2第一章环境工程学

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一、地球上水的分布※概述水是地球上最丰富的化合物，约占地球外层五公里地壳中的50%，覆着地球71%的表面积，其平均深度达到3.8km，总量约有1.36×109km3。※世界的水资源及其特点：•不能被直接利用的海水占总水量的97.2%；•人类可以利用的河水、淡水湖及浅层地下水，大约为总水量的0.2%，约为3×106km3；•由于世界各地的水文、气象条件的差异，地区和季节的不同，水的分布也极不均衡，这造成一些地区严重缺水。第一节水的循环与污染我国水资源的特点总量大，人均量少；水量在地区上分布不平衡；水量在时程分配上很不均匀；水土资源组合不相适应；水的循环形式-自然循环自然循环（1）基本动力：重力、太阳辐射（2）过程：蒸发（植物蒸腾）、水汽输送、降水、下渗、地表地下径流水循环水的循环——社会循环社会循环：定义：人类社会为了满足生活、生产的需要，从各种天然水体中取用大量的水，经过使用后的水被排放出来，最终又流入天然水体的过程，构成了一个局部的循环体系。社会循环分水岭水源（流域）集水系统（水库）输水系统处理系统（过滤厂）配水系统（管网）处理系统（软化系统或除铁系统）集水系统（井群）蓄水池水源（地下水）供水资源系统概况图社会循环废水来源现场处理废水收集输送和提升处理处理或再利用社会循环图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）输水管接续系统水污染水体受到人类或自然因素（或因子）的影响，使水的感官性状、物理化学性能、化学成分、生物组成及底质情况等恶化。从水污染控制的角度看：当水中存在有一种或多种影响了水的有益用途的物质时，即发生了水污染。换句话说，当水体由于水质的关系不能发挥其正常功能时，我们认为该水体被污染了。水污染1981年3月1991年2月2001年2月Ⅴ类Ⅳ类Ⅲ类Ⅱ类太湖20年来各类水质分布变化（1981－2001年）引自：中科院南京地理与湖泊研究所淮河污染“五十年代淘米洗菜，六十年代洗衣灌溉，七十年代水质变坏，八十年代鱼虾绝代，九十年代身心受害。”水污染的分类——化学性污染①无机污染物质：酸碱及无机盐的污染②无机有毒物质：受重金属等污染，如砷、铬、镉、氰化物等③有机有毒物质：有机农药、多环芳烃等④需氧污染物质：碳水化合物、蛋白质、脂肪等；⑤植物营养物质：氮磷等，导致富营养化⑥油类污染物质：石油化工物质水污染的分类——化学性污染重金属水污染的分类——化学性污染有机、需氧物质有机物排入水体后，在溶解氧存在条件下，由于好氧微生物的作用被降解，同时合成新细胞，消耗水中的溶解氧。若好氧作用大于复氧作用，则水体会出现“黑臭”现象。水污染的分类——化学性污染植物性营养物质氮、磷、硫均属于植物营养素。当它们随污水排入水体后，会发生一系列转化作用，一部分可能会沉积于水底，一部分被微生物和藻类利用，使水体富营养化现象加剧。在缓流水体中，这一现象特别明显。隔绝水面与大气间的复氧，加上藻类自身死亡与腐化，消耗溶解氧，使水体溶氧含量迅速降低。藻类堵塞鱼鳃与缺氧，造成鱼类窒息死亡。死亡的藻类与鱼类不断沉积于水体底部，逐渐淤积，最终导致水体演变成沼泽或旱地。水污染的分类——化学性污染水污染的分类——化学性污染水污染的分类——物理性污染①悬浮物质污染：悬浮物指水中含有的不溶性物质，包括固体物质和泡沫②热污染：来自热电厂的尾水，使水温升高，DO降低，有毒物质毒性增强等；③放射性污染：各种射线（α、γ）和放射源（钴60等）水污染的分类——物理性污染高温高温废水排入水体后，将使水体水温升高，物理性质发生变化，危害水生生物的繁殖与生长，称为水体的热污染。其后果是：①饱和溶解氧降低，氧亏量减少，复氧速率减慢；②水生生物的耗氧速率加快，加速了水体中溶解氧的消耗，造成鱼类和水生生物的窒息死亡；③导致水体的化学反应速率加快，引起水体的物理化学性质发生变化；④使水体中细菌的繁殖加速，造成给水处理的费用增加；⑤加速藻类的繁殖，从而加快水体富营养化进程。