水污染控制工程教学作者孙体昌娄金生第3章废水性质表征.ppt

第3章废水性质表征 2 废水是一个非常复杂的体系 不同废水的性质变化很大 即使是同一种废水 其性质也随时间的变化而变化 在确定废水处理工艺之前 首先要对废水的性质有一个准确的了解和描述 即废水的表征问题 本章主要介绍表征废水的常用指标和特点 废水中的污染物种类繁多 表示各种污染物的指标也有很多 可以按产生污染的原因分类 也可以按污染物的化学性质分类 本章根据污染物的性质把表征废水中污染物的指标分为物理 无机化学成分 有机化学成分和生物等几类指标分别论述 3 第3章废水性质表征 3 1物理指标3 1 1固体物质3 1 2浊度3 1 3电导率3 1 4颜色3 1 5温度 3 2无机化学组分3 2 1pH值和碱度3 2 2硫化物和氯化物3 2 3氮和磷3 2 4气体和气味3 2 5重金属离子3 3有机化学组分3 3 1综合有机成分3 3 2单个有机组分3 4生物组分 4 3 1物理指标 3 1 1固体物质 几乎所有废水中都含有一定量的固体物质 废水中所含固体物质的种类很多 其大小从体积很大的杂物到胶体不等 在表征废水时 大颗粒的杂物一般在水样进行固体分析之前除去 下面分别介绍表征废水中固体物质的几个指标和测定方法 表征废水的物理指标包括固体物质 浊度 电导率 颜色和温度 5 1 总固体 Totalsolids TS 废水中的总固体是指其中所含的所有固体物质 测定方法是把一定体积的废水试样在103 105 C下蒸发干燥 所得到的残渣总量即是废水中的总固体量 一般用质量浓度表示 即mg L 废水中的总固体包括了无机物和有机物 实际中需要把将其区分开 由于废水中成分的复杂性 逐个区分有机物和无机物很困难 所以采用特定的方法区分 最常用的是用挥发性固体和固定性固体来区分 6 2 总挥发性固体 Totalvolatilesolids TVS 和总固定性固体 Totalfixedsolids TFS 废水中的有机固体和无机固体通过总挥发性固体和总固定性固体来区分 所以把总固体在 可以挥发的部分固体称为总挥发性固体 不能挥发的部分固体称为总固定性固体 总固体 挥发性固体 固定性固体 有机固体 无机固体 一般的有机物在500 C左右可以挥发 500 50 C时灼烧 大多数无机物在该温度时不能挥发 7 3 总悬浮固体 Totalsuspendedsolids TSS 和总溶解性固体 Totaldissolvedsolids TDS 总悬浮固体和总溶解性固体分别表示废水中的固体是呈颗粒状还是溶解态 区分方法是把废水试样经特定孔径的滤膜过滤 能被滤膜截留的部分固体称为总悬浮性固体 透过膜的固体称为总溶解性固体 最常用来区分TSS和TDS的滤膜是孔径为0 45 m的玻璃纤维滤膜 滤膜 TSS TDS 最常用来区分TSS和TDS的滤膜是孔径为0 45 m的玻璃纤维滤膜 8 悬浮性固体和溶解性固体也可以再细分为挥发性和固定性两种 区分方法与总固体相同 总悬浮固体在500 C 50 C灼烧时能挥发的固体为挥发性悬浮固体 VolatilesuspendedsolidsVSS 残留的为固定性悬浮固体 FixedsuspendedsolidsFSS 溶解性固体也可以用同样的方法分为挥发性溶解固体 Totalvolatiledissolvedsolids VDS 和固定性溶解固体 Fixeddissolvedsolids FDS 总固体TD 悬浮性固体TSS 溶解性固体TDS 挥发性悬浮固体VSS 固定性悬浮固体FSS 挥发性溶解固体VDS 固定性溶解固体FDS 9 4 可沉降固体 Settleablesolids 废水中的悬浮固体的多少又可用可沉降固体表示 它是指经过一段特定时间后可以沉降的悬浮固体 测定方法是把废水试样放入如图3 1所示的容积为1L的英霍夫锥形管 Imhoffcone 里 沉降一定时间后记录沉降固体的体积 结果用mL L表示 常用的沉降时间为1h 通常情况下 城市废水中悬浮固体的60 都是可沉降的 可沉降固体表示废水用沉降法处理时可以去除的固体量和污泥产生量 除可沉降固体以外 所有其他固体都用mg L表示 图3 2的说明了废水中各种固体物质之间的相互关系 10 测定方法是把废水试样放入容积为1L的英霍夫锥形管里 如右图所示 沉降一定时间 1h 后记录沉降固体的体积 用mL L表示 通常情况下 城市废水中的悬浮固体的60 都是可沉降的 可沉降固体表示废水用沉降法处理时可以去除的固体的量和污泥的产生量 图3 1测定废水中可沉降固体的英霍夫锥形管 11 图3 2废水中各种固体的相互关系示意图 12 5 固体测定中存在的问题由于在区分总悬浮固体和总溶解性固体时需要过滤 所以总悬浮固体的测定结果带有某种程度的不确定性 主要原因如下 TSS的测试数据依赖于测定过程采用滤膜的种类和孔径 同一废水采用不同孔径的滤膜过滤所得数据不同 取决于确定TSS所用水样体积的大小 原因是存在自过滤现象 即悬浮固体被滤网截留后其本身也可以起到滤膜的作用 自过滤可以使TSS的测定量在实际值的基础上有明显的增加 取决于颗粒物的性质 小的颗粒物可以通过已经截留在滤网上物质的吸附作用而去除 TSS是一个综合参数 因为TSS中所包含的颗粒的数目和颗粒的粒度分布是未知的 挥发性和固定性固体区分不严格 假定挥发性物质为有机物 