水处理工程总论

水处理工程（硕士研究生学位课）环境科学与工程系赵朝成

水处理工程学习要求学习目的掌握水污染控制方法原理了解水污染控制工程基本设计要素了解目前水污染控制技术现状及发展趋势学习内容废水处理:物理法、化学法、物化法、生物法废水处理技术教材及参考书当代给水与废水处理原理，许保玖等编，高等教育出版社环境工程学，蒋展鹏主编，高等教育出版社废水处理工程，唐受印等编，化学工业出版社水污染控制工程，高廷耀主编，高等教育出版社

水

处

理

工

程

学

习

要

求IndustrialWaterPollutionControl(ThirdEdition),清华大学出版社（影印版），2002.成绩评定平时30%，考试70%纪律要求按时上课，完成作业第一章总论

总论第1节水的循环与污染一、地球上水的分布水份类型水量（104km3)比例（%）大气水1.30.001海洋水13200097.212冰川和冰29202.15河水0.130.0001淡水湖12.50.0092盐水湖10.40.0077土壤水6.70.0049地下水8350.615生物体内水0.120.0001总量135784.85100

总论海洋97.212%0.023%地下水0.615%冰川2.15%湖泊0.0092%生物体0.0001%河水0.0001%大气水蒸汽0.001%土壤含水0.0049%地球上水的分布2.788%盐水湖0.0077%二、水的循环自然循环社会循环

总论三、中国水资源特点人均占有量少淡水总量在全世界占第6位。但人均占有量只有2340m3/人年（以12亿人口计），世界平均水准的1/4，占88位。

2.

空间分布不均81％的水资源分布在长江流域及其以南东南地区降水量可达1600mm，造成涝灾西北地区降水只有500mm，少的地区不到200mm

3.

年内及年际变化大60－80％降水集中在夏季，7，8，9月；年际变化差3－6倍（大时）

4.

许多地区缺水严重三北（西北、华北、东北）和沿海（青岛、大连）在640个城市中，300多个城市缺水。

总论

总论第2节水污染现状及来源一、水污染现状序号指标名称2000年2005年

计划目标2005年“十五”

增减情况1化学需氧量排放量（万吨）144513001414-2.1%2工业用水重复利用率（%）/6075/3二氧化硫排放量（万吨）19951800254927.8%4城市污水处理率（%））34.345（生活52.017.7个百分点“十五”环保计划主要指标完成情况

总论“十一五”主要环保指标

指标2005年2010年“十一五”

