第一篇 水質(zhì)凈化與水污染掌握工程引言環(huán)境專(zhuān)業(yè)的高等教育中，水質(zhì)凈化與水污染治理是最為重要的教學(xué)內(nèi)容。問(wèn)題的引入水質(zhì)如何凈化，借助何種力氣？?jī)艋胶畏N程度？水污染治理的技術(shù)是否有針對(duì)性？可有萬(wàn)能的水處理技術(shù)？水處理技術(shù)有哪幾種？1篇教學(xué)內(nèi)容：水的物理化學(xué)處理方法★水的深度處理與回用1章水質(zhì)與水體自凈〔2〕本章教學(xué)內(nèi)容：水循環(huán)與水污染，水質(zhì)指標(biāo)，廢水的成分與性質(zhì)，水體自凈，水處理的根本方法本章教學(xué)要求：了解地球水資源狀況，了解常用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，把握常用的水質(zhì)指標(biāo)；本章教學(xué)重點(diǎn)：水污染的分類(lèi)、水質(zhì)指標(biāo)、水體自凈、水處理的根本原則與方法61本章習(xí)題: P 1,19,20,2261水環(huán)境地球的水循環(huán)3/41/4左右，分布在歐亞存環(huán)境中最重要的組成局部，爭(zhēng)論水環(huán)境的意義也就不言而喻了。1.386x109km3，這一浩大的數(shù)字說(shuō)明，水是地球及其豐富的自圈〔Globalhydrosphere1.1所示。1.1地球水圈中的水儲(chǔ)量分布水儲(chǔ)量 咸水 淡水海洋103海洋103km31,338,000.0%96.5379103km31,338,000.0%96.5379103km3%冰川與永久24,064.11.736224,064.11.7362積雪地下水23,400.01.688312,870.00.928610,5300.7597水凍層中冰300.00.02163000.0216湖泊水176.40.012785.40.0062910.0066土壤水16.50.001216.50.0012大氣水12.90.000912.90.0009沼澤水11.50.000811.50.0008河流水2.120.00022.120.0002生物水1.120.00011.120.0001總計(jì)1,385,984.61001,350,955.497.472635,029.242.5274由此可見(jiàn)，地球上水儲(chǔ)量的約97.5％是咸水，淡水儲(chǔ)量?jī)H占2.53％，其中相當(dāng)大的0.3％。大氣圈氣流運(yùn)動(dòng))降水蒸發(fā)部水蒸氣)氣流運(yùn)動(dòng))蒸發(fā)地外表圖3-2 水蒸氣的收支平衡概念圖循環(huán)〔Hydrologicalcycle〕現(xiàn)象。圖1.1為水文循環(huán)過(guò)程的示意圖。在太陽(yáng)能的作用下，水分從水體〔海洋、河流等〕水面蒸發(fā)〔Evaporatio大氣圈氣流運(yùn)動(dòng))降水蒸發(fā)部水蒸氣)氣流運(yùn)動(dòng))蒸發(fā)地外表圖3-2 水蒸氣的收支平衡概念圖太陽(yáng)能太陽(yáng)能分界面熱濕氣流降雨降雪蒸騰降雨蒸騰冰雪降雨蒸發(fā)土壤水蒸騰河流地下水海面地下水圖1.1 地球范圍的水文循環(huán)在上述水文循環(huán)過(guò)程中，主要涉及到的水體包括大氣水、陸地水、海水這三大類(lèi)。大氣水大氣中的水量通常通過(guò)單位面積氣柱中所含水蒸氣的量來(lái)計(jì)算。陸地水循環(huán)往往受一個(gè)流域內(nèi)的降雨?duì)顩r、匯水面積、地形和地貌等自然條件的制約，圖1.3為某一流域內(nèi)水循環(huán)狀況的示意圖。