水污染基本概念与防治(doc 46页).doc

第一章 绪 论世界正处在一个飞速发展的时代。经济在快速发展、社会在飞速发展，人们的生活在改变，世界的面貌在改变。发展，是当今世界共同关注的热点；发展，使世界呈现勃勃生机。安全与水污染防治是人类生存发展过程中永恒的主题，随着社会的发展进步，安全与水污染防治问题已经受到越来越多的关注。为了发展，人类在实践上、理论上进行着不懈的努力。第一节 水污染基本概念水污染指污染物进入河流、海洋、湖泊或地下水等水体后，使水体的水质和水体沉积物的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值和使用功能的现象。水污染按污染物的来源可分为天然水污染和人为水污染两大类，而后者是主要的，本书主要讨论人为水污染。天然水污染主要由自然因素所造成，自然界自行向水体释放有害物质或造成有害的影响。如特殊的地质条件使某些地区的某些或某种化学元素大量富集（例如，氟磷灰石等矿区可能引起地下水或地表水中氟含量增高，造成水体的氟污染），天然植物在腐烂过程中产生某种毒物，以及降雨淋洗大气和地面后挟带各种物质流入水体，都会影响该地区的水质。人为水污染是指人类在生产、生活过程中产生的污染物（主要是污水）对水体形成的污染。按人类活动方式可分为工业、农业、交通、生活等不同种类的水污染，按其排放的污染物种类可分为无机、有机、热、放射性、重金属、病原体等不同污染物。此外，污染气体及气溶胶的沉降，废渣和垃圾倾倒在水中或岸边，或堆积在土地上，经降雨淋洗流入水体，都能造成污染。一、有关水污染的概念21世纪水正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。伴随着人类的产生，污水作为人类排泄物的一部分就已存在，数量较少时，通过环境的自净就足以将这部分污染物降解消除。但是，随着社会的发展，人口激增，城市化进程加快，污水的成分和性质也发生巨大变化。量大而复杂的化学污染物，如重金属、放射性核素与多氯联苯硝基苯、洗涤剂、化肥和杀虫剂等不能或难以生物降解和去除的污染物，被排放水体，使水和水体的物理、化学性质发生变化，导致水资源急剧劣化污染和减少。20世纪90年代以来，水污染不再是局部的，而是跨国度、遍布于整个流域的水污染问题。伴随日益严重的水污染和水资源减少，水污染治理工作日益变得重要，也促进了污水作为再生水资源的回收和再用，更带动了水污染治理技术的发展进步，以实现污水的净化和利用以及水循环。1水资源及水资源现状水之所以成为资源是由其自身的物理特性、化学特性及自然特性所决定的。水资源有广义和狭义之分，通常所说的水资源是指狭义水资源。 1）水资源概念广义水资源是指自然界中以固态、液态和气态形式广泛存在于地球表面和地球的岩石圈、大气圈、生物圈中的水，是包括海水在内的地球水量的总体。人类生活的地球是一个水的星球，海洋、河流、湖泊、溪流通过水文循环彼此间相互联系，相互影响，共同构成了完整的地球水圈，它是生命的发源地。从这个意义上讲，水圈中的任何水对人类都有着直接或者间接的利用价值，都可以视为水资源。它包括可更新水资源和不可更新水资源。狭义水资源就是在水循环中，富集于江河、湖泊、冰川和埋藏在地下较浅的含水层中的水。它来源于大气降水，可以通过水循环逐年得到补充和更新，易于为人类所利用，包括地表水、地下水和土壤水。其中，地表水为河流、冰川、湖泊、沼泽等水体；地下水为地下汇水的动态水量；土壤水为分散于岩石圈表面的疏松表层中的水。2）世界水资源状况地球表面约有70%以上面积为水所覆盖，其余约占地球表面30%的陆地也有水的存在，但只有2.59%的水是供人类利用的淡水。如图1-1所示，全球水资源总量约13.8109km3，其中，97.41%为海水，淡水只占2.59%，而且绝大部分为极地冰雪冰川（占1.984%）和地下水（占0.592%）。由于开发困难或技术经济的限制，海水淡化技术还未成熟、普及，同时，在地球上的淡水资源中，分布在南北两极地区的固体冰川及永冻土底冰是目前人类尚不能利用的，另外，在地下淡水中，由于它们非常分散，而且绝大部分埋藏很深，因此，只有很少一部分浅层水可供人类利用。目前人类较易利用的淡水资源仅占全球淡水资源的0.3%，占全球总储水量的十万分之七，因此地球上的淡水资源并不丰富。全球淡水资源不仅短缺而且地区分布极不均匀。按地区分布，巴西、俄罗斯、加拿大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果9个国家的淡水资源占世界淡水资源的60%，而约占世界人口总数40%的80个国家和地区的人口面临淡水不足，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。预计到2025年，全世界将有30亿人口缺水，涉及的国家和地区达40多个。人类使用水资源的方式以及污染更加剧了水资源的紧张形势。 