增减情况1化学需氧量排放总量（万吨）14141270-10%2二氧化硫排放总量（万吨）25492295-10%3地表水国控断面劣V类水质的比例（%）26.1＜22-4.1个百分点4七大水系国控断面好于Ⅲ类的比例（%）41＞432个百分点5重点城市空气质量好于II级标准的天数超过292天的比例（%）69.4755.6个百分点总论论2006年全全国国水水污污染染物物排排放放数数据据:1.废水水排排放放总总量量（（亿亿吨吨））：：536.8(比上上年年增增加加2.3%)其中中：：工工业业废废水水排排放放量量240.2(比上上年年减减少少1.1%)，城镇镇生生活活污污水水排排放放量量296.6(比上上年年增增加加5.8%)2.化学学需需氧氧量量排排放放总总量量（（万万吨吨））1428.2(比上上年年增增加加1%)其中中：：工工业业化化学学需需氧氧量量排排放放量量541.5(比上上年年减减少少2.4%)城镇镇生生活活化化学学需需氧氧量量排排放放量量886.7(比上上年年增增加加3.2%)93.氨氮氮排排放放总总量量（（万万吨吨））：：141.3(比上上年年减减少少5.7%)其中中：：工工业业氨氨氮氮排排放放量量42.5(比上上年年减减少少19.0%)城镇镇生生活活氨氨氮氮排排放放量量98.8%(比上上年年增增加加1.6%)4.工业业废废水水排排放放达达标标率率（（％％））：：92.1(比上上年年下下降降0.5%)5.工业业用用水水重重复复利利用用率率（（％％））：：80.6(比上上年年提提高高4.5%)（２２００００7年全全国国环环境境统统计计公公报报））总论论1.全国国废废水水排排放放总总量量556.8亿吨吨，，比比上上年年增增加加3.7%。其其中中，，工工业业废废水水排排放放量量246.6亿吨吨，，占占废废水水排排放放总总量量的的44.3%，比比上上年年增增加加2.7%；城城镇镇生生活活污污水水排排放放量量310.2亿吨吨，，占占废废水水排排放放总总量量的的55.7%，比比上上年年增增加加4.6%。2.化学学需需氧氧量量排排放放量量1381.8万吨吨，，比比上上年年减减少少3.2%。其其中中，，工工业业废废水水中中化化学学需需氧氧量量排排放放量量511.1万吨吨，，占占化化学学需需氧氧量量排排放放总总量量的的37.0%，比比上上年年减减少少5.8%；城城镇镇生生活活污污水水中中化化学学需需氧氧量量排排放放量量870.7万吨吨，，占占化化学学需需氧氧量量排排放放总总量量的的63.0%，比比上上年年减减少少1.7%。3.氨氮氮排排放放量量132.4万吨吨，，比比上上年年减减少少6.3%。其其中中，，工工业业氨氨氮氮排排放放量量34.1万吨吨，，占占氨氨氮氮排排放放量量的的25.8%，比比上上年年减减少少19.8%；生生活活氨氨氮氮排排放放量量98.3万吨吨，，占占氨氨氮氮排排放放量量的的74.2%，比比上上年年减减少少0.5%。4.工业业废废水水排排放放达达标标率率91.7%，比比上上年年提提高高1.0个百百分分点点。。工业业用用水水重重复复利利用用率率82.0%，比比上上年年提提高高1.4个百百分分点点。。（２２００００8年全全国国环环境境统统计计公公报报））2007年全全国国水水污污染染物物排排放放数数据据二、、自自然然污污染染和和人人为为污污染染自然然污污染染社会会污污染染水体体自自净净环境境容容量量在其其环环境境容容量量的的范范围围以以内内，，受受到到污污染染的的水水体体，，在在一一定定的的时时间间内内，，通通过过物物理理、、化化学学和和生生物物学学等等作作用用，，污污染染程程度度逐逐渐渐降降低低，，这这个个过过程程叫叫水水体体的的自自净净。。也也可可简简单单地地说说，，水水体体受受到到废废水水污污染染后后，，逐逐渐渐从从不不洁洁变变清清的的过过程程称称为为水水体体的的自自净净。。水体体自自净净机机理理物理理过过程程：：稀稀释释、、扩扩散散、、挥挥发发、、沉沉淀淀化学学及及物物理理化化学学：：氧氧化化、、还还原原、、吸吸附附、、凝凝聚聚、、中中和和生物物净净化化过过程程机理理水水体体自自净净机机理理水水体体总论论总论论总论论三、、水水污污染染分分类类化学学性性污污染染无机机污污染染物物质质：：酸酸、、碱碱及及无无机机盐盐类类。。无机机有有毒毒物物质质：：重重金金属属等等金属属毒毒物物——不不能能降降解解，，只只能能相相互互转转化化、、分分散散；；离离子子态态毒毒性性最最大大；；在在生生物物体体内内富富集集；；非金金属属毒毒物物——中中枢枢神神经经紊紊乱乱，，诱诱发发皮皮肤肤癌癌有机机有有毒毒物物质质：：有有机机农农药药、、多多环环芳芳烃烃、、芳芳香香胺胺等等人工工合合成成有有机机物物，，难难以以生生化化降降解解。。需氧氧污污染染物物质质：：有有机机物物总论论植物物营营养养物物质质：：氮氮、、磷磷等等（（富富营营养养化化））油类类污污染染物物质质物理理性性污污染染悬浮浮物物质质污污染染：：不不溶溶性性物物质质热污污染染废水水温温度度过过高高而而引引起起的的危危害害。。水体DO减少，，水生生生物物因缺缺氧而而死亡亡加快藻藻类繁繁殖，，加速速富营营养化化化学反反应加加快，，加速速腐蚀蚀过程程加速细细菌繁繁殖，，增加加后续续处理理费用用。放射性性污染染原子核核衰变变而释释放射射线的的物质质总论生物污污染致病性性微生生物，，包括括致病病细菌菌、病病虫卵卵和病病毒。。