环境工程基础：第八章 废水处理

第八章 废水处理第一节 水处理的基本方法
一、 水处理和水工业目前，水资源短缺和水环境污染造成的水危机已经成为我国社会经济发展的重要制约因素，为此，必须采用保护和利用相协调的水资源开采利用模式，通过对污水的净化和水体保护，使水资源不再受到破坏并能实现良性的再生循环。没有水的可持续利用和保护，社会经济的可持续发展就不可能实现。
水工业是从事水的可持续利用和保护，并以满足社会经济可持续发展所需求的水量、水质为生产目标的特殊工业。它是随着水这种特殊产品的商品化和产业化生产而逐渐形成和完善的新兴工业。围绕水的开采、净化、供给、保护和再生等环节而产生的各种企业和部门构成了水工业的主体，水工业涉及众多学科领域，是科技、工程、装备及综合管理技术的集成，具有很强的综合性。
水处理是给水处理和废水处理的简称，它是水工业科学技术的一个重要组成部分。50年代以前，给水处理和废水处理涵义的划分是很清楚的。从天然水源取水，为供生活或工业的使用(特别是生活使用)而进行的处理，称为给水处理；为了安全排放的目的，对于使用过而废弃的水所进行的处理，称为废水处理。但自从水的污染日益严重，水源逐渐紧张以来，给水处理与废水处理的界限也就逐渐模糊起来。现在，废水也可以作为水源，经处理后以供工业用水甚至生活用水。为了废水的再生或再用所进行的处理，就其水质来说是废水处理，就其处理的目的来说则属给水处理。在这种新形势下，笼统地使用水处理或水质控制这样的术语，可能更为方便和贴切。
二,水处理内容水处理的主要内容可概括为以下三种：（1）去除水中影响使用的杂质以及对污泥的处置，这是水处理的最主要内容；（2）为了满足用水的要求，在水中加入其他物质以改变水的性质，如食用水中加氟以防止龋齿病，循环冷却水中加缓蚀剂及阻垢剂以控制腐蚀及结垢等；（3）改变水的物理性质的处理，如水的冷却和加热等。本章只讨论去除水中杂质的方法。
三、? 水处理的方法分类废水中所含污染物的种类是多种多样的，不能预期只用一种方法就可以将所有的污染物都去除干净，因此水处理的方法也多种多样。根据不同的分类原则，通常对废水处理方法可做如下分类。
1. 按废水处理的程度来分类
一般划分为一级处理、二级处理和三级处理( 深度处理、高级处理)。
一级处理主要是预处理，多采用物理方法或简单的化学方法（如初步中和酸碱度）去除废水中的悬浮固体、胶体、悬浮油类等污染物。一级处理的处理程度低，一般达不到规定的排放要求，尚须进行二级处理。
二级处理主要是清楚可分解或氧化的呈胶状或溶解状的有机污染物，多采用较为经济的生物化学处理法。废水经过二级处理之后，一般可达到排放标准，但可能会残存有微生物以及不能降解的有机物和氮、磷等无机盐类，它们数量不多，通常对水体的危害不大。
三级治理又称深度治理，只在有特殊要求时方才采用。它是将二级治理后的废水，再用物理化学技术做进一步的处理，以便去除可溶性的无机物和不能分解的有机物，去除各种病毒、病菌、磷、氮和其它物质，最后达到地面水、工业用水或接近生活用水的水质标准。
表8-1 废水的分级处理处理级别
污染物质
处理方法
一级处理
悬浮或胶态固体、悬浮油类、酸、碱
格栅、沉淀、浮上、过滤、混凝、中和
二级处理
可生化降解的有机物
生物化学处理
三级处理
难生化降解的有机物、溶解态的无机物、病毒、病菌、磷、氮等
吸附、离子交换、电渗析、反渗透、超滤、化学处理法

2. 按水中污染物的化学性质是否改变来分类水处理方法可分为分离处理、转化处理和稀释处理三大类。
(1) 分离处理：是通过各种力的作用，使污染物从水中分离出来。一般来说，在分离过程中并不改变污染物的化学性质。
(2)转化处理：是指通过化学的或生物化学的作用，将污染物转化为无害的物质，或转化为可分离的物质，然后再进行分离处理，在这一过程中污染物的化学性质发生了变化。
(3)稀释处理：则既不把污染物分离出来，也不改变污染物的化学性质，而是通过稀释混合，降低污染物的浓度，从而使其达到无害的目的。
3. 按处理过程中发生的变化分类可分为物理处理法、化学处理法、物理化学法和生物处理法。物理法是利用物理作用来分离水中的悬浮物，处理过程中只发生物理变化。常用的物理处理方法有：格栅、筛滤、过滤、沉淀和浮上等。化学法是利用化学反应的作用来处理水中的溶解物质或胶体物质。处理过程中发生的是化学变化。常用的化学处理方法有：中和法、化学沉淀法、氧化还原法等。物理化学法是运用物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法。物理化学法处理废水既可以是独立的处理系统，也可以是与其它方法组合在一起使用。其工艺的选择取决于废水的水质、排放或回收利用的水质要求、处理费用等。如为除去悬浮和溶解的污染物而采用的混凝法和吸附法就是比较典型的物理化学处理法。常用的物理化学处理方法有：吸附法、离子交换法以及膜技术(电渗析、反渗透、超滤等)。生物法则是利用微生物的作用去除水中胶体的和溶解的有机物质。常用的生物处理法有：好氧活性污泥法、生物膜法，厌氧消化池法等。本章将按后一种分类原则对各种主要的水处理方法加以介绍
第二节 物理处理方法物理处理方法主要用于分离废水中的悬浮物质，常用的方法有：重力分离法、离心分离法、过滤法以及蒸发结晶法等。该方法最大的优点是简单、易行，并且十分经济。
一、筛滤筛滤是去除废水中粗大的悬浮物和杂物，以保护后续处理设施能正常运行的一种预处理方法。筛滤的构件包括平行的棒、条、金属网、格网或穿孔板。其中由平行的棒和条构成的称为格栅；由金属丝织物或穿孔板构成的称为筛网。其中格栅去除的是那些可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大的悬浮物；而筛网去除的是用格栅难以去除的呈悬浮状的细小纤维。
根据清洗方法，格栅和筛网都可设计成人工清渣或机械清渣两类。当污染物量大时，一般应采用机械清渣，以减少工人劳动量。
1．格栅格栅是由一组平行的金属栅条制成的框架，斜置在废水流经的管道上或泵站集水池的进口处，或取水口进口端部，用以截留水中粗大的悬浮物和漂浮物，以免堵塞水泵及沉淀池的排泥管。格栅通常是废水处理流程的第一道设施。
格栅本身的水流阻力并不大，水头损失只有几厘米，阻力主要产生于筛余物堵塞栅条。一般当格栅的水头损失达到10～15cm时就该清洗。
截留在格栅上的污染物，可用手工清除或机械清除。目前许多废水处理厂，为了消除卫生条件恶劣的人工劳动，一般都改用机械自动清除式格栅。人工清除污物的格栅见图8-1。
格栅按形状可分为平面格栅和曲面格栅两种，按格栅栅条的间隙，可分为用粗格栅(50～100mm)、中格栅(10～40mm)、细格栅(3～10mm)三种。
新设计的废水处理厂一般都采用粗、中两道格栅，甚至采用粗、中、细三道格栅。我国目前采用的机械格栅的栅条间距大都在20mm以上，多采用50mm左右。机械格栅的间距过小则易使耙齿卡在格栅间。机械格栅的倾斜度较人工格栅的大，一般为60O～70o，采用电力系统或液压系统传动。齿耙用链条或钢丝绳拉动，移动速度一般为2m/min左右。
图8-2所示为履带式机械格栅的一种。格栅链条作回转循环转动，齿耙固定在链条上，并伸入栅隙间。这种格栅设有水下导向滑轮，利用链条的自重自由下滑，齿耙在移动过程中将格栅上截留的悬浮物清除掉。
2．筛网筛网主要用于截留尺寸在数毫米至数十毫米的细碎悬浮态杂物，尤其适用于分离和回收废水中的纤维类悬浮物和动植物残体碎屑。这类污染物容易堵塞管道、孔洞或缠绕于水泵叶轮。用筛网分离具有简单、高效、运行费用低廉等优点。
筛网过滤装置很多，有振动筛网、水力筛网、转鼓式筛网、转盘式筛网、微滤机等。不论何种形式，其结构既要截留污物，又要便于卸料及清理筛面。
图8-3为一种水力回转筛的结构示意图，它由锥筒回转筛和固定筛组成。回转筛的小头端用不透水的材料制成，内壁装设固定的导水叶片。当进水射向导水叶片时，便推动锥筒旋转，悬浮物被筛网截留，并沿斜面卸到固定筛上进一步脱水；水则穿过筛孔，流入集水槽。
3．筛余物的处置可将收集的筛余物运至处置区填埋或与城市垃圾一起处理；当有回收利用价值时，可送至粉碎机或破碎机磨碎后再用；对于大型系统，也可采用焚烧的方法彻底处理。
二、沉淀与上浮沉淀与上浮是利用水中悬浮颗粒与水的密度差进行分离的基本方法。当悬浮物的密度大于水时，在重力作用下，悬浮物下沉形成沉淀物；当悬浮物的密度小于水时，则上浮至水面形成浮渣(油)。通过收集沉淀物和浮渣可使水获得净化。沉淀法可以去除水中的砂粒、化学沉淀物、混凝处理所形成的絮体和生物处理的污泥，也可用于沉淀污泥的浓缩。上浮法主要用于分离水中轻质悬浮物，如油、苯等，也可以让悬浮物粘附气泡，使其视密度小于水，再用上浮法除去。
1．沉淀沉淀是水处理中广泛应用的一种方法，主要用于去除粒径在20～100(m以上的可沉固体颗粒。对胶体粒子（粒径约为1～100nm）和粒径为100～10000nm的细微悬浮物来说，由于布朗运动、水合作用，尤其是微粒间的静电斥力等原因，它们能在水中长期保持悬浮状态，因此不能直接用重力沉降法分离，而必须首先投加混凝剂来破坏它们的稳定性，使其相互聚集为数百微米以至数毫米的絮凝体，才能用沉降、过滤和气浮等常规固液分离法予以去除。
(1)沉淀类型 根据水中悬浮颗粒的浓度及絮凝特性(即彼此粘结、团聚的能力)，通常分为下述四种沉淀类型。
第一类是自由(或分离)沉淀：沉淀过程中，颗粒呈离散状态，彼此互不聚合、粘合或干扰，而是单独地进行沉降。因而，颗粒的物理性质(大小、形状、比重等)在此过程中均不发生任何变化。在废水中悬浮物的浓度不太高、颗粒多为无机物时常发生自由沉淀，如在沉砂池中，砂粒的沉降便是典型的自由沉淀。
第二类是絮凝或混凝沉淀：此种类型废水中的悬浮物浓度虽不很高，但沉淀过程中悬浮物的颗粒却具有附聚、凝聚的性能，造成了颗粒的相互粘合，结成较大的絮凝体或混凝体，导致悬浮物颗粒及其沉降速度随着沉降深度的增加而增加。例如，经絮凝的泥土在水中的沉淀，为了提高沉淀效率，常向废水中投加絮凝剂或混凝剂，使水中的胶体悬浮物颗粒失去稳定性后，相互碰撞和附聚，搭接成为较大的颗粒或絮状物，从而使悬浮物更容易从水中沉淀分离出来。
混凝沉淀(有时也称混凝澄清)是水处理中的常规方法，多用于给水处理，但目前在废水处理中也得到了广泛应用。它既可以自成独立的处理系统，又可以与其它单元过程组合，作为预处理、中间处理和最终处理过程。由于需要投加化学药剂而产生絮凝作用，故此种沉淀属于化学处理的范畴。
第三类是拥挤沉淀或浅层沉淀：当废水中悬浮物的浓度增加到一定程度时，由于悬浮物浓度较高而发生颗粒间的相互干扰，造成沉降速度减小，甚至互相拥挤在一起，使悬浮物颗粒形成绒体(毯状)状的大块面积的沉降，并在下沉的固体层与上部的清液层之间有明显的交界面。例如，高浊度水、活性污泥等。
第四类是压缩沉淀：当悬浮液中的悬浮固体浓度很高时，颗粒互相接触，互相支撑，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的水被挤出，颗粒相对位置不断靠近，颗粒群体被压缩。压缩沉淀发生在沉淀池的底部，进行得很缓慢。
对于不同的工业废水，在不同的处理阶段中，上述四种沉淀现象都有发生。
(2)沉淀设备 大部分工业废水含有的无机或有机悬浮物，可通过沉淀池实现沉淀。对沉淀池的要求是能最大限度地除去废水中的悬浮物，以减轻其它净化设备的负担。沉淀池的工作原理是让废水在池中缓慢地流动，使悬浮物在重力作用下沉降。根据其功能和结构的不同，可以建造出不同类型的沉淀池。
根据废水在池中的流动方向，可将沉淀池分为平流式、竖流式、辐流式和旋流式四种基本型式，它们各具特点，可适用于不同的场合。如平流式池，构造简单，沉淀效果较好，但占地面积较大，排泥存在的问题较多，目前大、中、小型废水处理厂均有采用；竖流式池，占地面积小，排泥较方便，且便于管理，然而池深过大，施工困难，使池的直径受到了限制，因此一般仅适用于中小型废水处理厂使用；辐流式池，最适宜于大型水处理厂采用，有定型的排泥机械，运行效果较好，但要求较高的施工质量和管理水平。
一般，废水在沉淀池中的停留时间为1~3小时，悬浮物的去除率约为50~70%。
图8-4为设有链带式刮泥机械的平流式沉淀池。水通过进水槽和孔口流入池内，在池子澄清区的半高处均匀地分布在整个宽度上。水在澄清区内缓缓流动，水中悬浮物逐渐沉向池底。沉淀池末端设有溢流堰和出水槽，澄清水溢过堰口，通过出水槽排出池外。如水中有浮渣，堰口前需设挡板及浮渣收集设备。在沉淀池前端设有污泥斗，池底污泥在刮泥机的缓慢推动下刮入污泥斗内。污泥斗内设有排泥管，开启排泥阀时，泥渣便由排泥管排出池外。
图8-5为圆形竖流式沉淀池。水由中心管的下口进入池中，由于反射板的拦阻而流向四周分布于整个水平断面上，缓缓向上流动。当沉降速度超过水的上升流速时，颗粒就向下沉降到污泥斗，澄清后的水由池四周的堰口溢出池外。竖流式沉淀池也可做成方形，相邻池子可合用池壁以使布置紧凑。
图8-6为辐流式沉淀池的结构示意图。原水经进水管进入中心筒后，通过筒壁上的孔口和外围的环形穿孔挡板，沿径向呈辐射状流向沉淀池周边，由于过水断面的不断增大，因此，流速逐渐变小，颗粒沉降下来，澄清水经溢流堰或淹没孔口汇入集水槽排出。沉于池底的泥渣，由安装于衍架底部的刮板刮入泥斗，再借静压或污泥泵排出。
斜板(斜管)沉淀池：为了提高沉淀池处理能力，缩小体积和占地面积，设计了斜板(斜管)沉淀池，如图8-7所示。它是将一组平行板或平行管，相互平行地重迭在一起，以一定的角度安装在平流沉淀池中，水流从平行板或平行管的一端流到另一端，致使每两块板间或每一根方管，都相当于一个很浅的小沉淀池。其优点是：利用了层流原理，水流在板间或管内流动具有较大的湿润周边，较小的水力半径，所以雷诺数较低，对沉淀极为有利。此外，斜板或斜管大大地增加了沉淀面积，提高了沉淀效率，缩短了颗粒的沉降距离，减少了沉淀时间。研究表明，斜板沉淀池能使处理能力提高3~7倍，甚至在10倍以上。因此，斜板沉淀池是一种很有发展前途的高效能的沉淀设备。
废水经过沉淀池处理以后得到了一定程度的净化，但同时却产生了污泥或沉渣，因此，从控制污染的需要出发，尚须对这些污泥或沉渣进行妥善的处理或处置。
2.上浮与气浮法在石油开采、炼制及石油化工，炼焦、煤炭气化和其副产品的回收，食品及其它工业中都排放含油和低密度固体的废水。在这种废水治理中，常利用密度差以上浮或气浮法分离废水中低密度的固体或油类污染物。此法，可以去除废水中60μm以上的油粒，以及大部分固体颗粒污染物。
（1）基本原理废水中的油类污染物质，除重质焦油的比重大于1.1外，其余的油类物质的比重均小于1，并以四种状态存在于水中。直径大于60μm的分散性颗粒，是易从废水中分离出来的可浮油，漂浮在水面而被除去，石油类废水中这种状态的油含量约占60~80%；细分散的油和乳化油，粒径约在l0~60μm之间，不易上浮，且难以从废水中除去，通常采用强制气浮的办法除去；溶解油，一般油品的溶解度都很小，约为5~15mg/L，难于用物理法分离出来。
气浮法就是在废水中通入细小而均匀的气泡使难沉降的固体颗粒或细小的油粒等乳状物粘附上许多气泡，成为一种絮凝体，借气泡上浮之力带到水面上来，形成浮渣或浮油而被除去。气浮法可以从废水中分离出脂肪、油类、纤维和其它低密度的固体污染物，可用于浓缩活性污泥处理法排出的污泥以及化学混凝处理过程中产生的絮状化学污泥等。
气浮法按气泡产生的不同方式，分为鼓气气浮、加压气浮和电解气浮。产生气泡的方法一般分两种：一是溶气法，将气体压入盛有废水的溶气罐中，在水－气充分接触下，使气在水中溶解并达到饱和，故又称加压溶气气浮。此种气泡的直径一般小于80μm；二是散气法，主要采用多孔的扩散板曝气和叶轮搅拌产生气泡，因此气泡直径较大，约在1000μm左右。试验表明，气泡的直径越小，能除去的污染物颗粒就越细，净化效率也越高。故目前工业废水处理中，多采用溶气法。
(2)设备对于含油类物质的工业废水，常先采用隔油池去除可浮油，再采用气浮法除去乳化油，然后根据需要再采取其它处理方法，使其进一步净化。
隔油池：隔油池的型式较多，主要有平流式隔油池(API)、平行板式隔油池(PPI)、波纹斜板隔油池(CPI)等。
图8-8所示为平流式隔油池(API)，其构造与平流式沉淀池相仿，在澄清区中油类上浮与水分离，同时其它固体杂质沉淀。截留下来的油类产品，由可以自由转动的集油管定期排除。这种隔油池占地面积较大，水流停滞时间较长(1.5~2.0小时)，水平流速大约为2~5mm/s。由于操作与维护容易，使用比较广泛，但除油的效率较低。
若在平流式隔油池内安装许多倾斜的平行板，便成了平行板式隔油池(PPI)。斜板的间距为100mm。这种隔油池的特点是油水分离迅速，占地面积小(只为API的1/2)。但结构复杂，维护和清理都比较困难。倾斜板式隔油池的结构示于图8-9中。
若将PPI隔油池内的平行板改换成波纹斜板，就变成了波纹板隔油池(CPI)。其内板的间距为20~40mm，倾角为45°。水流沿板面向下，油滴沿板的下表面向上流动，汇集于集油区内用集油管排出，处理后的水从溢流堰排出。这种隔油池的分离效率更高，池内水的停留时间约为3Omin，占地面积只有PPI式的2/3。
气浮池：根据水流方向的不同，分为平流式和竖流式两种气浮池。通常，废水在分离室的停留时间不少于60min。平流式气浮池的长宽比应大于3，水平流速约为4~10mm/s，工作区水深1.5~2.5m。竖流式气浮池为圆形或方形池，废水从下部进入，向上流动，油渣聚集于水面，借助上部的刮渣机将油渣收集到池外。竖流式气浮池的高度一般为4~5m，长、宽或直径在9~l0m以内，与竖式沉淀池类似。
加压气浮工艺流程，按加压情况分为部分废水加压、全部废水加压和部分回流水加压三种。加压气浮装置由加压水泵、空气压缩机、溶气罐、溶气释放器和气浮池等组成。
部分回流加压气浮是将处理后的部分废水加压溶气，回流量一般为20~50%。通常认为这种流程治理的效果较好，不会打碎絮凝体，出水的水质稳定，加压泵及溶气罐的容量及能耗等都较小，但气浮池的体积则相应增大。目前国内较多采用这种部分回流加压气浮工艺流程，其流程示于图8-10。
三、过滤
1,过滤的类型过滤是去除悬浮物，待别是去除浓度比较低的悬浊液小微小颗粒的一种有效力法。过滤时，含悬浮物的水流过具有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列几类。
(1)格筛过滤 过滤介质为栅条或滤网，用以去除粗大的悬浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等，其典型设备有格栅、筛网和微滤机。
(2)微孔过滤 采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤别(如硅藻土)形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。其定型的商品设备很多。
(3)膜过滤 采用特别的半透膜作过滤介质在一定的推动力(如压力、电场力等)下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具选择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。其主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。
(4)深层过滤 采用颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。由于滤料颗粒之间存在孔隙，原水穿过一定深度的滤层，水中的悬浮物即被截留。为区别于上述三类表面或浅层过滤过程，将这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。在给水处理户，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浑浊度满足用水要求。在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等的预处理手段，也作为生化处理后的深度处理，使滤后水达到回用的要求。
2,过滤的原理快滤池分离悬浮颗粒涉及多种因素和过程，一般分为三类，即迁移机理、附着机理和脱落机理。
(1)迁移机理悬浮颗粒脱离流线而与滤料接触的过程，就是迁移过程。引起颗粒迁移的原因主要有如下几种。
1)筛滤 颗粒比滤层孔隙大的被机械筛分，截留于过滤表面上，然后这些被截留的颗粒形成孔隙更小的滤饼层，使过滤水头增加，甚至发生堵塞。这种表面筛滤没能发挥整个滤层的作用。在普通快滤池中，悬浮颗粒一般都比滤层孔隙小，因而筛滤对总去除率贡献不大。当悬浮颗粒浓度过高时，很多颗粒有可能同时到达二个孔隙，互相拱接而被机械截留。
2)拦截 小颗粒随流线流动在流线上与滤料表面接触。其去除概率与颗粒直径的平方成正比，与滤料粒径的立方成反比。
3)惯性 当流线绕过滤料表面时，具有较大动量和密度的颗粒因惯性冲击而脱离流线碰撞到滤料表面上。
4)沉淀 如果悬浮物的粒径和密度较大，将存在一个沿重力方向的相对沉淀速度。在力作用下，颗粒偏离流线沉淀到滤料表面上。沉淀效率取决于颗粒沉速和过滤水速的相对大小和方向。
5)布朗运动 对于微小悬浮颗粒，由于布朗运动而扩散到滤料表面。
6)水力作用 由于滤层中的孔隙和悬浮颗粒的形状是极不规则的，在不均匀的剪切流场中，颗粒受到不平衡力的作用不断地转动而偏离流线。
实际过滤中，悬浮颗粒的迁移将受到上述各种机理的作用，它们的相对重要性取决于水流状况、滤层孔隙形状及颗粒本身的性质(粒度、形状、密度等)。
(2)附着机理
1)接触凝聚 在原水中投加凝聚剂，压缩悬浮颗粒和滤料颗粒表面的双电层后，但尚未生成微絮凝体时，立即进行过滤。此时水中脱稳的胶体很容易与滤料表面凝聚，"即发生接触凝聚作用。快滤池操作通常投加凝聚剂，因此接触凝聚是主要附着机理。
2)静电引力 由于颗粒表面上的电荷和由此形成的双电层产生静电引力和斥力。当悬浮颗粒和滤料颗粒带异号电荷则相吸，反之，则相斥。
3)吸附 悬浮颗粒细小，具有很强的吸附趋势，吸附作用也可能通过絮凝剂的架桥作用实现。絮凝物的一端附着在滤料表面，而另一端附着在悬浮颗粒上。某些聚合电解质能降低双电层的排斥力或者在两表面活性点间起键的作用而改善附着性能。
4)分子引力 原子、分子间的引力在颗粒附着时起重要作用。万有引力可以迭加，其作用范围有限(通常小于50μm)，与两分子的间距的6次方成反比。
(3)脱落机理普通快滤池通常用水进行反冲洗，有时先用或同时用压缩空气进行辅助表面冲洗。在反冲洗时，滤层膨胀一定高度，滤科处于流化状态。截留和附着于滤料上的悬浮物受到高速反洗水的冲刷而脱落;滤料颗粒在水流中旋转，碰撞和摩擦，也使悬浮物脱落。反冲洗效果主要取决于冲洗强度和时间。当采用同向流冲洗时，还与冲洗流速的变动有关。
3,过滤装置通常，过滤装置(filter)包括快滤池和慢滤池，两者的过滤机理是不同的。
慢滤池(slow filter)也称表层过滤，主要利用顶部的滤膜截留悬浮固体，同时发挥微生物对水质的净化作用。这种滤池生产水量少、滤速慢(<10m/d)、占地大；特别是在污水处理过程中．需要从污水中去除并积存在滤床中的污泥量十分庞大；而且污泥粘而易碎，很快就会在滤料表面出现泥封；而当加大过滤水头时，则容易发生污染物穿透现象。目前慢滤池方式在水处理，特别是污水处理中应用较少。
快滤池(rapid filter)也称深层过滤池，滤速较快(>100m/d)，其构造如图8-11所示。