图1-1 全球水总量分布简图3）中国水资源现况我国是一个水资源短缺、水旱灾害频繁的国家，如果按水资源总量考虑，我国水资源总量约28000亿m3，水资源总量居世界第六位，但是我国人口众多，若按人均水资源量计算，人均占有量只有2240立方米，仅为世界人均水量的1/4，在世界排第110位（按149个国家统计，统一采用联合国1990年人口统计结果），已经被联合国列为13个贫水国家之一，在世界银行连续统计的153个国家中居第88位。按照国际公认的标准，人均水资源低于3000立方米为轻度缺水；人均水资源低于2000立方米为中度缺水；人均水资源低于1000立方米为重度缺水；人均水资源低于500立方米为极度缺水。中国目前有16个省(区、市)人均水资源量低于重度缺水线，有6个省、区(宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏)人均水资源量低于500立方米，为极度缺水地区。然而，中国又是世界上用水量最多的国家。仅2002年，全国淡水取用量达到5497亿立方米，大约占世界年取用量的13%，是美国1995年淡水供应量4700亿立方米的约1.2倍。从人口和水资源分布统计数据，中国水资源南北分配的差异非常明显。长江流域及其以南地区人口占中国的54，但是水资源却占了81。北方人口占46，水资源只有19。最近几年，北方连年干旱，资源性缺水日益严重令人忧心，南方地区由于不注意污水的处理，把未经处理的污水大量排到天然河道，污染了水体，影响了水资源的有效性，造成有水不能用，形成了水质性缺水的严重状况。受大陆季风气候的影响，中国水资源在季节上分布极不均匀，总是连枯连涝。综上所述，我国水资源具有总量多，人均占有量少，地区分布不均匀，季节分布不均匀，河流含沙量大，水污染日益严重，地下水开采过量等特点。2污水的概念 污水是生活污水、工业废水、农业污水、被污染的雨水的总称。其中，生活污水是人类在日常生活中使用过的，并被生活废料所污染的水；工业废水是在工矿企业生产活动中用过的水，工业废水包括生产污水与生产废水两部分；生活污水与工业废水中的生产污水(或经工矿企业局部处理后的生产污水)的混合污水，称为城市污水。农业污水指农业径流排水；被污染的雨水，主要是指初期雨水。由于初期雨水冲刷了地表的各种污物，污染程度很高，需要作净化处理。在人类生活和生产活动中，从自然界取用了水资源，经生活和生产活动后，又向自然界排出受到污染的水。这些改变了原来的组成，甚至丧失了使用价值而废弃外排的水称为污水。由于污水中混进了各种污染物，排进自然界水体，日积月累，最终将导致自然界中的某一水系丧失使用价值。 1）生活污水 城乡居民在日常生活中所产生的污水，主要包括生活废料和人的排泄物，包括厨房洗涤、沐浴、洗衣等废水以及冲洗厕所等污水。污水的成分及其变化取决于居民的生活状况、生活水平及生活习惯。污染物的浓度与用水量有关。生活污水的水质特征是水质较稳定，但浑浊、色深且具有恶臭，呈微碱性，一般不含有毒物质。由于生活污水适于各种微生物的生长繁殖，所以往往含有大量的细菌、病毒和寄生虫卵。生活污水中所含固体物质约占总质量的0.10.2，其中溶解性固体约占固体总量的3/52/3，主要是各种无机盐和可溶性的有机物质，悬浮固体占总量的1/32/5，而其中有机成分几乎占3/4以上。此外，生活污水中还含有氮、磷等营养物质。2）工业废水 工业废水是指工业生产过程中所排放的废水，包括生产污水与生产废水两类。生产污水是指在生产过程中形成、并被生产原料、半成品或成品等废料所污染的水，也包括热污染(指生产过程中产生的、水温超过60的水)。由于工业类型、生产工艺及用水水质、管理水平的不同，使各类生产污水的成分与性质千差万别，含有各种各样的污染物：有的含有大量的有机污染物质；有的含有毒有害物质；有的物理性状十分恶劣，成分十分复杂。生产废水是指在生产过程中形成，但未直接参与生产工艺、未被生产原料、半成品或成品污染或只是温度稍有上升的水。生产污水必须经净化处理后方能排入水体或城市下水道系统；生产废水不需要净化处理或仅需作简单的处理，如冷却处理。3）农业污水 随着农药与化肥的大量使用，农业径流排水已成为水体的主要污染源之一。施用于农田的农药与化肥除一小部分被植物吸收外，大部分残留在土壤或漂浮于大气中，经降水洗淋、冲刷及农田灌溉排水，残留的农药与化肥最终会随降水及灌溉排水径流排入地面水体或渗入地下水中。此外，农业废弃物(包括农作物的秆、茎、叶以及牲畜粪便等)也会随各种途径带入水体中，造成水体的污染。3主要水污染类型污染物（污水）种类繁多，由此产生的水污染也多种多样，主要类型如下。1）嗅觉感官污染 被污染了的水体在颜色、浊度和嗅味等方面将发生变化，如水色发红或变黑，水体恶臭浑浊，产生大量泡沫等。2）耗氧有机物污染 由城市居民和工矿企业等排放的含有大量有机物的污水，这些污水虽然无毒性，但过多地进入水体时，将导致水体溶解氧含量降低，影响鱼类及其他水生物的生长。3）富营养化污染 富营养化污染是指植物营养物（如磷和氮的化合物）过多排入水体后所引起的二次污染现象。“富营养化”一词来自湖沼学。湖沼学家认为，富营养化是湖泊衰老的一种表现。湖泊中植物营养元素含量增加，导致某些水生植物的大量繁殖，主要是各种藻类的大量繁殖，使鱼类生活的空间愈来愈少。藻类的种类数逐渐减少，而个体数则迅速增加。通常藻类以硅藻、绿藻为主转为以蓝藻为主，而蓝藻有不少种有胶质膜，不适于作鱼料，有一些是有毒的。