中华人民共和国水污染防治法（1996年修正，2008年再次修订）水污染物排放许可证管理暂行办法中华人民共和国防止拆船污染环境管理条例饮用水水源保护区污染防治管理规定中华人民共和国防治海岸工程建

24、设项目污染损害海洋环境管理条例中华人民共和国水土保持法清洁生产促进法*环境科学导论第21页4.4 污水处理基本方法与系统 4.4.1污水处理基本方法 *环境科学导论第22页表4-2 污水处理的基本方法污水处理（Waste water treatment）的基本任务，就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。4.4.2污水处理系统一级处理（Primary treatment） 主要解决悬浮固体、胶态固体、悬浮油类等污染物的分离，多采用物理法。一级处理通常是二级处理的预处理。二级处理（Secondary treatment） 主要去除污水中

25、呈胶体和溶解状态的有机污染物质（即BOD、COD物质），多采用较为经济的生物处理法，它往往是废水处理的主体部分。经二级处理后，一般均可以达到排放标准。三级处理（Tertiary treatment） 一级、二级处理后，进一步处理难降解有机物、氮和磷等可溶性无机物等。处理后的水质可以达到工业用水和生活用水的标准。污泥处理（Sludge treatment ） 污水处理过程中的产物。 *环境科学导论第23页*环境科学导论第24页图4-3 城市污水处理典型流程图4.5 污水的物理处理技术4.5.1格栅与筛网*环境科学导论第25页图4-4 水力回转筛结构示意图1.格栅（Bar screen） 格栅安装

26、在污水渠道、泵房集水井的进口处或污水处理厂的前端部，用以截留较大的悬浮物或漂浮物，如纤维、碎皮、毛发、木屑、果皮、蔬菜、塑料制品等，减轻后续处理筑构物的处理负荷，使之正常运行。2. 筛网（Screen） 筛网多用于纺织、造纸、化纤等类的工业废水处理，近年来，由于城市污水中纤维状污染物日益增多，为有效拦截纤维状污染物，城市污水处理中也越来越多使用筛网。4.5.2均衡与调节很多废水的水质、水量常常是不稳定的，为了使废水处理设备的负荷保持稳定，而不受废水的流量、浓度、酸碱度、温度等条件变化的影响，故需在废水治理装置之前设置调节池，来调节废水的水质与水量，使其均衡的流入处理装置。调节池（Regulat

27、ing reservoir）主要有圆形与长方形两类，废水在池内要求有足够的均衡时间，以达到调节废水的目的。同时，又不希望有沉淀物下沉，否则，在池底还需增加刮泥装置及设置污泥斗等，使调节池的结构变为复杂。调节池的容积可视废水的浓度和流量变化，要求的调节程度及废水处理设备的处理能力来确定。在容积较大的调节池中，通常还设置有搅拌装置，以促进水质均匀混合。*环境科学导论第26页4.5.3重力固液分离沉淀法（Precipitation） 1.沉淀的基本类型 （1）自由沉淀 （2）混凝沉淀 （3）成层沉淀 （4）压缩沉淀 2. 重力沉淀装置 （1）沉砂池 （Grlt sedimentation chamb

28、er） 功能是去除比重较大的无机颗粒（如泥沙、煤渣等，相对密度约为2.65）。 常见的沉砂池有平流沉砂池（Horizontal flow Grlt sedimentation chamber）、曝气沉砂池（ Aerated grit sedimentation chamber、多尔沉砂池和钟式沉砂池等。 （2）沉淀池 （Sedimentation chamber） 沉淀池按工艺布置的不同分为初次沉淀池和二次沉淀池。 根据池内水流的方向不同，沉淀池的形式分为平流式沉淀池、辐流式沉淀池（如图4-5所示）、竖流式沉淀池（如图4-6所示）和斜板（管）式沉淀池四种。*环境科学导论第27页*环境科学导论第

