环境工程概论

1、环境工程环境工程（第四章）（第四章） 本章主要内容1 1 水资源和地表水水质现状水资源和地表水水质现状2 2 水体污染和主要污染物水体污染和主要污染物3 3水体中污染物的转化水体中污染物的转化4 4 水污染防治水污染防治5 5 水污染综合防治水污染综合防治6 6 海洋环境保护简介海洋环境保护简介 全球水资源的可利用量不到1%，仅是河流、湖泊等地表水和地下水的一部分。只有约20%的淡水是人类易于利用的，而能直接取用的河、湖泊水仅占淡水总量的0.3%.1 1 水资源和地表水水质现状水资源和地表水水质现状1.1 1.1 水资源及其开发利用现状水资源及其开发利用现状水资源定义水资源定义通常是指可供人们

2、经常可用的水量，即大陆上有大气降水补给的各种地表、地下淡水体的储存量和动态水量。可供人类直接利用的水资源是十分有限的 地球上水资源的分布 面面积积 （万万 m m3 3） 年年降降水水量量（m mm m） 年年径径流流量量（m mm m） 径径流流系系数数 亚亚洲洲 4 43 34 47 7. .5 5 7 74 41 1 3 33 32 2 0 0. .4 45 5 非非洲洲 3 30 01 12 2. .0 0 7 74 40 0 1 15 51 1 0 0. .2 20 0 北北美美洲洲 2 24 42 20 0. .0 0 7 75 56 6 3 33 39 9 0 0. .4 45

3、5 南南美美洲洲 1 17 78 80 0. .0 0 1 15 59 96 6 6 66 61 1 0 0. .4 41 1 南南极极洲洲 1 13 39 98 8. .0 0 1 16 65 5 1 16 65 5 1 1. .0 00 0 欧欧洲洲 1 10 05 50 0. .0 0 7 79 90 0 3 30 06 6 0 0. .3 39 9 澳澳洲洲 7 76 61 1. .5 5 4 45 56 6 3 39 9 0 0. .0 09 9 大大洋洋州州（诸诸岛岛） 1 13 33 3. .5 5 2 27 70 04 4 1 15 56 66 6 0 0. .5 58 8 全

4、全球球陆陆地地 1 14 49 90 02 2. .5 5 7 79 98 8 3 31 14 4 0 0. .3 39 9 各大洲年降水和年径流状况地表水位下降示意图我国北方地下水年开采量超过了我国北方地下水年开采量超过了370370亿亿m m3 3，如河北沧洲如河北沧洲19731973年年地下水位降落漏斗为地下水位降落漏斗为1616kmkm2 2，中心水位埋深中心水位埋深3333m m，到到20012001年已年已达到达到1821km1821km2 2，中心水位达中心水位达96m96m，这种现象再北方较普遍。这种现象再北方较普遍。过量开采地下水过量开采地下水过量开发地下水，可导致严重的地面

5、下沉，甚至出现地裂缝和岩溶塌陷 。一些沿海城市会造成海水入侵，使地下水含盐量过高，失去饮用价值。如宁波，中心累计沉降量：1977年为161mm1985年为321mm2002年达484.6mm沉降中心最大沉降量超过2m的有上海、天津、太原、西安、苏州、无锡、常州等城市，天津塘沽的沉降量达到3.1m1.21.2 水资源利用与保护水资源利用与保护n在可供淡水有限的情况下，应积极采取措施保护宝贵的资源。一般采用以下几种措施措施： （1）提高水的利用效率，开辟第二水源 降低工业用水量，提高水的重复利用率 实行科学灌溉，减少农业用水浪费 回收利用城市污水，开辟第二水源 （2）调节水源流量，增加可靠供水 建

