【環(huán)境課件】第一章 水質(zhì)與水體自凈

第1頁 水質(zhì)凈化與水污染控制工程引言目前，水污染是環(huán)境污染問題中最為迫在眉睫的嚴重事件，直接威脅到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至人類的生存。因此，水環(huán)境工程學的發(fā)展最為各國重視，技術(shù)發(fā)展也最為迅速，可以說，它帶動了其他各項技術(shù)的迅猛發(fā)展，使各學科發(fā)展成為一個科學整體。在我國，環(huán)境專業(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內(nèi)容。問題的引入水質(zhì)如何凈化，借助何種力量？凈化到何種程度？水污染治理的技術(shù)是否有針對性？可有萬能的水處理技術(shù)？水處理技術(shù)有哪幾種？第1篇教學內(nèi)容：水的物理化學處理方法★水的生物化學處理方法★水的深度處理與回用第1章水質(zhì)與水體自凈（2學時）本章教學內(nèi)容：水循環(huán)與水污染，水質(zhì)指標，廢水的成分與性質(zhì)，水體自凈，水處理的基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(zhì)標準，掌握常用的水質(zhì)指標；掌握水體自凈的原理，了解水環(huán)境容量；掌握水和廢水處理的基本原則和基本方法。本章教學重點：水污染的分類、水質(zhì)指標、水體自凈、水處理的基本原則與方法本章習題: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），其儲量分布情況如表表1.1地球水圈中的水儲量分布水體水儲量咸水淡水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％，其中相當大的一部分，如冰川與永久積雪、埋藏過深的地下水、沼澤水等很難作為淡水資源供人們?nèi)∮?。這樣，我們可能從地球水圈中得到的水資源實際上不足總水儲量的0.3％。地球水圈中的水并不是靜止不變的，而是處于不斷的運動之中，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)（Evaporation），同時從土地和植被表面也會發(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，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）同時又通過滲透對地下水進行補充，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)過程。在這個過程中參與循環(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)過程中，主要涉及到的水體包括大氣水、陸地水、海水這三大類。(1)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。(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，通常為與人類生活密切相關的淡水資源，它的循環(huán)往往受一個流域內(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人類聚居區(qū)域的水環(huán)境代謝自古以來人類聚居地都選擇在水資源相對豐富的流域內(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）的過程。然而，在人類聚居的流域內(nèi)，除了上述的自然水循環(huán)，還存在一個與人類生活和生產(chǎn)活動有關的人為水循環(huán)（Humanrelatedwatercycle）過程，這兩種循環(huán)過程密切相關，可統(tǒng)稱為人類聚居區(qū)域的水環(huán)境代謝（Watermetabolism）。圖2.4是這種水代謝過程的示意圖。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）和地下水。圖1.4人類聚居區(qū)域水環(huán)境代謝示意圖下面我們來討論一下圖1.4所示的水環(huán)境代謝過程的各個環(huán)節(jié)。(1)人為循環(huán)的各個環(huán)節(jié)取水（Waterintake）：從水體取得原水，以供給各種用水的設施或構(gòu)筑物。給水處理（Watertreatment）：對原水進行必要的處理，以滿足各種用水對水質(zhì)要求的設施或構(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、給水排水設備較完善、居民生活水平相對較高的大城市，生活用水量定額也較高。市政用水有時也包含在生活用水之中。工業(yè)用水（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，減輕排放后對水體的污染。(2)人為循環(huán)過程所伴隨的水質(zhì)變化在圖1.4所示的人為循環(huán)過程中，人們從水體取水，經(jīng)過各個用水環(huán)節(jié)后，這些水又排回了水體。