第二讲 第一篇 第一章 水质与水体自净.ppt

水质与水体自净Waterquality self purification 水质净化与水污染控制工程 第一篇 第一章 主要内容 一 水的循环与污染二 水质与水质标准三 废水的成分与性质四 水体自净作用与水环境容量五 水处理的基本原则和方法 第一节水的循环与污染 一 水环境1 地球上水的分布2 我国水资源特点二 水循环 Watercycle 1 自然循环2 社会循环三 水污染 自然污染和人为污染 四 水污染的分类和影响 Forward 一 水环境 地球水圈 Globalhydrosphere 3 4 1 4 河流 湖泊 运河 水库 分布在欧亚大陆 非洲 北美洲 南美洲 澳洲等主要陆地和无数得海岛上 表1 1地球水圈中的水储量分布 1 地球上水的分布 极不均衡 1 地球上的水约有97 储存在海洋中 其余3 分别存在于大气 地球表面和地表以下的地壳中 2 地球上的水分布不均衡 3 对人类生活和生产活动关系密切而又比较容易被开发利用的淡水储量很少 仅占地球总水量的0 3 而且这部分淡水在陆地上的分布也很不均匀 人均占有量少淡水总量占全世界第六位 但人均占有量2340m3 人年 世界平均水平的1 4 空间分布不均81 长江流域及以南 东南1600mm 涝灾 年内及年际变化大60 80 夏季 年际变化差3 6倍 许多地区缺水严重三北 西北 华北 东北 和沿海 青岛 大连 在640个城市中 300多个城市缺水 2 我国水资源的特点 1 自然循环 Naturalwatercycle 二 水循环 水文循环 Hydrologicalcycle Evaporation Transpiration Soilandvegetation 所谓水的社会循环 指的是人类社会为了满足生活和生产的需求 要从各种天然水体中取用大量的水 而经过使用以后的水被排放出来 最终又流入天然水体 整个水循环系统应该包括水的自然循环和社会循环 2 社会循环 人为循环Humanrelatedwatercycle 自古以来人类聚居地都选择在水资源丰富的流域内 图1 2人类聚居区域水环境代谢示意图 Waterbody Watermetabolism Waterintake Watertreatment Domesticwater industrialwater irrigationwater Wastewatertreatment 水污染的定义 水体因某种物质的介入 而导致其化学 物理 生物或者放射性等方面特性的改变 从而影响水的有效利用 危害人群健康或者破坏生态环境 造成水质恶化的现象 水的污染有两类 自然污染和人为污染不同用途的水在社会循环中 会因人类的活动使大量的工业 农业 交通和生活废弃物排入水中 使水受到污染 在一定程度下 水体能自身调节和降低污染 水的自净能力 三 自然污染和人为 Man made 污染 四 水污染的分类和影响 水污染分类 Classification 来源 工业废水 农业废水 生活污水 矿山废水 污染物性质 化学性污染 物理性污染 生活性污染 无机污染物质 酸 碱和一些无机盐类无机有毒物质 重金属等有机有毒物质 各种有机农药 多环芳烃等需氧污染物质 蛋白质 脂肪 酚 醇 碳水化合物植物营养物质 氮 磷等植物营养物质油类污染物质 一 化学性污染 二 物理性污染悬浮物质污染 固体物质和泡沫等热污染 冷却水放射性污染 放射性废水 废物 三 生物性污染 生活污水 特别是医院污水和某些工业废水污染水体后 往往可带入一些病原微生物 随水流动而传播 小结 第一节内容回顾 水环境水循环水污染水污染分类及影响 一 水质指标Waterqualityindicators 1 杂质分类 所有各种杂质 按它们在水中的存在状态可分为三类 悬浮物质 溶解物质和胶体物质 2 水质 水和其中所含的杂质共同表现出来的物理学 化学和生物学的综合特性 3 水质指标 水中杂质的种类 成分和数量 判断水质的具体衡量标准 第二节水质指标与水质标准 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 mm 1 