但有些有机物在测定温度下不能燃烧 而有些无机固体在该温度下也会分解 13 3 1 2浊度 Turbidity 虽然废水中固体的测量和表征存在上述缺点 TSS还是经常用于评价常规处理工艺的效果 特别是在废水回用时 是否需要过滤取决于废水中TSS的数量 TSS也是判断处理厂控制管理情况时最常用到的两个水质标准之一 在实际使用时要注意固体指标测定的条件和具体含义 浊度是废水允许光线穿透能力的度量 它也是表征废水中胶体和固体悬浮物数量的参数 因为浊度是一种光学性质 它的大小不仅与废水中不溶物的数量 种类和浓度有关 同时与这些不溶物的颗粒尺寸和对光的折射性质有关 浊度的测定有多种方法 基本原理都是把待测水样与已知浊度的标准水样进行比较 用不同的标准溶液所得的浊度单位也不同 这里只介绍常用的杰克逊浊度单位和散射浊度单位 14 1 杰克逊浊度单位 Jacksonturbidityunit JTU 由于废水的浊度是由其中的不溶物质造成的 而能产生浊度的物质又是千变万化的 为了便于比较 必须规定一个统一的标准 杰克逊浊度单位中规定1L蒸馏水中含有1mg悬浮SiO2所产生的浊度为一个标准浊度单位 简称1度 因此可以配制成不同浊度的标准悬浮液 按一定的方式把待测水样与不同浊度的标准悬浮液进行比较 水样的浊度与哪个标准悬浮液相同 则水样的浊度就是多少 用此种方法测得的浊度称为杰克逊浊度单位 最常用的是目视比浊法 即把已知不同浊度的标准悬浮液放入专用的比色管中 然后把废水也放入同样的比色管中 在白色背景下分别与已知浊度的悬浮液比较 与哪一个相同 废水的浊度就是多少 15 2 散射浊度单位 Nephelometricturbidityunit NTU 散射浊度单位是用光电浊度计测得的 它是依据光的散射原理制成的 当光线穿过废水时 其中的的悬浮颗粒会散射光线 其散射的强度与悬浮颗粒的总数和粒度有关系 颗粒越多散射强度越大 因此测定废水对光的散射强度的大小就可以表示废水浊度的大小 废水的散射浊度也是将待测试样的光散射强度与相同条件下参比悬浮液的光散射强度相比较而得到的 常用的参比悬浮液是福尔马肼 Formazin 因此有些文献中也把散射浊度单位称为福尔马肼浊度单位 Formazinturbidityunits FTU 同一种废水用不同的方法所测得得浊度数值是不同的 因此在表示废水的浊度时应注明浊度单位的类型 16 与直接测定废水中的悬浮固体相比 浊度的测量相对比较简单 快速 特别是用浊度计测量时更是如此 因此人们希望找到废水的浊度与其中总悬浮固体浓度的定量关系 由于废水的复杂性 在未经处理的废水中这种定量关系并不存在 但是对经过活性污泥法处理的二沉池出水和过滤后的二沉池出水来说 其散射浊度与总悬浮固体量之间就存在定量的函数关系 可用式3 1表示 TSS TfT 3 1 其中 TSS是水样中总悬浮固体浓度 mg L Tf是将浊度转换成总悬浮固体浓度的常数 mg L NTU T是浊度 NTU 17 转换常数Tf的具体数值随着处理厂的不同而改变 主要取决于生物处理过程的运行情况 一般二沉池出水的转换常数为2 3 2 4 用粒状介质过滤后的二沉池出水的转换常数为1 3 1 6 浊度测量存在的问题有两个 测定结果的波动较大 当过滤后出水的浊度值很低时更为严重 波动大小取决于所用的光源 白炽灯还是光散射二极管 和测量方法 悬浮物对光的吸收问题 例如 完全黑体溶液的浊度几乎为0 因此对不同文献中提到的浊度值进行比较是几乎不可能的 但是对于同一个设备所产水的浊度数值还是可以用作过程控制的参数的 18 3 1 3电导率 ElectricconductivityEC 电导率是废水导电能力的量度 因为电流是靠废水中的离子来传导的 所以电导率随着离子浓度的增加而上升 废水的电导率是用电导率仪测定的 所以测定比较方便 快捷 实际中常常通过废水的电导率来推断其总溶解固体含量 电导率的常用单位是微西门子 厘米 S cm 同样由于废水成分的复杂性 其电导率和总溶解固体之间也没有固定的函数关系 但经处理后的水中溶解固体的浓度和电导率之间的关系可以用式3 2估计 TDS mg L 0 55 0 70 EC S cm 3 2 天然水的电导率在50 500 S cm之间 蒸馏水的电导率在0 5 2 0 S cm之间 海水的电导率约为30000 S cm 目前 电导率是决定水是否适宜灌溉的重要参数之一 处理后用于灌溉的废水 就是通过测量电导率来估计其盐度的 需要指出的是电导率只能表示废水中离子状态的物质的数量 不能表示溶解性的非离子态物质 如有机物 19 3 1 4颜色 Color 纯水是无色的 而废水由于存在各种各样的污染物而呈现不同的颜色 例如 新产生的生活废水经常是浅棕灰色的 但随着其在收集系统的流动 会出现厌氧的状态 因此废水的颜色也不断变化 从灰色到深灰色 最终变成黑色 当废水颜色变黑时常称废水已经腐败 几乎所有的工业废水都会有不同的颜色 废水的颜色是造成人的感观污染的主要原因 因此去除废水的颜色是废水处理的一个重要任务 废水的颜色可以用色泽和色度来表征 废水的色泽是指废水的颜色种类 通常用文字描述 如 棕色 黑色 深蓝色 棕黄色 浅绿色 暗红色等 色泽只能定性的描述 在实际使用时很不方便 为能定量地表示废水的颜色 实际中常用色度来表示 废水的颜色又分为真色和表色两种 真色是去除悬浮物后的颜色 