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認(rèn)證主體：蔡**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：江西 上傳時(shí)間：2023-05-30 格式：DOC 頁(yè)數(shù)：16 大?。?.94MB 積分：12 舉報(bào) 版權(quán)申訴

第1頁(yè) 水質(zhì)凈化與水污染控制工程引言目前，水污染是環(huán)境污染問(wèn)題中最為迫在眉睫的嚴(yán)重事件，直接威脅到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至人類(lèi)的生存。因此，水環(huán)境工程學(xué)的發(fā)展最為各國(guó)重視，技術(shù)發(fā)展也最為迅速，可以說(shuō)，它帶動(dòng)了其他各項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使各學(xué)科發(fā)展成為一個(gè)科學(xué)整體。在我國(guó)，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，借助何種力量？?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？第1篇教學(xué)內(nèi)容：水的物理化學(xué)處理方法★水的生物化學(xué)處理方法★水的深度處理與回用第1章水質(zhì)與水體自?xún)簦?學(xué)時(shí)）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?xún)?，水處理的基本方法本章教學(xué)要求：了解地球水資源狀況，了解常用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，掌握常用的水質(zhì)指標(biāo)；掌握水體自?xún)舻脑恚私馑h(huán)境容量；掌握水和廢水處理的基本原則和基本方法。本章教學(xué)重點(diǎn)：水污染的分類(lèi)、水質(zhì)指標(biāo)、水體自?xún)簟⑺幚淼幕驹瓌t與方法本章習(xí)題:P611,19,20,221.1水環(huán)境1.1.1地球的水循環(huán)我們生活的地球表面積的大約3/4都是水域，陸地面積僅占1/4左右，分布在歐亞大陸、非洲、北美洲、南美洲、澳洲等主要陸地和無(wú)數(shù)島嶼上。因此，水環(huán)境是我們生存環(huán)境中最重要的組成部分，研究水環(huán)境的意義也就不言而喻了。地球上水的總量為1.386x109km3，這一龐大的數(shù)字說(shuō)明，水是地球及其豐富的自然資源。水能夠以氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)這三種基本形態(tài)存在于自然界之中，形成了地球水圈（Globalhydrosphere），其儲(chǔ)量分布情況如表表1.1地球水圈中的水儲(chǔ)量分布水體水儲(chǔ)量咸水淡水103%103%103%海洋1,338,000.096.53791,338,000.096.5379冰川與永久積雪24,064.11.736224,064.11.7362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)大的一部分，如冰川與永久積雪、埋藏過(guò)深的地下水、沼澤水等很難作為淡水資源供人們?nèi)∮谩＿@樣，我們可能從地球水圈中得到的水資源實(shí)際上不足總水儲(chǔ)量的0.3％。地球水圈中的水并不是靜止不變的，而是處于不斷的運(yùn)動(dòng)之中，存在著明顯的水文循環(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)（Evaporation），同時(shí)從土地和植被表面也會(huì)發(fā)生蒸騰（Transpiration），成為空氣中的水分。濕空氣在高空冷卻凝結(jié)后，又以雨、雪的形式降落下來(lái)，一部分被土壤和植被吸收，一部分在地表形成徑流，最終匯入水體。降落到地表的水（包括土壤吸收的水和匯入水體的水）同時(shí)又通過(guò)滲透對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)充，在地下含水層中形成地下水流。這樣就形成了以蒸發(fā)→降水→徑流→蒸發(fā)為主的水文循環(huán)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中參與循環(huán)的水分都是淡水，海水和其他水體中的鹽分不參與循環(huán)而滯留于水體中。蒸發(fā)蒸發(fā)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)。(1)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。(2)陸地水圖1-2水蒸氣的收支平衡概念圖陸地水包括河流、湖泊、地下水等，通常為與人類(lèi)生活密切相關(guān)的淡水資源，它的循環(huán)往往受一個(gè)流域內(nèi)的降雨情況、匯水面積、地形和地貌等自然條件的制約，圖圖1-2水蒸氣的收支平衡概念圖圖1.3流域內(nèi)的水循環(huán)(3)海水地球上總水量的將近97％是海水，考慮地球半徑為6,371.22km的話，海水沿地球表面的平均水深為1.1.2人類(lèi)聚居區(qū)域的水環(huán)境代謝自古以來(lái)人類(lèi)聚居地都選擇在水資源相對(duì)豐富的流域內(nèi)。