水污染与水治理

1、水污染与水治理,马红竹 化学化工学院,目录,水资源与水环境 全球水污染现状 传统的污水处理方法 污水处理新方法与新工艺 结语,水资源与水环境,水资源 水环境 水循环 世界各大陆的水资源 我国的水资源,水资源与水环境,水,气态,液态,固态,大气水、 海水、陆地水（包括河水、湖水、沼泽水、冰雪水、土壤水、地下水） 生物体内的生物水,水圈,地球上分布最广和最重要的物质，参与生命的形成，地表物质能量转化，人类社会赖以生存和发展的自然资源,水资源,水资源,能够直接或间接使用 对人类活动具有使用价值和经济价值,广义,陆地上的淡水资源 通过水循环得以更新、补充，满足人类生产生活需要,狭义,水资源与水环境,水

2、资源,水资源与水环境,水资源,水的总储量约为1.38109 km3。淡水资源中约70%以上属固态水冰，储存在极地和高山，仅不到30%的淡水存在于地下、湖泊、土壤、河流、大气等。全球真正有效利用的淡水资源占全球总水量的十万分之七，即每年约有9 000km3,区域水环境（如流域水环境、城市水环境等） 全球水环境,范围,水资源与水环境,水环境：地球上分布的各种水体及与其密切相连的诸环境要素，如河床、海岸、植被、土壤等,地表水环境：河流、湖泊、水库、池塘、沼泽等 地下水环境：泉水、浅层地下水和深层地下水等,区域,水环境污染已成为世界上重要的环境问题之一，对其进行合理利用和保护是环境保护和研究的主要内容

3、之一,在太阳辐射和地球表面热能的作用下，地球上的水不断被蒸发，蒸发的水分升入空气中并被气流输送至各地，在适当条件下凝结而成降水，降落在陆地表面的雨雪，经截留、下渗等环节而转化为地表与地下径流，最后又回归海洋，这个周而复始的过程，称为水循环,水资源与水环境,水循环,水资源与水环境,水循环是一个巨大的动态系统，它将地球上各种水体连接起来构成水圈，使得各种水体能够长期存在，并在循环过程中渗入大气圈、岩石圈和生物圈，将它们联系起来形成相互制约的有机整体。水循环的存在使水能周而复始地被重复利用，成为可再生资源,水循环,水资源与水环境,水循环,世界各大陆的水资源,水资源与水环境,水资源与水环境,各大陆水资

4、源的分布都是不均匀的。一方面，欧洲和亚洲集中了世界77%的人口，而仅拥有河流径流量的38%；另一方面，南美人口占全球人口的5%，却拥有世界河流径流量的25,我国的水资源总量为2.7万亿 m3，居世界第5位，但人均占有水量仅为2500 m3，远远低于世界人均占有水量10240 m3的水平,世界各大陆的水资源,水资源与水环境,我国的水资源,水资源与水环境,1)水资源总量多，但人均占有量少； (2)地区分布不均匀，长江以南水资源丰富，北方地区相当缺水，人均占有量仅为全国平均占有量的1/5，世界人均占有量的1/21； (3)季节分配不均，年际变化很大，雨水集中程度很高，常常引起洪涝、干旱灾害； (4)

5、部分河流含沙量大，尤以黄河最为突出，黄河年径流量为543亿m3，而年平均输沙量达26亿t，平均含沙量为37.6kg/m3，居世界之冠； (5)水污染日益严重，尤其是在工业比较集中的大中城市附近水域； (6)地下水开采过量，某些地区出现地面下沉现象,我国的水资源,全球水污染现状,天然水质背景值 水污染 水体污染源 水体污染物 水污染现状 水体的自净作用,全球水污染现状,自然界并不存在“纯水”。在任何天然水中，都含有各类溶解物和悬浮物，并且随着地域的不同，各种水体中天然水含有的物质种类不同，浓度各异，代表着天然水的水质状况，故称其为天然水质背景值，或水环境背景值,天然水质背景值,全球水污染现状,天

6、然水质背景值,水污染,排入水体的污染物在数量上超过了该物质在水体中的本底含量和自净能力，即水体的环境容量； 破坏了水中固有的生态系统，和水体的功能及其在人类生活和生产中的作用。降低了水体的使用价值和功能的现象,全球水污染现状,水体污染源,污染源,自然污染源,人为污染源,工业污染源,生活污染源,农业污染源,全球水污染现状,交通污染源,主要,有机 无机 放射性 病原体,水体污染物,概念： 造成水体水质、水中生物群落以及水体底泥质量恶化的各种有害物质（或能量）。 分类： 无机无毒物、无机有毒物、有机无毒物、有机有毒物、石油类污染物、病原微生物、寄生虫、放射性污染物、热污染等,全球水污染现状,全球水污