没有去除悬浮物以前水的颜色称为表色 20 色度是指废水所呈现的颜色深浅程度 有两种表示方法 1 铂钴标准比色法以铂和钴的化合物在水中所产生的颜色为标准 规定在1L水中含有氯铂酸钾 K2PtCl6 2 491mg和氯化钴 CoCl2 6H2O 2 00mg时 也就是在1L水中含1mg铂及0 5mg钴时所产生的颜色深浅为1度 可以配成不同色度的一系列标准水样 然后用待测水样与之比较 与哪个标准样的色度相同则待测水样的色度就是多少 2 稀释倍数法用纯净水将废水稀释 用把废水稀释到接近无色时所需的稀释倍数表示色度 单位是倍 倍数越高说明废水的颜色越深 比色是在专用的比色管中进行的 水柱高10cm 把稀释不同倍数的废水在白色背景下与同体积的蒸馏水比较 一直稀释到不能看到颜色为止 此时的稀释倍数就是该废水的色度 由于同一废水用不同的方法得到的色度是不一致的 所以在表示废水色度时要注明测定方法 21 3 1 5温度 Temperature 废水的温度是一项非常重要的指标 因为它对水中化学反应的形式和反应速率 水生生物的生存和废水是否适宜回用都有重要影响 水温上升会导致受纳水体中存在的鱼的种类发生变化 此外 氧气在高温水中的溶解度比低温水中小 在夏季 随着温度的升高 生化反应率提高 同时地表水体中的氧气量下降 二者的作用会导致水中溶解氧浓度急剧下降 当大量的高温水被排入自然受纳水体中时 这种影响就被放大了 还需注意的是 当水的温度产生突变的时候 会引起水生生物的大量死亡 再者 反常的高温也会促进不希望的水生植物和废水中真菌的生长 加速水体富营养化的进程 22 温度对废水生物处理的影响很大 细菌活动的最佳温度范围是25 35 C 温度上升到50 C 好氧消化和硝化作用就会停止 温度下降到15 C时 产甲烷细菌的活性就会大大下降 再降低到5 C时 自养硝化菌实际上已停止活动 2 C的时候 对含碳物质起降解作用的化能异养菌进入休眠状态 废水中包含家庭和工业活动产生的热水 因此废水的温度普遍比当地供水温度高 由于水的比热容比空气高得多 一般是除了最热的夏季以外 全年的大部分时间废水的温度都比当地空气的温度高 由于废水的温度过高所造成的污染也称为热污染 23 第3章废水性质表征 3 1物理指标3 1 1固体物质3 1 2浊度 Turbidity 3 1 3电导率 ElectricconductivityEC 3 1 4颜色 Color 3 1 温度 Temperature 3 2无机化学组分3 2 1pH值和碱度3 2 2硫化物和氯化物3 2 3氮和磷3 2 4气体和气味3 2 5重金属离子3 3有机化学组分3 3 1综合有机成分3 3 2单个有机组分3 4生物组分 24 3 2无机化学组分 3 2 1pH值和碱度 氢离子浓度在自然界的水和废水中都是一项重要的性质参数 一般用pH值表示 适宜大多数生物存活的pH值范围很窄 一般是6到9 也很关键 氢离子浓度很高的废水很难用生物方法处理 排放到环境中的废水允许的pH值在6 5 8 5之间 废水中各种无机组分的浓度可以很大程度上影响废水的处理方法和回用 因此 每一种组分必须分别考虑 本节涉及到的无机非金属组分包括pH值 氮 磷 碱度 氯化物 硫 其他无机组分 同时包括气体和气味 因为大多数化学组分的浓度都由溶液中的氢离子浓度决定 所以接下来首先讨论pH值和碱度 25 废水的碱度也是一项重要的参数 它表示废水接受质子的能力 可以用水中所有能与强酸发生中和作用的物质所接受的质子的总量来度量 废水的碱度是由钙 镁 钠 钾和氨的氢氧化物 碳酸盐和碳酸氢盐引起的 其中钙和镁的碳酸氢盐是最常见的 硼酸盐 硅酸盐 磷酸盐和其它一些类似化合物也可以引起碱度 废水的碱度可以缓冲加入酸时所引起的pH值的变化 废水的碱度在化学和生物处理 生物去除营养物质以及空气吹脱法脱氨的过程中都是非常重要的 26 由于废水中产生碱度的物质大多数情况主要是碳酸氢盐 碳酸盐和氢氧化物组成的 其他物质所引起的碱度一般很少 可以忽略不计 因此废水碱度的碱度可以按式3 3计算 碱度 mmol L HCO3 CO32 OH H 碱度是用标准酸溶液滴定法测定的 其结果常用碳酸钙表示 单位为mmol L或mg L 碳酸钙从mmol L转换成mg L的关系如下 1mmol L 50mg L因此 碱度为3mmol L就可表示为CaCO3是150mg L 27 3 2 2硫化物和氯化物 氯化物是废水中一个重要的组分 它在中水回用时是一个重要的指标 也是废水排放的指标之一 天然水体中的氯化物来源有 从所接触的含氯化物的岩石和土壤中浸出 沿海水域主要是海水的入侵造成的 农业 工业以及生活废水排入地表水 例如 一个人每天的排泄物中含有6g氯化物 在水的硬度很高的地区 家庭再生型水软化器的再生会使水中增加大量的氯化物 因为废水处理的常规方法基本不能去除水中的氯化物 所以 水体中氯的浓度高于正常浓度可以认为是该水体被用来排放废水的标志 28 大部分给水中都含有硫酸盐 因此废水中也含有硫酸盐 蛋白质的合成过程需要硫 当蛋白质降解时 硫又被释放出来 硫酸盐在厌氧环境下被生物还原成硫化物 然后硫化物与氢结合成硫化氢 典型的反应式如下 有机物 SO42 S2 H2O CO2S2 2H H2S硫化氢气体 在未充满的下水道中会聚集在水面的上方 可以在管道的穹顶部分聚集 