水處理I-第一章：緒論

水處理工程

(I)

王光輝

PH.D/Professor

水資源與環(huán)境工程學(xué)院教材

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污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

(南京大學(xué)，同濟(jì)大學(xué))教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)第一章緒論第二章污水的物理處理第三章污水的化學(xué)處理第四章污水的物理化學(xué)處理

6181010考核：30%（平時(shí)成績(jī)）+70%（考試成績(jī)）第一章緒論1.1水資源循環(huán)與特點(diǎn)1.2水質(zhì)指標(biāo)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1.3水體自凈作用與水環(huán)境容量1.4水體水質(zhì)評(píng)價(jià)1.5污水處理的基本方法和系統(tǒng)第一章緒論§1.1水資源循環(huán)與特點(diǎn)§1.1.1水資源定義《大不列顛大百科全書(shū)》：世界上水資源包括地球上所有的天然水的總量。

英國(guó)的《水資源法》：地球上具有足夠數(shù)量的可用水。

《水資源評(píng)價(jià)活動(dòng)-國(guó)家評(píng)價(jià)手冊(cè)》:可以利用或有可能被利用的水源,具有足夠數(shù)量和可用的質(zhì)量,并能在某一地點(diǎn)為滿足某種用途而可被利用。

《中國(guó)大百科全書(shū)》：地球表面可供人類利用的水，包括水量（質(zhì)量）、水域和水能資源，一般指每年可更新的水量資源。水是自然界最普遍存在的物質(zhì)；

地球上的水量約136000萬(wàn)km3

；地球上約97.3%的水為海水；能開(kāi)發(fā)利用淡水約為400萬(wàn)km3，占總水量的0.3%；

中國(guó)河川年徑流總量為27115億m3，占全世界徑流總量5.8％，每人每年擁有水量尚不及2700m3

，只相當(dāng)于世界平均數(shù)1/4；§1.1.2地球上水的分布表1-1地球上的水量分布100138598.46總量0.000996.541.740.020.00020.0130.00080.00121.690.00011.291338002406.41300.21217.641.151.6523400.112大氣水海洋水冰川和積雪永凍層中冰河水湖泊水沼澤水土壤水地下水生物體內(nèi)水比例（%）水量（107m3

）水分類型§1.1.3水的循環(huán)(WaterRecycle)

水的循環(huán)：自然循環(huán)和社會(huì)循環(huán)兩種

地下徑流海洋云氣運(yùn)動(dòng)地面徑流補(bǔ)給陸地降水蒸發(fā)降水降水蒸發(fā)圖1-1水的自然循環(huán)降水地面或地下水源取水站輸水管凈水廠給水管網(wǎng)飲用水設(shè)備凈水站生產(chǎn)用水設(shè)備I生產(chǎn)用水設(shè)備II廢水處理廠直流系統(tǒng)（1）直流系統(tǒng)（2）循環(huán)系統(tǒng)排水管網(wǎng)雨水污水處理廠排放渠水自然水體或土壤圖1-2水的社會(huì)循環(huán)§1.1.4我國(guó)水資源特點(diǎn)及分布人均占有量少；空間分布不均；年內(nèi)及年際變化大；許多地區(qū)缺水嚴(yán)重；§1.1.5我國(guó)水環(huán)境污染現(xiàn)狀

(1)我國(guó)水環(huán)境污染現(xiàn)狀

《2010年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)公報(bào)》指出，2010年七大水系總體為輕度污染，Ⅰ-Ⅲ類，Ⅳ-Ⅴ類，劣Ⅴ類水質(zhì)的斷面比例分別為59.9%、23.7%和16.4%。59.9%23.7%16.4%珠江、長(zhǎng)江總體水質(zhì)良好，松花江、淮河為輕度污染，黃河、遼河為中度污染，海河為重度污染。(2)全世界典型重大水污染事件