在這個過程中，除了用水環(huán)節(jié)中的蒸發(fā)耗散外，水量基本上沒有大的變化。也就是說，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)成了一個循環(huán)。但是，這一循環(huán)過程中水質(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)情況下無須任何處理用于灌溉，經(jīng)土壤吸收滲透等一系列過程，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。在這一過程中，大量的土壤鹽分和營養(yǎng)物質(zhì)會溶入水中，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，因此在排放前必須進行排水處理。但是，即使是100％的污水和廢水都進行了排水處理，處理水的污染物濃度通常也大大高于原水濃度。因此，從水體的角度來說，取水和排水兩個環(huán)節(jié)的污染物量是不平衡的，人為循環(huán)過程必然帶來水體水質(zhì)的下降（當然水體具有一定的自凈能力，這將在1.3節(jié)中進行討論）。(3)天然循環(huán)對水代謝過程的影響在圖1.4所示的水代謝過程中，天然循環(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）；徑流過程也會將地面的污染物帶入水體；但蒸發(fā)過程中帶走的只是水分，而將污染物成分留在水體中。從這個意義上說，天然循環(huán)過程會對水體水質(zhì)產(chǎn)生不良影響。但是，在降雨和徑流過程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(jié)為自然的原因。從水量的角度來說，天然循環(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)當流域內(nèi)降雨量和蒸發(fā)量基本保持平衡時，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，水體水量始終得到充分補充，可能達到飽和容量；而當蒸發(fā)量大于降雨量時，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，通過各個器官的加工和轉(zhuǎn)換，向身體各個部分提供養(yǎng)分和能量，同時產(chǎn)生廢棄物。如果這些廢棄物不能及時排出體外，廢棄物中所含的有毒有害物（類似于水環(huán)境中的污染物）就會在體內(nèi)積蓄，最終導致人體的衰竭。人類聚居區(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(1)有機污染指標有機物是水中最常見的污染物，它是一類不穩(wěn)定的物質(zhì)，隨時隨地都在向穩(wěn)定的無機物轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化過程通常是一個氧化過程，在微生物的作用下，隨著水中有機物的氧化分解，水中的溶解氧被消耗，嚴重的情況下將造成缺氧狀態(tài)，水體不再清澈透明，水中魚類等動物難以生存。同時有機物將發(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（COD）、溶解氧（DO）作為評價有機污染的指標。BOD（Biochemicaloxygendemand）：有機物在微生物作用下進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物總量。通常以20oC的條件下進行5日生物氧化的耗氧量作為代表值，稱之為五日生化需氧量（BOD5）。COD（Chemicaloxygendemand）：COD是指對水樣用強氧化劑進行氧化分解，所消耗的氧化劑換算成氧的量。在氧化分解的過程中，不僅是水樣中的有機物，而且所有的還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。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物分解的耗氧速度的影響。一般來說，溶氧量受水溫和氧的分壓的制約，存在一個飽和值。水中DO濃度與飽和值相差越大，說明水中耗氧量越大，水的有機污染情況越嚴重。其它指標：除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，能更精確地表示有機物的總量。在254nm波長下測得的UV消光度往往受水中中對紫外光具有吸收性的有機物（具有非飽和構(gòu)造的官能團）的影響，也能表示水中有機物。(2)重金屬污染指標水環(huán)境標準中重金屬污染物共包含6種：硒（Se）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）。硒元素長期攝取會引起貧血、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)生運動障礙。鎘具有很強的急性毒性和慢性毒性，過量攝取會引起急性胃炎，長期少量攝取后會在肝臟、腎臟等器官內(nèi)積蓄，并侵入骨骼。