聚集的硫化氢可以被生物氧化成硫酸 对混凝土管道产生腐蚀 会严重威胁下水管道的结构完整 在污泥消化器中硫酸盐会被还原成硫化物 当硫化物浓度超过200mg L时将会影响生物反应过程 29 3 2 3氮和磷 微生物 植物和动物生长必不可少的氮和磷称做营养物质或者生长刺激剂 微生物的生长也需要诸如铁这样的微量元素 但是大多数情况下 氮和磷是最重要的营养物质 因为氮是蛋白质合成时必要的合成材料 废水的生物处理需要有足量的氮存在 如果氮不足 就需要加入氮元素 这样废水才能进行处理 但是废水中的氮和磷也是污染物 过量的氮 磷会造成严重的污染 因此去除废水中的氮和磷也是废水处理的重要任务 30 自然界中的氮可以有几种氧化态 而且通过生物作用可以改变氮的氧化态 更复杂的是由生物产生的氮的氧化态的改变可能是升高也可以是降低 取决于是好氧状态还是厌氧状态占优势 氮的氧化态如下 废水中以及在水和土壤环境中氮的最常见和最重要的氧化态是氨气 NH3 氨根 NH4 氮气 N2 亚硝酸根离子 NO2 和硝酸根离子 NO3 大多有机化合物中氮的氧化态是 3 为表征废水中氮的各种存在形式 提出了不同的表示方法 其定义如表3 1所示 31 表3 1表示废水中不同状态氮的指标 32 总氮包括有机氮 氨态氮 亚硝酸根和硝酸根 有机氮是指废水中存在于有机物中的氮 主要的含氮有机物有氨基酸 氨基糖和蛋白质 氨基酸聚合物 等 含氮的有机化合物可以是可溶性的 也可以是颗粒状的 这些化合物中的氮很容易通过水体或者土壤环境中的微生物的作用转换成铵 在废水处理中有机氮在微生物的作用下首先转变成氨态氮 然后进一步转变成亚硝酸盐和硝酸盐 在缺氧的条件下亚硝酸盐和硝酸盐又转化成氮气 硝酸根形式的氮是废水中氮最彻底的氧化形式 表示废水中各种氮的单位都是mg L 去除废水中的氮也是水处理的一项重要任务 33 在生物处理的研究中 为确定废水的可处理性 需要把有机氮进一步分为颗粒态和溶解态 目前已经使用的表示氮的存在状态的有 可生物降解的可溶性有机氮 可生物降解的颗粒状有机氮 不可生物降解的可溶性有机氮 不可生物降解的颗粒状有机氮 34 表征废水中磷的指标有总磷 TP 无机磷 InorgP 和有机磷 OrgP 单位为mg L 总磷是指废水中所有形式的磷 无机磷是废水中以无机物存在的磷 最常见的是正磷酸盐和聚磷酸盐 正磷酸盐包括PO43 HPO42 H2PO4 和H3PO4 无机磷不需进一步分解就可以直接被生物的新陈代谢过程所利用 聚磷酸盐是指那些含有两个以上磷原子的复杂化合物 聚磷酸盐在水中发生水解作用 生成正磷酸盐 但是这个过程相当缓慢 有机磷是指废水中以有机物存在的磷 在生活废水中 化合态的有机磷不是很重要 但在工业废水以及污泥中它是非常重要的 35 氮和磷的危害主要是引起水体的富营养化 富营养化是指含有氮 磷等营养物质的废水大量排入湖泊 河口 海湾等缓流水体 促使藻类以及其他水中浮游生物过量繁殖 从而引起水质恶化 导致鱼类及其他生物大量死亡的现象 这种现象出现在海洋中称为赤潮 出现在湖泊中称为水华 水体中总氮含量超过0 2 0 3mg L 含磷超过0 02mg L时就称为富营养化 在一般情况下 受氮 磷含量 特别是磷含量的限制 水体中藻类和浮游生物不致于过度增殖而出现富营养化 然而 当水体受废水污染时 营养物质的增加可导致自养型生物 尤其是藻类的剧增 生物种群也因此而改变 例如 水体中的藻类本来以硅藻为主 受污染后可变为以蓝藻为主 蓝藻的大量出现是水体富营养化的明显征兆 一旦水体达到富营养化指标 即可显示出富营养化带来的危害 36 富营养化的危害有 造成水体透明度下降 影响水生植物的光合作用 某些浮游生物可产生生物毒素 如石房蛤毒素 伤害鱼类 藻类及其他水生生物死亡后 其残体被好氧微生物降解而消耗水中的溶解氧 其残体被厌氧微生物降解则可产生硫化氢等有害气体 它们均可危及水生生物 主要是鱼类 的生存 在富营养化的水体中 经过微生物的转化常常出现亚硝酸盐和硝酸盐 长期饮用这种水 人畜会中毒致病 长期的富营养化会使水体消失 湖泊变成沼泽 最后变成陆地 37 防治水体富营养化的措施为 严格控制营养物质 主要是氮和磷 进入水体 疏浚底泥 除去水草和藻类 引入低营养水稀释 饲养草食性或杂食性鱼类 38 3 2 4气体和气味 1 气体废水中含有的气体一般包括氮气 氧气 二氧化碳 硫化氢 氨气和甲烷 1 溶解氧好氧微生物和其他好氧生物的呼吸都需要溶解氧 然而 氧气是微溶于水的 可以溶解在水溶液中的实际氧气及其他气体量是由以下因素决定的 气体的溶解度 大气中该气体的分压 温度 水中杂质的浓度 例如盐度 悬浮固体等等 大气中常见的气体 在所有与大气接触的水体中都会存在 由废水中的有机物分解产生的 因其与人的健康和安全有关而受到关注 39 因为好氧生化反应率随着温度的升高而加快 所以溶解氧的程度在夏季显得尤为关键 夏季水流比较低 溶解氧总量低 所以问题就更为严重 废水中的溶解氧可以避免臭气的产生 所以它的存在是很必要的 2 硫化氢硫化氢是一种无色 易燃 有臭鸡蛋气味的化合物 硫化氢是有毒的 因此对它的存在必须特别小心 高浓度的硫化氢会破坏嗅觉 导致嗅觉丧失 硫化氢的存在会使水变黑 这是因为硫化氢与铁反应生成了硫化亚铁 同时硫化氢也会生成许多其他的金属硫化物 硫化氢也是废水产生臭味的最重要原因 