图8-11 快滤池构造在过滤过程中，悬浮颗粒能吸附在滤料表面，即“接触絮凝”起了主要作用，而其它作用如截留和沉降处于次要地位。由于滤料表面通常带负电，要使也带负电的悬浮颗粒附着在滤料表面，必须对滤前水进行预处理，通常是化学混凝处理(如果去除对象是生物污泥絮体，则不需化学混凝)，以改变悬浮颗粒所带电荷。因此，快滤池可以定义为：利用滤层中粒状材料所提供的表面积截留水中已经过混凝处理的悬浮固体的设备。
滤料的最基本功能是提供粘着水中悬浮固体所需要的面积，至于悬浮团体的可粘着性可以由絮凝过程来实现。因此，在某种意义上，滤料本身的性质有时并不重要，一般除了长期使用的天然石英砂以外，还有加工成合乎规格的颗较材料，如无烟煤、大理石、白云石、花岗石、石榴石、磁铁矿和钛铁矿等；一些无机材料经烧结、破碎后也可以做滤料，如陶粒滤料和陶瓷油料；同样，也可以用人工合成的粒状材料，如纤维球、塑料珠等。在选择滤料时应满足：足够的机械强度；足够的化学稳定性；合适的颗粒粒径级配和空隙率；较低的成本。当处理废水时，由于废水水质复杂，悬浮物浓度高、粘度大，油料要求粒径更大些，机械强度更高些，更耐腐蚀.
单一油料新装入滤池时，沿滤层高度的级配是均匀的，滤料颗粒所形成的空隙率分布也是均匀的，即沿着滤层高度的每一点都具有容纳同样多的悬浮固体的能力。但是，当滤池进行反冲洗后．由于水力分级的作用，原来的均匀滤层就变成了分级滤料滤层，即滤料按从小到大的顺序排列。这样，在过滤时就出现了两个缺点：上部滤料空隙小，因此能容纳的悬浮固体就比下部滤层少，整个滤层的容纳能力不均匀；水流通过上部滤层的阻力比下部大，在截留悬浮固体后变得更严重，从而影响了整个滤层的发挥。理想的滤层应该是，沿着过滤的水流方向，滤层中滤料的粒径从大到小排列，同时空隙率也从大到小排列。此时，进入滤池的水先接触到的那部分滤层能够比后接触到的那部分滤层多容纳悬浮固体，而且这部分的空隙率本来较大，容纳了更多的悬浮固体后仍然保留了一定的空隙大小，允许水中的悬浮颗粒进入滤层内部，从而当过滤水头损失达到最大允许值的时候，整个滤层截留的能力都得到了充分的发挥。为了这个目的，人们对普通的滤池作了改进：改变过滤的水流方向，如上升流、双向流、辐向流等；选用适当的粒度和密度的滤料配合，如粗粒深层过滤、均匀滤料过滤和多层过滤等。
滤池本身包括滤料层、承托层、配水系统、集水渠和洗砂排水槽五个部分。快滤池管廊内有原水进水、清水出水、冲洗排水等主要管道和与其相配的控制闸阀。
快滤池的运行过程主要是过滤和冲洗两个过程的交替循环。过滤是生产清水过程，待过滤进水经来水干管和洗砂排水槽流入滤池，经滤料层过滤截留水中悬浮物质，清水则经配水系统收集，由清水干管流出滤池。在过滤中，由于滤层不断截污，滤层孔隙逐渐减小，水流阻力不断增大，当滤层的水头损失达到最大允许值时，或当过滤出水水质接近超标时，则应停止滤池运行，进行反冲洗。一般滤池一个工作周期应大于8～12h。
滤池反冲洗时，水流逆向通过滤科层，使随层膨胀、悬浮，借水流剪切力和颗粒碰撞摩擦力清洗滤料层并将滤层内污物排出。反冲洗水一般由冲洗水箱或冲洗水泵供给，经滤池配水系统进入滤池底部反冲洗；冲洗废水由洗砂排水槽、废水渠和排污管排出。
4,滤料的选择滤料的种类、性质、形状和级配等是决定油层截留杂质能力的重要因素。油料的选择应满足以下要求。
①滤料必须具有足够的机械强度，以免在反冲洗过程中很快地磨损和破碎。一般磨损率应小于4％，破碎率应小于1％，磨损破碎率之和应小于5％。
②滤料化学稳定性要好，不少国家对滤料盐酸可溶率上限值有所规定，如日本规定不大于3．5％，美国规定不大于测，法国规定不大于2％，并且对不同滤料，其值有所不同。
(滤料应不含有对人体健康有害及有毒物质，不含对生产有害、影响生产的物质。
④滤料的选择应尽量采用吸附能力强、截污能力大、产水量高、过滤出水水质好的滤料，以利于提高水处理厂的技术经济效益。
此外，滤料宜价廉、货源充足和就地取材。
具有足够的机械强度、化学稳定性好和对人体无害的分散颗粒材料均可作为水处理滤科，如石英砂、无烟煤粒、矿石粒以及人工生产的陶粒滤科、瓷料、纤维球、塑料颗粒、聚苯乙烯泡沫珠等，目前应用最为广泛的是石英砂和无烟煤。
第三节 化学处理方法废水的化学处理是利用化学反应的原理及方法来分离回收废水中的污染物，或是改变它们的性质，使其无害化的一种处理方法。化学法处理的对象主要是废水中可溶解的无机物和难以生物降解的有机物或胶体物质。
本章主要介绍化学处理法中常用的化学混凝法、中和法、化学沉淀法、氧化还原法和电化学法。
一、混凝
（一）化学混凝法化学混凝法简称混凝法，在废水处理中可以用于预处理、中间处理和深度处理的各个阶段。它除了除浊、除色之外，对高分子化合物、动植物纤维物质、部分有机物质、油类物质、微生物、某些表面活性物质、农药，汞、镉、铅等重金屑都有一定的清除作用．所以它在废水处理中的应用十分广泛。
混凝法的优点是：设备费用低、处理效果好，操作管理简单。缺点是要不断向废水中投加温暖刑，运行费用较高。
1,混凝法的基本原理废水中的微小悬浮物和胶体粒子很难用沉淀方法除去，它们在水中能够长期保持分散的悬浮状态而不自然沉降，具有一定的稳定性。混凝法就是向水中加入混凝剂来破坏这些细小粒子的稳定性．首先使其互相接触而聚集在一起，然后形成絮状物并下沉分离的处理方法。前者称为凝聚，后者称为絮凝，一般将这二个过程通称为混凝。具体地说，凝聚是指使胶体脱稳并聚集为微小絮粒的过程，而絮凝则是使微絮粒通过吸附、卷带和架桥而形成更大的聚体的过程。
影响混凝效果的因素
(1)废水的pH值 水的pH值能影响颗粒表面的电荷和絮体的沉淀过程，它是一个很重要的参数。经验表明，对某一种废水，每一种混凝剂都有一个合适的pH值范围，在此范围内，经混合凝聚后废水的残余浊度最小。所以pH值对混凝的影响视混凝剂品种而异。例如，以硫酸铝为混凝剂时，当pH在5.7~7.8范围内时，形成带正电荷的离子和胶体，如Al(OH)2+、Al(OH)+和Al(OH)3等，有较好的混凝效果。若pH值>8.2时，则会使Al(OH)3胶体溶解，产生负离子，Al(OH)3++OH-＝AlO2-+2H2O，对含有负电荷胶体的废水则不起凝聚作用，影响处理效果。而用三价铁盐时，pH值在6.0~8.4之间都有较好的处理效果。
(2)水温 水温对混凝效果有明显的影响，无机盐类混凝剂的水解是吸热反应，水温低不利于水解进行，特别是硫酸铝，当水温低于5℃时，水解速度极慢。同时水温低，粘度大，也不利于脱稳胶粒的相互絮凝，影响处理效果。这时可投加高分子助凝剂以改善处理效果，或用气浮法代替沉淀法作为后续处理过程。
(3)废水中杂质成分、性质、浓度 例如天然水中含粘土类杂质为主，需投加混凝剂量较小，而废水中含大量的有机物时，需加入较多的混凝剂才有混凝效果。废水中杂质的影响较为复杂，实际应用时，还应以实验结果为依据来选择混凝剂和确定投加量。
(4)搅拌 搅拌对混合、反应、凝聚几个阶段都有影响，因此，搅拌—定要适度。一般在混凝剂混合阶段，要求快速、剧烈的搅拌，以使混凝剂迅速、均匀地扩散到全部水中，创造良好的水解和聚合条件，使胶体脱稳并借助颗粒的布朗运动和湍动的水流凝聚，此阶段不要求形成大的絮凝体。在混凝反应阶段，要求形成大而具有良好沉淀性能的絮凝体，此时过于激烈的搅拌反而会打碎已凝聚的絮状沉淀物，不利于混凝沉淀，所以此阶段搅拌的强度和水流速度应随絮凝体的结大而降低。
2,混凝剂
(1) 混凝剂的分类混凝剂可分为无机混凝剂、有机混凝剂和高分子混凝剂三类。国内多采用铝、铁盐类无机混凝剂。有机和高分子混凝剂近年来也有很大发展，作用远比无机混凝剂优越，特别是高分子混凝剂由于具有以下优点而日益受到重视。
①生成的絮凝物大、易沉降分离；
②生成的絮凝物强度大、不易被破坏；
(生成的污泥量少，污泥的沉降、脱水性能良好；
(用量小(为无机凝聚剂的1/30～1/200)；
(不易受pH、温度、共同存在的其它盐类的影响；
(和无机混凝剂并用,可取得更好的效果。
(2) 混凝剂的选择及应用条件混凝剂的选择及使用量要根据废水的具体性质而定，总的原则是所用的混凝剂必须价廉、易得，使用量少，效率高。生成的混凝物易沉降分离。使用无机混凝剂时要注意其适用的pH值范围，一般在投加无机盐混凝剂后再添加pH值调节剂。对高分子混凝剂，为了充分发挥其在水中的化学架桥作用，应选用能在水中均匀分散；溶解，具有吸附活性基因(非离子型、阳离子型和阴离子型三类)的高分子化合物、水溶性高分子化合物。为了使其在水中处于较大的分散状态．一般先用纯水或软水溶解配成一定浓度的溶液，然后再加到待处理废水中去。因为这些高分子化合物往往会受到水质(如含有钙、铁盐和氧化剂的废水)的影响。使分子的扩散和离子基的离解受到抑制，处理效果下降。
铝盐、铁盐和聚丙烯酰胺是常用的几种混凝剂。
3,助凝剂有时当单用混凝剂不能取得较好的效果时，可以投加某种称为助凝剂的辅助药剂来调节、改善混凝条件，提高处理效果。助凝剂主要起以下几个作用：①通过投加酸性或碱性物质来调整pH值；②投加活化硅胶、骨胶、PAM等改善絮凝体结构．利用高分子助凝剂的吸附架桥作用以增强絮凝体的密实性和沉降性能。(投加氯、臭氧等氧化剂，在采用FeSO4时，可将Fe2+氧化为Fe3+，当废水中有机物过高时，也可使其氧化分解，破坏其干扰或使胶体脱稳，以提高混凝效果。
常用的助凝剂有PAM、活化硅胶、骨胶、海藻酸钠、氯气、氧化钙等。
二、氧化还原通过化学药剂与废水中的污染物进行氧化还原反应，从而将废水中的有毒有害污染物转化为无毒或者低毒物质的方法称为氧化还原法。
在氧化还原反应中，参加化学反应的原子或离子有电子得失，因而引起化合价的升高或降低。失去电子的过程叫氧化，得到电子的过程叫还原。
根据有毒有害物质在氧化还原反应中被氧化或还原的不同，废水中的氧化还原法又可分为药剂氧化法和药剂还原法两大类。在废水处理中常采用的氧化剂有：空气中的氧、纯氧、臭氧、氯气、漂白粉、次氮酸钠、三氯化铁等。常用的还原剂有：硫酸亚铁、氯化亚铁、铁屑、锌粉、二氧化硫等。
药剂氧化法中常用的方法有臭氧氧化法、氯氧化法、高锰酸钾氧化法等。
臭氧的氧化性在天然元素中仅次于氟，可分解一般氧化剂难于破坏的有机物，并且不产生二次污染。因此广泛地用于消毒、除臭、脱色以及除酚、氰、铁、锰等。臭氧氧化处理系统中的主要设备是臭氧接触反应器。
在氯氧化法中的氯系氧化剂包括氯气、氯的含氧酸及其钠盐、钙盐和二氧化氯。除了用于消毒外，氯氧化法还可用于氧化废水中的某些有机物和还原性物质，如氰化物、硫化物、酚、醇、醛、油类，以及用于废水的脱色、除臭等。例如氧化氰化物。在pH值大于8.5的碱性条件下用氯气进行氧化，可将氰化物氧化成无毒物质。化学反应式如下：


高锰酸钾氧化法主要用于去除废水中的酚、二氧化硫、H2S等。在饮用水的处理中，这种方法主要用来杀灭藻类、除臭、除味、除铁、除锰等。该法的优点是处理后的水没有异味，氧化剂容易投配。主要缺点是处理成本高。
药剂还原法主要用于处理含铬、含汞废水。
通过还原可将六价铬转化为三价铬，大大减小了铬的毒性。还原过程是，在酸性条件下，向含铬废水中投加亚硫酸氢钠，将六价铬还原为三价铬。随后投加石灰或氢氧化钠，生成氢氧化铬沉淀。将沉淀物从废水中分离出来，达到处理的目的。化学反应如下：


实际中常用金属还原剂来处理含汞废水，废水中的汞离子被还原为金属汞而析出,金属本身被氧化为离子而进入水中。可用于还原汞的金属有铁粉、锌粉、铜粉和铝粉等。以铁粉为例，发生如下化学反应：


