(A)1水处理引言-1.ppt

环境工程学,Zhangjinglai2002,主要参考书目,1、环境工程导论（第3版），美国Mc Graw Hill教育出版集团。王建龙 译，清华大学出版社，2002年1月。 2、环境工程学 第二版，高等教育出版社，蒋展鹏，2005年6月。 3、废水处理工程，化学工业出版社，唐受印，1998年。 4、水污染控制工程，高庭耀、顾国维，高等教育出版社，1999，第二版 5、固体废物处理与资源化，清华大学出版社，李国鼎，1990年。 6、大气污染控制工程，高等教育出版社，郝吉明，2002年。,本课程内容安排（36学时）,第一章 引言（2学时） 第二章 水质管理（2学时） 第三章 给水处理（6学时） 第四章 废水处理（6学时） 第五章 空气污染（6学时） 第六章 章 固体废物管理（6学时） 第七章 噪声污染（2学时） 第八章 危险废物管理（2学时）,第一章 引言,1.1 什么是工程？什么是环境工程？ 美国工程师发展协会（The Engineers Council for Professional Development, 简称ECPD）给出了工程的定义：“工程是一种职业，它利用通过学习、经验、实践所获得的数学和自然科学知识，来寻求经济地利用物质和自然力量的方法，以造福人类”。,美国土木工程师学会（American Society of Civil Engineers, ASCE）环境工程分会给出的环境工程的定义： 环境工程（Environmental Engineering）通过健全的工程理论与实践来解决环境卫生（environmental sanitation）问题，主要包括：提供安全、可口和充足的公共给水；适当处理与循环使用废水和固体废物；建立城市和农村符合卫生要求的排水系统；控制水、土壤和空气污染，并消除这些问题对社会和环境所造成的影响。而且，环境工程所涉及的是公共卫生领域里的工程问题，例如控制通过节肢动物传染的疾病、消除工业健康危害、为城市、农村和娱乐场所提供合适的卫生设施，评价技术进步对环境的影响等。,环境工程,运用环境科学、工程学和其他相关学科的原理和方法，研究保护和合理利用自然资源，控制和防止环境污染及生态破坏，以改善环境质量，使人们得以健康、舒适地生存与发展的学科,环境工程的任务： 研究在人类活动的影响 下，环境质量的变化规律和环境变化对人类生存的影响。以及保护和改善环境质量的理论、技术和方法。 保护环境：消除人类活动对其有害影响。 保护人类：免受不利环境因素对健康和安全的影响。,环境工程的形成与发展：,A、公元前2300年左右，中国，凿井取水，形成集市，带刀守卫制度、陶管排水。 B、公元前六世纪，罗马开始修下水道。 C、19世纪初，英国开始用砂滤净化自来水，1850年漂白粉消毒。 19世纪后半叶，建污水处理厂。 D、1852年，美国，木炭过滤自来水。 E、20世纪初，生物滤池出现。 F、1914年，活性污泥法出现。,环境工程的形成与发展,G、1855年，美国，发明离心除尘器。 H、二十世纪初，布袋除尘器、旋风除尘器、静电除尘器相继出现。 I、1874年，英国开始焚烧垃圾。 J、1822年，德国，矿渣制造水泥。 目前公共卫生学也十分重视环境污染对健康的危害与风险，公共卫生学与环境工程关系已十分密切（1854年英国发现霍乱与井水的关系 ）。 法律、经济和管理手段结合，运用系统工程原理分析、规划环境，改“末端治理”为“全过程控制”的治理理念。,环境工程学的主要内容,1、水质净化与水污染控制工程： 研究预防和治理水体污染、保护和改善水环境质量、合理利用水资源以及提供安全饮用水和不同用途与要求的用水的工艺技术和工艺措施。 主要研究领域：水体自净及其利用;给水净化处理；城市污水处理；工业废水处理与利用；废水再生与回用；城市、区域和水系的水污染综合整治和受污染水体的修复；水环境质量标准和废水排放标准等。,环境工程学的主要内容,2、大气污染控制工程： 研究预防和控制大气污染、保护和改善大气质量的过程技术措施。 主要研究领域： 大气质量管理烟尘等颗粒物控制技术；气体污染控制技术；城市、区域大气污染综合整治；室内空气污染控制；大气质量标准和废气排放标准等。,环境工程学的主要内容,3、固体废弃物及噪声、振动与其他公害防治工程： 研究城市垃圾、工业废碴、放射性及其它危害固体废弃物的处理、处置与资源化，以及消除噪声、振动等对人类影响的技术途径和措施。 