人體接觸6價鉻后，會刺激皮膚粘膜，引起皮膚炎，另外攝入體內(nèi)后會引起腸道功能紊亂，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)營養(yǎng)鹽類污染指標氮和磷是農(nóng)業(yè)肥料的元素，屬于植物生長的營養(yǎng)鹽類。地表水體中（尤其是湖泊、水庫等封閉水域）營養(yǎng)鹽濃度過高，會引起水中藻類等低等植物的過量繁殖，造成水華、赤潮的發(fā)生，引起水環(huán)境惡化，這種現(xiàn)象稱之為富營養(yǎng)化（Eutrophication）。富營養(yǎng)化帶來的危害包括：=1\*GB3①發(fā)生水的惡臭，影響水的觀感；=2\*GB3②作為原水使用時，引起濾池堵塞、產(chǎn)生異臭味；=3\*GB3③造成水中魚類窒息死亡；=4\*GB3④造成水中有機物含量增高，溶解氧濃度降低，同時未分解的有機物在水體底部積蓄，發(fā)生厭氧分解。通常存在于水中的營養(yǎng)鹽類指氮和磷的鹽類。氮類營養(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）。除上述三種氮的無機形態(tài)外，還有以有機形態(tài)存在的氮，稱之為有機氮。磷的存在形態(tài)有無機磷（磷酸鹽）和有機磷。(4)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（聚氯聯(lián)苯，PolycholorinatedBiphenyl）、苯和多環(huán)芳烴PAH（PolyaromaticHydrocarbon）、有機氯化物、THM（三鹵甲烷，Trihalomethane）等有機化合物。(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污染源與污染負荷量對于河流、湖泊這樣的水體，在流域水循環(huán)和水環(huán)境代謝的過程中都會受到不同程度的污染，從水環(huán)境保護的角度出發(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荷的分析非常重要。污染源包括點源（Pointsource）和面源（Non-pointsource）兩大類。所謂點源，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，降雨時污染物會隨地面徑流進入水體，這樣的污染就具有面源的性質(zhì)。一般來說，點源是水環(huán)境治理的重點，工業(yè)廢水處理、城鎮(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。污染物產(chǎn)生的單位量稱之為污染負荷量（Pollutantload）。以下就不同污染源說明污染負荷量的計算原理。(1)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。污染物的發(fā)生與生活方式、氣候條件、飲食結(jié)構(gòu)有關，一般應通過實際調(diào)查或參考條件相近地區(qū)的經(jīng)驗來確定。表根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗，在集中給水排水且衛(wèi)生設備健全的情況下，生活污水單位污染負荷量的大致范圍如表3.2所示。確定了單位污染負荷量之后，就可以按人口推算出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污水種類排水量（L/人·日）單位污染負荷（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)廢水的污染負荷量工業(yè)廢水的污染負荷量因產(chǎn)業(yè)種類和生產(chǎn)過程而異，其單位污染負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)國家的環(huán)境標準，工業(yè)廢水必須在工業(yè)企業(yè)內(nèi)部進行廢水處理，達到排水標準之后在能排出廠外。因此對工業(yè)廢水的污染負荷量一般是按實際排水量和排水水質(zhì)來進行計算。SS和COD是計算工業(yè)廢水污染負荷量的常用指標，此外，根據(jù)工廠排水的性質(zhì)，有時也計算總氮、總磷和其它污染物的總量。(3)家畜排水的污染負荷量飼養(yǎng)場等集中飼養(yǎng)家畜的地方，產(chǎn)生的污染負荷量也不容忽視。除單位污染負荷有別外，其計算原理與生活污水的污染負荷量計算是完全相同的。根據(jù)國外的研究，家畜排水中豬的單位污染負荷量可高達BOD200g、COD130g、SS700g、TN40g、TP25g/頭·日，而牛的單位污染負荷量可高達BOD640g、COD530g、SS3000g、TN370g、TP50g/頭·日，必須要求按工業(yè)廢水進行專門處理才能外排。(4)其它人為的污染負荷量屠宰場、醫(yī)院、大型洗染店等排出的污水廢水也是重要的污染源，其污染負荷量的計算方法與工業(yè)廢水相類似。(5)自然污染負荷量山區(qū)、林地、農(nóng)田（大型灌溉系統(tǒng)除外）等產(chǎn)生的自然污染負荷都屬于非點源，一般很難專門治理，但作為環(huán)境背景值在水環(huán)境容量的計算中也不能忽視。