水污染控制工程讲义-笔记

水污染控制工程讲义_笔记一、课程概述水污染控制工程是环境科学与工程专业的核心课程之一，主要研究水体污染的形成机制、污染物的迁移转化规律以及水污染控制的技术与方法。本课程旨在培养学生掌握水污染控制的基本理论和技术，具备解决实际水污染问题的能力。

二、水体污染与自净（一）水体污染1.定义：指排入水体的污染物在数量上超过了该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量，从而导致水体的物理、化学及生物学性质发生变化，使水体固有的生态系统和功能受到破坏。2.污染物分类化学性污染物：包括重金属（汞、镉、铅、铬等）、酸碱、耗氧有机物（碳水化合物、蛋白质、油脂等）、营养物质（氮、磷等）、有毒有机物（农药、多环芳烃等）。物理性污染物：如悬浮物质、热污染、放射性物质等。生物性污染物：主要指病原微生物，如细菌、病毒、寄生虫等。

（二）水体自净1.定义：水体受污染后，经过一系列复杂的物理、化学和生物学过程，使污染物的浓度逐渐降低，水体恢复到受污染前的状态和功能，这一过程称为水体自净。2.自净过程物理净化：通过稀释、混合、沉淀、挥发等作用，使污染物浓度降低。例如，河流中的污染物随水流扩散，浓度逐渐降低。化学净化：包括氧化还原、酸碱中和、分解、吸附、凝聚等过程。如水中的重金属离子可通过吸附作用被底泥吸附去除。生物净化：主要是水中微生物对有机物的分解作用。微生物将有机物分解为二氧化碳、水等简单无机物，同时自身生长繁殖。例如，好氧微生物在溶解氧充足的情况下，对有机物进行有氧分解。

三、水质指标与水质标准（一）水质指标1.物理指标水温：影响水中化学反应速度、生物活动等。色度：反映水中溶解性或悬浮性物质所呈现的颜色。浑浊度：表示水中悬浮颗粒的多少，影响水的透明度。臭和味：可由水中的溶解性气体、挥发性有机物等引起。固体物质：分为溶解性固体（DS）和悬浮性固体（SS），可进一步分为挥发性固体（VS）和固定性固体（FS）。2.化学指标酸碱度（pH值）：衡量水体酸碱性的指标，pH值范围一般为014。硬度：水中钙、镁等离子的总量，分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。重金属：如汞、镉、铅、铬等，其含量过高会对人体和生物造成危害。溶解氧（DO）：水中溶解的氧气量，是衡量水体自净能力和水生生物生存条件的重要指标。化学需氧量（COD）：指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗的氧量，反映水中有机物的含量。生化需氧量（BOD）：在有氧条件下，微生物分解水中有机物所需的氧量，通常采用5日生化需氧量（BOD₅）来表示。总需氧量（TOD）：水中有机物完全燃烧所需的氧量。总磷（TP）：包括溶解的、颗粒的有机磷和无机磷，是水体富营养化的重要指标之一。总氮（TN）：水中各种形态氮的总量，包括有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。3.生物学指标细菌总数：水中细菌的数量，反映水体受微生物污染的程度。大肠菌群数：是指示水体是否受粪便污染的重要指标。

（二）水质标准1.地表水水质标准：根据不同的水域功能，将地表水划分为五类，规定了各类水域不同指标的限值。例如，Ⅰ类主要适用于源头水、国家自然保护区；Ⅱ类适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区等。2.地下水质量标准：依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，并参照生活饮用水、工业、农业用水水质要求，将地下水质量划分为五类。如Ⅰ类适用于各种用途；Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区等。3.污水排放标准：分为综合排放标准和行业排放标准。综合排放标准规定了污水中各种污染物的最高允许排放浓度；行业排放标准则根据不同行业的特点，对特定污染物的排放做出更严格的规定。

四、污水处理基本方法（一）物理法1.格栅：用于拦截污水中较大的悬浮物和漂浮物，如树枝、垃圾等。2.沉砂池：通过重力作用使污水中的砂粒等无机颗粒沉淀下来，以保护后续处理设备。3.沉淀池：利用重力沉降原理，使污水中的悬浮固体沉淀分离。分为平流式沉淀池、辐流式沉淀池和竖流式沉淀池等。4.过滤：使污水通过具有孔隙的过滤介质，截留污水中的悬浮颗粒，常用的过滤介质有砂、活性炭等。5.离心分离：利用离心力的作用，使污水中的悬浮物与水分离。例如，用于分离含油污水中的油滴。

