环境工程学(绪论)1

第一篇水质净化和水污染控制工程基本概念及原理第一章水质与水体自净水是自然界广泛存在自然资源。水对于人类的生存和发展来说是一种不可缺少的重要物质，没有水就没有生命，是人类环境的重要组成部分。第一节水的循环与污染一、地球上水的分布海洋面积约占地球总表面积的70％以上。它的平均深度大约为3800m。地球上的水约有97％储存海洋，其余3％左右的水则分别存在于大气、地球表面和地表以下的地壳中，总水量约有14X108km3，淡水不到3％，可供人们使用的淡水仅占总水量0.3％，分布很不均匀。我国年降雨量61900X108m3，居于世界的六位，但人均仅有世界平均的1/4，我国也属于贫水国家。二、水循环水循环分为自然循环和社会循环两种。(一)自然循环：见图1-1每年的自然循环水量仅约占地球上总水量(14X108km3)的0.04％。这些循环水量中只有21％降落于陆地(每年约12X104km3)。降水到达地面后，约有56％的水量为植物蒸腾、土壤和地面水体蒸发所消耗，34％形成地表径流，10％通过下渗补给地下水，形成地下渗流。(二)社会循环水的社会循环:指的是人类社会为了满足生活和生产的需求，要从各种天然水体中取用大量的水，而经过使用以后的水被排放出来，最终又流人天然水体。这样，水在人类社会中也构成了一个局部的循环体系，称为水的社会循环。整个水循环系统应该包括水的自然循环和社会循环(见图1-2)。1.生活用水：人体中的水约占体重的2／3。水是传输营养和新陈代谢过程的一种介质。水还起着放散热量、调节体温的作用。从医学卫生的观点看，人类为维持正常生命，每人每天至少需要5L水，如果加上卫生方面的需要，全部生活用水量每人每天约需40-50L以上。发展中国家平均每人每日用水量为40-60L，而发达国家每人每天用水量达200-300L．用水量多少也与不同地区的气候条件和人们的生活习惯有关。2.工业用水：工业用水一般占城市用水量的70％-80％。见表1-23.农、林、牧用水：农业用水远远超于工业用水（水稻等）。4.控制污水：向自然借好水，还好水，使水良性循环，持续发展。三、自然污染和人为污染1.水的组成：水是由氢和氧两种元素化合而成的。化学式是H2O。自然界几乎没有纯净水，都含有杂质。2.用途：水用途很广，主要有：①生活和饮用水；②工业用水(包括冷却用水、锅炉用水、生产工艺用水等)；③农业用水(包括灌溉用水等)；④渔业用水；⑤娱乐旅游和水上运动；⑥水能利用；⑦航运；⑧景观；⑨水生生物和海生生物的生存、繁殖及生态用水等。各种不同的用途对水量和水质都有一定的要求。3.自净能力：自然环境是一个动态平衡体系。它对其中各种物质的变化具有一定的自动调节能力，经过体系内部一系列的物理的、化学的和生物学的连锁反应和相互作用，又会建立起新的平衡。水体也有这种在一定程度下能自身调节和降低污染的能力，通常称之为水的自净能力。3.水污染：不同用途的水在社会循环中，会因人类的活动使大量的工业、农业、交通和生活废弃物排入水中，使水受到污染。《中华人民共和国水污染防治法》中为“水污染”下了明确的定义，即水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人群健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。①自然污染主要是自然原因造成的。例如，特殊的地质条件使某些地区有某种化学元素的大量富集，天然植物的腐烂过程中产生某种有害物质，以及降雨淋洗大气和地面后挟带各种物质流入水体等，都会影响当地水质。②人为污染是人类生活和生产活动中产生的废物对水的污染。它们包括生活污水、工业废水、农田排水和矿山排水等。此外，废渣和垃圾堆积在土地上或倾倒在水中、岸边，废气排放到大气中，经降雨淋洗和地面径流后各种杂质又流入水体，这些都会造成水的污染。对水体造成较大危害。四、水污染的分类和影响水污染分为：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。酸污染主要来自矿山排水和工业废水。含酸多的工业废水有酸洗、粘胶纤维、染料废水等。雨水淋洗含二氧化硫较多的空气后，流入水体也能引起酸的污染。碱污染主要来自碱法造纸、炼油、制革制碱等工业废水。酸碱污染使水体的pH发生变化，抑制或杀灭细菌和其他微生物的生长，妨碍水体自净作用，还会腐蚀船舶和水下建筑物，影响渔业，破坏生态平衡。一些工业废水中还常含有不少无机盐类，它们排入水体后将提高水的硬度和增加水的渗透压，降低水中的溶解氧，对淡水生物产生不良影响。2．无机有毒物质污染水体的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、铅等危害较大，其他还有砷(特别是三价)、铬(六价)、硒(四价、六价)、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的疾病或促使慢性病的发生。3.有机有毒物质污染水体的有机有毒物质种类很多，主要是各种有机农药、多环芳烃、芳香胺等。这些物质来自农田排水或某些工业废水，如焦化、染料、农药、塑料等。它们之中很多是自然畀中本来役有而经人工合成的物质化学性质稳定，很难被生物所分解，其中有的称为持久性有机污染物(POPs)，如DDT、六氯苯、多氯联苯等。有些有机物质还被认为是致痛的。4．需氧污染物质生恬污水、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，故称之为需氧污染物质。如果这类物质排入水体过多，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他水生生物的生长。水中的溶解氧耗尽后，有机物质将进行厌氧分解而产生出大量硫化氢、氨、疏醇等物质，使水质变黑发臭，造成环境质量进一步恶化。5．植物营养物质生活污水和某些工业废水中经常含有一定数量的氨、磷等植物营养物质。施用氮肥和磷肥的农田排水中也会有残余的氮和磷。水体中氮、磷的含量较高时．特别是湖泊、水库、港湾、内诲等水流缓慢的水域就会因此而使藻类等浮游生物及水草大量繁殖。这种现象称为水体的“富营养化”。有些藻类还含有毒性。藻类死亡腐败后又分解出大量营养物质，促使藻类进一步发展。