藻类过度生长繁殖还将造成水中溶解氧的急剧变化。藻类在有阳光的时候，在光合作用下产生氧气；在夜晚无阳光的时候，藻类的呼吸作用和死亡藻类的分解作用所消耗的氧能在一定时间内使水体处于严重缺氧状态，从而严重影响鱼类生存。在自然界物质的正常循环过程中，也有可能使某些湖泊由贫营养湖发展为富营养湖，进一步发展为沼泽和干地。水体富营养化现象除发生在湖泊、水库中，也发生在海湾内，但在有水流动的河流中发生较少。水体中氮、磷含量的高低与水体富营养化程度有密切关系。就污水对水体富营养化作用来说，磷的作用远大于氮。4）有毒物质污染 有毒物质分为无机和有机毒物质，水体中的无机有毒物质主要指重金属污染。包括汞、镉、铅、铬、镍，以及金属砷等生物毒性显著的元素，也包括具有一定毒害性的一般重金属，如锌、铜、钴、锡等。重金属作为有色金属在人类的生产和生活方面有广泛的应用。这一情况使得在环境中存在着各种各样的重金属污染源。采矿和冶炼是向环境中释放重金属的最主要的污染源。通过废水、废气、废渣向环境中排放重金属的工业企业举不胜举。由于人类活动进入环境的重金属量几乎相当于自然过程中的迁移量。前者常是点源，因而能在局部地区造成严重的污染后果。5）病原微生物污染 生活污水、医院污水以及屠宰、鞣革等工业废水，含有各类病毒、细菌、寄生虫等病原微生物，流入水体会传播各种疾病。6）油类污染物 主要包括石油类（来源于工业含油污水）和动植物油脂（产生于人的生活过程和食品工业）等。油类污染物进入水体后将影响水生生物的生长、降低水体的资源价值。油膜覆盖水面将阻碍水的蒸发，影响大气和水体的热交换；油类污染物进入海洋，将改变海洋的反射率和减少进入海洋表层的日光辐射，对局部地区的水文气象条件可能产生一定影响；大面积油膜将阻碍大气中的氧进入水体，从而降低水体的自净能力；石油污染对幼鱼和鱼卵的危害很大，将堵塞鱼的鳃部，使鱼虾类产生石油臭味，降低水产品的食用价值。破坏风景区，危害鸟类生活。7）酚类污染物 酚污染主要来源于煤气、焦化、石油化工、木材加工、合成树脂等工业废水。属于原生质毒物，可使蛋白质凝固，引起神经系统中毒。酚浓度低时，能影响鱼类的回游繁殖。酚浓度达0.1mg/L0.2mg/L时，鱼肉有酚味。酚浓度高会引起鱼类大量死亡，甚至绝迹。酚的毒性可抑制水中微生物的自然生长速度，有时甚至使其停止生长。酚能与饮用水消毒氯产生氯酚，具有强烈异臭（0.001mg/L即有异味，排放标准0.5mg/L ）。二、水污染治理基本原理、方法与系统（一）水污染治理基本原理 1水体自净水体自净（或称水体净化）作用是指污染物（污水）排入各种水体后，在水体本身和污染物自身的物理、化学和生物等过程机理作用下，使水中污染物浓度自然降低或总量减少，受污染的水体部分或完全地恢复原状的现象。水体的自净作用需要一定的时间、范围和适当的水文、水域条件。另外，也取决于污染物性质、浓度以及排放方式等，当排入水体的污染物一旦超过了水体的最大自净“容量”，正常的生物循环或生态平衡将被破坏，水体即被污染。1）水体自净机理 水体自净机理包括沉淀、稀释、混合、挥发等物理过程；氧化还原、分解化合、吸附、胶溶凝聚、离子交换等化学和物理化学过程以及厌氧和好氧的生物同化过程。在自净过程中，各种机理或同时或断续起作用，并互相影响和交织地进行。（1）物理自净 水体的物理自净是指污水或污染物排于水体之后，只改变其物理性状、空间位置，而不改变其化学性质，不参与生物作用。通过混合、稀释、扩散、沉淀、挥发等物理过程，水中污染物浓度降低。其中，可沉淀固体将逐渐沉至水底形成底泥；悬浮胶体和溶解性污染物则因混合稀释而逐渐降低其在水中的浓度，水体得到一定程度的净化。（2）化学自净 化学自净是指污水或污染物在水体中以简单或复杂的离子或分子状态迁移，并发生化学元素性质或形态、价态上的转化，使水质也发生了化学性质的变化，但未参与生物作用的过程。通过化学作用可使一些难溶性物质变为可溶性的盐；而使一些可溶的物质氧化成几乎不溶的物质或水合氧化物而沉淀于水底。化学作用能改变污染物在水体中的迁移能力、毒性大小，也能改变水环境的化学元素反应条件。当这些能力与条件都使受污水朝向污染减轻的方向发展，通过化学或物理化学过程去除了水中的污染物，则称之为化学自净作用。（3）生物自净 水体的生物自净是指水体中的污染物经生物吸收、降解作用使污染物消失或浓度降低的过程。包括水中微生物对有机物污染物的生物分解、生物转化和生物富集等作用。水体生物自净作用也被称为狭义的自净作用，主要是指悬浮物和溶解有机污染物在微生物作用下，发生氧化分解过程。在水的自净中，生物化学过程占主要地位。（4）水体自净举例 以河流自净为例，其自净作用是指河水中的污染物质在河水向下游流动过程中浓度自然地逐渐降低的现象，如图1-2所示。污水排入河流后，物理、化学和生物等自净过程互相影响，交织地起作用，自净程度在不同的位置是不同的。可分为三个相连接的河段，即污染物(污水)排入水体的初期阶段为严重污染的重污染段、其后的中等污染阶段和污水排入水体的后期阶段为污染较轻的轻污染段。每一河段除有各自的物理化学特点之外，还有各自的生物学特点。 （a）河水物理净化过程（b）河水生物化学净化过程 （c）BOD5和DO的变化过程图1-2 水体的自净作用接纳大量污水的河流从污水排放后，经一定的距离和时间后，被排放的污水将与河水完全混合，最终实现水体自净。其间，受许多因素影响，主要有：河水流量与污水流量之比、河流水文条件及污水排放口的位置(岸边或河中)和型式（单点或多点排放)，而影响河流自净过程的因素也很多，如水流方向和速度、风向和风速、水温等。污水中的无机污染物和一些难溶或可溶性污染物通过稀释、扩散、氧化还原、分解-化合、沉淀、挥发等物理或化学过程降低了污染浓度，而污水中呈悬浮胶体和溶解状态的有机污染物，在有溶解氧的条件下，被河流中好氧微生物（如腐生细菌等）氧化降解为简单和稳定的无机物如水、二氧化碳、氨氮和磷酸盐等。氨氮再由硝化菌、亚硝化菌作用转变成硝酸盐和亚硝酸盐。好氧生物净化过程中所消耗的溶解氧由水面复氧和水体中水生植物的光合作用产生的氧来补充，耗氧和复氧过程同时进行。沉于水体底部的有机物则发生厌氧的生物降解过程，最后形成甲烷、二氧化碳、氨和硫化氢等化合物。图1-2(b)简单描绘了河流中污水生物化学净化过程。在有机污染物排入水体的初期阶段，由于有机污染物浓度大，相应的耗氧量大而复氧量较小导致水体中溶解氧(DO)浓度下降，后阶段由于复氧速度大于耗氧速率而使溶解氧浓度不断上升(图1-2(c)。由图1-2(c)可见，对BOD变化曲线来说，当污水排入河中时（以此点为0点），其值急剧上升，随着河水的下流有机污染物被分解BOD值逐渐降低，经过一段时间后又恢复到原来状态。对DO曲线来说，当污水排入河中，河水的溶解氧因有机污染物的好氧生化降解而逐渐下降，一直达到最小DO点(称为临界点或最大亏氧点)，在该点耗氧速率等于复氧速率；在该点之前，耗氧速率大于复氧速率，因而DO不断下降，而在该点之后复氧速率大于耗氧速率，致使DO不断上升，最后恢复到原始值。2）污染物在水体环境中的迁移与转化污染物在不同水体中的迁移转化规律不同。河流的自净能力较强，污染相对容易控制。河流流量大，流速快，水流更新期短，易稀释扩散，使水中化学成分变化迅速，溶解氧含量迅速恢复，因此，水流受到污染后能较快地恢复到原水平。污水排入河流，水体受到污染，形成污染段，水体中溶解氧逐渐被消耗，经过竖向混合阶段、横向混合阶段和断面充分混合等阶段的混合恢复过程，水体中溶解氧逐步回升，污水得以净化。污染物在河流中的扩散和分解受到河流的流量、流速、水深等因素影响。河口（河口是指河流的终段，是河流和受水体的结合地段。受水体可能是海洋、湖泊、水库和河流等，因而河口可分为入海河口、入湖河口、入库河口和支流河口等。此处指入海河口）污染物的迁移转化受潮汐影响，受涨潮、落潮、平潮时的水位、流向和流速的影响。湖泊、水库的贮水量大，但水流一般比较慢，对污染物的稀释、扩散能力较弱。污染物不能很快地和湖、库的水混合，易在局部形成污染。当湖泊和水库的平均水深超过一定深度时，由于水温变化使湖(库)水产生温度分层，当季节变化时易出现翻湖现象，湖底的污泥翻上水面。海洋虽有巨大的自净能力，但是海湾或海域局部的纳污和自净能力差别很大。海湾污水的水温较高，含盐量少，密度较海水小，易于浮在表面，在排放口处易形成污水层。地下水埋藏在地质介质中，其污染是一个缓慢的过程，但地下水一旦污染要恢复原状非常困难。污染物在地下水中的迁移转化受对流与扩散、机械过滤、吸附与解吸、化学反应、溶解与沉淀、降解与转化等受多种因素与过程的影响。天然水体具有接受一定数量污染物的能力，人类把生活和生产废物排入水体后，经过扩散稀释以及微生物的生化作用，可以逐步达到净化。但是，水体的自净能力有一定限度，如果排入的污染物数量过多，水体溶解氧被大量消耗或破坏而不能及时补充，在缺氧条件下，由于厌氧菌作用，就会产生腐败现象，使水体受到严重污染。2水污染治理基本原理面对日益严重的水污染，促使我们必须对所排放的污水及其它污染物进行处理和治理，使其能达标排放，以减轻和改善水环境污染。水污染治理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除（回收利用），或将其转化为无害物质，使污水得到净化。按处理方法的原理，可将水污染治理技术分为物理处理，化学处理和生物化学处理三类。具有代表性的单元操作有自然沉降和自然浮上法、凝聚沉降和凝聚浮上法、过滤法、膜滤法、氧化还原法、活性污泥法、生物膜法、厌氧消化法、生物硝化脱氮法等。由于污水中的污染物质多种多样，不可能用一种处理单元就能够把所有的污染物质去除干净。因此，在实际污水处理中，往往需要通过几种处理方法组合起来进行处理。多种污水处理方法组合就构成了污水处理系统或称污水处理工艺流程。究竟采用哪些基本方法或哪几种方法组合的污水处理系统，需要根据污水的水质和水量、排放标准、处理方法的特点、处理成本和回收经济价值等，通过调查、分析、比较后才能决定，必要时还要进行小试、中试等试验研究。（二）水污染治理基本方法 水污染治理的基本方法，就是为了防止污水（生活污水、工业废水、农业污水和被污染的雨水等）引起环境水体污染而进行的各种净化方法，使污水必须达到一定净化要求才能排放。污水中所含有的污染物，就其存在的形态可分为溶解性的和不溶解性的两大类。