水处理工程讲义黄霞清华

1《水处理工程》第一篇水与废水物化处理的原理与工艺(讲义)黄霞清华大学环境科学与工程系主要参考书：(1)顾夏声等：《水处理工程》第一版，清华大学出版社，1985(2)严煦世、范瑾初编著：《给水工程》第四版，中国建筑工业出版社，1999(3)张自杰等编著：《排水工程》第四版，中国建筑工业出版社，2000(4)GeorgeTchobanoglous,FranklinL.BurtonandH.DavidStensel:WastewaterEngineering,treatmentdisposalandreuse,Fourthedition,Metcalf&Eddy,Inc.,（清华大学出版社影印，2002年8月）(5)RonaldL.Droste:TheoryandPracticeofWaterandWastewaterTreatment,JohnWiley&Sons,Inc.,1997(6)《环境工程手册》之《水污染防治卷》，张自杰等，高等教育出版社，1996第一章绪论第1节水资源循环与特点一、中国水资源特点1.人均占有量少淡水总量在全世界占第6位。但人均占有量只有2340m3/人年（以12亿人口计），世界平均水准的1/4，占88位。2.空间分布不均81％的水资源分布在长江流域及其以南东南地区降水量可达1600mm，造成涝灾西北地区降水只有500mm，少的地区不到200mm23.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（大时）4.许多地区缺水严重三北（西北、华北、东北）和沿海（青岛、大连）在640个城市中，300多个城市缺水。二、水资源的自然循环与社会循环三、水处理工程的任务给水工程：取水――给水处理――配水针对不同的水源水水质，经处理后满足工农业和生活的对水质与水量的要求。排水工程：废水收集（来源于生活、工业和农业）――废水处理――排放或回用第2节水污染现状及来源一、水污染现状污水处理率低：污水排放排放量接近400亿m3。工业废水处理率约80％，达标排放的只有60％城市污水处理率15％90％以上的城市水域受到污染，特别严重的水系：三河：淮河、海河、辽河湖泊富营养化严重：滇池、巢湖（安徽）、太湖（江苏）50％左右地下水水质受到污染50％以上的重点城镇饮用水源不符合标准二、水污染来源1．工业污染源2.生活污染源3.养殖业4.面污染源：三、污染物性质与水质指标1．污染物性质按化学物质分：有机物3无机物按物理形态大小分：悬浮物胶体溶解性2．废水水质指标1)物理性质：色，温度，SS2)化学性质：pH、有机物、溶解性固体、有毒物、N、P有机物：综合指标：BOD、COD、TOD（总需氧量）单项指标3)生物学指标：细菌总数、大肠菌数四、水污染原因1．人口增加和经济增长的压力：2．粗放型发展模式3.面源污染严重4．污水处理率偏低，大量污水直接排放5．环境意识淡薄、环境管理薄弱、环境执法力度不够6.排污收费等经济政策未能起到对治污的刺激作用7.历史欠帐太多，资金投入严重不足五、水污染防止战略对策与保障措施战略对策：1．加快城市废水处理厂的建设步伐，实施废水资源化2．尽快实现从末端治理向源头控制的的战略转移，大力推行清洁生产3．从单纯的点污染源治理转向点源、内源和面源的流域综合综合治理4．切实保护饮用水源地，提高饮用水安全性保障措施：1.严格以法治水，制定并实施有效的法律、规章、制度2.完善水的管理体系，改变“多龙管水”的现象3.加大水污染治理投资4.采取有利于水污染防治的经济政策第3节水质标准一、饮用水卫生标准回顾历史，改善的方向：注重水的外观、预防传染病―去除重金属――去除微量有机物----内分泌紊乱物质。有关的内分泌紊乱物质的提出始于90年代初野生动物学者的会议上。96年美国开始食品、饮用水中内分泌紊乱物的筛控方法研究。然后欧洲经济协力开发组织开始研究。97年日本，定出被怀疑的物质67,包括：（1）杀虫剂、除草剂，45种；（2）工业原料，有机氯化合物；（3）副产物，如二恶英。4国际上：有现代意义的饮用水标准是在本世纪初在美国出现――《公共卫生署饮用水水质标准》1914年，只针对细菌数量由此大大减少了伤寒病死亡的人数。到1962年期间，有过修订，但主要是针对化学物质、生物学指标和感官指标1974年通过了《安全饮用水法》（Safedrinkingwateract），1975年颁布了《国家暂行饮用水基本规则》（NationalInterimprimarydrinkingwaterregulations）――美国饮用水水质标准上的里程碑增加了6种有机物的限制1979年修改《国家暂行饮用水基本规则》1986年提出了《安全饮用水法修正案》（SafeDrinkingWaterActAmendments）《暂行规定》♥《国家饮用水基本规定》（NationalPrimaryDrinkingWaterRegulations）提出了达到该标准的昀佳可行技术（Bestavailabletechnology）。以后，不断改进，增加限制有机物的种类。美国等的情况代表了国际上先进水平水质标准的发展趋势。有机物指标的数目超过了水质指标总数的2/3，特别是消毒副产物项目的增加。国内情况：1956年制订了第1个「生活饮用水卫生标准（试行）」，16项水质指标1976年项目修订增加到23项1986年「――――」GB5749-85共35项，关于有机物指标只有6项2001年6月新标准[生活饮用水卫生规范]二、工业与其它用水标准1．工业用水标准2．其它：游泳、渔业、灌溉三、废水排放标准1．地表水环境质量标准首次发布1983年第1次修订1988年第2次修订1999年GHZB1-1999，2000年1月1日起实施。分成基本项目和特定项目特定项目适用于地表水域特定污染物的控制。共计75项，其中基本项目31项，以控制湖泊水库富营养化为目的的特定项目4项以控制地表水I，II，III类水域有机化学物质为目的的特定项目40项。水体分类：I类主要适用于源头水、国家自然保护区；II类主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵区III类主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区IV类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区V类主要适用于农业用水区及一般景观要求区域52．