29、28页*环境科学导论第29页图4-5 竖流式沉淀池结构图图4-6 辐流式沉淀池结构图4.5.4离心力分离 根据离心力(Centrifugal force)产生方式的不同，离心分离设备可分为水旋和器旋两类。 1.水力旋流器 水力旋流器简称水旋器，根据产生水流旋转能量的来源不同，又可分为： 压力式水力旋流器 上部呈圆筒形，下部是倒置截头圆锥体。进水管以渐收方式，按切线方向与圆筒相接。待处理废水经水泵加压从上部以切线方向进入旋流器后发生高速旋转。首先沿器壁的切线方向，自上而下旋转（一次涡流），至接近锥底后再自下而上旋转（二次涡流）。废水中的悬浮固体颗粒在旋转过程中由于离心力的作用而被甩向器壁，并在重

30、力作用下沿器壁下滑，在底部的排泥口排出；而较轻的液体则形成内层旋流自下而上螺旋上升，从中心溢流管流出后再经排水管排出。重力式 又称水力旋流沉淀池。旋流沉淀池有周边配水和中心筒旋流配水两种。在处理废水时，废水也是以切向进入容器内，并借助进、出水的压力差在容器内作旋转运动。这种旋流器中，离心力的作用并不重要，固液分离基本上是由重力决定的。*环境科学导论第30页2.离心机离心机(Centrifugal machine)是依靠一个可以随传动轴旋转的圆筒（通常称为转鼓）在外界传动设备的驱动下产生高速旋转，并且由设备的旋转同时也带动需进行分离的液体一起旋转，由于在液体中不同组分的密度差所产生的力的差异从而

31、达到分离目的的一种离心分离设备。中低速离心机多用于分离纤维类悬浮物和污泥脱水等固液分离，而高速离心机则适于分离乳化油和蛋白质等密度较小的细微悬浮物。*环境科学导论第31页4.5.5浮力固液分离 1. 隔油池(Oil separation chamber)隔油池主要分离含油废水中的油珠，含油废水主要来自石油、石油化工、炼焦、机械加工和屠宰等工业企业。目前常用的隔油池主要有两大类：平流式和斜板式。*环境科学导论第32页图4-7 CPI型波纹斜板式隔油池结构图 平流式隔油池除油率一般为60%80%，粒径150m以上的油珠均可除去，它的优点是构造简单，运行管理方便，除油效果稳定。缺点是占地面积大，处理

32、能力低，排泥难，出水中仍含有乳化油，一般作为预处理。 斜板式隔油池（如图4-7所示），由于提高了单位池容的分离面积，在废水停留时间不大于30min的情况下，不仅可以分离粒径为60m以上的油粒，而且单位处理能力的池容仅相当于平流式隔油池的1/21/4。但是斜板隔油池运行中常有挂油现象，应定期用蒸汽及水冲洗斜板，防止堵塞。2. 气浮池(Air flotation chamber)气浮是向废水中注入大量微气泡，使其与废水中污染物粘附形成密度小于水的气浮体，在浮力作用下上浮至水面而达到分离的目的。根据布气方式的不同，气浮可分为：散气气浮、溶气气浮和电解气浮。气浮池一般有两种结构形式，即平流式和竖流式,

33、全溶气加压溶气气浮法工艺流程如图4-8所示。*环境科学导论第33页4-8 全溶气加压溶气气浮法工艺流程4.5.6过滤固液分离 根据过滤介质（材料）不同，过滤(Filtration)分为粗滤、微滤、膜滤和粒状材料过滤等四种类型。粗滤：格栅、筛网等，截流废水中较粗的悬浮固体。微滤：截留废水中0.1100m的悬浮固体。膜滤：采用各类人工膜作为过滤介质，其推动力主要是压力差或电位差，废水处理中利用压力差作为推动力的膜法有超滤（UF），反渗透（RO），纳滤（NF）等，以电位差为推动力的有电渗析（ED）等，它们可以去除废水中呈溶解态的污染物质。粒状材料过滤：水处理中最常用的固液分离方法，采用的过滤材料一般