10 100 um 溶解物质 胶体物质 悬浮物质 水质指标的分类物理性水质指标 感官 其它 温度 色度 嗅和味 浑浊度 透明度 总固体 悬浮固体 可沉固体 电导率 电阻率 等化学性水质指标 一般化学性质 有毒化学性质 pH值 碱度 硬度 各种阳离子 各种阴离子 总含盐量 一般有机物质 各种重金属 各种农药 溶解氧 DO 化学需氧量 COD 生化需氧量 BOD 总需氧量 TOD 等生物学水质指标 细菌总数 总大肠菌群数 各种病原细菌 病毒等 几种重要的水质指标 1 浑浊度 turbidity 2 颜色 色度 chromaticitycolor 3 固体 4 总含盐量和离子平衡 5 碱度alkalinity 6 硬度hardness 7 化学需氧量和耗氧量 COD 8 生物化学需氧量 BOD 9 总有机碳 TOC 和总需氧量 TOD 10 氮含量 二 水质标准waterstandard概念 对排入水体水质的要求 水质标准是环境标准的一种 水质标准分类 1 国家正式颁布的统一规定 法律性 指令性 2 各用水部门或设计 研究单位确定各种水质要求 根据试验要求和一些经验 常用的水质标准和水质要求 常用水水质标准和水质要求 1 饮用水水质标准 p33 Tab1 4 1 5 2 地面水环境质量标准 5类 p37 Tab1 6 3 污水综合排放标准 2类 有毒富集和其它 p38 Tab1 7 p38 Tab1 8 4 工业用水水质要求 p42 Tab1 9 1 浑浊度 turbidity 指水中的不溶解物质对光线透过时所产生的阻碍程度 这是水的一种光学性质 一般来说 水中的不溶解物质越多 浑浊度也越高 但两者之间并没有固定的定量关系 在蒸馏水中含有1mg L的sio2称为1个浑浊度单位或1度 测定浑浊度的仪器 烛光浊度计 光电浊度计浑浊度是天然水和用水的一项非常重要的水质指标 也是水可能受到污染的重要标志 2 颜色 color 水颜色有真色和表色之分 真色是由于水中所含溶解物质或胶体物质所致 即除去水中悬浮物质后所呈现的颜色 表色则包括由溶解物质 胶体物质和悬浮物质共同引起的颜色 真色测定方法 铂钴标准比色法 氯铂酸钾和氯化钴配成与天然水黄色色调相同的标准比色系列 1度 TCU truecolorunit 1mg铂 1L水表色 稀释倍数法 比色管 无色清洁水水的色度是评价感官质量的一个重要指标 有异常颜色的水也是受到污染的一种标志 3 固体 水中固体 蒸发残渣 一定温度下将水样蒸发至干时所残余的固体物质总量 103 105 时蒸发称 总固体 结果以mg L计 溶解固体 过滤后 取滤液103 105 烘干后质量悬浮固体 过滤后 取滤渣103 105 烘干后质量挥发性固体 灼烧减重 600 蒸发干燥后固体失去的重量 有机物质 剩下为 固定性固体 无机物 固定性固体 总固体 挥发性固体溶解固体 悬浮固体 过滤方法 石棉古氏坩埚或滤膜 总固体 挥发性固体 固定性固体可沉固体 指将1L水样在一锥形玻璃筒内静置1h后所沉下的悬浮物质数量 例1 1 将某污水样100mL置于质量为46 4718g的古氏坩埚中过滤 坩埚在105 下烘干后称重为46 5036g 然后再将此坩埚置于600 下灼烧 最后称重为46 4848g 另取同一水样100mL 放在质量为67 9624g的蒸发皿中 在105 下蒸干后称重为68 0138g 试计算该水样的总固体 悬浮固体 溶解固体 挥发性悬浮固体和固定性悬浮固体含量各为多少 mg L 解 在蒸发皿中测得的是总固体量 悬浮固体 46 5036 46 4718 1000 100 1000 mg L 318 mg L 总固体 68 0138 67 9624 1000 100 1000 mg L 514 mg L 溶解固体 总固体 悬浮固体 514 318 196 mg L 挥发性悬浮固体 46 5036 46 4848 1000 100 1000 mg L 188 mg L 固定性悬浮固体 悬浮固体 挥发性悬浮固体 318 188 130 mg L 4 比电导 specificconductance 比电导用来量度水的导电能力的大小 水中所含溶解盐类越多 