上一節(jié)中我們講了流域內(nèi)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)聚居的流域內(nèi)，除了上述的自然水循環(huán)，還存在一個(gè)與人類(lèi)生活和生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)的人為水循環(huán)（Humanrelatedwatercycle）過(guò)程，這兩種循環(huán)過(guò)程密切相關(guān)，可統(tǒng)稱(chēng)為人類(lèi)聚居區(qū)域的水環(huán)境代謝（Watermetabolism）。圖2.4是這種水代謝過(guò)程的示意圖。圖中的水體（Waterbody）泛指流域內(nèi)可供取用的水源，包括地表水（河流、湖泊、水庫(kù)）和地下水。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)討論一下圖1.4所示的水環(huán)境代謝過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)。(1)人為循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)取水（Waterintake）：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（Watertreatment）：對(duì)原水進(jìn)行必要的處理，以滿足各種用水對(duì)水質(zhì)要求的設(shè)施或構(gòu)筑物。生活用水（Domesticwater）：供給居民生活的用水量，它取決于城市人口、每人每日平均生活用水量和城市給水普及率等因素。這些因素隨城市規(guī)模的大小而變化。通常，住房條件較好、給水排水設(shè)備較完善、居民生活水平相對(duì)較高的大城市，生活用水量定額也較高。市政用水有時(shí)也包含在生活用水之中。工業(yè)用水（Industrialwater）：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)在生產(chǎn)過(guò)程中，用于冷卻、空調(diào)、制造、加工、凈化和洗滌方面的用水，也包括工業(yè)企業(yè)內(nèi)工作人員的生活用水。農(nóng)業(yè)用水（Irrigationwater）：供給農(nóng)業(yè)灌溉的用水量，它取決于農(nóng)作物品種、耕作與灌溉方法。排水處理（Wastewatertreatment）：包括城市污水處理（Municipalwastewatertreatment）和工業(yè)廢水處理（Industrialwastewatertreatment），以去除排水中的污染物，減輕排放后對(duì)水體的污染。(2)人為循環(huán)過(guò)程所伴隨的水質(zhì)變化在圖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，這些水又排回了水體。在這個(gè)過(guò)程中，除了用水環(huán)節(jié)中的蒸發(fā)耗散外，水量基本上沒(méi)有大的變化。也就是說(shuō)，人們從水體取用的水量經(jīng)使用后，基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)灌溉用水為例，取用的水多數(shù)情況下無(wú)須任何處理用于灌溉，經(jīng)土壤吸收滲透等一系列過(guò)程，大量的水（除農(nóng)作物吸收和蒸發(fā)散失的水量外）最終以灌溉排水或地下滲流的形式又回到水體。在這一過(guò)程中，大量的土壤鹽分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)溶入水中，成為流入水體的污染物。生活用水和工業(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，因此在排放前必須進(jìn)行排水處理。但是，即使是100％的污水和廢水都進(jìn)行了排水處理，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)，取水和排水兩個(gè)環(huán)節(jié)的污染物量是不平衡的，人為循環(huán)過(guò)程必然帶來(lái)水體水質(zhì)的下降（當(dāng)然水體具有一定的自?xún)裟芰?，這將在1.3節(jié)中進(jìn)行討論）。(3)天然循環(huán)對(duì)水代謝過(guò)程的影響在圖1.4所示的水代謝過(guò)程中，天然循環(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）；徑流過(guò)程也會(huì)將地面的污染物帶入水體；但蒸發(fā)過(guò)程中帶走的只是水分，而將污染物成分留在水體中。從這個(gè)意義上說(shuō)，天然循環(huán)過(guò)程會(huì)對(duì)水體水質(zhì)產(chǎn)生不良影響。但是，在降雨和徑流過(guò)程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)為自然的原因。從水量的角度來(lái)說(shuō)，天然循環(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)當(dāng)流域內(nèi)降雨量和蒸發(fā)量基本保持平衡時(shí)，水體水量（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，可能達(dá)到飽和容量；而當(dāng)蒸發(fā)量大于降雨量時(shí)，水體水量將不斷減少。(4)維持良性水環(huán)境代謝的條件從以上討論可知，維持人類(lèi)聚居區(qū)域良性水環(huán)境代謝的條件一是水量的收支平衡，二是污染物的收支平衡。