中科大环境工程概论课件03水质管理

第三章水质管理3.1引言水质管理的主要目的是控制人类活动产生的污染，避免水质恶化到无法利用的程度。水质管理是了解对特定水体排入多少污染物会过多的一门科学。通过了解污染物对水质的影响，环境工程师可设计出适当的处理设施，将这些污染物去除到可接受的程度。3.2水中污染物及其来源污染源排放方式污染性质点源污染：指工矿废水、生活污水通过管道、沟渠集中排放的污染源。面源污染：主要来源于集水面上，如农田排放、矿山排水、城市和工矿区的路面排水等。持久性污染物，如无机盐类、重金属等非持久性污染物，如好氧有机物水体酸碱度，以pH值为表征热效应水中污染物主要类型名词介绍好氧物质：在受纳水体中可被氧化并消耗溶解性分子氧的物质。通常为生物可分解的有机物，但也包括某些无机化合物。溶解氧（DO）的消耗威胁着那些需要氧的鱼类和高等水生生物。临界溶解氧浓度随着生物种类的不同而不同。生活污水中的好氧物质主要来自粪便几残余食物。工业生产中，产生好氧性物质最多的是食品工业和造纸工业。营养物质：氮和磷是通常最受关注的两种营养物质。同时也是污染物。所有生物的生长均需要这2种物质。但是当营养物质过剩时，食物链受到严重干扰，某些生物过度繁殖时就会出现问题。如云南滇池的富营养化问题。病原微生物：主要来自患病的人和动物的细菌、病毒与原生动物。当这些病原菌排入地表水体时，会使水无法使用（如钓鱼、游泳等；贝类等水生生物体内病原菌的富集）。悬浮固体：从废水带入受纳水体中的有机和无机颗粒称为悬浮固体。当废水流入池塘或湖泊、速度降低时，许多颗粒会沉降在湖底而变为沉积物。盐类：含盐量一般通过将过滤的水样蒸发来测量。不蒸发的盐类与其它物质统称为总溶解性固体（TDS）。当正常水体中盐浓度增加到一定程度后，就会对动植物造成威胁，或使水体无法用于公共给水或用于灌溉。毒性金属与毒性有机物：农业径流含有杀虫剂和除草剂；城市径流是许多水体中锌的主要来源。许多工业废水中含有毒性金属或/及毒性有机物。这些物质会在水生生物体内富集，导致人类产生各种疾病，如日本的甲基汞事件。丹麦的二恶英火鸡事件等。热：电力工业排出的废热是众所周知的环境问题。通常工业过程排出的废水温度远远高于受纳水体的温度。而受纳水体水温的升高有时是有害处的，影响到水体中水生生物的生存。当好氧物质存在时，温度的升高将加快好氧速率。3.3河流水质管理污染物对河流的影响主要依据河流的水质类型与各个河流的特征而定。河流最重要的特征：河流流量、流速、深度、河底形状以及周遍植物。其它因子包括气候、集水区地质状况、土地使用类型及河流水生生物类型。河流水质管理必须全面考虑这些因素。河流受好氧物质和营养盐的影响最为严重。（1）好氧物质对河流的影响无论是有机的还是无机的，都会造成水中溶解氧的降低。当溶解氧降到临界值以后，鱼类及水生生物便受到威胁。要预测溶解氧的变化必须首先知道污染物排入水体的量以及微生物分解这些污染物需要多少氧。溶解氧会由大气及水生植物或藻类经光合作用补充，因此河流溶解氧浓度取决于补充与消耗的相对速率。有机好氧物质的浓度一般以接近于天然水体中有机物分解时氧的消耗量来表示。（2）生化需氧量（BOD）物质被完全氧化成CO2和H2O所需要的氧气量称为理论好氧量(ThOD)。按照化学反应式计算。化学需氧量（COD）与理论需氧量不同，它是一种测量值，而不是利用水中物质的化学组成计算得来的。在COD的分析过程中，水样与强氧化剂（重铬酸）混合并加热煮沸，可用反应前后氧化剂量的差值来计算COD。有机物的氧化是通过微生物进行的，所消耗的氧量为生物需氧量（BOD）。BOD分析实际测定的是微生物分解有机物时所消耗的氧量。若水中所有有机物的化学组成已知，且均可用化学方法和生物方法完全氧化，则ThOD、COD与BOD这三个值相等。将含有可分解有机物的水样置于封闭容器中，并接种细菌，其好氧情况如图所示：L0BOD残留LLtL0-LtBODt时间/d氧消耗量及有机物去除一般假设：任何时刻的好氧速率正比于当时残留的可分解有机物的浓度。用一次反应的数学式表示：式中Lt为t时刻残留的BOD，mg/L；k为反应速率常数，也称为好氧系数，1/d。L0为最终时刻的BOD。根据定义：一般以10为底来表示：Example1:

若废水中BOD3=75mg/L,K为0.150d-1，求最终的BOD。Solution:75=L0(1-10-0.15

3)L0=116mg/L以e为底时，k=2.303K=0.345d-175=L0(1-e-0.345

3)

L0=116mg/L注意：最终BOD（L0）为废水的最大BOD值，由于BODt渐近于L0，因此很难确定最终BOD（L0）的时间。好氧速率与最终BOD和BOD速率常数两者有关。大部分的生物反应过程在温度增加时进行得比较快，水体中氧的消耗是由微生物代谢引起的，因此好氧速率受温度的影响。理想情况下，确定BOD速率常数的实验应该在与受纳水体相同的温度下进行。一般实验室测定BOD在20

C，而BOD速率常数由下列公式进行矫正：式中

为温度系数。4~20C时，=1.135；20~30C时，=1.056。（3）BOD常数图解法由BOD实验数据确定k和L0的方法很多，最简单的方法是将BOD对时间作图，但是精度较差。最终BOD可由曲线的渐近线估算，K通过速率方程求得。但是当数据离散时则很难进行数据的拟合。Tomas图解法。对以下两个函数做Tylor级数展开：

F1=1-e-kt

F2=(kt)(1+kt/6)-3F1=(kt)[1-0.5kt+(kt)2/6-(kt)3/24+…]F2=(kt)[1-0.5kt+(kt)2/6-(kt)3/21.9+…]以上2式的前2项完全相同而第三项也只是略有不同。因此用第二式取代第一式代入BOD速率方程式是可以的。BODt=L0(kt)[1+(kt)/6]-3由公式左边项对时间t作图得到一条直线，得到相应的斜率和截距。直线的斜率为B=k2/3/(6L01/3)；截距为A=(kL0)-1/3由此得到：k=6(B/A);L0=1/(6A2B)（4）BOD的实验测量步骤1：将经过适当稀释并接种的水样置于特制的300mlBOD测试瓶中。盖上瓶盖排除空气泡。由于微生物只能利用溶于水中的溶解氧，因此水样需要稀释。水中最大溶解氧浓度为9mg/L，稀释后水样BOD必须在2~6mg/L之间。适当的水样体积分数可用4mg/L除以估计的稀释水样BOD值求得。步骤2：将空白水样（仅含接种微生物的稀释水）置于另一BOD测试瓶中，并盖上瓶塞。空白实验的目的是求出在没有实际水样时接种微生物所消耗的溶解氧量。步骤3：将装满稀释水样和空白水样的BOD测试瓶置于暗处，在20C下恒温培养一定时间，一般多采用标准时间5天。但是为了求得最终BOD和BOD速率常数，需要适当延长培养时间，并测定其它天数的BOD。步骤4：培养一定时间后，将稀释水样瓶和空白水样瓶从恒温培养箱中取出，并测量瓶中的溶解氧。未稀释水样的BOD可以用下式计算：式中DOb,t和DOs,t分别为t天后空白瓶和水样瓶的溶解氧，mg/L。采用5天BOD作为标准值的主要原因是该测试方法最初是由英国卫生工程师提出的，在英国河水流到海洋的时间不超过5天，因此不需要更长时间的好氧情况。所以一直沿用至今。（5）氮的氧化有机物中除了碳以外，氮也会被氧化消耗分子氧。氮的氧化机制和速率明显不同于碳的氧化。碳引起的好氧量称为CBOD，而氮的氧化所引起的好氧量称为NBOD。通过氧化有机物中的碳而获得能量的微生物无法将有机物中氮氧化。氮以氨的形式被释放到周围的水体中。在正常pH条件下，氨的存在形式主要为NH4+。从有机物中释放出的氮以及工业废水和农业径流等其他来源的氮，被消化菌氧化成为硝酸盐（NO3-），此过程称为硝化。氨氧化的反应式：根据以上反应，可从理论上计算NBOD：由于部分氮用于合成新的细胞物质，所以实测的NBOD值比理论值低（约几个百分点）。Example:

某废水含30mg/L氨氮（NH3-N），计算其理论NBOD。若废水分析结果显示含有30mg/L氨（NH3），则理论NBOD是多少？Solution：第一个问题用氨氮表示，直接用以上公式计算：理论NBOD=30mgN/L4.57mgO2/mgN=137mgO2/L为了解答第二个问题必须将氨转化成氨氮：30mgNH3/L

(14gN/17gNH3)=24.7mgN/L再利用上述公式计算理论NBOD：理论NBOD=24.7mgN/L4.57mgO2/mgN=113mgO2/LNBOD反应速率与硝化菌存在的数目有关。未经处理的原污水，NBOD会在大多数的CBOD消耗完之后才进行反应。时间延迟的主要原因在于硝化菌需要一定的增殖时间，以达到充足的数量使硝化反应进行，NBOD才会发生明显变化。对于已处理的出水，水中已有较多的硝化菌，缩短了所需的延迟时间。当只想测定CBOD时，则必须加入抑制剂以抑制硝化反应进行。硝化速率也受到温度的影响，其校正公式与CBOD的校正一样。（6）氧垂曲线溶解氧浓度是河流水质的指标，所有河流均有一定程度的自净能力。当污染物排放量超过河流的自净能力时，水体生物的生存将受到威胁，河水丧失自净能力，溶解氧浓度降低。河流水质管理的主要方法之一就是评估河流容纳污染物的能力。评估方法是确定废水排入后下游溶解氧的变化，该变化曲线称为氧垂曲线。当耗氧物质被氧化时溶解氧浓度降低，但在更下游的地方当氧通过大气补充后溶解氧浓度又再上升。见下图所示。有机污染源下游的氧垂曲线氧垂曲线数学模型必须对氧的来源和影响氧消耗的各种因素进行识别和量化。来源：大气中氧的补充、水生植物的光合作用。消耗：因素很多，主要是排放废水中的BOD（包括CBOD、NBOD）以及上游河水本身所含的BOD。在介绍氧垂方程之前，先了解一些基础知识。（6.1）质量平衡法当河水和废水混合时，溶解氧、CBOD和温度均发生变化。根据质量平衡图可以得到混合后的相关参数。当河水和废水混合时，溶解氧、CBOD和温度均发生变化。根据质量平衡图可以得到混合后的相关参数。式中，Qw、Qr分别为废水和河水流量；DOw、DOr分别为废水和河水中溶解氧浓度，g/m3。Lw、Lr分别为废水和河水的最终BOD，mg/L。（6.2）热平衡确定温度变化物质的焓变可以用下式来表示：天然水体而言，Cp=4.19J/(g•K)混合后的温度：（6.3）亏氧量（oxygendeficient）指饱和溶解氧浓度与实际溶解氧浓度之差。表示为：D=DOs-DO饱和溶解氧浓度受水温影响最大，温度升高其值降低。（6.4）初始亏氧量氧垂曲线的起点在河水与废水混合处。初始亏氧量则为饱和溶解氧浓度与混合后溶解氧浓度之差。注意：废水温度一般高于河水温度，因此下游河水温度高于上游。在确定饱和溶解氧浓度时，使用下游的温度相当重要。（6.5）氧垂方程：下图为一小段河流的模型简化质量平衡图：在此，植物需求消耗的溶解氧、微生物分解NBOD所消耗的溶解氧，藻类呼吸所消耗的溶解氧以及藻类光合作用所产生的溶解氧均被忽略。WAMRDOinRDOoutROD：河水中溶解氧质量W：废水中溶解氧质量A：大气进入的溶解氧质量M：微生物分解CBOD所消耗的溶解氧质量；质量平衡方程：RDOin

+W+A-M-RDOout

=0河水中由于微生物作用使溶解氧消耗的速率M等于亏氧量增加的速率。假设饱和溶解氧为常数，即dDOs/dt=0，对亏氧量的定义式求导，得到：dDO/dt+dD/dt=0dDO/dt=-dD/dt=-dBOD/dt而：BODt