三、化学中和
1,废水的中和处理中和法就是使废水进行酸碱的中和反应，调节废水的酸碱度(pH值)，使其呈中性或接近中性或适宜于下步处理的pH值范围。如，以生物处理而言，需将处理系统中废水的pH值维持在6.5～8.5之间，以便确保最佳的生物活力。
酸碱废水的来源很广，化工厂、化学纤维厂、金属酸洗与电镀厂等及制酸或用酸过程中，都排出大量的酸性废水。有的含无机酸如硫酸、盐酸等；有的含有机酸如醋酸等；也有的是几种酸并存的情况。酸具有强腐蚀性，碱危害程度较小，但在排至水体或进入其它处理设施前，均须对酸碱废液先进行必要的回收，再对低浓度的酸碱废水进行适当地中和处理。通常废水中除含有酸或碱以外，往往还含有悬浮物、金属盐类、有机物等杂质，影响了酸、碱废水的回收与处理。
2,处理方法与设备通常采用的废水中和方法有均衡法和pH值直接控制法。
（1）均衡法 以酸性废水和碱性废水混合中和为目的，即在均衡池中将酸性和碱性废水相混合。由于工业废水的水量和水质一般是不均衡的，往往随生产的变化而变化。为了进行水量的调节和水质的均和，减小高峰流量和高浓度废水的影响，需设置足够容积的均衡池作为预处理的一种设施或中和设备。若废水中和后达不到规定的pH值时，还需稍加废酸或废碱进行适当的调节。
（2）pH值直接控制法 常用的方法有酸碱废水相互中和、投药中和和过滤中和法等。
酸性废水的中和：对于酸性废水，常用药剂法和过滤法进行中和。
投药中和法所采用的药剂有石灰、废碱、石灰石和电石渣等，但最常用的是将石灰制成乳液湿投，石灰石粉碎成细粒后干投。处理流程中包括废水调节池、石灰乳配制槽或石灰石粉碎机、投药装置、混合反应池、沉淀池以及污泥干化床等。在混合反应池中，应进行必要的搅拌，防止石灰渣的沉淀。同时，废水在其中的停留时间一般不大于5min。沉淀池中的废水，可停留1～2h，产生的沉渣容积约为废水量的10～15%，沉渣含水率为90～95%，故应在干化床上脱水干化。投药中和法，因其劳动条件较差、处理成本高、污泥较多、脱水麻烦等原因，故只在酸性废水中含有重金属盐类、有机物或有廉价的中和剂时方才采用。
过滤中和法常以粒状的石灰石、大理石、白云石或电石渣等作为中和的滤料，酸性废水通过滤料进行中和过滤。中和硫酸废水时，宜采用白云石滤料。主要设备有：普通中和滤池，有升流式和降流式两种，滤层厚1.0～1.5m，滤料粒径3～8cm;等速升流式膨胀中和滤池，石灰石滤料及废水分别从池的顶部和底部进入，滤料粒径为0.5～3mm；高滤速(60～70m/h)或高速变速升流膨胀中和滤池，滤料粒径0.5～6mm，可以做到大颗粒不结垢，小颗粒不流失，加之废水升流式流动与产生二氧化碳气体的作用，使滤料膨胀，并互相碰撞及磨擦表面的不断更新，对酸性废水处理的效果很好；滚筒式中和器，石灰石滤料置于旋转滚筒中与酸性废水进行中和。
碱性废水的中和：碱性废水常用废酸或酸性废水中和或与烟道气中和。
投酸中和法是采用废强酸或酸性废水进行中和处理，所用设备和中和程序与酸性废水中和法相同。
烟道气中和法是利用烟道气中的二氧化碳与二氧化硫溶于水中形成的酸中和碱性废水。方法是将烟道气通入碱性废水，或利用碱性废水作为除尘的喷淋水，两者均可得到良好的处理效果。但处理后废水中的悬浮物含量大为增加，硫化物、耗氧量和色度也都有所增加，还需对废水进行补充处理。
第四节 物理化学处理方法一、离子交换离子交换法是水质软化和去除水中盐的主要方法。在废水处理中用来去除金属离子和一些非金属离子。例如，可去除废水中的钙、镁、钾、钠离子以及氯离子、硫酸根离子等。这种方法的实质是利用不可溶解的离子化合物(称为离子交换树脂)上的可交换离子或基团与水中其它同性离子进行离子交换反应，类似化学中的置换反应。这种离子交换过程是可逆的。当离子交换树脂工作一段时间后，树脂被废水中的离子所饱和，不能继续交换时，可利用树脂交换过程可逆的性质，对树脂进行再生以恢复交换的能力。
离子交换树脂是采用高分子聚合物制成的，外观呈不透明或半透明的多孔状小球颗粒。其颜色有乳白、淡黄或棕褐色，树脂粒径一般为0.3～1.2毫米。离子交换树脂含有大量可以离解的活性基团，在水中这些活性基团离解后可与水中的其它离子进行等当量的交换。离子交换树脂根据活性基团的性质可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。
阳离子交换树脂的活性基团一般是酸性的，用于交换废水中的阳离子，如果以R来表示离子交换树脂的母体，H+表示树脂上可置换的离子，M+表示废水中的阳离子，阳离子的交换过程可表示为：


阴离子交换树脂的活性基团是碱性的，用于阴离子交换，这类树脂的母体若用R来表示，OH-表示树脂上可置换的离子，如废水中的阴离子为N-，其交换过程可表示为：


当离子交换树脂达到饱和时，可向树脂中通入某种电解质，将被吸附的离子交换下来，使树脂得到再生。一般用强酸性(或电解质)溶液对阳离子交换树脂进行再生，用强碱溶液对阴离子交换树脂进行再生。例如，用HCl和NaOH分别对阳阴树脂进行再生，其过程可表示为：
阳离子树脂再生 RM+HCl → RH+MCl
阴离子树脂再生 RN+NaOH → R(OH)+NaN
在再生过程中，被树脂吸附的废水中的离子转移到再生液中，因此用离子交换法时，还必须考虑再生液的处置。
离子交换法的主要设备是离子交换柱，它是用耐腐蚀的金属材料制造的密闭容器，离子交换柱中放有离子交换树脂。
目前离子交换法广泛地用于去除废水中的有害离子。如水质软化中就用钠型阳离子交换柱来去除水中的钙、镁离子。当要求既去除废水中的阳离子又去除废水中的阴离子时，则要用阳离子交换柱和阴离子交换柱串联工艺。
二、吸附
固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，这就是吸附。这里的固体称吸附剂。被固体吸附的物质称吸附质。吸附的结果是吸附质在吸附剂上浓集，吸附剂的表面能降低。
利用吸附作用进行物质分离已有漫长的历史。在水处理领域，吸附法主要用以脱除水中的微量污染物，应用范围包括脱色，除臭味，脱除重金属、各种溶解性有机物、放射性元素等。在处理流程中。吸附法可作为离子交换、膜分离等方法的预处理，以去除有机物、胶体物及余氯等；也可以作为二级处理后的深度处理手段，以保证回用水的质量。
利用吸附法进行水处理，具有适应范围广、处理效果好、可回收有用物料、吸附剂可重复使用等优点，但对进水预处理要求较高，运转费用较高，系统庞大，操作较麻烦。
（一）、吸附机理及分类溶质从水中移向固体颗粒表面，发生吸附，是水、溶质和固体颗粒三者相互作用的结果。引起吸附的主要原因在于溶质对水的疏水特性和溶质对固体颗粒的高度亲合力。溶质的溶解程度是确定第一种原因的重要因素。溶质的溶解度越大，则向表面运动的可能性越小。相反，溶质的憎水性越大，向吸附接口移动的可能性越大。吸附作用的第二种原因主要由溶质与吸附剂之间的静电引力、范德华引力或化学键力所引起。与此相对应，可将吸附分为三种基本类型。
(1)交换吸附 指溶质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，并置换出原先固定在这些带电点上的其它离子。通常离子交换属此范围(见第八章)。影响交换吸附势的重要因素是离子电荷数和水合半径的大小。
(2)物理吸附 指溶质与吸附剂之间由于分子间力(范德华力)而产生的吸附。其特点是没有选择性，吸附质并不固定在吸附剂表面的特定位置上，而多少能在接口范围内自由移动，因而其吸附的牢固程度不如化学吸附。物理吸附主要发生在低温状态下，过程放热较小，约42kJ/mol或更少，可以是单分子层或多分子层吸附。影响物理吸附的主要因素是吸附剂的比表面积和细孔分布。
(3)化学吸附 指溶质与吸附剂发生化学反应，形成牢固的吸附化学键和表面络合物，吸附质分于不能在表面自由移动。吸附时放热量较大，与化学反应的反应热相近，约84～420kJ/mol。化学吸附有选择性，即一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用，一般为单分子层吸附。通常需要一定的话化能，在低温时，吸附速度较小。这种吸附与吸附剂的表面化学性质和吸附质的化学性质有密切的关系。
物理吸附后再生容易，且能回收吸附质。化学吸附因结合牢固，再生较因难，必须在高温下才能脱附，脱附下来的可能还是原吸附质，也可能是新的物质。利用化学吸附处理毒性很强的污染物更安全。
在实际的吸附过程中，上述几类吸附往往同时存在，难于明确区分。例如某些物质分子在物理吸附后，其化学键被拉长，甚至拉长到改变这个分子的化学性质。物理吸附和化学吸附在一定条件下也是可以互相转化的。同一物质，可能在较低温度下进行物理吸附，而在较高温度下所经历的往往又是化学吸附。
（二）、吸附平衡与吸附等温式
1,吸附平衡吸附过程中，固液两相经过充分的接触后，最终将达到吸附与脱附的动态平衡。达到平衡时，单位吸附剂所吸附的物质的数量称为平衡吸附量，常用qc(mg/g)表示。对一定的吸附体系，平衡吸附量是吸附质浓度和温度的函数。为了确定吸附剂对某种物质的吸附能力，需进行吸附试验：将一组不同数量的吸附剂与一定容积的已知溶质初始浓度的溶液相混合，在选定温度下使之达到平衡。分离吸附剂后，测定液相的最终溶质浓度。根据其浓度变化，分别按下式算出平衡吸附量：

（8-1）
式中 V—溶液体积，L；
C0，Ce-分别为溶质的初始和平衡浓度，mg/L；
W－吸附剂量，g。
显然，平衡吸附量越大，单位吸附剂处理的水量越大。将平衡吸附量qc与相应的平衡浓度Ce作图，得吸附等温线。
根据试验，可将吸附等温线归纳为如图8-12所示的五种类型。Ⅰ型的特征是吸附量有一极限值。可以理解为吸附剂的所有表面都发生单分子层吸附，达到饱和时，吸附量趋于定值。Ⅱ型是非常普通的物理吸附，相当于多分子层吸附，吸附质的极限值对应与物质的溶解度。Ⅲ型相当少见，其特征是吸附热等于或小于纯吸附质的溶解热。Ⅳ型及Ⅴ型反映了毛细管冷凝现象和孔容的限制，出于在达到饱和浓度之前吸附就达到平衡，因而显出滞后效应。


描述吸附等温线的数学表达式称为吸附等温式。常用的有Langmuir等温式、B.E.T.等温式和Freundlich等温式。下面介绍 Langmuir等温式。
2,Langmuir等温式
Langmuir假设吸附剂表面均一，各处的吸附能相同；吸附是单分子层的，当吸附剂表面为吸附质饱和时，其吸附量达到最大值；在吸附剂表面上的各个吸附点间没有吸附质转移运动；达动态平衡状态时，吸附和脱附速度相等。
由动力学方法推导出平衡吸附量qe与液相平衡浓度Ce的关系为

（8-2）
式中 a-最大吸附量有关的常数；
b-与吸附能有关的常数。
为计算方便，变换式(8-2)得两种线性表达式：

（8-3）

（8-4）
根据吸附实验资料，按上式作图可求a，b值。式（8-3)适用于Ce值小于1的情况，而式(8-4)则适用于Ce值较大的情况，因为这样便于作图。
由式(8-2)可见，当吸附量很少时，即当
时，
，即qe与Ce成正比，等温线近似于一直线。
当吸附量很大时，即当
时，qe=a，即平衡吸附量接近于定值，等温线趋向水平。
Langmuir模型适合于描述图8-12中第I类等温线。应当指出，推导该模型的基本假定并不是严格正确的。它只能解释单分子层吸附(化学吸附)的情况。尽管如此，Langmuir等温式仍不失为—个重要的吸附等温式，它的推导第一次对吸附机理作了形象的描述，为以后的吸附模型的建立起了奠基的作用。
3,吸附质的性质对于一定的吸附剂，由于吸附质性质的差异，吸附效果也不一样。通常有机物在水中的溶解度随着链长的增长而减小，而活性炭的吸附容量却随着有机物在水中溶解度的减少而增加，也即吸附量随有机物分子量的增大而增加。如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸＜乙酸＜丙酸＜丁酸的次序而增加。
活性炭处理废水时，对芳香族化合物的吸附效果较脂肪族化合物好，不饱和链有机物较饱和链有机物好，非极性或极性小的吸附质较极性强吸附质好。应当指出，实际体系的吸附质往往不是单—的，它们之间可以互相促进、干扰或互不相干。
4,操作条件吸附是放热过程，低温有利于吸附，升温有利于脱附。
溶液的pH值影响到溶质的存在状态(分子、离子、络合物)，也影响到吸附剂表面的电荷特性和化学特性，进而影响到吸附效果，在pH7.5～9.5的范围内，吸附去除率较高。
在吸附操作中，应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间。流速过大，吸附未达平衡，饱和吸附量小；流速过小，虽能提高一些处理效果，但设备的生产能力减小。一般接触时间0.5～1.0h。
另外，吸附剂的脱附再生，溶液的组成和浓度及其它因素也影响吸附效果。
5,吸附动力学吸附过程基本上可分为三个连续的阶段。第一阶段为吸附质扩散通过水膜而到达吸附剂表面(膜扩散)；第二阶段为吸附质在孔隙内扩散；第三阶段为溶质在吸附剂内表面上发生吸附。通常吸附阶段反应速度非常快，总的过程速度由第一、二阶段速度所控制。在—般情况下，吸附过程开始时往往由膜扩散控制，而在吸附接近终了时，内扩散起决定代用。
6,吸附剂及其再生
(1) 吸附剂广义而言，一切固体物质都有吸附能力，但是只有多孔物质或磨得极细得物质由于具有很大的表面积，才能作为吸附剂。工业吸附利还必须满足下列要求：(1)吸附能力强；(2)吸附选择性好；(3)吸附平衡浓度低；(4)容易再生和再利用；(5)机械强度好；(6)化学性质稳定；(7)来源广；(8)价廉。一般工业吸附剂难于同时满足这八方面的要求，因此，应根据不同的场合选用。
目前在废水处理中应用的吸附剂有；活性炭、活化煤、白土、硅藻土、活性氧化铝、焦炭、树脂吸附剂、炉渣、木屑、煤灰、腐殖酸等
1）活性炭活性炭是一种非极性吸附剂。外观为暗黑色，有粒状和粉状两种，目前工业上大量采用的是粒状活性炭。活性炭主要成分除碳以外，还含有少量的氧、氢、硫等元素，以及水份、灰份；它具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸，强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。
活性炭可用动植物(如木材、锯木屑、木炭、椰子壳、脱脂牛骨)、煤(如泥煤、褐煤、沥青煤、无烟煤)、石油(石油残渣、石油焦)、纸浆废液、废合成树脂及其它有机残物等作原料制作。原料经粉碎及加粘合剂成型后，经加热脱水(120～130℃)、炭化(170～600℃)、活化(700～900℃)而制得。在制造过程中，活化是关键，有药剂活化(化学活化)和气体活化(物理活化)两类方法。药剂活化法是把原料与适当的药剂，如ZnCl2、H2SO4、H3PO4、碱式碳酸盐等混合，再升温炭化和活化。由于ZnCl2等的脱水作用，原料里的氢和氧主要以水蒸气的形式放出，形成了多孔性结构发达的炭。该烧成物中含有相当多的ZnCl2，因此要加HCl以回收ZnCl2，同时除去可溶性盐类。与气体活化法相比，ZnCl2法的固碳率高，成本较低，几乎被用在所有粉状活性炭的制造上。气体活化法是把成型后的炭化物在高温下与CO2、水蒸气、空气、C12及类似气体接触，利用这些活化气体进行碳的氧化反应(水煤气反应)，并除去挥发件有机物，使微孔更加发达。活化温度对活性炭吸附性能影响很大，当温度在1150℃以下时，升温可使吸附容量增加，而温度超过1150℃时，升温反而不利。
活性炭种类很多，可以根据原料、活化方法、形状及用途来分类和选择。
与其它吸附剂相比，活性炭具有巨大的比表面积和特别发达的微孔。通常活性炭的比表面积高达500～1700m2/g，这是活件炭吸附能力强，吸附容量大的主要原因。当然，比表面积相同的炭，对同一物质的吸附容量有时也不同，这与活性炭的内孔结构和分布以及表面化学性质有关。一般活性炭的微孔容积约为0.15～0.9mL/g，表面积占总表面积的95%以上；过渡孔容积约为0.02～0.1mL/g，除特殊活化方法外，表面积不超过总表面积的5%；大孔容积约为0.2～0.5mL/g，而表面积仅为0.2～0.5m2/g。在液相吸附时，吸附质分子直径较大，如着色成分的分于直径多在3×10-9m以上，这时微孔几乎不起作用，吸附容量主要取决于过渡孔。
活性炭的吸附以物理吸附为主，但由于表面氧化物存在，也进行一些化学选择性吸附。如果在活性炭中渗入一些具有催化作用的金属离子(如渗银)可以改善处理效果。
活性炭是目前废水处理中普遍采用的吸附剂。其中粒状炭因工艺简单，操作方便，用量最大。国外使用的粒状炭多为煤质或果壳质无定型炭，国内多用柱状煤质炭。
国产活性炭型号命名已有国家标准GBl2495－90，规定用大写汉语拼音字母和一组或二组阿拉伯数字表示。如MWYl5表示煤质原料，经物理活化，直径为1.5mm的圆柱状活性炭(原太原新华8#炭)。
纤维活性炭是一种新型高效吸附材料。它是有机炭纤维经活化处理后形成的。具有发达的微孔结构，巨大的比表面积，以及众多的官能团，因此，吸附性能大大超过目前普通的活性炭。
2)树脂吸附剂树脂吸附剂也叫做吸附树脂，是一种新见有机吸附刮。具有立体网状结构，呈多孔海绵状。加热不熔化，可在150℃下使用，不溶于一般溶剂及酸、碱，比表面积可达800m2/g。
按照基本结构分类，吸附树脂大体可分为非极性、中极性、极性和强极性四种类型。常见产品有美国Amberlite XAD系列，日本HP系列。国内一些单位元也研制了性能优良的大孔吸附树脂。
树脂吸附剂的结构容易人为控制，因而它具有适应性大、应用范围广、吸附选择性特殊、稳定性高等优点，并且再生简单，多数为溶剂再生。在应用上它介于活件炭等吸附剂与离子交换树脂之间，而兼具它们的优点，既具有类似于活性炭的吸附能力，又比离子交换剂更易再生。树脂吸附剂最适宜于吸附处理废水中微溶于水，极易溶于甲醉、丙酮等有机溶剂，分子量略大和带极性的有机物。如脱酚、除油、脱色等。
如制造TNT炸药的废水毒性很大，使用活性炭能去除废水中TNT，但再生困难。采用加热再生时容易引起爆炸。而用树脂吸附剂Amberlite XAD-2处理，效果很好。当原水含TNT34mg/L时，每个循环可处理500倍树脂体积的废水，用丙酮再生，TNT回收率可达80％。
树脂的吸附能力一般随吸附质亲油性的增强而增大。
3)腐植酸系吸附剂腐植酸类物质可用于处理工业废水，尤其是重金属废水及放射性废水，除去其中的离子。腐植酸的吸附性能，是由其本身的性质和结构决定的。一般认为腐植酸是一组芳香结构的、性质相似的酸性物质的复合混合物。它的大分子约由l0个分子大小的微结构单元组成，每个结构单元由核(主要由五员环或六员环组成)、联结核的桥键(如-O-、-CH2-、-NH-等)、以及核上的活性基团所组成。据测定，腐植酸含的活性基团有羟基、羧基、羰基、胺基、磺酸基、甲氧基等。这些基团决定了腐植酸对阳离子的吸附性能。
腐植酸对阳离子的吸附，包括离子交换、螯合、表面吸附、凝聚等作用，既有化学吸附，又有物理吸附。当金属离子浓度低时，以螯合作用为主，当金属离子浓度高时，离广交换占上导地位。
用作吸附剂的腐植酸类物质有两大类，一类是天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，直接作吸附剂用或经简单处理后作吸附剂用。另一类是把富含腐植酸的物质用适当的粘结剂作成腐植酸系树脂，造粒成型，以便用于管式或塔式吸附装置．
腐植酸类物质吸附重金属离子后，容易脱附再生，常用的再生剂有1～2N的H2SO4、HCl、NaCl、CaCl2等。
据报导，腐植酸类物质能吸附工业废水中的各种金属离子，如Hg、Zn、Pb、Cu、Cd等,其吸附率可达90%～99%。存在形态不同，吸附效果也不同，对Cr3+的吸附率大于Cr6+。
(2) 吸附剂再生吸附剂在达到饱和吸附后，必须进行脱附再生，才能重复使用。脱附是吸附的逆过程，即在吸附剂结构不变化或者变化极小的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂孔隙中除去，恢复它的吸附能力。通过再生使用，可以降低处理成本；减少废渣排放；同时回收吸附质。
目前吸附剂的再生方法有加热再生、药剂再生、化学氧化再生、湿式氧化再生、生物再生等。重要方法的分类如表8-2所示。在选样再生方法时，主要考虑三方面的因素：1)吸附质的理化性质；2)吸附机理；3)吸附质的回收价值。
表8-2 吸附剂再生方法分类