主要研究领域： 固体废物管理；固体废弃物无害化处置；固体废弃物的综合利用和资源化；放射性及其它危险废物的处理；噪声、振动、电磁辐射的防护与控制等,环境工程学的主要内容,4、清洁生产、污染预防与全过程污染控制工程： 研究在工业等生产过程中，使用清洁的能源和原料，采用先进的工艺、技术与设备、改善管理、综合利用等措施，从源头消减污染，提高资源利用效率，减少或避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生与排放，以减轻或消除对人类健康和环境的危害。,环境工程学的主要内容,5、环境规划、管理和环境系统工程： 研究在科学发展观和可持续发展战略思想指导下，利用系统工程的原理和方法，对区域性的环境问题和防治技术措施进行整体的系统分析，以求取得综合整治的优化方案，进行合理的环境设计与管理；他也研究环境工程单元过程系统的优化工艺条件，并用计算机技术进行设计、运行和管理。,系统工程,.美切斯纳 (1967) 虽然每个系统都是由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一个系统都有一定数量的目标。 系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解的方法，并使各组成部分能够最大限度地相互协调。 系统工程的主要任务是根据总体协调的需要 ，把自然科学和社会科学中的基础思想、理论、策略和方法等从横的方面联系起来，应用现代数学和电子计算机等工具 ，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，借以达到最优化设计，最优控制和最优管理的目标。,环境工程学的主要内容,6、环境监测与环境质量评价： 主要研究环境中污染物质的性质、成分、来源、含量和分布状态、变化趋势以及对环境的影响；在此基础上，按照一定的标准和方法对环境质量进行定量判定、解释和预测；此外，它还研究某项工程活动或资源开发所引起的环境质量变化及对人类健康和福利的影响等。 广义的环境工程学还包括供暖通风和空气调节等。,引自： 何强 等 环境学导论,1.2 环境系统概论 1.2.1 系统 环境系统：环境事物按一定的关系组成的整体。 在环境系统中，我们很难真正识别所有关联的部分，更不用说了解它们之间的相互影响。因此，我们所要做的第一件事是将系统进行简化，且要求与真实系统相似，简化模型当然无法在细节上与真实系统完全一样，但要求基本上近似。,根据上述简化原则来描述三种环境系统：水资源管理系统、空气资源管理系统和固体废物管理系统。如果介质是空气、水或土壤之一，则限于以上三个系统之一的污染问题称为“单介质（single-medium）问题”。许多重要的环境问题并不限于简单的某一系统之中，通常涉及到空气、水和土壤等多种介质，这些问题称为“多介质（Multimedia）问题”。,1.2.2 水资源管理系统 （1）供水子系统 水源的性质决定了集水、净水、输水和配水工程的规划、设计与运行。地表水（surface water）和地下水（ground water）是供应社区和生活用水需求的两种主要水源。小溪、湖泊和河流是地表水源。地下水源是从水井抽出水的地方。 不同的水源需要使用不同的集水工程和处理工程。城市中的管网称为配水系统，管路本身通常称为水干线。在低水量期间（通常在夜间），水处理厂生产的多余水储存在蓄水池内，储存的水可以用来满足白天高需水量期间的要求。 以下为一个服务于小社区的供水资源系统概况图。,供水资源系统概况图,人口和耗水形式是控制需水量的主要因素，因此也决定了水源和整个水资源系统的组成。选择合适的供水水源的前期步骤之一是确定需水量。影响需水量的基本要素包括平均日用水量和高峰需水量。估计平均日用水量是为了确定：（1）地表水或地下水在枯水季节低水位时能否不间断地供水；（2）需储存多大的水量才能满足枯水季节的需水量。估计高峰需水量是为了确定水管的尺寸压力损失和满足高峰用水需求所需要的需水量。,，,影响人们用水的主要因素包括：（1）工业活动：使人均需水量增加；（2）是否安装水表：水表赋予责任感。（3）系统管理：如果配水系统管理好，人均用水量就会降低。管理者知道何时何地自来水干线会漏水，并且很快地修复它。