=L0-Lt，dBOD/dt=-dLt/dt由于BOD的变化为一级反应，与残留有机物的量成正比，因此得到亏氧量的变化速率：dD/dt=kLt，速率常数k称为耗氧速率常数，记为kd。氧从空气转移到溶液的速率符合一级反应，且正比于饱和溶解氧与实际溶解氧浓度之差：dDO/dt=k(DOs-DO)由此得到：dD/dt=-kD式中k称为复氧速率常数，记为kr。亏氧量变化速率：将上式积分，边界条件t=0时,D=Da,L=La;t=t时,D=D,L=L：dD/dt：mg/(L•d)kd：耗氧速率常数，d-1L：河水最终BOD，mg/Lkr：复氧速率常数，d-1D：河水亏氧量，mg/L得到如下氧垂方程：当kr=kd时，该公式简化为：（6.6）耗氧速率常数由于河水与BOD瓶中的水在物理和生物特性方面的差异，河流的耗氧速率常数与BOD速率常数有所不同。Bosko提出一种结合河水特性由k估算kd的方法：D：BOD作用时间t后河水的亏氧量，mg/LLa：河水与废水混合后最终BOD的初始值，mg/LDa：河水与废水混合后的最初亏氧量，mg/L得到如下方程：河床活性系数的值从0.1（深或静止的水）到0.6（流速快的河流）或更高。不同温度下的kd可以采用温度校正公式计算。但是，=1.024。（6.7）复氧复氧速率常数kr值与混合程度、接触空气的水面积和河水体积的比值有关。可以用下式来估算：kd：20C时的耗氧速率常数，d-1v：河水的平均流速，m/sk：实验室求得的20C时的BOD速率常数H：河水平均深度，m

：河床活性系数kr：20C时的复氧速率常数，d-1v：河水的平均流速，m/sH：河水平均深度，m氧垂曲线的最低点称为临界点，代表河流水质最差的状况。对氧垂曲线求导数，令其为零，可以得到到达临界点的时间tc：当kr=kd时，则有临界亏氧量（Dc）可以利用临界时间求得。Example:某大学城将17360m3/d处理过的水排放到邻近的一条小河中，其BOD5为12mg/L，k值为0.12d-1(20C)。河水流量为0.43m3/s，平均流速为0.03m/s，水深为5.0m，最终BOD为5.0mg/L，河水中溶解氧浓度为6.5mg/L，排放水中溶解氧浓度为1.0mg/L。河水与废水的温度均为10C，河床的活性系数值为0.35。试计算排放点下游5km处的DO浓度，并求出临界DO及其出现的位置。Solution:（1）单位换算：Qw=17360m3/d=0.2m/s（2）混合后的溶解氧浓度DO=(0.2*1.0+0.43*6.5)/(0.2+0.43)=4.75mg/L（3）排放废水的最终BOD：L0=12/(1-e-0.12*5)=26.6mg/L=Lw（4）混合后最终BOD的初始值：La=(0.2*26.6+0.43*5.0)/(0.20+0.43)=11.86mg/L（5）混合后初始亏氧量先查10C时的饱和溶解氧浓度，得到：DOs=11.33mg/L。所以Da=DOs-DO=11.33-4.75=6.58mg/L（6）20C时的耗氧速率常数kd:kd=0.12+0.03*0.35/5.0=0.122d-1（7）转化成为10C时的耗氧速率常数kd:kd(10C)=0.122*1.13510-20=0.034d-1（8）计算复氧速率常数kr：kr(20C)=3.9*0.03/5.0=0.0604d-1因河水温度为10C，将kr(20C)校正为kr(10C)：kr(10C)=0.0604*1.02410-20=0.04766d-1（9）流经时间t计算：

t=5000/(0.03*86400)=1.929d（10）采用氧垂方程计算亏氧量：（11）5km处的溶解氧DO5km：DO5km=DOs-D=11.33-6.73=4.60mg/L（12）计算临界时间tc