三、膜分离
（一）概述膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤。其次是自然渗析和液膜技术。近年来，膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。
膜分离的作用机理往往用膜孔径的大小为模型来解释，实质上，它是由分离物质间的作用引起的，同膜传质过程的物理化学条件以及膜与分离物质间的作用有关。
根据膜的种类、功能和过程推动力的不同，各种膜分离法的特征和它们之间的区别如表8-3所示。
表8-3 几种主要膜分离法的特点


膜分离技术有以下共同持点。
①膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。例如在现在的各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低。
②膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。
③装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比．具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。
（二）电渗析
1.电渗析原理与过程电渗析是在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过)，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。
电渗析系统由—系列阴、阳膜交替排列于两电极之间组成许多由膜隔开的小水室，如图8-13所示。当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移。阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。但由于离子交换膜具有选择透过性，结果使一些小室离子浓度降低而成为淡水室，与淡水室相邻的小室则因富集了大量离子而成为浓水室。从淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水。原水中的离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。
在电渗析过程中，除了上述离子电迁移和电极反应两主要过程以外，同时还发生一系列次要过程，如下所述。
(1)反离子的迁移 因为离子交换膜的选择性不可能达到100％，所以也有少量与离于交换膜解离离子电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜。当膜的选择性固定后，随着浓室盐浓度增加，这种反离子迁移影响加大，
(2)电解质浓差扩散 由于膜两侧溶液浓度不同，在浓度差作用下，电解质由浓室向淡室扩散，扩散速度随浓度差的增高而增长。
(3)水的渗透 由于浓、淡水室存在浓度差，又是由半透膜隔开，在水的渗透压作用下，水由淡水室向浓水室渗透。浓度差愈大，水的渗透量也愈大。
(4)水的电渗透 溶液中离子实际上都是以水合离子形式存在，在其电迁移过程中必然携带一定数量的水分子迁移，这就是水的电渗透。随着溶液浓度的降低，水的电渗透量急聚增加。
(5)水的压渗 当浓室和淡室存在着压力差时，溶液由压力高的一侧向压力低的一侧渗漏。
(6)水的电离 在不利的操作条件下，由于电流密度与液体流速不匹配，电解质离子未能及时地补充到膜的表面，而造成膜的淡水侧发生水的电离，生成H+和OH-离子，以补充淡水侧离子之不足。
综上所述，电渗析器在运行时，同时发生着多种复杂过程。主要过程是电渗析处理所希望的，而次要过程却对处理不利。例如，反离子迁移和电解质浓差扩散将降低除盐效果；水的渗透、电渗和压渗会降低淡水产量和浓缩效果；水的电离会使耗电量增加，导致浓水室极化结垢等，因此，在电渗析器的设计和操作中，必须设法消除或改善这些次要过程的不利影响。
2．离子交换膜
（1）离子交换膜的分类离子交换膜的品种繁多，通常按结构、活性基团和成膜材料来分类。
1)按膜体结构分类
a,异相膜 它是离子交换剂的细粉末和粘合剂混合，经加工制成的薄膜。其中含有离子交换活性基团部分和成膜状结构的粘合剂部分，形成的膜其化学结构是不连续的，故称异相膜或非均相膜。由于离子交换剂和粘合剂是性质不同的物质，因而膨胀收缩不一样。在两者的接触面上容易脱开，产生间隙。从而导致离子透过的选择性下降。这类膜的优点在于制造容易，机械强度也比较高，缺点是选样性较差、膜电阻也大，在使用中容易受污染。
b,半均相膜 这类膜的成膜材料与活性基团混合得十分均匀，但它们之间没有化学结合。例如，用含浸法将具有离子交换基团的聚电解质引入成膜材料之中而构成的离子交换膜，以及将可溶性线形聚电解质与成膜材料溶解在同—溶剂中，然后用流延法制成的膜都属于半均相膜。这类膜的优点是制造方便，电化学性能较异相膜好，但聚电解质和成膜材料并没有化学结合，长期使用，仍有发生脱离的可能，影响均匀性和电化学性能。
c,均相膜 它是由具有离子交换基因的高分子材料直接制成的膜，或者在高分子膜基上直接接上活性基团而制成的膜。这类膜中活性基团与成膜材料发生化学结合，组成完全均匀，具有优良的电化学性能和物理性能，是近年来离子交换膜的主要发展方向。
2)按活性基团分类
a．阳离子交换膜(简称阳膜) 阳膜与阳离子交换树脂一样，带有阳离子交换基团，它能选择件透过阳离子而不让阴离子透过。按交换基团离解度的强弱，分为强酸性和弱酸性阳膜。酸性活性基团主要有：磺酸基(-SO3H)、磷酸基(-PO3H2)、磷酸基(-OPO3H)、羧酸基(-COOH)、酚基(-C6H4OH)等。
b．阴离子交换膜(简称阴膜) 膜体中含有带正电荷的碱性活性基团，它能选择性透过阴离子而不让阳离子透过。按其交换基团离解度的强弱，分为强碱性和弱碱性阴膜。碱性活性基团主要有：季按基[－N(CH3)2OH]、伯胺基(-NH2)、仲胺基(-NHR)、叔胺基(-NR2)等。
c．特种膜 这类膜包括两极膜、两性膜、表面涂层膜等具有特种性能的离子交换膜。两极膜系由阳膜和阴膜粘贴在一起复合而成；在两性膜中阳、阴离子活性基团同时存在且均匀分布，这种膜对某些离子具有高选择性；在阳膜或阴膜表面上再涂一层阴或阳离子交换树脂就得到表面涂层膜，如在苯乙烯磺酸型阳膜的表面再薄薄地涂上一层酚醛磺酸树脂膜，得到的膜对一价阳离子有较好的选择性，而且有阻止二价阳离子透过的性能。
3)按材料性质分类
a,有机离子交换膜 各种高分子材料合成的膜，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚醚以及含氟高聚物、离子交换膜等均属此类。日前使用最多的磺酸型阳膜和季胺型阴膜都是有机离子交换膜。
b．无机离子交换膜 这类膜由无机材料制成，具有热稳定性、抗氧化、耐辐照及成本低等持点，如磷酸锆和矾酸铝等。它是在特殊场合使用的新型膜。
此外，也有按膜的用途将离子交换膜分为浓缩膜、脱盐膜和特殊选择透过性膜等几类。
(2) 离子交换膜的性能离子交换膜是电渗析器的关键部件，良好的电渗析膜应具有高的离子选择透过性和交换容量、低的电阻和渗水性以及足够的化学和机械稳定性。反映离子交换膜性能的指标主要有以下几项。
1)交换容量 膜的交换容量是表示在—定量的膜样品中所含活性基团数，通常以单位面积、单位体积或单位干重膜所含的可交换离子的毫克当量数表示。膜的选择透过性和电阻都受交换容量的影响。一般膜的交换容量约1～3毫克当量/克(干膜)。
2)含水量 它表示湿膜中所含水的百分数(可以单位重量干膜或湿膜计)。含水量受膜内活性基团数量、交联度、平衡溶液的浓度和溶液内离子种类的影响。离子交换膜的含水量一般为30％～50％。
3)破裂强度 破裂强度是衡量膜的机械强度的重要指标之一。表示膜在实际应用时所能承受的垂直方向的最大压力。在电渗析操作中，膜两侧所受的流体压力不可能相等，故膜必须有足够的机械强度，以免因膜的破裂而使浓室和淡室连通、造成无法运行。国产膜的破裂强度为0.3～1.0 MPa。
4)厚度 膜厚度与膜电阻和机械强度有关。在不影响膜的机械强度的情况下，膜越薄越好，以减少电阻。一般异相膜的厚度约1mm，均相膜的厚度约0.2～0.6mm，最薄的为0.015mm。
5)导电性 完全干燥的膜几乎是不导电的，含水的膜才能导电。这说明膜是依靠(或主要依靠)含在其中的电解质溶液而导电。膜的导电性可用电阻率、电导率或面电阻来表示，面电阻表示单位膜面积的电阻(Ω·cm-2)，整个膜的电阻为膜的面电阻除以膜的总面积。
膜的导电性与平衡溶液的浓度、溶液中的离子、膜中的离子、温度及膜本身的特性有关，所以其数值的测定要在规定的条件下进行。
6)选择透过性与膜电位 膜对离子选择透过性的优劣，往往用离子在膜中的迁移数和膜的选择透过度来表示。
在直流电场中，电解质溶液中阳、阴离子定向迁移共同传递电量，而在膜中只允许一种离子透过来传递电量。通常把某种离子传递的电量与总电量之比称为该离子的迁移数(ti)。显然，离子在膜中的迁移数(
)大于在溶液中的迁移数(ti)。如在NaCl稀溶液中，
≈0.4，
≈0.6，而在阳膜中，
→1，
→0。
膜的选择透过度Pi定义为i离子在膜中迁移数的增加值与该离子在理想膜中的迁移数的增加值之比，即

(8-5)
式中
是i离子在理想膜中的迁移数，
＝1。ti取膜两侧溶液平均浓度下的迁移数，可查物理化学手册得到。
可通过测定膜电位，由下式估算得到

(8-6)
式中Em即为实际测定的膜电位，而
是在测定Em的条件下理想膜的膜电位。如在25℃，用0.1N KCl溶液测定膜电位时，
约为1.61mV。
为什么会产生膜电位呢?因为在电渗析运行过程中，在膜的两侧分别富集了电位不同的两种电荷，由此产生一个电位差即膜电位。以阳膜为例(如图9-2所示)。由于阳离子透过膜使得在膜的浓侧富集了高电位的阳离子，而在淡侧富集了低电位的阴离子，此电位差即膜电位的极性与外加电位的极性相反。对阴膜亦然。
(3)离子交换膜的选择性透过机理离子交换膜主要是一种聚电解质，在高分子骨架上带有若干可交换活性基团，这些活性基团在水中可以电离成电荷符号不同的两部分－固定基团和解离离子。例如：


离子交换膜的选择性透过机理可用双电层理论和Donnan膜平衡理论解释。
1)双电层理论 在固定基团和进入溶液中的解离离子之间，由于存在着静电引力，固定基团力图将解离离子吸引到近旁，但热运动又使解离离子均匀分布到整个溶液中去，这两种互相矛盾着的力的作用结果，在膜—溶液界面上形成带相反电荷的双电层。此时这些带电的固定基团会对膜外溶液中带相反电荷的离子因异性相吸使之向膜运动，并在外加电场力的作用下继续运动直至穿过膜，而溶液中与固定基团电荷相同的离子则因同性相斥而不能靠近和穿过膜，从而实现了离子的选择性透过。离子交换膜中活性基团数愈多，双电层愈厚。固定基团对反离子的吸引力和对同离子的排斥力就愈大，膜的选择透过性也就愈高。
2)Donnan膜平衡理论 Donnan膜平衡理论是解释离子交换树脂与电解质溶液间的平衡问题的。对离子交换膜来说，它只是离子交换树脂的一种特殊应用。当离子交换膜浸入电解质溶液时，电解质溶液中的离子和膜内的离子会发生交换作用，最终达到动态平衡。假定膜相和溶液相分别为I和II相．假如Na+型强酸离子交换膜浸入NaCl溶液中，离子在膜和溶液中发生交换，当达平衡时：


(三) 反渗透反渗透法是20世纪60年代发展起来的一项新的薄膜分离技术。它是在一定的压力下，依靠反渗透膜使溶液中的溶剂和溶质进行分离。
渗透是一种物理现象，用一张半透膜将淡水和某种浓溶液隔开，如图8-14所示，该膜只让水分子通过，而不让溶质通过。由于淡水中水分子的化学位比溶液中水分子的化学位高，所以淡水中的水分子自发地透过膜进入溶液中，这种现象叫做渗透。在渗透过程中，淡水一侧液面不断下降，溶液一侧液面则不断上升。当两液面不再变化时，渗透便达到了平衡状态。此时两液面高差称为该种溶液的渗透压。如果在溶液一侧施加大于渗透压的压力P，则溶液中的水就会透过半透膜，流向淡水一侧，使溶液浓度增加，这种作用称为反渗透。
因此，反渗透的原理就是在有盐分的水中，施加一比自然渗透压力更大的压力，使渗透向相反的方向进行，把废水中的水分子压到膜的另一边，变成洁净的水，从而达到去除废水中盐分的目的。废水处理中常采用的压力为2.5～5.0 MPa。
目前，反渗透膜主要有醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜两大类。完成反渗透工艺的装置主要有板式、管式、螺旋式和中空纤维式四种。
反渗透法处理废水已得到比较好地应用。主要用于处理酸性尾矿废水、电镀废水、纸浆及造纸废水、丝绸厂整染废水及有机化工废水。


图8-14 反渗透原理
（四）超滤-
超滤是利用孔径在0.2~20 nm的半透膜，让流体以一定压力和流速通过膜的表面将流体中的高分子和低分子分开。超滤法与反渗透法相似，也是以压力差为推动力的液相膜分离过程。但是两者的作用实质并不完全相同。超滤的机理目前尚不完善，一般认为，超滤是一种筛孔分离过程。超滤膜具有选择性表面层的主要因素是它具有一定大小的孔隙，比孔隙小的分子和粒子可以在压力差的作用下，从高压侧透过膜到低压侧，而大粒子则被膜所阻拦，从而达到选择性分离的目的。
超滤膜是超滤工艺的关键，要求它有较好的分离性能，高透水率，化学稳定性好，强度高。大多数超滤膜都是聚合物或共聚合物的合成膜，如醋酸纤维素和芳香聚酰胺等，在膜材科的选择和制备上和反渗透膜有许多类似的地方。所以有人认为超滤膜就是具有较大平均孔径的反渗透膜。
超滤法所截留的污染物粒子比反渗透法所截留的粒子要大得多，前者约为2~10000μm，而后者仅为0.4~600μm。超滤法也要加压，以使废水能克服滤膜的阻力而透过滤膜，但这个压力比反渗透法要小，—般为101.3kPa~709.3kPa。
超滤设备同反渗透相似，主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式。
用超滤法进行废水处理，既可做到水的循环使用，又可回收其中有价值的产品，它已在食品、印染、电镀、造纸、金属加工等部门的废水处理中得到研究和应用。例如在人造纤维生产中油洗工段产生的含油废水可使用超滤法将其中的油剂大部分回收利用，图8-15为它的过程示意图。据报道，超滤液的油剂浓度及COD的去除率均可达到90％以上，浓缩油回用效果也很好。
第五节 废水的生化处理方法废水生物处理是19世纪末出现的治理污水的技术，发展至今已成为世界各国处理城市生活污水和工业废水的主要手段。目前，国内己有近万座污水生物处理厂(站)投入运行。
生物化学处理法简称生化法，是利用自然环境中的微生物，并通过微生物体内的生物化学作用来分解废水中的有机物和某些无机毒物(如氰化物、硫化物)，使之转化为稳定、无害物质的一种水处理方法。
1916年在英国出现了第一座人工处理的曝气池，利用人工培养的微生物来处理城市生活污水，开始了生化处理的新时代。由于生化法处理废水效率高、成本低、投资省、操作简单，因此在城市污水和工业废水的处理中都得到广泛的应用。生化法的缺点是有时会产生污泥膨胀和上浮，影响处理效果；该法对要处理水的水质也有一定要求，如废水成份、pH值、水温等，因而限制了它的使用范围，另外，生化法占地面积也较大。
属于生化处理法的有活性污泥法、生物过滤法、生物膜法、生物塘法和厌氧生物法等。
一、微生物及其生化特性迄今为止，已知的环境污染物达数十万种之多，其中大量的是有机物。所有的有机污染物，可根据微生物对它们的降解性，分成可生物降解、难生物降解和不可生物降解三大类。
废水的生物处理就是利用微生物的新陈代谢作用处理废水的一种方法。微生物与其它生物一样，为了进行自身的生理活动，必须从周围环境中摄取营养物质并加以利用。这些营养物质在微生物体内，通过一系列的生物化学反应，使微生物获得需要的能量，同时微生物本身也得到繁殖、数量得到增加。在废水中存在着各种有机物和无机物。这些物质大部分都可以被微生物作为营养物质而加以利用。废水的生物处理实质就是将废水中含有的污染物质作为微生物生长的营养物质被微生物代谢、利用、转化，将原有的高分子有机物转化为简单有机物或无机物，使得废水得到净化。
作为一个整体，微生物分解有机物的能力是惊人的。可以说，凡自然界存在的有机物，几乎都能被微生物所分解。有些种类，如葱头假单胞菌甚至能降解90种以上的有机物，它能利用其中任何一种作为唯一的碳源和能源进行代谢。有毒的氰(腈)化物、酚类化合物等，也能被不少微生物作为营养物质利用、分解。
半个多世纪以来，人工合成的有机物大量问世，如杀虫剂、除草剂、洗涤剂、增塑剂等，它们都是地球化学物质家族中的新成员。尤其是不少合成有机物的研制开发时的目的之一，就是要求它们具有化学稳定性。因此，微生物一接触这些陌生的物质，开始时难以降解也是不足为怪的。但由于微生物具有极其多样的代谢类型和很强的变异性，近年来的研究，已发现许多微生物能降解人工合成的有机物，甚至原以为不可生物降解的合成有机物，也找到了能降解它们的微生物。因此，通过研究，有可能使不可降解的或难降解的污染物转变为能降解的，甚至能使它们迅速、高效地去除。
化学结构与生物降解的相关性归纳起来主要有以下几点：
（1）烃类化合物一般是链烃比环烃易分解，直链烃比支链烃易分解，不饱和烃比饱和烃易分解。
（2）主要分子链主要分子链上的C被其他元素取代时，对生物氧化的阻抗就会增强，也就是说，主链上的其他原子常比碳原子的生物利用度低，其中氧的影响最显著(如醚类化合物较难生物降解)，其次是s和N。
（3）碳氢键每个C原子上至少保持一个氢碳键的有机化合物，对生物氧化的阻抗较小，而当C原子上的H都被烷基或芳基所取代时，就会形成生物氧化的阻抗物质。
（4）官能团的性质及数量官能团的性质及数量对有机物的可生化性影响很大。例如，苯环上的氢被羟基或氨基取代，形成苯酚或苯胺时，它们的生物降解性将比原来的苯提高。卤代作用则使生物降解性降低，尤其是间位取代的苯环，其抗生物降解更明显。
（5）分子量大小对生物降解性的影响很大高分子化合物，由于微生物及其酶难以扩散到化合物内部，袭击其中最敏感的反应键，因此使生物可降解性降低。
由于废水中污染物的种类繁多，相互间的影响错综复杂，所以一般应通过实验来评价废水的可生化性，判断采用生化处理的可能性和合理性。
二、有机污染物生物降解性的评定方法
1．BOD5/COD值法
BOD5和COD是废水生物处理过程中常用的两个水质指标，用BOD5/COD值评价废水的可生化性是广泛采用的一种最为简易的方法。在一股情况下，BOD5/COD值愈大，说明废水可生物处理性愈好。综合国内外的研究结果，可参照表8-4中所列数据评价废水的可生化性。
表8-4 废水可生化性评价参考数据
BOD5/COD
>0.45
0.3~0.45
0.2~0.3
<0.2
可生化
好
较好
较难
不宜