废水中的硫化氢主要来源于其中的含硫有机物的厌氧分解以及亚硫酸盐和硫酸盐的还原 在充足氧存在的条件下不会形成硫化氢 40 3 甲烷 Methane 废水中的有机物厌氧分解最主要的副产品就是甲烷 甲烷是无色 无味 具有高热值的易燃碳氢化合物 一般来说 原水中不会含有大量的甲烷 因为即使很少量的氧气对产甲烷微生物都是有毒的 不过 在某些废水收集和处理设施的底部大量的沉积物中有时也会由于厌氧腐化作用产生甲烷 因为甲烷是高度易燃的 其爆炸的危害极大 因此在污水管道的检查孔 下水道连接处和连接间等处都有可能聚集甲烷 所以操作人员在检查 更新和维修之前和整个过程中都要用保证通风 当工作在可能产生甲烷的构筑物内或其附近工作时 必须采取安全措施 41 2 气味 Odors 废水的气味多数是由其中的有机物分解产生的气体或使用中进入废水中的物质引起的 新产生的废水有一种特别的 多少有一点难闻的气味 这种气味比废水经过厌氧消化后带有的气味要稍好闻一些 腐败的废水最大的特点是生成了硫化氢 工业废水有时含有带气味的化合物 也含有废水处理过程中将产生气味的化合物 气味是废水处理设施中最引起公众关注的问题 对气味的控制已经成为废水收集 处理和处置设施的设计和运行过程考虑的主要因素之一 在许多地区 因为气味所带来的潜在问题 许多工程都被迫搁浅 从废水管理中气味重要性的角度来看 应该考虑臭味产生的影响 相应的检测手段 以及它们的表征和测量的方法 42 1 气味的影响低浓度的气味对人类产生的影响主要是对人心理产生的压力 而不是对身体产生的危害 难闻的气味将会引起食欲的减退 呼吸困难 恶心 呕吐和情绪波动 在极端的情况下 难闻的气味会使人们和社会的自信心下降 影响人际关系 降低投资者信心 影响社会经济状况 一些带有气味的化合物在高浓度的情况下是有毒的 2 气味的检测对人类产生心理压力的恶臭气体可以通过嗅觉系统被感知 但相关的准确机理目前还没有完全了解 已经提出了超过30种理论来解释嗅觉 但都不能完全解释气味所产生的机理 难点之一在于没有充足的理由来解释为什么有的化合物结构类似 但气味明显不同 而有的化合物虽然结构差别很大 但气味却相同 43 3 臭和味的表征某种化合物的臭和味的表征用臭阈浓度和味阈浓度 它是指某种化合物在无臭和无味的水中所能被察觉出的最低浓度 臭阈浓度和味阈浓度是通过若干人构成的小组按照一定的程序确定的 由于废水中所含能产生臭和味的化合物种类很多 很难将其区别开 所以表征废水的臭和味的用臭阈值TON Threshholdodournumber 表示 即用无臭无味的水把废水稀释到人刚刚能感觉到臭和味时 稀释后水的总体积与稀释前废水体积的比值 可用3 4式表示 3 4 式中 V1是稀释前废水的体积 mL V2是稀释时所用的无臭无味水的体积 mL 44 3 2 5重金属离子 化学上一般把密度大于4的金属称为重金属 水污染中所指的重金属主要是Hg Cr Cd Pb As Ni Ce Cu Zn Ti Mo等 其中影响最严重的是Hg Cr Cd Pb As5种 1 重金属的来源废水中重金属的来源包括居民区排放 地下水渗透 以及商业和工业排放 不同重金属的来源不同 但主要来自工业废水 不同的重金属对生物所产生的毒性也不同 如汞进入人体后被转化成甲基汞 在脑组织内积累 破坏神经功能 且无治疗药物 严重时能造成死亡 铬中毒时引起全身疼痛和骨节变形 日本在20世纪50年代出现的 痛痛病 就是由于铬中毒引起的 45 其它的重金属中毒分别有不同的症状 工业废水中经常出现镉 铬 铅和汞 特别是在金属涂镀行业的废水中经常能发现这些金属 工业废水要先经过预处理来去除这些金属 而不能将其与城市废水混合 2 重金属污染有如下特点 这里需要强调一下重金属污染的特点 毒性以离子状态最大 且不同价态的毒性不同 如Cr6 的毒性大于Cr3 但As3 的毒性大于As5 很难被生物降解 有时还可以被生物转化成毒性更大的物质 如汞在生物体内转化成甲基汞就是最典型的例子 还有 大多数重金属还可以在生物体内富集 这样虽然在水中重金属的浓度不高 但通过生物富集以后 也有可能造成危害 据研究 海水中的汞通过食物链可富集2万倍 重金属进入人体后 能够和生理高分子物质 如蛋白质和酶等 发生作用而使这些高分子物质失去活性 也可能在人体的某些器官内积累 造成慢性中毒 这种危害有时需要相当长的时间才能显现出来 且很难消除 46 有些重金属是人体必须的元素 人体缺乏这些元素也会产生某种疾病 但过量又会中毒 更为严重的是有些重金属缺乏时的症状和中毒时的症状相同 如锌 儿童缺锌时会出现厌食 异食等症状 但锌中毒时也会有相同的症状 大多数金属是生物生长必要的 如果缺乏足够的量都会限制诸如水藻等生物的生长 但如果这些金属大量存在 又会因其毒性而影响水的回用范围 因此 测量和控制这些物质的浓度是非常必要的 许多痕量金属 例如镉 铬 铜 铁 铅 锰 汞 镍和锌是大多数水体中的重要成分 许多这种金属都被划分为优先污染物 由于越来越多的出水被用做灌溉和景观美化 所以就需要对许多金属可能存在的有害影响进行评价 当农业上应用污泥来堆肥时 砷 镉 铜 铅 汞 钼 镍 硒和锌都应该确定 47 第3章废水性质表征 3 1物理指标3 1 1固体物质3 1 2浊度 Turbidity 3 1 3电导率 ElectricconductivityEC 3 1 4颜色 