水 水 处 处 理 理 工 工 程 程 （水污染控制工程部分）（水污染控制工程部分） 2003-2004学年第二学期 教材：教材： 《《水污染控制工程水污染控制工程》》 高庭耀，顾国维，高等教育出版社高庭耀，顾国维，高等教育出版社 参考书籍：参考书籍： <WASTERWATER ENGINEERING TREATMENT, DISPOSAL, REUSE> fourth edition，，Metcalf & Eddy, Inc. 《《当代给水与废水处理原理当代给水与废水处理原理》》，许保玖，高等教育出版社，许保玖，高等教育出版社 《《废水生物处理废水生物处理》》，，C.P.Leslie等，化学工业出版社等，化学工业出版社 《《污泥处理污泥处理》》，金儒霖，中国建筑工业出版社，金儒霖，中国建筑工业出版社 杂志：杂志：《《中国给水排水中国给水排水》》，，《《给水排水给水排水》》，，《《环境科学环境科学》》等等 水的自然循环： 全球水分布： 总量约： 1.38X10 9 km 3 世界河流平均年径流量：468000亿m 3 ,亚洲最大占31％ ?我国水资源特点： 总量多，人均占有量少 地区分布不均匀 季节分布不均匀 河流含沙量大 水污染日益严重 地下水开采过量 我国水资源总量： 27000亿m 3 排世界第五，但人均仅2500 m 3 （世界平均10240 m 3 ）。 水的社会循环 合流制排水体制 2002环境状况公告 废水和主要污染物排放量 2002年，全国工业和城镇生活废水排放总量为439.5亿吨，其中工 业废水排放量207.2亿吨；城镇生活污水排放量232.3亿吨，超过环境 容量的82％。 废水中化学需氧量（COD）排放总量1366.9万吨。其中工业废水中 COD排放量584.0万吨；城镇生活污水中COD排放量782.9万吨。 七大水系：741个重点监测断面中，29.1%的断面满足Ⅰ～Ⅲ类水质要 求，30.0%的断面属Ⅳ、Ⅴ类水质，40.9%的断面属劣Ⅴ类水质。 七大水系主要污染指标：石油类、生化需氧量、氨氮、高锰酸盐指数、挥 发酚和汞等。 长江三峡库区：干流7个断面和支流3个断面均为Ⅲ类水质，水质保持良 好。仅第三季度干流5个断面因铅超标。 南水北调工程（东线）：沿线水质监测13个断面，3个断面Ⅲ类水质，占 23.1%；2个断面Ⅳ类水质，占15.4%；5个断面Ⅴ类水质，占 38.4%；3个断面劣Ⅴ类水质，占23.1%。 湖泊、水库：主要湖泊氮、磷污染较重，导致富营养化问题突出。滇池草 海为重度富营养状态，太湖和巢湖为轻度富营养状态。 2002环境状况公告 地下水 地下水水位有所回升 地下水水质总体较好，局部受到一定程度的点状或面状污染，部分指 标超标。 近岸海域水质 2002年近岸海域污染有所减轻，一、二类海水比例为49.7%，；四 类、劣四类水质比例为35.9%，近岸海域的主要污染指标是无机氮、 活性磷酸盐，部分海域石油类、化学需氧量和铅超标，个别海域重金属 铜、汞、镉超标。 赤潮2002年，全海域共发现赤潮79次，累计面积超过10000平方公 里。 在部分海域多次检测出亚历山大藻（Alexandrium）和裸甲藻 （Gymnodrium）等有毒赤潮藻类。 我国600多座城市中有400多座供水不足，其中100多座严重缺水；我国尚 有3.6亿农村人口喝不上符合卫生标准的水。 第九章污水水质与污水出路 第一节污水水质 我拿什么来表达你？—污水 污水谱仪？污水谱仪？ 国际通用三大类指标：国际通用三大类指标： 物理性指标物理性指标 化学性指标化学性指标 生物性指标生物性指标 水质分析指标 物 理 性 指 标 加速耗氧反应，最终导 致水体缺氧或水质恶化 造成水中溶解氧减少 感官性指标，水的色度来源 于金属化合物或有机化合物 感官性指标，水的异臭来源于 还原性硫和氮的化合物、挥发 性有机物和氯气等污染物质 挥发性物质 溶解物质 固定性物质 色度 固体物质 工业废水 常引起水 体热污染 悬浮固体物质 嗅和味 温度 水和污水中固体成分的内部相关性 水和污水中杂质颗粒分布 总固体，720 悬浮固体，220 溶解固体，500 可沉，160 不可沉，60 有机，120 无机，40 有机，45 无机，15 有机，40 无机，10 有机，160 无机，290 胶体，50 分子，450 生活污水中各部分固体的组成（单位mg/L） 化学性指标 有 机 物 有机物指标用于测定水中有机污染物成分。 ?生活污水中有大量有机物，主要是：人体排泄物、洗涤污物 食物残屑等 ?各种工业废水中的有机物有动植物纤维、油脂、糖类、染料 有机酸、各种有机合成工业品、有机原料、废物等 有机物危害： 1. 