1）英國(guó)倫敦霍亂大流行（1832-1833）

2）日本“水俁病”的爆發(fā)（1925）

3）日本“痛痛病”事件（1961）

4）日本“米糠油”事件（1968）

5）孟加拉國(guó)的砷污染

6）印度德里市傳染性肝炎大流行（1955-1956）

7）中國(guó)上海甲肝病大流行（1988）

8）歐洲萊因河污染事件（1986）松花江污染

2005年11月13日，吉林石化公司爆炸事故引起，污染以苯、硝基苯為主。四川沱江特大污染事故2004年2月16日川化集團(tuán)川化股份有限公司第二化肥廠二車間水解、解吸裝置的兩臺(tái)給料泵發(fā)生故障，導(dǎo)致含高濃度氨氮的尿素工藝?yán)淠号湃脬闹Я髋庸才欧偶儼钡玻埃埃皣崱Ｋ拇ㄣ卮笪廴臼鹿拾偃f(wàn)人飲水中斷，水生態(tài)系統(tǒng)遭受重創(chuàng)，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)億元江西永平銅礦污染觸目驚心流體是環(huán)境物質(zhì)的載體，任何化學(xué)污染，都可能與水的污染有聯(lián)系。安徽巢湖水質(zhì)2007年8月份降為重度污染滇池藍(lán)藻難治理定海長(zhǎng)春水庫(kù)藍(lán)藻旺發(fā)黃河蘭州段又遭污染

水污染的后果：水生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，魚(yú)大量死亡

甲基汞導(dǎo)致魚(yú)大量死亡水俁病是由于水體中甲基汞污染造成的。汞是一種重金屬，進(jìn)入生物體內(nèi)后逐漸積累。污染導(dǎo)致疾病大頭魚(yú)的唇癌

由于水體中存在致癌物質(zhì)，北美五大湖的某些支流中魚(yú)的癌癥發(fā)病率高達(dá)84%日本米糠油事件中PCBs受害者的慘狀危害致癌致畸生殖異常

動(dòng)物雌性化現(xiàn)象神經(jīng)毒性其他如阻止植物固氮免疫毒性2004年3月初在英國(guó)西南部發(fā)現(xiàn)的三頭六腿青蛙EDCs對(duì)動(dòng)物的有害效應(yīng)MissinglimbsTheyhaveextralimbsMissingeyes§1.2水質(zhì)指標(biāo)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)§1.2.1水質(zhì)指標(biāo)(WaterQualityIndex)物理指標(biāo)化學(xué)指標(biāo)生物指標(biāo)放射性指標(biāo)物理指標(biāo)：溫度、色度、臭味、固體物質(zhì)◆溫度：生活污水10-20℃，過(guò)高或過(guò)低會(huì)影響污水的生物處理效果；◆色度：表色、真色表色：懸浮固體引起真色：膠體或溶解物質(zhì)引起◆臭味：魚(yú)腥臭、氨臭、腐肉臭、腐蛋臭等工業(yè)廢水的臭味由揮發(fā)性化合物造成；生活污水的臭味主要由有機(jī)物腐敗產(chǎn)生的氣體；◆固體物質(zhì)：懸浮、膠體和溶解化學(xué)指標(biāo)：有機(jī)物、無(wú)機(jī)物無(wú)機(jī)物及指標(biāo)（1）酸堿度:用pH值表示

酸度:指水中能與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，即放出H+或經(jīng)過(guò)水解能產(chǎn)生H+的物質(zhì)的總量。包括為強(qiáng)酸、弱酸、強(qiáng)酸弱堿鹽；堿度：指水中能與強(qiáng)酸發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，即接受質(zhì)子的物質(zhì)總量，包括強(qiáng)堿、弱堿及強(qiáng)堿弱酸鹽；（2）氮、磷:水體富營(yíng)養(yǎng)化

A、氮及化合物：

__有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽氮及硝酸鹽氮

TN:有機(jī)氮+氨氮+亞硝酸鹽氮+硝酸鹽氮

KN:有機(jī)氮+氨氮氨氮：游離氨+離子態(tài)銨鹽

B、磷及化合物：

__有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷有機(jī)磷：葡萄糖-6-磷酸，2-磷酸-甘油酸磷肌酸無(wú)機(jī)磷：正磷酸鹽、偏磷酸鹽、磷酸氫鹽、磷酸二氫鹽（3）硫酸鹽與硫化物（4）氯化物（5）非重金屬無(wú)機(jī)有毒物質(zhì)氰化物：無(wú)機(jī)氰(HCN、CN-)

有機(jī)氰(C2H3CN)