6、造水库 ；跨流域调水 ；地下蓄水 ；海水淡化 ；拖移冰山 ；恢复河、湖水质 ；合理利用地下水 。 （3）加强水资源管理 （4）完善下水道建设，发展城市污水处理厂 1.2 1.2 我国地表水水质现状我国地表水水质现状n近年，全国地表水国控断面总体为轻度污染。n十大流域的国控断面中，水质断面比例n 类 类 劣类n2012 68.9% 20.9% 10.2%n2013 71.7% 19.3% 9.0%环境状态公报2.1.1水体概念与分类2 2 水体污染和主要污染物水体污染和主要污染物水体系河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川和海洋等“贮水体”的总称。在环境科学领域中，水体不仅包括水，而且还包括水中的

7、悬浮物、底泥及水中生物等。从自然地理的角度看，水体是指地表水被覆盖的自然综合体。2.1水体污染水体水体海洋水体陆地水体地表水体地下水体2.1.22.1.2水体污染水体污染水体污染水体污染是指排入水体的污染物在数量上超过了该物质在水体中的本底含量和水体的环境容环境容量量，从而导致水体的物理特性、化学特性和生物特性发生不良的变化，破坏了水中固有的生态系统，破坏了水体的功能及其在经济发展和人民生活中的作用。自然污染：人为污染：按产生原因分如矿石的自然溶解对水体危害大搂污染物类型分化学性污染物理性污染生物性污染（一）物理性指标（一）物理性指标v感官物理性状指标：感官物理性状指标：温度、色度、嗅和味、浑

8、浊度、透明度等；温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度等；v其他指标：其他指标：总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率等；总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率等；（二）化学性指标（二）化学性指标v一般化学性指标：一般化学性指标：pHpH、碱度、硬度、各种阳离子、各种阴离子、总碱度、硬度、各种阳离子、各种阴离子、总含盐量、一般有机物质等；含盐量、一般有机物质等；v有毒化学性指标：有毒化学性指标：重金属、氰化物、多环芳烃、农药等；重金属、氰化物、多环芳烃、农药等；v氧平衡指标：氧平衡指标：溶解氧溶解氧( (DO)DO)、化学需氧量化学需氧量( (COD)COD)、生化需氧量生化需氧量(

9、(BOD)BOD)、总需氧量总需氧量( (TOD)TOD)等。等。（三）生物学指标（三）生物学指标v细菌总数、总大肠菌群数、各种病原细菌、病毒等。细菌总数、总大肠菌群数、各种病原细菌、病毒等。2.1.3水质（污染）指标 由于废水中有机物的组成比较复杂，很难分别确定（定性）并测定由于废水中有机物的组成比较复杂，很难分别确定（定性）并测定其中各类污染物的量（定量），因此，其中各类污染物的量（定量），因此，根据它们都消耗水中溶解氧这一特点根据它们都消耗水中溶解氧这一特点，通常采用的指标有：生物化学需氧量（通常采用的指标有：生物化学需氧量（BODBOD）、）、化学需氧量（化学需氧量（CODCOD）和总

10、需氧和总需氧量（量（TODTOD），），来反映水中好氧有机物的含量。来反映水中好氧有机物的含量。化学需氧量（化学需氧量（CODCOD，Chemical Oxygen DemandChemical Oxygen Demand） 在在酸性条件下酸性条件下，用，用化学氧化剂氧化化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量，水中有机污染物时所需的氧量，以以每升水消耗氧的毫克数每升水消耗氧的毫克数表示（表示（mg/Lmg/L）。）。 以以K K2 2CrCr2 2O O7 7作为氧化剂时，氧化比较彻底，记作作为氧化剂时，氧化比较彻底，记作CODCODCrCr；以以KMnOKMnO4 4作为氧作为氧化剂时，氧

11、化相对不够完全，记作化剂时，氧化相对不够完全，记作CODCODMnMn，也称也称高锰酸盐指数高锰酸盐指数。 对同一种废水而言，其对同一种废水而言，其CODCODCr Cr CODCODMnMn。 生化需氧量（生化需氧量（BODBOD，Biochemical Biochemical Oxygen DemandOxygen Demand ） 在有氧条件下，水中可分解的有机物由于好氧微生物的作用被氧化在有氧条件下，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，这个过程需要的氧量叫做生物化学需氧量，结果以氧的分解而无机化，这个过程需要的氧量叫做生物化学需氧量，结果以氧的mg/Lmg/L表示