這里我們用“代謝”這個(gè)詞，是將區(qū)域的水環(huán)境系統(tǒng)與生物體的代謝系統(tǒng)相比擬。例如一個(gè)人體，良好的體內(nèi)代謝是保持健康體質(zhì)的前提。人體從外界攝入水分、食物、氧氣等，通過(guò)各個(gè)器官的加工和轉(zhuǎn)換，向身體各個(gè)部分提供養(yǎng)分和能量，同時(shí)產(chǎn)生廢棄物。如果這些廢棄物不能及時(shí)排出體外，廢棄物中所含的有毒有害物（類(lèi)似于水環(huán)境中的污染物）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)域的水環(huán)境體系也是這樣，只有在良好的代謝條件下，維持體系內(nèi)的水量平衡、污染物總量平衡，才能保證區(qū)域的良好水環(huán)境條件，使人類(lèi)能從水環(huán)境中獲取“量”和“質(zhì)”都能滿足生活要求的水資源。3.2水污染3.2.1污染指標(biāo)(1)有機(jī)污染指標(biāo)有機(jī)物是水中最常見(jiàn)的污染物，它是一類(lèi)不穩(wěn)定的物質(zhì)，隨時(shí)隨地都在向穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化過(guò)程通常是一個(gè)氧化過(guò)程，在微生物的作用下，隨著水中有機(jī)物的氧化分解，水中的溶解氧被消耗，嚴(yán)重的情況下將造成缺氧狀態(tài)，水體不再清澈透明，水中魚(yú)類(lèi)等動(dòng)物難以生存。同時(shí)有機(jī)物將發(fā)生厭氧分解，產(chǎn)生惡臭氣體，水的顏色變黑。根據(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（COD）、溶解氧（DO）作為評(píng)價(jià)有機(jī)污染的指標(biāo)。BOD（Biochemicaloxygendemand）：有機(jī)物在微生物作用下進(jìn)行好氧分解所消耗的氧的量，以此表示水中能被生物氧化的有機(jī)物總量。通常以20oC的條件下進(jìn)行5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（BOD5）。COD（Chemicaloxygendemand）：COD是指對(duì)水樣用強(qiáng)氧化劑進(jìn)行氧化分解，所消耗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，而且所有的還原性無(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。DO（Dissilvedoxygen）：水中的溶解氧量受大氣中氧氣溶入水中的溶氧速度和水中有機(jī)物分解的耗氧速度的影響。一般來(lái)說(shuō)，溶氧量受水溫和氧的分壓的制約，存在一個(gè)飽和值。水中DO濃度與飽和值相差越大，說(shuō)明水中耗氧量越大，水的有機(jī)污染情況越嚴(yán)重。其它指標(biāo)：除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，能更精確地表示有機(jī)物的總量。在254nm波長(zhǎng)下測(cè)得的UV消光度往往受水中中對(duì)紫外光具有吸收性的有機(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。(2)重金屬污染指標(biāo)水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中重金屬污染物共包含6種：硒（Se）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、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膚黑斑和肌肉組織破壞。人體汞中毒后主要發(fā)生“水俁病”，直接影響中樞神經(jīng)，發(fā)生運(yùn)動(dòng)障礙。鎘具有很強(qiáng)的急性毒性和慢性毒性，過(guò)量攝取會(huì)引起急性胃炎，長(zhǎng)期少量攝取后會(huì)在肝臟、腎臟等器官內(nèi)積蓄，并侵入骨骼。人體接觸6價(jià)鉻后，會(huì)刺激皮膚粘膜，引起皮膚炎，另外攝入體內(nèi)后會(huì)引起腸道功能紊亂，發(fā)生尿毒癥等。水中存在的鉛所引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。(3)營(yíng)養(yǎng)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)的營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)。地表水體中（尤其是湖泊、水庫(kù)等封閉水域）營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過(guò)高，會(huì)引起水中藻類(lèi)等低等植物的過(guò)量繁殖，造成水華、赤潮的發(fā)生，引起水環(huán)境惡化，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為富營(yíng)養(yǎng)化（Eutrophication）。富營(yíng)養(yǎng)化帶來(lái)的危害包括：=1\*GB3①發(fā)生水的惡臭，影響水的觀感；=2\*GB3②作為原水使用時(shí)，引起濾池堵塞、產(chǎn)生異臭味；=3\*GB3③造成水中魚(yú)類(lèi)窒息死亡；=4\*GB3④造成水中有機(jī)物含量增高，溶解氧濃度降低，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。