四、废废水的的来源源生活污污水和和工业业废水水生活污污水——是人人们日日常生生活中中所产产生的的废水水—成成份与与人们们的生生活习习惯有有关。。工业废废水——工业业生产产过程程中所所排出出的废废水。。其成成份主主要决决定于于生产产过程程中采采用的的原料料以及及所应应用的的工艺艺。生生产污污水、、生产产废水水（假假定净净水：：间接接冷却却水、、厂区区锅炉炉、电电站排排水））五、水水污染染原因因1．人人口增增加和和经济济增长长的压压力2．粗粗放型型发展展模式式3.面面源源污染染严重重4．污污水处处理率率偏低低，大大量污污水直直接排排放5．环环境意意识淡淡薄、、环境境管理理薄弱弱、环环境执执法力力度不不够6.排排污污收费费等经经济政政策未未能起起到对对治污污的刺刺激作作用7.历历史史欠帐帐太多多，资资金投投入严严重不不足总论六、水水污染染防止止战略略对策策与保保障措措施战略对对策：：1．加加快城城市废废水处处理厂厂的建建设步步伐，，实施施废水水资源源化2．尽尽快实实现从从末端端治理理向源源头控控制的的的战战略转转移，，大力力推行行清洁洁生产产3．从从单纯纯的点点污染染源治治理转转向点点源、、内源源和面面源的的流域域综合合综合合治理理4．切切实保保护饮饮用水水源地地，提提高饮饮用水水安全全性保障措措施：：1.严严格以以法治治水，，制定定并实实施有有效的的法律律、规规章、、制度度2.完完善水水的管管理体体系，，改变变“多多龙管管水””的现现象3.加加大水水污染染治理理投资资4.采采取有有利于于水污污染防防治的的经济济政策策总论第3节节水水质质指标标及水水质标标准一、废废水水水质物理指指标温度色度嗅和味味固体物物质总固体体（TS））溶解物物质（（DS））悬浮固固体物物质（（SS））悬浮物物是通通过过过滤法法测定定的，，滤后后滤膜膜或滤滤纸上上截留留下来来的物物质即即为悬悬浮固固体，，它包包括部部分的的胶体体物质质，单单位为为mg/L。。总论总论化学性性指标标有机物物BOD：生化需需氧量量（BOD）表示在在有氧氧条件件下，，好氧氧微生生物氧氧化分分解单单位体体积水水中有有机物物所消消耗的的游离离氧的的数量量，常常用单单位为为mg/L。。COD：在酸性性条件件下，，用强强氧化化剂将将有机机物氧氧化为为CO2、H2O所消耗耗的氧氧量。。CODCr，CODMn-高锰酸酸盐指指数COD>BOD20>BOD5>CODMnBOD5/COD反应废废水可可生化化性总论TOD（高温燃燃烧后后，所所消耗耗的氧氧量））：有机物物主要要是由由碳（（C）、、氢（H）、、氮（N）、、硫（S）等元素所组组成。当有有机物完全全被氧化时时，C、H、N、S分别被氧化化为CO2、H2O、NO和SO2，此时的需氧氧量称为总总需氧量（（TOD）。。水中有机物物在燃烧时时，消耗了了载气中的的一部分氧氧，用电极极测定剩余余的氧量后后，计算出出的耗氧量量即为总需需氧量，单单位为mg/L。。TOC（废水中的总总碳量）：总有机碳（（TOC）表示的是污污水中有机机污染物的的总含碳量量。其测定定结果以C含量表示，，单位为mg/L。。总有机碳的的测定原理理是：水中中有机碳在在高温燃烧烧过程中，，生成CO2，经红外气体体分析仪测测定后，再再折算出其其中的C含量。油类污染物物石油类动植物油脂脂酚类污染物物无机性指标标:植物影响元元素(N、P）pH值重金属生物性指标标:细菌总数大肠菌群大肠菌群数数是指单位位体积水中中所含的大大肠菌群的的数目，单单位为个／／升，它是是常用的细细菌学指标标。大肠菌菌群包括大大肠菌等几几种大量存存在于大肠肠中的细菌菌，在一般般情况下属属非致病菌菌。总论总论二、污水排排放标准1.地表水水环境质量量标准首次发布1983年年第1次修订订1988年第2次修订订1999年GHZB1-1999第3次修订订2002GB3838-2002水体分类：：I类主主要适用于于源头水、、国家自然然保护区；；II类主要要适用于集集中式生活活饮用水水水源地一级级保护区、、珍贵鱼类类保护区、、鱼虾产卵卵区III类主要要适用于集集中式生活活饮用水水水源地二级级保护区、、一般鱼类类保护区及及游泳区IV类主要要适用于一一般工业用用水区及人人体非直接接接触的娱娱乐用水区区V类主要要适用于农农业用水区区及一般景景观要求区区域总论2.污水排排放标准行业标准——各行业针针对行业特特点颁布最广泛的《《污水综合合排放标准准》GB8978-1996第一类污染染物—能在在环境或动动植物体内内积蓄，对对人类健康康生产长远远的影响。。必须在车车间或车间间处理设施施排放口处处取样。第二类污染染物的长远远影响小于于第一类，，规定的取取样点在排排污单位的的排出口。。浓度标准有有缺陷总量控制根据一定范范围内的水水体环境容容量和自净净能力，计计算出允许许排入该水水域的污染染物总量，，然后再按按一定的原原则，将这这些允许的的排污总量量合理地分分配给区内内的各污染染源。表１第一一类污染物物最高允许许排放浓度度单位：：mg/l总论序号污染物最高允许排放浓度1总汞0.052烷基汞不得检出3总镉0.14总铬1.55六价铬0.56总砷0.57总铅1.08总镍1.09苯并(a)芘0.0000310总铍0.00511总银0.512总α放射性1Bq/L13总β放射性10Bq/L

