01水质与水体自净1.ppt

1、环境工程学,第一篇 水质净化与水污染工程,第一章 水质与水体自净 第一节 水的循环与污染,地球表面被水覆盖，但我们生产和生活用水基本上全是淡水。地球上淡水（地表水+地下水）占总水量的0.63%。人类用水量：1985年为3GT/年，2000年为6GT/年，大约每20年翻一翻。全球有60%陆地高原供水不足，近20亿人饮用水短缺。目前占全世界人口40%的80个国家正面临着水源不足，影响经济发展，而且随工农业迅速发展和人口增长，污水和废水排放，水质下降，水资源短缺局面进一步恶化。有的国家甚至为水而战（中东，以色列）。 我国水资源短缺，水价不断上涨。一般每人每天约需5L水。 我国目前污水总排量4x10t

2、/年，其中工业废水2.7x10t/年,表1-1 地球上的水量分布,在中，水污染被定义为：水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性方式的特性的改变，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。 水污染可分为自然污染和人为污染。对水体造成危害较大的是人为污染。水污染可根据污染物质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。,（一） 化学性污染 1、无机污染物质：污染水体的无机污染物质有酸、碱和一些无机盐类。它们矿山排水和工业废水。 2、无机有毒物质：主要是重金属等有潜在长期影响的物质，其中汞、镉、铅、砷等危害较大。其它还有正六价铬、六价硒、

3、钡、钒，氰化物、氟化物等。有毒重金属在自然界中一般不会自行消失，却可能通过食物链而积累、富集，以致会直接作用于人体而引起严重疾病或慢性病发作。 3、有机有毒物质：主要各种有机农药、多环芳烃、芳香胺等。主要来自农田排水和工业废水等。它们的化学性质稳定、难以降解有些还可致癌。 4、需氧污染物质：生活污水、牲畜污水和某些工业废水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪和酚、醇等有机物质可以在微生物的作用下进行分解。在分解过程中需要消耗氧气，故称为需氧污染物质。如果这类物质过多地排入水体，将会大量消耗水中的溶解氧，造成溶解氧缺乏，从而影响水中鱼类和其它水生生物的生长。水中溶解氧耗尽后，有机物质将进行厌氧分解，

4、从而产生大量的H2S、NH3、等难闻物质，使水质变黑发臭，造成环境质量进一步恶化。需氧污染物质是目前水体中最大量、最经常和最普通的一种污染物质。,5、植物营养物质：生活污水和某些工业废水经常含有一定量的氮、磷等植物营养物质。 施用氮肥和磷肥的农用排水中也会有残余的N和P。水体中氮磷的含量较高时，对一般的河流的影响可能不大，但对湖泊、水库、港湾、内海等水流缓慢的水域就会因此而使藻类等浮游植物及水草大量繁殖，这现象称为“富营养化”。大量繁殖的藻类使鱼类的生活空间减少，有些藻类还含有毒性。藻类死亡腐败有又分解出大量营养物质，促藻类进一步发展。如此恶性循环的结果，使水体呈红色或其它色泽，通气不良，溶解

5、氧含量下降，引起水质恶化，鱼类死亡，严重的还可能导致水草的丛生，湖泊退化。,6、油类污染物质：随着石油事业的发展、油类物质对水体的侮辱已日益增长。炼油、石油化工工业、海底石油开采，油轮压舱洗舱以及大气中碳氢化合物的沉降等都可使水体遭受严重的有类污染，尤其是海洋采油和油轮事故污染最甚，影响水质、破坏海滩、危害水生物。,(二) 物理性污染 1、悬浮物质污染：悬浮物质是指水中含有的溶解物质，包括固体物质和泡沫等。他们是由生活污水、垃圾和采矿、采石、建筑食品、造纸等产生的废物排入水中或农田水土流失引起的。悬浮物质影响水体外观，防碍水中植物的光合作用减少氧气溶入，对水生生物不利，如果在悬浮颗粒上吸附一些

6、有毒有害物质，则更是有害。 2、热污染：来自火电厂、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现象，从而危机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，以及同位素的医学、工业、研究等领域中的应用，使放射性废水、废物显著增加，造成一定的放射性污染，其中对人体健康有重要影响的锶（sr90）、铯（cs137）等。,（三）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以后，往往可带入一些病原微生物。例如某些原体存在于人畜肠道中的病原细菌，如伤寒、副伤寒

