水质工程学 上

水质工程学朱慧杰13503757818绪论水与人类•水是生命之源水对于人类社会而言是不可替代的宝贵资源，同时，它也是地球上一切生态环境存在的基础。人类进入21世纪，水的价值恐怕要比历史上任何时代都显得珍贵。水资源的状况据初步估计，地球上水的总量大约有14亿立方千米。但其中的97.5％是海水，而与我们平常生活关系最为密切的淡水只占总水量的2.5％，而且其中的69.5％左右又属于固体冰川，分布在难以利用的高山和南、北两极地区,另外约30%是埋藏得很深的地下水。目前，真正能被人类利用的水，仅占淡水量的0.34%，全球总水量的0.008%，这就是维系生命循环与代谢的地球总水量。目前，世界上有100多个国家和地区缺水，其中28个被列为严重缺水国家和地区。预测再过30年，缺水国家将达到46～52个，缺水人口将达28～33亿人。我国水资源特点•人均占有量少淡水总量为2.8万亿m3，在全世界占第6位。但人均占有量仅为世界平均值的1/4，占88位。•空间分布不均81％的水资源分布在长江流域及其以南。•年内及年际变化大60－80％降水集中在夏季(7、8、9月），年际变化差3－6倍。•许多地区缺水严重三北（西北、华北、东北）和沿海300多个城市缺水，100多个严重缺水。（资源性缺水）•水环境污染严重近几十年，由于大量城市污水和工业废水不经处理排入水体，造成水体污染，严重污染的水体不能作为饮用水源，造成水质性缺水。水的循环地球上的水是不断运动着的物质，处在一个循环往复的过程中。水的社会循环水的自然循环水的循环水的自然循环•水的自然循环：就是水从海洋蒸发为水蒸气，被风送至大陆，以雨、雪等形式降落到地面，一部分水再蒸发返回大气，一部分水渗入地下形成地下水，另一部分在地表汇集形成河、湖等地表水，地下水和地表水最终又流回海洋。•水的自然循环是由自然力促成。水的社会循环•水的社会循环：人们为了生活和生产的需要，由天然水体取水，经处理后，供人们生活和生产使用，用过的水再经适当处理后排放，回到天然水体。•水的社会循环是由人的社会需要而促成的。城市生活饮用水工业用水给水处理污水处理取水排水天然水体水的社会循环•水的社会循环包括两个方面给水工程：取水――给水处理――配水――用户排水工程：污、废水收集――废水处理――排放或回用•点源污染：城市生活污水和工业废水排入水体造成的污染。•面源污染：农田排水对水体造成的污染。水的社会循环•水危机在发展给水的同时，应同步发展排水和污、废水处理，否则会出现水资源污染而导致水危机。水危机的标志：水资源短缺造成的资源性缺水和水环境污染造成的水质性缺水。城市水危机的特点：普遍存在资源性缺水，易出现环境污染造成的水质性缺水。•水的良性社会循环对城市污水和工业废水进行处理，使其排入水体不会造成污染，从而实现水资源的可持续利用。水质工程学的任务研究水在社会循环过程中的水质及其变化特性，研究为满足用水需要，为实现水的良性社会循环和水资源的可持续利用，而对水质进行控制及对水进行处理的科学技术。如何实现水资源的可持续利用？•节水①节约工业用水。②将节水灌溉和节水农业结合起来③采取各种有效措施，提高公众的节水意识；大力推广节水技术和节水器具。•污水回用城市污水水量大，水量、水质相对稳定，为城市的“第二水源”。是解决水资源短缺的有效途径。城市污水经处理后回用于工业生产，减少了向自然水体的排污量，带来了可观的环境效益。•开源海水、微咸水的开发利用；雨水的利用。•减少污染物的排放提倡采用“绿色工艺”，进行清洁生产，实现“零”排放目标。•大力发展水处理技术受污染水源水的处理•远距离输水南水北调，引滦入津•优质优用，合理调配我国城市水资源可持续利用方针：“节水为先，治污为本，多渠道开源”课程主要内容第1章：水质与水质标准第2章：水的处理方法概论第3章：凝聚和絮凝第4章：沉淀第5章：过滤第6章：吸附第7章：氧化还原与消毒第8章：离子交换第18章：典型给水处理系统第1篇水质与水处理概论•教学目的：通过本章教学，使学生掌握水源水质和水质标准、水处理的任务和处理方法概述、反应器原理及应用等水处理基础概念及基本理论。