环境工程学学习笔记--水篇

第一章水质与水体自净概述：水是基础性的自然资源和战略性的经济资源。第一节水的循环与污染一.水的循环：（一）自然循环：在太阳能的作用下，海洋、湖泊、河流等广大水面以及土壤表面、植物茎叶的水经蒸发和蒸腾作用形成水汽，上升到空中凝结成云，在大气环流——风的推动作用下运移到各处。在适当的条件下又以雨、雪、雹等形式降落下来。这些降落的水分，在陆地上分成两路流动：一路形成地表径流；另一路形成地下渗流。与此同时，一部分水经过蒸发和蒸腾作用又进入大气圈中。（二）社会循环：人类为满足生活和生产的需求，从各种天然水体中取用大量水后，经过使用后又排放出来，最终又流入天然水体。二.水的污染：（一）原因：自然污染（自然原因造成的）和人为污染（人类的生活和生产活动）。（二）分类：化学性污染（水体的富营养化：N、P含量高）、物理性污染、生物性污染。第二节水质指标和水质标准一．水质指标：（一）杂质分类：悬浮物质（﹥10-3㎜）、溶解物质（﹤10-6㎜）和胶体物质。（二）指标分类：物理性水质指标（1.水中固体：蒸发后的蒸发残渣。溶解性能：过虑→溶解固体和悬浮固体；挥发性能：灼烧→挥发性固体和固定性固体；可沉固体：1L水样在锥形玻璃筒内静置1h后所沉下的悬浮物质数量。2.碱度：水接受质子的能力。3.硬度：水中存在的二价金属离子如钙离子和镁离子。）、化学性水质指标和生物学水质指标（1.化学需氧量：水中有机物的含量；2.生物化学需氧量：能被水中微生物氧化分解的那一部分有机物质的含量）。二．水质标准：饮用水水质标准、地表水水质标准、污水综合排放标准。第三节水体自净1.物理过程：稀释、扩散、挥发、沉淀、上浮。2.化学和物理化学过程：中和、絮凝、吸附、络合、氧化、还原。3.生物学和生物化学过程：进入水体中的污染物质，被水中生物吸附、吸收、吞食消化等过程，特别是有机物质由于水中微生物的代谢活动而被氧化分解并转化为无机物的过程。第四节水处理的基本方法一．给水处理：（一）地表水：原水→混凝→沉淀→过虑→消毒→饮用水。先在水中投加混凝剂和原水充分混合，逐步长成絮粒状沉淀物（絮凝体或矾花），再进入沉淀池和滤池，除去矾花和其他颗粒状杂质，清水再加药剂消毒，出水即可送入给水管网，供应用户。（二）地下水：地下水→消毒→饮用水。当地表水和地下水受到污染时，在消毒工艺前，增加臭氧氧化、活性炭吸附或膜技术等处理工艺，进一步除去水中的污染物质。二．废水处理：处理程度的指标：有害物质、悬浮物质、溶解氧、生化需氧量。（一）基本方法：1.物理法：利用物理作用来分离水中呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变其化学性质。（1）沉淀法：不仅可以去除废水中相对密度大于1的悬浮颗粒，同时也是回收这些物质的有效方法。（2）气浮法：去除乳状油相对密度接近1的悬浮物。（3）筛网过虑：除去纤维、纸浆等。（4）蒸发法：浓缩废水中的溶解性不挥发物质。2.化学法：利用化学反应的作用来处理水中的溶解性污染物质或胶体物质。如中和法、氧化还原法、混凝法、电解法、汽提法、萃取法、吹脱法、吸附法、离子交换法、电渗析法。3.生物法：利用水中微生物的作用，使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物转化为无害的物质。目前常用的生物法可分为好氧生物处理和厌氧生物处理。好氧处理法中有活性污泥法、生物膜法、生物氧化塘、厌氧生物处理系统。（二）三级处理：一级处理：去除废水中较大颗粒的悬浮物质。也叫机械处理，只是预处理。二级处理：去除废水中呈溶解和胶体状态的有机物质。生物法是最常用的二级处理方法。因此也叫生物处理。三级处理：高级处理或深度处理。进一步去除废水中的营养物质（氮和磷）、生物难降解的有机物质和溶解盐类。（三）处理流程：1．城市生活污水：2.工业废水：澄清→回收→毒物处理→一般处理→再用或排放第二章水的物理化学处理方法第一节水中粗大颗粒物质的去除概述：粗大颗粒物质，它们的大小约在0.1微米以上，包括砂粒、小卵石、树枝、菜叶、碎布、垃圾等。