7、染现状,水污染现状,全世界每年约有4200多亿m3污水排入江河湖海，污染了5.5万亿m3淡水，相当于全球径流总量14%以上,第四届世界水论坛提供的联合国水资源世界评估报告显示，全世界每天约有数百万吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水污染8L淡水;所有流经亚洲城市的河流均被污染;美国40%的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染;欧洲55条河流中仅有5条水质勉强能用,全球水污染现状,水污染现状,2012年3月21日的世界水日，联合国发布的资料表明：目前全球有11亿人缺乏安全饮用水，每年有500多万人死于同水有关的疾病。 初步调查表明，我国农村有3亿多人饮水不安全，其中约有6300多万人

8、饮用高氟水，200万人饮用高砷水，3800多万人饮用苦咸水，1.9亿人饮用水有害物质含量超标，血吸虫病地区约1100多万人饮水不安全,全球水污染现状,水污染现状,据国家环保局发布的中国环境质量公告，全国七大水系中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河污染严重。与河流相比，湖泊、水库的污染更加严重。72%的湖泊和水库已不宜作为饮用水水源，43%的湖泊和水库失去了使用功能。目前全国有25%的地下水体遭到污染，35%的地下水源不合格;平原地区约有54%的地下水不符合生活用水水质标准。全国主要城市地下水污染存在加重趋势的城市有21个，污染趋势减轻的城市14个，地下水水质基本稳定的

9、城市123个，说明地下水的污染应当引起重视,全球水污染现状,水污染现状,水体的自净作用,水体受污染后，污染物在水体的物理、化学和生物作用使污染成分不断稀释、扩散、分解破坏或沉入水底，水中污染物浓度逐渐降低，水质最终又恢复到污染前的状况,全球水污染现状,全球水污染现状,物理净化：通过稀释、混合、沉淀与挥发，使浓度降 低，但总量不减； 化学净化：通过氧化还原、酸碱反应、分解合成、吸 附凝聚等过程，使存在形态发生变化及 浓度降低； 生化净化：通过水生生物特别是微生物的生命活动， 使其存在形态发生变化，有机物无机化， 有害物无害化，浓度降低，总量减少。 是水体自净的主要原因,水体的自净作用,全球水污染

10、现状,水体中含氮有机物生物化学净化示意图,水体的自净作用,传统的污水处理方法,物理法,化学法,物理化学法,生物法,传统污水处理方法,物理作用,化学反应,相转移,微生物代谢,重力分离法 离心分离法 过 滤 法 热 处 理,不溶解的呈悬浮状态污染物 预处理,化学沉淀法 混 凝 法 中 和 法 氧化还原法,吸 附 法 离子交换法 膜 分 离 萃 取 法,胶体微细悬浮状有机污染物,好氧生物法 厌氧生物法,胶体物质 溶解性物质,溶解性物质 回收 深度治理,传统的污水处理方法,污水处理新方法与新工艺,新方法与新工艺,光催化氧化 超临界水氧化法 低温等离子体 Fenton 氧化法 臭氧联合氧化法 湿式氧化法

11、 电化学氧化,磁分离,超声波,圆盘磁分离器 高梯度磁过滤器,高级氧化法,膜分离,扩散渗析 电渗析 反渗透 超滤 液体膜渗析 隔膜电解,污水处理新方法与新工艺,光氧化法,半导体材料(TiO2, Fe2O3, SnO2, CdS, ZnS等)在紫外线的照射下价带电子被激发到导带，从而产生具有很强反应活性的电子(e)-空穴(h)对，并迁移到半导体材料表面，在氧化剂(O2, H2O2, O3等)或还原剂作用下，发生氧化还原反应，从而起到降解污染物的作用,研究热点涉及催化剂活性(粒径、改性)、反应体系中影响因素、反应器结构设计(载体选择、催化剂的固定)等方面,污水处理新方法与新工艺,超临界水氧化法(SC

12、WO,指当温度、压力高于水的临界温度(374)和临界压力(22.1 Mpa)条件下水中有机物的氧化。在超临界水氧化过程中，有机物几乎完全转化为CO2和H2O，有机物中的N、S、P元素分别转化为对应的无机酸，Cl转化为氯离子，S和P分别转化为硫酸盐和磷酸盐,效率高；适用广；反应速度快；反应器结构简单，处理量大。 反应条件苛刻（高温、高压），对设备材质要求高,污水处理新方法与新工艺,低温等离子体化学,等离子体是在特定条件下使气(汽)体部分电离而产生的非凝聚体系。由中性原子或分子，激发态原子和分子、自由基、电子或负离子、正离子及辐射光子组成。体系内正负电荷相等，整个体系呈电中性。低温等离子体具有足够

