环境工程学的发展和内容

绪论环境工程学的发展和内容,PrefaceDevelopmentandContentofEnvironmentEngineering,一、环境科学与环境工程学,One.EnvironmentScienceandEngineering,环境工程学是环境科学的一个分支，又是工程学的一个重要组成部分。它是一门运用环境科学、工程学和其他有关学科的理论和方法，研究保护和合理利用自然资源，控制和防治环境污染与生态破坏，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。,二、环境工程学的形成与发展,Two.AppearanceandDevelopmentofEnvironmentEngineering,英国在19世纪初开始用砂滤法净化自来水，并在1850年把漂白粉用于饮用水消毒，以防止水性传染病的流行；,1852年美国建立了木炭过滤的自来水厂。19世纪后半叶，英国开始建立公共污水处理厂。第一座有生物滤池装置的城市污水厂建于20世纪初。,1914年出现了活性污泥法处理污水的新技术。第二次世界大战后的半个多世纪，全球经济迅速发展，各种水处理新技术、新方法不断涌现，给水排水和水污染控制工程得到了极大的发展。,1855年美国发明了离心除尘器，20世纪初开始采用布袋除尘器和旋风除尘器。随后，燃烧装置改造、工业废气净化和空气调节等工程技术也逐渐得到推广和应用。,环境工程学是在环境问题的发生和发展的基础的应运而生的，具有问题导向性。,环境问题,经济问题,能源问题,人口问题,政治问题,粮食问题,食品安全问题,医疗保障问题,社会福利问题,社会稳定,对立,合作,在环境工程学的发展进程中，人们认识到控制环境污染不仅要采用单项治理技术，还应当采用经济的、法律的和管理的各种手段以及与工程技术相结合的综合防治措施，并运用现代系统科学的方法和计算机技术，对环境问题及其防治措施进行综合分析，以求得整体上的最佳效果或优化方案。在这种背景下，环境规划和环境系统工程的研究工作迅速发展起来，逐渐成为环境工程学的一个新的、重要的分支。,20世纪90年代开始，人们提出：污染控制不能只是单纯地对已产生的环境污染物进行处理处置(即所谓的“末端治理”模式)，而更应着眼于防止这些污染物的产生，采取污染预防和污染治理相结合的“全过程控制”的新模式。,三、环境工程学的主要内容,Three.primarycontentofenvironmentengineering,(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程措施。其主要研究领域有：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。,(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工程技术措施。其主要研究领域有：大气质量管理；烟尘等颗粒物控制技术；气体污染物控制技术；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。,研究城市垃圾、工业废渣、放射性及其他危险固体废弃物的处理、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。其主要研究领域有：固体废弃物管理；固体废弃物无害化处置；固体废弃物的综合利用和资源化；放射性及其他危险废物的处理；噪声、振动、电磁辐射的防护与控制等。,(3)固体废弃物控制及噪声、振动与其他公害防治工程：,(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，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生与排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危害。,(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，进行合理的环境规划、设计与管理；它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。,(6)环境监测与环境质量评价,环境影响评价：,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的判定、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。,附：流体流动,第一节概述第二节流体静力学第三节管内流体流动的基本方程式第四节管内流体流动现象第五节管内流体流动的摩擦阻力损失第六节流量的测定第七节流体输送机械,1.1概述1.1Summarization,流体(fluid)：气体和液体统称为流体。只有流动才能完成生产程序，才能完成水和大气的治理过程，只有流动才能使反应物和添加剂之间充分混合，消除阻力。流体微团或流体质点(fluidparticle)：是由大量分子组成的分子集团，在研究流体流动时，为简化研究过程，常把流体视为无数的流体微团组成的介质。连续性假设(continuityassumption)：假设流体是由连续的流体质点组成的，几个质点相互紧挨，之间没有孔隙，每个质点只受到相邻质点的力，而摆脱分子间相互作用的力、分子运动产生的碰撞力、分子间吸引力均为流体质点的内力。