溶解性污染物又可分为分子态（离子态）和胶体态两种；不溶性污染物又可分为漂浮在水中的大颗粒物质、悬浮在水中的容易沉降下来的物质和悬浮在水中而不容易沉降的物质。形态不同的污染物在去除时的难易程度相差较大，所采用的方法也不相同。一般漂浮在水中的大颗粒物质最容易被去除，通常采用简单的格栅或筛网过滤就能够完成；而分子态的溶解性污染物质最难被去除，它往往需要通过化学或生物化学反应、或物理化学反应才能被去除。现代水污染治理技术，按原理可分为物理处理方法，化学处理方法和生物化学处理方法三类。 1物理处理方法 利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物质。主要方法有：筛滤法，沉淀法，上浮法，气浮法，过滤法和反渗透法等。 2化学处理方法 利用化学反应的作用，分离回收污水中处于各种形态的污染物质(包括悬浮的、溶解的、胶体的等)。主要方法有中和、混凝、电解、氧化还原、汽提、萃取、吸附、离子交换和电渗析等。化学处理法多用于处理工业废水中的生产污水。3生物化学处理方法 利用微生物的代谢作用，使污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害物质。主要方法可分为两大类，即利用好氧微生物作用的好氧法(好氧氧化法)和利用厌氧微生物作用的厌氧法(厌氧还原法)。前者广泛用于处理城市污水及工业有机性生产污水，其中主要有活性污泥法和生物膜法两种；厌氧法多用于处理高浓度工业有机污水与污水处理过程中产生的污泥，现在也开始用于处理城市污水与低浓度有机污水。水污染治理的基本方法包括物理治理法、化学治理法和生物化学治理法将在第二篇第2章中详细讨论，第二篇第3章和第5章中还将详细讨论污水的生态净化处理方法和污水的再生及其利用。（三）水污染治理程度与流程污水中的污染物多种多样，需要采用几种方法的组合，才能处理不同性质的污染物与污泥，从而将不同形态的污染物依次去除，达到净化与排放标准的目的。在水污染治理工程中，能够完成某种污水去除功能的装置（处理方法）被称作处理单元。由多个污水处理单元（处理方法）串联组合构成了水污染治理工艺流程（或称治理系统）。水污染治理工艺流程通常按照图1-3所示的顺序将不同处理单元（通常采取由简到难的顺序）串联组合起来。根据污水的水质和处理要求不同，可分别选用其中全部或部分工艺流程。 图1-3 水污染治理工艺流程顺序 1. 水污染治理程度与流程现代水污染治理技术，按治理程度划分，可分为一级、二级和三级治理。1）一级治理 主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理后的污水，BOD一般可去除30左右，达不到排放标准。一级治理属于二级治理的预处理。 2）二级治理 主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(即BOD，COD物质)，去除率可达90以上，使有机污染物达到排放标准。二级治理一般采用生物化学处理方法进行。 3）三级治理 是在一级、二级治理后，进一步处理难降解的有机物、磷和氮等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法等。三级治理是深度处理的同义语，但两者又不完全相同，三级治理常用于二级治理之后。而深度处理则以污水回收、再用为目的，在一级或二级治理后增加的处理工艺。污水再用的范围很广，从工业上的重复利用、水体的补给水源到成为生活用水等，将第二篇第5章中详细讨论。 污泥是污水处理过程中的产物。城市污水处理产生的污泥含有大量有机物，富有肥分，可以作为农肥使用，但又含有大量细菌、寄生虫卵以及从生产污水中带来的重金属离子等，需要作稳定与无害化处理。污泥处理的主要方法是减量处理(如浓缩法、脱水等)，稳定处理(如厌氧消化法、好氧消化法等)，综合利用(如消化气利用，污泥农业利用等)，最终处置(如干燥焚烧、填地投海、建筑材料等)。 对于某种污水、究竟采用哪几种治理方法组成系统，要根据污水的水质、水量，回收其中有用物质的可能性、经济性、受纳水体的具体条件，并结合调查研究与经济技术比较后决定，必要时还需进行试验。根据不同水质水量和不同出水要求合理选择最佳的水污染治理工艺流程，是水污染治理工程的重要内容之一。2水污染治理工程举例北京排水集团清河污水处理厂是北京拟建的15座城市污水处理厂中规模较大的一座，承担着北京市西北部地区，包括著名风景旅游区、科教文化区、中关村高科技园区和清河工业区等总计159.42平方公里范围内的污水收集与治理任务。服务人口约81.4万，厂区总占地面积30.1公顷。清河污水处理厂位于清河北岸，清河镇以东马坊村。规划总处理规模为每日40万立方米。根据上游管网配套情况及资金状况，按“统一规划、分期建设”的原则，工程分两期施工。一期工程日处理量20万立方米，总投资4.42亿元人民币，其中使用瑞典政府贷款折合人民币8300万元。工程于2000年12月开工，2002年9月建成通水。二期工程日处理量20万立方米，总投资2.75亿元，工程于2003年7月份开工，2004年12月建成通水。