地面分水嶺地面分水嶺1-2水蒸氣的收支平衡概念圖降 水地面分水嶺地表徑流地下水分水嶺低凹地地下水分水嶺河道地下含水層圖1.3 流域內(nèi)的水循環(huán)海水6,371.22km的話，海水沿地球3.79km120300035000mg/L左右，因而很難作為常規(guī)水源加以利用。人類(lèi)聚居區(qū)域的水環(huán)境代謝降 雨徑蒸 發(fā)流水自然循環(huán)人為循環(huán)的水循環(huán)，這主要是指流域內(nèi)自然水循環(huán)〔Naturalwatercycle〕的過(guò)程。然而，在人類(lèi)水循環(huán)〔Humanrelatedwatercycle〕過(guò)程，這兩種循環(huán)過(guò)程親熱相關(guān)，可統(tǒng)稱(chēng)為人類(lèi)聚居區(qū)域的水環(huán)境代謝〔Watermetabolism降 雨徑蒸 發(fā)流水自然循環(huán)人為循環(huán)排生活用水給水水處理工業(yè)用水處理農(nóng)業(yè)用水體取水圖1.4 人類(lèi)聚居區(qū)域水環(huán)境代謝示意圖下面我們來(lái)爭(zhēng)論一以下圖1.4所示的水環(huán)境代謝過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)。人為循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)取水Waterintak：從水體取得原水，以供給各種用水的設(shè)施或構(gòu)筑物。給水處理Watertreatmen施或構(gòu)筑物。生活用水Domesticwate：供給居民生活的用水量，它取決于城市人口、每人每額也較高。市政用水有時(shí)也包含在生活用水之中。工業(yè)用水Industrialwate：供給工業(yè)企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)用水，一般是指工業(yè)企業(yè)在內(nèi)工作人員的生活用水。農(nóng)業(yè)用水Irrigationwate方法。排水處理〔Wastewatertreatment〔Municipalwastewatertreatmen〕和工業(yè)廢水處理〔Industrialwastewatertreatmen減輕排放后對(duì)水體的污染。人為循環(huán)過(guò)程所伴隨的水質(zhì)變化1.4所示的人為循環(huán)過(guò)程中，人們從水體取水，經(jīng)過(guò)各個(gè)用水環(huán)節(jié)后，這些水化。也就是說(shuō)，人們從水體取用的水量經(jīng)使用后，根本上又全部回到了水體，構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。但是，這一循環(huán)過(guò)程中水質(zhì)卻發(fā)生了較大的變化。以農(nóng)業(yè)澆灌用水為例，取用的水多數(shù)狀況下無(wú)須任何處理用于澆灌，經(jīng)土壤吸取滲透等一系列過(guò)程，大量的水〔除農(nóng)作物吸取和蒸發(fā)散失的水量外和工業(yè)用水在使用前經(jīng)過(guò)了給水處理，在使用過(guò)程中也同樣溶入了各種各樣的污染物，100％的污水和廢水都進(jìn)展了排水處理，處理水的污染物濃度通常也大大高于原水濃度。因此，從水體的角度來(lái)說(shuō)，取水和排水〔固然水體具1.3節(jié)中進(jìn)展?fàn)幷?。自然循環(huán)對(duì)水代謝過(guò)程的影響1.4所示的水代謝過(guò)程中，自然循環(huán)包括降雨、徑流、蒸發(fā)等環(huán)節(jié)。