根據(jù)國外的經(jīng)驗，自然污染的單位負荷量按0.5~1.0kg/日·km2來計算比較合適。1.2.3水環(huán)境容量環(huán)境容量（Environmentalcapacity）或環(huán)境承載力是指一個環(huán)境系統(tǒng)能承受外界干擾的最大能力。對于一個區(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，既是人類耐以生存的水資源，又是污染物的接受體。1.3水體的自凈作用1.3.1水體對污染物的自凈過程污染物在進入水體后，通過物理、化學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原狀。這種現(xiàn)象稱之為水體對污染物的自凈作用。前面所述水體的環(huán)境容量就包含了水體的自凈作用。如果排入水體的污染物超過水體的凈化能力，就會導致水體的污染。水體自凈過程很復雜，按其作用機理可分為3類：（1）污染物通過稀釋、擴散、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(xiàn)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，好氧性微生物對有機物的氧化分解過程。在這一過程中，有機物被分解為無機物、二氧化碳和水，其總量得以降低。例如，當有機物的主體為蛋白質(zhì)時，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，必須保持水中足夠的溶解氧量，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物過多，溶解氧消耗量過大，水體就會變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，出現(xiàn)厭氧性細菌。厭氧菌利用有機物內(nèi)部所含的氧進行有機物分解，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，底部也會因局部缺氧而發(fā)生厭氧反應。這種厭氧反應雖然也是一種自凈作用，但所需時間較長，且有有害氣體產(chǎn)生，同時在厭氧條件下魚類難以生存。因此不是一種好的水環(huán)境條件。水體的自凈作用與當?shù)氐乃牡乩項l件密切相關。對于河流來說，相對穩(wěn)定的水流有利于微生物的生存，能較好地發(fā)揮生物自凈作用。而坡度大、流程短的河流往往是物理稀釋等起主要作用。1.3.2復氧過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，大氣就會向水中補充氧氣，這一現(xiàn)象稱之為復氧（Re-aeration）。復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：復氧系數(shù)。設D=Os－O為虧氧量（溶解氧濃度與飽和濃度的差值），則上式可改寫為： (1-9)復氧系數(shù)K2的值與水的紊流狀態(tài)有關，河流的K2多在0.2~10（1/日）之間，水流越急K2值一般越大。復氧過程對水體自凈起重要作用。1.3.3Streeter-Phelps方程水體中有機物在消耗溶解氧的條件下得到氧化分解，其速度與有機物量成比例，符合下列1級反應方程。 (1-10)式中，L：有機物濃度（BOD）；K1：耗氧系數(shù)。對上式進行積分，可得到BOD隨時間變化的關系式： (1-11)這里，L：t天后的BOD；L0：t=0時的BOD。BOD本身就是以需氧量表示的有機物量，將式（1-10）改寫為虧氧量D的形式，可得到： (1-12)式（1-9）所示的復氧過程與式（1-12）所示的耗氧過程是同時進行的，將二式合并，可得到式（1-13），稱之為Streeter-Phelps方程： (1-13)運用式（1-13）可以進行污染物排放入河流后，水中溶解氧變化過程的解析。這時，耗氧系數(shù)K1和復氧系數(shù)K2的確定非常重要，通常需要進行實驗室和河流現(xiàn)場測試。實際上，河流中由于生物自凈作用對有機物的去除效果和由于沉淀等物理作用對有機物的去除效果很難明確區(qū)別，因此可定義一個包含沉淀等作用的BOD去除系數(shù)Kd來代替式（1-13）中的耗氧系數(shù)K1： (1-14)式中，Kd：河流的BOD去除系數(shù)（通常實測得到）；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氧作用外，污染河水中好氧微生物的大量存在也會使復氧系數(shù)增大。因此可用一個綜合復氧系數(shù)Kr來代替K2。這時式（1-13）變?yōu)椋? (1-15)1.3.4氧垂曲線圖1.5為式（1-13）所示的有機物氧化分解和復氧過程同時進行時，河水的虧氧量的變化模式圖。如圖所示，當有機物排入后，初期氧化分解反應的耗氧速度大于復氧速度，DO濃度急劇下降，在時刻tc，DO濃度達到最小值，虧氧量達到最大值Dc。隨著有機物的氧化分解去除，耗氧速度變慢，DO濃度逐漸恢復，最終達到飽和濃度。圖1.6所示的曲線稱之為氧垂曲線（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)學表達式，式中，D0：t＝0時的虧氧量。氧垂曲線的最低點對應的虧氧量Dc和到達該點的時間tc非常重要。