消耗溶解氧、恶化水质、破坏水体； 2. 抑制水生生物、破坏水生生态； 3. 滋生微生物，传播疾病； 4. 有毒有机物直接危害人体健康和水生生物生长。 有机物种类繁杂，很难逐个测定，利用共性，某指标间接反映 ?易被氧化：生物氧化、化学氧化、燃烧氧化 ?根据主要元素含量来反映：总有机碳、总氮、总磷、总硫等 化学性指标 有 机 物 生化需氧量（BOD） 反映了在有氧的条件下，水中可生物降解的有机物的量 主要污染特性（以mg/L为单位）。 有机污染物被好氧微生物氧化分解的过程，一般可分为 两个阶段：第一个阶段主要是有机物被转化成二氧化碳、 水和氨；第二阶段主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐。 污水的生化需氧量通常只指第一阶段有机物生物氧化所 需的氧量，全部生物氧化需要20天－100天完成。 实际中，常以5天作为测定生化需氧量的标准时间，称五 日生化需氧量（BOD 5 ）通常以20°C为测定的标准温度。 BOD: Biological Oxygen Demand 在规定条件下微生物氧化分解污水或受污染的天然水样中有机物所 需要的氧量（20℃，5天） BOD与CBOD、NBOD BOD L 与BOD 5 温度对BOD测定的影响 一般采用稀释法：降低有机物浓度，保证充足的溶解氧 蒸馏水、无机营养盐、确当的pH 工业废水往往需要接种和训化 抑制硝化耗氧时，可加入硝化抑制剂，如亚甲基蓝 BOD测定注意事项： 稀释与直接测定 BOD 5 ：7mg/L 接种培养 10 3 -10 4 个/ml 非接种培养 化学性指标 有 机 物 化学需氧量（COD） 常用的氧化剂主要是重铬酸钾(K 2 Cr 2 O 7 ) 称COD Cr 和高锰酸钾 (KMnO 4 )称COD Mn 或OC。 酸性条件下，硫酸银作为催化剂，氧化性最强； 废水中无计的还原性物质同样被氧化； 如果废水中有机物的组成相对稳定，则化学需氧量和生化需氧量之 间应有一定的比例关系：生活污水通常在0.4-0.5。 COD=COD B +COD NB COD: Chemical Oxygen Demand 用化学方法氧化分解废水水样中有机物过程中所消耗的氧化剂量折合 成氧量（O 2 ）（mg/L） COD与BOD L 的关系 COD= COD B +COD NB BOD L = 1/3COD B +2/3COD B X(1-0.2) =0.87COD B 可降解有机物 好氧微生物 O 2 CO 2 ,H 2 O…+能量 新的细胞质 CO 2 ,H 2 O…+能量 残留物 80%氧化 2/3合成 1/3氧化 20%残渣 内源呼吸 BOD 5 = 0.68 BOD L =0.68X0.87COD B =0.59COD B 污水水质相对稳定时： BOD 5 /COD比值变化不大 化学性指标 有 机 物 总有机碳（TOC）和总需氧量（TOD） TOC: Total Organism Carbon 在950℃高温下，以铂作为催化剂，使水样气化燃烧，然后测定气体 中的CO 2 含量，从而确定水样中碳元素总量。 测定中应该去除无机碳的含量 各种水质之间TOC或TOD与BOD不存在固定的相关关系。在水质条 件基本不变的条件下，BOD与TOC或TOD 之间存在一定的相关关系。 TOD: Total Oxygen Demand 在900-950℃高温下，将污水中能被氧化的物质，主要是有机物， 包括难分解的有机物及部分无机还原物质燃烧氧化成稳定的氧化物 测量载气中氧的减少量，称为总需氧量（TOD）。 TOD测定方便而快速。 污水有机物指标之间的关系 有机碳量 需氧量 TOC ThOC ThOD TOD COD cr BOD L BOD 5 COD Mn 化学性指标 有 机 物 油类污染物 石油类：来源于工业含油污水 动植物油脂：产生于人的生活过程和食品工业 油类污染物进入水体后影响水生生物的生长、降低水体 的资源价值： 油膜覆盖水面阻碍水的蒸发，影响大气和水体的热交换。 油类污染物进入海洋，改变海洋的反射率和减少进入海洋表 层的日光辐射，对局部地区的水文气象条件可能产生一定影 响。 大面积油膜将阻碍大气中的氧进入水体，从而降低水体 的自净能力。 石油污染对幼鱼和鱼卵的危害很大堵塞鱼的鳃部，能使鱼虾 类产生石油臭味，降低水产品的食用价值。 破坏风景区，危害鸟类生活。 化学性指标 有 机 物 酚类污染物 酚污染来源：煤气、焦化、石油化工、木材加工、 合成树脂等工业废水 原生质毒物，可使蛋白质凝固，引起神经系统中毒 酚浓度低时，能影响鱼类的回游繁殖。 