总论山东省海河河流域水污污染物综合合排放标准准(DB37/675-2007)适用范围:本标准规定定了山东省省辖海河流流域内69种水污染物物的排放限限值。本本标准适用用于山东省省辖海河流流域内一切切排污单位位水污染物物的排放管管理、建设设项目的环环境影响评评价、建设设项目环境境保护设施施设计、竣竣工验收及及其投产后后的排放管管理。第一类污染染物最高允允许排放浓浓度标准不不分时段。。山东省海海河流域内内除城镇污污水处理厂厂外所有向向该区域直直接排放污污水的单位位自2007年7月1日起执行表表1的标准。第第二类污污染物最高高允许排放放浓度标准准分为三个个时段。流流域内除城城镇污水处处理厂外所所有向该区区域直接排排放污水的的单位，于于2007年7月1日起执行表表2时段的标准准，2008年7月1日起执行表表3时段的标准准，2009年7月1日起执行表表4时段的标准准。总论山东省半岛岛流域水污污染物综合合排放标准准（DB37/676-2007）适用范围本本标准规规定了山东东省半岛流流域内70种水污染物物的排放限限值。本本标准适用用于山东省省半岛流域域内一切排排污单位水水污染物的的排放管理理、建设项项目的环境境影响评价价、建设项项目环境保保护设施设设计、竣工工验收及其其投产后的的排放管理理。第一类污染染物最高允允许排放浓浓度标准不不分时段。。山东省半半岛流域内内除城镇污污水处理厂厂外所有向向该区域直直接排放污污水的单位位自2007年10月1日起执行表表1的标准。第第二类污污染物最高高允许排放放浓度标准准分为二个个时段。流流域内除城城镇污水处处理厂外所所有向该区区域直接排排放污水的的单位，于于2007年10月1日起执行表表2时段的标准准，2010年1月1日起执行表表3时段标准。。总论山东省小清清河流域水水污染物综综合排放标标准(DB37/656－2006)范围:本标准规定定了向小清清河干流汇汇水的区域域内69种水污染物物排放限值值。