如此恶性循环的结果，使水体外观呈红色或其他色泽，井因通气不良，造成溶解氧含量下降，水质恶化，鱼类死亡，严重的还可能导致水草丛生，湖泊退化。6．油类污染物质随着石油事业的发展，油类物质对水体的污染已日益增多。炼抽和石油化工工业、海底石油开采、油轮压舱以及大气中污染碳氢化合物的沉降等都可使水体遭到严重的油类污染，尤其海洋采油和油乾事故污染最甚．影响水质、破坏海滩、危害水生生物。(二)物理性污染1．悬浮物质污染悬浮物质是指水中含有的不溶性物质，包括固体物质和泡抹等。它们是由生活污水、垃圾和采矿、建筑、食品、造纸等产生的废物泄入水中或农田的水上流失所引起的。悬浮物质影响水体外观．妨碍水中植物的光合作用．减少氧气的溶入，对水生生物不利。如果在悬浮颗粒上吸附一些有毒有害的物质和病菌等，则更是有害。2．热污染来自热电厂、核电站及各种工业过程中的冷却水，若不采取措施，直接排人水体，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等现象，从而危及鱼类和水生生物的生长。3．放射性污染由于原于能工业的发展，放射性矿藏的开采，核试验和核电站的建立以及同位察在医学、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放射性物质有90Sr、137Se、131I等。(三)生物性污染生活污水，特别是医院污术和某些工业废水污染水体后，往往可带入一些病原微生物，例如某些原来存在于人畜肠道中的病原细菌，如伤寒、霍乱、细菌性痢疾等都可以通过人畜粪便的污染而进入水体，随水流动而传播。第二节水质指标与水质标准一、水质指标各种杂质按它们在水中的存在状态可分为三类：悬浮物质、溶解物质和胶体物质。见图1-3水质是指水和其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合性质。水质指标：物理化学和生物指标。(一)物理性水质指标感官指标：如温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度等。其他物理性水质指标：如总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率(电阻率)等。(二)化学性水质指标一般化学性水质指标：如pH、碱度、硬度、总含盐量、一般有机物质等。有毒化学性水质指标：如各种重金属、氰化物、多环芳烃、各种农药等。氧平衡指标：如溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD）、总氧量(TOD)等。(三)生物学水质指标一般包括细菌总数、总大肠苗群数、各种病原细菌、病毒等。1．浑浊度(turbidity)浑浊度是指水中的不溶解物质对光线透过时所产生的阻碍程度。也就是说．由于水中有不溶解质的存在，使通过水样的一部分光线被吸收或被散射了，而不是全部呈直线穿透。水中的不溶解物质越多，浑浊度也越高，但两者之间并没有固定的定量关系。2.颜色（coiour)纯水无色，但由于杂质往往带有一定色彩。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成胶体物质所致，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、胶体物质和悬浮物质共同引起的颜色。通常只对天然水和用水作真色的测定。1L水中含有相当于1mg铂时所产生的颜色规定为1度，亦称1个真色单位(TCU，truecolorunit)。也有用分光光度法进行颜色测定的。3．固体(solids)严格地说，水中除溶解的气体外，其他一切杂质，包括有机性化合物、无机性化合物和各种生物体，都划入水中固体物质之列。但在环境工程中，水中固体的定义是：在一定的温度下将一定体积的水样蒸发至干时所残余的固体物质总量，因此有时也称作“蒸发残渣”。常用的蒸发烘干温度为103-105℃。在此温度下烘干的残渣保留结晶水和部分吸着水，重碳酸盐转变为碳酸盐，而有机物挥发逸失甚少。这样所得的残渣总量称为总固体(totalsolids)，结果以mg／L计。溶解固体(dissolvedsolids)悬浮固体(suspendedsolids)挥发性固体(volatilesolids)固定性固体(fixedsolids)挥发性固体是指在一定的温度下(通常用600℃)，将水样中经蒸发干燥后的固体灼烧而失去的质量，故亦称“灼烧减重”。“可沉固体(settleablesolids)”的指标。所谓可沉固体，是指将1L水样在一锥形玻璃筒内静置1h后所沉下的悬浮物质数量(图1-4)，其结果用mL／L来表示。4．比电导(specificconductance)水中溶解的盐类都是以离子状态存在的，它们都具有一定的导电能力。水的导电能力大小可用比电导来量度。水中所含溶解盐类越多，水中的离子数目也越多，水的比电导就越高。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(如K2Cr207、KMn04)作用时所消耗的氧化剂量，结果用氧的mg／L数来表示。根据所加强氧化剂的不同，它们分别称为重铬酸钾耗氧量(习惯上称为化学需氧量，chemicaloxygendemand，简写为COD)和高锰酸钾耗氧量(习惯上称为耗氧量．Oxygenconsumed，简写为OC，也称为高锰酸盐指数)。重铬酸钾法测定强酸条件下，绝大多数有机物被氧化。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。9．生物化学需氧量在有氧的条件下，水中可分解的有机物由于好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用被氧化分解而无机化，这个过程所需要的氧量叫做生物化学儒氧量(bio-chemicaloxygendemand)，简称生化儒氧量(BOD)，结果以氧的mg／L表示。可分解的有机物系指可以作为微生物食料的有机物。这些有机物被微生物氧化分解的过程可用图1-5表示。由图可知，微生物通过自身的生命活动(呼吸、合成等)过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物(如C02、H20等)，并释放出其生长、活动所