（二）化学法1.中和法：用于调节污水的pH值，使酸性污水和碱性污水相互中和。2.化学沉淀法：向污水中加入化学药剂，使其中的某些溶解性污染物生成沉淀而去除。如去除污水中的重金属离子，可加入硫化物等沉淀剂。3.氧化还原法：通过氧化或还原反应，将污水中的污染物转化为无害物质或易于分离的物质。例如，用氯气对污水进行消毒是利用氧化作用；用铁粉处理含铬污水是利用还原作用。4.吸附法：利用吸附剂的吸附作用，去除污水中的溶解性有机物、重金属离子等。常用的吸附剂有活性炭、离子交换树脂等。

（三）生物法1.好氧生物处理活性污泥法：利用悬浮生长的微生物絮体活性污泥来处理污水。活性污泥由细菌、真菌、原生动物等微生物组成，在曝气池中与污水充分混合，微生物分解污水中的有机物，使水质得到净化。生物膜法：使污水通过附着有微生物的载体表面，微生物在载体表面生长形成生物膜，利用生物膜对污水进行净化。常见的生物膜法有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法等。2.厌氧生物处理：在无氧条件下，利用厌氧微生物的作用，将污水中的有机物分解为甲烷、二氧化碳等气体。厌氧生物处理适用于处理高浓度有机污水，如酿造废水、屠宰废水等。常见的厌氧处理工艺有厌氧消化池、UASB（上流式厌氧污泥床）等。

五、活性污泥法（一）活性污泥的组成与性质1.组成：主要由具有代谢功能的活性微生物群体、微生物自身代谢残留物、吸附在活性污泥上不能被微生物降解的有机物和无机物组成。2.性质颜色：正常情况下呈黄褐色。气味：具有泥土味。密度：略大于水。沉降性能：良好的活性污泥在静止时能迅速沉降，泥水分离效果好。

（二）活性污泥法的基本流程1.曝气池：污水与活性污泥在曝气池中充分混合，曝气提供微生物所需的溶解氧，微生物分解污水中的有机物。2.二沉池：从曝气池流出的混合液在二沉池中进行固液分离，活性污泥回流至曝气池前端，继续参与污水处理，上清液则作为处理后的出水排出。3.污泥回流系统：将二沉池沉淀的活性污泥部分回流到曝气池，维持曝气池中活性污泥的浓度。4.剩余污泥排放系统：排除曝气池中不断增长的多余活性污泥，以维持活性污泥系统的稳定运行。

（三）活性污泥法的主要运行参数1.曝气强度：单位时间内曝气池中单位体积污水所需的曝气量，一般用曝气头的数量、曝气时间等控制。2.污泥龄：指活性污泥在曝气池中平均停留的时间，计算公式为：污泥龄=曝气池中活性污泥总量/每日排出的剩余污泥量。污泥龄对活性污泥的生长、代谢和处理效果有重要影响。3.混合液悬浮固体浓度（MLSS）：指曝气池中单位体积混合液内所含活性污泥的重量，一般控制在一定范围内，过高或过低都会影响处理效果。

（四）活性污泥法的类型1.传统活性污泥法：污水和回流污泥从曝气池前端进入，在曝气池中呈推流形式向前流动，经过充分曝气和处理后，从曝气池末端流出进入二沉池。其优点是处理效果好，缺点是曝气池首端有机负荷高，需氧量较大，且可能出现污泥膨胀等问题。2.完全混合活性污泥法：污水和回流污泥进入曝气池后，立即与池内已有的混合液充分混合，使曝气池中各点的水质和微生物浓度基本均匀。该方法具有抗冲击负荷能力强等优点，但处理效果相对传统活性污泥法略差。3.阶段曝气活性污泥法：污水沿曝气池长度分段多点进入，使曝气池中有机负荷分布较为均匀，降低了曝气池前端的需氧量，减少了污泥膨胀的可能性，同时提高了处理效率。4.吸附再生活性污泥法：污水先进入吸附池，与活性污泥快速混合接触，使污水中的有机物被活性污泥吸附，然后进入再生池，对吸附了有机物的活性污泥进行曝气再生，恢复其活性，最后进入二沉池进行固液分离。该方法适用于处理溶解性有机物含量较高、水质水量变化较大的污水。

六、生物膜法（一）生物膜的形成与结构1.形成过程：污水中的微生物附着在载体表面，逐渐生长繁殖形成生物膜。首先是细菌等微生物附着，然后其他微生物如真菌、原生动物等相继在生物膜上生长，形成一个复杂的生态系统。2.结构：生物膜一般分为好氧层、缺氧层和厌氧层。好氧层靠近载体表面，溶解氧充足，微生物进行有氧代谢；随着深度增加，溶解氧逐渐减少，形成缺氧层和厌氧层，微生物进行相应的厌氧代谢。