砷化物：無(wú)機(jī)砷、有機(jī)砷（6）重金屬離子汞、鎘、鉛、鉻、鋅、銅、鎳、錫、鐵、錳有機(jī)物第一類：可生物降解有機(jī)物①可生物降解，對(duì)微生物無(wú)毒害或抑制作用②可生物降解，對(duì)微生物有毒害或抑制作用第二類：難生物降解有機(jī)物③難生物降解，對(duì)微生物無(wú)毒害或抑制作用④難生物降解，對(duì)微生物有毒害或抑制作用（1）碳水化合物：糖、淀粉、纖維素和木質(zhì)素（2）蛋白質(zhì)與尿素（3）脂肪和油類（4）酚（5）有機(jī)酸、堿（6）表面活性劑烷基苯磺酸鹽（ABS）—難降解烷基芳基磺酸鹽（LAS）—可降解（7）有機(jī)農(nóng)藥-難降解、毒性大、抑制作用有機(jī)氯農(nóng)藥：DDT，六六六有機(jī)磷農(nóng)藥：樂(lè)果、敵敵畏、甲基對(duì)硫磷、馬拉硫磷、對(duì)硫磷（8）取代苯類化合物有機(jī)物污染指標(biāo)①BOD5：在20℃，5天培養(yǎng)期，可生物降解有機(jī)物被微生物氧化所需要的氧量。

BODU：在20℃，廢水中全部可生物氧化有機(jī)物需氧量；生物氧化過(guò)程中的主要反應(yīng)：

1）有機(jī)物質(zhì)氧化（呼吸）反應(yīng)：

CxHyOz

+O2

CO2+H2O+能量

2）無(wú)機(jī)物質(zhì)氧化（呼吸）反應(yīng)：

NH4++2O2

NO3-+H2O

+2H++能量

3）合成細(xì)胞原生質(zhì)（合成）反應(yīng)

CxHyOz

+NH3

+O2+能量

C5H7O2N+H2O

4）細(xì)菌原生質(zhì)氧化（內(nèi)源呼吸）反應(yīng)

C5H7O2N+5O2

5CO2+2H2O+NH3

+能量可生物降解有機(jī)物異養(yǎng)菌呼吸（氧化）ＯaＣＯ２、H2O、NH3自養(yǎng)菌合成新細(xì)胞ＯｃNO2-、H2O自養(yǎng)菌ＯdNO3-新細(xì)胞合成合成新細(xì)胞殘存物質(zhì)ＣＯ２、H2O、NH3、

可生物降解有機(jī)物降解過(guò)程示意圖Ｏb（內(nèi)源呼吸）0

51020253035(d)BOD(mg/L)BOD5（70-80%）BODUNODU兩階段生化需氧量曲線第一階段：碳氧化階段（總生化需氧量——BODU）異氧菌第二階段：硝化階段（硝化需氧量——NODU

）自養(yǎng)菌15100dBOD5的缺點(diǎn)：（1）測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)，5d；

（2）難生物降解有機(jī)物濃度高，BOD5測(cè)定的結(jié)果誤差大；（3）含抑制微生物生長(zhǎng)的有毒有害物質(zhì)，影響測(cè)定結(jié)果；②COD：在酸性條件下，用強(qiáng)氧化劑將有機(jī)物氧化成二氧化碳與水所消耗的氧量；

CODCr：重鉻酸鉀作為氧化劑，可完全氧化水中各種性質(zhì)的有機(jī)物；

CODMn:高錳酸鉀為氧化劑，氧化能力較重鉻酸鉀弱COD的優(yōu)缺點(diǎn)：（1）優(yōu)點(diǎn)：較精確地表示污水有機(jī)物的含量，測(cè)定時(shí)間僅需數(shù)小時(shí)，且不受水質(zhì)的限制；（2）缺點(diǎn)：不能像BOD那樣反映出微生物氧化有機(jī)物，污水中還原性物質(zhì)會(huì)影響測(cè)定結(jié)果；

廢水可生化性評(píng)價(jià)方法：

BOD5/COD比值法

BOD5/COD>0.58為完全可生物降解

BOD5/COD=0.45-0.58生物降解性能良好

BOD5/COD=0.30-0.45可生物降解

BOD5/COD<0.30難生物降解③TOD：將一定數(shù)量的水樣，注入含氧量已知的氧氣流中，再通過(guò)以鉑鋼為觸媒的燃燒管，在

900℃高溫下燃燒，使水樣中含有的有機(jī)物被燃燒氧化，消耗掉氧氣流的氧，剩余的氧量

用電極測(cè)定。氧氣流原有含氧量減去剩余含氧量即等于總需氧量，TOD大于COD。④ThOD：由化學(xué)氧化反應(yīng)方程式確定理論需氧量

以甘氨酸為例：CH2(NH2)COOH

第一階段——碳氧化反應(yīng)