酚浓度达0.1～0.2mg/L时，鱼肉有酚味。 酚浓度高会引起鱼类大量死亡，甚至绝迹。 酚的毒性可抑制水中微生物的自然生长速度， 有时甚至使其停止生长。 酚能与饮用水消毒氯产生氯酚，具有强烈异臭 （0.001mg/L即有异味，排放标准0.5mg/L） 灌溉用水超过5mg/L时，农作物减产，甚至枯死 化学性指标 无 机 性 指 标 过多的氮、磷进入天然水体易导致富营养 化，导致水生植物尤其是藻类的大量繁殖， 造成水中溶解氧的急剧变化，影响鱼类生 存，并可能使某些湖泊由贫营养湖发展为 沼泽和干地。 重金属主要指汞、镉、铅、铬、镍，以及 类金属砷等生物毒性显著的元素，一般指 序号 21－ 83，比重大于 4的金属，也包括 具有一定毒害性的一般重金属，如锌、铜、 钴、锡等。 一般要求处理后污水的 pH值在 6～ 9之间。 当天然水体遭受酸碱污染时， pH值发生变 化，消灭或抑制水体中生物的生长，妨碍 水体自净，还可腐蚀船舶。 碱度指水中能与强酸发生中和作用的全部 物质，按离子状态可分为三类：氢氧化物 碱度；碳酸盐碱度；重碳酸盐碱度。 植物营 养元素 pH值和碱度 重金属 作为微量金属元素 重金属的主要危害：生物毒性，抑制微生 物生长，使蛋白质凝固； 逐级富集至人体，影响人体健康 含氮化合物 氮是有机物中除碳以外的一种主要元素，也是微生物生长 的重要元素 污水中氮有四种：有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮 危害： 消耗水体中溶解氧； 促进藻类等浮游生物的繁殖，形成水花、赤潮； 引起鱼类死亡，水质迅速恶化。 关于氮的几个指标： 有机氮：主要指蛋白质和尿素 TN：一切含氮化合物以N计量的总称； TKN：TN中的有机氮和氨氮，不包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮； 氨氮：有机氮化合物的分解，或直接来自含氮工业废水； NOx-N:亚硝酸盐氮和硝酸盐氮 自然界中氮的循环 含磷化合物 磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生长的 重要元素 磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及含磷 工业废水 危害： 促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡； 水质迅速恶化，危害水产资源。 含磷化合物 有机磷 有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等 无机磷 磷酸盐：正磷酸盐(PO 4 3- )、磷酸氢盐(HPO 4 2- )、 磷酸二氢盐H 2 PO 4 - 、偏磷酸盐(PO 3 - ) 聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P 2 O 7 4－ )、三磷酸盐(P 3 O 10 5- ) 三磷酸氢盐(HP 3 O 9 2- ) 生物性指标 生活污水：肠道传染病、肝炎病毒、 SARS、 寄生虫卵等 制革屠宰等工业废水：炭疽杆菌、钩端螺旋体等 医院污水：各种病原体 危害：传播疾病、影响卫生、导致水体缺氧 来源及 危害 水中细菌总数反映了水体有机污染程度和受细 菌污染的程度 常以：细菌个数 /毫升计 如：饮用水： <100个 /毫升 医院排水： <500个 /毫升 细菌总数 大肠菌群的值可表明水样被粪便污染的程度， 间接表明有肠道病菌存在的可能性 常以：大肠菌群数 /升计 如：饮用水： <3个 /升 城市排水： <10000个 /升 游泳池： <1000个 /升 大肠菌群 融会贯通各水质指标间的含义 从几个水质标准看水处理工程的任务 几种水质标准中主要指标浓度值（mg/L） 感观性状与一般化学指标/毒理学指标/细菌学指标/放射性指标生活饮用水 0.050.5透明>0.5m8CODmn：10一般景观用水 0.221025V类 0.22620IV类 0.1(0.05)1415III类 0.1(0.025)0.53<15II类 0.020.5 无漂浮 沉积物 <3<15I类 地 表 水 －10510－中水回用（冲厕） 5－5060120三级 325（30）3030100二级 1.58（15）202060一B 15（8）101050一A 国家排放标准 GB18918 2002 4-530（TKN:40）150-200100－150250－300一般城市污水 TPNH 3 -NSSBOD 5 CODcr主要指标 第二节污染物在水体环境中的迁移与转化 水体的自净作用 河流的自净作用是指河水中的污染物质在河水向 下游流动中浓度自然降低的现象 根据净化机制分为三类 物理净化： 稀释、扩 散、沉淀 化学净化： 氧化、还 原、分解 生物净化：水中 微生物对有机物 的氧化分解作用 竖向混合阶段：污染 物排入河流后因分子 扩散、湍流扩散、弥 散作用逐步向河水中 分散，由于一般河流 的深度与宽度相比较 小，所以首先在深度 方向上达到浓度分布 均匀，从排放口到深 度上达到浓度分布均 匀的阶段称为竖向混 合阶段，同时也存在 横向混合作用。 