水污染的分类——物理性污染色度城市污水，特别是有色工业废水排入水体后，使水体产生色度，引起感官性状的变化。其后果是：使水体色度增加，降低透光性，影响水生生物的光合作用，抑制其生长，妨碍水体的自净作用。水污染的分类——物理性污染“红河”“黑龙江”“蓝色的多瑙河”水污染的分类——物理性污染固体物质包括悬浮固体和溶解固体。水体受悬浮固体污染后，产生的危害是：与色度危害相似；堵塞鱼鳃；消耗水体溶解氧；造成底泥积累与腐化。水体受溶解固体污染后，产生的危害是：使溶解性无机盐浓度增加。水污染的分类——生物性污染病原微生物：细菌、病毒等，如SARS.病原微生物数量多，分布广，存活时间长，繁殖速度快，可随水流传播疾病。当人们饮用含病原微生物的水后，会患上传染病，因此必须重视病原微生物的污染。非典病毒废水的分类据废水的来源:生活废水（domestic)工业废水(industrial)据污染物的化学类别:有机废水(organic)无机废水(inorganic）按废水产生的工艺:焦化废水、冶金废水、制药废水、食品废水、印染废水、啤酒废水等第二节水质指标与水质标准水质：水及其杂质的共同表现杂质的分类悬浮物质：大于分子尺寸，悬浮于水中；＞1微米溶解物质：由分子和离子组成，与水分子相混合；＜10-3胶体物质：介于悬浮物质和溶解物质之间；1~10-3水质指标水质指标——物理指标温度、色度、浊度、固体物质、电导率等水质指标——化学指标一般指标：pH、硬度、离子含量有毒指标：重金属、氰化物等氧平衡指标：溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）生化需氧量（BOD）、总需氧量（TOD）等水质指标——生物学指标细菌总数、大肠菌总数、病毒数等浊度-turbidity表示水中不溶解性物质对光线透过时产生的阻碍程度；在水质分析中规定，1L水中含有1mgSiO2所构成的浊度为一个标准浊度单位，简称1度使用浊度计来测量固体固体污染物是指废水中在103℃~105℃时不能蒸发的所有物质，称为总固体:溶解性固体(DS);悬浮性固体(SS)二者区分是用特制的微孔滤膜（孔径0.45μm）来过滤，能透过的为溶解性固体，被膜截留的为悬浮性固体。悬浮固体:可沉降固体：能在1小时内靠重力沉降的固体难沉降固体：1小时内不能沉降的称难沉降固体固体例1-1p20根据其挥发性能，分为挥发性固体（VS）和固定性固体（FS）挥发性固体:600℃时，将蒸发干燥后的固体灼烧而失去的质量，代表有机物的含量废水中固体污染物的多少用单位体积的水中所含质量表示，即质量浓度，单位一般为mg/L。使用中需要指明是哪一种固体。需氧量化学需氧量（COD）：用化学氧化剂氧化分解废水中的有机物，用所消耗的氧化剂中的氧来表示有机物的多少，单位仍为mg/L。常用的氧化剂有K2Cr2O7和KMnO4，分别用CODCr和CODMn表示。需氧量化学需氧量（COD）：CODCr和CODMn所适用的范围不同?CODCr是否代表水中所有的有机物质?需氧量生物化学需氧量（BOD）：表示在一定条件下（20C），单位体积废水中所含的有机物被微生物完全分解所消耗的分子氧的数量。单位为mg（氧）/L（废水）。常有BOD5和BOD20，表示作用天数。测定比较准确，为什么？自学p26～31需氧量生物化学需氧量（BOD）：测定方法-P28BOD5=0.7TOD需氧量总需氧量（TOD）：在900℃下，以铂为催化剂，使水样汽化燃烧，然后测定气体载体中氧的减少量，作为有机物完全氧化所需的氧量，称为总需氧量；BOD与TOD的关系：生化反应动力学P29•BOD动力学：用来描述BOD与时间关系的数学公式为BOD动力学。