水質與水體自凈2教案

第一篇 水質凈化與水污染掌握工程引言環(huán)境專業(yè)的高等教育中，水質凈化與水污染治理是最為重要的教學內容。問題的引入水質如何凈化，借助何種力氣？凈化到何種程度？水污染治理的技術是否有針對性？可有萬能的水處理技術？水處理技術有哪幾種？1篇教學內容：水的物理化學處理方法★水的深度處理與回用1章水質與水體自凈〔2〕本章教學內容：水循環(huán)與水污染，水質指標，廢水的成分與性質，水體自凈，水處理的根本方法本章教學要求：了解地球水資源狀況，了解常用的水質標準，把握常用的水質指標；本章教學重點：水污染的分類、水質指標、水體自凈、水處理的根本原則與方法61本章習題: 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，爭論水環(huán)境的意義也就不言而喻了。1.386x109km3，這一浩大的數字說明，水是地球及其豐富的自圈〔Globalhydrosphere1.1所示。1.1地球水圈中的水儲量分布水儲量 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1,385,984.61001,350,955.497.472635,029.242.5274由此可見，地球上水儲量的約97.5％是咸水，淡水儲量僅占2.53％，其中相當大的0.3％。大氣圈氣流運動)降水蒸發(fā)部水蒸氣)氣流運動)蒸發(fā)地外表圖3-2 水蒸氣的收支平衡概念圖循環(huán)〔Hydrologicalcycle〕現象。圖1.1為水文循環(huán)過程的示意圖。在太陽能的作用下，水分從水體〔海洋、河流等〕水面蒸發(fā)〔Evaporatio大氣圈氣流運動)降水蒸發(fā)部水蒸氣)氣流運動)蒸發(fā)地外表圖3-2 水蒸氣的收支平衡概念圖太陽能太陽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)過程中，主要涉及到的水體包括大氣水、陸地水、海水這三大類。大氣水大氣中的水量通常通過單位面積氣柱中所含水蒸氣的量來計算。陸地水循環(huán)往往受一個流域內的降雨狀況、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)，這主要是指流域內自然水循環(huán)〔Naturalwatercycle〕的過程。然而，在人類水循環(huán)〔Humanrelatedwatercycle〕過程，這兩種循環(huán)過程親熱相關，可統(tǒng)稱為人類聚居區(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)用水處理農業(yè)用水體取水圖1.4 人類聚居區(qū)域水環(huán)境代謝示意圖下面我們來爭論一以下圖1.4所示的水環(huán)境代謝過程的各個環(huán)節(jié)。人為循環(huán)的各個環(huán)節(jié)取水Waterintak：從水體取得原水，以供給各種用水的設施或構筑物。給水處理Watertreatmen施或構筑物。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)生產用水，一般是指工業(yè)企業(yè)在內工作人員的生活用水。農業(yè)用水Irrigationwate方法。排水處理〔Wastewatertreatment〔Municipalwastewatertreatmen〕和工業(yè)廢水處理〔Industrialwastewatertreatmen減輕排放后對水體的污染。人為循環(huán)過程所伴隨的水質變化1.4所示的人為循環(huán)過程中，人們從水體取水，經過各個用水環(huán)節(jié)后，這些水化。也就是說，人們從水體取用的水量經使用后，根本上又全部回到了水體，構成了一個循環(huán)。但是，這一循環(huán)過程中水質卻發(fā)生了較大的變化。以農業(yè)澆灌用水為例，取用的水多數狀況下無須任何處理用于澆灌，經土壤吸取滲透等一系列過程，大量的水〔除農作物吸取和蒸發(fā)散失的水量外和工業(yè)用水在使用前經過了給水處理，在使用過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，從水體的角度來說，取水和排水〔固然水體具1.3節(jié)中進展爭論。自然循環(huán)對水代謝過程的影響1.4所示的水代謝過程中，自然循環(huán)包括降雨、徑流、蒸發(fā)等環(huán)節(jié)。降雨過程有可能將大氣中的污染物帶到地面，通過徑流進入水體〔例如酸雨中帶入水體的污染物的最初來源還是人為活動造成的，不能歸結為自然的緣由。角度來說，自然循環(huán)過程中大致存在著以下的水量收支關系：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，水體水量始終得到充分補充，可能到達飽和容量；而當蒸發(fā)量大于降雨量時，水體水量將不斷削減。維持良性水環(huán)境代謝的條件〕就會在體內積蓄，最終導致人體的衰竭。人類聚居區(qū)域能滿足生活要求的水資源。