13、高能量的活性物种，可使反应物分子激发、电离或断键。本质上是自由基化学，等离子体中存在多种高能自由基，各种自由基会产生协同作用，因而对有机废水的处理比单自由基的体系具有更好的效果,污水处理新方法与新工艺,高级氧化法,污水处理新方法与新工艺,磁分离技术,通过外加磁场产生磁力，把废水中具有磁性的悬浮颗粒吸出，使之与废水分离，达到去除或回收的目的。对于水中非磁性或弱磁性的颗粒，利用接种技术可使它们具有磁性,对钢铁厂、炼油厂、造纸厂、电镀厂、纺织印染厂等工厂的废水以及城市污水和饮用水进行了高梯度磁分离处理，对水中悬浮物、重金属离子、细菌、油污、有机物、放射性污染物的去除有良好效果,超声波由一系列疏密相间

14、的纵波构成，通过液体介质向四周传播。声能足够高时，在疏松的半周期内，液相分子间的吸引力被打破，形成空化核。空化核的寿命约为0.1s，爆炸瞬间可产生约4000 K和100 Mpa的局部高温高压环境，并产生速度约110 m/s具有强烈冲击力的微射流(超声空化)，这些条件足以使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应,污水处理新方法与新工艺,超声波技术,研究热点涉及单独/联用、添加催化剂、设备等,污水处理新方法与新工艺,膜分离技术,几种膜分离法的特征及其区别,污水处理新方法与新工艺,扩散渗析,使高浓度溶液中的溶质透过薄膜向低浓度溶液中迁移的过程。其推动力是薄膜两侧的浓度差,回

15、收酸洗钢铁废水中的硫酸,污水处理新方法与新工艺,电渗析脱盐,电渗析器中交替排列着许多阳膜和阴膜，分隔成小水室。原水进入小室，在直流电场作用下，溶液中的离子作定向迁移。阳膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来；阴膜只允许阴离子通过而把阳离子截留下来。结果使这些小室的一部分变成含离子很少的淡水室，出水为淡水。而与淡水室相邻的小室则变成聚集大量离子的浓水室，出水为浓水。从而使离子得到分离和浓缩，水得到净化,污水处理新方法与新工艺,电渗析脱盐,电渗析器的基本组装形式,1压紧板；2垫板；3电极；4垫圈；5极框；6阳膜； 7淡水隔板框；8阴膜；9浓水隔板框,污水处理新方法与新工艺,电渗析法,海水淡化制取饮用

16、水和工业用水 海水浓缩制取食盐 制取高纯水 处理碱法造纸废液（回收碱(浓液)和木质素(淡液)； 金属离子废水中分离和浓缩重金属离子 放射性废水中分离放射性元素 处理电镀废水和废液,污水处理新方法与新工艺,反渗透法,渗透和反渗透原理示意图 (a)渗透；(b)反渗透,污水处理新方法与新工艺,反渗透法,板框式反渗透器,中空纤维式反渗透器,管束式反渗透器,污水处理新方法与新工艺,超滤法,一种筛孔分离过程,主要用来截留分子量高于500的物质。在静压差作用下，原料液中溶剂和小分子的溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，为滤出液或透过液；而大分子的溶质粒子组分被膜所阻截，使其在滤剩液(浓缩液)中浓度增大。有

17、醋酸纤维超滤膜、聚砜类超滤膜和聚砜酰胺超滤膜,污水处理新方法与新工艺,液膜分离技术,液膜是一层很薄的液体膜，它可以把两个不同组分的溶液隔开，并且通过渗透现象起着迁移分离一种或一类物质的作用。当被隔开的两种溶液是水相时，液膜应是油型；当被隔开的两个溶液是有机相时，液膜应是水型,油膜结构与液膜分离体系示意图,污水处理新方法与新工艺,废水自然净化处理工艺与技术,稳定塘是一种构造简单、易于管理、处理效果稳定可靠的污水自然生物处理设施。污水在塘内通过长时间的停留，其有机物通过不同细菌的分解代谢作用后被生物降解。稳定塘按照功能可分为好氧塘、兼性稳定塘、厌氧稳定塘、曝气稳定塘、高效稳定塘等,污水处理新方法与新工艺,好氧塘的净化机理,水深一般0.5 m左右，阳光能够直透塘底，塘内藻类生长繁茂，光合作用旺盛，塘水中溶解氧非常充足，好氧微生物活跃，BOD去除率高，在停留时间2-6 d后可去除80%以上,污水处理新方法与新工艺,兼性塘净化机理,塘深较深(1.2-2.5m)，塘中存在不同区域： 上层阳光能透射到的区域，藻类得以繁殖，溶解氧含量充足，好氧细菌活跃，为好氧区； 底层有污泥积累，溶解氧几乎为零，主要由厌氧菌对不溶性的有机物进行代谢，为厌氧区,中部则为兼性区，好氧区和厌氧区过渡区