水中的离子数目也越多 水的比电导就越高 比电导也称电导率 电导是电阻的倒数 因此习惯上水中溶解盐类的多少常用电阻率来量度 电阻率越大 表示水中的溶解盐类含量越少 对上节课内容的小结 水质指标 杂质 种类 成分和数量 水质标准 对水质的要求 10种重要的水质指标浑浊度 颜色 固体 比电导总含盐量和离子平衡碱度硬度化学需氧量和耗氧量生物化学需氧量总有机碳和总需氧量 5 总含盐量和离子平衡总含盐量 总矿化度 水中所含各种溶解性矿物盐类的总量 总含盐量 mg L 阳离子 阴离子天然水中主要的阳离子 Ca2 Mg2 Na K 阴离子 HCO3 CO32 SH42 CL 等 水的总含盐量与溶解固体之间有着一定的关系 总含盐量约等于测得的溶解固体量再加上水中原有HCO3 含量的一半 总含盐量 溶解固体 1 2 HCO3 离子平衡 根据溶液的电中性原则 理论上每升水中阳 阴离子的电荷总数应该彼此相等 mc Mm ac Aa 实际的分析测定结果与理论值之间会有误差 其分析误差值不应该超过 5 即 例1 2某天然水的分析测定结果如下 Ca2 55mg L HCO3 250mg L Mg2 18mg L SH42 60mg L Na 98mg L CL 89mg L 试检查其分析是否完全 解 1 先将各阳 阴离子的含量由mg L换算为mmol L 并算出它们的物质的量浓度总和 2 计算分析误差 6 碱度 alkalimity 概念 水接受质子的能力 水中所有能与强酸相作用的物质所接受H 的 物质的量 的总和 测定方法 中和滴定法 指示剂 酚酞 变色范围pH8 3 甲基橙 变色范围pH4 4 酚酞碱度 甲基橙碱度 总碱度 天然水中重碳酸盐HCO3 碳酸盐CO32 和氢氧化物OH 是最主要的致碱阴离子 其他的含量往往是极少 碱度 HCO3 2 CO32 OH H 方法原理 在水处理工程中 有时不仅需要知道水的总碱度 还要求分别知道这三种碱度的数量 最常用的办法是根据总碱度和酚酞碱度的测定值来计算求得 表1 3三种碱度计算表 例1 3取某河水水样100mL 用0 1000mol L的HCI溶液测定其碱度 先以酚酞作指示剂 消耗HCI0 40mL 另取水样100mL 以甲基橙作指示剂 用HCI溶液滴定消耗了7 20mL 试求该水样的总碱度和各致碱阴离子的含量 结果以mmol L计 解 酚酞碱度 总碱度 由于p 1 2T 查表得 氢氧化物碱度 OH 0碳酸盐碱度 2 CO32 2P故 CO32 P 0 40mmol L重碳酸盐碱度 HCO3 T 2P 6 40mmol L 7 硬度 hardness 概念 由于能与肥皂作用生成沉淀和与水中某些阴离子化合生成水垢的二价金属离子的存在而产生的 钙和镁离子 多用EDTA络合滴定法测定 分为以下两种硬度 碳酸盐硬度 暂时硬度 主要由钙 镁的碳酸盐和重碳酸盐所形成 能经煮沸而除去 非碳酸盐硬度 永久硬度 主要由钙 镁的硫酸盐 氯化物等形成 不受加热的影响 总硬度 碳酸盐硬度 非碳酸盐硬度 在水处理工程中 有时要求分别知道碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度的含量 如果已经测得水样总硬度和各种碱度 计算方法 设S 碳酸盐碱度 重碳酸盐碱度 HCO3 2 CO32 则 1 当1 2S 总硬度时 碳酸盐硬度 1 2S 非碳酸盐硬度 总硬度 1 2S 2 当1 2S 总硬度时 碳酸盐硬度 总硬度 非碳酸盐硬度 0 3 当1 2S 总硬度时 碳酸盐硬度 总硬度 非碳酸盐硬度 0 这时1 2S与总硬度的差值称为 负硬度 例1 4今有某处地下水 用0 1000mmol L的HCI溶液滴定此水样100mL 以酚酞作指示剂时消耗酸液量为零 再加甲基橙作指示剂 消耗酸液量3 60mL至滴定终点 另取此水样100mL 用0 0250mmol L的EDTA二钠盐试剂滴定至终点 用去8 38mL 试求此地下水的总硬度 碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度 结果以mmol L和度表示 解 1 求各种碱度 