通常存在于水中的營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)指氮和磷的鹽類(lèi)。氮類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要包括氨氮（NH4-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）和硝酸鹽氮（NO3-N）。除上述三種氮的無(wú)機(jī)形態(tài)外，還有以有機(jī)形態(tài)存在的氮，稱(chēng)之為有機(jī)氮。磷的存在形態(tài)有無(wú)機(jī)磷（磷酸鹽）和有機(jī)磷。(4)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（聚氯聯(lián)苯，PolycholorinatedBiphenyl）、苯和多環(huán)芳烴PAH（PolyaromaticHydrocarbon）、有機(jī)氯化物、THM（三鹵甲烷，Trihalomethane）等有機(jī)化合物。(5)其它污染物水中的其它污染物還包括致病微生物、感官污染物（如色度、混濁度、泡沫、惡臭等）和酸堿污染物。3.2.2污染源與污染負(fù)荷量對(duì)于河流、湖泊這樣的水體，在流域水循環(huán)和水環(huán)境代謝的過(guò)程中都會(huì)受到不同程度的污染，從水環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，將排入水體的污染物總量控制在環(huán)境可容納的界限（環(huán)境容量）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)荷的分析非常重要。污染源包括點(diǎn)源（Pointsource）和面源（Non-pointsource）兩大類(lèi)。所謂點(diǎn)源，是指集中產(chǎn)生、并有可能集中排入水體的污染源，例如工廠廢水、城鎮(zhèn)生活污水都具有點(diǎn)源的性質(zhì)。所謂面源，是指非集中產(chǎn)生、不可能集中排入水體的污染源，例如人煙稀少的山區(qū)、曠野、農(nóng)村地帶也有自然污染產(chǎn)生，降雨時(shí)污染物會(huì)隨地面徑流進(jìn)入水體，這樣的污染就具有面源的性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，點(diǎn)源是水環(huán)境治理的重點(diǎn)，工業(yè)廢水處理、城鎮(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。污染物產(chǎn)生的單位量稱(chēng)之為污染負(fù)荷量（Pollutantload）。以下就不同污染源說(shuō)明污染負(fù)荷量的計(jì)算原理。(1)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。污染物的發(fā)生與生活方式、氣候條件、飲食結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般應(yīng)通過(guò)實(shí)際調(diào)查或參考條件相近地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。表根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，在集中給水排水且衛(wèi)生設(shè)備健全的情況下，生活污水單位污染負(fù)荷量的大致范圍如表3.2所示。確定了單位污染負(fù)荷量之后，就可以按人口推算出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)荷量污水種類(lèi)排水量（L/人·日）單位污染負(fù)荷（g/人·日）SSCODBODTNTP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(2)工業(yè)廢水的污染負(fù)荷量工業(yè)廢水的污染負(fù)荷量因產(chǎn)業(yè)種類(lèi)和生產(chǎn)過(guò)程而異，其單位污染負(fù)荷量一般可表示為單位產(chǎn)量（或單位產(chǎn)值）的污染物發(fā)生量。根據(jù)國(guó)家的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)廢水必須在工業(yè)企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行廢水處理，達(dá)到排水標(biāo)準(zhǔn)之后在能排出廠外。因此對(duì)工業(yè)廢水的污染負(fù)荷量一般是按實(shí)際排水量和排水水質(zhì)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。SS和COD是計(jì)算工業(yè)廢水污染負(fù)荷量的常用指標(biāo)，此外，根據(jù)工廠排水的性質(zhì)，有時(shí)也計(jì)算總氮、總磷和其它污染物的總量。(3)家畜排水的污染負(fù)荷量飼養(yǎng)場(chǎng)等集中飼養(yǎng)家畜的地方，產(chǎn)生的污染負(fù)荷量也不容忽視。除單位污染負(fù)荷有別外，其計(jì)算原理與生活污水的污染負(fù)荷量計(jì)算是完全相同的。根據(jù)國(guó)外的研究，家畜排水中豬的單位污染負(fù)荷量可高達(dá)BOD200g、COD130g、SS700g、TN40g、TP25g/頭·日，而牛的單位污染負(fù)荷量可高達(dá)BOD640g、COD530g、SS3000g、TN370g、TP50g/頭·日，必須要求按工業(yè)廢水進(jìn)行專(zhuān)門(mén)處理才能外排。