本标标准适用于于向小清河河干流汇水水的区域内内一切排污污单位水污污染物的排排放管理、、建设项目目的环境影影响评价、、建设项目目环境保护护设施设计计、竣工验验收及其投投产后的排排放管理。。第一类污染染物最高允允许排放浓浓度标准不不分时段。。山东省小小清河流域域内除城镇镇污水处理理厂外所有有向该区域域直接排放放污水的单单位自2007年4月1日起执行表表1标准。第第二类污染染物最高允允许排放浓浓度标准分分为三个时时段。流域域内除城镇镇污水处理理厂外所有有向该区域域直接排放放污水的单单位，于2007年4月1日起执行表表2时段的标准准，2008年7月1日起执行表表3时段的标准准，2009年7月1日起执行表表4时段的标准准。总论总论第4节废废水处理方方法综述按对污染物物实施的作作用不同分离法—通通过各种外外力作用，，把有害物物从废水中中分离出来来。转化法—通通过化学或或生化的作作用，使其其转化为无无害的物质质或可分离离的物质，，后者再经经过分离予予以除去。。方法名称主要设备处理对象分

离

法澄清法沉淀法混凝沉淀法浮选（气浮）法沉淀池、沉砂池、隔油池混凝池和沉淀池、澄清池浮选（气浮）池悬浮物悬浮物、胶体物悬浮物、胶体物离心法隔滤法化学沉淀法吸附法离子交换法离心机、旋流分离器滤筛、滤机、滤池反应池和沉淀池反应池和沉淀池、滤池滤池悬浮物悬浮物某些溶解物某些溶解物某些溶解物膜分离法扩散渗析法电渗析法反渗透法超过滤法渗析槽渗析槽渗透器过滤器某些溶解物某些溶解物某些溶解物某些溶解物电解法结晶法萃取法精馏法电解槽蒸发器和结晶器萃取器和分离器精馏塔某些溶解物某些溶解物某些溶解物某些溶解物转

化

法化学法中和池、反应池某些溶解物生物法自然生物处理法活性污泥法生物膜法厌氧生物处理法灌溉农田、生物塘曝气池和沉淀池生物滤池和生物转盘消化池、厌氧反应器有机物、硫氰等有机物、硫氰等有机物、硫氰等有机物总论污染物存在形式分离方法离子态离子交换法、电解法、电渗析法、离子吸附法、离子浮选法分子态萃取法、结晶法、精馏法、吸附法、浮选法、反渗透法、蒸发法胶体混凝法、气浮法、吸附法、过滤法悬浮物重力分离法、离心分离法、磁力分离法、筛滤法、气浮法方法原理转化方法化学转化中和法、氧化还原法、化学沉淀法、电化学法生化转化活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法、生物塘法分离法转化法总论按处理原理理分：物理法、化化学法（物物理化学法法）和生物物化学法。。物理处理法法(也叫机机械处理)就是是利用物理理作用分离离废水中主主要呈悬浮浮状态的污污染物质，，在处理过过程中不改改变污染物物的化学性性质。包括括筛油、沉沉淀、浮升升、离心分分离、蒸发发、结晶、、过滤和膜膜分离等。。化学(物理理化学)处处理法：是是利用用化学反应应或物化原原理来分离离、回收污污水中的污污染物质，，从而改变变其性质或或存在状态态，化害为为利。其方方法有中和和、混凝、、电解、氧氧化还原、、汽提、萃萃取、吸附附以及离于于交换、电电渗祈等。。此法多用用于工业废废水的处理理。总论总论总论废水的生物物处理方法法(也叫生生化法)是是利用用微生物的的代谢作用用，使废水水中呈镕解解状态、胶胶体状态以以及某些不不溶解的有有机甚至无无污染物质质，转化为为稳定、无无害的物质质，从而达达到净化的的目的。此此法按照作作用微生物物习性的不不同，可分分为好氧法法相厌氧法法两大类。。按处理程程度分：：一级处理理：主要去去除SS和漂浮物物质，通通过中和和和均衡衡等预处处理对废废水进行行调节以以便排入入受纳水水体或二二级处理理装置。。二级处理理：去除废废水中呈呈胶体和和溶解状状态的有有机污染染物质，，主要采采用生物物处理法法，处理理水可以以达标排排放。三级处理理：对难降降解的有有机物、、磷、氮氮等营养养物质进进一步处处理。采采用混凝凝、过滤滤、离子子交换、、反渗透透、超滤滤、消毒毒等。总论总论总论城市污水水处理一一般流程程城市污水水处理一一般流程程BOD去除率(%)SS去除率(%)一级处理理20－4050－70二级处理理75－9575－95存在问题题：基建与运运行费用用高，占占地大，，剩余污污泥产量量大，管管理麻烦烦，不能能除去氮氮磷。发展方向向：低耗高效效处理技技术：天天然处理理厌氧处理理技术深度处理理与再生生利用技技术污泥处理理技术传统污水水系统的的变革总论工业废水水处理根据水质质不同、、处理程程度工艺艺而异。。一般大多多以生物物处理为为主，但但常有前前处理（（调节、、气浮除除油、中中和），，根据需需要有后后处理：：混凝、、过滤、、活性炭炭吸附重要课题题：难降解解有机物物工业废废水的治治理技术术，如如农药废废水、造造纸废水水、染料料废水等等。污水回用用技术开开发总论总