降雨過(guò)程有可能將大氣中的污染物帶到地面，通過(guò)徑流進(jìn)入水體〔例如酸雨中帶入水體的污染物的最初來(lái)源還是人為活動(dòng)造成的，不能歸結(jié)為自然的緣由。角度來(lái)說(shuō)，自然循環(huán)過(guò)程中大致存在著以下的水量收支關(guān)系：水體水量的變化=降雨量－蒸發(fā)量 (1-1)〔水資源總量能夠保持恒定；降雨量大于蒸發(fā)量時(shí)，水體水量始終得到充分補(bǔ)充，可能到達(dá)飽和容量；而當(dāng)蒸發(fā)量大于降雨量時(shí)，水體水量將不斷削減。維持良性水環(huán)境代謝的條件〕就會(huì)在體內(nèi)積蓄，最終導(dǎo)致人體的衰竭。人類(lèi)聚居區(qū)域能滿足生活要求的水資源。水污染污染指標(biāo)有機(jī)污染指標(biāo)氧化分解，水中的溶解氧被消耗，嚴(yán)峻的狀況下將造成缺氧狀態(tài)，水體不再清亮透亮，依據(jù)有機(jī)物分解過(guò)程消耗氧氣的特點(diǎn)，人們通常用生化需氧量〔BOD、化學(xué)需氧量〔CO、溶解氧〔DO〕作為評(píng)價(jià)有機(jī)污染的指標(biāo)。BO〔Biochemicaloxygendeman20oC5日生物氧化的耗氧量作為代表值，稱(chēng)之為五日生化需氧量〔BO5。CO〔ChemicaloxygendemanCOD的氧化劑換算成氧的量。在氧化分解的過(guò)程中，不僅是水樣中的有機(jī)物，而且全部的復(fù)原性無(wú)機(jī)物都有可能被氧化，因此，嚴(yán)格地說(shuō)COD所代表的不完全是水中的有機(jī)物。D〔Dissilvedoxyge物分解的耗氧速度的影響。一般來(lái)說(shuō)，溶氧量受水溫順氧的分壓的制約，存在一個(gè)飽和其它指標(biāo)：BOD、COD外，總有機(jī)碳〔TOC〕和紫外消光度〔UV〕也作為水中有機(jī)物濃度的指標(biāo)。TOC是用水中有機(jī)物所含的碳原子的總量表示的有機(jī)物濃度，能更UV消光度往往受水中中對(duì)紫外光具有吸取性的有機(jī)物〔具有非飽和構(gòu)造的官能團(tuán)〕的影響，也能表示水中有機(jī)物。重金屬污染指標(biāo)6種：硒Se、砷A、汞Hg、鎘Cd鉻C、鉛Pb。硒元素長(zhǎng)期攝取會(huì)引起貧血、肝臟病變等。慢性砷中毒主要引起皮6起的通常是慢性中毒，攝取的鉛在骨骼內(nèi)積蓄，引起貧血和肌肉麻痹。養(yǎng)分鹽類(lèi)污染指標(biāo)氮和磷是農(nóng)業(yè)肥料的元素，屬于植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分鹽類(lèi)。地表水體中〔尤其是湖泊、赤潮的發(fā)生，引起水環(huán)境惡化，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為富養(yǎng)分化〔Eutrophicatio。富養(yǎng)分化同時(shí)未分解的有機(jī)物在水體底部積蓄，發(fā)生厭氧分解。通常存在于水中的養(yǎng)分鹽類(lèi)指氮和磷的鹽類(lèi)。氮類(lèi)養(yǎng)分物質(zhì)主要包括氨氮〔N4-、亞硝酸鹽氮N2-〕和硝酸鹽氮N3-〔磷酸鹽和有機(jī)磷。引起廣泛關(guān)注的微量污染物引起廣泛關(guān)注的微量污染物主要有氰化物、PCB〔PolycholorinatedBiphenyPA〔PolyaromaticHydrocarbonTH〔甲烷，Trihalomethane〕等有機(jī)化合物。其它污染物〔如色度、混濁度、泡沫、惡臭等〕和酸堿污染物。