(4)其它人為的污染負(fù)荷量屠宰場(chǎng)、醫(yī)院、大型洗染店等排出的污水廢水也是重要的污染源，其污染負(fù)荷量的計(jì)算方法與工業(yè)廢水相類(lèi)似。(5)自然污染負(fù)荷量山區(qū)、林地、農(nóng)田（大型灌溉系統(tǒng)除外）等產(chǎn)生的自然污染負(fù)荷都屬于非點(diǎn)源，一般很難專(zhuān)門(mén)治理，但作為環(huán)境背景值在水環(huán)境容量的計(jì)算中也不能忽視。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，自然污染的單位負(fù)荷量按0.5~1.0kg/日·km2來(lái)計(jì)算比較合適。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)能承受外界干擾的最大能力。對(duì)于一個(gè)區(qū)域的水環(huán)境系統(tǒng)，其水環(huán)境容量是指系統(tǒng)容納污染的最大能力。在圖1-4所示的水環(huán)境代謝系統(tǒng)中，水體處于系統(tǒng)的中心位置，既是人類(lèi)耐以生存的水資源，又是污染物的接受體。1.3水體的自?xún)糇饔?.3.1水體對(duì)污染物的自?xún)暨^(guò)程污染物在進(jìn)入水體后，通過(guò)物理、化學(xué)和生物因素的共同作用，使污染物的濃度降低，曾受污染的水體部分地和完全地恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象稱(chēng)之為水體對(duì)污染物的自?xún)糇饔?。前面所述水體的環(huán)境容量就包含了水體的自?xún)糇饔?。如果排入水體的污染物超過(guò)水體的凈化能力，就會(huì)導(dǎo)致水體的污染。水體自?xún)暨^(guò)程很復(fù)雜，按其作用機(jī)理可分為3類(lèi)：（1）污染物通過(guò)稀釋、擴(kuò)散、混合、沉淀和揮發(fā)等作用，濃度得到降低，屬于物理自?xún)?；?）通過(guò)水體的氧化還原、酸堿中和、分解化合、吸附與凝聚等作用，使污染物的存在形態(tài)發(fā)生變化、濃度降低，屬于化學(xué)或物理化學(xué)自?xún)簦唬?）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?xún)?。圖3.5以河流為例，描述了水體自?xún)糇饔弥信c上述機(jī)理有關(guān)的主要現(xiàn)象。在上述自?xún)暨^(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，好氧性微生物對(duì)有機(jī)物的氧化分解過(guò)程。在這一過(guò)程中，有機(jī)物被分解為無(wú)機(jī)物、二氧化碳和水，其總量得以降低。例如，當(dāng)有機(jī)物的主體為蛋白質(zhì)時(shí)，氧化分解的最終產(chǎn)物為二氧化碳、水和氨氮。圖1.5河流自?xún)糇饔玫闹饕F(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?xún)糇饔茫仨毐３炙凶銐虻娜芙庋趿?，使水體始終處于好氧性環(huán)境狀態(tài)。但是如果排入水體的有機(jī)物過(guò)多，溶解氧消耗量過(guò)大，水體就會(huì)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，出現(xiàn)厭氧性細(xì)菌。厭氧菌利用有機(jī)物內(nèi)部所含的氧進(jìn)行有機(jī)物分解，生成硫化氫、甲烷、碳酸等氣體。即使在水體整體處于好氧狀態(tài)的條件下，底部也會(huì)因局部缺氧而發(fā)生厭氧反應(yīng)。這種厭氧反應(yīng)雖然也是一種自?xún)糇饔?，但所需時(shí)間較長(zhǎng)，且有有害氣體產(chǎn)生，同時(shí)在厭氧條件下魚(yú)類(lèi)難以生存。因此不是一種好的水環(huán)境條件。水體的自?xún)糇饔门c當(dāng)?shù)氐乃牡乩項(xiàng)l件密切相關(guān)。對(duì)于河流來(lái)說(shuō)，相對(duì)穩(wěn)定的水流有利于微生物的生存，能較好地發(fā)揮生物自?xún)糇饔?。而坡度大、流程短的河流往往是物理稀釋等起主要作用?.3.2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，在一定條件下，水中溶氧飽和濃度是一定值。在大氣和水的界面附近，水中溶解氧被消耗時(shí)，大氣就會(huì)向水中補(bǔ)充氧氣，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。 (1-8)式中，O：溶解氧濃度；Os：溶解氧飽和濃度；K2：復(fù)氧系數(shù)。設(shè)D=Os－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： (1-9)復(fù)氧系數(shù)K2的值與水的紊流狀態(tài)有關(guān)，河流的K2多在0.2~10（1/日）之間，水流越急K2值一般越大。復(fù)氧過(guò)程對(duì)水體自?xún)羝鹬匾饔谩?.3.3Streeter-Phelps方程水體中有機(jī)物在消耗溶解氧的條件下得到氧化分解，其速度與有機(jī)物量成比例，符合下列1級(jí)反應(yīng)方程。 (1-10)式中，L：有機(jī)物濃度（BOD）；K1：耗氧系數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行積分，可得到BOD隨時(shí)間變化的關(guān)系式： (1-11)這里，L：t天后的BOD；L0：t=0時(shí)的BOD。