水污染污染指標有機污染指標氧化分解，水中的溶解氧被消耗，嚴峻的狀況下將造成缺氧狀態(tài)，水體不再清亮透亮，依據有機物分解過程消耗氧氣的特點，人們通常用生化需氧量〔BOD、化學需氧量〔CO、溶解氧〔DO〕作為評價有機污染的指標。BO〔Biochemicaloxygendeman20oC5日生物氧化的耗氧量作為代表值，稱之為五日生化需氧量〔BO5。CO〔ChemicaloxygendemanCOD的氧化劑換算成氧的量。在氧化分解的過程中，不僅是水樣中的有機物，而且全部的復原性無機物都有可能被氧化，因此，嚴格地說COD所代表的不完全是水中的有機物。D〔Dissilvedoxyge物分解的耗氧速度的影響。一般來說，溶氧量受水溫順氧的分壓的制約，存在一個飽和其它指標：BOD、COD外，總有機碳〔TOC〕和紫外消光度〔UV〕也作為水中有機物濃度的指標。TOC是用水中有機物所含的碳原子的總量表示的有機物濃度，能更UV消光度往往受水中中對紫外光具有吸取性的有機物〔具有非飽和構造的官能團〕的影響，也能表示水中有機物。重金屬污染指標6種：硒Se、砷A、汞Hg、鎘Cd鉻C、鉛Pb。硒元素長期攝取會引起貧血、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，攝取的鉛在骨骼內積蓄，引起貧血和肌肉麻痹。養(yǎng)分鹽類污染指標氮和磷是農業(yè)肥料的元素，屬于植物生長的養(yǎng)分鹽類。地表水體中〔尤其是湖泊、赤潮的發(fā)生，引起水環(huán)境惡化，這種現象稱之為富養(yǎng)分化〔Eutrophicatio。富養(yǎng)分化同時未分解的有機物在水體底部積蓄，發(fā)生厭氧分解。通常存在于水中的養(yǎng)分鹽類指氮和磷的鹽類。氮類養(yǎng)分物質主要包括氨氮〔N4-、亞硝酸鹽氮N2-〕和硝酸鹽氮N3-〔磷酸鹽和有機磷。引起廣泛關注的微量污染物引起廣泛關注的微量污染物主要有氰化物、PCB〔PolycholorinatedBiphenyPA〔PolyaromaticHydrocarbonTH〔甲烷，Trihalomethane〕等有機化合物。其它污染物〔如色度、混濁度、泡沫、惡臭等〕和酸堿污染物。污染源與污染負荷量〕之內是保證良好水環(huán)境代謝條件的前提。因此，流域污染源和污染負荷的分析格外重要。污染源包括點源〔Pointsource〕和面源〔Non-pointsource〕兩大類。所謂點源，是鎮(zhèn)生活污水處理都是通過點源治理降低排入水體的污染物總量的重要措施?！睵ollutantloa染負荷量的計算原理。生活污水的污染負荷量生活污水的污染負荷通常按每人每天的污染物發(fā)生量〔單位負荷量來計算。污染3.2所示。確定了單位污染負荷量之后，就可以按人口推算誕生活污水的總污染負荷。表3.2 生活污水的單位污染負荷量排水量〔g/人·日〕污水種類〔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)廢水的污染負荷量〔或單位產值〕的污染物發(fā)生量。依據國家的環(huán)境標準，工業(yè)廢水必需在工SS和COD是計算工業(yè)廢水污染負荷量。家畜排水的污染負荷量BOD200gCOD130gSS700gTN40gTP25g/頭日，BOD640gCOD530gSS3000gTN370gTP50g/頭日，必需要求按工業(yè)廢水進展特地處理才能外排。其它人為的污染負荷量計算方法與工業(yè)廢水相類似。自然污染負荷量〔大型澆灌系統(tǒng)除外〕等產生的自然污染負荷都屬于非點源，一0.5~1.0kg/日·km2來計算比較適宜。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污染物的自凈過程體的凈化力量，就會導致水體的污染。3〔1〕污染物通過稀釋、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〕通過水體的氧化復原、酸于化學或物理化學自凈〔3〕通過水體中的水生生物、微生物的生命活動，使污染物的存在狀態(tài)發(fā)生變化，總量和濃度降低，屬于生物化學自凈。圖3.5以河流為例，描述了水體自凈作用中與上述機理有關的主要現象。在上述自凈過程中，對水中有機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揚吸收浮游性好氧分解藻類吸附性厭氧分解圖1.5 河流自凈作用的主要現象好氧性微生物蛋白質〔C,H,O,N〕+O2 NH3+CO2+H2O (1-7)有機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。復氧過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象稱之為復氧〔Re-aeration。復氧伴隨著氣相和液相間的物質交換，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：復氧系數。D=O－O為虧氧量〔溶解氧濃度與飽和濃度的差值，則上式可改寫為：dD2dt KD2