12、。表示。 生化需氧量所表示的有机物并不是水中有机物的全部，而只是其中生化需氧量所表示的有机物并不是水中有机物的全部，而只是其中一部分，不包括不可分解的有机物（难生物降解有机物），也不包括变一部分，不包括不可分解的有机物（难生物降解有机物），也不包括变成残渣的那部分有机物。成残渣的那部分有机物。 目前大多数国家都采用目前大多数国家都采用5 5天（天（2020）作为测定的标准时间）作为测定的标准时间，获得，获得5 5天天生化需氧量，记作生化需氧量，记作BODBOD5 5。 事实上，有机物彻底生化分解的时间很长，在事实上，有机物彻底生化分解的时间很长，在2020下需要下需要100100天以上天以上，

13、经过经过2020天时间大约能完成天时间大约能完成95959999，5 5天只能完成天只能完成7070左右。左右。微生物氧化有机微生物氧化有机物所耗氧物所耗氧内源呼吸所耗氧内源呼吸所耗氧TODTOD：Total Oxygen Demand 总需氧量总需氧量，当有机物完全被氧化时，C、H、N、S分别被氧化为CO2、H2O、NO和SO2时的需氧量。TOCTOC：Total Organic Carbon 总含碳量总含碳量，污水中有机污染物的总含碳量。DODO：dissolved oxygen 水中溶解氧的量水中溶解氧的量。该指标是水生生物生存的基本条件，一般含量低于4mg/L时鱼类就会窒息死亡。悬浮物

14、悬浮物：指水中呈固体状的不溶解物质。细菌污染指标：细菌污染指标：在水处理工程中，对污水进行细菌分析主要用两种指标表示水体被细菌污染的程度：1ml水中细菌（杂菌）的总数与水种大肠菌的多少。水中含有大肠菌，即说明已被污染。有毒物质指标：有毒物质指标：我国已制定了“地面水中有害物质的最高允许浓度”的指标，列出汞、隔、铅、铬铜、锌、镍、砷、氰化物、氟化物、挥发性酚、石油类、六六六、DDT等40种有毒物质2.22.2水体中的主要污染物水体中的主要污染物n（2）无机有毒物 这类污染物可分为两类：重金属如Pb、Hg、Cd、Cr等与非金属的无机毒性物质如氰化物、砷、硒等。n（1）无机无毒物 无机无毒物主要指排

15、入水体中的酸、碱及一般的无机盐类。其大致可以分为三种类型：一是属于砂粒、矿渣一类的颗粒状的物质；二是酸、碱无机盐类、三则是氮、磷的植物营养物质。（5）水体中的其他污染物 另外的污染物像石油类污染物，还有如火电站和原子能发电站大量的热废水排入水体造成的热污染；原子能反应堆、原子能电站等排泄物又引起水体的放射性污染。（3）有机无毒物有机无毒物主要指需氧有机物。有机污染物排入河流后，主要引起两个方面的影响，一是生态效应，一是溶解氧效应。（4）有机有毒物 这类物质多属于人工合成的有机物质，往往含量低，毒性大，异构体多，毒性大小差别悬殊。常见的有：农药、酚类化合物、多环芳烃（PAH）、多氯联苯（PCB）

16、、表面活性剂等。2.32.3水体自净作用水体自净作用（1）物理自净：稀释、扩散、挥发、沉淀等（2）化学自净：氧化、还原、吸附、凝聚、中和等 （3）生物自净：微生物分解代谢等 水体能够在其环境容量的范围以内，经过水体的物理、化学和生物作用，使排入污染物质的浓度和毒性随着时间的推移在向下游流动的过程中自然降低，称为水体的自净作用自净作用。概念分类按作用机理分2.3.1 2.3.1 废水在水体中的稀释和扩散废水在水体中的稀释和扩散（一）稀释机理（一）稀释机理 污染物质进入河流后，产生了两种运动形式：污染物质进入河流后，产生了两种运动形式：v推流或平流：推流或平流：污染物质由于河流流速的推动沿着水流前