該點對應的DO濃度的大小表征著河流自凈作用能否保持在良好的好氧狀態(tài)下，該濃度值一般不應低于4mg/L。設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，被稱之為自凈系數(shù)F。湖泊的自凈系數(shù)一般為0.5~1.5，流動緩慢的河流F值多在1.5~2.0之間，急流河道的F值可達到3.0~5.0，瀑布的F值則在5.0以上。流速越大，自凈系數(shù)越大。引入F值后，式（3-17）和式（3-18）可分別改寫為： (1-19) (1-20)1.4水處理方法的分類1.4.1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：天然污染物（Naturalpollutants），來源于天然降水、降塵等過程；生活污染物（Domesticpollutants），來源于生活排水；工業(yè)污染物（Industrialpollutants），來源于工業(yè)排水；農(nóng)業(yè)污染物（Agriculturalpollutants），來源于農(nóng)田灌溉排水；畜產(chǎn)污染物（Livestockpollutants），來源于畜產(chǎn)或家禽養(yǎng)殖排水。此外，水產(chǎn)養(yǎng)殖、航運、水上娛樂運動等也都會引起水中污染物的增加，這里不再一一贅述。這種分類是按照污染源的分類，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，一般對污染物的分類是按照其物理化學性質(zhì)來進行的。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進行分類，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，這是因為分類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沒有涉及污染物的化學性質(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)這樣的有機物，還包括細菌等微生物。然而，污染物的尺度在很大程度上決定了其處理性，這樣的分類方法對選擇水處理方法具有重要參考價值。圖4.1污染物尺度分布根據(jù)污染物的化學性質(zhì)，又可將其分為無機物和有機物兩大類。然而，這樣的分類很難和其處理性直接掛鉤，例如屬于無機物的砂粒、粘土等顯然與同屬于無機物的溶解鹽類具有完全不同的處理性。對于有機物，又可根據(jù)其生化降解性分為生化可降解有機物和生化難降解有機物，兩類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，有時也需要將上述幾種分類方法結(jié)合起來考慮。以下將介紹幾類污染物的一般去除方法。1.4.2懸浮污染物的去除方法對于懸浮污染物，不論是無機物還是有機物，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。對于密度大于水的懸浮污染物可采用沉淀（Sedimentation）的方法，對于密度小于水的懸浮污染物則可采用氣?。‵loatation）的方法。同時過濾（Filtration）也是去除懸浮污染物的主要方法，包括粒狀介質(zhì)過濾和分離界限為10-1μm尺度的膜過濾，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，包括無機物和有機物，均可采用凝聚和絮凝（Coagulationandflocculation）的方法使其脫穩(wěn)并相互結(jié)合成長為較為粗大的絮狀體，然后通過沉淀、氣浮和過濾的方法加以去除。利用膜過濾，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，通常是利用微生物的作用進行生物化學降解，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。而對于后者，由于生化處理法很難奏效，需要考慮采用化學氧化（Chemicaloxidation）、活性炭吸附（Activatedcarbonadsorption），或二者相結(jié)合的方法對其進行去除。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。1.4.5溶解性無機物的去除方法屬于溶解性無機物的污染物很多，包括分子態(tài)無機物、離子態(tài)無機物、鹽類、重金屬離子等。去除這些污染物的常用方法有：（1）化學沉淀（Chemicalprecipitation）主要針對能與某些化學藥劑發(fā)生反應，生成沉淀物（難溶固體）的金屬離子，利用化學反應加沉淀分離的方法對其進行去除。氫氧化物、硫化物等都是常用的化學沉淀劑。此外，對于水中的磷，則可用投加金屬鹽的方法來產(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（陽離子或陰離子）與溶液中的其它同性離子之間的交換反應，去除水中的離子態(tài)無機污染物。