（二）生物膜法的主要类型1.生物滤池：由滤床、布水系统和排水系统组成。污水通过布水系统均匀地喷洒在滤床上，滤床表面的生物膜对污水进行净化，净化后的水从排水系统流出。根据滤床所用的滤料不同，可分为普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池等。2.生物转盘：由盘片、转轴和驱动装置等组成。盘片部分浸没在污水中，部分暴露在空气中，转轴带动盘片缓慢转动，使盘片上的生物膜交替与污水和空气接触，实现污水的净化。3.生物接触氧化法：在池内设置填料，填料表面附着生物膜，污水在池内流动过程中与生物膜接触，进行有机物的分解。该方法具有处理效率高、占地面积小等优点，广泛应用于污水处理工程。

（三）生物膜法的特点1.微生物浓度高：生物膜上的微生物密度大，有利于提高污水处理效率。2.抗冲击负荷能力强：生物膜中的微生物处于不同的生长阶段，对水质水量的变化有较强的适应能力。3.污泥产量低：生物膜法中微生物代谢产物大部分随水流冲走，剩余污泥量相对较少。4.运行管理方便：无需像活性污泥法那样频繁回流污泥，操作相对简单。

七、厌氧生物处理（一）厌氧消化的基本原理1.水解阶段：复杂的有机物在微生物分泌的胞外酶作用下，分解为简单的有机物，如多糖分解为单糖、蛋白质分解为氨基酸等。2.酸化阶段：水解产物在酸化菌的作用下，进一步转化为挥发性脂肪酸（VFA）、醇类等，同时产生少量氢气和二氧化碳。3.产乙酸阶段：酸化产物中的VFA等在产乙酸菌的作用下，转化为乙酸、氢气和二氧化碳。4.产甲烷阶段：乙酸、氢气和二氧化碳等在产甲烷菌的作用下，最终转化为甲烷和二氧化碳。

（二）厌氧生物处理工艺1.厌氧消化池：传统的厌氧处理设备，污水在消化池中停留较长时间，通过搅拌使污泥与污水充分混合，进行厌氧消化反应。其优点是结构简单，缺点是处理效率较低，占地面积大。2.UASB（上流式厌氧污泥床）：污水从底部进入，向上流动通过由颗粒污泥组成的污泥床，在上升过程中与污泥床中的微生物充分接触，进行厌氧消化反应。产生的沼气通过三相分离器分离后排出，处理后的水从上部流出。UASB具有处理效率高、占地面积小等优点，是目前应用广泛的厌氧处理工艺之一。3.EGSB（膨胀颗粒污泥床）：在UASB的基础上发展而来，通过提高上升流速，使颗粒污泥处于膨胀状态，增加了污泥与污水的接触面积，进一步提高了处理效率，尤其适用于处理高浓度有机污水。

（三）厌氧生物处理的影响因素1.温度：厌氧消化分为中温消化（3035℃）和高温消化（5055℃），温度对微生物的代谢活性有重要影响，不同温度范围适合不同类型的微生物生长。2.pH值：一般控制在6.57.5之间，pH值过高或过低都会影响微生物的活性。3.有机负荷：指单位体积或质量的厌氧反应器在单位时间内接受的有机物量，过高的有机负荷可能导致反应器运行不稳定。4.有毒有害物质：如重金属、农药等，会对厌氧微生物产生抑制作用，影响处理效果。

八、污水处理厂的设计与运行管理（一）污水处理厂的设计原则与流程1.设计原则：满足处理后的水质要求，技术先进、经济合理、运行稳定可靠，便于操作管理和维护，同时考虑占地面积、对周边环境的影响等因素。2.设计流程水质水量分析：对进水水质水量进行详细调查和分析，确定污水处理厂的规模和处理程度。工艺流程选择：根据进水水质、处理要求和当地实际情况，选择合适的污水处理工艺。平面布局设计：合理安排各处理构筑物的位置，考虑水流方向、污泥回流等因素，确保工艺流程顺畅。高程布置设计：确定各处理构筑物的高程，保证污水能顺利自流通过各处理单元，同时考虑水头损失等因素。

（二）污水处理厂的运行管理1.水质监测：定期对进水、出水水质进行监测，分析各项指标的变化情况，及时调整运行参数。2.运行参数控制：严格控制曝气强度、污泥回流比、污泥龄等运行参数，确保污水处理效果稳定。3.设备维护与管理：定期对污水处理设备进行维护保养，检查设备运行状况，及时更换损坏部件，确保设备正常运行。4.污泥处理与处置：对污水处理过程中产生的污泥进行妥善处理和处置，如污泥浓缩、脱水、填埋、焚烧或制作肥料等，防止污泥对环境造成二次污染。5.人员培训与安全管理：加强对运行管理人员的培训，提高其操作技能和管理水平，同时建立健全安全管理制度，确保污水处理厂安全运行。

九、水污染控制工程的发展趋势1.高效处理技术的研发：不断探索新的污水处理工艺和技术，提高处理效率，降低处理成本，如新型生物处理技术、高级氧化技术等。2.资源回收与综合利用：注重污水中有用资源的回收和综合利用，如回收污水中的能源、水