,可压缩流体(compressiblefluid)：流体体积随压力与温度变化，气体比液体有较大的压缩性，当压力与温度改变时，气体体积有较大的变化，属于可压缩流体。但如果压力或温度变化率很小，气体体积变化小，则气体也可当作不可压缩流体对待。不可压缩流体(incompressiblefluid)：流体体积随压力与温度不发生变化，液体体积变化很小，一般视为不可压缩流体。,1.2流体静力学1.2Hydrostatics,流体静力学(hydrostatics)：研究静止流体在外力的作用下的平衡关系，即流体处于静止或相对静止状态时应该具备的规律。一、流体的压力压强(pressure)：流体垂直作用于单位面积的力，习惯上称为流体的压力。作用于整个面积的力，称为总压力，在静止流体中从各个方向作用于一点的压力大小相等。法定单位：压力（压强）N/m21标准大气压=101.325kPa绝对压力(absolutepressure)：以绝对真空为基准测得的压力。它是流体真实的压力。相对压力(relativepressure)：以外界大气压为基准测得的压力，又称为表压(gaugepressure)。是压力表测得的压力。表压=绝对压力-大气压力,真空度(vacuum)：绝对压力与大气压力差值的绝对值，真空度=大气压力-绝对压力。表压的数值可正，可负，为正值时，流体的表压就称为正压，为负值时称为负压。把负值改为正值表示时即为真空度的概念。只有绝对压力小于大气压力时才有真空度的概念。测量负压的压力表又称为真空表。,二、流体的密度(density)和比容(specificvolume)1密度：单位体积流体的质量。1）液体混合组分液体的密度随压力和温度的变化很小，假设混合液为理想液体，则其体积等于各组分单独存在时的体积之和，当混合液中各组分密度已知时，混合液的密度为：,2）气体单一组分气体的密度随温度压力的变化较大，一般情况下（压力不大，温度不太低），气体密度可近似的按理想气体状态方程计算，单一组分则有：标准状态气体则有：若已知标准状态下气体密度，其他状态的密度为3）气体混合组分当流体不是单一组分时，该混合物也可以近似按照理想气体来计算，气体的密度为：,2比容：单位质量流体的体积，即流体的比容是密度的倒数。,二、流体静力学的基本方程式Two.Thebasicequationoffluidstatics该方程式是描述静止流体内部的压力随高度变化的表达式。1不可压缩流体如右图所示，试计算C点的压强。在静止的流体中任意选一流体微团，横截面积为A，密度为，选取容器底面为基准水平面，微团上底面距基准面Z1，下底面距基准面Z2。由于液体处于静止状态，所以合力为零。,即：液体中高度为Z2处所受的压强等于高度为Z1处所受压强加上gh，与表面积无关，在整个横截面上所受的压力相等。通常情况下，高度为Z1处的压强需要计算，为了方便起见，选液面为基准，设液面压强为po则：流体静力学基本方程式,对该方程式做以下讨论：1）当液面上的压强po一定时，静止液体内任一点的压力大小，只与液体密度与该点距液面的深度h有关。换句话说，在连续、静止的同一液体内部，同一高度处，压力相等。2）八斯嘎原理：当液面压强变化时，液体内部各点的压力会发生同样大小的变化。3）液体内外压力差的大小与h呈线性关系。4）两边除以g，Z2移项得：，在静止、连续的同一流体内部，不同垂直位置上的Z与之和为常数。,2可压缩流体与液体的推导方法相似。气体密度随压力改变，但在小范围内，静止连续的气体中，密度变化很小，液体静力学方程式适用于气体。通常认为，小范围内连续静止的密闭气体，由于气体密度小两高度处的压力差很小，可以忽略不计。,三、流体静力学基本方程式的应用Three.Applicationofthebasicequationofthefluidflow（一）压力测量1U形管压差计（液柱为指示液或者被侧液本身）指示液的要求：1）与被侧液体互不相容，不起化学反应，即，被侧液与指示液之间要有明显的分界线。2）密度大于被侧液的密度，不会造成被侧液与指示液的反混。1）液体压差计将压差计与被侧液体两截面相连，作用于压差计两端的压力分别为p1，p2，若p1p2，两端指示面会出现一个高度差R，设指示液密度为0，被侧液密度为。根据静止的、连续的、同一流体，同一水平面的压力相等的原则，有下面等式成立：,2）气体压差计在小范围内压差计气柱两端的压强与液面处相等，该压差计以测量液体本身为指示液。,1-3管内流体流动的基本方程式1-3Thebasicequationoffluidflowintube,一、流量和流速体积流量(volumetricflowrate)：单位时间流体流经任意界面的体积。Vm3/s质量流量(massflowrate)：单位时间流体流经任意界面的质量。Gkg/s平均流速(averagevelocity)：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。工程上，平均流速等于体积流量与截面积的比值。U=V/Am/s质量流速(massvelocity)：质量流量除以截面积。=ukg/sm2,二、连续性方程(equationofcontinuity)假设管道无泄漏，根据质量守恒对于不可压缩流体如果圆形管道所以：不可压缩流体在管道中流速与管道内径的平方成反比。