（3）電滲析（Electrodialysis）在直流電場的作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性，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，而不能允許溶質(zhì)通過的性質(zhì)，在溶液一方施加高壓，使溶液中的水分子透過半透膜，從而實現(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)，處理的對象主要是水中的濁度和細菌病毒等微生物，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)的作用可簡要歸納如下：混合池（Mixingbasin）：運用水力或機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）：通過水力或機械攪拌提供脫穩(wěn)膠體顆粒間碰撞結(jié)合的能量，形成可沉淀或過濾去除的絮凝體（Flocs）?；旌虾托跄^程又統(tǒng)稱為混凝（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）：在一個構(gòu)筑物中完成絮凝和沉淀兩個過程的處理單元，可利用池中高濃度粗大絮凝體懸浮層促進顆粒絮凝和沉淀分離。該方法又稱之為接觸絮凝法（Contactflocculation）。直接過濾（Directfiltration）：混凝（混合+絮凝）后的原水不經(jīng)沉淀而直接進入快濾池的處理工藝，一般適用于原水濁度較低的情況。接觸過濾（Contactfiltration）：原水加藥混合后直接進入快濾池，利用脫穩(wěn)顆粒和濾料顆粒之間的接觸絮凝作用進行過濾處理的工藝，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，一般在進入清水池之前進行加氯，并利用清水池的容量提供足夠的消毒接觸時間。對于輕度污染的原水，如達到國家地表水環(huán)境質(zhì)量II類標準的原水，通過上述常規(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，對于水中色度和有機物雖也有一定的去效果，但去除率較低。因此對于有機污染比較嚴重的原水，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，即稱之為預處理（Pre-treatment）；置于常規(guī)處理之后則稱之為深度給水處理（Advancedwatertreatment）。預處理方法主要包括，=1\*GB3①粉末活性炭吸附法：通常將粉末活性炭投加到原水中，吸附水中的有機物，然后通過后續(xù)的混凝沉淀加以去除；=2\*GB3②化學預氧化法：用氯、臭氧、高錳酸鉀等作為氧化劑，投加在原水中，以氧化水中的有機物或改變有機物的性質(zhì)，使之在后續(xù)工藝中得到有效去除；=3\*GB3③生物預氧化法：對原水進行曝氣或其它生物處理，去除水中氨氮和生物可降解有機物。上述各種預處理法處理去除水中有機污染物外，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)處理后的水通過濾池過濾，水中殘余有機物得到吸附去除；=2\*GB3②臭氧-活性炭處理法：水通過臭氧氧化后，再通過粒狀活性炭濾池進行吸附處理，由于臭氧能大幅度提高有機物的生化降解性，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，稱之為生物活性炭；=3\*GB3③高級氧化法：使用化學氧化劑（臭氧、過氧化氫等）或運用光催化、超聲波、紫外線等與化學氧化組合進行水的氧化處理，去除水中有機污染物；=4\*GB3④膜處理法：運用微濾、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用的典型流程，處理對象是污水中的懸浮物（SS）和有機物（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）：去除污水進水中的粗大懸浮物和漂浮物。沉砂池（Sandchamber）：類似于沉淀池，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，通過重力沉降去除水中懸浮性無機物和部分有機物，以降低后續(xù)曝氣池的SS負荷。一級處理（Primarytreatment）：到一沉池為止的處理流程稱之為污水一級處理流程，通過物理處理達到懸浮物和有機物的部分去除。曝氣池（Aerationtank）：向污水中注入空氣進行曝氣，提供生化反應所需的氧氣，曝氣池是活性污泥處理系統(tǒng)的生物反應器。二沉池（Secondarysedimentationbasin）：對來自曝氣池的活性污泥混合液進行沉淀處理，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。二級處理（Secondarytreatment）：由曝氣池、二沉池和污泥回流設備構(gòu)成處理系統(tǒng)中的二級處理部分，即污水的生物處理部分。由一級處理和二級處理構(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處理的后續(xù)處理稱之為污水的深度處理或三級處理（Tertiarytreatment）。污水深度處理方法與給水處理方法基本相同?；炷?沉淀-過濾是最常用