可表达如下：LKdtdL'1（1-1）tKtKLeLL1'11000'11434.0KK积分：（1-2）式中：L0——废水中BOD浓度，mg/LK1——耗氧常数，20℃时K1=0.1d-1T——测定时间，d生化反应动力学则经过t时间反应消耗的溶解氧量（BODt）为：tKtLLLBOD110100（1-4）若在20℃、t=5d时，则00568.0LLLBOD（1-3）式（1-4）表明5日生化需氧量占第一阶段生化需氧量的68%。生化反应动力学为何常用BOD5废水中有机物氧化可分为两个阶段：一是碳化阶段需氧量，即第一阶段需氧量，即BOD；二是氮氧化的需氧量，为硝化阶段需氧量，又称第二阶段需氧量。两阶段需氧量曲线生化反应动力学硝化细菌属于自养型生长缓慢，需要有机物彻底消减，因此一般要7天以后发生BOD5具有准确性水质标准水质标准分类（1）、国家正式颁布的统一规定（2）、各用水部门或设计等单位的要求常用水质标准（1）、饮用水水质标准（GB5749-85）（p23、24)（2）、地面水环境质量标准（GB3838-2002）：5类（p25)（3）、污水综合排放标准（GB8978-1996）：（p26、27）（4）、工业用水水质要求（p28）第三节废水的成分与性质污染源：指释放或排放污染物的来源场所或进入途径。分类：根据分布特征和稀释方式可划分为①点源：城市、工厂、船只等等；②面源：农业径流③扩散源：酸雨等点源废水的概念从污染源排放出来的携带各种污染物的水。包括生活污水、工业废水、被污染的雨水和排入城市排水系统的其它污染水的总称。其中工业废水又分为生产污水和生产废水生活污水与生产污水合称城市污水。废水的概念废水的类型——生活污水•来源：居住区、商业区、公用设施等；•特性：a.具有明显的日周期和季节性变化；b.随地区和生活习惯不同而异；c.与生活水平有关（供、排水设施等）•居住区生活污水量的确定平均日生活污水量=污水量标准×设计人口数废水的类型——生活污水通常情况下，污水处理厂的处理规模指平均日流量，设计流量指最大流量。对分流制系统应考虑雨水渗入，一般可达25~30%，少时约10~15%。常用的污水量标准和总变化系数见表废水的类型——生活污水废水的类型——生活污水•生活污水：有色、浑浊、具恶臭、呈微碱性，有机杂质占60%以上，干固体约0.1~0.2%，有些含致病菌。•城市污水：同生活污水，但有工业废水排入。•水质的确定：采用污染物人口负荷数进行估算污染负荷=NF（设计人口数×单位污染物负荷系数）单位污染物负荷系数指每人每日排放某种污染物的重量（g/人.日）废水的类型——工业废水①特性：随种类、规模、生产工艺流程及管理水平等的不同而不同。②几种实测流量的方法•流量计•计量槽•计量堰•示踪剂法•根据供水量或实际用水量估算污水量废水的类型——工业废水废水的类型——工业废水工业废水命名法：①根据行业命名（如味精废水、啤酒废水）②按主要污染物命名（如含酚废水、含铬废水）水质：通常为实测（逐时监测水质、不同排污点测定水质等）或采用人口当量p-45第四节水的自净作用与水环境容量一、河流污染过程1、污染恶化2、水体自净二、水体的自净作用1、定义2、水体自净的基本规律水体污染体现在下述几方面：DO下降、低毒性变高毒性、低浓度变高浓度。对水生生物的影响：•生物积累：同一生物体在其整个代谢活跃期的不同阶段，机体内来自环境的元素或难分解物质的浓度不断增大的现象。•生物放大：元素或难分解物质在生物体内的浓度随营养级（食物链）逐级增大的现象。•生物富集：生物机体通过对环境中元素或难分解物质的浓缩，使机体内的浓度高于环境浓度的现象。水体自净水体自净——定义污染物随污水排入水体后，经过物理的、化学的与生物化学的作用，使污染的浓度降低或总量减少，受污染的水体部分的或完全的恢复原状的现象。水体自净——原理1.物理作用：稀释（对流、扩散）、混合、沉淀与挥发2.化学作用：氧化还原、酸碱反应、吸附凝聚3.生物化学净化：分解、转化水体自净水体混合稀释p47~48，公式1-27生物净化的作用•水体中溶解氧的