,流动流体的连续性方程,三、伯努利方程(Bernouliequation)1推导假定流体无黏性，即流体与管道之间无摩擦力，无能量损失。横截面上流体质点的速度分布是均匀的，流体的压力与密度取截面上的平均值。设流体质量流量为G，截面积为A，在管道中取一微管段dx，流体质量为dm，对dx进行受力分析。,在x方向上，重力分力压力分力合力：（*）,合力,由（*）式可得：,伯努利方程式，适用于不可压缩的、稳定流动的非黏性流体。,2伯努利方程的物理意义gz：单位质量流体所具有的位能；z：单位重量流体所具有的位能，又叫位压头。：单位质量流体所具有的静压能；：单位重量流体所具有的静压能，又叫静压头。：单位质量流体所具有的动能。：单位重量流体所具有的动能，又叫动压头。,三者均为机械能，三者之和称为总能量或总机械能，三种形式的能量会互相转化，但总能量不会增减。,四、实际流体的机械能恒算式(Conservationofmechanicalenergyofrealfluid)实际流体由于有黏性，截面上流体速度分布不均匀，流体流速取截面上的平均速度，在流体流动过程中，一部分机械能转化为热能，造成损失。实际机械能恒算式中需加入能量损失项。1重力流（流体由高处向低处流动）在截面1和截面2上各安装一根测压管，实际流体在管内流动时，位压头z1=z2，动压头，由于流体的内摩擦力，不可避免地要消耗一部分机械能，所以两根测压管液体上升高度有一个高差，这个高差为1和2两截面静压头的差，即流体水平流动时，能量损失由静压头提供。,2压力流流体由能量较小的地方输送到能量较高的地方。,伯努利方程式的应用1）分析和解决流体输送有关的问题；2）流体流动过程中流量的测定；3）管径的确定。解题一般步骤：1）选取截面确定恒算系统的范围。选取截面的条件：流体必须连续稳定的流动，而且充满整个系统，并尽量选取已知量多的截面，两截面与流动方向相垂直。2）确定基准面衡量位能大小的基准，通常选取位能较低的一个水平面为0位能面。3）计算将已知条件带入方程式进行计算，压力只能同时使用表压或绝对压力。,1-4管内流体流动现象1-4Phenomenonoffluidflowintube,利用伯努利方程进行计算时，必须先知道能量损失的数值，本节讨论能量损失的原因及管内速度的分布。,一、黏度(viscosity)1牛顿黏性定律黏性：流体流动时产生的内摩擦力的性质。流体黏性越大，流动性越小。黏性反应流体分子和分子之间的性质。设上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满静止流体，若下板固定而上板施加以固定的外力，上板以较小的速度做平行于下板的等速直线运动，板间的流体也随之运动。上层因附于板上，速度与上板相同，靠近下板的液体，因附在板上而静止不动，层与层之间存在速度差，或相对运动，由于液体分子之间的引力及分子的无规则运动，速度较快的液层对于其相邻的速度较慢的液层又向前的托动力，而速度较慢的液层对其上速度较快的液层又向后的阻碍力。运动着的流体内相邻流体之间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。,若y处流体层的速度，在垂直距离dy处的临近流体层的速度为，速度梯度为。实验证明：两流体层之间单位面积的内摩擦力（剪应力），与垂直于流体流动方向上的速度梯度成正，即：其中为粘滞系数，又叫动力黏度。的物理意义：=1时，单位面积上产生的内摩擦力的大小。与物质本身的性质有关。,牛顿黏性定律,影响因素：1）温度升高，液体黏度减小，气体黏度增大。2）压力对黏度可视为无影响。,二、流体流动类型与雷诺数（styleoffluidflowandReynoldsnumber)1雷诺实验装置：如右图所示，透明水槽，喇叭状的玻璃管，玻璃瓶内充满有色液体，阀门用来调节水量。实验时，有色液体从瓶内流出，经喇叭口中心处的针状西管流入管内，通过有色液体的流动情况，可以观察到管内水流中质点的运动情况。,流速较小时，管中心的有色液体在管内沿轴线方向成一条轮廓清晰的直线，平稳流过，表明水质点都是沿与管轴平行的方向直线运动。流速增大到一定数值，有色液体开始出现波动，而形成波浪形的细线。速度继续增大，细线的波动会加剧，然后被冲断，向四周散开。形成均匀的有色溶液。,流体在管道中的流动分为两个类型：层流(laminarflow)：充满整个管的流体如同一层一层的同心圆筒，平行流动。又叫做滞流。湍流(viscousflow)：流体质点除向前流动外，运动速度的大小方向随时间会变化，质点间混合碰撞。又叫做紊流或湍流（turbulentflow）。2雷诺数(Reynoldsnumber)判断流体流动状态的准数。,判断准则：Re4000紊流2000Q2,总流量QA=Q1+Q2，QAq1+q2,即两机并联时，没有发挥出单机的最大流量，并联总流量小于单机运行时的流量之和。单机运行时的扬程低于联合运行时的总扬程，扬程差值是由于联合运行流量增大后流动过程中的能量损失造成的。,一般情况下，管路压头损失较小时，两机并联后流量增加幅度较大。特殊情况：管路特性曲线不与A+B相交，或只与A或B相交，然后与A+B相交，此时并联后流量可能并不增大，可能还会通过一台泵倒流，总流量反而小于单机运行时的流量。这种情况只在型号不同，尤其是相差悬殊时才可能出现。