去除方法主要借助于物理作用和物理处理法，如筛滤截留、重力沉降、离心分离等。一．筛滤截留：(一)格栅和筛网：去除水中的粗大物质、保护处理厂的机械设备并防止管道的堵塞。(二)微滤机：截留细小悬浮物的筛网过虑装置。可用于去除原水中的藻类、水蚤等浮游生物，也可用于工业废水中有用物质的回收以及废水的最终处置。二．重力沉降：『沉砂池』：1.去除对象：去除水中砂粒、煤渣等相对密度较大的无机颗粒杂质，同时也去除少量较大、较重有机杂质，如骨屑、种子等。2.位置：设在泵站和沉淀池前，防止水泵和污泥处置设备的磨损，还可使沉淀池中的污泥具有良好的流动性。3.分类：平流式、竖流式、曝气式。4.曝气式沉淀池：在一个长形池子的一侧通入空气，使污水在池中以螺旋状向前流动，从而产生与主流垂直的横向环流。在离心力的作用下，密度较大的无机颗粒被甩沉下，而使有机颗粒经常处于悬浮状态，并使砂粒互相摩擦，去除砂粒表面附着的有机物污染物。此外，曝气沉砂池受流量变化的影响较小，可以通过调节曝气量，控制污水的旋流速度，使除砂效率稳定；同时还能起到对污水中的预曝气作用，有利于后续的生化处理过程。三．离心分离：重力的不同产生不同的离心力。1.分离因素：α=离心力与重力的比值。α越大，分离效果越好。2.分类：（1）水旋分离设备：压力式和重力式（水力旋流沉淀池）。→容器固定不动而沿切线方向进入容器的水流造成旋转来产生离心力。（2）器旋分离设备：离心机。→容器的高速旋转带动器内水流选转来产生离心力。第二节水中悬浮物质和胶体物质的去除概述：对于水中的胶体颗粒，自然沉降的速度太慢，需采取一些其他措施或别的方法才能去除，如混凝、沉淀、澄清、过虑、气浮和膜技术。一．沉淀：（一）基本类型：1．自由沉降：低浓度的离散颗粒，沉降不受其他颗粒的影响。2．絮凝沉降：悬浮颗粒因相互碰撞而使尺寸变大，沉速将随深度增加而增加。同时，水深越深，较大颗粒追上较小颗粒而发生碰撞并凝聚的可能性也就越大。因此，悬浮物的去除率不仅取决于沉降速度，而且与深度有关。3．拥挤沉降：当水中悬浮物质的浓度很高时，颗粒间隙也相应减小，在沉降过程中会产生颗粒彼此干扰的拥挤沉降现象。同时，沉速较快的颗粒下沉时所置换的液体的上涌也会对周围颗粒的下降产生影响。因此，颗粒的实际沉降速度应是自由沉降的速度减去液体的上涌速度。经过一段时间后，上层逐渐变清，而下层的颗粒浓度增高，使上涌速度加大，最终使全部颗粒以接近相同的沉速下沉，出现了一个清水和浑水的界面。沉降过程也就成了浑液面的等速下降过程。4．压缩沉降：亦即污泥浓缩。先沉到底部的颗粒受到上部污泥的压力，颗粒间的孔隙水将因压力的增加和结构的变形而被挤出，使污泥浓度增高。因此，污泥的浓缩过程也就是不断排除孔隙水的过程。（二）沉淀池：1．普通式沉淀池：三种：平流式、竖流式、辐流式。主要缺点：悬浮物质的去除率不高（一般只有40%~70%），体积庞大、占地面积多。改善措施：两个方面：一是改善悬浮物的沉降性能→投加混凝剂和助凝剂等化学药剂；一是改进沉淀的结构→浅池沉降原理。2．斜板斜管沉淀池：浅池沉降原理：若将水深为H的沉淀池分隔为n个水深为H/n的沉淀池，则当沉淀区长度为原来长度的1/n时，就可处理与原来的沉淀池相同的水量，并达到完全相同的处理效果。这说明，沉淀池越短，就越能缩短沉淀时间。斜板斜管沉淀池就是根据这个原理设计和应用的。（三）浓悬浮液的沉淀：概述：由于进水不断带入新的悬浮物，为了使泥水交界面不致上升而影响出水水质，或者为了按照回流工艺的要求运行，就需要连续地池底排出经过浓缩的污泥。因此，这种沉淀池同时起着水的澄清和污泥浓缩的作用。☆确定其面积的方法：1.表面负荷法；2.临界浓度法；3.固体通量法。二．混凝：概述：水和废水中常含有用自然沉降法不能去除的悬浮微粒和胶体污染物。→需投加化学药剂破坏分散体系的稳定性，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体，然后才能用重力沉降法予以分离。包括：※凝聚→使胶体脱稳并聚集为微絮粒；※絮凝→微絮粒通过吸附、卷带和桥连的方式长为更大的絮体。（一）理论基础：1.