BOD本身就是以需氧量表示的有機(jī)物量，將式（1-10）改寫(xiě)為虧氧量D的形式，可得到： (1-12)式（1-9）所示的復(fù)氧過(guò)程與式（1-12）所示的耗氧過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，將二式合并，可得到式（1-13），稱(chēng)之為Streeter-Phelps方程： (1-13)運(yùn)用式（1-13）可以進(jìn)行污染物排放入河流后，水中溶解氧變化過(guò)程的解析。這時(shí)，耗氧系數(shù)K1和復(fù)氧系數(shù)K2的確定非常重要，通常需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室和河流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。實(shí)際上，河流中由于生物自?xún)糇饔脤?duì)有機(jī)物的去除效果和由于沉淀等物理作用對(duì)有機(jī)物的去除效果很難明確區(qū)別，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)代替式（1-13）中的耗氧系數(shù)K1： (1-14)式中，Kd：河流的BOD去除系數(shù)（通常實(shí)測(cè)得到）；K3：沉淀等物理作用下的BOD去除系數(shù)。另外，除純水條件下氣液界面的復(fù)氧作用外，污染河水中好氧微生物的大量存在也會(huì)使復(fù)氧系數(shù)增大。因此可用一個(gè)綜合復(fù)氧系數(shù)Kr來(lái)代替K2。這時(shí)式（1-13）變?yōu)椋? (1-15)1.3.4氧垂曲線圖1.5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)行時(shí)，河水的虧氧量的變化模式圖。如圖所示，當(dāng)有機(jī)物排入后，初期氧化分解反應(yīng)的耗氧速度大于復(fù)氧速度，DO濃度急劇下降，在時(shí)刻tc，DO濃度達(dá)到最小值，虧氧量達(dá)到最大值Dc。隨著有機(jī)物的氧化分解去除，耗氧速度變慢，DO濃度逐漸恢復(fù)，最終達(dá)到飽和濃度。圖1.6所示的曲線稱(chēng)之為氧垂曲線（DOsagcurve）。將式（1-11）代入式（1-13）并積分解出D，可得到： (1-16)式（1-16）則為氧垂曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，式中，D0：t＝0時(shí)的虧氧量。氧垂曲線的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的虧氧量Dc和到達(dá)該點(diǎn)的時(shí)間tc非常重要。該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DO濃度的大小表征著河流自?xún)糇饔媚芊癖３衷诹己玫暮醚鯛顟B(tài)下，該濃度值一般不應(yīng)低于4mg/L。設(shè)dD/dt＝0，由式（3-16）可求出Dc和tc如下： (1-17) (1-18)氧垂曲線兩式中，比值K2/K1顯然很重要，被稱(chēng)之為自?xún)粝禂?shù)F。湖泊的自?xún)粝禂?shù)一般為0.5~1.5，流動(dòng)緩慢的河流F值多在1.5~2.0之間，急流河道的F值可達(dá)到3.0~5.0，瀑布的F值則在5.0以上。流速越大，自?xún)粝禂?shù)越大。引入F值后，式（3-17）和式（3-18）可分別改寫(xiě)為： (1-19) (1-20)1.4水處理方法的分類(lèi)1.4.1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：天然污染物（Naturalpollutants），來(lái)源于天然降水、降塵等過(guò)程；生活污染物（Domesticpollutants），來(lái)源于生活排水；工業(yè)污染物（Industrialpollutants），來(lái)源于工業(yè)排水；農(nóng)業(yè)污染物（Agriculturalpollutants），來(lái)源于農(nóng)田灌溉排水；畜產(chǎn)污染物（Livestockpollutants），來(lái)源于畜產(chǎn)或家禽養(yǎng)殖排水。此外，水產(chǎn)養(yǎng)殖、航運(yùn)、水上娛樂(lè)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。這種分類(lèi)是按照污染源的分類(lèi)，不便于區(qū)分污染物的性質(zhì)，也不便于研究污染物的處理方法。因此，一般對(duì)污染物的分類(lèi)是按照其物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)進(jìn)行的。根據(jù)污染物的物理性質(zhì)，一種最直接的方法是按照污染物的尺度來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，從而可得到圖4.1所示的污染物尺度分布。如圖所示，尺度在微米（μm）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)；而尺度在10nm以下的污染物可認(rèn)為屬于溶解物的范疇。懸浮物、膠體和溶解物的尺度有一定重疊，這是因?yàn)榉诸?lèi)的尺度界限并不是唯一的，例如尺度在1nm至10nm之間的污染物既可以看作處于膠體下限尺度的物質(zhì)，也可以看作是處于溶解物上限尺度（或分子量）的物質(zhì)。這樣按尺度范圍的分類(lèi)沒(méi)有涉及污染物的化學(xué)性質(zhì)，例如同屬于膠體范疇的污染物既包括粘土顆粒這樣的污泥物，又包括腐殖質(zhì)這樣的有機(jī)物，還包括細(xì)菌等微生物。