,B型号相同的泵并联操作I为单台泵的工作曲线，II为并联工作曲线，B为并联后的工作点，A为单机工作的工作点，C为并联时每台泵的工作点。,结论：单机运行时扬程低于联合运行时的扬程，HAHBQ单Q并2Q单，Q并=2Q单并联时总流量等于并联时各单机流量之和，大于单独运行时的流量而小于单独运行时2台单机流量之和。管路特性曲线较平坦时，Q并接近2Q单，低阻力管路系统总流量增加幅度较大。,4）离心泵的串联操作,为了使管路系统的输液距离增大，需提高泵的扬程，此时采用串联操作。性能曲线不同的泵串联管路特性曲线中点表示管路所需扬程大于单台泵各自的额定扬程，即：任何单机运行无法满足管路要求。管路特性曲线与单台泵的工作曲线不相交，即：单机单独运行时单机不工作。两台泵的流量相同，扬程为每台泵扬程之和。,性能曲线相同的泵串联单台泵的工作点为A，串联后工作点为B，其中一台泵的工作点为C，B点时流量比单台泵工作点的流量大，扬程提高了，H串2H单，H串=2H单,五、离心泵的汽蚀余量和泵的安装高度Five.Netpositivesuctionheadandfixingheight1.汽蚀余量(Netpositivesuctionhead与泵的安装高度有关以储槽的液面为基准，列0-0和泵入口1-1截面之间的伯努利方程,由上式可知，当p0一定时，若泵的安装高度Hg增大，则p1越小。而p1在离心泵的操作中有一个下限，即：p1该温度下液体饱和蒸汽压，而且只有达到一定值才可以推动液体进入叶轮。,当叶轮入口处最低压力点的压力降到饱和蒸汽压下：1）液体会有部分气化。2）会有溶解于液体的部分气体解析出来，生成大量气泡。当小气泡随液体流动进入高压区，小气泡会突然破裂，在高压下蒸汽凝结成液体，此处形成一个负压区，周围的液体会迅速的冲向负压中心，在局部造成巨大的冲击力，引起叶轮的震动，发出噪音。金属表面会由于冲击力的作用被剥蚀。如果气泡中含有少量的氧气或其他活泼气体，金属表面发生电化学作用，最终叶轮的边缘呈海绵状和鱼鳞状。这种现象称为汽蚀(cavitation)。,2泵的最大安装高度（thehighestfixingheightofcentrifugalpump),实际操作中为安全起见，安装高度小于或等于计算量。,第一篇、水质净化与水污染控制工程,第一章水质与水体自净,第一节水的循环与污染,Part1waterpurificationandwaterpollutioncontrolengineering,Chapter1waterqualityandthewatersself-purification,Section1.watercycleandpollution,一、自然界的水,One.waterdistributioninnatural,1.地球上的水量及其分布,水是地球的重要组成部分,也是生物肌体不可缺少的组分。,地球表面液态的水（河川、湖泊、土壤水分等）,固体的水有冰川、冰盖、冰帽等,在阳光照射下受热蒸发为汽。上升受冷，凝结为云雾，漂浮空间随大气环流迁移。在一定条件下，形成雨、雪等降水，回落地面。有的遇冷成冰，形成冰帽、冰川或冰盖。,有的为植物或地物所截留、逐渐蒸发为水汽；,有的渗入地下，成为土壤水和地下水；,有的沿地面流向低洼区，形成泉、溪、沼泽、池塘、湖泊、河川等天然水体；最后流归海洋。,这种不断发生相态转换和周而复始运动的过程，称为水循环或水文循环。,陆地水和海洋水称为地球水圈，其中海洋是地球上最大的水体，面积约3.62108km2，（约占地球面积的70.9%）,水深平均3800m。水圈体积为1.37000109km3,海洋水约占97%.海水中有22万种生物，提供地球上22%的蛋白质。海底储有1350亿吨石油，140亿m3天然气。是人类食品和燃料的巨大储存库。,地球上的降水主要来至海洋的蒸发,每年的蒸发量为4.4105km3,产生360亿吨氧。降水量受大气环流、气压、气温和地形等的影响，在空间和时间上分布很不均匀。,2.水质参数,表达水的质量有两种方式：用以表示水环境（水体）质量优劣程度和变化趋势的水中各种物质的特征指标。天然水的水质参数常用的有：色、臭和味、溶解固体、总固体、硬度等。总固体反映水中杂质的总量，地质学中称矿化度，借以区分地下水为五类：淡水（含盐1g/l）、微咸水（含盐13g/l）、咸水（含盐310g/l）、盐水（含盐1050g/l）、卤水（含盐50g/l）。硬度反映水的适用性，高硬度水易在设备中结垢。,反映天然水体被城市污水所污染的参数常用有：BOD5、COD（ChemicalOxygenDemand）、DO(DissolvedOxygen);此外，还有一个重要参数：大肠杆菌类。大肠杆菌群包含了人类粪便中数量最多的细菌，他们的检出足以反映已受到人粪污染。,二、自然污染和人为污染,Tow.naturalpollutionandfactitiouspollution,“水污染”的定义：水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。,污水是生活污水、工业废水、被污染雨水的总称。,A生活污水是人类在日常生活中使用过的，并被生活废料污染的水；,B工业废水是在工矿企业生产活动中用过的水。