清河污水处理厂一期采用倒置A2O工艺，二期采用A2O工艺，均具有脱氮除磷功能，进一步改善了出水水质。活性污泥在生物反应池内达到稳定状态。为减少占地，设计上无初沉池和浓缩池，增设化学除磷池,其处理流程简图如图1-13所示。处理厂的主要设施包括：格栅、进水泵房、沉砂池、生化反应池（曝气池、除磷池）、沉淀池、鼓风机房、脱水机房和总变电室等，其部分实物图如图1-4图1-13所示。 图1-4 清河污水处理厂污水处理流程简图 图1-5 清河污水处理厂鸟瞰图 图1-6 外景 图1-7 格栅 图1-8 曝气池 图1-9 鼓风机房 图1-10 沉淀池 图 1-11 脱水机房 图1-12 出水口（a） 未处理前 (b) 处理之后 图1-13 治理前后比较清河污水处理厂建成并稳定运行后，对解决中关村高科技园区水体污染状况、改善清河水质及两岸居民的居住环境，提高北京市污水处理率和缓解水资源紧缺状况，把首都建设成为清洁、优美的国际化大都市，增强经济可持续发展能力均具有重大意义。图1-14为一期工程运行前后主要污染物排放比较。污水厂出水排入河系时 间项 目BOD5（mg/L）CODcr(mg/L）SS（mg/L）TN（mg/L）TP（mg/L）清河污水厂清河运行前(2002年6月07.75运行后(2003年7月)75.714688.325.23.70 图1-14 一期工程运行前后主要污染物排放比较三、经治理后的“污水”去处为防止污染环境，污水在排放前应根据具体情况给予适当处理，污水经净化处理后的最终去处主要有：排放水体，作为水体的补给水，地下水回灌；工农业利用，灌溉田地等；处理后回用，重复使用等等。 1排放水体及基本要求排放水体是污水的自然归宿，也是污水传统的和最主要的去处。由于水体具有一定的稀释与自净能力，将使污水得到净化，因此最常采用，同时也是可能造成水体遭受污染的原因之一。污水排入水体应以不破坏该水体的原有功能为前提。由于污水排入水体后需要一个逐步稀释、降解的净化过程，所以污水排放口一般均应建在取水口的下游，以免污染取水口的水质。水体接纳污水受到其使用功能的约束。污水排放水体的基本要求如下。（1）根据中华人民共和国水污染防治法规定，禁止向生活饮用水地表水源和一级保护区的水体排放污水，已设置的排污口，应限期拆除或限期治理。在生活饮用水水源地、风景名胜区水体、重要渔业水体和其他有特殊经济文化价值的水体的保护区内，不得新建排污口。在保护区附近新建排污口，必须保证水体不受污染。（2）污水综合排放标准GB 8978-1996规定在地表水环境质量标准3838-2002中I类、类水域和类水域中规定的保护区和海水水质标准GB 3097-1997中规定的I类水域，禁止新建排污口。现有的排污口必须按水体功能要求，实行污染物总量控制，以保证接纳水体的水质符合规定用途的水质标准。（3）对生活饮用水地下水源应当加强保护。禁止企事业单位利用渗井、渗坑、裂隙和溶洞排放、倾倒含有毒污染物的污水和含病原体的污水。向水体排放含热污水，应当采取适当措施，保证水体的水温符合环境质量标准，防止热污染危害。排放含病原体的污水，必须经过消毒处理，符合国家有关标准后排放。（4）向农田灌溉渠道排放污水应保证下游最近的灌溉取水点的水质符合农灌标准。利用污水进行农田灌溉时，应防止地下水、土壤和农产品受到污染。2污水再生利用水资源短缺已成为全球面临的严重问题，污水经过适当的处理进行再生利用和水的循环，已经成为全世界的共识。随着污水处理技术的不断进步，水质净化手段日益增多，经过处理后的污水再生利用率正在不断提高，有些企业的(例如冶金矿山的磁选厂)污水利用率已超过95。污水再生利用可以缓解水资源的供需矛盾，但必须十分谨慎，以免造成危害。污水的再生利用领域主要包括市政用水(绿地浇灌、市政与建筑用水、城市景观用水等)、工业用水(工艺用水、冷却用水、锅炉用水、其他杂用水等)、农业用水、林业用水、渔业用水、畜牧业用水及地下水回灌等，将在第二篇第五章中详细讨论。污水再生利用可分为直接回用与间接回用两种。直接回用又可分为循序使用法和循环使用法。工矿企业在生产过程中，甲工序产生的污水经适当处理后用于乙工序叫循序使用；经适当处理后，再用于甲工序叫循环使用。地表水体接纳污水并对其作进步净化处理后，再作为沿岸城市与工矿企业的给水水源，属于污水的间接回用。以城市污水为给水水源，经处理后作为生活饮用水，也是重复使用，但处理成本极高，在极端缺乏水源地区，才可考虑采用。在市政用水方面，污水再生利用日益广泛，已大量用于洗车、道路清洗、绿地浇灌、市政与建筑用水、城市景观用水等；在农林牧渔方面，灌溉田地可使污水得到充分利用，但必须符合灌溉的有关规定，使土壤与农作物免遭污染。污水再生利用应满足如下要求：对人体健康不应产生不良影响；对环境质量和生态系统不应产生不良影响；对产品质量不应产生不良影响；应符合应用对象对水质的要求或标准；应能被使用者和公众所接受；回用系统在技术上可行、操作简便；价格应比自来水低廉；应有安全使用的保障。第三节水污染水质指标一、物理性质及指标表示污水物理性质的主要指标是水温、色度、臭味、固体含量及泡沫等。1温 度 污水的水温，对污水的物理性质、化学性质及生物性质有直接的影响。水温是污水水质的重要物理性质指标之一。