7、，霍乱、细菌性痢疾等都可以通过人畜粪便的污染进入水体，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。,第二节 水质指标与水质标准,一、水质指标 水中所含的杂质按其在水中存在的状态可以分为三类：悬浮物质、溶解物质和胶体物质。悬浮物质是由大于分子尺寸的颗粒组成的，它们靠浮力和粘滞力悬浮于水中。溶解物质则由分子或离子组成，它们被水的分子结构所支承。胶体物体则介于悬浮物质与溶解物质之间，这三种杂质的尺度为：,溶解物质,胶体物质,悬浮物质,10-5,10-4,10-3,10-2,10-1,1,10,100,(m

8、),水质是指水和其中所含杂质共同表现出来的物理、化学和生物学的综合特征。各项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。水质指标项目繁多，总共可有上百种，它们可分为物理的、化学的和生物的三类。 （一）物理性水质指标 属于这一类的水质指标主要有： 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、其它的物理性水质指标，如总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率（电阻率）等。,（二）化学性水质指标 1、一般化学性水质指标，如：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、有毒的化学性水质指标，如：各种重金属、氰化物、多环芳烃

9、、各种农药等。 3、氧平衡指标，如溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总需氧量（TOD）等。 （三）生物学水质指标 一般包括细菌总数、总大肠杆菌群数、各种病原细菌病毒等。,下面选择几种常用的和主要的水质指标作简单介绍。 1、浑浊度（Turbidity） 所谓浑浊度就是指水中的不溶解物质对光线透过时所产生的阻碍程度使用光电浊度计可以测量水的浊度，主要是依靠光学散射原理制成的，因此它是一种散射浊度计。其单位为散射浊度（NTU，Nephelometric Turbidity Unit）. 2、颜色（Color） 大家都知道，纯水是无色的，但自然界中的水往往由于受外来杂质的影响

10、而呈现出一定的颜色。水的颜色有真色和表色之分。真色是由于水中所含溶解物质或胶体物质所致，即除去水中悬浮物质后所呈现的颜色。表色则包括由溶解物质、胶体物质和悬浮质共同引起的颜色。 通常只对天然水和用水做真色测定，测定方法是用铂钴标比色法。1升水中含有相当于1mg铂时所产生的颜色规定为1度。也称一个真色单位（TCU,Ture Color Unit）. 对废水和污水的颜色测定不作真色测定，而常用文字描述。,3、固体（Solids） 严格的说，水中除溶解的气体外，其它一切杂质，包括有机物、无机物和各种生物体都划入水中固体物质之列。但在环境工程和水质分析中，水中固体的定义为：在一定的温度下将水样蒸发至干

11、时所残余的固体物质总量。常用的蒸发温度为103105。C。残渣总量称为“总固体（Total Solids）”，结果以mg/L计。 水中固体按其溶解性能可分为“溶解固体（Dissolved Solids）”和“悬浮固体（Suspended Solids）”。如果对水样进行过滤操作，则滤液（包括溶解物质和一部分胶体物质）在103105。C下烘干后的残渣即为DS。而滤渣烘干后（包括悬浮物和另一部分胶体）即为SS。 水中固体还可根据其挥发性能分为“挥发性固体（VS,Volatile Solids ）”和“固体性固体（FS,Fixed Solids）” 。VS是指在一定温度下（正常为600。c）,将水样

12、经蒸发干燥后的固体灼烧而失去的重量，故也成为“灼烧减重”。它可以忽略代表水中有机物质的含量。灼烧后残余物质的重量，即为FS。它可表示无机物质的的含量。,在污水和废水中的固体测定中还有一个称为“可沉性固体（Setteable Solids）”的指标。它是指将1L水样在一锥形玻璃筒内静置一小时后所沉下的悬浮物质数量。,4、比电导（Specific Conductance） 水中溶解的盐类都是以离子状态存在的，它们都是具有一定的导电能力。水的导电能力可用比电导来量度。水中所含溶解盐类越多，水中的离子数目越多，水的比电导就越高。 比电导也称电导率，是电阻率的倒数。可直接用电导来测量。其单位为ms/m或

13、m/cm, 1ms/m=10s/cm. 5、总含盐量和离子平衡 水中所含各种溶解性矿物盐类的总量称为总含盐量，也称总对比度。 总含盐量（mg/L）=阳离子（mg/L）+阴离子（mg/L） 水的总含盐量与溶解固体之间存在着如下关系： 总含盐量=溶解固体 + HCO3 - mg/L 因为测定溶解固体时，水样在105。C下蒸干，这时HCO3-co32- 2 HCO3- CO2 + H2O/2 HCO3- = 44 + 18/2 61 = 1/2,103105.c,CO32- + CO2 + H2O,即逸失的量（CO2+H2O）约等于水中原有HCO3-含量的一半。 6、碱度（Alkalinity） 水