P 0 查表 得 OH 0 CO32 0 HCO3 T 3 60mmol L 2 求总硬度 3 计算碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度 由于 S HCO3 2 CO32 3 60 0 mmol L 3 60mmol L1 2S 1 2 3 60mmol L 1 80mmol L 2 10mmol L即1 2S 总硬度 因此 可知 碳酸盐硬度 1 2S 1 80mmol L 1 80 5 6度 10 08度非碳酸盐硬度 总硬度 1 2S 2 10 1 80 mmol L 0 30mmol L 0 30 5 6度 1 68度 8 化学需氧量和耗氧量在一定严格的条件下 水中各种有机物质与外加的强氧化剂作用时所消耗的氧化剂的量 如果所加的强氧化剂是重铬酸钾 K2Cr2O7 称重铬酸钾耗氧量 习惯上称为化学需氧量 COD 如果所加的强氧化剂是高锰酸钾 KMnO4 称高锰酸钾耗氧量 习惯上称为耗氧量 OC 或高锰酸钾指数 一般用化学需氧量来代表废水中有机物质的总量 耗氧量不能代表水中有机物质的全部含量 9 生物化学需氧量在有氧的条件下 水中可分解的有机物由于好氧微生物的作用被氧化分解而无机化 这个过程所需要的氧量叫做生物化学需氧量 简称生化需氧量 BOD 生活污水BOD570 250mg L 综合污水100 300mg L 垃圾渗滤液2000 30000mg LCOD和BOD关系 COD BOD CODMn OC BOD COD 0 3则适宜用水物化学处理 可分解的有机物 好氧微生物 O2 氧化 合成 Oa CO2 H2O 能 新的细胞质 CO2 H2O 能 残渣 Ob 氧化 图1 5有机物的好氧生物分解 Oa Ob 生化需氧量 生化需氧量测定方法是通过确定微生物利用废水中的有机物时所消耗的氧量 从而间接表示出有机物的含量 但只是其中的可分解的那一部分 不是全部有机物 在一般情况下 各国都规定统一采用5d 20 作为生化需氧量测定的标准条件 这样测得的后生化需氧量记作BOD5或BOD 5d的生物氧化约只完成70 左右 在有氧的情况下 废水中的有机物质的分解分两个阶段进行 第一阶段为碳氧化阶段 主要是不含氮有机物的氧化 也包括含氮有机物的氨化 以及氨化后生成的不含氮有机物的继续氧化 称为碳化生化需氧量 总的碳化生化需氧量称为第一阶段生化需氧量或完全生化需氧量 La 水中的硝化细菌可以氧化水中原有的氨和含氮有机物质氨化分解出来的氨 最终转化成硝酸盐 此过程所消耗的氧量称为硝化生化需氧量 即第二阶段生化需氧量 LN 有机物质好氧分解 研究结果表明 第一阶段的生化需氧量的变化 即有机物被微生物的氧化分解作用具有化学动力学上一级反应的性质 也就是任何时日的反应速率与此时日存有的有机物量成正比 在t时剩余的有机物浓度 有机物的初始浓度 耗氧速率常数 积分 调整得 如果令xt为t时日内所降低的有机物浓 xt相当于时日t的生化需氧量 BODt 所以 耗氧速率常数k1与温度T的关系 T 时的第一阶段生化需氧量与温度的关系 例1 5某废水20 时的BOD5是150mg L 已知此时的耗氧速率常数k1 0 10d 1 求该废水15 时的BOD5 解题思路 要求15 时的BOD5 即在15 温度下5天内所降低的有机物的浓度 得知道该温度下的第一阶段生化需氧量和耗氧速率常数 已知20 时的耗氧速率常数 可以求得15 耗氧速率常数 要求得15 下的第一阶段生化需氧量 得知道20 下第一阶段生化需氧量 已知20 下BOD5 因此可一步步求得 解 1 求20 下第一阶段生化需氧量La 20 根据 2 计算15 时的k1 根据 K1 15 k1 20 1 047 15 20 0 10 1 047 5 0 08d 1 3 计算15 时的La 15 根据 La 15 219 3 0 02 15 0 6 mg L 197 4mg L 4 计算15 时的BOD5 根据 BOD5 15 197 4 1 10 0 08 5 118 8mg L 微电脑BOD测定仪 BOD自动测试仪 耗氧量OC 化学需氧量COD和生化需氧量BOD都是用定量的数值来间接地 