17、进的方向运动污染物质由于河流流速的推动沿着水流前进的方向运动；1Qv扩散：扩散：污染物质由高浓度处向低浓度处迁移。污染物质由高浓度处向低浓度处迁移。Q Q1 1污染物质推流量，污染物质推流量，mg/mmg/m2 2.s.s；v 河流流速，河流流速，m/sm/s；污染物质量浓度，污染物质量浓度，mg/mmg/m3 3；dxdKQ2Q Q2 2污染物质扩散量，污染物质扩散量，mg/mmg/m2 2.s.s； 单位路程长度上的浓度变化值，单位路程长度上的浓度变化值，mg/mmg/m3 3.s .s ；KK扩散系数，与河流的弯曲程度、河床底部的粗扩散系数，与河流的弯曲程度、河床底部的粗糙度以及流速、水

18、深有关，糙度以及流速、水深有关，m m2 2/s/s ；dxd（二）水体混合稀释（二）水体混合稀释 水体混合是一个逐渐进行而非瞬时完成的过程，其影响因素包括：水体混合是一个逐渐进行而非瞬时完成的过程，其影响因素包括：v废水流量与河水流量的比值：废水流量与河水流量的比值：比值越大，完全混合需要的距离越长；比值越大，完全混合需要的距离越长；v废水排放口的形式：废水排放口的形式：岸边集中排放，混合慢；河流中央分散排放，混岸边集中排放，混合慢；河流中央分散排放，混合快；合快；v河流的水文条件：河流的水文条件：如河深、河水流速、河道弯曲状况、是否有急流、如河深、河水流速、河道弯曲状况、是否有急流、跌水等

19、。跌水等。 混合系数：混合系数：参与混合稀释的河水流量与河水总流量之比。参与混合稀释的河水流量与河水总流量之比。在完全混合断面前，在完全混合断面前，a1a 难降解有机物难降解有机物 重金属的水环境容量。重金属的水环境容量。（3 3）水质目标）水质目标v根据水体的用途和功能，确定水体中污染物的允许存在量；根据水体的用途和功能，确定水体中污染物的允许存在量；v水质目标的确定带有一定社会性。水质目标的确定带有一定社会性。体体 3.1水体中有机物的生物降解 有机物在水中的降解主要通过化学氧化、光化学氧化和生物化学氧化来实现，其中生物化学氧化作用具有最重要的意义。 3.2水体中重金属的转化 重金属化合物

20、在水中不能被微生物降解，只能发生形态间的相互转化及分散和富集过程。这些过程通称重金属迁移重金属迁移。重金属在水体中的迁移主要与沉淀、络合、螯合、吸附和氧化还原等作用有关。 3 3水体中污染物的转化水体中污染物的转化3.3水体富营养化（1）富营养化的发生 主要是由于水体中氮、磷氮、磷等营养元素的增多所引起的。一般地说，总磷和无机氮分别超过2020mg/mmg/m3 3和和300300 mg/mmg/m3 3就认为水体处于富营养化状态。从现象看，其发生与水体中藻类藻类的多寡密切相关。 云南滇池发生蓝藻 水体发生富营养化（2）富营养化的富营养化的危害与防治危害与防治 富营养化发生后，将先引起水底有机