14、的碱度是指水接受质子的能力。可以由水中所有能以强酸发生中和作用的物质所接受质子的重量来量度。因此，水的碱度也就是水中所有能以强酸相作用的物质所接受H+的总和。 水的碱度常常哟内个盐酸滴定法来测定。根据指示剂不同又分为酚酞碱度（变色PH=8.3左右）和甲基橙碱度（变色PH=4.4附近）。甲基橙碱度也称总碱度，此时水中的全部致碱物质都已被强酸中和完毕。 碱度单位常用m mol/L,7、硬度（Hardness） 水的硬度是由于能以肥皂作用生成沉淀和与水中某些阴离子化合生成水垢的两价金属离子的存在而产生的。最主要的致硬金属离子是Ca2+和Mg2+。按照能与其化合物的相关阴离子（主要有HCO3-CO32

15、-、SO42- 、CL-、和NO3-、SiO32-等）可将硬度分为： （1）碳酸盐硬度。主要由Ca2+、 Mg2+的碳酸盐和和碳酸氢盐形成，经煮沸和除去，故也称暂时硬度。 （2）非碳酸盐硬度。主要由Ca2+、 Mg2+的硫酸盐、氯化物等形成。故又称“永久硬度”。 水中碳酸盐硬度与非碳酸盐硬度之和即为总硬度。 单位mmoL/L，以碳酸钙计算 8、化学需氧量和耗氧量 化学需氧量和耗氧量的定义是：在一定严格的条件下，水中各种有机物质与外加的强氧化剂（K2Cr2O7、KMnO4）作用时，所消耗的氧化剂的量，结果以氧的mg/L数来表示。根据所加氧化剂不同，它们分别分称为重铬酸钾耗氧量即化学需氧量（Che

16、mical Oxygen Demand，COD）和高锰酸钾耗氧量即耗氧量（Oxygen Consumed，OC）。,重铬酸钾法是水样在强酸性条件下，加热回流2小时，使有机物充分氧化的情况下测定的。它可将水中的决大部分有机物质氧化，但对于苯、甲苯等芳香烃类化合物则较难氧化。严格说来，化学需氧量 COD也包括了水在中存在的无机性还原物质。通常固废水中有机物的数量远多于无机性还原物质的量，因此，在一般情况下，COD可以用来代表废水中有机物的总量。 高锰酸钾法测定比较快速，但不能代表水中有机物质的全部含量。一般来讲，水中不含N的有机物质在测定条件下易被高锰酸钾氧化，而含氮的有机物就较难分解。因此，耗氧

17、量OC适用于测定天然水或含容易被氧化的有机物的一般废水。 由于COD和OC只是间接、相对地反映水中有机物质的数量、因此对实验条件和操作步骤的要求很严格。,9、生化需氧量 在有氧的条件下，水中可分解的有机物由于耗氧微生物（主要是耗氧细菌）的作用被氧化分解而无机化，这个过程所需要的氧量叫生物化学需氧量（BOD，Biochemical Oxygen Demand）。简称生化需氧量结果以氧的mg/L表示。 显然生化需氧量不包括不可分解的有机物或难生物降解的有机物，也不包括变成残渣的那部分有机物。因此，它并不是水中的有机物的全部，而只是其中的一部分。尽管如此，BOD仍然是环境工程中最广泛采用的有机物测定

18、方法之一。 有机物质生物氧化过程的速率与温度密切相关，而且这种生物氧化是一个缓慢的过程，需要很长时间才能终结。因此，在一般情况下，各国都统一采用5天，201。C作为BOD的标准测定条件，以便可做相对比较。这样测得的生化需氧量记作BOD5或BOD。BOD的基本测定方法是将水样（或经稀释的水样）倒入并充满若干个有水封的具塞玻璃瓶中，先测出其中一瓶水样当天的溶解氧量并将期于各瓶放在201。C培养箱内培养5天后再测其溶解氧量，二者之差即为BOD5。某些工业废水中缺乏必要的微生物时，还需要微生物接种。,刚才讲到，有机物质的生物氧化是一个缓慢的过程，有人认为需要100天才能基本完成，对于大多数有机物质来说

