第1~2章给水处理概论

给排水科学与工程系：王云波Email：[e-mail]水质工程学（一）水质工程学（一）一、水的循环1.水的自然循环过程水的自然循环及其调控是水文学、水文地质学、水利工程学科研究的对象。绪论图1-2水的社会循环静水站雨水地面或地下水源取水站净化厂生活用水设备污水处理厂生产用水设备（1）给水管网排水管网生产用水设备（2）废水处理从厂直流系统（1）自然水体或土壤排放渠直流系统（2）给水工程（用水）排水工程（废水）输水管接续系统2.水的社会循环过程水的社会循环过程是给水排水工程学科的研究对象。二、水质工程学、给水工程、排水工程的关系1.《给水工程》和《排水工程》给水工程：取水――给水处理――配水排水工程：废水收集（来源于生活、工业和农业）――废水处理――排放或回用。给水处理：主要采用物理的、化学的和物理化学的处理方法。污废水处理：主要采用生物处理的方法。2.《水质工程学》现《水质工程学》将课程内容统一于水的社会循环中，形成一门完整的学科。从水的社会循环过程来说给水排水相互关联；从处理方法和技术来讲二者相互通融。现课程体系将原《给水工程》《排水工程》调整《水质工程学》、《给水排水管网系统》将原来按给水、排水设课改为按水处理和管网设课。21世纪的一门新兴学科将不断吸取生物工程、信息工程、新材料和新技术等领域的高新技术成果和产品成为高新技术应用的昀重要领域之一发展前途是很光明的。水质工程学概念研究水在社会循环过程中的水质及其变化特征，研究为满足用水需要，为实现水的良性社会环和水资源的可持续利用，而对水质进行控制及水进行处理的科学技术。三、课程内容及要求课程内容：主要学习水质处理的方法中的物理化学的化学的和物理化学的处理方法（相当于原给水处理,具体见目录。要求：认真听讲，不无故缺勤，不抄袭作业。每堂课开始和结束都会讲述本堂课的重点，也是考试的重点，课时较紧，临考前不会再单独提示重点。教材及参考书：除教材外多阅读参考相关期刊。链接：常用期刊《给水排水》《水处理技术》等第一章水质与水质标准目的：达到用户对给水水质要给水厂处理对象：水源水源的水质出水水质、水质标准本章内容：溶解物1nm胶体悬浮物1μm1mm一、原水中的杂质1.来源：天然过程、人为因素2.分类：悬浮物、胶体、溶解物（尺寸大小、特点）1.1水源水质悬浮物和胶体杂质影响：产生浑浊、色、臭、味，传播疾病；悬浮物：泥沙、矿渣——上浮或下沉去除。胶体杂质：粘土、细菌、病毒、腐殖质、蛋白质、有机高分子——混凝溶解杂质无机物：无机低分子、离子——产生色、臭、味有机物：腐殖质，由于水源污染。溶解气体：氧气、氮、二氧化碳、硫化氢离子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Fe2+、Mn2+、Cu2+、HCO3-、SO42-、Cl-二、各种天然水源的水质特点比较项目地下水江河水湖泊水库水海水悬浮物和胶体杂质已基本去除较多浊度低，藻类含量高含盐量(硬度)比较高200～500mg/l较低比河水高较高含铁、锰较高，且共生较低受污染的难易程度不易易受补给的影响较易三、受污染水源中的杂质原因水体富营养化特点农业(农药、化肥)、工业、生活污水的排入除具有天然水源的水质特点，还较多有机物、重金属、色度、臭味、病原微生物富含磷酸盐和某些形式的氮素的水，在光照和其他环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏的现象。水体富营养化——蓝藻爆发使水味变得腥臭难闻降低水的透明度消耗水中的溶解度向水体中释放有毒物质水体富营养化的危害影响供水水质并增加供水成本对水生生态的影响严重问题，有机物种类数量多多有急性或慢性直接或间接毒害作用，如致癌、致畸致突变降低水的透明度预氯化或氯消毒会生成有毒有机物，消毒副产物湘江重金属污染严重水体中有机物、重金属铬、隔、汞、铅、砷等蓄积，随生物链传递，危害严重链接：国家环保部。