水质与水体自净2教案

第一篇 水质净化与水污染掌握工程引言环境专业的高等教育中，水质净化与水污染治理是最为重要的教学内容。问题的引入水质如何净化，借助何种力气？净化到何种程度？水污染治理的技术是否有针对性？可有万能的水处理技术？水处理技术有哪几种？1篇教学内容：水的物理化学处理方法★水的深度处理与回用1章水质与水体自净〔2〕本章教学内容：水循环与水污染，水质指标，废水的成分与性质，水体自净，水处理的根本方法本章教学要求：了解地球水资源状况，了解常用的水质标准，把握常用的水质指标；本章教学重点：水污染的分类、水质指标、水体自净、水处理的根本原则与方法61本章习题: P 1,19,20,2261水环境地球的水循环3/41/4左右，分布在欧亚存环境中最重要的组成局部，争论水环境的意义也就不言而喻了。1.386x109km3，这一浩大的数字说明，水是地球及其丰富的自圈〔Globalhydrosphere1.1所示。1.1地球水圈中的水储量分布水储量 咸水 淡水海洋103海洋103km31,338,000.0%96.5379103km31,338,000.0%96.5379103km3%冰川与永久24,064.11.736224,064.11.7362积雪地下水23,400.01.688312,870.00.928610,5300.7597水冻层中冰300.00.02163000.0216湖泊水176.40.012785.40.0062910.0066土壤水16.50.001216.50.0012大气水12.90.000912.90.0009沼泽水11.50.000811.50.0008河流水2.120.00022.120.0002生物水1.120.00011.120.0001总计1,385,984.61001,350,955.497.472635,029.242.5274由此可见，地球上水储量的约97.5％是咸水，淡水储量仅占2.53％，其中相当大的0.3％。大气圈气流运动)降水蒸发部水蒸气)气流运动)蒸发地外表图3-2 水蒸气的收支平衡概念图循环〔Hydrologicalcycle〕现象。图1.1为水文循环过程的示意图。在太阳能的作用下，水分从水体〔海洋、河流等〕水面蒸发〔Evaporatio大气圈气流运动)降水蒸发部水蒸气)气流运动)蒸发地外表图3-2 水蒸气的收支平衡概念图太阳能太阳能分界面热湿气流降雨降雪蒸腾降雨蒸腾冰雪降雨蒸发土壤水蒸腾河流地下水海面地下水图1.1 地球范围的水文循环在上述水文循环过程中，主要涉及到的水体包括大气水、陆地水、海水这三大类。大气水大气中的水量通常通过单位面积气柱中所含水蒸气的量来计算。陆地水循环往往受一个流域内的降雨状况、汇水面积、地形和地貌等自然条件的制约，图1.3为某一流域内水循环状况的示意图。地面分水岭地面分水岭1-2水蒸气的收支平衡概念图降 水地面分水岭地表径流地下水分水岭低凹地地下水分水岭河道地下含水层图1.3 流域内的水循环海水6,371.22km的话，海水沿地球3.79km120300035000mg/L左右，因而很难作为常规水源加以利用。人类聚居区域的水环境代谢降 雨径蒸 发流水自然循环人为循环的水循环，这主要是指流域内自然水循环〔Naturalwatercycle〕的过程。然而，在人类水循环〔Humanrelatedwatercycle〕过程，这两种循环过程亲热相关，可统称为人类聚居区域的水环境代谢〔Watermetabolism降 雨径蒸 发流水自然循环人为循环排生活用水给水水处理工业用水处理农业用水体取水图1.4 人类聚居区域水环境代谢示意图下面我们来争论一以下图1.4所示的水环境代谢过程的各个环节。人为循环的各个环节取水Waterintak：从水体取得原水，以供给各种用水的设施或构筑物。给水处理Watertreatmen施或构筑物。生活用水Domesticwate：供给居民生活的用水量，它取决于城市人口、每人每额也较高。市政用水有时也包含在生活用水之中。工业用水Industrialwate：供给工业企业的工业生产用水，一般是指工业企业在内工作人员的生活用水。农业用水Irrigationwate方法。排水处理〔Wastewatertreatment〔Municipalwastewatertreatmen〕和工业废水处理〔Industrialwastewatertreatmen减轻排放后对水体的污染。人为循环过程所伴随的水质变化1.4所示的人为循环过程中，人们从水体取水，经过各个用水环节后，这些水化。也就是说，人们从水体取用的水量经使用后，根本上又全部回到了水体，构成了一个循环。但是，这一循环过程中水质却发生了较大的变化。以农业浇灌用水为例，取用的水多数状况下无须任何处理用于浇灌，经土壤吸取渗透等一系列过程，大量的水〔除农作物吸取和蒸发散失的水量外和工业用水在使用前经过了给水处理，在使用过程中也同样溶入了各种各样的污染物，100％的污水和废水都进展了排水处理，处理水的污染物浓度通常也大大高于原水浓度。因此，从水体的角度来说，取水和排水〔固然水体具1.3节中进展争论。自然循环对水代谢过程的影响1.4所示的水代谢过程中，自然循环包括降雨、径流、蒸发等环节。降雨过程有可能将大气中的污染物带到地面，通过径流进入水体〔例如酸雨中带入水体的污染物的最初来源还是人为活动造成的，不能归结为自然的缘由。