在使用此法时，应注意以下几个问题。
①某些废水中含有的悬浮性有机固体容易在COD的测定中被重铬酸钾氧化，并以COD的形式表现出来。但在BOD反应瓶中受物理形态限制，BOD数值较低，致使BOD5/COD值减小。而实际上悬浮有机固体可通过生物絮凝作用去除，继之可经胞外酶水解后进入细胞内被氧化，其BOD5/COD值虽小，可生物处理性却不差。
②COD测定值中包含了废水中某些无机还原性物质(如硫化物、亚硫酸盐、亚硝酸盐、亚铁离子等)所消耗的氧量，BOD5测定值中也包括硫化物、亚硫酸盐、亚铁离子所消耗的氧量。
但由于COD与BOD5测定方法不同，这些无机还原性物质在测定时的终态浓度及状态都不尽相同，亦即在两种测定方法中所消耗的氧量不同，从而直接影响BOD5和COD的测定值及其比值。
(重铬酸钾在酸性条件下的氧化能力很强，在大多数情况下，COD值可近似代表废水中全部有机物的含量。但有些化合物如吡啶不被重铬酸钾氧化，不能以COD的形式表现出需氧量，但却可能在微生物作用下被氧化，以BOD5的形式表现出需氧量，因此对BOD5/COD值产生很大影响。
综上所述，废水BOD5/COD值不可能直接等于可生物降解的有机物占全部有机物的百分数，所以，用BOD5/COD值来评价废水的生物处理可行性尽管方便，但比较粗糙，欲做出准确的结论，还应辅以生物处理的模型实验。
2．BOD5/TOD值法对于同一废水或同种化合物，COD值一般总是小于或等于TOD值，不同化合物的COD/TOD值变化很大，如吡啶为2％，甲苯为45％，甲醇为100％，因此，以TOD代表废水中的总有机物含量要比COD准确，即用BOD5/TOD值来评价废水的可生化性能得到更好的相关性。
通常，废水的TOD由两部分组成，其一是可生物降解的TOD(以TODB表示)，其二是不可生物降解的TOD(以TODNB表示)，即：
TOD＝TODB+TODNB (12-19)
在微生物的代谢作用下，TODB中的一部分氧化分解为CO2和H2O，一部分合成为新的细胞物质。合成的细胞物质将在内源呼吸过程中被分解，并有一些细胞残骸最终要剩下来。采用BOD5/TOD值评价废水可生化性时，有些研究者推荐采用表8-5所列标准。
表8-5 废水可生化性评价参考数据
BOD5/TOD
>0.4
0.2~0.4
<0.2
可生化性
易生化
可生化
难生化

三、生化处理方法概述生物处理法在城市污水的处理中使用得比较广泛。城市污水的处理分为三个级别，分别称为污水一级处理、污水二级处理和污水三级处理。污水一级处理就是使用物理处理方法，如格栅、沉淀池等去除水中不溶解的污染物。二级处理应用生物处理法，通过微生物的代谢作用进行物质的转化，将废水中的复杂有机构氧化降解为简单的物质。三级处理是用生物法、离子交换法等去除水中的氮和磷，并用臭氧氧化、活性炭吸附等去除难降解有机物，用反渗透法去除盐类物质，用氯化法对水进行消毒。我国目前正在努力普及二级处理，而二级处理中生物处理是最常采用的方法。
不同的细菌对氧的反应变化很大，一些细菌只能在有氧存在的环境中生长，称需氧细菌(或称好氧细菌)，利用此类微生物的作用来处理废水称为好氧生物处理法。另一些细菌只能在无氧的环境中生长，叫厌氧细菌，相应的处理方法叫厌氧生物处理。介于两者之间的还有兼性微生物(在有氧或无氧的环境中均可生长)，但它们在废水处理中不起主要作用。
按微生物的代谢形式，生化法可分为好氧法和厌氧法两大类；按微生物的生长方式可分为悬浮生物法和生物膜法，现归纳如下：


图8-16 生物处理方法分类
（一）废水的好氧生物处理在充分供氧的条件下，利用好氧微生物的生命活动过程，将有机污染物氧化分解成较稳定的无机物的处理方法，在工程上称为废水的好氧生物处理。
微生物对有机污染物进行好氧分解的过程如下：溶解态的有机物可以直接透过细菌的细胞壁进入细胞内。固体或胶体的有机物先被细菌吸附，靠细菌所分泌的外酶作用，分解成溶解性的物质，然后，再渗入细菌细胞内，通过细菌自身的生命活动，在内酶的作用下，进行氧化、还原和合成过程。一部分被吸收的有机物氧化分解成简单的无机物，如有机物中的碳被氧化成二氧化碳，氢与氧化合成水，氮被氧化成氨、亚硝酸盐和硝酸盐，磷被氧化成磷酸盐，硫被氧化成硫酸盐等。与此同时释放出能量，作为细菌自身生命活动的能源，并将另一部分有机物作为其生长繁殖所需要的构造物质，合成新的原生质。
好氧生物处理时，有机物的转化过程如图8-17所示。


图8-17 有机物的好氧分解图示在废水好氧处理过程中，必须不间断地供给溶解氧。因为氧是有机物的最后氢受体，正是由于这种氢的转移，才使能量释放出来，成为细菌生命活动和合成新细胞物质的能源。
有机物的好氧合成过程，也可以用下列生化反应式表示：
（1）有机物的氧化分解(有氧呼吸)：

（8-7）
（2）原生质的同化合成(以氨为氮源)：

（8-8）
（3）原生质的氧化分解(内源呼吸)：

（8-9）
由此可以看出，当废水中营养物质充足，即微生物既能获得足够的能量，又能大量地合成新的原生质肘，微生物就不断增长。当废水中营养物质缺乏时，微生物只得依靠细胞内贮藏的物质，甚至把原生质也作为营养物质利用，以获得生命活动所需的最低限度得能源，这种情况下，微生物无论重量还是数量都是不断减少的。可见，要保证废水处理得效果,首先必须有足够数量的微生物，同肘，还必须有足够数量的营养物质。
在好氧生物处理过程中，有机物用于氧化与合成的比例，随废水中有机物性质而异。对于生活污水或与之相类似的工业废水，所产生的新细胞物质，约占全部有机物干重的50～60％。
（二）废水的厌氧生物处理在断绝供氧的条件下，利用厌氧微生物的生命活动过程，使废水中的有机物转化成较简单的有机物和无机物的处理过程，在工程上称为废水的厌氧生物处理。
有机物的厌氧分解过程分为两个阶段。在第一阶段中，产酸细菌把存在于废水中的复杂有机物转化成较简单的有机物(如有机酸、醇类等)和CO2、NH3、H2S等无机物。在第二阶段中，甲烷细菌接着将简单的有机物分解成甲烷和二氧化碳等。厌氧分解过程可用图8-18的简单图式来说明。


图8-18 有机物厌氧分解图示
厌氧分解过程中，由于缺乏氧作为氢受体，所以，对有机物的分解不彻底，贮于有机物中的化学能未全部释放出来。一般说来，微生物的厌氧生长条件比较严格。
（三）好氧生物处理与厌氧生物处理的区别
1．起作用的微生物群不同 好氧生物处理是由一大群好氧菌和兼性厌氧菌起作用的；而厌氧生物处理是两大类群的微生物起作用，先是厌氧菌和兼性厌氧菌，后是另一类厌氧菌。
2．产物不同 好氧生物处理中，有机物被转化成CO2、H2O、NH3、
-、
等，且基本无害。厌氧生物处理中，有机物先被转化成为数众多的中间有机物(如有机酸、醇、醛等)，以及CO2、H2O等；其中有机酸、醇、醛等有机物又被另一群被称为甲烷菌的厌氧菌继续分解。由于能量的限制，其终产物受到较少的氧化作用，如有机碳常形成CH4，而不是CO2；有机氮形成氨、胺化物或氮气，而不是亚硝酸盐或硝酸盐；硫形成H2S，而不是SO2或
等。产物复杂，有异臭，一些产物可作燃料。
3．反应速率不同 好氧生物处理由于有氧作为氢受体，有机物转化速率快，需要时间短。可用较小的设备处理较多的废水；厌氧生物处理反应速率慢，需要时间长，在有限的设备内，仅能处理较少量废水或污泥。
4．对环境要求条件不同 好氧生物处理要求充分供氧，对环境条件要求不太严格；厌氧生物处理要求绝对厌氧的环境，对环境条件(如PH值、温度)要求甚严。
好氧生物处理与厌氧生物处理都能完成有机污染物的稳定化，但在实际中究竟采用哪种方法，要视具体情况而定。采用厌氧法处理废水，除需要时间长外，处理水发黑，有臭味，且BOD浓度仍然很高；如果废水的BOD5浓度较低，所需的处理设备将很庞大。所以，一般废水中有机物浓度若超过1%(约l0000毫克/升)，才用厌氧生物处理。目前的厌氧生物处理多用于处理沉淀池的有机污泥和高浓度有机废水(象屠宰、酿造工业、食品工业等生产废水)。而好氧生物处理则多用于处理有机污染物浓度较低或适中的废水。
四、活性污泥法活性污泥法是当前应用最为广泛的一种生物处理技术，活性污泥就是生物絮凝体，上面栖息、生活着大量的好氧微生物，这种微生物在氧分充足的环境下，以溶解型有机物为食料获得能量、不断生长，从而使废水得到净化。该方法主要用来处理低浓度的有机废水。本方法的主要设备为反应装置和提供氧气的曝气设备。
1．活性污泥法基本原理
(1) 活性污泥法的基本流程传统的活性污泥法由初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池、供氧装置以及回流设备等组成，基本流程如图8-19所示。由初沉池流出的废水与从二沉池底部流出的回流污泥混合后进入曝气池，并在曝气池充分曝气产生两个效果：①活性污泥处于悬浮状态，使废水和活性污泥充分接触；②保持曝气池好氧条件，保证好氧微生物的正常生长和繁殖。废水中的可溶性有机物在曝气池内被活性污泥吸附、吸收和氧化分解，使废水得到净化。二次沉淀的作用有两个：①将活性污泥与已被净化的水分离；②浓缩活性污泥，使其以较高的浓度回流到曝气池。二沉池的污泥也可以部分回流至初沉池，以提高初沉效果。


图8-19 活性污泥法基本流程
活性污泥系统有效运行的基本条件是：①废水中含有足够的可溶性易降解有机物，作为微生物生理活动必需的营养物质；②混合液含有足够的溶解氧；③活性污泥在池内呈悬浮状态，能够充分与废水相接触；④活性污泥连续回流、及时地排除剩余污泥，使混合液保持一定浓度的活性污泥；⑤没有对微生物有毒害作用的物质进入。
(2) 活性污泥的性能及其评价指标
1)活性污泥的组成活性污泥由四部分物质组成：①具有活性的微生物群体(Ma)；②微生物自身氧化的残留物质(Me)；③原污水挟入的不能为微生物降解的惰性有机物质(Mi)；④原污水挟入的无机物质(Mii)。
2)活性污泥评价指标性能良好的活性污泥应松散(有利吸附和氧化有机物)并具有良好的凝聚沉淀性能(利于处理后的清水分离)，通常用下列几个指标来评价活性污泥的优劣，以便控制系统的正常运行。
①污泥浓度(MLSS) 又称混合液悬浮固体浓度，是指曝气区内1升混合液所含悬浮物量，以mg/L表示。它表示混合液中活性污泥的浓度，在单位体积混合液内所含有的活性污泥固体物的总重量，即
MLSS＝Ma＋Me＋Mi＋Mii （8-10）
MLSS反映出活性污泥所含微生物多少和处理有机物能力的强弱。包括具有活性的微生物群体、自身氧化残留物、微生物不能降解的有机物和无机物等四部分。适宜的浓度应根据具体情况确定，一般废水处理可取2×103~4×103 mg/L。
②混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS) 表示活性污泥中有机性固体物质的浓度，即
MLVSS＝Ma+Me+Mi (8-11)
在一定条件下，MLVSS/MLSS值较稳定，城市污水的活性污泥介于0.75~0.85之间。
活性污泥的性能主要表现为沉淀性和絮凝性，活性污泥的沉降经历絮凝沉淀、成层沉淀，并进入压缩过程。性能良好具有一定浓度的活性污泥在30min内即可完成絮凝沉淀和成层沉淀过程，为此建立了以活性污泥静置30min为基础的指标表示其沉降－浓缩性能。
(污泥沉降比(SV%) 1L混合液静置沉降30min后，沉淀污泥占混合液的体积百分比。它反映出污泥的凝聚-沉淀性能和污泥量的多少，以便控制污泥排除时间和排除数，一般取15％～40％。
④污泥体积指数(污泥指数)(SVI) 污泥指数也称污泥容积指数，是指混合液经30min沉降后，1g干污泥在湿的时候所占体积，以mL/g计。

（mL/g） (8-12)
它反映出污泥的松散程度和凝聚、沉降性能。该值越低，则说明污泥颗粒小而紧密易沉降，但活性和吸附力低，含无机物多；过高则太松散，难以沉淀，将要或已经发生污泥膨胀现象。对于城市污水的活性污泥SVI值为50～150之间。
(污泥龄 活性污泥在曝气池内的平均停留时间，即曝气池内活性污泥的总量与每日排放污泥量之比，污泥龄是活性污泥系统设计与运行管理的重要参数，它能够直接影响曝气池内活性污泥的性能和功能。
通过调节废弃污泥量就可以改变污泥龄的值，把它控制在适宜于细菌增殖的时间范围内，一般为3～14天。
2．活性污泥法的运行方式活性污泥法已应用了80余年，为了适应不同处理要求，降低费用,经过不断发展，已形成了多种运行方式，下面做简单介绍。
（1）普通活性污泥法普通活性污泥法也称传统活性污泥法，是在废水的自净作用原理下发展而来的。废水在经过沉砂、初沉等工序进行一级处理，去除了大部分悬浮物和部分BOD后即进人一个人工建造的池子，池子犹如河道的一段，池内有无数能氧化分解废水中有机污染物的微生物。同天然河道相比，这一人工的净化系统效率极高，大气的天然复氧根本不能满足这些微生物氧化分解有机物的耗氧需要，因此在池中需设置鼓风曝气或机械翼轮曝气的人工供氧系统，池子也因此而被称为曝气池。
废水在曝气池停留一段时间后，废水中的有机物绝大多数被曝气池申的微生物吸附、氧化分解成无机物，随后即进入另一个池子－沉淀池。在沉淀池中，成絮状的微生物絮体-活性污泥下沉，处理后的出水－上清液即可溢流而被排放。
为了使曝气池保持高的反应速率，必须使曝气池内维持足够高的活性污泥微生物浓度。为此，沉淀后的活性污泥又回流至曝气池前端，使之与进入曝气池的废水接触，以重复吸附、氧化分解废水中的有机物。
在连续生产(连续进水)条件下，活性污泥中微生物不断利用废水中的有机物进行新陈代谢，由于合成作用的结果，活性污泥数量不断增长，因此曝气池中活性污泥的量愈积愈多，当超过一定的浓度时，应适当排放一部分，这部分被排去的活性污泥常称作剩余污泥。普通活性污泥法工艺流程见图8-20。


图8-20 普通活性污泥法的工艺流程曝气池中污泥浓度一般控制在2～3g/L，废水浓度高时采用较高数值。废水在曝气池中的停留时间常采用4～8h，视废水中有机物浓度而定。回流污泥量约为进水流量的25%～50%，视活性污泥含水率而定。
曝气池中水流是纵向混合的推流式。在曝气池前端，活性污泥同刚进入的废水相接触，有机物浓度相对较高，即供给活性污泥微生物的食料较多，所以微生物生长一般处于生长曲线的对数生长期后期或稳定期。由于普通活性污泥法曝气时间比较长，当活性污泥继续向前推进到曝气池末端时，废水中有机物已几乎被耗尽，污泥微生物进入内源代谢期，它的活动能力也相应减弱，因此，在沉淀池中容易沉淀，出水中残剩的有机物数量较少。处于饥饿状态的污泥回流入曝气池后又能够强烈吸附和氧化有机物，所以普通活性污泥法的BOD和悬浮物去除率都很高，可达到90~95%。
普通活性污泥法也有它的不足之处，主要是:(对水质变化的适应能力不强;(所供的氧不能充分利用，因为在曝气池前端废水水质浓度高、污泥负荷高、需氧量大，而后端则相反，但空气往往沿池长均匀分布，这就造成前端供氧量不足、后端供氧量过剩的情况(见图8-21)。因此，在处理同样水量时，同其他类型的活性污泥法相比，曝气池相对庞大，占地多，能耗费用高。


图8-21 曝气池中供水量和需氧量之间的关系
（2）阶段曝气法阶段曝气法也称为多点进水活性污泥法，它是普通活性污泥法的一个简单的改进，可克服普通活性污泥法供氧同需氧不平衡的矛盾。图8-21图示了普通活性污泥法与阶段曝气法的曝气池中供氧量和需氧量之间的关系。
阶段曝气法的工艺流程如图8-22所示。从图中可见，阶段曝气法中废水沿池长多点进入，这样使有机物在曝气池中的分配较为均匀，从而避免了前端缺氧、后端氧过剩的弊病，从而提高了空气的利用效率和曝气池的工作能力;并且由于容易改变各个进水口的水量，在运行上也有较大的灵活性。经实践证明，曝气池容积同普通活性污泥法比较可以缩小30%左右。


图8-22 阶段曝气法的工艺流程
（3）渐减曝气法克服普通活性污泥法曝气池中供氧、需氧不平衡的另一个改进方法是将曝气池的供氧沿活性污泥推进方向逐渐减少，这即为渐减曝气法。该工艺曝气池中的有机物浓度随着向前推进不断降低，污泥需氧量也不断下降，曝气量相应减少，如图8-23所示。
（4）吸附再生活性污泥法吸附再生活性污泥法系根据废水净化的机理、污泥对有机污染物的初期高速吸附作用，将普通活性污泥法作相应改迸发展而来。图8-24所示为这一工艺的基本流程。
曝气池被一隔为二，废水在曝气池的一部分－ 吸附池内停留数十分钟，活性污泥同废水充分接触，废水中有机物被污泥所吸附，随后进入二沉池，此时，出水已达很高的净化程度。
泥水分离后的回流污泥再迸入曝气池的另一部分－再生池，池中曝气但不进废水，使污泥中吸附的有机物进一步氧化分解。恢复了活性的污泥随后再次迸入吸附池同新进入的废水接触，并重复以上过程。
为了更好地吸附废水中的污染物质，吸附再生活性污泥法所用的回流污泥量比普通活性污泥法多，回流比一般为50%～10%。此外，吸附池和再生池的总容积比普通活性污泥法的曝气池小得多，空气用量并不增加，因此，减少了占地和降低了造价。由于其回流污泥量较多，又使之具有较强的调济平衡能力，以适应进水负荷的变化。它的缺点是去除率较普通活性污泥法低，尤其是对溶解性有机物较多的工业废水(活性污泥对溶解性有机物的初期吸附作用效果较差)，处理效果不理想。
（5）完全混合活性污泥法完全混合活性污泥法的流程和普通活性污泥法相同，但废水和回流污泥进入曝气池时，立即与池内原先存在的混合液充分混合。依构筑物的曝气池和沉淀池合建或分建的不同可分成两种类型。其流程见图8-25。