=6.45d（13）计算临界亏氧量将tc代入氧垂方程之中，得到临界亏氧量Dc：Dc=6.85mg/L；所以临界溶解氧浓度：DOc=DOs-Dc=11.33-6.85=4.48mg/L（14）计算临界DO发生的位置距排放点的距离为：6.45d*68400s/d*0.03m/s=16.7km。（6.8）管理策略利用氧垂曲线进行河流水质管理的第一步是确定保护河流水生生物所需的最低溶解氧值，称为溶解氧标准。其设定的一般原则是可以保护河流中最敏感的水生生物种类。在河流特性与废水排放状况已知的情况下，可用氧垂方程求得临界点的溶解氧值。若计算值高于标准，则该河流可以容纳此废水，若低于标准，则废水排入河流前应先进行处理。一般情况下，可以控制两个参数，即La与Da。提高现有的处理效率或增加新的处理措施可以降低排放废水的最终BOD，进而降低La。而改变河水水质较方便的方法是降低Da，即在废水排入河流前增加其溶解氧，直至接近饱和。确定改善方式是否适宜的方式是否适宜的方法是用新的La与Da值验算临界溶解氧值是否超过标准。（6.9）NBOD到目前为止，仅考虑了氧垂曲线上的CBOD部分。然而在许多情况下NBOD对DO的影响与CBOD几乎相同。在氧垂曲线方程式中增加氮耗氧量一项即可将NBOD考虑在内：式中kn为氮的耗氧速率，d-1。Ln为废水与河水混合后最终的NBOD，mg/L。此时，临界时间的测定就不能采用原来的tc公式，必须采用试算法对上述公式求解。（7）河流分段考虑的必要性将河段划分为仅有一个排放源的河段，即可处理多污染源的问题。所谓河段是指基于河流的同质性（即河道形状、河底组成、坡度等）所确定的一段河流长度。每一河段终点的亏氧量与残留BOD可经计算求得，并可利用这些值计算下一河段的La与Da。若将河段分的足够小，则可处理面源污染问题，这样对于面源污染问题也可直接利用氧垂曲线方程进行计算。当水流改变时，复氧常数常会发生改变，因而把河流分段非常必要。（8）营养物质对河流水质的影响营养物质是指植物生长所需的要素。按植物组织含量次序排序，包括碳、氮、磷和各种微量元素。（8.1）氮的影响氮对受纳水体有以下危害：氨氮浓度高时对鱼有毒；低浓度NH3和NO3-可导致藻类过量生长；NH4+转化为NO3-时消耗大量溶解氧。（8.2）磷的影响磷的主要危害在于它是藻类生长的重要营养盐。若含磷量可满足藻类生长的需求，藻类即过量生长。藻类死亡以后变成细菌可分解的耗氧物质，其耗氧量往往超过水体可供给的氧量，因此会造成鱼类死亡。（8.3）管理策略对于过量营养盐引起的水质问题，多从营养盐的来源制定管理策略。而且，营养盐所引起的水质控制问题主要是废水中的氮和磷的去除。3.4湖泊水质管理3.4.1分层作用与翻腾表水层温和好氧混合好变温层下水层冷厌氧混合差夏天湖泊的分层现象示意图风秋天温度降低，表水层开始冷却，当它的密度比下水层大时，表水开始下层，造成表水与下水层的混合，于是发生翻腾作用。下水层的水因升至表面，被冷却后下沉，此时湖泊中发生完全混合作用，当温度达到4

C时翻腾现象即停止，因为此时水的密度最大。表水进一步被冷冻而产生冬天的分层现象。变温层下水层4

C冬天湖泊的分层现象示意图冰0

C3.4.2生物层沿岸层湖底层湖泊的生物层示意图透光层深湖层光照水面边界3.4.3富营养化富营养化是一个自然过程。由于营养物质的引入与循环，湖泊逐渐变浅且生产力提高。因此贫营养湖逐渐经过中营养、富营养及老化阶段而最终被完全填平。当人类活动使沉积物和营养物质进入湖泊的速率增加时，天然富营养化过程会加速而形成认为富营养化过程。因此湖泊污染是一种天然过程被加速的作用。对湖泊进行水质管理就是要将富营养化速率至少减缓到天然过程的速率。首先了解影响藻类生长的因素。3.4.4藻类生长需求（1）碳藻类的碳源是溶于水中的CO2。由于CO2处于碳酸盐平衡缓冲体系中，可获得碳的量由水中碱度来确定。当水中二氧化碳被消耗时