角度来说，自然循环过程中大致存在着以下的水量收支关系：水体水量的变化=降雨量－蒸发量 (1-1)〔水资源总量能够保持恒定；降雨量大于蒸发量时，水体水量始终得到充分补充，可能到达饱和容量；而当蒸发量大于降雨量时，水体水量将不断削减。维持良性水环境代谢的条件〕就会在体内积蓄，最终导致人体的衰竭。人类聚居区域能满足生活要求的水资源。水污染污染指标有机污染指标氧化分解，水中的溶解氧被消耗，严峻的状况下将造成缺氧状态，水体不再清亮透亮，依据有机物分解过程消耗氧气的特点，人们通常用生化需氧量〔BOD、化学需氧量〔CO、溶解氧〔DO〕作为评价有机污染的指标。BO〔Biochemicaloxygendeman20oC5日生物氧化的耗氧量作为代表值，称之为五日生化需氧量〔BO5。CO〔ChemicaloxygendemanCOD的氧化剂换算成氧的量。在氧化分解的过程中，不仅是水样中的有机物，而且全部的复原性无机物都有可能被氧化，因此，严格地说COD所代表的不完全是水中的有机物。D〔Dissilvedoxyge物分解的耗氧速度的影响。一般来说，溶氧量受水温顺氧的分压的制约，存在一个饱和其它指标：BOD、COD外，总有机碳〔TOC〕和紫外消光度〔UV〕也作为水中有机物浓度的指标。TOC是用水中有机物所含的碳原子的总量表示的有机物浓度，能更UV消光度往往受水中中对紫外光具有吸取性的有机物〔具有非饱和构造的官能团〕的影响，也能表示水中有机物。重金属污染指标6种：硒Se、砷A、汞Hg、镉Cd铬C、铅Pb。硒元素长期摄取会引起贫血、肝脏病变等。慢性砷中毒主要引起皮6起的通常是慢性中毒，摄取的铅在骨骼内积蓄，引起贫血和肌肉麻痹。养分盐类污染指标氮和磷是农业肥料的元素，属于植物生长的养分盐类。地表水体中〔尤其是湖泊、赤潮的发生，引起水环境恶化，这种现象称之为富养分化〔Eutrophicatio。富养分化同时未分解的有机物在水体底部积蓄，发生厌氧分解。通常存在于水中的养分盐类指氮和磷的盐类。氮类养分物质主要包括氨氮〔N4-、亚硝酸盐氮N2-〕和硝酸盐氮N3-〔磷酸盐和有机磷。引起广泛关注的微量污染物引起广泛关注的微量污染物主要有氰化物、PCB〔PolycholorinatedBiphenyPA〔PolyaromaticHydrocarbonTH〔甲烷，Trihalomethane〕等有机化合物。其它污染物〔如色度、混浊度、泡沫、恶臭等〕和酸碱污染物。污染源与污染负荷量〕之内是保证良好水环境代谢条件的前提。因此，流域污染源和污染负荷的分析格外重要。污染源包括点源〔Pointsource〕和面源〔Non-pointsource〕两大类。所谓点源，是镇生活污水处理都是通过点源治理降低排入水体的污染物总量的重要措施。〔Pollutantloa染负荷量的计算原理。生活污水的污染负荷量生活污水的污染负荷通常按每人每天的污染物发生量〔单位负荷量来计算。污染3.2所示。确定了单位污染负荷量之后，就可以按人口推算诞生活污水的总污染负荷。表3.2 生活污水的单位污染负荷量排水量〔g/人·日〕污水种类〔L/SS COD BODTNTP人·日〕洗涤污水90～25010~308~2010~351~2.50.2~1.1粪便污水50～7020~228~1015~176~80.6~0.8总生活污水150～30015~6015~3020~604~120.8~1.7工业废水的污染负荷量〔或单位产值〕的污染物发生量。依据国家的环境标准，工业废水必需在工SS和COD是计算工业废水污染负荷量。家畜排水的污染负荷量BOD200gCOD130gSS700gTN40gTP25g/头日，BOD640gCOD530gSS3000gTN370gTP50g/头日，必需要求按工业废水进展特地处理才能外排。其它人为的污染负荷量计算方法与工业废水相类似。自然污染负荷量〔大型浇灌系统除外〕等产生的自然污染负荷都属于非点源，一0.5~1.0kg/日·km2来计算比较适宜。1.2.3水环境容量环境容量〔Environmentalcapacity〕或环境承载力是指一个环境系统能承受外界干的水资源，又是污染物的承受体。水体的自净作用水体对污染物的自净过程体的净化力量，就会导致水体的污染。3〔1〕污染物通过稀释、集中、混合、沉淀和挥发等作用，浓度得到降低，属于物理自净〔2〕通过水体的氧化复原、酸于化学或物理化学自净〔3〕通过水体中的水生生物、微生物的生命活动，使污染物的存在状态发生变化，总量和浓度降低，属于生物化学自净。图3.5以河流为例，描述了水体自净作用中与上述机理有关的主要现象。在上述自净过程中，对水中有机物而言最重要的是在溶解氧存在的条件下，好氧性化碳、水和氨氮。废水废水再曝气脱氮移流溶解性吸附稀释集中浮游性沉淀冲刷卷扬吸收浮游性好氧分解藻类吸附性厌氧分解图1.5 河流自净作用的主要现象好氧性微生物蛋白质〔C,H,O,N〕+O2 NH3+CO2+H2O (1-7)有机物的分解将不断消耗水中的溶解氧，为了维持水体的自净作用，必需保持水中是一种好的水环境条件。理稀释等起主要作用。复氧过程影响水中溶氧的因素有压力、水文、盐分浓度等，在肯定条件下，水中溶氧饱和浓这一现象称之为复氧〔Re-aeration。复氧伴随着气相和液相间的物质交换，其速度与两相间的浓度差和界面面积成比例。dO2sdt K(O2s