（6）批式活性污泥法批式活性污泥法(又称序批式反应器,Sequencing Batch Reactor，简称SBR)是国内外近年来新开发的一种活性污泥法，其工艺特点是将曝气池和沉淀池合而为一，生化反应呈分批进行，基本工作周期可由进水、反应、沉降、排水和闲置五个阶段组成(图8-26)。


进水期是指反应器从开始进水到达到反应器最大体积的一段时间，这时已同时进行着生物降解反应。在反应期中，反应器不再进水，废水处理逐渐达到预期的效果。进人沉降期时，活性污泥沉降，固、液分离，上清液即为处理后的水，并于排放期外排。这以后的一段时期直至下一批废水进入之前即为闲置期，活性污泥在此阶段进行内源呼吸，反硝化细菌亦可利用内源碳进行反硝化脱氮。
与其他活性污泥工艺相比较，SBR具有下述特点:
1）构造简单，投资节省
SBR的曝气、沉淀在同一池内，省去了二沉池、回流装置和调蓄池等设施，因此，基建投资较低，是特别适合于乡村地区或仅设常日班的工厂的废水处理系统。
2）控制灵活，可满足各种处理要求在SBR的运行过程中，一个周期中各个阶段的运行时间，总停留时间、供气量等都可按照进水水质和出水要求而加以调节。
3）活性污泥性状好、污泥产率低由于SBR在进水初期有机物浓度高，污泥絮体内部的菌胶团细菌也能获得充足的营养，因此，有利于菌胶团细菌的生长，污泥结构紧密，沉降性能良好。此外，在沉降期，几乎是在静止状态下沉降，因此污泥沉降时间短，效率高。
SBR的运行周期中有一闲置期，污泥处于内源呼吸阶段，因此，污泥产率比较低。
4）脱氮效果好
SBR系统可通过控制合适的充气、停气为硝化细菌和反硝化细菌创造适宜的好氧、缺氧反硝化脱氮条件，此外，反硝化细菌在闲置期还能进行内源反硝化，因此去氮效果好。
五、生物膜法生物膜法和活件污泥法一样，同属好氧生物处理方法。但活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着的活件污泥来分解有机物的，而生物膜法则主要依靠固着于载体表面的微生物膜来净化有机物。
与活性污泥法相比，生物膜法具有以下特点：
a) 生物膜对污水水质、水量的变化有较强的适应性，管理方便，不会发生污泥膨胀；
b) 微生物固着在载体表面、世代时间较长的高级微生物也能增殖，生物相更为丰富、稳定，产生的剩余污泥少；
c) 能够处理低浓度的污水；
d) 生物膜法也存在有不足之处：生物膜载体增加了系统的投资；载体材料的比表面积小，反应装置容积负荷有限、空间效率低，在处理城市污水时处理效率比活性污泥法低，因此，生物膜法主要适用于中小水量污水的处理。
生物膜法设备类型很多，按生物膜与废水的接触方式不同，可分为填充式和浸渍式两类。在填充式生物膜法中，废水和空气沿固定的填料或转动的盘片表面流过，与其上生长的生物膜接触，典型设备有生物滤池和生物转盘。在浸渍式生物膜法中，生物膜载体完全浸没在水小，通过鼓风曝气供氧。如载体固定，称为接触氧化法；如载体流化则称为生物流化床。
目前所采用的生物膜法多数是好氧装置，少数是厌氧形式，如厌氧滤池和厌氧流化床等。
本章主要讨论好氧生物膜法。根据装置的不同，可分为生物滤池，生物转盘和生物接触氧化法等三种。
（一）生物膜法处理废水的机理
生物膜法处理废水就是使废水与生物膜接触，进行固、液相的物质交换，利用膜内微生物将有机物氧化，使废水获得净化，同时，生物膜内微生物不断生长与繁殖。生物膜在载体上的生长过程是这样的：当有机废水或由活性污泥悬浮液培养而成的接种液流过载体时，水中的悬浮物及微生物被吸附于固相表面上，其中的微生物利用有机底物而生长繁殖，逐渐在载体表面形成一层粘液状的生物膜。这层生物膜具有生物化学活性，又进一步吸附、分解废水中呈悬浮、胶体和溶解状态的污染物。
为了保持好氧性生物膜的活性，除了提供废水营养物外，还应创造—个良好的好氧条件，亦即向生物膜供氧。在填充式生物膜法设备中常采用自然通风或强制自然通风供氧。氧透入生物膜的深度取决于它在膜中的扩散系数，固－液界面处氧的浓度和膜内微生物的氧利用率。对给定的废水流量和浓度，好氧层的厚度是—定的。增大废水浓度将减小好氧层的厚度，而增大废水流量则将增大好氧层的厚度。
生物膜中物质传递过程加图8-27所示。由于生物膜的吸附作用，在膜的表面存在—个很薄的水层(附着水层)。废水流过生物膜时，有机物经附着水层向膜内扩散。膜内微生物在氧的参加下对有机物进行分解和机体新陈代谢。代谢产物沿底物扩散相反的方向，从生物膜传递返回水相和空气中。
随着废水处理过程的发展，微生物不断生长繁殖，生物膜厚度不断增大，废水底物及氧的传递阻力逐渐加大，在膜表层仍能保持足够的营养以及处于好氧状态，而在膜深处将会出现营养物或氧的不足，造成微生物内源代谢或出现厌氧层，此处的生物膜因与载体的附着力减小及水力冲刷作用而脱落。老化的生物膜脱落后，载体表面又可重新吸附、生长、增厚生物膜直至重新脱落，从吸附到脱落，完成一个生长周期。在正常运行情况下，整个反应器的生物膜各个部分总是交替脱落的，系统内活性生物膜数量相对稳定，膜厚2～3mm，净化效果良好。过厚的生物膜并不能增大底物利用速度、却可能造成堵塞，影响正常通风。因此，当废水浓度较大时，生物膜增长过快，水流的冲刷力也应加大，如依靠原废水不能保证其冲刷能力时，可以采用处理出水回流，以稀释进水和加大水力负荷，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度。
生物膜中的微生物主要有细菌(包括好氧、厌氧及兼性细菌)、真菌、放线面、原生动物(主要是纤毛虫)和较高等的动物，其中藻类、较高等生物比活性污泥法多见。微生物沿水流方向在种属和数目上具有一定的分布。在塔式生物滤池中，这种分层现象更为明显。在填料上层以异养细菌和营养水平较低的鞭毛虫或肉足虫为主，在填料下层则可能出现世代期长的硝化菌和营养水平较高的固着型纤毛虫。真菌在生物膜中普遍存在，在条件合适时，可能成为优势种。在填充式生物膜法装置中，当气温较高和负荷较低时，还容易孽生灰蝇，它的幼虫色白透明，头粗尾细，常分布在生物膜表面，成虫后在生物膜周围翔栖。
生物相的组成随有机负荷、水力负荷、废水成分、pH值、温度、通风情况及其他影响因素的变化而变化。
（二）生物滤池生物滤池是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上发展起来的人工生物处理技术，是对上述过程的强化。生物滤池的基本工艺如图8-28所示。进入生物滤池的污水需经过预处理去除悬浮物等可能堵塞滤料的污染物，并使水质均化，在生物滤池后设二沉池，以截留污水中脱落的生物膜、保证出水水质。


图8-28 生物膜法基本工艺流程生物滤池的主要特征是池内滤料是固定的，废水自上而下流过滤料层。由于和不同层面微生物接触的废水水质不同，因而微生物组成也不同，使得微生物的食物链长，产生污泥量少。当负荷低时，出水水质可高度硝化。生物滤池运行简易，且依靠自然通风供氧，运行费用低，生物滤池在发展过程中，经历了几个阶段，从低负荷发展为高负荷，突破了传统采用滤料层高度；扩大了应用范围。目前使用较多的生物滤池有普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池(超速滤池)三种，表8-6为性能比较表。
1.普通生物滤池普通生物滤池又叫滴滤池，是生物滤池早期的类型，即第一代生物滤池。
(1)构造由池体、滤床、布水装置和排水系统组成，其构造如图8-29所示。
①池体 普通生物滤池池体的平面形状多为方形、矩形和圆形。池壁一般采用砖砌或混凝土建造，有的池壁上带有小孔，用以促进滤层的内部通风，为防止风吹而影响废水的均匀分布，池壁顶应高出滤层表面0.4~0.5m，滤池壁下部通风孔总面积不应小于滤池表面积的1%。
②滤床 滤床由滤料组成，滤料对生物滤池工作有很大的影响，对污水起净化作用的微生物就是生长在滤料表面上。滤料应采用强度高、耐腐蚀、质轻、颗粒均匀、比表面积大、空隙率高的材料。过去常用球状滤料，如碎石、炉渣、焦炭等。一般分成工作层和承托层两层：工作层粒径为25～40mm，厚度为1.3~1.8m；承托层粒径为60~100mm，厚度为0.2m。近年来，常采用塑料滤料，其表面积可达100~200m2/m3，孔隙率高达80%~90%；滤料粒径的选择对滤池工作影响较大，滤料粒径小，比表面积大，但孔隙率小，增加了通风阻力，相反粒径大，比表面积小，影响污水和生物膜的接触面积。粒径的选择还应综合考虑有机负荷和水力负荷的影响，当负荷较高时采用较大的粒径。
③布水装置 布水装置的作用是将污水均匀分配到整个滤池表面，并应具有适应水量变化、不易堵塞和易于清通等特点。根据结构可分成固定式和活动式两种。
④排水系统 排水系统设于池体的底部，包括渗水装置、集水渠和总排水渠等。
普通生物滤他的特点普通生物滤池的优点有：(a)处理效果好，BOD5的去除率可达95％以上；(b)运行稳定、易于管理、节省能源。其主要缺点是负荷低、占地面积大、处理水量小、滤池易堵塞、易产生池妈蝇散发臭味、卫生条件差。一般适用于处理每日污水量不高于1000m3的小城镇污水和工业有机污水。
2.高负荷生物滤池高负荷生物滤池是为解决普通生物滤池在净化功能和运行中存在的实际负荷低、易堵塞等问题而开发出来的。高负荷生物滤池是通过限制进水BOD5值和在运行上采取处理水回流等技术来提高有机负荷率和水力负荷率，分别为普通生物滤池的6～8倍和10倍。
(1)高负荷生物滤池的工艺流程高负荷生物滤池的工艺流程设计主要采用处理水回流技术来保证进入的BOD5值低于200mg/L，处理水回流后具有下列作用：(a)均化与稳定进水水质；(b)加大水力负荷，及时冲刷过厚和老化的生物膜，加速生物膜的更新，抑制厌氧层发育，使生物膜保持较高的活性；(c)抑制池蝇的滋长；(d)减轻臭味的散发。
采取处理水回流措施，使高负荷生物滤池具有多种多样的流程，图8-30为单池系统的几种有代表性的流程。流程(1)将生物滤池出水直接回流，二沉池的生物污泥回流到初沉池有助于生物膜接种、促进生物膜更新；同时对初沉池的沉淀效果将有所提高。但回流的生物膜易堵塞滤料。流程(2)和流程(1)相比可避免加大初沉池的容积，流程(3)能提高初沉池效果，但提高了初沉池的负荷。流程(4)的特点是不设二沉池，滤池出水(含生物污泥)直接回流到初沉池，这样能提高初沉池效果，并使其兼行二沉他的功能，本工艺适用于含悬浮固体量较高而溶解性有机物浓度较低的废水。
当原污水浓度较高或对处理水质要求较高时，可以考虑二段滤池处理系统，其主要工艺流程如图8-31所示。二段生物滤池的有机物去除率可达90％以上，但负荷不均是其主要缺点：一段负荷高，生物膜生长快，脱落的生物膜易于沉积并产生堵塞现象，二段负荷低，生物膜生长不佳，没有充分发挥净化功能。为此可采用交替式二段生物滤池，两种流程定期交替运行。
（三）生物转盘生物转盘是在生物滤池基础上发展起来的一种高效、经济的污水生物处理设备。它具有结构简单、运转安全、电耗低、抗冲击负荷能力强，不发生堵塞的优点。目前已广泛运用到我国的生活污水以及许多行业的工业废水处理中、并取得良好效果。
1．生物转盘的结构及净化作用原理
(1)生物转盘构造生物转盘污水处理装置由生物转盘、氧化槽和驱动装置组成，构造如图8-32所示。生物转盘由固定在一根轴上的许多间距很小的圆盘或多角形盘片组成，盘片是生物转盘的主体，作为生物膜的载体要求具有质轻、强度高、耐腐蚀、防老化、比表面积大等特点，氧化槽位于转盘的正下方，一般采用钢板或钢筋混凝土制成与盘片外形基本吻合的半圆形，在氧化槽的两端设有进出水设备，槽底有放空管。
(2)净化原理生物转盘在旋转过程中，当盘面某部分浸没在污水中时，盘上的生物膜便对污水中的有机物进行吸附；当盘片离开液面暴露在空气中时，盘上的生物膜从空气中吸收氧气对有机物进行氧化。通过上述过程，氧化槽内污水中的有机物减少，污水得到净化。转盘上的生物膜也同样经历挂膜、生长、增厚和老化脱落的过程，脱落的生物膜可在二次沉淀池中去除。生物转盘系统除有效地去除有机污染物外，如运行得当可具有硝化、脱氮与除磷的功能。
2．生物转盘的组合形式及工艺流程根据生物转盘的转轴和盘片的布置形式，生物转盘可以是单轴单级形式(图8-32)以组合成单轴多级(图8-33)或多轴多级(图8-34)形式。
城市污水生物转盘系统的基本工艺流程如图8-35所示。对于高浓度有机废水可采用图8-36所示的工艺加油流程，该流程能够将BOD值由数千mg/L降至20mg/L。
根据上述的工艺流程，生物转盘污水处理系统具有如下特征：
①微生物浓度高，特别是最初几级生物转盘，这是生物转盘效率高的主要原因；
②反应槽不需要曝气，污泥勿需回流，因此动力消耗低，这是本法最突出的特征，耗电量为0.7kWh/kg BOD5，运行费用低；
③生物膜上微生物的食物链长，产生污泥量少，在水温为5－20℃的范围内，BOD的去除率为90％时，去除1kgBOD的污泥产量为0.25kg。
六 厌氧生物处理法厌氧生物处理是在无氧的情况下，利用兼性菌和厌氧菌的代谢作用，分解有机物的一种生物处理法。是一种低成本的废水处理技术，它能在处理废水过程中回收能源。厌氧生化法不仅可用于处理有机污泥和高浓度有机废水，也用于处理中、低浓度有机废水，包括城市污水。
厌氧生化法与好氧生化法相比具有下列优点。
(1)应用范围广 好氧法因供氧限制一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的、如固体有机物、着色剂蒽酿和某些偶氮染料等。
(2)能耗低 好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要允氧，而且产生的沼气可作为能源。废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。当原水BOD5达到1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈多。—般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。
(3)负荷高 通常好氧法的有机容积负荷为2~4kgBOD/m3.d，而厌氧法为2～10kg COD/m3.d，高的可达50kgCOD／m3.d。
(4)剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好 好氧法每去除1kg COD将产生0.4~0.6 kg生物量，而厌氧法去除1kg COD只产生0.02~0.1kg 生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％~20％。同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。
(5)氮、磷营养需要量较少 好氧法一般要求BOD：N：P为100：5：1，而厌氧法的BOD：N：P为100：2.5：0.5，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。
(6)厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。
(7)厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。与好氧反应器相比，在停止运行一段时间后，能较迅速启动。
但是，厌氧生物处理法也存在下列缺点：
(1)厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理时间比好氧设备长。
(2)处理后的出水水质差，往往需进一步处理才能达标排放。
1,厌氧消化原理复杂有机物的厌氧消化过程要经历数个阶段，由不同的细菌群接替完成。根据复杂有机物在此过程中的物态及物性变化，可分为以下三个阶段。
第一阶段为水解阶段。废水中的不溶性大分子有机物(如蛋白质、多糖类、脂类等)经发酵细菌水解后，分别转化为氨基酸、葡萄糖和甘油等水溶性的小分子有机物。水解过程通常较缓慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。


由于简单碳水化合物的分解产酸作用，要比含氮有机物的分解产氨作用迅速，故蛋白质的分解在碳水化合物分解后产生。
含氮有机物分解产生的NH3除了提供合成细胞物质的氮源外，在水中部分电离，形成NH4HCO3，具有缓冲消化液pH值的作用，故有时也把继碳水化合物分解后的蛋白质分解产氨过程称为酸性减退期，反应为：


第二阶段为产氢产乙酸阶段。在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2，如：


第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲院，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的1／3，后者约占2／3，反应为：