可分为生产污水，生产废水两类：,（1）生产污水：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，也包括热污染（指生产过程中产生的、水温超过60的水）,（2）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、或成品等废料所污染或只是温度稍有上升的水。,(3)被污染的雨水，主要是指初期的雨水。由于初期雨水冲刷了地表的各种污染物，污染程度很高，故宜作净化处理。,1.自然界水质的变化,在自然界水循环中,水质起着变化。纯水几乎是没有的，或多或少伴有杂质。就是说，天然水是多组分的混合物。杂质有时影响水的资源功能，例如海水的盐分限制了它的使用。,云层中的水滴和冰晶基本上是纯净的，雨、雪降落过程中与大气充分接触，空气中的尘粒和各种气体进入降水。降水的组成取决于它接触的大气质量，降水对于大气具有良好的清洁作用。,在城镇上空，大气一般都受到不同程度的污染，有多种人类社会活动产生的有害杂质（如气体和微粒状）混入大气。降水受到不同程度的污染，严重时出现酸雨。,降水着落后，在满足蒸发、蒸腾和下渗之后需形成径流，汇集到地面水体；有的下渗土壤和地层成为地下水，其中有些流出地层进入地面水体。,水径流过地表或地层时，会溶解或夹带接触的杂质；,2.人为污染,(1)粪便污水最早（19世纪中叶）引起重视的是粪便水对饮用水水源的污染。有多种传染病的病原体（病毒、病菌、寄生虫等）随病人和带菌人的粪便污染环境。危害最大的水传染病是肠道传染病，如霍乱、伤寒、痢疾等，历史上曾在世界各地流行成疾，从而促进了现代给水系统和排水系统的问世和发展。在现代化的城镇，粪便污水的污染已经杜绝。,(2)城市污水城市污水是各种生活污水和工厂内生活区污水，由于它们的数量很大，对水体的污染最为严重。如果直接排入地面水体，不但可能立即造成水体的不洁状态，而且可能使水体缺少溶解氧而改变水体的自然生态系统，使水体失去原有资源功能。造成水体缺氧的污染物主要是有机体的排泄物和肌体残余，故这类污染物称为有机污染。,(3)工业废水,破坏水体生态平衡废水的热量、颜色、悬浮物和漂浮物很多，酸度很高，有机物造成缺氧时，都将破坏水体的自净和生态系统的正常平衡。,危害人体健康一些重金属如铅、镉、汞，六价铬离子，氰、氟等；一些有机物如农药、杀虫剂，特别是含氯有机物，具有破坏人体生理作用，及致癌、致畸、致突变的作用。有些致癌、致畸、致突变的作用的污染物在饮用水中的浓度极低，常以0.1g/L计,现在还没有适用的净水方法清除它们。只能加强管理，防止污染。,三、水污染的分类和影响,Three.waterpollutionclassificationandinfluence,水污染可根据污染杂质的不同主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。,.化学性污染物,1.无机污染物,(1)酸碱度A.当pH值超出69的范围时,对人、畜造成危害，并对污水的物理、化学及生物处理产生不利影响。B.碱度包含aNaOH碱度;b.碳酸盐碱度,CO32-;c.重碳酸盐碱度，HCO3-。,污水所含碱度对于外加酸、碱具有一定的缓冲作用，可使污水的pH值维持在适宜于好氧菌或厌氧菌生长繁殖的范围内。碱度不低于2000mg/L(以CaCO3计)。,污水的碱度可表达为:碱度=OH-+CO32-+HCO3-H+,（2）氮、磷A.污水中含氮化合物有四种:有机氮不稳定，在微生物作用下分解为其它三种氮化合物，所以把它归在无机污染物中讨论。,凯氏氮（英文缩写KN）是有机胺和无机氨之和。凯氏氮指标可以用来判断污水进行生化处理时，氮营养是否充足的依据。生活污水中凯氏氮含量约40mg/L。,氨氮在污水中存在的形式有游离氨（NH3）和铵盐（NH4+）两种。故氨氮等于两种之和。,可见总氮与凯氏氮之差值，约等于亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。凯氏氮与氨氮之差，约等于有机胺。,B.磷及其化合物：污水中含磷化合物分为有机磷和无机磷两类。有机磷的存在形式主要有：葡萄糖-6-磷酸，2-磷酸-甘油酸及磷肌酸；无机磷都以磷酸盐形式存在，包括正磷酸盐（PO43-）、偏磷酸盐（PO3-）、磷酸氢盐（HPO42-）和磷酸二氢盐（H2PO4-）等。生活污水中有机磷含量约为3mg/L，无机磷含量约为7mg/L。,(3)硫酸盐和硫化物,污水中的硫酸盐用硫酸根（SO42-）表示，主要来至于人类排泄物，工业废水。污水中的SO42-在缺氧条件下，由于硫酸盐还原菌，反硫化菌的作用，被脱氧还原成H2S。在污水中还可以HS-、S2-形式存在。硫化物属于还原性物质，要消耗水中的溶解氧，并能与金属离子反应生成黑色沉淀。,生活污水中的氯化物主要来自人类排泄物，每人每天排出氯化物约为59g。印染废水、制革废水中以及沿海城市用海水作为冷却水时，都含有很高的氯化物。氯化物对管道及设备有腐蚀作用。用于灌溉会使土壤板结，NaCl浓度超过4000mg/L时，对生物处理的微生物有抑制作用。,(4)氯化物,(5)非重金属无机有毒物,主要有氰化物和砷化物：他们都是剧毒品。含氰浓度约在2080mg/L。人体摄入致死量是0.050.12g。（KCN、NaCN、HOCN氰酸、H-N=C=O异氰酸。）,污水中的砷主要来自化工、有色冶金、焦化、火力发电、造纸和皮革等工业废水。砷会在人体内积累，属致癌物质。（As2O3、CH3AsCl2、(CH3)2AsCl、）,重金属指原子序数在2183之间的金属或相对密度大于4的金属。