我国的幅员广大，但根据统计资料表明，各地的生活污水年平均温度差别不大，均约在1020之间。工业废水中的生产污水水温与生产工艺有关，变化很大。故城市污水的水温，与排入排水系统的生产污水性质、所占比例有关。污水的水温过低(如低于5)或过高(如高于40)都会影响污水的生物处理效果。工业废水常引起水体热污染，造成水中溶解氧减少，加速耗氧反应，最终导致水体缺氧或水质恶化。2色 度色度是一种感官性指标。纯净天然水一般是无色的，水的色度来源于金属化合物或有机化合物，含有有机化合物或金属化合物等有色污染物的污水会呈现出各种颜色，影响观瞻。生活污水的颜色常呈灰色。但当污水中的溶解氧降低至零，污水所含有机物腐烂，则水色转呈黑褐色并有臭味。工业废水中的生产污水的色度视工矿企业的性质而异，差别极大，如印染、造纸、农药、焦化、冶金及化工等的生产污水，都有各自的特殊颜色。故色度往往给人以感观不悦。色度可由悬浮固体、胶体或溶解物质形成。悬浮固体形成的色度称为表色。胶体或溶解物质形成的色度称为真色。水的颜色用色度作为指标。3嗅 和 味嗅和味也是一种感官性指标。纯净天然水是无嗅无味的，水的异臭来源于还原性硫和氮的化合物、挥发性有机物和氯气等污染物质。当水体受到污染后会产生异样的气味，还原性硫、挥发性有机物和氯气等污染物会使水发出异臭，而不同盐分会使水产生不同的异味。生活污水的臭味主要由有机物腐败产生的气体造成。工业废水的臭味主要由挥发性化合物造成。 臭味大致有鱼腥臭胺类CH3NH2，(CH3)3N，氨臭(氨NH3)，腐肉臭二元胺类NH2 (CH2)4NH2，腐蛋臭(硫化氢H2S)，腐甘蓝臭有机硫化物(CH3)2S，粪臭(甲基吲哚C8H5NHCH3)以及某些生产污水的特殊臭味。臭味给人以感观不悦，甚至会危及人体生理，呼吸困难，倒胃胸闷，呕吐等。故臭味也是物理性质的主要指标。4固 体 物 质固体物质按存在形态的不同可分为：悬浮的、胶体的和溶解的三种；按性质的不同可分为：有机物、无机物与生物体三种。固体含量用总固体量作为指标（英文缩写为TS）。把一定量水样在105110烘箱中烘干至恒重，所得的重量即为总固体量。水中所有残渣的总和称为总固体(TS，Total Solid)，总固体包括溶解物质（DS）和悬浮固体物质（SS，Suspended So1id）或称悬浮物。水样经过滤后，滤液蒸干所得的固体即为溶解性固体（DS），滤渣脱水烘干后即是悬浮固体（SS）。溶解性固体表示盐类的含量，悬浮固体表示水中不溶解的固态物质的量。固体残渣根据挥发性能可分为挥发性固体（VS）和固定性固体（FS）。挥发性固体反映固体的有机成分量。悬浮固体也由有机物和无机物组成。故又可分为挥发性悬浮固体(英文缩写为VSS)或称为燃烧减重和非挥发性悬浮固体(英文缩写为NVSS)或称为灰分两种。水体含盐量多将影响生物细胞的渗透压和生物的正常生长。悬浮固体将可能造成水道淤塞。挥发性固体是水体有机污染的重要来源。二、化学性指标1有机物指标有机物指标用于测定水中有机污染物成分。生活污水中含有大量有机物，主要来源于人类排泄物及生活活动产生的废弃物洗涤污物、食物残屑、动植物残片等；主要成分是碳水化合物、蛋白质与尿素及脂肪；组成元素是碳、氢、氧、氮和少量的硫、磷、铁等。食品加工、饮料等工业废水中有机物成分与生活污水基本相同，其他工业废水所含有机物种类繁多，主要有动植物纤维、油脂、糖类、染料有机酸、各种有机合成工业品、有机原料、废物等。有机物在微生物作用下最终分解为简单的无机物质、二氧化碳和水等。这些有机物在分解过程中需要消耗大量的氧，故属耗氧污染物。耗氧有机污染物是使水体产生黑臭的主要因素之一。有机物具有下述危害：（1）消耗溶解氧、恶化水质、破坏水体；（2）抑制水生生物、破坏水生生态；（3）滋生微生物，传播疾病；（4）有毒有机物直接危害人体健康和水生生物生长，等等。污水中有机污染物种类繁多，组成较复杂，现有技术很难分别逐个测定各类有机物的含量，也没有必要。在实际工作中通常是利用共性，用某种指标间接反映其含量。例如，一般利用有机污染物易被氧化，采用生物化学需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)作为测定指标，或者采用总有机碳(TOC)、总需氧量(TOD)、总氮、总磷、总硫等根据主要元素含量指标来反映水中有机物的含量。1）生物化学需氧量(BOD，Biological Oxygen Demand ) 水中有机污染物被好氧微生物分解时所需的氧量称为生化需氧量(以mgL为单位)。它反映了在有氧的条件下，水中可生物降解的有机物的量。生化需氧量愈高，表示水中需氧有机污染物愈多。有机污染物被好氧微生物氧化分解的过程，一般可分为两个阶段：第一阶段主要是有机物被转化成二氧化碳、水和氨；第二阶段主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐。污水的生化需氧量通常只指第一阶段有机物生物氧化所需的氧量。微生物的活动与温度有关，测定生化需氧量时一般以20作为测定的标准温度。一般生活污水中的有机物需20天100天左右才能基本上完成第一阶段的分解氧化过程，即测定第一阶段的生化需氧量至少需20天时间，这在实际工作中有困难。