•本章重点：天然水中杂质来源、分类；各种天然水源的水质特点；生活饮用水及工业用水水质标准；水处理基本方法概述；反应器基本原理及在水处理中的应用。第1章水质与水质标准天然水体的水质及用水水质标准。本章包括两个内容污、废水的水质及污水排放标准。1.1天然水中杂质的种类与性质1.1.1天然水体中的杂质•天然水体主要是指江河、湖泊、水库等水域。•杂质的来源：自然过程（降水、渗透溶解、冲刷等）人为因素（使用中污染）•杂质的分类：按尺寸大小分为：悬浮物、胶体、溶解物按化学结构：无机物、有机物、生物按杂质的来源：天然、污染性（1）按尺寸大小分为：悬浮物、胶体、溶解物悬浮物与胶体产生浑浊的主要根源（浊度），是饮用水处理的主要去除对象。•悬浮物特性尺寸较大，动水中呈悬浮状，静水中可下沉或上浮。包括泥砂、大颗粒粘土、矿物废渣等无机易沉悬浮物和草木、浮游生物体等有机易浮悬浮物。通常用重力沉降法去除。•胶体特性尺寸小，在水中长期静置很难下沉。包括粘土、细菌、病毒、腐殖质、蛋白质、有机高分子物质等，天然水中的胶体一般带负电荷，也有带正电的。其中的有机物会造成水的色、臭、味。须投加混凝剂方可去除。•溶解物特性气体分子（O2、N2、CO2、H2S等）；离子（Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3-、SO42-、Cl-等）。稳定均匀分散在水中，须用化学或物化等特殊方法去除。（2）按化学结构：无机物、有机物、生物无机杂质•天然水中所含无机杂质主要是：溶解性离子、气体及悬浮性泥砂。•溶解性离子的存在使水表现出不同的含盐量、硬度、pH值和电导率特性，进而表现出不同的物理化学性质。•泥砂的存在使水混浊。有机杂质•天然水中所含有机杂质一般为腐殖质类及一些蛋白质等。生物（微生物）杂质•包括原生动物、藻类、细菌、病毒等。•使水产生异臭异味，增加水的色度、浊度，导致各种疾病。1.1.2各种典型水体的水质特点地下水天然水体的类型地表水：江河水、湖泊及水库水、海水•地下水特点水质清澈，细菌较少，水温和水质较稳定，但含盐量、硬度、铁和锰高于地表水。含盐量一般在100-5000mg/L，硬度通常在100-500mg/L一般宜作饮用水和工业冷却用水的水源。•江河水特点悬浮物和胶态杂质含量较多，细菌含量和浊度高于地下水，水的色、臭、味变化较大，有毒、有害物质易进入水体，水温不稳定，受自然条件的影响较大。但含盐量、硬度较低。含盐量一般在70-900mg/L，硬度通常在50-400mg/L。宜作饮用水水源。•湖泊及水库水特点水质类似于河水，但浊度较低，一般含藻类较多，易受污染，含盐量较河水高。按含盐量高低分淡水湖、微咸水湖和咸水湖（含盐量1000mg/L）。淡水湖的水宜作生活饮用水水源。咸水湖的水不宜作为生活饮用水水源。•海水特点含盐量高，在7.5-43.0g/L左右，且各种盐类或离子的重量比例基本一定。其中氯化物含量最高，约占89%左右，其次为硫化物、碳酸盐，其它盐类含量极少。须经淡化处理后方可作为居民生活用水。1.2水体的污染与自净1.2.1水中常见污染物及来源污染物分类：•按化学性质：无机污染物、有机污染物•按物理性质：悬浮性物质、胶体物质、溶解性物质•按污染物的污染特征：可生物降解有机污染物有机物难生物降解有机污染物污染物无直接毒害作用无机物无机物有直接毒害作用无机物1.可生物降解的有机污染物•主要包括碳水化合物、蛋白质、脂肪等自然生成的有机物。•性质：自然环境中极不稳定，可被生物氧化分解，分解时消耗水中的溶解氧。•污染评价指标：★BOD---生化需氧量★COD---化学需氧量★TOD---总需氧量★TOC---总有机碳★生化需氧量(BOD)•定义：指在有氧的条件下，由于微生物（主要是细菌）的作用，降解有机物所需的氧量。单位为mg/L。•意义：间接反映可被微生物氧化分解的有机物的量。