毒性作用最强的是汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）和砷（As）以及它们的化合物。称为“五毒”。污水中重金属难以净化去除，国家对允许排放的浓度有明确的规定，超标必须进行处理。,2.有机污染物有机物按被生物降解的难以程度，可分为两类4种。,第一类是可生物降解有机物，分为两种：可生物降解有机物，对微生物无毒无害或抑制作用；可生物降解有机物，但对微生物有毒害或抑制作用；,(6)重金属离子,第二类是难生物降解有机物，也分为两种：难生物降解有机物，对微生物无毒无害或无抑制作用；难生物降解有机物，并对微生物有毒害或抑制作用；这两种难降解有机物可被化学氧化或被经驯化、筛选后的微生物氧化。,各类有机化合物及其生物化学特性如下。,(1)碳水化合物包括糖、淀粉、纤维素和木质素等，主要成分是碳、氢、氧。其中淀粉较为稳定，但都属于可微生物降解的，无毒无害或无抑制作用化合物。,(2)蛋白质与尿素CO(NH2)2蛋白质由多种氨基酸化合或结合组成,分子量可达2万到2000万.主要成分是碳、氢、氧、氮。其中氮占16%，蛋白质不很稳定，可发生不同形式的分解，属于可微生物降解有机物，对微生物无毒无害或无抑制作用。,(3)脂肪和油类生活污水中脂肪与油类来源于人类排泄物及餐饮业的洗涤水（含油浓度可达400-600mg/L，甚至达1200mg/L）。包括动物油和植物油。脂肪酸甘油酯在常温时呈液态为油，低温时呈固态为脂。脂肪比碳水化合物、蛋白质都稳定，属于难生物降解有机物，但对微生物无毒害与抑制作用。炼油、石油化工、焦化、煤气发生站等工业废水中，含有矿物油即石油，具有异臭，属于难降解有机物，并对微生物有毒害和抑制作用。,(4)酚：炼油、石油化工、焦化、合成树脂、合成纤维等工业废水都含有酚。酚类是芳香烃衍生物，根据羟基的数目，可分为一元酚、二元酚和多元酚；根据能否与水蒸气一起挥发，分为挥发酚与非挥发酚。挥发酚包括苯酚、甲酚、二甲苯酚等，属于可微生物降解有机物，但对微生物有毒害或抑制作用。非挥发酚包括间苯二酚、邻苯三酚等多元酚，属于难生物降解有机物，并对微生物有毒害或抑制作用。,(5)有机酸、碱工业废水含有短链脂肪酸如甲酸、乙酸和乳酸。人造橡胶、合成树脂等工业废水含有机碱包括吡啶及其同系物。都属于可生物降解有机物，但对微生物有毒害或抑制作用。,(6)表面活性剂生活污水与表面活性剂制造工业废水，含有大量表面活性剂。表面活性剂有两类：,烷基苯磺酸盐,俗称硬性洗涤剂(ABS),属于难降解有机物.,(7)有机农药有机氯和有机磷农药都是毒性大难降解,对微生物有毒害和抑制作用。特别是有机氯农药，难分解，在自然界不断积累，造成二次污染。,烷基芳基磺酸盐,俗称软性洗涤剂(LAS),属于可降解有机物。,物理性污染,1.悬浮物质污染,悬浮物质是指水中含有的不溶性物质，包括固体物质和泡沫等。悬浮物质影响水体外观，妨碍水中植物的光合作用，减少氧气的溶入，对水生生物不利。如果在悬浮颗粒上吸附一些有毒有害的物质和病菌等，则更是有害。,2.热污染,来自热电厂、核电站及各种工业过程中的冷却水，若不采取措施，直接排入水体，可能引起水温升高、溶解氧含量降低、水中存在的某些有毒物质的毒性增加等现象，从而危及鱼类和水生生物的生长。,3.放射性污染,由于原子能工业的发展，放射性矿藏的开采，核试验和核电站的建立以及同位素在医学、工业、研究等领域中的应用，使放射性废水、废物显著增加，造成一定放射性污染，其中对人体健康有重要影响的放射性物质有90Sr（锶）、137Cs（铯）、131I等。,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，例如某些原来存在于人畜肠道中的病原细菌，如伤寒、霍乱、细菌性痢疾等都可以通过人畜粪便的污染而进入水体，随水流动而传播。一些病毒，如肝炎病毒、腺病毒等也常在污染水中发现。某些寄生虫病，如阿米巴痢疾、血吸虫病、钩端螺旋体病等也可通过水进行传播。防止病原微生物对水体的污染也是保护环境、保障人体健康的一大课题。,Section2.waterqualityindicesandwaterqualitystandard,一、水质指标,One.waterqualityindices,1.杂质类型根据存在形态可分为三类:,悬浮物质粒径大于1m的颗粒物;胶体物质粒径在1nm1m之间的物质;溶解物质粒径小于1nm的物质。,2.建立水质和水质指标概念,水质是指水和水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。各种水质指标则表示水中杂质的种类、成分和数量，是判断水质的具体衡量标准。,第二节水质指标与水质标准,.物理性水质指标(1).感官物理性状指标,如：温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度等。(2).其它物理性水质指标，如：总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率等。,.化学性水质指标(1).一般化学性水质指标,pH、碱度、硬度、各种阳离子、各种阴离子、总含盐量、一般有机物质等。,(2).