相对地表示水中有机物数量的重要水质指标 如果同一废水中各种有机物质的相对组成没有变化 那么 这三者之间的大小关系是什么 化学需氧量几乎可以表示出水中有机物质的全部含量 而生化需氧量则反映了能被微生物氧化分解的那一部分有机物质的含量 如果同一废水的BOD5 COD 0 3 一般认为此种废水是适于采用生物化学方法处理的 比值越大 可生物处理性越强 如果比值小于0 3 则说明该废水中不可生物分解的有机物质数量很多 需要寻求其他的处理途径 10 总有机碳 TOC 和总需氧量 TOD 用以间接表示水中有机物质含量的综合性指标 TOC 900 950 高温燃烧有机碳生成的二氧化碳量 常以碳表示 mg L 应先去除无机碳的干扰 加酸 TOD 900 有机物高温燃烧变成稳定的氧化物的需氧量 总有机碳测定仪 还需注意的是 11 除以上这些水质指标以外 水的PH值 水中的有毒物质 营养物质和微生物等也都是十分重要的指标 小结 第二节水质指标与水质标准 水质指标水质标准常见的10种水质指标 第三节废水的成分与性质 一 生活污水生活污水是指居民在日常生活活动中所产生的废水 主要是生活废料和人体的排泄物 特征是水质成分比较稳定 但浑浊 深色且具有恶臭 微呈碱性 一般不含有毒物质 常含有大量的细菌 包括病原菌 病毒和寄生虫卵 生活污水所含固体物质约占总质量的0 1 0 2 其中的溶解固体主要是各种无机盐类和可溶性的有机物质 生活污水中还含有氮 磷等营养物质 二 工业废水工业废水是指工业生产过程中排放出来的废水 各种工业废水的成分和性质差别极大 工业废水是造成水体污染的主要污染源 由于工业废水的成分和性质的复杂性 因此 不同的工业废水应给予不同的处理和处置 三 农业废水随着农药和化肥的大量使用 农田径流排水已成为天然水体的主要污染来源之一 农业废水中还常常含有大量的致病细菌等 点源污染和面源污染 污染源包括点源 Pointsource 和面源 Non pointsource 两大类 所谓点源 是指集中产生 并有可能集中排入水体的污染源 例如工厂废水 城镇生活污水都具有点源的性质 所谓面源 是指非集中产生 不可能集中排入水体的污染源 例如人烟稀少的山区 旷野 农村地带也有自然污染产生 降雨时污染物会随地面径流进入水体 这样的污染就具有面源的性质 一般来说 点源是水环境治理的重点 工业废水处理 城镇生活污水处理都是通过点源治理降低排入水体的污染物总量的重要措施 农田径流和城市径流是点源还是面源污染 第四节水体自净作用与水环境容量 水体自净水体自净过程 水环境容量 河流的自净作用是指河水中的污染物质在河流向下游流动中污染物自然降低的现象 水体的自净作用 根据净化机制分为三类 物理净化 稀释 扩散 沉淀 化学净化 氧化还原 分解 生物净化 微生物或水生生物对有机物的氧化分解作用 絮凝 中和 络合 吸附等 第四节水体自净作用与水环境容量 一 废水在水体中的稀释和扩散稀释实际上只是将废水中的污染物质扩散到水体中去 从而降低这些物质在水中的相对浓度 不能除去污染物质 污染物质进入河流水体后 产生了两种运动形式 一是污染物质由于河流流速的推动沿着水流前进的方向运动 推流或平流 二是由于污染物质的进入 使水流产生了浓度差 污染物质就会由高浓度处向低浓度处迁移 扩散 第四节水体自净作用与水环境容量 水体混合稀释的影响因素 废水流量与河水流量的比值废水排放口的形式河流的水文条件计算断面上 水中污染物的浓度 混合系数a的值需根据具体情况来确定 经验数值是 流速在0 2 0 3m s的河流 取0 7 0 8 流速较低时 取0 3 0 6左右 流速较高时 则可取0 9左右 第四节水体自净作用与水环境容量 习题 1 23 第四节水体自净作用与水环境容量 二 水体的生化自净水体的生化自净 废水进入河流后 除得到稀释外 其中的有机污染物还会在水中微生物的作用下进行氧化分解 逐渐变成无机物质 这一过程称为水体的生化自净 水体中氧的消耗与溶解 氧的来源 耗氧和复氧过程 第四节水体自净作用与水环境容量 溶解氧 累积复氧量 累积耗氧量 氧垂曲线 溶解氧 第四节水体自净作用与水环境容量