34、称为滤料，它们可以去除几十微米到胶体级的污染颗粒。 前三类过滤（粗滤、微滤和膜滤）因污染物都被截留在过滤介质的表面，所以又称表面过滤（Surface filtration）；而粒状材料过滤时，污染物可以深入到过滤介质的内部，所以又称深床过滤（Depth filtration）或滤层过滤(Filter filtration）。 *环境科学导论第34页4.5.7膜分离法（Membrane separationtechnology）膜分离技术是利用隔膜是溶剂（通常是水）同溶质或微粒分离的处理方法。用隔膜分离溶液时，使溶质通过膜的方法称为渗析，使溶剂通过膜的方法称为渗透。根据溶质或溶剂通过膜的推动力不

35、同，膜分离法可分为三类。以电动势为推动力的方法有：电渗析和电渗透。以浓度差为推动力的方法有：扩散渗析和自然渗析。以压力差为推动力的方法有：压渗析和反渗透、超滤、微滤和纳滤等。*环境科学导论第35页不同的膜分离过程所用的膜不同，分离过程的推动力、分离机理及适用对象也不同，如表4-4所示。污水处理中常用的几种膜分离技术介绍*环境科学导论第36页1)电渗析法 （Electrodialysis）指外加直流电场作用下，利用阴阳离子交换膜对污水中的离子有选择性的渗透的原理（即阳离子能通过阳离子交换膜，而被阴离子交换膜所阻；阴离子能通过阴离子交换膜，而被阳离子交换膜所阻），当污水通过由阴、阳离子交换膜组成的

36、电渗析器时，污水中的阴、阳离子被从污水中分离的处理技术。电渗析的工作原理如图4-9所示。图4-9电渗析工作原理图*环境科学导论第37页图4-10电渗析处理电镀含镍废水工艺流程（2）反渗透法 （Reverse osmosis ,RO） 反渗透法是将具有一定压力的污水通过半渗透膜，其中水分子被压滤过去，而溶解于水中的污染物质（离子或相对分子质量大约为3001000，直径大约为0.11nm的有机物）则被膜截留而分离出来的方法。*环境科学导论第38页图4-11反渗透法处理电镀废水工艺流程图4-12 中空纤维式反渗透装置（3）超滤法 （Ultrafiltration，UF） 超滤是将具有一定压力的污水通

37、过半渗透膜（孔径为1nm10nm），利用机械筛分原理使水分子被压滤过去，而溶解于水的污染物质（相对分子量大约500500 000，直径大约为10 nm 100 nm的有机物）则被膜截留而分离出来的处理技术。*环境科学导论第39页图4-13超滤法处理印染废水工艺流程（4）超纯水制备技术 *环境科学导论第40页图4-14 超纯水制造流程超纯水（Ultrapure water）的制备一般包括预处理、脱盐、后处理三道工序。目前，使用反渗透和超滤技术制备纯水的系统为最佳系统，反渗透能去除90%以上的总溶解盐、95%以上的溶解有机物，98%以上的微生物及胶体，从而大大减轻了其后续离子交换装置的负荷和有机物

38、。超滤、微滤可将系统中产生的微粒、细菌除去，有效的保证了终端用水的水质。4.6 污水的化学处理技术4.6.1混凝法 向废水中投加混凝剂(Coagulant)，使废水中细小的悬浮物和胶体污染物絮凝变大通过自然沉淀或过滤予以分离。 1.混凝原理 (1)压缩双电层作用 (2)吸附架桥作用 (3)网捕作用*环境科学导论第41页图4-15 胶体粒子结构及其电位分布图2.影响混凝效果的主要因素 (1)水温 (2)pH值 (3)水中杂质的成分、性质和浓度 (4)水力条件 3.混凝剂（Coagulant）根据所加药剂在混凝过程中所起作用的不同，混凝剂可分为： 1）凝聚剂 2）絮凝剂 分别起胶粒脱稳和结成絮体的

39、作用。根据混凝剂的化学成分与性质的不同，混凝剂可以分为： 1）无机盐类混凝剂 2）高分子混凝剂 3）微生物混凝剂在某些情况下，单独使用混凝剂不能取得良好效果时，可投加辅助药剂来调节、改善混凝条件，提高处理效果，这种辅助药剂通常称为助凝剂。较常用的助凝剂有聚丙烯酰胺（PAM）、活化硅胶、骨胶、海藻酸钠等。*环境科学导论第42页4.混凝工艺流程及设备*环境科学导论第43页图4-16 混凝工艺流程图4.6.2吸附法(Adsorption) 吸附法是利用多孔性固体吸附剂来处理废水的方法。 1.吸附的基本原理吸附是在相界面上物质浓度自动发生积累或浓集的现象，是一种非均相过程。吸附过程本质上是由于吸附剂表