O)

(1-8)Os：溶解氧饱和浓度；K2：复氧系数。D=O－O为亏氧量〔溶解氧浓度与饱和浓度的差值，则上式可改写为：dD2dt KD2

(1-9)K2K20.2~10〔1/日〕之间，水流K2值一般越大。复氧过程对水体自净起重要作用。Streeter-Phelps方程1级反响方程。dL1dtKL1

(1-10)式中，：有机物浓度〔BO；K：耗氧系数。对上式进展积分，可得到BOD随时间变化的关系式：(1-11)0=0BOD。本身就是以需氧量表示的有机物量，将式〔1-10〕D的形式，可得到：dD1dt KL1

(1-12)可得到式1-1Streeter-Phelps方程：dD1dt K1

2

(1-13)耗氧系数K1和复氧系数K2确实定格外重要，通常需要进展试验室和河流现场测试。实的去除效果很难明确区分，因此可定义一个包含沉淀等作用的BOD去除系数Kd来代K1：K K K (1-14)d 1 3KBOD〔通常实测得到KBODKrK2。这时式〔1-13〕变为：dDdtK LKD (1-15)dtd r氧垂曲线为式〔1-13〕所示的有机物氧化分解和复氧过程同时进展时，河水的亏氧量度，DO浓度急剧下降，在时刻tc，DO浓度到达最小值，亏氧量到达最大值Dc。随着所示的曲线称之为氧垂曲线〔DOsagcurv。将式〔1-1〕代入式〔1-1〕并积分解出D，可得到：KD 1

L0 (eKteK

t)D

(1-16)K K 1 2 0 22 1最低点对应的亏氧量Dc和到达该点的时间tcDO浓度的大小表4mg/L。设〔3-16〕Dctc如下：KD 1Lc K 021 K

eKt1c

K

(1-17)t c K

ln K

1D 2 10

(1-18)KL2 1 1 1 0饱和值界限DO饱和值界限DO浓度(＝4mg/L)最小DO浓度时间〔或距离〕氧垂曲线K2/K1明显很重要，被称之为自净系数F。湖泊的自净系数一般为0.5~1.5，流淌缓慢的河流F1.5~2.0F3.0~5.0，瀑布可分别改写为：LD 0eKt

(1-19)c F 1c1 DtcK1

(F1)lnF1(F1)