毒化学性水质指标,如：各种重金属、氰化物、多环芳烃（PAHspolynuclearorpolycyclicaromatichydrocarbons）、各种农药等。,(3).氧平衡指标,如：DODissolvedOxygen、CODChemicalOxygenDemand、BODBiochemicalOxygenDemand、TODTotalOxygenDemand（TheoreticalOxygenDemand）等。,.生物学水质指标一般包括细菌总数、总大肠菌群数、各种病原细菌、病毒等。,(1)大肠菌群数与大肠菌群指数大肠菌群数是每升水样中所含的大肠菌群的数目，以个/L计；大肠菌群指数是查出1个大肠菌群所需的最少水量，以mL计。它们之间互为倒数：大肠菌群指数=1000/大肠菌群数（mL）。,大肠菌群数作为污水被粪便污染的卫生指标，原因有两个：（A）大肠菌与病原菌都存在于人类肠道系统内，它们的生活习性及其在外界环境中存活的时间都基本相同；101141011个/人.日。数量大大多于病原菌,但对人体无害;(B)由于大肠菌的数量多,且容易培养检验。因此以它作为卫生指标方便。,(2).病毒污水中已被检出的病毒有100多种。病毒的检验目前主要有数量测定法和蚀班测定法。,(3).细菌总数大肠菌群数、病原菌、病毒及其它细菌数的总和。以每毫升水样中的细菌菌落数表示。,二、主要水质指标,1.浑浊度(Turbidity)简称浊度,Tow.mainwaterqualityindices,A.产生的原因和表示：各种水不溶性颗粒物使透射光散射或吸收而表现出的一种浑浊现象。所以浑浊现象是一种光学性质。水的浑浊程度可用浑浊度的大小来表示。,B.浑浊度的特性：水中不溶物质越多,浑浊度越高,但两者之间没有固定的定量关系。浑浊度是一种光学效应，它的大小不仅与不溶性物质得数量、浓度有关，而且还与颗粒物的尺寸，形状和折射指数等性质有关。,C.浑浊度的单位：最早用来测定浑浊度的仪器是杰克逊烛光浊度计（JacksonCandleTurbidimeter）。,杰克逊标准浊度单位：蒸馏水中含有1mg/L的SiO2称为1个浊度单位或1度。由此测得的浑浊度称为杰克逊浊度单位（JTU，JacksonTurbidityUnit）。,光电浊度计：根据丁道尔效应，散射光强度与悬浮颗粒的大小和总数成比例，即与浑浊度成比例，设计了光电浊度计（亦称散射浊度计）。这种在散射浊度计上测得的浑浊度就称为散射浊度单位（NTU，NephelometricTurbidityUnit）。,甲簪标准浊度单位：称取1.000g硫酸肼(NH2)2.H2SO4溶于水中,定溶至100ml。称取10.00g六亚甲基四胺(CH2)6N4溶于水中,定溶至100ml。这两种溶液各取5.00ml,于100ml容量瓶中,混匀。在253下反应24h，用水稀释至标线，混匀。此储备液的浊度是400度。可保存1个月。由于他们混合而成的化合物称为甲簪聚合物（FormazinPolymer），有些文献又把散射浊度单位称为甲簪浊度单位（FTU）。,1度FTU=1度NTU1度JTU。,2.颜色(Color),自然界不存在纯净水,受杂质影响不同程度呈现出一定的颜色。(1)真色所含溶解物质或胶体物质所至,即去除水中悬浮物后所呈的颜色。,(2)表色包括由溶解物质、胶体物质和悬浮物质共同引起的颜色。,只对天然水和饮用水作真色的测定。测定的方法：铂钴标准比色法。1L水中含有相当于1mg铂时所产生的颜色规定为1度。叫1个真色单位（TCUTrueColorUnit）,3.固体(Solids)在环境工程和水质分析中,水中固体的定义是：在一定温度下将水样蒸发至干时所残余的固体物质的总量，因此有时也称作“蒸发残渣”。,蒸发温度为103105。在此温度下烘干的残渣保留了结晶水和部分吸着水、2HCO3-转化成CO32-CO2H2O，而有机物挥发逸失较少，这样所得的残渣总量称为“总固体”（TotalSolids）以mg/L表示。,水中固体分为：(1)溶解固体(DissolvedSolids)水样经过滤,在103105烘干后的残渣总量。也称为“总可滤残渣”。,(2)悬浮固体(SuspendedSolids)滤渣经烘干后的重量就是悬浮固体。也称“总不可滤残渣”。,按可燃性分为：(1)挥发性固体(VolatileSolids)将烘干后的固体在600下灼烧而失去的重量。也称“灼烧减重”。该量约代表水中有机物含量。,(2)固定性固体（FixedSolids）灼烧后残余物质的量。该量约代表水中无机物质的含量。,污水和废水中固体测定还有另一个指标：可沉固体(SetteableSolids)1L水在锥形玻璃量器内静置1h后所沉下的悬浮物质量。,4.比电导(SpecificConductance),也称电导率,它是指25时长1m,横截面积为1m2水中的电导值。通常用根据惠斯登（Wheatstone）电桥原理制成的电导仪来测量，单位是：S/m、S/cm；mS/m、mS/cm；S/m、S/cm。1S/m=1000mS/m；1mS/m=1000S/m。,电导是电阻的倒数，所谓水的电阻率是指相距1cm，横截面积各为12两片平行板电极插入被测水中时的电阻率。单位是欧姆厘米（cm）,天然水溶解固体与电导率之间的经验估算关系：TDS=(0.550.70)TDS水中的溶解固体量(mg/l)25时水的电导率(S/cm）。,5.