•微生物降解有机物过程：分两个阶段﹡碳氧化阶段：有机物+O2→CO2+H2O+NH3（20℃需20天完成）耗氧量计作BOD5或BOD20。﹡硝化阶段：将NH3氧化为亚硝酸盐和硝酸盐（20℃需百日完成）﹡一般BOD5约为BOD20的70%左右，生活污水的BOD5值约100-400mg/L。★化学需氧量（COD）•定义：化学氧化剂氧化有机物时所需的氧量。单位mg/L。•意义：能精确表示污水中有机物量，且测定时间短；但存在一定误差，不能表现可生物降解的有机物量。重铬酸钾（CODCr或COD)氧化剂高锰酸钾（CODMn或OC)•BOD5/COD：称为可生化性指标。其值越高越易生化处理，一般须大于0.3，生活污水约为0.4-0.65。★总需氧量（TOD）•定义：有机物完全被氧化为CO2、H2O、NO2、SO2所消耗的氧。单位mg/L。•近似接近于理论需氧量ThOD，测定仅需几分钟。•同一水样TOD＞COD★总有机碳（TOC）•定义：表示污水中的有机物的总含碳量值。单位为mg/L。•生活污水的TOC值一般略高于BOD5。•TOC与TOD的测定条件相同，但表示的含义不同。2.难生物降解的有机污染物•特点：★化学性质稳定，不易被微生物降解，多为人工合成有机物。如农药、酚类化合物、聚氯联苯、芳香族氨基化合物、高分子合成聚合物等。★易在生物体内富集，多为较强的三致物质。•污染评价指标：★COD----化学需氧量★TOD----总需氧量★TOC----总有机碳★专用指标（如DDT）3.无直接毒害作用的无机污染物•特点：无直接毒害作用，但影响水体的使用功能。•类型：★颗粒状无机杂质：泥沙、矿渣等。★酸、碱物质：pH值表示。★氮、磷等植物营养性物质：是导致水体富营养化的主要物质。4.有直接毒害作用的无机污染物•主要包括：汞（Hg）镉（Cd）铅（Pb）五毒铬（Cr）六大毒性物质砷（As）氰化物（CN）•特点：毒性强，对生物体的毒害大；易积累，生物富集性强，可通过食物链转移到人体。1.2.2水体的富营养化1.定义：水体中的N、P含量较高时，导致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生态环境结构破坏的现象。2.水体富营养化的危害•使水味变得腥臭难闻；•降低水的透明度；•消耗水中溶解氧；•向水体中释放有毒物质；•影响供水水质并增加供水成本；•对水生生态的影响。破坏水生态平衡。3.水体富营养化产生的原因主要是水体受到氮、磷污染的结果。氮、磷进入水体的途径：•人类活动产生的污、废水未经处理排放；•采用常规处理工艺的污水处理厂排放；•面源性农业污染；•大量使用高磷洗涤剂。4.如何解决水体富营养化问题？•对水体富营养化水体进行修复，恢复其水体功能；•强化污水处理工艺和控制面源污染，减少营养物质的排放量；•强化给水处理工艺，有效去除富营养化所产生的藻类等物质，保证饮用水卫生安全。1.2.3水体的自净•定义：指水体在流动中或随着时间的推移，水体中的污染物自然降低的现象。•水体自净过程包括：1.物理作用：扩散、迁移、吸附沉降等，稀释其浓度，使污染物浓度降低。2.化学作用：氧化分解等。3.生物作用：对水体中有机物的氧化分解，使污染物浓度衰减。•水体自净是一个比较复杂的过程，其能力是有限的。当水体污染程度超过水体的自净能力最终导致水体污染。描述水体自净过程的两个相关水质指标:•生化需氧量BOD。该值越高说明有机物含量越多，水体受污染程度越严重；•水中溶解氧DO。它是维持水生物生态平衡和有机物能够进行生化分解的条件。历时（流程）洁净段降质污染段恢复段又复洁净DOBODBODBODDO又复饱和DO污水源口BOD,DO含量O2BOD和DO变化曲线1.3饮用水水质与健康1.3.1水中的生物对人体健康的影响影响较大：细菌、病毒、致病原生物。此外还有寄生虫、藻类等。1.3.2水中的化学物质对人体健康的影响包括：微量元素及其他无机物、有机物、放射性物质、消毒剂及消毒副产物的影响。1.3.3水质与地方病