污染源與污染負(fù)荷量〕之內(nèi)是保證良好水環(huán)境代謝條件的前提。因此，流域污染源和污染負(fù)荷的分析格外重要。污染源包括點(diǎn)源〔Pointsource〕和面源〔Non-pointsource〕兩大類(lèi)。所謂點(diǎn)源，是鎮(zhèn)生活污水處理都是通過(guò)點(diǎn)源治理降低排入水體的污染物總量的重要措施?！睵ollutantloa染負(fù)荷量的計(jì)算原理。生活污水的污染負(fù)荷量生活污水的污染負(fù)荷通常按每人每天的污染物發(fā)生量〔單位負(fù)荷量來(lái)計(jì)算。污染3.2所示。確定了單位污染負(fù)荷量之后，就可以按人口推算誕生活污水的總污染負(fù)荷。表3.2 生活污水的單位污染負(fù)荷量排水量〔g/人·日〕污水種類(lèi)〔L/SS COD BODTNTP人·日〕洗滌污水90～25010~308~2010~351~2.50.2~1.1糞便污水50～7020~228~1015~176~80.6~0.8總生活污水150～30015~6015~3020~604~120.8~1.7工業(yè)廢水的污染負(fù)荷量〔或單位產(chǎn)值〕的污染物發(fā)生量。依據(jù)國(guó)家的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)廢水必需在工SS和COD是計(jì)算工業(yè)廢水污染負(fù)荷量。家畜排水的污染負(fù)荷量BOD200gCOD130gSS700gTN40gTP25g/頭日，BOD640gCOD530gSS3000gTN370gTP50g/頭日，必需要求按工業(yè)廢水進(jìn)展特地處理才能外排。其它人為的污染負(fù)荷量計(jì)算方法與工業(yè)廢水相類(lèi)似。自然污染負(fù)荷量〔大型澆灌系統(tǒng)除外〕等產(chǎn)生的自然污染負(fù)荷都屬于非點(diǎn)源，一0.5~1.0kg/日·km2來(lái)計(jì)算比較適宜。1.2.3水環(huán)境容量環(huán)境容量〔Environmentalcapacity〕或環(huán)境承載力是指一個(gè)環(huán)境系統(tǒng)能承受外界干的水資源，又是污染物的承受體。水體的自凈作用水體對(duì)污染物的自凈過(guò)程體的凈化力量，就會(huì)導(dǎo)致水體的污染。3〔1〕污染物通過(guò)稀釋、集中、混合、沉淀和揮發(fā)等作用，濃度得到降低，屬于物理自凈〔2〕通過(guò)水體的氧化復(fù)原、酸于化學(xué)或物理化學(xué)自凈〔3〕通過(guò)水體中的水生生物、微生物的生命活動(dòng)，使污染物的存在狀態(tài)發(fā)生變化，總量和濃度降低，屬于生物化學(xué)自凈。圖3.5以河流為例，描述了水體自凈作用中與上述機(jī)理有關(guān)的主要現(xiàn)象。在上述自凈過(guò)程中，對(duì)水中有機(jī)物而言最重要的是在溶解氧存在的條件下，好氧性化碳、水和氨氮。廢水廢水再曝氣脫氮移流溶解性吸附稀釋集中浮游性沉淀沖刷卷?yè)P(yáng)吸收浮游性好氧分解藻類(lèi)吸附性厭氧分解圖1.5 河流自凈作用的主要現(xiàn)象好氧性微生物蛋白質(zhì)〔C,H,O,N〕+O2 NH3+CO2+H2O (1-7)有機(jī)物的分解將不斷消耗水中的溶解氧，為了維持水體的自凈作用，必需保持水中是一種好的水環(huán)境條件。理稀釋等起主要作用。復(fù)氧過(guò)程影響水中溶氧的因素有壓力、水文、鹽分濃度等，在肯定條件下，水中溶氧飽和濃這一現(xiàn)象稱(chēng)之為復(fù)氧〔Re-aeration。復(fù)氧伴隨著氣相和液相間的物質(zhì)交換，其速度與兩相間的濃度差和界面面積成比例。dO2sdt K(O2s