总含盐量和离子平衡总含盐量(mg/L)=阳离子(mg/L)+阴离子(mg/L),离子主要有:Ca2+、Mg2+、Na+、K+和HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-占9599%。,总含盐量=溶解固体+1/2HCO3-,根据溶液的电中性原则，单位水中阳、阴离子的电荷数彼此相等：,mMm+=aAa-,测定结果与理论值之间会有误差，但不应超过5%，若超过允许范围，说明可能某项或几项测定有误，或分析项目不全。,6.碱度(Alkalinity)定义：水的碱度是指水接受质子的能力。其大小可由水中所有能与强酸发生作用的物质所接受质子的总量来度量。,这类物质包括各种强碱、弱碱和强碱弱酸盐，也包括有机碱。天然水中的CO32-、HCO3-、OH-、HSiO3-、H2BO3-、HPO42-、H2PO-、HS-和NH30等都会引起碱度，其中HCO3-、CO32-、和OH-是最主要的致碱阴离子。,碱度的表示形式：(1)甲基橙碱度,变色范围在pH=4.4附近。表示水中的所有致碱物质都已被中和完毕，故称之为“总碱度”。(2)酚酞碱度，变色范围在pH=8.3附近。表示水中的OH-被中和完,且CO32-被中和为HCO3-。,水处理中通常须分别知道HCO3-、CO32-和OH-的量。可用碱度计算表确定。,用P表示水样被滴定到酚酞指示剂变色时所用去H+的物质量,即酚酞碱度;用T表示水样被滴定到甲基橙指示剂变色时所用去H+的物质量,即甲基橙碱度;水质分析时，通常须分别知道HCO3-、CO32-和OH-的量。可用碱度计算表确定。,三种碱度计算表,碱度单位的表示方式：(1)mmol/l；(2)mg/l；(3)度碱度1mmol/l=50mg/l(以CaCO3计)；碱度1度=10mg/l(以CaO计)=17.86mg/l(以CaCO3计)碱度1mmol/l=50/17.86=2.8度；,主要的致硬金属离子是Ca2+和Mg2+；其次是：Fe2+、Mn2+、Sr2+（锶），天然水中含量很低，对硬度的贡献不大。Al3+、Fe3+也能与肥皂生成沉淀，但它们在天然水中含量很少，而现在多用EDTA络合滴定法测定硬度，故一般不包含在硬度之内，通常只以Ca2+和Mg2+的含量计算硬度。,7.硬度(Hardness),能与这些硬阳离子化合的阴离子有HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-、NO3-、SiO32-等，按阴离子特性将硬度分为：,(2)非碳酸盐硬度：主要由钙、镁的硫酸盐、氯化盐等形成，不受加热的影响，故又成为“永久硬度”。,(1)碳酸盐硬度：主要由钙、镁的碳酸盐和重碳酸盐所形成，经煮沸而去除，故成为“暂时硬度”。Ca（HCO3）2=CaCO3+CO2+H2O,碳酸盐硬度+非碳酸盐硬度=总硬度。用EDTA络合滴定法测定总硬度。如果已测得水样的总硬度和各种碱度，可用下列方法来进行计算碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。,设S=碳酸盐碱度+重碳酸盐碱度=2CO32-+HCO3-,（1/2S相当于与碳酸成盐的Ca2+和Mg2+的摩尔数，也相当于碳酸盐碱度。）,(1)当1/2S总硬度时;(总硬为体系中Ca2+Mg2+的摩尔数，)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”,即负硬度=1/2S总硬度。负硬度主要是由Na+、K+的碳酸盐和重碳酸盐构成的。它们并不致硬，相反还可抵消一部分硬度。,Na2CO3+CaSO4=CaCO3+Na2SO4硬度的单位最常用的是mmol/L、mg/L(以CaCO3计)和度。,硬度1mmol/L=50mg/l=100mg/L(以CaCO3计)；硬度1度=10mg/l(以CaO计)=17.86mg/L(以CaCO3计),硬度1mmol/l=100/17.86=5.6度；,8.化学需氧量(COD),COD的测定原理是用强氧化剂（K2Cr2O7）在酸性条件下，将有机物氧化成CO2和H2O时所消耗氧的量。这就是化学需氧量，用CODCr表示。它比较彻底地将水中的有机物氧化。,也有用KMnO4做氧化剂的，其氧化能力比K2Cr2O7弱，测定的需氧量较低，用CODMn或OC（OxygenConsumed）表示,又叫做高锰酸盐指数。,COD的优点是较精确地表示污水中有机物的含量，测定时间短（2-3h），不受水质的限制；缺点是不能像BOD那样反映出微生物的可氧化性、直接从卫生学的角度阐明被污染的程度。此外，污水中存在的还原性无机物质（如硫化物）被氧化也消耗氧，造成COD测定结果的误差。,9.生物化学需氧量（BOD）,在20的条件下，由于微生物的生活活动，将有机物氧化成无机物所消耗的溶解氧量，称为生物化学需氧量。它代表了可生物降解有机物的量。,生物降解可分为两个阶段：,(1)碳氧化阶段（CO2，H2O；NH3；所消耗的氧以Oa表示。),在微生物的新陈代谢中，微生物氧化自身，产生CO2和H2O，NH3，并放出能与氧化残渣，这种过程叫做内源呼吸。所消耗的氧量用Ob表示。,Oa+Ob第一阶段生化需氧量，即碳化生化需氧量；用La或BODu表示；,(2)硝化阶段（亚硝化菌将NH3氧化成NO2-和H2O，氧以Oc表示，硝化菌将NO2-氧化成NO3-，氧以Od表示）与此同时合成新细胞（异养型）两个阶段释放出供微生