横向混合阶段： 当深度上达到浓 度分布均匀后， 在横向上还存在 混合过程。经过 一定距离后污染 物在整个横断面 上达到浓度分布 均匀，这一过程 称为横向混合阶 段。 断面充分混合后 阶段：在横向混 合阶段后，污染 物浓度在横断面 上处处相等。河 水向下游流动的 过程中，持久性 污染物的浓度将 不再变化，非持 久性污染物浓度 将不断减少。 污水排入河流的混合过程 水体的自净作用 持久污染物的稀释扩散 当持久性污染物随污水稳态排入河流后，经过混 合过程达到充分混合阶段时，污染物浓度可由质量守 恒原理得出河流完全混合模式： 式中： ρ -排放口下游河水的污染物浓度 ρ w ， q vw -污水的污染物浓度和流量 ρ h ,q vh -上游河水的污染物浓度和流量 hw hhww qvqv qvqv + + = ρρ ρ 河断面达到充分混合后，污染物浓度受到纵向分散作用和 污染物的自身的分解作用不断减少。根据质量守恒原理其变化 过程可用下式描述： 式中： u-河水流速 x－初始点至下游 x断面处的距离 M x －纵向分散系数 K－污染物分解速度常数 ρ 0 －初始点的污染物浓度 ρ－ x断面处的污染物浓度 ρ ρρ K dx d M dx d u x ?= 2 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? +?= 2 0 4 11 2 exp u KM M ux x x ρρ 非持久性污染物的稀释扩散和降解 水 体 污 染 与 恢 复 氧垂曲线： 水体受到污染后，水体中溶解氧逐渐被消耗，到临界 点后又逐步回升的变化过程，称氧垂曲线。 有机物降解： L L K dt d ρ ρ ??= 1 tK LL e ?? ?= 1 0 ρρ )1( 1 0 tK Lx e ?? ?= ρρ 有机物含量 时间或距离 氧垂曲线的求解： 亏氧量 D D K dt d ρ ρ ?= 2 DL D KK dt d ρρ ρ ???= 21 )( 212 21 01 0 tKtKLtK DD ee KK K e ?????? ? ? ? ??= ρ ρρ )()( 212 21 01 0 tKtKLtK CCSCSC ee KK K e ?????? ? ? ? +???= ρ ρρρρ 某点处的氧不足量变化速率是该处耗氧速率和复氧速率之和： 求解得某点的亏氧量： 某点的溶解氧ρ c = ρ cs - ρ D 到达最缺氧点时间 dρ D /dt=0： ( ) 12 01 120 1 2 1ln KK K KK K K t L D k ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = ρ ρ 氧垂曲线 污染物在河流中的扩散和分解受到河流的流量、 流速、水深等因素影响。 河口是指河流进入海洋前的感潮河段。河口污染 物的迁移转化受潮汐影响，受涨潮、落潮、平潮 时的水位、流向和流速的影响。 湖泊水库的贮水量大，但水流一般比较慢，对污 染物的稀释、扩散能力较弱。 海洋虽有巨大的自净能力，但是海湾或海域局部 的纳污和自净能力差别很大。 污染物在地下水中的迁移转化受多种因素影响， 地下水一旦污染要恢复原状非常困难。 污染物在不同水体中的迁移转化规律 第三节污水出路 污水回用的几个主要方向 排放水体 工业利用 地下水回灌 污水的 最终出路 农业利用 市政回用 对人体健康不应产生不良影响 对环境质量和生态系统不应产生不良影响 对产品质量不应产生不良影响 应符合应用对象对水质的要求或标准 应为使用者和公众所接受 回用系统在技术上可行、操作简便 价格应比自来水低廉 应有安全使用的保障 污 水 回 用 应 满 足 的 要 求 城 市 污 水 回 用 的 几 个 方 面 城市生活用水 和市政用水 农业、林业、 渔业和畜牧业 地下水回灌 其他方面 工业 城市绿地灌溉 供水 市政与建筑用水 城市景观 工艺生产用水 冷却用水 锅炉补充水 其他杂用水 从污水至回用的水处理过程