上述三个阶段的反应速度依废水性质而异，在含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水中，水解易成为速度限制步骤；简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的废水，产甲烷易成为限速阶段。
虽然厌氧消化过程可分为以上三个阶段，但是在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡，这种动态平衡一旦被pH值、温度、有机负荷等外加因素所破坏，则首先将使产甲烷阶段受到抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，其至会导致整个厌氧消化过程停滞。
2,影响厌氧处理的因素
（1）温度 温度是影响微生物生命活动最重要的因素之一，其对厌氧微生物及厌氧消化的影响尤为显著。各种微生物都在一定的温度范围内生长，根据微生物生长的温度范围，习惯上将微生物分为三类：(a)嗜冷微生物，生长温度为5～20 ℃；(b)嗜温微生物，生长温度20～42℃；(c)嗜热微生物，生长温度42～75℃。相应地厌氧废水处理也分为低温、中温和高温三类。这三类微生物在相应的适应温度范围内还存在最佳温度范围，当温度高于或低于最佳温度范围时其厌氧消化速率将明显降低。在工程运用中，中温工艺中以30～40 ℃最为常见，其最佳处理温度在35～40℃；高温工艺以50～60 ℃最为常见，最佳温度为55℃。
在上述范围里，温度的微小波动(例如1～3℃)对厌氧工艺不会有明显的影响，但如果温度下降幅度过大，则由于微生物活力下降，反应器的负荷也将降低。
（2）pH值 产甲烷菌对pH值变化适应性很差，其最佳范围为6.8～7.2，超出该范围厌氧消化细菌会受到抑制。
（3）氧化还原电位 绝对的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，产甲烷菌的最适氧化还原电位为－150～－400mV，培养甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于－330mV。
（4）营养 厌氧微生物对碳、氮等营养物质的要求略低于好氧微生物，需要补充专门的营养物质有钾、钠、钙等金属盐类，它们是形成细胞或非细胞的金属络合物所需要的物质，同时也应加入镍、铝、钴、钼等微量金属，以提高若干酶的活性。
（5）有机负荷 在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量(kg COD/m3.d)。对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kg COD/(Kg 污泥.d)；在污泥消化中，有促负荷习惯上以投配率或进料率表达，即每天所投加的湿污泥体积占消化器有效容积的百分数。由于各种湿污泥的含水率、挥发组分不尽一致，投配率不能反映实际的有机负荷，为此，又引入反应器单位有效容积每天接受的挥发性固体重量这一参数，即kg MLVSS/(m3.d)。
有机负荷是影响厌氧消化效率的一个重要因素，直接影响产气量和处理效率。在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率即单位重量物料的产气量趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。对于具体应用场合，进料的有机物浓度是一定的，有机负荷或投配率的提高意味着停留时间缩短，则有机物分解率将下降，势必使单位重量物料的产气量减少。但因反应器相对的处理量增多了，单位容积的产气量将提高。
有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水废物的种类及其浓度而异。在通常的情况下，采用常规厌氧消化工艺，中温处理高浓度工业废水的有机负荷为2～3kg COD/(m3.d)，在高温下为4~6kg COD/(m3.d)。上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为5～15 kg COD/(m3.d)，可高达30 kg COD/(m3.d)。
（6）有毒物质 有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制，使厌氧消化过程受到影响甚至破坏，常见抑制性物质为硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些人工合成的有机物。
3.厌氧法的工艺和设备
（1）厌氧接触法
1)工艺流程厌氧接触法是对普通污泥消化池的改进，工艺流程如图8-37所示，主要特点是在厌氧反应器后设沉淀池，使污泥回流，保证厌氧反应器内能够维持较高的污泥浓度，可达5～10g MLVSS/L，大大降低反应器的水力停留时间，并使其具有一定的耐冲击负荷能力。该工艺存在的问题有：(a)厌氧反应器排出的混合液中的污泥由于附着大量的气泡在沉淀池中易于上浮到水面而被出水带走；(b)进入沉淀池的污泥仍有产甲烷菌在活动，并产生沼气，使已沉下的污泥上翻，影响出水水质、降低回流污泥的浓度。对此采取措施有：(a)在反应器和沉淀池之间设脱气器，尽可能脱除沼气；(b)在反应器与沉淀池之间设冷却器，抑制产甲烷菌的活动；(c)在沉淀池投加混凝剂；(d)用超滤代替沉淀池。采取上述措施后，可使该工艺具有如下特点：(a)污泥负荷高，耐冲击能力强；(b)有机容积负荷较高，中温消化时容积负荷为0.5~2.5kg BOD5/(m3.d)，去除率为80%～90%；(c)出水水质好。本工艺适合处理悬浮物、有机物浓度均较高的废水，废水COD一般不低于3000mg/L，悬浮物浓度可达50000mg/L。
2)厌氧接触法的应用厌氧接触法主要用于处理高浓度有机废水，不同的废水其工艺参数也不相同，在具体进行工艺设计时应通过相应的试验来确定。如用厌氧接触法处理酒精废水，原废水COD浓度为50000～54000mg/L，BOD5浓度为26000~34000mg/L，反应温度采用53~55℃，反应器内污泥浓度为20％～30％，COD容积负荷为9.11~11.7kg COD/(m3.d),水力停留时间为4~2.5d，COD的去除率为87％；用该工艺处理屠宰废水，反应器容积负荷取2.56kg BOD5/(m3.d)，水力停留时间12~13h，反应温度为27～31℃，污泥浓度为7000～12000mg/L，沉淀池水力停留时间1~2h，表面负荷14.7m3/(m2.h)，回流比3：1，当原水BOD5浓度为1381mg/L时，接触厌氧反应池的去除率为90.6%，运行结果表明，当BOD5容积负荷从2.56kg BOD5/(m3.d)上升到3.2kg BOD5/(m3.d)时，去除率由90.6%下降到83%，产气量由0.4m3/kgBOD5下降到0.29m3/kgBOD5。
（2) 厌氧生物滤池厌氧滤池构造厌氧生物滤池是装有填料的厌氧反应器，厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料的表面，废水通过淹没滤料，在生物膜的吸附和微生物的代谢以及滤料的截留三种作用下，废水中的有机污染物被去除。厌氧滤池有升流式、降流式和升流混合式三种，具体结构见图8-38。在升流式厌氧生物滤池中，废水由反应器底部进入，向上流动通过滤料层，微生物大部分以生物膜的形式附着在滤料表面，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的间隙中，它的生物总量比降流式厌氧生物滤池高，因此效率高。但普通升流式生物滤池的主要缺点有：(a)底部易于堵塞；(b)污泥沿深度分布不均匀。通过出水回流的方法可降低进水浓度，提高水流上升速度。升流式厌氧滤池平面形状一般为圆形，直径为6～26m，高度为3～13m。
降流式厌氧生物滤池其布水装置在滤料层上部，发生堵塞可能性比升流式小。
升流混合型厌氧生物滤池在池底的布水系统与滤料层之间留有一定空间以便悬浮状的颗粒污泥能在其中生长、累积。它的优点有：(a)与升流厌氧生物滤池相比，减小了滤料层厚度，与升流式厌氧污泥床相比省去了三相分离器；(b)可增加反应器中总的生物固体量，并减少滤池被堵塞的可能性。
厌氧生物滤池的容积负荷率可通过试验确定或参考类同的工厂运行数据，影响容积负荷率的因素有：废水水质、滤料性质、温度、pH值、营养物质、有害物质等。根据有关资料，当反应温度为30~35℃时，块状滤料负荷率可采用3～6kg COD/(m3.d)，而塑料滤料为5~8kg COD/(m3.d)。
滤料是厌氧生物滤池的主体部分，应具备下列特性：比表面积大、孔隙率高、表面粗糙、化学及生物学的稳定性较强以及机械强度高等。常用的滤料有碎石、卵石、焦炭以及各种形式的塑料滤料，其中碎石、卵石滤料的比表面积较小(40～50m2/m3)、孔隙率低(50％～60％)，产生的生物膜较少，生物固体的浓度不高，有机负荷较低[3～6kg COD/(m3.d)]，运行中易发生堵塞现象。塑料滤科的比表面积和孔隙率都大，如波纹板滤料的比表面积为100~ 200 m2/m3，孔隙率达80％~90％，在中温条件下，有机负荷可达5~15 kg COD/(m3.d)，且不容易发生堵塞现象。
（3）升流式厌氧污泥床(UASB)
1)升流式厌氧污泥床的构造升流式厌氧污泥床结构如图8-39所示，集生物反应器与沉淀池于一体，是一种结构紧凑的厌氧反应器，反应器主要由以下几部分组成：
①进水配水系统 该系统的形式有树枝管、穿孔管以及多点多管三种形式，其功能是保证配水均匀和水力搅拌。
②反应区 包括颗粒污泥区和悬浮污泥区，是UASB的主要部位，有机物主要在这里被分解。
③三相分离器 由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是将气体(沼气)、固体(污泥)和液体(废水)分开，它的分离效果将直接影响反应器的处理效果。
④出水系统 把沉淀区处理过的水均匀地加以收集，排出反应器，常用出水堰结构。
⑤气室 也称集气罩，作用是收集气体。
2)UASB的机理和特点
在UASB反应区内存留大量的厌氧污泥，具有良好的凝聚和沉淀性能的污泥在反应器底部形成颗粒污泥，废水从反应器底部进入与颗粒污泥进行充分混合接触后被污泥中的微生物分解。UASB具有如下优点：(a)污泥床内生物量多，折合浓度计算可达20～30g/L；(b)容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般可达10 kg COD/(m3.d)，甚至能够高达15～40kg COD/(m3.d)，废水在反应器的水力停留时间短，可大大缩小反应器容积；(c)设备简单，不需要填料和机械搅拌装置，便于管理，不会发生堵塞问题。
3)UASB的运用为了使UASB能高效运行，形成颗粒污泥是关键问题，因此在系统建成后就应培养颗粒污泥，影响颗粒污泥形成的因素主要有：(a)温度；(b)接种污泥的质量与数量，如有条件采用已培养好的颗粒污泥，可大大缩短培养时间；(c)碱度，进水碱度应保持在750~1000mg/L之间；(d)废水性质；(e)水力负荷和有机负荷，启动时有机负荷不宜过高，一般以0.1~0.3kg COD/(kg MLVSS.d)为宜，随着颗粒污泥的形成，有机负荷可以逐步提高。
七、自然条件下的生物处理自然条件下的生物处理方法主要有两种：水体净化法和土壤净化法。氧化塘和养殖塘等属于水体净化法；过滤田和灌溉田等属于土壤净化法。水田灌溉则介于两者之间。水体净化法的净化过程和机理与人工条件下的活性污泥法相类似；土壤净化法的净化过程和机理则与人工条件下的生物膜法相类似。
（一）生物塘
1,生物塘的种类在天然或人工整修的池塘里，利用塘水中生长的微生物处理有机废水的设施，叫做生物塘。按照生物塘中微生物活动的特征，可将其分为三类：(好氧塘--池子浅，阳光透射，负荷小，全部废水都能进行好气生物转化；(兼性塘--池子较深，阳光半透射，负荷较大，池的上层进行好气生物转化，底层和污泥层进行厌气生物转化；(厌氧塘--池子深，负荷大，废水进行厌气生物转化。
按照生物塘的利用情况，可特其分为单纯处理型和兼作利用型。单纯处理型仅用以处理废水，兼作利用型可以在塘中养殖青绿饲料、藻类、海带、藕及鱼等，因而叫做养殖塘。
生物塘一般都采用藻类生化复氧和水面自然复氧方法以取得微生物需要的氧气，但也有通过人工机械曝气方式进行补充供氧的，后者叫做曝气生物塘。
几种生物塘的特征见表8-7。
生物塘还可分为单级和多级两种。多级(4～5级)的后几级常用作养殖塘。
(1)生物氧化塘 生物氧化塘多指好氧生物塘及深度较浅的兼性塘。池塘中氧可通过水面自然复氧和藻类的生化作用复氧来补给。生物氧化塘中活动的植物性浮游生物是很多的，代表性的种属有：绿藻类的小球藻、栅列藻；鞭毛虫类的衣滴虫属、眼虫属等。
由于微生物在生化过程中不断消耗溶解氧，致使水体表层的溶解氧来不及及时扩散到深层，造成了溶解氧沿深度的分布不均匀。水体表层溶解氧浓度大，是好氧微生物活动的好场所，称为好气带。在深层溶解氧的浓度低，约为0.2毫克/d，属于兼性厌氧微生物活动的场所，称为兼气带。如果池子很深，则最下层及污泥层是厌氧微生物活动的场所，称为厌气带。
一般废水池塘中阳光能够射进的深度不超过0.4~0.5米。在此深度内有大量的藻类生长，溶解氧浓度高，异养微生物代谢旺盛，有机物分解快。所以把深度不大于0.5米的浅水池塘，比叫高速氧化塘。深度在l～2.5米范围内者，既有好氧分解过程，又有厌氧分解过程。这种池塘的生化反应速度较慢，叫做普通氧化塘或兼气氧化塘。普通氧化塘中微生物的共生关系及其分解有机物的过程，示于图8-40。
氧化塘受自然条件影响很大，因而对氧化塘的BOD负荷和停留时间不宜作统一规定，应因地制宜。国外，BOD负荷常在9～19克/米2·日范围内；在我国，经过机械处理的废水为200~250米3/公顷·日；经过生物处理的废水为4000～5000米3/公顷·日。
(2)曝气塘 为了加强复氧强度，可在生物塘上设置机械曝气器。曝气塘内水流紊动激烈，各处充氧比较均匀，水较浑浊，藻类无法生活，其生物学特性更接近于活性污泥法。有机物的去除率和温度、停留时间及废水特性有关。
曝气塘的深度一般为3米，停留时间介于3～8日，BOD负荷多为0.03～0.06公斤/米3(塘)·日，去除率可达90%。
(3)厌氧塘 在厌氧塘中，BOD负荷很高，溶解氧被消耗殆尽，因而只有厌氧菌和兼性厌氧菌对有机物进行厌氧分解，这个过程和污泥的厌氧消化相同。厌氧分解的效率与温度有关，—般建造的池型为了能够保温，要求表面积和体积的比值应尽量小些，池子的深度要大些(2.5~4米)。
(二)污水灌溉
1．污水灌溉的作用
（1）净化废水，保护环境 进行旱田灌溉时，废水的净化原理基本上和生物膜法相同。悬浮物被截留于上土壤表层；胶体和部分溶解物被吸附于土壤颗粒表面；离子态污染物通过离子交换作用，而被土壤颗粒截留下来。
在污水灌溉过程中，被截留及吸附的污染物和土壤微生物一起，形成很薄的生物膜，进行着有机物的生物转化。在土壤表层，通风条件好，有机污染物浓度高，生物氧化作用强烈，因而去除率高，属于好气生物处理带。该带大体在土壤表层0.2～0.3米范围内；当土壤孔隙大负荷低时，可能更深些。其下部供氧条件差，逐渐进入兼性生物处理带。再往深层，便是厌气生物处理带。
进行水田灌溉时，污水的净化机理和生物塘类似。水中的悬浮物沉于水底，胶体和溶解物分散于水中，前者靠土壤微生物进行净化，后者靠水体微生物来净化。由于农田作物的覆盖，光合作用不充分，所以藻类的作用已不象氧化塘那样重要；而且主要依靠水层浅及风力扰动等有利条件进行大气复氧。水田灌溉中，微生物十分活跃，加之农作物的吸收作用，致使有机氮代谢产物的NH3下降得十分迅速。
（2）给土壤提供了水分和肥分 农作物需要充分的水分以维持其生理过程，一般由根系吸收，通过茎叶，最后向大气蒸发。土壤也需要水分以溶解各种肥料营养物质，供给农作物吸收。土壤微生物也需要湿润的环境，以进行生命活动。可见土壤中的水分是何等的重要。凡是以补给水分为主要目标的灌溉，称为浸润灌溉。
废水中含有农作物需要的各种肥分。据我国一些城市的分折，污水中含总氮30～90毫克/升，氨氮5～50毫克/升，磷4～40毫克/升，钾5～40毫克/升。凡是以施肥为主要目标的灌溉，称为施肥灌溉。
此外，污水灌溉还能改良土壤，使贫瘠板结的土壤形成团粒结构，有利于农作物的生长；污水灌溉还能提高土壤温度，延长作物的生长期等。
污水灌溉也存在一些问题：城市污水中工业废水的组分逐日增多，毒物也随之增加，不但影响农作物的产量和质量，而且有的毒物还能在土壤中积累；其次，污水常年不断，而农田需要则是有季节性的；再其次是灌溉水量与废水量不协调，并不是有多少污水都能包下来的，灌溉过量还会对环境造成新的危害。
2．污水灌溉对水质的要求
(1)不含有害农作物的有毒及有害成分；严格控制重金属和某些有毒化学物质的含量；酸碱度应适中(pH值＝6～8)；温度不高于40℃；悬浮固体浓度不大于200～300毫克/升。
(2)不淤积和堵塞土壤孔隙，不使土壤盐渍化。
(3)不传染疾病。
(4)不污染地下及地面水源。
(5)不含有能在农作物中积累的化学物质。
利用工业废水灌溉时，必须持积极而又慎重的态度。一般应在小型实验的基础上，确定合理的水质标准。要做好调查研究，充分掌握各种原始资料，如：气象资料，地形资料，土壤资料，水文及水文地质资料，污水资料等，以便做好进行污水灌区的规划和设计工作。
从环境保护的角度出发，废水只有经过适当的处理(机械处理或生物处理)之后，才能用于灌溉农田。所以，灌区位置的选择应与废水处理厂的厂址选择结合起来考虑。通常应把灌区选于处理厂的附近，最好把灌溉干渠与污水处理厂出水渠结合起来，使排灌两便，又节约投资。如果处理厂附近有丰富的地下水源或地面水源，灌区应选于较远较高的缺水地区，以防污染水源，并解决农田需要问题。选择灌区还必须考虑终年利用的可能性，最好能做到全年均衡用水。对于地下水位高，土壤渗透好，低洼易涝有给水水源的地区，一般不应选作灌区。
八、生物污泥的处理生物化学法是目前世界上最经济、有效的水处理方法，因而得到广泛使用。但是，在生化法处理过程中，常会产生大量的污泥和沉渣。据理论计算，每处理1t BOD将生成0.84t细胞体。一般污水厂产生的污泥量约是处理水量的0.3％~0.5％(体积)。污泥的成份相当复杂，不仅含有氮、磷、钾有机物等植物营养成份，以及各类微生物和无机物，还含有重金属离子，病原微生物、寄生虫卵等有毒有害物质，必须加以妥善处理。
目前世界上所采用的污泥处理处置方法大体如图8-41所示，其中应用较多的是厌氧消化法和焚烧法。
焚烧法要消耗大量燃料，如日本1984年焚烧处理污泥量占总量的72％，消耗重油3.8×105 m3，占污水处理厂消耗重油总量的88%。厌氧消化法虽可使能耗大大降低，产生沼气还可用以补偿能源消耗，但消化时间长，占地面积大，冬季还需补充燃料以保温，对含有抑制消化毒物的某些工业废水的污泥还不能进行厌氧消化处理。因此，研究出一种既能有效利用污泥本身能量，又可处理各种污泥的新方法，也是污泥处理中急待解决的一个课题。
二十世纪80年代初期，美国和日本等国进行了污泥燃料化的研究和应用，该法是以机械脱水污泥为原料，通过高效蒸发的办法进一步去除污泥中的水分，所得干燥污泥直接做为燃料，进行蒸汽发电，以电力形式回收能量。污泥燃料化为污泥的处置开辟了一条新的途径，既能有效地解决环境污染，又可以从废物中获得一种新能源，是一种很有发展前途的新技术。
第六节 废水处理系统设计一,水污染的综合防治
20世纪60年代以来，城市污水及工业废水的排放量迅速增加，造成水体污染日益严重。特别是工业废水比例较大，带着大量有害有毒物质进入水体，经过种种方法处理之后，虽然能得到一定程度的净化，但在成本和能源上消耗巨大，效果也不理想，特别是对城市雨水径流、农田排水等面污染源还缺乏有效的控制方法，地下水的污染也成为一个突出的问题。因此,单纯采用对排放污水进行处理的方法，并不能从根本上解决水体污染问题，而应采用综合防治技术，建立综合防治体系。
水体污染的综合防治包括：人工处理和自然净化相结合；无害化处理和综合利用相结合；推行工业用水的闭路循环和区域用水循环系统，发展少废水或无废水工艺。水污染的综合防治主要有以下技术和措施。
1,减少废水及污染物排放量解决水污染最有效的方法是发展工业和区域用水循环系统，这种方法对缺水的城市和工矿区效果特别显著。在防治工业废水污染方面，不仅是处理已排放的废水，更重要的是消除产生废水的污染源。可采取的主要措施有节约用水，规定用水定额,用经济手段加强用水和排污管理，减少新鲜用水量，尽可能做到废水的重复利用，或将废水经处理后注入地下以补充地下水；改善生产工艺和管理制度，发展不用水或少用水的生产工艺，采用无污染或少污染的新工艺。
2．发展区域性水污染防治系统发展区域性水污染防治系统包括制定区域性水质管理规划，合理利用自然净化能力,实行排放污染物的总量控制。污水经处理后用于农业生产实行污水土地处理是实现污水资源他的重要途径。通过科学管理可以充分发挥土壤的强大净化能力，有效地去除多种污染物。此外,还可以在不污染地下水的情况下建立地下污水库，调节排污负荷，对污水进行有控制的排放和稀释。
3,综合考虑水资源规划、水体用途、经济投资和自然净化能力要用系统工程方法选择合理、经济的处理措施和处理新技术，充分利用生物塘、氧化沟等自然净化手段，帮助处理污水、降低处理成本。防治水污染要研究工业用水闭路循环和生活用水系统，并按区域或流域，根据技术经济、自然环境、卫生等因素以及各种污染源的情况、制定统一的区域水质管理规划，把生产和生活活动对自然资源的需要纳入能量和物质转化的总循环中去。
70年代以来，水污染的综合防治已引起世界各国的普遍重视，改进水的处理技术，提高处理效率，降低费用和能耗，仍是重要的研究内容。为了充分利用水资源和节约能源，一些新的分离技术、循环用水技术、土地处理法和污水省能生物处理技术等是今后水污染防治技术的重要发展方向。
二、废水处理方案的选择由于废水的组分复杂，常需几种方法配合使用，因此，废水处理的总体方案的选择是个很复杂的问题。一般都要经过这样几个处理程序：澄清—— 毒物处理——回用或排放。
对于某种废水处理过程的选择，首先要从下述几个方面进行全面考虑，综合分析比较，应用最优化原理确定最佳方案。
1.废水特性：主要指污染物存在的形态即是悬浮的、胶态的还是可溶件的，种类、变化规律、净化的难易程度、毒性大小、排放量等几个方面。
2．对出水水质的要求：要了解有关部门制定的排放标准,使出水水质能达到要求。
3．了解有关的环境因素，如企业的现状和发展规划；现有的下水流道情况；当地的水文、地质、气象情况；农渔业状况、技术设备水平及动力供应状况等，因为这些因素都会对治理方案产生影响。
4．进行详细的处理费用分析。
总之，废水治理方案的选择应十分慎重，要全面综合社会、经济、技术设备等各方面的因素，以制定出经济、有效、合理的治理方案。图8-42及图8-43即是两个较好的处理方案。
三、第十章 噪声与振动
第一节 声学基础声音（包括噪声）的形成，必须具备三个要素，首先要有产生振动的物体，即声源，其次要有能够传播声波的媒介，最后还要有声的接受器，如人耳、传声器等。
一、声音的基本性质声音（sound）是由物体振动产生的，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波，处于一定频率范围内（20～20000Hz）的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。
当人们用手拨动琴弦，弦即振动并同时发出声音，这里琴弦的振动是产生声音的根源。通常我们把振动发声的物体，称为声源（sound source）。声源不一定都是固体，液体和气体的振动也会产生声音，如海上的浪涛声和火车的汽笛声。
如果将一个发声物体置于一个真空的罩子内，声音则传不出来，因此声音的产生除了要有振动的物体外，还必须要有传播声音的媒介物质，它可以是空气、水等流体也可以是钢铁、玻璃等固体。
物体振动是产生声音的根源，但并不是物体产生震动后一定会使人们得到声音的感觉。因为人耳能感觉到的声音频率范围只是在20～20000Hz之间，这个频率范围的声音称可听声，频率低于20Hz的声音称为次声（infrasound），频率高于20000Hz的声音称为超声（ultrasound）。次声和超声对于人耳来说都是感觉不到的。
描述声音高低的物理量是频率，描述声音强弱的物理量有：声压、声强、声功率以及各自相应的级，描述声音大小的主观评价量是响度、响度级。
1,声压与声压级声源的振动以声波的形式在介质中传播，传播所涉及的区域称为声场（sound field）。当声波在空气中传播时，声场中某一点的空气分子在其平衡位置沿着声波前进的方向发生前后振动，使平衡位置处空气的密度时疏时密，引起平衡位置处空气的压力相对于没有声音传播时的静压发生变化。我们将该点空气压强相对于静压强的差值定义为该点的声压（sound pressure）。在连续介质中，声场中任一点的运动状态和压强变化均可用声压表示。
声压是用来度量声音强弱的物理量。声音通过空气传入人耳，引起耳内鼓膜振动，刺激听觉神经，产生声音的感觉，声压越大，耳朵鼓膜受到的压力越大，感觉到的声音越强。因为声波作用引起声场中某点介质压缩或膨胀，所以声压有正有负。声压可用瞬时声压和均方根声压（亦称有效声压）表示。声场介质中某点在某瞬时相对于静压强的单位面积上的声压变化即瞬时声压
（instantaneous sound pressure）；瞬时声压在某一时间周期内的均方根值，即均方根声压
(root mean square sound pressure)。
按下式计算,