O)

(1-8)Os：溶解氧飽和濃度；K2：復(fù)氧系數(shù)。D=O－O為虧氧量〔溶解氧濃度與飽和濃度的差值，則上式可改寫(xiě)為：dD2dt KD2

(1-9)K2K20.2~10〔1/日〕之間，水流K2值一般越大。復(fù)氧過(guò)程對(duì)水體自凈起重要作用。Streeter-Phelps方程1級(jí)反響方程。dL1dtKL1

(1-10)式中，：有機(jī)物濃度〔BO；K：耗氧系數(shù)。對(duì)上式進(jìn)展積分，可得到BOD隨時(shí)間變化的關(guān)系式：(1-11)0=0BOD。本身就是以需氧量表示的有機(jī)物量，將式〔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)耗氧系數(shù)K1和復(fù)氧系數(shù)K2確實(shí)定格外重要，通常需要進(jìn)展試驗(yàn)室和河流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。實(shí)的去除效果很難明確區(qū)分，因此可定義一個(gè)包含沉淀等作用的BOD去除系數(shù)Kd來(lái)代K1：K K K (1-14)d 1 3KBOD〔通常實(shí)測(cè)得到KBODKrK2。這時(shí)式〔1-13〕變?yōu)椋篸DdtK LKD (1-15)dtd r氧垂曲線為式〔1-13〕所示的有機(jī)物氧化分解和復(fù)氧過(guò)程同時(shí)進(jìn)展時(shí)，河水的虧氧量度，DO濃度急劇下降，在時(shí)刻tc，DO濃度到達(dá)最小值，虧氧量到達(dá)最大值Dc。隨著所示的曲線稱(chēng)之為氧垂曲線〔DOsagcurv。將式〔1-1〕代入式〔1-1〕并積分解出D，可得到：KD 1

L0 (eKteK

t)D

(1-16)K K 1 2 0 22 1最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的虧氧量Dc和到達(dá)該點(diǎn)的時(shí)間tcDO濃度的大小表4mg/L。設(shè)〔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飽和值界限D(zhuǎn)O飽和值界限D(zhuǎn)O濃度(＝4mg/L)最小DO濃度時(shí)間〔或距離〕氧垂曲線K2/K1明顯很重要，被稱(chēng)之為自凈系數(shù)F。湖泊的自凈系數(shù)一般為0.5~1.5，流淌緩慢的河流F1.5~2.0F3.0~5.0，瀑布可分別改寫(xiě)為：LD 0eKt

(1-19)c F 1c1 DtcK1

(F1)lnF1(F1)