40、面上的分子受力不均衡，存在着剩余力场，具有表面能。根据吸附剂表面吸附力的不同，吸附可分为： 1)物理吸附 物理吸附是由范德华力引起的，它是一个可逆过程。物理吸附选择性不强，热效应 比较小，吸附速率较大，且受温度影响较小。 2)化学吸附 化学吸附是由化学键力引起的，一般是不可逆的。而化学吸附的热效应较大，有选择性，吸附速度受温度影响大，温度上升吸附速度也迅速上升。废水处理中，吸附过程往往是上述两类过程的综合作用，其中主要是物理吸附。为了选择合适的吸附剂和控制合适的操作条件，必须了解和分析吸附的影响因素。影响吸附因素很多，其中主要有吸附剂特性、吸附质特性和吸附过程的操作条件。 *环境科学导论第44

41、页2. 吸附剂从广义而言，一切固体表面都有吸附作用，但实际上，只有细微物质或多孔物质，因其具有很大的表面积而显示出明显的吸附能力。在废水处理中，常用的固体吸附剂有活性炭、磺化煤、焦炭、木炭、木屑、泥煤、高岭土、硅藻土等。吸附剂(Adsorbent)的吸附达到饱和以后必须进行再生，采用特定的方法将被吸附物从吸附剂的孔隙中清除，使之恢复活性，重复使用。常用的方法有以下几种：水蒸气吹脱法、加热法、化学氧化法、溶剂萃取法。需要根据吸附剂与吸附质的性质加以选择。*环境科学导论第45页3.吸附工艺流程及设备 (1)固定床(Fixed bed) *环境科学导论第46页图4-17降流式固定床吸附塔结构示意图图

42、4-18 固定床吸附操作示根据水流方向，固定床可分为升流式和降流式两种。(2)移动床(Moving bed) 在吸附塔内原水自塔底向上流动，吸附剂自塔顶向下移动。两者逆流接触并发生吸附作用，处理后的水从塔顶部流出，再生后的吸附剂从塔顶部加入，接近饱和的吸附剂从塔底间歇排除。(3)流化床(Fluidized bed) 与固定床和移动床不同的地方在于吸附剂在塔内处于流化状态或膨胀状态。被处理的废水与活性炭也是逆流接触。由于活性炭处于流化状态，不存在堵塞问题，也不需要反冲洗，因此常用来处理悬浮物浓度较高的废水。*环境科学导论第47页4.6.3离子交换法(Ion exchange) 离子交换法借助离子

43、交换剂中无害的可交换离子，与废水中有害离子的交换作用，使水质得到了净化。 1.离子交换的基本原理*环境科学导论第48页式中：R离子交换剂的母体；A+，C-离子交换剂上所带的可交换离子；B+，D-废水中待交换离子。分子式下的横线表示固相。离子交换过程是可逆的，其逆反应也称为“再生”，因此交换剂经再生后可重复使用。2.离子交换剂(Ion exchanger)离子交换剂是一种具有多孔性结构的物质，它带有电荷，并与反离子相吸引，离子交换剂的反离子与溶液中符号相同的反离子在两相间进行再分配，这就是离子交换动力学的一种扩散过程。但是离子交换剂又具有选择性，它对某些离子具有更大的亲和力，所以离子交换过程又与

44、一般的扩散过程有所不同。*环境科学导论第49页图4-19 阳离子交换树脂结构示意图3.离子交换流程及装置 1)交换。废水自上而下流过树脂层； 2)反洗。当树脂使用到终点时，自下而上逆流通水进行反洗，除去杂质，使树脂层松动； 3)再生。再生剂通过顺流或逆流进行再生，使树脂恢复交换能力； 4)正洗。即自上而下通入清水进行淋洗，洗去树脂层中夹带的剩余再生剂，正洗后交换柱即可进入下一个循环工序。其中，交换是工作阶段，而反洗、再生和正洗属于再生阶段。*环境科学导论第50页图4-22离子交换法处理镀镍废水工艺流程4.6.4中和法（Neutralization） 中和是指通过酸碱反应，使废水的pH值达到中性