目前常以5天作为测定生化需氧量的标准时间，简称5日生化需氧量(用BOD5表示)。据实验研究（如图1-15所示），一般生活污水有机物的5日生化需氧量约为第一阶段生化需氧量的70左右，对其他工业废水，其5日生化需氧量与第一阶段生化需氧量之差，或较大或比较接近，不能一概而论。 图1-15 BODL与BOD5的关系2）化学需氧量(COD，Chemical Oxygen Demand ) 用化学方法氧化分解污水水样中有机物过程中所消耗的氧化剂量折合成氧量（O2）称化学需氧量（以mg/L为单位）。COD的测定原理是在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化成CO2与H2O所消耗的氧量(mgL)，即称为化学需氧量，常用的氧化剂主要是重铬酸钾(K2Cr2O7) 用CODcr表示，一般简写为COD和高锰酸钾(KMnO4) 用CODMn或简称OC表示，我国法定用重铬酸钾。化学需氧量愈高，也表示水中有机污染物愈多。用高锰酸钾作为氧化剂，其氧化能力较重铬酸钾弱，测得的耗氧量也较低， 化学需氧量COD的优点是较精确地表示污水中有机物的含量，测定时间仅需数小时，且不受水质的限制。缺点是不能像BOD那样反映出微生物氧化有机物、直接地从卫生学角度阐明被污染的程度；此外，污水中存在的还原性无机物（如硫化物）被氧化也需消耗氧，所以COD值也存在一定的误差。如果污水中有机物的组成相对稳定，则化学需氧量和生化需氧量之间应有一定的比例关系，生活污水通常在0.40.5。一般说，重铬酸钾化学需氧量与第一阶段生化需氧量之差，可以粗略地表示不能被需氧微生物分解的有机物量。差值越大，难生物降解的有机物含量越多，越不宜采用生物处理法。因此，BOD5/ COD的比值，可作为该污水是否宜于采用生物处理的判别标准，故把BOD5/ COD的比值称为可生化性指标，比值越大，越容易被生物处理。一般认为比值大于0.3的污水，才适于采用生物处理。3）总有机碳(TOC，Total Organism Carbon )与总需氧量(TOD，Total Oxygen Demand )总有机碳(TOC)是指在950高温下，以铂作为催化剂，使水样气化燃烧，然后测定气体中的CO2含量，从而确定水样中碳元素总量。测定中应该去除无机碳的含量。在900950高温下，将污水中能被氧化的物质，主要是有机物，包括难分解的有机物及部分无机还原物质燃烧氧化成稳定的氧化物测量载气中氧的减少量，称为总需氧量（TOD）。TOD测定方便而快速。总有机碳(TOC)包括水样中所有有机污染物质的含碳量，也是评价水样中有机污染质的一个综合参数。有机物中除含有碳外，还含有氢、氮、硫等元素，当有机物全都被氧化时，碳被氧化为二氧化碳，氢、氮及硫则被氧化为水、一氧化氮、二氧化硫等，此时需氧量称为总需氧量(TOD)。 目前应用的5日生化需氧量(BODs)测试时间长，不能快速反映水体被有机质污染的程度。有时进行总有机碳和总需氧量的试验，以寻求它们与BOD5的关系，实现自动快速测定。2无机性指标 污水中的无机性指标包括植物营养元素(或富营养化物质)、pH值和碱度、重金属离子等。1）植物营养元素 污水中的氮、磷为植物营养元素，从农作物生长角度看，植物营养元素是宝贵的物质，但过多的N、P进入天然水体却易导致富营养化，导致水生植物尤其是藻类的大量繁殖，造成水中溶解氧的急剧变化，影响鱼类生存，并可能使某些湖泊由贫营养湖发展为沼泽和干地。2）pH值和碱度 主要是指水样的酸碱性。pH7是碱性。一般要求处理后污水的pH值在69之间。天然水体的pH值一般为69，当天然水体受到酸碱污染时pH值发生变化，消灭或抑制水体中生物的生长，妨碍水体自净，还可腐蚀船舶。若天然水体长期遭受酸、碱污染，将使水质逐渐酸化或碱化，从而对正常生态系统产生影响。碱度指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，按离子状态可分为三类：氢氧化物碱度；碳酸盐碱度；重碳酸盐碱度。3）重金属 作为微量金属元素重金属的主要危害：生物毒性，抑制微生物生长，使蛋白质凝固；逐级富集至人体，影响人体健康。重金属主要指汞、镉、铅、铬、镍，以及类金属砷等生物毒性显著的元素，也包括具有一定毒害性的一般重金属，如锌、铜、钴、锡等。重金属是构成地壳的物质，在自然界分布非常广泛。重金属在自然环境的各部分均存在着本底含量，在正常的天然水中重金属含量均很低，汞的含量介于0.001mg/L0.01mgL之间，铬含量小于0.001mgL，在河流和淡水湖中铜的含量平均为0.02mg / L，钴为0.0043mgL，镍为0.001mgL。4）含氮化合物和含磷化合物 如前所述，氮是有机物中除碳以外的一种主要元素，也是微生物生长的重要元素。污水中氮有四种：有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮。含氮化合物的危害主要表现于：消耗水体中溶解氧；促进藻类等浮游生物的繁殖，形成水花、赤潮；引起鱼类死亡，水质迅速恶化等方面。关于氮的几个指标：有机氮：主要