L00

(1-20)水處理方法的分類(lèi)污染物分類(lèi)及其可處理性水中污染物按其來(lái)源來(lái)分，可分為：自然污染物〔Naturalpollutants降水、降塵等過(guò)程；生活污染物〔Domesticpollutants〔IndustrialpollutantAgriculturalpollutants，來(lái)源于〔Livestockpollutant水產(chǎn)養(yǎng)殖、航運(yùn)、水上消遣運(yùn)動(dòng)等也都會(huì)引起水中污染物的增加，這里不再一一贅述。方法。因此，一般對(duì)污染物的分類(lèi)是依據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)進(jìn)展的。依據(jù)污染物的物理性質(zhì)，一種最直接的方法是依據(jù)污染物的尺度來(lái)進(jìn)展分類(lèi)，從而4.1所示的污染物尺度分布。如下圖，尺度在微米量級(jí)以上的污染物屬于懸浮物的范疇；尺度在1nm〔10-9m〕至數(shù)μm的污染物通常具有膠體的性質(zhì)；而10nm1nm10nm之間的〔或分處理方法具有重要參考價(jià)值。懸浮物膠體溶解物10-410-310-210-11101001000m10-1010-910-810-710-610-510-410-3m4.1污染物尺度分布鹽類(lèi)具有完全不同的處理性。兩類(lèi)污染物很難用同樣的方法處理去除。慮。以下將介紹幾類(lèi)污染物的一般去除方法。懸浮污染物的去除方法一般都可以利用重力的作用將其與水分別。對(duì)于密度大于水的懸浮污染物可承受沉淀也是去除懸浮污染物的主要方法，包括粒狀介質(zhì)過(guò)濾和分別10-1μm尺度的膜過(guò)濾，即微濾〔Micro-filtratio。膠體污染物的去除方法屬于膠體范疇的污染物，包括無(wú)機(jī)物和有機(jī)物，均可承受分散和絮凝〔Coagulation氣浮和過(guò)濾的方法加以去除。10-2m〔Ultra-filtrationm尺度的納濾Nano-filtration，則可直接去除水中的膠體污染物。溶解性有機(jī)物的去除方法溶解性有機(jī)物包括生化可降解有機(jī)物和生化難降解有機(jī)物兩種類(lèi)型。對(duì)于前者，通〔Activatedsludgeprocess〕為代表的好氧生物處理是最常用的生化處理法。而對(duì)于后者，由于生化處理法很難奏效，〔Chemicaloxidation〔Activatedcarbon或二者相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)展去除。對(duì)于具有揮發(fā)性的有機(jī)物，曝氣吹脫〔Aeration〕是有效去除的方法之一。溶解性無(wú)機(jī)物的去除方法屬離子等。去除這些污染物的常用方法有：化學(xué)沉淀〔Chemicalprecipitation〕主要針對(duì)能與某些化學(xué)藥劑發(fā)生反響，生成沉淀物〔難溶固體〕的金屬離子，利用此外，對(duì)于水中的磷，則可用投加金屬鹽的方法來(lái)產(chǎn)生磷酸鹽沉淀，從而加以去除。離子交換〔Ionexchange〕〔陽(yáng)離子或陰離子與溶液中的其它同性離子之間的交換反響，去除水中的離子態(tài)無(wú)機(jī)污染物?！睧lectrodialysis〕使溶液中的溶質(zhì)與水分別。電滲析屬于膜處理方法的一種，主要用于水的除鹽。反滲透〔Reverseosmosis〕的一種，同樣主要用于水的除鹽。給水處理系統(tǒng)常規(guī)給水處理系統(tǒng)和細(xì)菌病毒等微生物，其系統(tǒng)構(gòu)成如以下圖所示?；炷齽┏吻宄叵緞┗炷齽┏吻宄叵緞┗旌铣匦跄爻恋沓乜鞛V池清水池直接過(guò)濾接觸過(guò)濾常規(guī)快濾處理流程在圖中，快濾池是處理流程的中心環(huán)節(jié)。其它處理環(huán)節(jié)的作用可簡(jiǎn)要?dú)w納如下：〔Mixingbasi水中以粘土為代表的膠體顆粒充分脫穩(wěn)。絮凝〔Flocculationbasin：通過(guò)水力或機(jī)械攪拌供給脫穩(wěn)膠體顆粒間碰撞結(jié)合能量，形成可沉淀或過(guò)濾去除的絮凝體〔 Flocs?；旌虾托跄^(guò)程又統(tǒng)稱(chēng)為混凝〔Coagulatio。沉淀池〔Sedimentationbasin沉于池底，得以分別?！睠larifie池中高濃度粗大絮凝體懸浮層促進(jìn)顆粒絮凝和沉淀分別。該方法又稱(chēng)之為接觸絮凝法〔Contactflocculatio。直接過(guò)濾〔Directfiltration：混凝〔混合+絮凝〕濾池的處理工藝，一般適用于原水濁度較低的狀況。接觸過(guò)濾〔Contactfiltration濾料顆粒之間的接觸絮凝作用進(jìn)展過(guò)濾處理的工藝，也適用于原水濁度較低的狀況。〔Filteredwaterreservoi加氯，并利用清水池的容量供給足夠的消毒接觸時(shí)間。II快濾處理即可滿足飲用水的水質(zhì)要求。預(yù)處理和深度給水處理于常規(guī)處理流程之前，即稱(chēng)之為預(yù)處理Pre-treatmen；置于常規(guī)處理之后則稱(chēng)之為深度給水處理Advancedwatertreatmen。預(yù)處理方法主要包括，①粉末活性炭吸附法：通常將粉末活性炭投加到原水中，吸有除味、除臭和除色作用。理后的水通過(guò)濾池過(guò)濾，水中剩余有機(jī)物得到吸附去除；②臭氧-活性炭處理法：水通載體，稱(chēng)之為生物活性炭；③高級(jí)氧化法：使用化學(xué)氧化劑〔臭氧、過(guò)氧化氫等〕或運(yùn)程。城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)污水處理系統(tǒng)〔SS〕和有機(jī)物BODCOD。一級(jí)處理 空氣 二級(jí)處理

消毒劑進(jìn)水 格柵(格網(wǎng)) 沉砂池 一沉池排泥 排泥

曝氣池回流污泥

二沉池 出水剩余污泥城鎮(zhèn)污水處理的典型流程〔未包括污泥處理〕流程中各處理單元的作用可歸納如下：格柵格網(wǎng)Screeningdevic：去除污水進(jìn)水中的粗大懸浮物和漂移物。