45、左右的过程，被处理的酸或碱主要是无机的。 1.酸碱废水互相中和 2.药剂中和 3. 过滤中和 *环境科学导论第51页图4-23湿法药剂中和流程图4.6.5化学沉淀法（Chemical precipitation）化学沉淀法是指向废水中投加化学药剂，使其与废水中的污染物发生化学反应，形成难溶的沉淀物沉淀下来的方法。化学沉淀法根据投加的化学药剂的不同可以分为： （1）氢氧化物沉淀法 （2）硫化物沉淀法 （3）其他方法 石灰法、碳酸盐沉淀法、铁氧体沉淀法等。*环境科学导论第52页图4-24石灰法处理铅锌冶炼污水的工艺流程4.6.6氧化还原法（Oxidation reduction） 氧化还原法是指通

46、过向废水中投加适量的氧化剂或还原剂,利用溶解于废水中的有毒有害物质能在氧化还原反应中能被还原或被氧化的性质，将其转化为无毒无害新物质的废水处理方法。 *环境科学导论第53页氧化法（Oxidation） (1)湿式氧化 (Wet air oxidation）工艺 在较高的温度和压力作用下，利用空气中的氧氧化废水中溶解态和悬浮态的有机物的一种水处理方式。图4-25湿式氧化技术流程（2）超临界水氧化（Supercritical wateroxidation ） 超临界流体是指温度及压力均处于临界点以上的液体，具有许多独特的性质，如粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质。 超临界水氧化技术是对湿式氧

47、化处理难降解有机废水技术的改进，是一种绿色水处理技术。*环境科学导论第54页图4-26水的存在状态（3）臭氧氧化 臭氧分子中的氧原子具有强烈的亲电子或亲质子性，而光能分解产生新生态氧原子 ，故臭氧具有较强的氧化性。（4）光催化氧化（Photocatalytic oxidation） 光催化氧化作为一种高级氧化技术。以太阳光为潜在的辐射源，激发半导体催化剂，产生空穴和电子对，具有很强的氧化还原作用。*环境科学导论第55页图4-27 多相光催化降解有机物的原理（5）双氧水、Fenton试剂及其组合的高级氧化法 1）双氧水氧化法 双氧水（H2O2）能直接氧化水中的有机污染物，同时本身只含H、O两种元

48、素，使用时不会引入杂质，H2O2在水处理中具有广泛的应用。 2）Fenton试剂氧化法 双氧水中加入亚铁离子形成Fenton试剂，生成的HO自由基是一种很强的氧化剂。3）电Fenton试剂法 利用电化学法产生的Fe2+和H2O2作为Fenton试剂的持续来源，两者产生后立即作用而生成具有高度活性的羟基自由基，使有机物得到降解，其实质就是在电解过程中直接生成Fenton试剂。*环境科学导论第56页2. 还原法（Reduction） 目前多用于去除废水中无机离子，特别是重金属离子的还原，也用于水中染料、含氯有机污染物质的还原处理。*环境科学导论第57页图4-28 还原吸附法处理含汞废水的工艺流程4

49、.6.7电解法（Electrolysis） 电解质溶液在直流电的作用下发生电化学反应的过程。 ） 氧化作用 ） 还原作用 ） 混凝作用 ） 浮选作用 *环境科学导论第58页电解法主要适用于处理含重金属离子、含油废水的脱色、含氰废水等。图4-29电解法处理废水流程示意图4.7污水的生物处理技术（一）-活性污泥法4.7.1基本原理 活性污泥法（Activated sludge process）是以活性污泥为主体的污水生物处理技术(Wastewater biological treatment）。它是在人工充氧的条件下，对污水中的各种微生物群体进行培养和驯化，形成活性污泥。利用活性污泥的吸附和氧化作