然而，污染物的尺度在很大程度上決定了其處理性，這樣的分類(lèi)方法對(duì)選擇水處理方法具有重要參考價(jià)值。圖4.1污染物尺度分布根據(jù)污染物的化學(xué)性質(zhì)，又可將其分為無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩大類(lèi)。然而，這樣的分類(lèi)很難和其處理性直接掛鉤，例如屬于無(wú)機(jī)物的砂粒、粘土等顯然與同屬于無(wú)機(jī)物的溶解鹽類(lèi)具有完全不同的處理性。對(duì)于有機(jī)物，又可根據(jù)其生化降解性分為生化可降解有機(jī)物和生化難降解有機(jī)物，兩類(lèi)污染物很難用同樣的方法處理去除。為了合理地選擇污染物的去除方法，有時(shí)也需要將上述幾種分類(lèi)方法結(jié)合起來(lái)考慮。以下將介紹幾類(lèi)污染物的一般去除方法。1.4.2懸浮污染物的去除方法對(duì)于懸浮污染物，不論是無(wú)機(jī)物還是有機(jī)物，由于均具有較大的尺度或粒徑，一般都可以利用重力的作用將其與水分離。對(duì)于密度大于水的懸浮污染物可采用沉淀（Sedimentation）的方法，對(duì)于密度小于水的懸浮污染物則可采用氣?。‵loatation）的方法。同時(shí)過(guò)濾（Filtration）也是去除懸浮污染物的主要方法，包括粒狀介質(zhì)過(guò)濾和分離界限為10-1μm尺度的膜過(guò)濾，即微濾（Micro-filtration）。1.4.3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，均可采用凝聚和絮凝（Coagulationandflocculation）的方法使其脫穩(wěn)并相互結(jié)合成長(zhǎng)為較為粗大的絮狀體，然后通過(guò)沉淀、氣浮和過(guò)濾的方法加以去除。利用膜過(guò)濾，即分離界限為10-2μm尺度的超濾（Ultra-filtration）或分離界限為nm尺度的納濾（Nano-filtration），則可直接去除水中的膠體污染物。1.4.4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，通常是利用微生物的作用進(jìn)行生物化學(xué)降解，以活性污泥法（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，需要考慮采用化學(xué)氧化（Chemicaloxidation）、活性炭吸附（Activatedcarbonadsorption），或二者相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行去除。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。1.4.5溶解性無(wú)機(jī)物的去除方法屬于溶解性無(wú)機(jī)物的污染物很多，包括分子態(tài)無(wú)機(jī)物、離子態(tài)無(wú)機(jī)物、鹽類(lèi)、重金屬離子等。去除這些污染物的常用方法有：（1）化學(xué)沉淀（Chemicalprecipitation）主要針對(duì)能與某些化學(xué)藥劑發(fā)生反應(yīng)，生成沉淀物（難溶固體）的金屬離子，利用化學(xué)反應(yīng)加沉淀分離的方法對(duì)其進(jìn)行去除。氫氧化物、硫化物等都是常用的化學(xué)沉淀劑。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。（2）離子交換（Ionexchange）利用不溶性離子化合物上的可交換離子（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應(yīng)，去除水中的離子態(tài)無(wú)機(jī)污染物。（3）電滲析（Electrodialysis）在直流電場(chǎng)的作用下，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性，使溶液中的溶質(zhì)與水分離。電滲析屬于膜處理方法的一種，主要用于水的除鹽。（4）反滲透（Reverseosmosis）利用半透膜只能允許水分子通過(guò)，而不能允許溶質(zhì)通過(guò)的性質(zhì)，在溶液一方施加高壓，使溶液中的水分子透過(guò)半透膜，從而實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)與水的分離。反滲透也是膜處理方法的一種，同樣主要用于水的除鹽。1.4.6給水處理系統(tǒng)1.4.6.1常規(guī)給水處理系統(tǒng)以地表水為水源的給水處理通常采用快濾處理系統(tǒng)，處理的對(duì)象主要是水中的濁度和細(xì)菌病毒等微生物，其系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示。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：混合池（Mixingbasin）：運(yùn)用水力或機(jī)械攪拌條件使投加到水中的混凝劑均勻混合，水中以粘土為代表的膠體顆粒充分脫穩(wěn)。絮凝池（Flocculationbasin）：通過(guò)水力或機(jī)械攪拌提供脫穩(wěn)膠體顆粒間碰撞結(jié)合的能量，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（Coagulation）。沉淀池（Sedimentationbasin）：提供平穩(wěn)的水流，使水中粗大絮凝體在重力所用下沉于池底，得以分離。澄清池（Clarifier）：在一個(gè)構(gòu)筑物中完成絮凝和沉淀兩個(gè)過(guò)程的處理單元，可利用池中高濃度粗大絮凝體懸浮層促進(jìn)顆粒絮凝和沉淀分離。