论第5节废废水处处理反应应器及动动力学基基础反应器形形式间歇反应应器—SBR反应器推流反应应器—沉淀、过过滤、吸吸附、离离子交换换连续流反反应器——快速混合合、活性性污泥任意流反反应器填料床和和流化床床反应器器。动力学基基础（本节假假设反应应速率为为1级））—物料衡衡算通式式A的质量净净变化率率＝A的质量输输入率——A的质量输输出率——反应消消耗A的速率（一）间间歇式反反应器=-kcdtdc)exp(0ktcc-=（1-2）—间歇反应器器内反应物浓浓度随时间变变化的关系（二）连续流流搅拌反应器器物料衡算式：：（1-3）1.在稳态条条件下，上上式简简化为（1-4）θ=V/Q，，表示物料在反反应器内的停停留时间总论2.在非稳态态条件下，式式1-3可写写成到达稳态的条条件与t/θ有关，当t值相当大时，，上式指数项项可忽略不计计，1-5可可化为1-4,稳态条件件。θk有关，θk越大，越易达达到稳态条件件。（1-5）1-exp[-(1+θK)(t/θ)01231.00.5θK=0θK=1θK=3θK=5连续流搅拌反应器达到稳态的时间t/θC0CZZ+△Z距离Qc0Qc浓度推流式反应器对反应微元列列出衡算式：△Z→dZ时：F为反应器截面面积，用水平平流速v代替Q/F:稳态条件下：：（1-6）式（1-6））与（1-2）形式上相相同，一个是是推流距离所所用时间θ，一个为反应时时间t。推流反应器是是沿水流方向向运动的间歇歇式反应器。（三）推流反反应器物料衡算式：：θ=Z/v表示反应物推推流到距离Z所需的时间总论Qc0Vc1c1QVc2c2Q串联连续流搅拌反应器对于n个等积串联反反应器有：n个等积串联反反应器，其总总容积V’＝nV,总的停留时间间θ’＝nθ代入（1-7），当n→∞，有：（1-9）式式看出：在出出口浓度Cn一定的前提下下，n值越大，则每每个反应器所所需的容积及及停留时间就就越小。反应应器的总的容容积和总的停停留时间亦小小于单个反应应器（1-7）（1-8）（1-9）（四）串连连连续流搅拌反反应器稳态条件：将1-7改写写为：串联的连续流流搅拌反应器器数目越多，，效果就越接接近于总容积积和停留时