50、用，以分解去除污水中的有机污染物。然后进入二次沉淀池，进行污泥与水的分离，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统。*环境科学导论第59页图4-30 有机物代谢示意图活性污泥（Activated sludge）是一种褐色絮状体，充满了各种微生物（包括细菌、真菌、原生动物和后生动物等），还含有一些无机物和分解中的有机物，它们组成了一个特有的生态系统。其中最重要的是细菌和原生动物两类。参与污染物去除的活性污泥微生物，根据其生理特征的不同可分为： ）在好氧条件下，利用含碳有机物进行生长繁殖的异养微生物（包括细菌、原 生动物和后生动物）； ）在好氧条件下，将氨氮氧化为亚硝酸盐，将亚硝酸盐氧

51、化为硝酸盐的自养菌（一般称为硝化菌）； ）在缺氧（溶解氧很低）条件下，将硝态氮还原为氮分子的反硝化异养菌（一般称为反硝化菌）； ）在厌氧（无溶解氧，且无硝酸盐和亚硝酸盐）条件下释磷和好氧条件下吸磷的异养菌（一般称为聚磷菌）。*环境科学导论第60页4.7.2基本流程（）生物反应 使活性污泥和待处理废水充分混合，形成混合液，并在充分曝气提供足够溶解氧的条件下，进行生化反应，降低污染物浓度； （）二次沉淀 在二次沉淀池中对混合液进行固液分离。下层为分离出的活性污泥大部分送回曝气池，称为回流污泥，其余作为废弃物排出，上层清水则为已处理废水，排除沉淀池。*环境科学导论第61页图4-31 活性污泥法基本流

52、程图4.7.3曝气（Aeration）活性污泥法重要的人工措施之一是向活性污泥反应器曝气池中的混合液提供足够的溶解氧和使混合液中的活性污泥与污水充分接触，这两项任务是通过曝气这一手段实现的。现在通行的曝气方式有： 1)鼓风曝气 2)机械曝气 3)两者联合鼓风机械曝气 活性污泥系统的净化效果在很大程度上取决于曝气池的功能是否能正常发挥。 *环境科学导论第62页4.7.4运行方式1. 普通活性污泥法（Conventionalactivatedsludgeprocess）又称传统活性污泥法,污水和回流污泥从曝气池的首端进入，以推流式至曝气池末端流出。处理效果极好，BOD去除可达90%以上，适用于净化

53、程度和稳定程度要求高的污水。 *环境科学导论第63页图4-30 渐减曝气式活性污泥法系统图 普通活性污泥法耐冲击负荷能力较差，只适用于大中型城市污水处理厂（水质较稳定）。 曝气池容积大，基建费用高，对氮、磷的去除率低，剩余污泥量大，从而提高了污泥处理处置的费用。2. AB两段活性污泥法(Adsorption biodegradation process,AB)将活性污泥系统分为两个阶段，即A段和B段。它的工作原理是充分利用微生物种群的特性，为其创造适宜的环境而分成两个阶段，使不同种群的微生物可以得到良好的增殖，通过生化作用来处理污水。*环境科学导论第64页图4-33 AB段活性污泥法系统图AB

54、法特点： 对处理复杂的水质变化较大的污水，具有较强的适应能力； 可大幅度的去除污水中难降解物质，可作为处理复杂的工业废水预处理的一种方法； 处理效率高，出水水质好，BOD去除率高达90%98%，还可以进行深度处理脱氮和除磷； 总反应时间短； 便于分期建设，可根据排放要求先建设A段再建设B段； 不设初沉池。3. 完全混合活性污泥法(Completely mixed actaivted sludge process)污水与回流污泥进入曝气池后立即与池内原有混合液充分混合，并替代出等量的混合液至二次沉淀池，从根本上改变了长条形池子中混合液的不均匀状态。*环境科学导论第65页图4-34 完全混合活性污