21、物消耗速度超过其生长速度，处于腐化污染状态，并逐渐向上层扩展，在严重时可使一部分水体区域完全变为腐化区。这样，由富营养而引起有机体大量生长的结果，倒过来又走向反面，藻类、植物及水生物、鱼类趋于衰亡以至绝迹。这些现象可能周期性地交替出现，破坏生态平衡并且加速湖泊等水域衰亡过程。防治方法见下表：对污染源、水体及处理设施的有效管理。4 4 水污染防治水污染防治防通过有效控制使污染源排放的污染物量降到最小4.1水污染防治的原则水污染防治的原则对污水进行妥善处理，确保在排入水体前达到相关排放标准；治管“防”、“治”、“管”相结合根本原则根本原则4.24.2污水处理技术概述污水处理技术概述 一般废水的处理

22、方法大致可分为物理法、化学法、物理化学法以及生物法四大类。4.2.1物理处理法物理处理法 是利用物理作用，将废水中的悬浮物、油类、可溶性盐以及其他固体物质分离出来，从而保证后续处理设施能正常运行，降低其他处理设施的处理负荷。调节：调节：在废水治理装置之前设置调节池，用来调节废水的水质、水量和温度等，使之均衡地流入处理装置。如将酸性废水和碱性废水在调节池内进行混合，同时还可以达到调节PH值的目的，使废水得到中和。n沉淀沉淀: :密度大于水的颗粒将下沉，小于水的则上浮。沉淀法一般只适于去除20100um以上的颗粒。n过滤过滤: :以具有孔隙的粒状滤料层，如石英砂等，截留水中的杂质从而使水获得澄清的

23、工艺过程。n离心分离离心分离: :利用高速旋转所产生的离心力，使废水中的悬浮颗粒进行分离，用于水处理中的离心分离设备有：离心机、水力旋流器及旋流池等。4.2.24.2.2化学处理法化学处理法原理原理：向废水中投加某种化学物质，利用化学反应来分离、回收废水中的某些污染物质，或使其转化为无害的物质。处理对象处理对象：废水中的无机或难以生物降解的有机溶解物质或胶体物质。主要方法主要方法：化学混凝法、中和法，化学沉淀法和氧化还原法等。对酸性废水中和处理的方法：对酸性废水中和处理的方法：酸性废水和碱性废水混合、投药中和。对碱性废水中和处理的方法：对碱性废水中和处理的方法：鼓入烟道气；注入压缩二氧化碳气体

24、；投入酸或酸性废水等 。酸碱废水自动中和处理设备酸碱废水自动中和处理设备 处理对象处理对象：不溶态污染物，不溶态污染物，主要是水中的微小悬浮物和胶体杂质。主要是水中的微小悬浮物和胶体杂质。原理：原理：在混凝剂的作用下，使废水中的胶体和细微悬浮物凝聚成在混凝剂的作用下，使废水中的胶体和细微悬浮物凝聚成絮凝体，然后予以分离除去。絮凝体，然后予以分离除去。混凝剂种类混凝剂种类： 无机混凝剂：无机混凝剂：铝盐：铝盐：如硫酸铝、明矾、聚合氯化铝等如硫酸铝、明矾、聚合氯化铝等 铁盐：铁盐：硫酸铁、硫酸亚铁、三氯化铁等硫酸铁、硫酸亚铁、三氯化铁等 有机混凝剂：人工合成的混凝剂与天然高分子物质（甲壳素）有机混

25、凝剂：人工合成的混凝剂与天然高分子物质（甲壳素）处理流程处理流程：投药投药混合混合反应反应沉淀分离沉淀分离应用：应用：应用非常广泛，既可以降低原水的浊度、应用非常广泛，既可以降低原水的浊度、色度等水质的感观指标，又可以去除多种有毒色度等水质的感观指标，又可以去除多种有毒有害污染物。有害污染物。原理：向废水中投加某些化学药剂，使其与废水中的污染物发生化学反应，形成难溶的沉淀物。工艺流程和设备：与化学混凝法相类似，包括： （A）化学药剂（沉淀剂）的配制和投加设备； （B）混合、反应设备； （C）使沉淀物与水分离的设备（如沉淀池、浮上池等）。分类：按照投加的化学剂种类分为氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法