19、，经过20天大约能完成90%95%，以后的反应异常缓慢。5天的生物氧化量只完成70%. 耗氧量OC，化学需氧量COD和生化需氧量BOD的测定，目前有专门的测定仪器，但都非常昂贵。 OC，COD，BOD的测定都是用定量的数值来间接的、相对的表示水中有机物质数量的重要水质指标，如果同一废水中各种有机物质的相对组成没有变化，则这三者之间的相应关系是CODBOD5OC。,化学需氧量COD几乎可以表示出水中有机物质全部氧化所需的氧量，而生化需氧量BOD则反映了能被微生物氧化分解的有机物质氧化是所需的氧量。如果同一废水的BOD5/COD 0.3，一般认为此种废水是适宜采用生物化学处理方法的。比值越大，则生

20、物处理性越强。 如果BOD5/COD 0.3，则说明该废水中生物溶解的有机物数量很少需寻求其它的处理途径。,10、总有机碳和和总需氧量 （1）总有机碳（TOC，Totae Organic Carbon）的测定。将水样在900950。C高温下燃烧，有机碳转化为CO2，再测所产生的CO2量，即可求出水样的总有机碳TOC，常以碳的mg/L计。水中无机碳在此高温下也会转化为CO2，因此测时需采取措施将有机碳出去以消除干扰。 （2）总需氧量（TOD，Totae Oxygen Demand）是指水样中的有机物在900 。C高温燃烧变成稳定的氧化物时所需的氧量，结果以氧的mg/L表示。 TOC和TOD都几乎

21、可以反映水中有机物质的总量，但个别相当耐久的有机化合物不易被氧化，故可能低于理论值。它们的测定要在专门的仪器中进行，这种仪器分别称为有机碳测定仪或总需氧量测定仪，简便快捷，可连续自动监测，但仪器较为昂贵。,二、水质标准 见课本环境工程学22页,第三节 废水的成分和性质,一、生活污水 生活污水是指居民在日常生活中所产生的废水，主要包括生活废料和人的排泄物，包括厨房洗涤、沐浴、洗衣等废水及冲洗厕所等污水其成分取决于居民的生活状况，生活水源及生活习惯。污染物浓度与用水量有关。 生活污水的水质特征是水质较稳定，但浑浊、色深、有恶臭，呈微碱性，一般不含有毒物质。往往含大量细菌、病毒和寄生虫卵。 生活水中

22、所含固体物质占总质量的0.1%0.2%，其中溶解性固体占总固体量的3/52/3，主要是无机盐和可溶性有机物。悬浮固体占总固体数的1/32/5。而其中有机成分占3/4以上。此外，生活污水中还含有N、P等营养物质。,二、工业废水 工业废水是指工业是指工业生产所排放的废水。由于工业类型、生产工艺及用水水质管理水平的不同，其成分与性质千差万别。工业废水中除了冷却水等较清洁的生产废水外，都含有各种各样的污染物，如颜料厂废水中含Cr等，化肥厂、解化厂含氮、氨和有机N盐等，电镀厂废水含Cr等，硫酸厂含氟、氟化物。工业废水必须经处理后方能排入水体或城市下水道。 三、农业废水 随着农药与化肥的大量使用，农业经流

23、排水成为水体主要污染源之一。农业废水中含有农药、化肥及农业废弃物，如农作物杆茎、叶及牲畜粪便等。,第四节 水处理的基本方法,一、给水处理的基本方法 饮用水处理是给水处理的一个主要任务。其目的是通过必要的处理工艺，改善天然水源的水质，使之符合生活饮用水水质标准。 当以地面水作为饮用水源时，处理工艺常包括混凝、沉淀、过滤、消毒。先在水中投加混凝剂和原水充分混合，逐步长成絮状沉淀物，再进入沉淀池和过滤池，除去矾花和其它不溶物，清水再加药剂消毒出水即可接入给水管网，供应用。 当以地下水作为饮用水源时，一般只需消毒处理后即可满足水质要求。 近年来，由于某些地面水或地下水源受到不同程度的污染，以上常规处理

24、流程不能满足要求。因此，在消毒工艺之前，还增加了臭氧氧化或活性炭吸附等处理工艺，以进一步去除水中的污染物质。 各种不同的工业用户对水质有特殊要求，因此还要根据不同的情况对水质进行软化、除盐、冷却、控制接垢与腐蚀等处理.,二、废水处理的基本方法。 废水处理的方法主要有物理法、化学法和生物法等。 1、物理法 物理法是利用物理作用来分离废水中呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不不改变起化学性质。列如沉淀法可以除去废水中比重大于1的悬浮颗粒，同时也是回收这些物质的有效方法。气浮法可以去除乳状油或比重接近1的悬浮物质。筛网过滤可除去纤维、纸浆等。此外，利用蒸发法可溶解废水中的溶解性挥发物质，也是一种物理