Color 3 1 温度 Temperature 3 2无机化学组分3 2 1pH值和碱度3 2 2硫化物和氯化物3 2 3氮和磷3 2 4气体和气味3 2 5重金属离子3 3有机化学组分3 3 1综合有机成分3 3 2单个有机组分3 4生物组分 48 3 3有机化学组分 废水中有机化合物一般是由碳 氢 氧组成的 有时侯还有氮 硫和磷等一些其他元素 废水中常见的有机物有蛋白质 40 60 碳水化合物 25 50 油类和脂肪 8 12 尿素是废水中又一重要有机物 但因为尿素很容易分解 所以只有在刚刚产生的废水中才可以发现它 除了蛋白质 碳水化合物 脂肪 油类和尿素外 废水一般还含浓度低但种类繁多的人工合成有机物 其结构有的简单 有的极其复杂 由于废水中的有机物成分非常复杂 把废水中的有机成分单独分析几乎是不可能的 废水中有机物的表征有两种方法 一种是用来测量综合有机物 它们是性质类似但很难单独区分的一类有机化合物 另一种是定量的测定单个有机物含量 49 3 3 1综合有机成分 目前用来表征废水中综合有机物浓度的指标有生物化学需氧化学需氧量总需氧量总有机碳理论需氧量以上指标是用来表征废水中需氧有机物的数量 需氧有机物是指在废水中能被微生物降解的有机物 在降解的过程中需要消耗废水中的溶解氧 废水中这类物质越多 降解所消耗的氧量越大 因此可以用废水中的有机物被微生物降解所消耗的氧量来衡量废水中有机物的多少 50 生物化学需氧量 BiochemicalOxygenDemand BOD 生物化学需氧量表示在有氧的条件小 由于微生物 主要是细菌 的活动 可降解的有机物达到稳定化所需要的分子氧量 表征废水时用单位体积废水所消耗的分子氧的质量表示 单位是mg L 有机物被微生物降解消耗氧的过程大体上有三种不同性质的活动 首先 一部分废物被氧化成最终产物 以获得维持细胞活动和合成新的细胞组织所需要的能量 同时 利用氧化过程释放出的部分能量 一部分废物被转化成新的细胞组织 实现微生物的增殖 最后 当有机物耗尽的时候 新生的细胞就开始消耗其自身的组织来获得维持其活性的能量 此时称为内源呼吸作用 51 有机物被微生物降解消耗氧的过程大体上有三种不同性质的活动 首先 一部分废物被氧化成最终产物 以获得维持细胞活动和合成新的细胞组织所需要的能量 同时 利用氧化过程释放出的部分能量 一部分废物被转化成新的细胞组织 实现微生物的增殖 最后 当有机物耗尽的时候 新生的细胞就开始消耗其自身的组织来获得维持其活性的能量 此时称为内源呼吸作用 如果用 COHNS 代表碳 氧 氢 氮和硫元素 来代表废水中的有机物 用 C5H7NO2 来表示细胞组织 三个反应过程可以用以下化学反应式表示 氧化过程 COHNS O2 微生物 CO2 H2O NH3 最终产物 能量合成过程 COHNS O2 微生物 能量 C5H7NO2 新细胞组织 52 内源呼吸 C5H7NO2 5O2 5CO2 NH3 2H2O如果有充足的氧气 有机物的好氧生物降解就会一直进行 直到所有有机物分解完全 如果只考虑到废物中包含的有机碳的氧化作用 最终的BOD量就等于完成以上三个反应所需要氧气的量 这个需氧量被称做最终碳BOD 用BODU表示 实际上上述过程的完成是缓慢的 大约需要20d左右的时间 这在实际应用中很不方便 所以规定以反应5d为标准 这就是BOD5 为叙述方便 本书中把BOD5简称为BOD BOD的测定与温度有关 所以规定测定时温度为20 即在20 时废水中的有机物被微生物分解5d所需要的溶解氧的数量 单位是mg L 要注意与其它单位的区别 同理BOD20表示废水被微生物降解20d所需要的氧量 53 化学需氧量 ChemicalOxygenDemand COD 化学需氧量表示在一定条件下 用化学氧化剂氧化废水中的有机物使其生产CO2和H2O时所消耗的氧量 单位也是mg L 常用的氧化剂有重铬酸钾和高锰酸钾 用重铬酸盐来氧化废水中的有机物所需的氧气的量如下式所示 CnHaObNc dCr2O72 8d c H nCO2 H2O cNH4 2dCr3 其中 54 从实际操作的角度看 COD法最主要的优点之一就是它可以在大约2h内完成 而BOD法则需要5d甚至更多 COD得另一个优点是测定结果的重现性比BOD好 COD克服了BOD所存在的一些缺陷 人们希望能找到COD和BOD之间的定量关系 这样就可以得到测定速度快且准确的表征废水中需氧有机物的数量 但实际上他们之间的定量关系不存在 不同的废水BOD和COD数值之间的差别很大 一般是COD高于BOD 产生差别的原因如下 废水中存在许多很难被生物氧化的有机物 但这些有机物可以被化学氧化 如木质素等 所以会造成COD数值偏高 废水中的某些无机物也可以被重铬酸盐氧化 这也增加了水样的表观有机物含量 有些有机物对BOD测量时所用的微生物是有毒的 55 产生差别的原因如下 废水中存在许多很难被生物氧化的有机物 但这些有机物可以被化学氧化 如木质素等 所以会造成COD数值偏高 废水中的某些无机物也可以被重铬酸盐氧化 这也增加了水样的表观有机物含量 有些有机物对BOD测量时所用的微生物是有毒的 用高锰酸钾为氧化剂所测的COD称为高锰酸盐指数或OC 也称为化学耗氧量 高锰酸盐指数一般用于低污染废水的表征 56 总需氧量 totaloxygendemand TOD 