(1-9)K2K20.2~10〔1/日〕之間，水流K2值一般越大。復氧過程對水體自凈起重要作用。Streeter-Phelps方程1級反響方程。dL1dtKL1

(1-10)式中，：有機物濃度〔BO；K：耗氧系數。對上式進展積分，可得到BOD隨時間變化的關系式：(1-11)0=0BOD。本身就是以需氧量表示的有機物量，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K1和復氧系數K2確實定格外重要，通常需要進展試驗室和河流現場測試。實的去除效果很難明確區(qū)分，因此可定義一個包含沉淀等作用的BOD去除系數Kd來代K1：K K K (1-14)d 1 3KBOD〔通常實測得到KBODKrK2。這時式〔1-13〕變?yōu)椋篸DdtK LKD (1-15)dtd r氧垂曲線為式〔1-13〕所示的有機物氧化分解和復氧過程同時進展時，河水的虧氧量度，DO濃度急劇下降，在時刻tc，DO濃度到達最小值，虧氧量到達最大值Dc。隨著所示的曲線稱之為氧垂曲線〔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最低點對應的虧氧量Dc和到達該點的時間tcDO濃度的大小表4mg/L。設〔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DO飽和值界限DO濃度(＝4mg/L)最小DO濃度時間〔或距離〕氧垂曲線K2/K1明顯很重要，被稱之為自凈系數F。湖泊的自凈系數一般為0.5~1.5，流淌緩慢的河流F1.5~2.0F3.0~5.0，瀑布可分別改寫為：LD 0eKt

(1-19)c F 1c1 DtcK1

(F1)lnF1(F1)

L00

(1-20)水處理方法的分類污染物分類及其可處理性水中污染物按其來源來分，可分為：自然污染物〔Naturalpollutants降水、降塵等過程；生活污染物〔Domesticpollutants〔IndustrialpollutantAgriculturalpollutants，來源于〔Livestockpollutant水產養(yǎng)殖、航運、水上消遣運動等也都會引起水中污染物的增加，這里不再一一贅述。方法。因此，一般對污染物的分類是依據其物理化學性質來進展的。依據污染物的物理性質，一種最直接的方法是依據污染物的尺度來進展分類，從而4.1所示的污染物尺度分布。如下圖，尺度在微米量級以上的污染物屬于懸浮物的范疇；尺度在1nm〔10-9m〕至數μm的污染物通常具有膠體的性質；而10nm1nm10nm之間的〔或分處理方法具有重要參考價值。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具有完全不同的處理性。兩類污染物很難用同樣的方法處理去除。慮。以下將介紹幾類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，包括粒狀介質過濾和分別10-1μm尺度的膜過濾，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，包括無機物和有機物，均可承受分散和絮凝〔Coagulation氣浮和過濾的方法加以去除。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。溶解性有機物的去除方法溶解性有機物包括生化可降解有機物和生化難降解有機物兩種類型。對于前者，通〔Activatedsludgeprocess〕為代表的好氧生物處理是最常用的生化處理法。而對于后者，由于生化處理法很難奏效，〔Chemicaloxidation〔Activatedcarbon或二者相結合的方法對其進展去除。對于具有揮發(fā)性的有機物，曝氣吹脫〔Aeration〕是有效去除的方法之一。溶解性無機物的去除方法屬離子等。去除這些污染物的常用方法有：化學沉淀〔Chemicalprecipitation〕主要針對能與某些化學藥劑發(fā)生反響，生成沉淀物〔難溶固體〕的金屬離子，利用此外，對于水中的磷，則可用投加金屬鹽的方法來產生磷酸鹽沉淀，從而加以去除。離子交換〔Ionexchange〕〔陽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)無機污染物。〔Electrodialysis〕使溶液中的溶質與水分別。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)和細菌病毒等微生物，其系統(tǒng)構成如以下圖所示?；炷齽┏吻宄叵緞┗炷齽┏吻宄叵緞┗旌铣匦跄爻恋沓乜鞛V池清水池直接過濾接觸過濾常規(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)的作用可簡要歸納如下：〔Mixingbasi水中以粘土為代表的膠體顆粒充分脫穩(wěn)。絮凝〔Flocculationbasin：通過水力或機械攪拌供給脫穩(wěn)膠體顆粒間碰撞結合能量，形成可沉淀或過濾去除的絮凝體〔 Flocs?；旌虾托跄^程又統(tǒng)稱為混凝〔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顆粒絮凝和沉淀分別。該方法又稱之為接觸絮凝法〔Contactflocculatio。直接過濾〔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。接觸過濾〔Contactfiltration濾料顆粒之間的接觸絮凝作用進展過濾處理的工藝，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間。II快濾處理即可滿足飲用水的水質要求。預處理和深度給水處理于常規(guī)處理流程之前，即稱之為預處理Pre-treatmen；置于常規(guī)處理之后則稱之為深度給水處理Advancedwatertreatmen。預處理方法主要包括，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。理后的水通過濾池過濾，水中剩余有機物得到吸附去除；②臭氧-活性炭處理法：水通載體，稱之為生物活性炭；③高級氧化法：使用化學氧化劑〔臭氧、過氧化氫等〕或運程。城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)污水處理系統(tǒng)〔SS〕和有機物BODCOD。一級處理 空氣 二級處理

消毒劑進水 格柵(格網) 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Screeningdevic：去除污水進水中的粗大懸浮物和漂移物。