胶体的稳定性：在总电位一定时，扩散层愈厚，ζ电位（即电动电位）愈高，电位引起的静电斥力愈大，则胶体的稳定性就愈高。2.混凝机理：◎压缩双电层：投入电解质后，水中与胶粒上反离子具有相同电荷的离子浓度增加了。这些离子可与胶粒吸附的反离子发生交换或挤入吸附层，使胶粒带电荷数减少，降低ζ电位，并使扩散层厚度缩小。◎吸附电中和：吸附作用导致了胶粒表面的部分或全部离子被异号电荷中和而减少了静电斥力，因而易于其他颗粒接近而互相吸附。◎吸附架桥作用：投加的化学药剂是能吸附胶粒的链状高分子聚合物或者能将两个同号的胶粒吸附在同一个异号胶粒上，胶粒间就能联结、团聚成絮凝体而被除去。◎网捕作用：投加含金属离子的化学药剂后，由于金属离子的水解和聚合，会以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物；或者在这种沉淀物从水中析出的过程中，会吸附和网捕胶粒而共同沉降下来。（二）混凝剂、助凝剂及其作用：1.混凝剂：使胶体微粒脱稳沉淀而投加的电解质。最常用的混凝剂是铝盐和铁盐。2.助凝剂：与混凝剂一起使用时，他能促进水的混凝过程，产生大而结实的矾花。常用的四类：①酸碱类：调整水的pH值；②绒粒核心类：改善矾花结构；③氧化剂类：去除干扰混凝作用的有机物。（三）混合与反应设备：1.投加药剂：当采用FeCl3作混凝剂时，要考虑设备的腐蚀问题，工作间的墙面和地面也要考虑腐蚀。2.混合设备：使药剂迅速均匀地扩散到水中，溶解并形成胶体，并与水中的悬浮微粒等接触，生成微小的矾花。要求：搅拌强度要大。3.反应设备：使细小矾花逐渐絮凝咸成较大的颗粒，以便于沉淀除去。要求：适宜的搅拌强度→既要为细小絮体的逐渐长大创造良好的碰撞机会和吸附条件，又要防止已形成的较大矾花被碰撞打碎。两个参数：搅拌强度和搅拌时间→速度梯度G和停留时间T。三．澄清：概述：水和废水的混凝处理工艺包括水和药剂的混合、反应、絮凝体与水的分离。澄清池就是完成上述三个过程于一体的一种专门设备。1.澄清池中起到截留分离杂质颗粒作用的介质是呈悬浮状态的泥渣。→保持悬浮状态的、浓度稳定且均匀分布的泥渣区成为决定澄清处理效果的关键。2.分类：依据：泥渣与水的接触方式的不同→泥渣循环分离型（泥渣在垂直方向的运动捕捉原水中形成的絮凝体）和悬浮泥渣过虑型（靠上升水流的能力能量在池内形成一层悬浮状态的泥渣，当原水自下而上通过这一泥渣层时，其中的絮凝体就能被截留下来）。四．过滤：▲概述：既可用于化学混凝和生化处理之后作为后续处理，也可用于活性炭吸附和离子交换等深度处理之前的预处理。▲过滤机理：1．阻力截留：滤料层中形成一层由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起过虑作用。2．重力沉降：滤料表面提供巨大的沉降面积，悬浮颗粒极易在此沉降下来。3．接触絮凝：物理吸附作用+电荷的吸引作用。▲过滤包括过滤和反洗两个工艺过程。五．气浮：1.理论基础：（1）气浮法：利用高度分散的微小气泡作为载体去黏附水中的悬浮颗粒，使其随气泡浮生到水面而加以分离去除的一种水处理方法。对象：疏水性细微固体或液体悬浮物质，如细沙、纤维、藻类以及乳化油。（2）药剂浮选法：在废水中投加浮选药剂，选择性地将亲水性的污染物变为疏水性物质（机理：浮选剂的极性基团选择性地被亲水物质所吸附，非极性基团则朝向水，从而亲水性物质的表面就具有疏水性而黏附在空气泡上，随气泡一起上浮到水面），从而附着在气泡上一起上升到水面加以去除的又一种水处理方法。对象：亲水性固体悬浮物及重金属离子。2.气浮条件：使污染物能黏附在气泡上，即接触角θ→180°。3.气浮设备：加压溶气气浮和叶轮气浮两种。第三节水中溶解物质的去除概述：天然水中的溶解物质大多是离子和溶解气体（O2和CO2）。废水和污水中还会有不少重金属离子、有机物质和CH4、NH3、H2S等气体。去除方法主要有软化除盐、离子交换、吸附和膜分离。一．水的软化和除盐概述：降低水中钙离子和镁离子的处理称为水的软化；降低水中部分和全部含盐量（阴阳离子的总量）的处理称为水的除盐。（一）软化的基本方法：1.加热软化法：此法