和总有机碳 totalorganiccarbon TOC COD的测定比BOD5快了许多 但对于指导废水处理过程的操作仍嫌太慢 因此又提出了测定速度更快的TOD和TOC 方法是在900 下 以铂为催化剂 使水样汽化燃烧 然后测定气体载体中氧的减少量 作为有机物完全氧化所需的氧量 称为总需氧量 在同样条件下用红外线分析仪或其他方法来测定气体中二氧化碳的增量 从而确定出水样中碳元素的含量 称为总有机碳 上述两种方法测定迅速 只需几分钟 但所需设备复杂 而且BOD与TOD和TOC之间无固定关系 如果能够在TOC和BOD的结果之间建立起一种正确的关系 就可以将TOC运用于过程控制 57 理论需氧量 TheoreticalOxygenDemand ThOD 废水中的有机物一般是碳 氢 氧 氮组成的 如前所述 废水中这些组分的主要成分是碳水化合物 蛋白质 油类 脂肪以及它们的降解产物 如果有机物的化学组成是已知的 就可以计算出分解这些化合物所需的氧的数量 此需氧量称为理论需氧量 58 以上指标各有特点 在实际应用时要根据实际情况选择使用 使用最多的是BOD5和COD 实际中也常用废水的BOD与COD的比值来衡量废水的可生物处理性 如果原水BOD COD大于等于0 5 就可认为该废水很容易用生物法处理 如果该比值小于0 3 要么该废水中含有一些有毒成分 要么处理该废水就需要更适合的微生物或该废水用生物法处理有困难 城市废水的比值一般介于0 3到0 8之间 在使用这些比值的时候 要注意该比值会随着废水处理程度的不同而改变 如表3 2所示 59 表3 2不同废水的BOD COD 60 吸收紫外线的有机物 UV AbsorbingOrganicConstituents 废水中存在大量能强烈吸收紫外线辐射的有机化合物 例如腐殖质 木质素 鞣酸和各种芳香族化合物等 因此 紫外线吸收法可以代替以上提到的其他方法用来衡量废水中有机化合物的数量 测定吸收率的紫外线波长一般在200到400nm之间 最常用的是254nm 紫外线吸收测量法的结果用cm 1做单位 因为废水对紫外线的吸收还与废水的pH值有关 所以要标明测量时的pH值和所用紫外线的波长 虽然有干扰化合物存在时会影响测试的可靠性 但已经证实这种方法在确定废水中可吸收紫外线的综合有机物时非常有效 61 废水吸收紫外线的能力用吸光度来表示 吸光度是废水中的组分对某一特定波长的光吸收能力的量度 用分光光度计和特定厚度 一般为1cm 的比色皿测定 可用式3 5表示 3 5 其中 A是吸光度值 单位为1 cm I0是穿过已知厚度的比色皿的空白液的后光的强度 I 相同厚度含有废水的比色皿后的光的强度 62 吸光度是在特定波长下用分光光度计测定的 波长为254nm时各种废水吸光度的代表值如表3 3所示 表3 3不同废水的吸光度值 63 油类物质 Oilandgrease 废水中的油类物质一般是指比水轻能浮在水面上的液体物质 主要影响是它不溶于水 进入水体后会在水面上形成薄膜 影响氧气的溶入 降低水中的溶解氧 水中含油达到0 01mg L时即可使鱼肉带有特殊气味而不能食用 油膜还能附在鱼鳃和其它水生生物的呼吸器官上 使生物呼吸困难 严重时会导致死亡 含油废水对植物也有影响 妨碍通气和光合作用的进行 使农作物减产 甚至绝收 石油进入湖泊和海洋后不仅对水体造成影响 还会影响海滨环境 特别是在游览水域 废水中的油类物质主要来自炼油厂废水 石油运输过程的泄漏 油库的渗漏 大多数工业废水中或多或少地含有油类污染物 废水中油类污染物的多少也用质量浓度表示 单位为mg L 64 表面活性物质 Surfactants 表面活性物质也称为表面活性剂 一般是由一个强憎水基团和一个强亲水基团构成的有机大分子物质 一般来说 憎水基团是一个含有10到20个碳原子的烃基 目前有在水中能电离的和在水中不能电离的两种憎水基团 阴离子表面活性剂带负电 例如RSO3N Na 而阳离子表面活剂带正电 如RMe3N Cl 非离子表面活剂一般包含一个聚合乙烯烃亲水基团 ROCH2CH2OCH2CH2 OCH2CH2OH 一般简写为Ren 其中的n是亲水基团中 OCH2CH2 单元的平均个数 表面活剂容易聚集在气水界面上 排列方式是亲水基团在水中 憎水基团在空气中 在废水的曝气过程中 这些化合物聚集在气泡表面 形成一层非常稳定的泡沫 影响水的处理过程 65 目前检测水和废水中的表面活剂有两种测试方法 亚甲基蓝活性物质 MBAS 测试法用来检测阴离子表面活剂 测试是衡量表面活性物质在亚甲基蓝标准溶液中颜色的变化 非离子表面活剂是用硫氢酸钴活性物质 CTAS 法测试的 非离子表面活剂与硫氢酸钴反应生成一种含钴物质 该物质可以用液体有机物萃取出来 然后进行测量 表示废水中表面活性剂数量的常用单位是mg L 66 3 3 2单个有机组分 以上所介绍的表征废水特性的指标可以表示出废水中某一类物质的数量 但在实际应用中有时需要知道废水中某些特定物质的具体数量 因此还需要表示废水中某些单个有机化合物的数量 67 优先污染物 PriorityPollutants 目前世界上已知的化学品已达一千多万种 进入环境的化学物质也有数十万种 其中有毒有害的为数众多 人们不可能对每一种化学品都进行检测和控制 只能有重点 针对性地对部分污染物进行监测和控制 所以必须确定一个筛选原则 