污水综合排放标准原有标准：GB8978－88污染物分成两类：I类（9项）：对人体健康产生长远影响，不允许稀释，一律执行严格标准II类（20项）：长远影响小于I类针对排放区域和新建、现有，执行不同的标准。修订标准：GB8978－1996颁布，98年1月1日开始实施。I类：增加到了13项II类：增加到了56项目仍按排放区域不同执行不同的标准。3．行业排放标准第4节水处理方法和工艺流程简介一、给水处理（一）给水处理的基本方法1．去除水中的悬浮物：混凝、澄清、沉淀、过滤、消毒2．变革水中溶解物质：减少、调整如软化、除盐、水质稳定3．降低水温：冷却4．去除微量有机物（二）常规处理工艺以没有受到污染的地面水源为生活饮用水水源时：原水－混凝－沉淀－过滤－消毒－饮用水以去除浊度、满足卫生学标准。地面水源水质：杂质多、含盐量较低。工业用除盐水：滤过水－阳离子交换－阴离子交换――除盐水（三）其它水处理工艺1．高浊度水处理工艺2．低温第浊水处理工艺3．微污染水处理工艺4．富营养化湖泊水处理工艺（四）热点问题与发展方向有机污染物特别是80年代以后，对有机物的污染特别关注。已发现在给水水源中有机物种类在2000种以上；饮用水中有700多种。美国确立了117种优先控制有机物。我国也确定了12类，58种。病原微生物：新的病原微生物：如贾第虫（GiardiaLamblia）、隐孢子虫等。管网水二次污染：细菌繁殖――水质变差、管道堵塞6水处理技术的发展方向：加强微量有机物去除：加强常规处理增加预处理（如生物预处理）增加后处理（如活性炭吸附、化学氧化）开发新技术（如膜技术）加强消毒：防止各种致病微生物的影响消毒副产物的问题：替代氯的其它消毒技术管网水二次污染控制：二、废水处理（一）基本处理方法1．物理法：沉淀、气浮、筛网2．化学法：处理溶解性物质或胶体中和、吹脱、混凝、消毒3．生物处理方法：好氧、厌氧（二）城市污水处理一般流程预处理：Preliminarytreatment一级处理：Primarytreatment二级处理：Secondarytreatment三级或深度处理：Tertiaryoradvancedtreatment深度处理一般以污水回收、再用为目的。BOD去除率SS去除率一级处理20－4050－70二级处理75－9575－95存在问题：基建与运行费用高，占地大，剩余污泥产量大，管理麻烦，不能除去氮磷。发展方向：低耗高效处理技术：天然处理二级处理格栅沉砂初沉二沉生物处理活性污泥法或生物膜法物化处理或生物处理消毒原废水回流污泥剩余污泥初沉污泥消化脱水上清液处置或利用沼气利用三级处理排放或利用排放或利用排放或利用一级处理预处理7厌氧处理技术深度处理与再生利用技术污泥处理技术传统污水系统的变革（三）工业废水处理根据水质不同、处理程度工艺而异。一般大多以生物处理为主，但常有前处理（调节、气浮除油、中和）根据需要有后处理：混凝、过滤、活性炭吸附重要课题：难降解有机物工业废水的治理技术，如农药废水、造纸废水、染料废水等。8第二章混凝第1节混凝的去除对象混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。范围在：1nm~0.1μm（有时认为在1μm）混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。水处理中主要杂质：粘土（50nm-4μm）细菌（0.2μm-80μm）病毒（10nm-300nm）蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸1637年我国开始使用明矾净水1884年西方才开始使用混凝过程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质混凝剂在水中的水解与形态胶体与混凝剂的相互作用第2节胶体的性质一、胶体的稳定性1．动力学稳定性：布朗运动对抗重力。2．聚集稳定性：胶体带电相斥（憎水性胶体）水化膜的阻碍（亲水性胶体）两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。二、胶体的双电层结构动电位ζ电位：决定了胶体的聚集稳定性一般粘土ζ电位＝-15~-40mV细菌ζ电位＝-30~-70mV三、DLVO理论胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用和距离来评价。由下列两方面的力决定：静电斥力：ER－1/d2范德华引力：EA－1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出两者的综合作用图。另一方面，胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT9k：波兹曼常数，T：温度EbEmax（势垒）胶体距离xoa,凝聚（一次凝聚）xoa，稳定（二次凝聚除外）以上称为DLVO理论。只适用于憎水性胶体。德加根（derjaguin）、兰道（Landon）(苏联，1938年独立提出〕伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）胶体的凝聚：降低静电斥力――ζ电位↓――势垒↓――脱稳――凝聚办法：加入电解质，但只适用于憎水性胶体第3节水的混凝机理与过程一、铝盐在水中的化学反应铝盐昀有代表的是硫酸铝Al2(SO4)3⋅18H2O，溶于水后，立即离解铝离子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在。在水中，会发生下列过程。1．水解过程配位水分子发生水解：[Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++H+…….其结果是：价数降低，pH降低，昀终产生――Al(OH)3沉淀2．缩聚反应－OH－发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物）……..其结果是：电荷升高，聚合度增大同时多核羟基络合物还会继续水解。因此，产物包括：未水解的水合铝离子单核羟基络合物多核羟基络合物氢氧化铝沉淀各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。二、混凝机理水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation）混凝：包括两者1