該方法又稱(chēng)之為接觸絮凝法（Contactflocculation）。直接過(guò)濾（Directfiltration）：混凝（混合+絮凝）后的原水不經(jīng)沉淀而直接進(jìn)入快濾池的處理工藝，一般適用于原水濁度較低的情況。接觸過(guò)濾（Contactfiltration）：原水加藥混合后直接進(jìn)入快濾池，利用脫穩(wěn)顆粒和濾料顆粒之間的接觸絮凝作用進(jìn)行過(guò)濾處理的工藝，也適用于原水濁度較低的情況。清水池（Filteredwaterreservoir）：貯存濾后水的構(gòu)筑物，一般在進(jìn)入清水池之前進(jìn)行加氯，并利用清水池的容量提供足夠的消毒接觸時(shí)間。對(duì)于輕度污染的原水，如達(dá)到國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量II類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的原水，通過(guò)上述常規(guī)快濾處理即可滿足飲用水的水質(zhì)要求。1.4.6.2預(yù)處理和深度給水處理所述的常規(guī)給水處理系統(tǒng)主要去除水中濁度和微生物，對(duì)于水中色度和有機(jī)物雖也有一定的去效果，但去除率較低。因此對(duì)于有機(jī)污染比較嚴(yán)重的原水，必須考慮增加其它處理單元，以提高這些雜質(zhì)的去除率，滿足飲用水的水質(zhì)要求。這些附加的處理若置于常規(guī)處理流程之前，即稱(chēng)之為預(yù)處理（Pre-treatment）；置于常規(guī)處理之后則稱(chēng)之為深度給水處理（Advancedwatertreatment）。預(yù)處理方法主要包括，=1\*GB3①粉末活性炭吸附法：通常將粉末活性炭投加到原水中，吸附水中的有機(jī)物，然后通過(guò)后續(xù)的混凝沉淀加以去除；=2\*GB3②化學(xué)預(yù)氧化法：用氯、臭氧、高錳酸鉀等作為氧化劑，投加在原水中，以氧化水中的有機(jī)物或改變有機(jī)物的性質(zhì)，使之在后續(xù)工藝中得到有效去除；=3\*GB3③生物預(yù)氧化法：對(duì)原水進(jìn)行曝氣或其它生物處理，去除水中氨氮和生物可降解有機(jī)物。上述各種預(yù)處理法處理去除水中有機(jī)污染物外，也具有除味、除臭和除色作用。深度處理的主要方法包括，=1\*GB3①粒狀活性炭吸附法：以粒狀活性炭作為濾料，常規(guī)處理后的水通過(guò)濾池過(guò)濾，水中殘余有機(jī)物得到吸附去除；=2\*GB3②臭氧-活性炭處理法：水通過(guò)臭氧氧化后，再通過(guò)粒狀活性炭濾池進(jìn)行吸附處理，由于臭氧能大幅度提高有機(jī)物的生化降解性，后續(xù)活性炭濾池中極易形成生物膜，這種情況下粒狀活性炭主要成為生物載體，稱(chēng)之為生物活性炭；=3\*GB3③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)用光催化、超聲波、紫外線等與化學(xué)氧化組合進(jìn)行水的氧化處理，去除水中有機(jī)污染物；=4\*GB3④膜處理法：運(yùn)用微濾、超濾、納濾、反滲透等膜技術(shù)，可有效去除水中各種雜質(zhì)，膜處理既是深度處理技術(shù)，由可單獨(dú)形成處理系統(tǒng)，代替水的常規(guī)處理和其它深度處理流程。1.4.7城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)1.4.7.1污水處理系統(tǒng)下圖是城鎮(zhèn)污水處理中得到廣泛應(yīng)用的典型流程，處理對(duì)象是污水中的懸浮物（SS）和有機(jī)物（BOD或COD）。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)（Screeningdevice）：去除污水進(jìn)水中的粗大懸浮物和漂浮物。沉砂池（Sandchamber）：類(lèi)似于沉淀池，但通常容積較小，用于去除水中粒徑大、比重大的粗大顆粒。一沉池（Primarysedimentationbasin）：沉淀處理單元，通過(guò)重力沉降去除水中懸浮性無(wú)機(jī)物和部分有機(jī)物，以降低后續(xù)曝氣池的SS負(fù)荷。一級(jí)處理（Primarytreatment）：到一沉池為止的處理流程稱(chēng)之為污水一級(jí)處理流程，通過(guò)物理處理達(dá)到懸浮物和有機(jī)物的部分去除。曝氣池（Aerationtank）：向污水中注入空氣進(jìn)行曝氣，提供生化反應(yīng)所需的氧氣，曝氣池是活性污泥處理系統(tǒng)的生物反應(yīng)器。二沉池（Secondarysedimentationbasin）：對(duì)來(lái)自曝氣池的活性污泥混合液進(jìn)行沉淀處理，處理水經(jīng)消毒后排放，沉淀污泥一部分回到曝氣池始端，提供生化反應(yīng)所需的生物絮體，以保證曝氣池中有足夠的生物量；另一部分作為剩余污泥排出。二級(jí)處理（Secondarytreatment）：由曝氣池、二沉池和污泥回流設(shè)備構(gòu)成處理系統(tǒng)中的二級(jí)處理部分，即污水的生物處理部分。由一級(jí)處理和二級(jí)處理構(gòu)成了典型的城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)。1.4.7.2污水深度處理和回用二級(jí)處理的后續(xù)處理稱(chēng)之為污水的深度處理或三級(jí)處理（Tertiarytreatment）。污水深度處理方法與給水處理方法基本相同?；炷?沉淀-過(guò)濾是最常用