对众多有毒污染物进行分级排队 从中筛选出潜在危害性大 在环境中出现频率高的污染物作为监测和控制对象 这一筛选过程应用了数学上的优先过程 经过优先选择的污染物称为环境优先污染物 简称为优先污染物 优先污染物是根据其已知和可能有的致癌性 致突变性 致畸性和强毒性确定的 目前美国已经确定了65类大约129种优先污染物 我国也确定了优先污染物的名单 共18类 约70种 68 优先污染物有如下共同特点 已知或怀疑有致癌性 致突变性 致畸性或强毒性 生物难以降解 在环境中有持久性和生物积累性 许多有机优先污染物也属于可挥发有机化合物 优先污染物的数量用每种物质在废水中的质量浓度表示 一般为mg L或 g L 69 挥发性有机化合物 VolatileOrganicCompounds VOCs 一般把沸点小于等于100 C或在25 C时蒸气压大于1mm汞柱的有机化合物称做挥发有机化合物 VOCs 例如 氯乙烯沸点 13 9 C 20 C蒸气压为2548mm汞柱 它就是一种极易挥发的有机化合物 挥发性有机化合物之所以受到关注是因为 这种化合物一旦处于气态就很容易流动 因此更容易被释放到环境中 这类化合物在大气中会给公共健康带来很大威胁 它们会增加大气中的活性烃 这种烃会导致光化学氧化剂的产生 这些化合物在下水道和处理设施中的排放 特别是在处理厂的进水处会引起人们对收集系统管理和处理厂工人健康的关注 挥发性有机化合物的数量也用mg L表示 70 消毒副产品 DisinfectionByproducts DBPs 用氯对废水进行消毒是目前应用最广的消毒方法 但是由于废水中含有多种有机物 氯加入后会生成许多含氯有机化合物 这些化合物一般被称为消毒副产品 尽管它们的浓度很低 但还是受到关注 因为其中许多确实或可能对人类具有潜在的致癌性 这些化合物一般包括三卤甲烷 THMs 三氯苯酚和乙醛等 有报道说在废水处理厂中发现了硝基甲胺钠 N nitrosodimethylamine NDMA 关注这种化合物的原因是许多亚硝胺化合物具有很强的致癌性 这些化合物在低浓度时也会对大量鱼类产生强致癌性 美国环境保护局对NDMA的限制是万亿分之二 最近的研究认为NDMA可能是在用氯消毒的过程中形成的 71 另外在处理出水中 由于用氯消毒 亚硝酸根离子可以和盐酸反应 生成硝酸 进而 硝酸可以和二甲胺生成NDMA 化合物二甲胺是废水和地表水体中常见的化合物 出现在尿 粪便 水藻和植物组织中 二甲胺还是一些废水处理用的高分子化合物和离子交换树脂用到的聚合物的组成部分 由于用氯消毒会产生对人体和环境有害的副产品 人们开始关注用紫外线来代替氯进行废水的消毒 此外 人们也开始改进常规处理工艺 提高对可以产生消毒副产品的有机物的去除率 72 杀虫剂和农用化学品 PesticidesandAgriculturalChemicals 杀虫剂 除草剂和其他农用化学品对许多微生物都是有毒的 因此是地表水污染物的重要组成部分 这些化学品在生活废水中并不多见 主要出现在农业 绿地和公园土地的地表径流中 这些化合物的聚集会导致鱼类的死亡 破坏鱼类作为食用的价值 并且降低供水质量 对人体健康也会产生一定的危害 73 新出现的有机化合物 EmergingOrganicCompounds 除了上文中讨论过的化合物以外 供水和处理出水中又确认了许多新的化合物 这些化合物来源广泛 主要有 动物和人类所用的抗生素 人类处方和非处方药物 工业和家庭废水产物 性和类固醇激素 随着对这些化合物对健康的影响越来越多的了解 将会对这些化合物进行排放限制 74 第3章废水性质表征 3 1物理指标3 1 1固体物质3 1 2浊度 Turbidity 3 1 3电导率 ElectricconductivityEC 3 1 4颜色 Color 3 1 温度 Temperature 3 2无机化学组分3 2 1pH值和碱度3 2 2硫化物和氯化物3 2 3氮和磷3 2 4气体和气味3 2 5重金属离子3 3有机化学组分3 3 1综合有机成分3 3 2单个有机组分3 4生物组分 75 3 4生物组分 水是一种良好的溶剂 其中往往溶解着一定量的无机和有机物质 可供微生物生长繁殖 然而 清洁水体的微生物含量并不高 通常每毫升水中只有几十至几百个细菌 清洁水体的微生物以自养菌为主 对人类无害 常见的化能自养型细菌有硫细菌 铁细菌 鞘细菌 光能自养型细菌有绿细菌 紫细菌和蓝细菌 另外还有无色杆菌属 色杆菌属和微球菌属等腐生性细菌 然而 清洁水体经常受到土壤 垃圾 人畜粪便 以及各种污水的污染 一旦这些污染物中的病原菌进人水体 或这些污染物引起某些藻类大量繁殖 就可使水质严重恶化 危害人类 此处只介绍废水中常见的细菌 有关细菌对人和环境的影响请参考有关微生物学的书籍 76 致病菌 致病菌也称为病原微生物 是指进入人体后能导致人患某种疾病的微生物的总称 废水中的致病菌是由受疾病感染或携带某一特定传染病菌的人或动物的排泄物进入进入水体造成的 废水中的致病微生物可以划分为四大类 细菌 原生动物 寄生虫卵和病毒 来自于人类的细菌类致病微生物一般会引起胃肠疾病 例如伤寒和副伤寒 发烧 痢疾 腹泻和霍乱 因为这些微生物传染性很强 所以它们每年都会在公共卫生条件差的地区引起成千上万的人死亡 特别是在热带地区 据估计 全世界有45亿人已经或正在感染某种寄生虫 因为