26、、碳酸盐沉淀法、铁氧体沉淀法等。缺点：加入大量的化学药剂，并成为沉淀物的形式沉淀出来。存在大量的二次污染，如大量废渣的产生，而这些废渣的处理目前尚无较好的处理处置方法原理：通过氧化还原反应，将废水中的污染物质转变为无毒无害（如 CO2、H2O等）或微毒的新物质。分类： 还原处理法：废水中的有毒污染物处于氧化型，用还原剂将其转变为无毒物质的方法。 氧化处理法：废水中的有毒污染物处于还原型，用氧化剂将其转变为无毒物质的方法。有时一个化合物既可以用氧化法处理，又可用还原法处理。（3 3）物理化学处理法物理化学处理法吸附法吸附法 吸附法是利用多孔固体物质作为吸附剂，以吸附剂的表面吸附废水中的某种污染物

27、的方法。 离子交换法离子交换法(ion exchange process) 利用离子交换剂的可交换离子与水相中离子进行当量交换的过程称为离子交换，也叫离子交换反应。提供离子交换的物质叫离子交换剂 。离子交换法是液相中的离子和固相中离子间所进行的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。n离子交换法原理图电渗析电渗析用半透膜的选择透过性来分离不同的溶质粒子（如离子）的方法称为渗析。在电场作用下进行渗析时，溶液中的带电的溶质粒子（如离子）通过膜而迁移的现象称为电渗析。电渗析对去除废水中的无

28、机营养物（磷、氮）是很有前途的一种方法，而在废水处理流程中可以作为最后一个步骤。 反渗透反渗透 反渗透技术主要用来分离水中的分子态或离子态溶解物质。它是利用某种特殊的半透膜具有能渗析水而溶质被阻留的特性来进行工作的。 超过滤超过滤超过滤法简称超滤法，它是与反渗透法很相似的一种膜分离技术。它同样是利用半渗透膜的选择透过性质，在一定的压力条件下，使水可以通过半渗透膜，而胶体、微小颗粒等不能通过，从而达到分离或浓缩的目的。 萃取（液萃取（液液）法液）法将不溶于水的溶剂投入污水之中，使污水中的溶质溶于溶剂中，然后利用溶于水的密度差，将溶剂分离出来。再利用溶剂与溶质的沸点差，将溶质蒸馏回收，再生后的溶剂

29、可循环使用。常采用的萃取设备有脉冲筛板塔、离心萃取机等。 (4)(4)生物处理法生物处理法 （a a）活性污泥法活性污泥法能除去可生物降解有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质，部分无机盐类。 处理城市生活污水最广泛使用的方法好氧生物处理厌氧生物处理活性污泥法生物膜法（b）生物膜法原理：原理：微生物附着介质“滤料”表面上，形成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解有机污染物被微生物吸附转化为H2O、CO2 、NH3 和微生物细胞质，污水得到净化，所需氧气一般直接来自大气。应用：应用：主要用于从废水中去除溶解性有机污染物，是一种被广泛采用的生物处理方法。主要设施：主要设施：生物滤池、生物转

30、盘和生物接触氧化池。生物滤池有间歇生物滤池、普通（单层）生物滤池、塔式（多层）生物滤池等多种型式。生物膜的基本结构和污染物降解过程生物滤池生物接触氧化池（c c）厌氧生物处理）厌氧生物处理厌氧生物处理，即在无氧条件下，借兼性菌和厌氧菌降解有机污染物，分解的主要产物是以甲烷为主的沼气。 我国农村推广的沼气池，也是利用厌氧处理的原理，以粪便、草禾茎秆等作为原料抽取沼气，并提高肥效的一种方法。1 进水2 第一厌氧反应室集气罩3 沼气提升管4 气液分离器5 沼气导管6 回流管7 第二厌氧反应室集气罩8 集气管9 沉淀区10 出水管11 气封 自循环厌氧反应器构造原理（d d）组合工艺处理法）组合工艺处理法近年来，多项单元