CH2(NH2)COOH+3/2O2

NH3+2CO2+H2O

第二階段——氨氮氧化反應(yīng)

NH3+3/2O2HNO2+H2O(亞硝化)HNO2+1/2O2HNO3(硝化)

理論需氧量ThOD

ThOD=3/2+3/2+1/2=7/2molO2/mol甘氨酸⑤

TOC：將一定數(shù)量的水樣經(jīng)過(guò)酸化，用壓縮空氣吹脫其中的無(wú)機(jī)碳酸鹽，排除干擾，然后注入含氧量已知的氧氣流中，再通過(guò)以鉑鋼為觸媒的燃燒管，在900℃高溫下燃燒，把有機(jī)物所含的碳氧化成二氧化碳，測(cè)定二氧化碳的量并折算成含碳量即等于總有機(jī)碳。ThOD>TOD>CODcr>BODu>BOD5>TOC生物指標(biāo)：細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群數(shù)、病毒大腸菌群數(shù)與大腸菌群指數(shù)大腸菌群數(shù)（個(gè)/L）：

——每升水樣中所含有的大腸菌群的數(shù)目大腸菌群指數(shù)

——查出1個(gè)大腸菌群所需的最少水量(ml)病毒：污水中的病毒有100多種細(xì)菌總數(shù)：大腸菌群數(shù)、病原菌、病毒及其他細(xì)菌的總和，以每豪升水樣中的細(xì)菌菌落總數(shù)表示。放射性指標(biāo)：總α放射性、總β放射性漁業(yè)及農(nóng)業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)生活用水標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)城市排水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)

地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)P613

見(jiàn)表1-2§1.2.2水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(WaterQualityCriteria)§1.3水體自凈與水環(huán)境容量§1.3.1水體自凈(SelfPurification)（1）定義：污染物排入水體后，經(jīng)過(guò)物理的、化學(xué)的與生物化學(xué)作用，使污染物的濃度降低或總量減少，受污染的水體部分地或完全地恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。（2）凈化類型：物理凈化、化學(xué)凈化、生物凈化物理凈化:稀釋、擴(kuò)散、沉淀、揮發(fā)等作用CM化學(xué)凈化:氧化、還原、分解、吸附、中和等作用CM生物凈化:水中微生物對(duì)有機(jī)物氧化分解作用等CM

生物凈化占主導(dǎo)作用！§1.3.2物理自凈（1）稀釋

A、平流：污染物隨水流方向的運(yùn)動(dòng)；

污染物在水體內(nèi)的任意單位面積上的移流率：

Q1=U(x,t).C(x,t)

Q1—污染物在平流時(shí)的移流率,mg/(m2.s);

U(x,t)—水平段面平均流速,m/s;

C(x,t))—水平段面污染物平均濃度,mg/L;B、擴(kuò)散

①分子擴(kuò)散：污染物分子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)分子擴(kuò)散，使污染物濃度的降低；

②紊流擴(kuò)散：由于水體的流態(tài)（紊流）造成的污染物濃度降低；

③彌散：由于水體各水層之間的流速不同，使污染物濃度分散；縱向x擴(kuò)散通量靜態(tài)水體流動(dòng)水體（2）混合污水與水體混合后，污染物濃度降低；河流的混合稀釋效果，決定于混合系數(shù)；混合系數(shù)的確定：完全混合斷面污染物平均濃度為：（3）沉淀與揮發(fā)污染物中的可沉物質(zhì)，通過(guò)沉淀，使?jié)舛冉档?；揮發(fā)性污染物質(zhì)，通過(guò)揮發(fā)，使?jié)舛冉档?；?.3.3化學(xué)凈化作用（1）氧化還原

鐵、錳等重金屬離子的氧化成難溶性的氫氧化物沉淀；

硫離子氧化成硫酸根；

硝酸鹽的反硝化還原脫氮；（2）酸堿反應(yīng)水體中存在的地表礦物（如石灰石、白云石、硅石）以及游離二氧化碳、碳酸等對(duì)排入的酸、堿有一定的緩沖能力，使水體的pH維持穩(wěn)定。（3）吸附與凝聚

天然水中存在大量具有很大表面能的膠體微粒，將吸附和凝聚水體中各種陰、陽(yáng)離子，通過(guò)沉降，達(dá)到凈化?！?.3.4生物化學(xué)凈化作用