链接：关注发生在2007年6月的“无锡水事件”发生的始末，了解污染产生原因，处理措施。链接：历史上的水污染事件，日本“水俣病”、“痛痛病”，地方病地方性氟中毒、地方性砷中毒地方性硒中毒、地方性钼中毒了解当前水中污染物质的种类。四、供水管网中的水质余氯细菌等的复苏二次污染链接：论文“管网水水质预测及二次污染研究”、水质参数概念分类指水中一种具体的成分：铁、氟、温度替代参数(集体参数)：浊度、色度、BOD水质的替代参数不能精确的描述水质。反应水使用性质的一种量。并不涉及水质参数的具体数值，而水质的好坏则取决于水质参数的具体数值。（链接：隐孢子虫事二、水质标准概念分类生活饮用水水质标准、工业用水水质标准、灌溉用水水质标准等。是用水对象(生活、工业、农业等)所要求的各项水质参数应达到的指标和限制。三、生活饮用水卫生标准国际饮用水水质标准的发展历史昀早：罗马建筑师和工程师Virtyurius，公元前一世纪具有现代意义：1914年，美国《公共卫生署饮用水水质标准》当今世界饮用水最高水平WHO《饮用水水质准则》EC《饮用水水质指令》USEPA《美国饮用水水质标准》第一个：1956年颁布，16项水质指标85年制定的《生活饮用水卫生标准GB579-85》92年《城市供水行业2000年技术进步发展规划：水质目标》2001年6月卫生部《生活饮用水卫生规范》我国饮用水卫生标准的发展2007年7月1日《生活饮用水卫生标准B5749-2006》链接：生活饮用水卫生标准（B5749-2006）文件指标体系生活饮用水卫生标准B5749—2006感官性状和一般化学指标毒理性指标细菌学指标放射性指标总的来看，发展速度比较缓慢，发展的趋势是乐观的，指标的数量不断增加，重点从简单污染物的控制转向复杂有机污染物的控制。四、工业用水水质标准工业种类繁多，水质要求各不相同，各工业用水对水质的要求由有关部门制定。食品、酿造、纺织、电子大部分工业建筑、冷却水等高于生活饮用水要近似于生活饮用水要低于生活饮用水要原料用水工艺用水锅炉用水特种工业用水冷却用水五、水质标准与水质分析常规水质分析色度、浊度、臭味、pH、总硬度、氯化物、酸盐、余氯、细菌和大肠杆菌有机物水质分析高锰酸钾指数、COD、TOC、UV日常：主要控制浊度和余氯，近年来还检测出厂水高锰酸钾指数、NH4+思考题1.天然水中有哪些杂质？2.当今高水平的生活饮用水卫生标准有哪些？3.什么叫水质参数？水质标准？4.熟悉我国现行生活饮用水卫生标准内容。第二章水处理方法概述水处理的内容水处理方法水处理工艺流程水处理：按用水的水质标准（或排放标准）对原水水质进行加工／处理的整个过程／方法。给水处理+废水处理＝水处理本章内容：2.1水处理方法与流程去除水中的悬浮固体、溶解固体、溶解气体、溶解有机物，去除有危害成分；降低冷却水的温度；对水质进行调理；对给水处理中产生的废水或污泥加以处理和处置。一、水处理的内容1.给水处理的内去除水中的悬浮溶解固体、溶解气体、有机物等成分。消毒污泥处理2.废水处理的内可见：在处理内容上，给水处理和废水处理是相互融合的。二、给水处理方法1.常规水处理：目的只在于去除水中悬浮悬浮杂质——沉淀方法去除胶体状态存在水中的杂质——混凝沉淀过滤离子、分子状态存在水中的杂质——沉淀微生物、细菌等——消毒常规水处理工艺：混凝、沉淀、过滤、消毒澄清工艺：混凝、沉淀和过滤方法工艺与流程(气)水加氯污泥反冲洗废水下水道市政管网沉淀饮用水处理流程：按饮用水水质标准对原水水质进行加工／处理的各种方法的程序。