55、泥法系统图 优点：池内各处微生物的生长、好氧速率、BOD负荷完全均匀一致，可以最大限度承受污水水质的变化，污泥负荷率较高，适应高浓度有机工业废水的处理要求; 缺点：连续出水，可能发生短流带出部分有机污染物，从而影响出水水质，易发生污泥膨胀等。4. 氧化沟(Oxidation ditch)又称氧化渠，或循环曝气池（Circulating biological aerated filter），因其构筑物呈封闭的沟渠状而得名。运行时，污水和活性污泥的混合液在环状的曝气渠道中不断循环流动。*环境科学导论第66页图4-33 氧化沟活性污泥法系统图 由于处理污水出水水质好，运行稳定，管理方便；与传统活性污

56、泥法相比，氧化沟工艺可以省去初次沉淀池，由于采用污泥的泥龄较长，剩余污泥量较小，而且不需再经污泥消化处理。为此，氧化沟污水厂的处理工艺比一般活性污泥法简单得多。5. 间歇式活性污泥法（SBR，Sequencing Batch Reactor）在一个池中接替进行曝气、沉淀、排水、闲置的循环操作，一般只在曝气阶段进水。曝气池容积小于连续式的，建设和运行费用都较低。间歇式活性污泥法系统特征： 在大多数情况下，不需设置调节池； 污泥易于沉淀，一般情况下，不产生污泥膨胀现象； 通过对运行方式的调节，在单一的曝气池内能进行脱氮和除磷反应； 工艺过程可以全部实现自动化； 运行管理得当，出水水质可优于连续式。

57、*环境科学导论第67页6. 缺氧-好氧活性污泥法（A/O法）（生物脱氮） A/O法将反硝化反应器放置在系统之前，故又称为前置反硝化生物脱氮系统（Biological denitrification system），是目前采用较广泛的一种脱氮工艺。*环境科学导论第68页图4-36 缺氧好氧活性污泥法系统图7. 厌氧-好氧活性污泥法（生物除磷 Biological Phosphorus Removal） 厌氧-好氧活性污泥法的反应池由厌氧池和好氧池组成。 该工艺除磷率可达80%以上，出水BOD和悬浮物浓度与普通活性污泥法相同。*环境科学导论第69页图4-37 厌氧好氧活性污泥法系统图4.8 污水的

58、生物处理方法（二）-生物膜法4.8.1基本原理污水流过固体介质表面时，其中的悬浮物会被部分截留，胶体物质则被吸附，污水中的微生物则以此为营养物质而生长繁殖，这些微生物进一步吸附水中的悬浮物、胶体和溶解性有机污染物，在适当的条件下，逐步形成一层充满微生物的粘膜-生物膜（Biofilm process）。在正常运行过程中，生物膜表面经常附着一层水层，称之为附着水层，其外侧则为流动的流动水层。*环境科学导论第70页图4-38 生物膜结构及其工作示意图生物膜在有充足氧的条件下，对有机物进行氧化分解，产生的无机盐和二氧化碳沿相反方向从生物膜经附着水层进入流动水层排出。4.8.2特征微生物生长繁衍的生物膜

59、固着在载体（滤料或填料）的表面上，这是其与活性污泥法主要的区别。正是这一区别使其有着自身独特之处。在微生物学方面， 生物膜上优势微生物在填料层内随污水流程而不断变化 生物膜上生息的生态系统的食物链明显长于活性污泥法在净化功能方面 硝化反应是生物膜法各种工艺所共有的功能，还有脱氮的功能。这方面远高于活性污泥处理系统； 污水水质、水量的波动对其处理效果的影响较小，而且易于恢复； 活性污泥法不适合处理BOD过低（不应低于5060mg/L）污水，而生物膜法的各种工艺对这样低的浓度，甚至更低的浓度的废水也能够进行充分的处理。在维护管理方面， 不需回流污泥，不需设污泥回流系统； 脱落的生物膜中，原生动物较

60、多，易于固液分离，二次沉淀池处理效果好，而且污泥产量低。*环境科学导论第71页4.8.3工艺 1.生物滤池(Biological filter)生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的间歇砂滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术。 （1）普通生物滤池 (Conventional biological filter)*环境科学导论第72页图4-39 普通生物滤池构造示意图优点： 处理效果好，运行稳定，易于管理和节省能源；缺点： 处理负荷低，占地面积大，只适用于处理量小的场合，而且滤料容易堵塞，因而限制了它的应用。（2）塔式生物滤池 (Tower biological