I、水體中氧的消耗與溶解 ①有機(jī)物的氧化分解（碳化和硝化）氧的消耗②廢水中的還原性物質(zhì) ③淤泥的分解及水生植物的呼吸 ①水體和廢水中原來(lái)含有的氧 氧的來(lái)源②大氣向水體擴(kuò)散溶解的氧 ③水生植物光合作用釋放的氧

II、氧垂曲線（OxygenSagCurve）DOBOD5圖1-3河流中BOD5和DO的變化曲線048

12

16

20BOD5及溶解氧含量（mg/L）清潔帶污染帶清潔帶恢復(fù)帶210123456789aob

dDOBOD5（1）有機(jī)物耗氧動(dòng)力學(xué)原理：有機(jī)物生化降解的耗氧量與該時(shí)期河水中存在的有機(jī)物量成正比，即呈一級(jí)反應(yīng)。式中：L0—有機(jī)物總量（mg/L）；

Lt—t時(shí)刻水中殘存的有機(jī)物量（mg/L）；

K1、k1—耗氧速率常數(shù)（d-1，20℃）；

III、氧垂曲線方程—菲里普斯方程的建立θ=1.047水溫（℃）051015202530k1值0.039990.05020.06320.07950.10.12600.1583生活污水耗氧速率常數(shù)（2）溶解氧變化過(guò)程動(dòng)力學(xué)原理:河水中的虧氧量的變化速率是耗氧速率和復(fù)氧速率之和。式中

L、L0—分別為時(shí)間t和t=0時(shí)河水中有機(jī)物濃度，

D、D0—分別為時(shí)間t和t=0時(shí)河水虧氧濃度，D=（C0-Cx）;

Cx—t時(shí)刻河水中溶解氧濃度，

C0—河水的飽和溶解氧濃度，當(dāng)（dD/dt）=0時(shí)，即可確定最大缺氧點(diǎn)即氧垂點(diǎn)的位置及達(dá)到時(shí)間。式中:

tc—從排污點(diǎn)到氧垂點(diǎn)所需的時(shí)間;DC—臨界點(diǎn)虧氧值；【例題分析】§1.3.5水環(huán)境容量(WaterEnvironmentCapacity)(1)定義:

在滿足水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的條件下,水體所能接納的最大允許污染物負(fù)荷量。

W=f(C0,CN,x,Q,q,t)

W__水環(huán)境容量；

C0__河水中污染物的原有濃度，mg/L；

CN__地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；

x,Q,q,t__分別表示距離、河流流量、排放污水量和時(shí)間

(2)影響因素:A.水體特征:水文參數(shù)、背景參數(shù)、工程因素

B.污染物特征：污染物的擴(kuò)散性、持久性、生物降解性。

C.水質(zhì)目標(biāo)：水的用途和功能要求不同，允許存在水體的污染物量也不同。(3)水環(huán)境容量的推算

A.河流水環(huán)境容量的推算

1)中小河流的水環(huán)境容量推算

水環(huán)境容量:差值容量與同化容量;

差值容量:水體稀釋作用;

同化容量:生化作用的去污容量;基本假設(shè):污染物濃度呈線性衰減;上游傳輸來(lái)的污染物量是穩(wěn)定的;忽略河段中污染物的分解和沉降作用;河流的流量不變;單點(diǎn)排污的水環(huán)境容量推算多點(diǎn)排污的水環(huán)境容量推算

河段均勻排污的水環(huán)境容量推算2)大河流的水環(huán)境容量的推算

W=Q.C(x,y)

§1.3.6水體水質(zhì)評(píng)價(jià)

(1)評(píng)價(jià)目的:對(duì)不同地區(qū)各個(gè)時(shí)期水質(zhì)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析;分析對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的影響;分析對(duì)人體健康的影響;(2)評(píng)價(jià)類型:現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

A、現(xiàn)狀評(píng)價(jià)方法：

1）綜合污染指數(shù)（K）法

K<0.1未污染水體；

K0.1污染水體；

K=0.1-0.2輕度污染；

K=0.2-0.3中度污染；

K>0.3重度污染；

2）水質(zhì)質(zhì)量系數(shù)（P）法

P<2未受有機(jī)物污染；

P2受有機(jī)物污染；

P值越大，污染程度越嚴(yán)重；§1.4污水處理的基本方法與系統(tǒng)

(1)處理目的:

將污水中所含的污染物質(zhì)分離去除，回收利用或轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)，使水得到凈化；

(2)處理方法：物理法、化學(xué)法、物化法、生物法；