L00

(1-20)水处理方法的分类污染物分类及其可处理性水中污染物按其来源来分，可分为：自然污染物〔Naturalpollutants降水、降尘等过程；生活污染物〔Domesticpollutants〔IndustrialpollutantAgriculturalpollutants，来源于〔Livestockpollutant水产养殖、航运、水上消遣运动等也都会引起水中污染物的增加，这里不再一一赘述。方法。因此，一般对污染物的分类是依据其物理化学性质来进展的。依据污染物的物理性质，一种最直接的方法是依据污染物的尺度来进展分类，从而4.1所示的污染物尺度分布。如下图，尺度在微米量级以上的污染物属于悬浮物的范畴；尺度在1nm〔10-9m〕至数μm的污染物通常具有胶体的性质；而10nm1nm10nm之间的〔或分处理方法具有重要参考价值。悬浮物胶体溶解物10-410-310-210-11101001000m10-1010-910-810-710-610-510-410-3m4.1污染物尺度分布盐类具有完全不同的处理性。两类污染物很难用同样的方法处理去除。虑。以下将介绍几类污染物的一般去除方法。悬浮污染物的去除方法一般都可以利用重力的作用将其与水分别。对于密度大于水的悬浮污染物可承受沉淀也是去除悬浮污染物的主要方法，包括粒状介质过滤和分别10-1μm尺度的膜过滤，即微滤〔Micro-filtratio。胶体污染物的去除方法属于胶体范畴的污染物，包括无机物和有机物，均可承受分散和絮凝〔Coagulation气浮和过滤的方法加以去除。10-2m〔Ultra-filtrationm尺度的纳滤Nano-filtration，则可直接去除水中的胶体污染物。溶解性有机物的去除方法溶解性有机物包括生化可降解有机物和生化难降解有机物两种类型。对于前者，通〔Activatedsludgeprocess〕为代表的好氧生物处理是最常用的生化处理法。而对于后者，由于生化处理法很难奏效，〔Chemicaloxidation〔Activatedcarbon或二者相结合的方法对其进展去除。对于具有挥发性的有机物，曝气吹脱〔Aeration〕是有效去除的方法之一。溶解性无机物的去除方法属离子等。去除这些污染物的常用方法有：化学沉淀〔Chemicalprecipitation〕主要针对能与某些化学药剂发生反响，生成沉淀物〔难溶固体〕的金属离子，利用此外，对于水中的磷，则可用投加金属盐的方法来产生磷酸盐沉淀，从而加以去除。离子交换〔Ionexchange〕〔阳离子或阴离子与溶液中的其它同性离子之间的交换反响，去除水中的离子态无机污染物。〔Electrodialysis〕使溶液中的溶质与水分别。电渗析属于膜处理方法的一种，主要用于水的除盐。反渗透〔Reverseosmosis〕的一种，同样主要用于水的除盐。给水处理系统常规给水处理系统和细菌病毒等微生物，其系统构成如以下图所示。混凝剂澄清池消毒剂混凝剂澄清池消毒剂混合池絮凝池沉淀池快滤池清水池直接过滤接触过滤常规快滤处理流程在图中，快滤池是处理流程的中心环节。其它处理环节的作用可简要归纳如下：〔Mixingbasi水中以粘土为代表的胶体颗粒充分脱稳。絮凝〔Flocculationbasin：通过水力或机械搅拌供给脱稳胶体颗粒间碰撞结合能量，形成可沉淀或过滤去除的絮凝体〔 Flocs。混合和絮凝过程又统称为混凝〔Coagulatio。沉淀池〔Sedimentationbasin沉于池底，得以分别。〔Clarifie池中高浓度粗大絮凝体悬浮层促进颗粒絮凝和沉淀分别。该方法又称之为接触絮凝法〔Contactflocculatio。直接过滤〔Directfiltration：混凝〔混合+絮凝〕滤池的处理工艺，一般适用于原水浊度较低的状况。接触过滤〔Contactfiltration滤料颗粒之间的接触絮凝作用进展过滤处理的工艺，也适用于原水浊度较低的状况。〔Filteredwaterreservoi加氯，并利用清水池的容量供给足够的消毒接触时间。II快滤处理即可满足饮用水的水质要求。预处理和深度给水处理于常规处理流程之前，即称之为预处理Pre-treatmen；置于常规处理之后则称之为深度给水处理Advancedwatertreatmen。预处理方法主要包括，①粉末活性炭吸附法：通常将粉末活性炭投加到原水中，吸有除味、除臭和除色作用。理后的水通过滤池过滤，水中剩余有机物得到吸附去除；②臭氧-活性炭处理法：水通载体，称之为生物活性炭；③高级氧化法：使用化学氧化剂〔臭氧、过氧化氢等〕或运程。城镇污水处理系统污水处理系统〔SS〕和有机物BODCOD。一级处理 空气 二级处理

消毒剂进水 格栅(格网) 沉砂池 一沉池排泥 排泥

曝气池回流污泥

二沉池 出水剩余污泥城镇污水处理的典型流程〔未包括污泥处理〕流程中各处理单元的作用可归纳如下：格栅格网Screeningdevic：去除污水进水中的粗大悬浮物和漂移物。