饮用水处理典型流程(二级地表水源水)各种方法可单独使用，也可结合使用，以形成——水处理流程。2.预处理和深度处理处理对象：有机污染物(色、嗅、味)预处理方法：吸附法(PAC)氧化法(O3、KMnO4、生物)深度处理方法：吸附法(GAC)氧化法(化学、生物)生物降解膜滤(臭氧活性炭)链接：现在广泛应用的工艺——臭氧活性炭法杭州南星水厂臭氧活性炭池液氧罐、臭氧发生器、投加系统臭氧尾气吸收装置地下式活性炭滤活性炭吸附用于深度处理3.其他特殊处理方法除臭、除除铁、锰、软淡冷腐蚀和结垢处活性炭吸附、氧化法、曝气法等药剂、离子交换、膜分离离子交换、膜法冷却塔药剂水质调理骨炭吸附、活性氧化铝法链接：创新实验——除铁锰学生进行创新实三、污、废水的处理方法主要来源是城市居民生活污水，主要的去除对象是有机污染物，一般易于生物降解，采用生物处理方法。按污水种按处理后的水的去•城市污水处理•工业污水处•排•回1.分2.城市污3.处理方法分离技术分离技术化学方法化学方法生物处理方法生物处理方法2.2反应器理论在水处理中的应用反应器是化学反应的容器。70年代后反应器模型应用于水处理方面，推动了水处理工艺的发展。一、物料衡算和质量方程1.物料衡算方程：质量守变化量＝输入量－输出量＋反应dtdCVVCrQCQCiie)(0物料i在反应器内处于稳定状态：不同于化学平衡，是相对的。浓度变化速率＝0物质的输入输出：质量传递的结果反应速率：指化学反应(包括生物、化学物理过程)的速率反应区：反应器内物料成分浓度均匀，可看成一个反应区说明：2.质量传递主动传递分子扩散传递静止或作层流运动的液体中，如果存在浓度梯度，由分子的无规则运动导致浓度趋于均匀。分子扩散的通量由Fick扩散定律得：J=-DBdCi/dx物质随水流主体而移动，称主流传递，与液体中物质的浓度分布无关与流速有关。主流传递速度大小方向＝水流流速紊流扩散传递水流处于紊流状态下，液体质点不仅具有随水流前进的运动，还具有上下左右的脉动。紊流扩散通量：JC=-DCdCi/dx二、理想反应器1.理想反应器的类间歇式连续式完全混合连续式反应器：瞬间混合推流式反应器：活塞流，垂直水流断面各点流速相同分批式反应器，反应在一个水不流动的容器进行2.完全混合间歇式反应器：CMB特点：反应中无物料进出和质量传递，即(QC0－QCe＝0)完全混合均与后停止操作。反应时间、反应器体积的确定：由：物料衡算式稳定状态下QC0－QCe＝0，得VCrdCtCrdtdCiCCiiii0)()(设化学反应为一级反应：r(Ci)=-kCi，则：设化学反应为二级反应：r(Ci)=-kCi2，则：iCCiiCCkkCdCti0ln10)11(1020CCkkCdCtiCCiii3.完全混合连续式反应器：CSTR物料连续输入输出，停留时间不同。完全混合后反应器内的浓度与输出浓度相同＝Ce)。由物料衡算式，在稳定状态下：0)(00VCrQCQCdtdCiii特反应时间、反应器体积的确设化学反应为一级反应：r(Ci)=-kCi，则tnTtkCCnn)11(0CnCn-1C00C1C2123n采用多个等体积CSTR反应器多级串联：CSTR趋近CMB、PF（见课本例题）11)1(100tkCCCCkttQVii4.推流型反应器：PF质量传递没有扩散作用只有主流传递，反应器内各处浓度不同结果与CMB相同，自行推导一、二级反应的时间。iiiiCCiixCCCrdCiiiiiiiiiiiCrdCvxtdxvCCxxCCxdxvCrdCdtdCdxwCrdCCwvwvCdtdCdxw00)(1,;,01)(0)()(0)(0特反应时间、反应器体积的确定：以Wdx微元体列物料衡算方三、非理想反