（4）生活水平越高，个人水量就越多；（5）较高的年平均气温代表较多的人均用水量，降雨多的地区用水比较少。,（2）废水处理子系统 最简单形式的废水管理子系统由六个部分组成，如右图。废水来源主要有工业废水和生活污水。当工业废水会影响到城市废水处理厂的正常运行时必须进行预处理。,进入废水处理场的废水量随用水情况会有很大的变化。典型的日变化量如下图所示。,大部分的社区用水最终都会进入污水下水道。浇草坪、洗车及其它消耗性用水在使用中大约会损失5%10%。 下水道可以分为3类：污水、雨水和合流式下水道。污水下水道：输送住宅及商业区污水。工业废水经过适当处理以后也可排入污水下水道。雨水下水道：处理过量的雨水以防低洼地区淹水。污水下水道将污水送到污水处理厂，而雨水下水道通常使雨水排入河流、小溪。合流式下水道：同时接纳雨水和污水。目的是为了在干旱期使废水进入处理设施，在暴雨期间，使过量的水不经过处理直接排入河流、小溪和湖泊。可是，不幸的是，暴雨会与未经处理的污水混合。现代设计不鼓励采用合流式下水道。,当无法使用重力流方式或下水管埋设太深而不经济时，需要考虑使用泵站。废水被垂直泵送到较高处的重力下水道。该污水泵所在的位置称为提升站（lift station）。废水处理厂的出水可以排放到海洋、湖泊或河流（受纳水体），也可排入土壤，但是不要超过水体或土壤的纳污能力，或者回收利用。 总之，水资源管理是管理水质和水量的过程，应该在不破坏水的可利用性和纯度的情况下，满足人们对水的需求。,1.2.3 空气资源管理系统 空气资源与水资源在两个主要方面有所不同。第一是关于量。为了获得足够的水量，需要建造各种工程结构物，而空气可以大量免费获得。第二个方面是关于质。水可以在使用之前进行处理，然而我们不可能随时戴着防毒面具以处理不干净的空气。戴上耳塞以防止噪声污染。 空气资源管理计划建立的理由有多种，最正当的两个理由是：空气质量已经恶化且有必要进行改善；如果不处理，则将来可能会出现更大的问题。空气资源管理系统的简化方框图见下图。,控制大气污染的技术措施,清洁生产：清洁的生产过程和清洁的产品 可持续发展的能源战略 改善能源供应结构和布局，提高清洁能源和优质能源比例 提高能源利用效率和节约能源 推广少污染的煤炭开采技术和清洁煤技术 积极开发利用新能源和可再生能源 建立综合性工业基地：各企业间相互利用原材料和废弃物，减少污染物排放总量,控制污染的经济政策,必要的环境保护投资 环保投资占国民生产总值（GNP）的比例，发展中国家为0.5%1，发达国家为1%2。（中国？） 实行“污染者和使用者支付原则”，可采用的经济手段： 建立市场（排污许可证制度等） 税收手段（污染税、资源税等） 收费制度（排污费等） 财政手段（生态环境基金等） 责任制度（赔偿损失和罚款等）,大气污染控制课程基本内容,了解主要大气污染物及其发生源，大气环境空气质量标准和综合防治措施； 了解大气扩散的基本原理，初步学会估算大气污染物浓度和烟囱高度； 掌握有关除尘技术的基本理论，具有选用除尘设备、设计除尘系统的能力； 掌握气态污染物控制的基本原理及其方法，能进行一般气态污染物控制系统的设计和典型设备的工艺计算。,1.2.4 固体废物管理 1. 定义及特征 固体废物：指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废弃物质。 从广义上讲，根据物质的形态划分，废物包括固态、液态和气态废弃物质。在液态和气态废弃物中,大部分为废弃的污染物质混掺在水和空气中,直接或经处理后排入水体或大气。在我国, 它们被习惯地称为废水和废气,而纳入水环境或大气环境管理体系管理。其中不能排入水体的液态废物和不能排入大气的置于容器中的气态废物，由于多具有较大的危害性，在我国归入固体废物管理体系。,固体废物一词中的“废”具有鲜明的时间和空间特征。 从时间方面讲, 它仅仅相对于目前的科学技术和经济条件, 随着科学技术的飞速发展,矿物资源的日渐枯竭, 生物资源滞后于人类需求, 昨天的废物势必又将成为明天的资源。从空间角度看, 废物仅仅相对于某一过程或某一方面没有使用价值, 而并非在一切过程或一切方面都没有使用价值。 某一过程的废物,往往是另一过程的原料。 我国目前已建立了许多废物回收利用工厂, 如用粉煤灰制砖, 用煤矸石发电,用高炉渣生产水泥, 从电镀污泥中回收贵重金属等。 所以固体废物又有“放错地方的资源”之称。