25、处理法。属于物理处理法的还有离心分离、超滤、反渗透等方法。 2、化学法 化学法是利用化学反应的作用来处理水中的溶解性污染物或胶体物质。属于化学处理法的有：中和法、氧化还原法、混凝法、电解法气提法、吹脱法、吸附法、离子交换法、电肾析法等。,3、生物法 生物法主要是利用微生物的作用，使废水呈溶解或胶体状态的有机污染物转化为无害的物质。根据微生物的类别，又可分为耗氧处理和厌氧生物处理。在氧处理法中又有活性污泥法、生物膜法、生物氧化塘、污水灌溉、土地处理等。 以上各种处理方法都有各自特点和适用条件。在实际废水处理中，他们往往是要配合使用的，不能预期只用一中方法就把所有污染物质都去除干净。这种由若干个处

26、理方法合理组配而成的废水处理系统，通常就称为废水处理流程。,按照不同的处理程度，废水处理系统可分为一级处理、二级处理和三级处理等。 1、一级处理只去除废水中较大的悬浮物质。一级处理有时候也称为机械处理。废水经一级处理后，一般仍达不到排放要求。尚需二级处理，从这个角度来讲，一级处理只是预处理。物理法中的大部分方法是用于一级处理。其中常用的方法有筛滤法、沉淀法、上浮法、预曝气法。 2、二级处理的主要任务是去除废水中呈溶解或胶体状态的有机物。生物处理法是最常用的二级处理法。历年来有的国家都在研究化学或物理化学法做为二级处理的主体工艺。预期这些方法将随着化学药品种类的不断增加处理设备和工艺的不断改进而

27、得到推广。 3、三级处理称为高级处理或深度处理，当出水水质要求很高时，为了进一步去除废水中的营养物质（和）.生物难溶解有机物和溶解盐类等，以便达到某些水体要求的水质标准或直接回用于工业，就需要三级处理.,废水经一级处理后,可以有效的去除悬浮物,生化需氧量BOD也可以去除一部分，但一般不能去除水中呈溶解状态的和呈胶体状态的有机物物和氧化物、硫化物等有毒物质，不能达到污水排放标准，需进行三级处理。污水二级处理可以去除废水中大量BOD和悬浮物，在较大程度上净化了污水。但随着污水量的不断增加，水资源的日益紧缺，需要获取更高质量的处理水，以供重复使用或补充水源。这个时候需要在二级处理的基础上再进行三级处

28、理。三级处理耗资较大，管理也较复杂，但能充分利用水资源。完善的三级处理是由除磷、脱氮、去除有机物（主要是由已经溶解的有机物质），病毒和病原菌、悬浮物货物矿物质等单元过程组成。 根据三级处理出水的具体去向，其处理流程和组成单元是不同的。如果为防止受纳水体富营养化，则采用除磷和除氮的三级处理；如果为保护下游引用水源或浴场不受污染，则应采用除P，除N、除毒物、除病菌和病原体等三级处理。可直接作为城市饮用水以外的生活用水。如洗衣、清扫、冲洗厕所、喷洒街道浮化地带用水。,对于某一种废水，究竟采用哪些处理方法，应根据废水的水质和水量、回收价值、排放标准。处理方法的特点以及经济条件等，经过调查、分析和技术经

29、济比较后才能确定。必要时还要进行实验研究。以城市污水为例，其典型的处理流程为二级处理： 工业废水的水质千差万别，处理要求也极不一致，因此，处理流程也各不相同。,废水处理方法简介,按废水中污染物的除去方式,分离处理(separation)：通过各种方法使污染物从废水中分离出来，一般不改变污染物的化学本性,转化处理(transformation)：通过化学或生物化学的方法，使废水中的污染物转化为无害的物质，或是转化为易于分离的物质然后再分离。,稀释处理 (dilution),按处理的程度,一级处理(primary)：也叫初级处理，该过程只能除去废水中的大颗粒的悬浮物及漂浮物，很难达到排放标准。,二级处理(secondary)：一般可以除去细小的或呈胶体态的悬浮物及有机物，