,固体废物主要来源于人类的生产和消费活动。物质和能源消耗量越多，废物产生量就越大。进入经济体系中的物质,仅有1015% 以建筑物、工厂、装置、器具等形式积累起来，其余都变成了废物。以美国为例，投入使用的食品罐头盒,饮料瓶等，平均几个星期就变成了废物，家用电器和小汽车平均710年变成废物，建筑物使用期限最长，但经过数十年至数百年后也将变成废物。,2. 固体废物的分类 固体废物分类的方法有多种，按其组成可分为有机废物和无机废物；按其形态可分为固态的废物、半固态废物和液态（气态）废物；按其污染特性可分为危险废物和一般废物等。根据固体废物污染环境防治法分为城市生活垃圾、工业固体废物和危险废物。,(1) 城市生活垃圾,城市生活垃圾又称为城市固体废物，它是指在城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，其主要成分包括厨余物，废纸，废塑料，废织物，废金属，废玻璃陶瓷碎片，砖瓦渣土，粪便，以及废家用什具，废旧电器，庭园废物等等。城市生活垃圾主要产自城市居民家庭、城市商业、餐饮业、旅馆业、旅游业、服务业、市政环卫业、交通运输业、文教卫生业和行政事业单位、工业企业单位以及水处理污泥等。它的主要特点是成分复杂，有机物含量高。影响城市生活垃圾成分的主要因素有居民生活水平、生活习惯，季节，气候等。,城市生活垃圾所含化学元素典型数据,城市生活垃圾组成的典型组分几热值分析数据,（2) 工业固体废物 工业固体废物是指在工业、交通等生产过程过程中产生的固体废物。工业固体废物主要包括以下几类： （1）冶金工业固体废物 主要包括各种金属冶炼或加工过程中所产生的各种废渣，如高炉炼铁产生的高炉渣、平炉转炉电炉炼钢产生的钢渣、铜镍铅锌等有色金属冶炼过程产生的有色金属渣、铁合金渣及提炼氧化铝时产生的赤泥等； （2）能源工业固体废物 主要包括燃煤电厂产生的粉煤灰、炉渣、烟道灰、采煤及洗煤过程中产生的煤矸石等； （3）石油化学工业固体废物 主要包括石油及加工工业产生的油泥、焦油页岩渣、废催化剂、废有机溶剂等，化学工业生产过程中产生的硫铁矿渣、酸渣碱渣、盐泥、釜底泥、精(蒸）馏残渣以及医药和农药生产过程中产生的医药废物、废药品、废农药等； （4）矿业固体废物 矿业固体废物主要包括采矿废石和尾矿。废石是指各种金属、非金属矿山开采过程中从主矿上剥离下来的各种围岩，尾矿是指在选矿过程中提取精矿以后剩下的尾渣；,（5）轻工业固体废物 主要包括食品工业、造纸印刷工业、纺织印染工业、皮革工业等工业加工过程中产生的污泥、动物残物、废酸、废碱以及其他废物； （6）其他工业固体废物 主要包括机加工过程产生的金属碎屑、电镀污泥、建筑废料以及其他工业加工过程产生的废渣等。 （3）危险废物 危险废物是指列入国家危险废物名录或是根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定具有危险特性的废物。关于危险废物的定义、分类和鉴别标准，在后面专题讨论。 固体废物的分类，除以上三者之外，还有来自农业生产、畜禽饲养、农副产品加工以及农村居民生活所产生的废物，如农作物秸杆、人畜禽排泄物等。这些废物多产于城市郊区以外，一般多就地加以综合利用，或作沤肥处理，或作燃料焚化。在我国的固体废物污染环境防治法中，对此未单独列项作出规定。,固体废物管理的简化方框图,1.2.5 多介质系统 很多环境问题跨越空气-水-土壤边界。见以下示意图。,燃煤、发电多介质系统,垃圾焚烧多介质系统,1.3 利用质量平衡法求解环境问题 1.3.1 质量平衡原理 物质既不会创造，也不会消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。 在环境系统或子系统中，质量方程式可以写成： 积累质量 = 输入质量 - 输出质量 对于许多环境问题，时间是表达问题严重程度或工程设计中的重要参数： 累计速率 = 输入速率 输出速率,在质量平衡方法中，先画出一个过程的流程图或环境子系统的概念图，将所有已知的输入量、输出量、积累量都换算成相同的质量单位，未知的输入、输出和积累量也在图中标出来，然后写出物料平衡方程式，求解。 当一个系统的输入速率和输出速率保持恒定且相等时，累计速率等于零，这种状态称为稳定状态（steady state）。,Example 1,有一雨水下水道正在将含有1.200g/L氯