（Pa） (10-1)
公式中符号上部横线表示对时间加权平均，而T是测量的时间周期。
以下未注明的声压
均指均方根声压
。人耳刚能听到的声压定义为听阈声压，其值为
＝2×10－5Pa，也称基准声压；使人耳感觉疼痛的声压定义为痛阈声压，其值为
＝20Pa，两者之间相差100万倍，一般声音介于两者之间。由于常用的声音大小相差悬殊，为了度量与记录，采用级的概念，即用声压的倍比关系的对数量来表示，单位为分贝( decibel，dB)，对于均方根声压为
的声波，其相应的声压级（sound pressure level）
为：

（dB） （10-2）
常见的声压级范围如图10-1所示。


图10-1 声压级的相对范围
2．声强与声强级
声音在介质中传播时，介质本身并不随着声波传播出去，而只是在其平衡位置附近来回振动，可见声音的传播实质上是振动的传播，传播出去的是物质的能量，而非物质本身。声强(sound intensity) I定义为垂直于声波传播方向单位时间、单位面积上通过声波的平均声能。I与声功率W的关系为：

（W/m2） （10-3）
S指垂直于声波传播方向的面积。声强以能量的方式来度量声音的强弱，声强越大，表示单位时间内耳朵接受到的声能越多，声音就越强。在自由声场中，任一方向上的的声强为：

（10-4）
式中
－介质的密度，kg/m3；

－声音在介质中的速度，m/s。
声波在弹性介质中传播的速度称为声速。声速随弹性介质温度的上升而增加，在温度为0℃的空气中声速为331.4m/s，声音在空气中传播时，声速与空气温度的关系为：

(m/s) （10-5）
式中
—声速，m/s；

—空气温度，℃。
声速在不同的介质中也是不同的，在水中的声速约为1450m/s；在钢铁中约为5000m/s；在玻璃中约为5000～6000m/s；在砖墙中约为2000m/s。
为使用方便，通常用声强级（sound intensity level）LI代替声强来描述声音的强弱，其表达式为：

（dB） （10-6）
式中，
为基准声强，
，对应于气温为20℃时的基准声压，由式（10-4）确定。
3．声功率和声功率级功定义为物体位移的距离与作用在位移方向上力的乘积，因此把声波沿着声波传播的方向传送能量即作功的速率定义为声功率(sound power) W。声功率是反映声源特性的物理量，其大小反映声源辐射声能的本领。它与声强I的关系为：

(W) （10-7）
式中 S —包围声源的封闭面积，m2。
声功率级（sound power level）LW的数学表达式为：

（dB） （10-8）
式中，W为对应于基准声强的基准声功率，
。
4,声级的运算
对于以分贝为单位的各种声级的运算可按下列公式进行：
（1）级的相加。设n个声源产生的同名级(声功率级、声强级或声压级)分别为L1，L2，…，Ln（dB），则合成的总声级为：

（dB） （10-9）
（2）级的相减。若已知两个声源的声级之和为L，其中的一个声级为Ll，则求另一个声级L2可通过级的相减，即由下列式子算出：

（dB） （10-10）
式中，△L＝L-L1（dB）。
（3）级的平均。n个声源所产生的声级的平均值可按下式求出：

（dB） （10-11）
式中 L－n个声源的声级(同名声级)之和，由式(10-9)算出。
例如在计算一声源的等效（连续）A声级LAeq时就要用到级的平均公式，譬如对该声源采取采样测量，且采样的时间间隔相同，共采样n次，相应的A声级分别为Ll，L2，…，Ln,则可按下式计算出该声源的等效A声级：


（dBA） （10-12）
二、声音的传播与衰减声波作为机械波的一种，具有波在传播中的一切特性。当声波在前进过程中，遇到尺寸比其波长大得多的障碍物时，就会发生反射（reflection）；当遇到尺寸较小的障碍物或孔隙时，就会发生衍射（diffraction，旧称“绕射”），由于衍射现象同障碍物尺寸与声波波长的比值有关，低频噪声更容易发生衍射；当两个或数个声波在传播过程中相遇，其振幅会叠加或削弱，这种现象叫做干涉（interference）。另外，还有声音的共鸣现象和掩蔽效应，等等。
由于噪声在传播中要不断地被衰减，因此离噪声源近，噪声大些；离噪声源远，噪声就小。噪声衰减的原因主要：①当声波从声源向四面八方辐射时，波前的面积随传播距离的增加而不断扩大，声波被扩散，通过单位面积上的声能相应减少；②由于传播媒质的粘滞性、热传导和分子驰豫过程等原因，声波被吸收，这两点均使声波在传播过程中声能不断地被转化为其他形式的能量，从而导致声强不断衰减。下面主要分两种情况讨论。
1,不计空气吸收的声传播与衰减声源类型分点声源、线声源和面声源。声源类型不同，所发出的声波波阵面形状也不同。声波在空间的分布，叫做声场。若声源处于自由空间，即没有任何反射面，则其声场称为自由声场（free field）；若声源处于高度反射空间，例如一间墙壁、天花板和地板都是钢板的房间，则形成的声场称为混响场或回声场（reverberant field）。
当不计空气吸收时，点声源发出的声波，其测点声压级随测点距声源的距离变化为：

（dB） （10-13）
式中
－考虑点声源在室内位置的指向性因子；

－测点离开声源的距离，m；

－房间常数，
，m2；

－室内平均吸声系数；

－室内总表面积，m2。
（1）当声源在房间中央时Q＝1；在一面墙或地面上时Q＝2；在两墙交线处Q＝4；在三墙交点处Q＝8。
（2）在混响场的情况下，各点声压均匀，即与距离无关，此时Q＝0。
（3）在自由场情况下，R＝∞，Q＝1；在半自由场的情况下，R＝∞，Q＝2。
因此，由式（10-13）可得，点声源在自由场中声压级随测点距声源距离的变化为：

（dB） （10-14）
由式（10-14）知，若在距声源r1处的声压级为L1时，则在距声源r2处的声压级为L2可用下式计算：

（dB） （10-15）
即当测点距声源距离加倍时，其声压级则衰减6dB。
对于在自由声场中的一个长度为
的线声源，例如马路上接连不断地行驶着的车辆流噪声，它所发出的声波为柱面波，其声压级随距离的衰减可用下式计算，当r≤l/π时：

（dB） （10-16）
即当测点距声源距离加倍时，其声压级则衰减3dB。r＞l/π时，此时线声源可按点声源考虑，用式（10-15）计算。
对于在自由声场中的一个长方形的面声源，设两个边长为a、b（a＜b），则其声压级随离的衰减可按以下三种情况考虑：①当r≤a/π时，衰减值为0dB；②当a/π≤r＜b/π时，则可按线声源考虑，由式（10-16）计算；③r＞b/π时，则可按点声源考虑，由式（10-15）计算。
2,计及空气吸收的声传播与衰减公式(10-15)中在讨论距离对声压级Lp的衰减时未考虑空气对声波的吸收，而实际在声传播过程中，因空气的粘滞性和热传导，在压缩、膨胀以及运动过程中，使一部分声能被转化为热能而损耗；此外，声能与空气分子的振动能之间转换的滞后也使声能被吸收（这叫弛豫现象），当声波频率接近空气分子的振动固有频率时，能量交换愈多，声能吸收也愈多。
在频率范围为125～12500 Hz，温度为20℃时，可利用下式来计算上述介质总吸收所引起声压级Lp的附加衰减量Aa：

（dB） （10-17）
式中
一声频率，Hz；

－测点距声源的距离，m；

－相对湿度。
通常，我们可以发现，湿度下降时，声音的吸收增加；在较高的频率时，声音的吸收也较高。另外，当声波在空气中传播时，除了空气吸收造成的衰减外，还有环境温度和压力、雨雪冰雹、风、大气紊流、地面特征、障碍物等因素造成的衰减，此处不作详细讨论。
三、噪声及其评价噪声（noise）通常定义为“不需要的声音”（unwanted sound），是一种环境现象。人一生都暴露在有噪声的环境，噪声也是一种由人类各种活动产生的环境污染物。
但是噪声有不同于其它污染物象空气污染物、水污染物的特点：①把噪声定义为“不需要的声音”是很主观的，被某人认为是噪声的声音，却可能被另外的人喜爱；②噪声衰退的时间短，不像空气污染物、水污染物等那样长期存在于环境中，因此当人们设法去降低、控制或抱怨环境噪声时，该噪声可能已不再存在；③噪声对人们生理和心理的影响很难评价，其影响经常是错综复杂的、隐伏的，其影响结果的出现是渐近的，以至于很难将原因和结果联系在一起。实际上，一些听觉可能已经受到噪声损害的人，却并不认为自己有什么问题。
因此，前述以声压、声强、声功率及其相应的级来表示声音的强弱，只是对声音的客观评价量，而不能准确地反映人对噪声的主观感觉。实验证明，虽然两个声源的声压相同，当其频率不同时，人耳的主观感觉却是高频声比低频声响得多。亦即人耳对声音大小的感觉不但与声压有关，还与频率有直接关系。如何使噪声的客观物理量与人耳感觉的主观量统一起来，这就是噪声评价的重要问题。
1,响度与等响曲线几十年来，人们对人耳听觉与声压级及频率的相互关系进行了大量的试验研究。为此，我们把人耳对声音的主观感觉，即声音“响”的程度，称为响度（loudness），单位是宋（sone），用N表示；把以分贝表示的声压级对测试声频率作图得到一曲线，该曲线称为等响曲线或Fletcher-Munson曲线，如图10-2所示。它是根据大量听者认为响亮程度相同的纯音的声压级与频率关系而得出来的。等响曲线以1000Hz纯音作为基准声学信号，仿照声压级的概念提出一个“响度级”参数，其单位称为“方”(phon)，表示为LN。一个声学信号听起来与1000Hz纯音一样响，则其响度级“方”值就等于1000Hz纯音声压级的分贝值。例如，某声音听起来与频率为1000Hz、声压级为90dB的纯音一样响，则此声音的响度级为90方。响度级既考虑了声音的物理效应，又考虑了人耳的听觉生理效应，它是人耳对声音的主观评价。


图10-2 等响曲线在等响曲线图中，每条曲线上的各点，虽然代表不同频率和声压级的声音，但是人耳主观感觉到的声音响度却是一样的，即响度级是相等的，所以称为等响曲线。由等响曲线可知：
（1)最下面的曲线（虚线）表示听力阈值（hearing threshold），称为零响度级线。痛阈线是120方响度级线。对应每个频率都有各自的闻阈声压级与痛阈声压级。在闻阈曲线与痛阈曲线之间是人耳所能听到的全部声音。
（2)人耳对低频声较迟钝，频率很低时，即使有较高的声压级也不一定能听到。
（3)声压级愈小和频率愈低的声音，其声压级与响度级之值相差也愈大。
（4)人耳对高频声较敏感，特别是对于2000~5000Hz频率范围的声音尤为敏感。正由于这种原因，在噪声控制中，应当首先将中、高频的刺耳声降低。
响度与响度级是一一对应的，规定响度级为40方时响度为1宋，经实验得出每当响度级增加10方则响度增加一倍，如50方时为2宋，60方时为4宋，等等。一般当LN≥40方时，响度与响度级的关系为：

（宋） （10-18）
或
（方） （10-19）
2,A声级与等效（连续）A声级为了能用仪器直接读出反映人耳对声音强弱的主观感觉的评价量，人们提出了用电子网络（亦称计权网络，weighting networks）来模拟不同声压下的人耳频率特性。声级计便是满足这种要求的仪器。计权网络实际上是一种电子滤波线路，是按照等响曲线所表示的人耳对声音频率的响应而设计的。在声级计中一般都设计了A、B、C三条计权网络，测得的声级分别是A、B、C声级。C计权网络是模拟等响曲线中100phon曲线而设计的，它在整个可听频率范围内有近乎平直的特性，对可听声音的频率范围基本上不衰减，因此它一般代表总声压级。B计权网络是模拟等响曲线中70phon曲线而设计的，它对250Hz以下的声音有较大的衰减。A计权网络是模拟等响曲线中40phon曲线而设计的，它对1000Hz以下的声音有较大的衰减。用A计权网络测量出来的噪声强度，由于它对低频声较迟钝，而对高频声较灵敏，故与人耳对噪声的主观感觉比较接近，它也与人耳听力损伤程度相对应，A声级的单位记作dB（A）或dBA。A声级在噪声测量和评价中应用最为广泛。
A声级虽然能较好地反映人耳对噪声强度和频率的主观感觉，但只适用于连续而稳定的噪声评价。对于在一定时间内不连续的噪声，如交通噪声，人们提出用总的工作时间进行平均的方法来评价噪声对人的影响，用这种方法计算出来的声级称为等效（连续）A声级，用LAeq表示，单位仍为dB（A）。等效（连续）A声级能反映在A声级不稳定情况下人们实际接受噪声能量的大小，是按能量平均的A声级。
表10-1 各段 A 声 级 和 相 应暴 露 时 间
n段
1
2
3
4
5
6
7
…
n
中心A声级（dBA）
80
85
90
95
100
105
110
…
75＋5n
暴露时间（min）
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
…
Tn

在环境保护工作中计算等效声级时首先应对测量的数据进行处理，将所测得到的A声级按次序从小到大每5dB分为一段，而每一段以其算术中心声级表示。例如，各段声级为80、85、90、95、100、105、110dB（A）……。其中80dB（A）表示78～82dB（A）的范围；85dB（A）则表示83～87dB（A）的范围，以此类推。每天以8小时计算，78dB以下的不予考虑。
将工人在一个工作日中各段的暴露时间统计出来填入表10-1，则计算等效声级常用以下公式：

dB（A） （10-20）
式中：T－噪声作用的时间总和，min；
Ti－工人在工作日的第i个声级段的暴露时间，min；
n－在整个噪声作用时间内测量的时段数。
若采样间隔时间相同，共采样n次，则等效声级的计算公式也可以按式（10-12）计算。
四、噪声的危害人类社会工业革命的科技发展，使得噪声的发生范围越来越广，发生频率也越来越高，越来越多的地区暴露于严重的噪声污染之中，噪声正日益成为环境污染的一大公害。其危害主要表现在它对环境和人体健康方面的影响。
1. 对睡眠、工作、交谈、收听和思考的影响噪声影响睡眠的数量和质量。通常，人的睡眠分为瞌睡、入睡、睡着和熟睡四个阶段，熟睡阶段越长睡眠质量越好。研究表明，在40～50 dB噪声作用下，会干扰正常的睡眠。突然的噪声在40dB时，可使10%的人惊醒，60dB时则使70%的人惊醒。当连续噪声级达到70dB时，会对50%的人睡觉产生影响。噪声分散人的注意力，容易使人疲劳，心情烦躁，反应迟钝，降低工作效率。当噪声为60～80dB时，工作效率开始降低，到90dB以上时，差错率大大增加，甚至造成工伤事故。噪声干扰语言交谈与收听，当房间内的噪声级达55dB以上时，50%住户的谈话和收听受到影响，若噪声达到65dB以上，则必须高声才能交谈，如噪声达到90dB以上，则无法交谈。噪声对思考也有影响，突然的噪声干扰要丧失4秒钟的思想集中。
2．对听觉器官的影响噪声会造成人的听觉器官损伤。在强噪声环境下，人会感到刺耳难受、疼痛、听力下降、耳鸣，甚至引起不能复原的器质性病变，即噪声性耳聋。噪声性耳聋是指500、1000、2000Hz三个频率的平均听力损失超过25dB。若在噪声为85 dB条件下长期暴露15年和30年，噪声性耳聋发病率分别为5%和8%；而在噪声为90 dB条件下长期暴露15年和30年，噪声性耳聋发病率提高为14%和18%。目前，一般国家确定的听力保护标准为85～90 dB。
3,对人体健康的影响
噪声作用于中枢神经系统，使大脑皮层功能受到抑制，出现头疼、脑胀、记忆力减退等症状；噪声会使人食欲不振、恶心、肠胃蠕动和胃液分泌功能降低，引起消化系统紊乱；噪声会使使交感神经紧张，从而出现心跳加快、心律不齐，引起高血压、心脏病、动脉硬化等心血管疾病；噪声还会使视网膜轴体细胞光受性和视力清晰度降低，并且常常伴有视力减退、眼花、瞳孔扩大等视觉器官的损伤。
第二节 声学器件和声学材料人类的生活不能没有声音，一个人在绝对无声的环境中呆3～4小时就会失去理智，但过强的噪声又会对人们的正常生活和身体健康造成严重影响和危害，因此必须对噪声加以适当的控制。确定噪声控制措施时，应从噪声形成的三个环节考虑：第一，从声源根治噪声；第二，在噪声传播途径上采取控制措施；第三，在接受处采取防护措施。
本节将主要介绍在噪声传播途径上所采取的噪声控制措施：吸声、隔声和消声，以及其相应的声学材料和声学器件。
一、吸声材料和吸声结构
在没有进行声学处理的房间里，人们听到的声音，除了由声源直接通过空气传来的直达声之外，还有由房间的墙面、顶棚、地面以及其它设备经多次反射而来的反射声，即混响声（reverberant sound）。由于混响声的叠加作用，往往能使声音强度提高10多分贝。如在房间的内壁及空间装设吸声结构，则当声波投射到这些结构表面后，部分声能即被吸收，这样就能使反射声减少，总的声音强度也就降低。这种利用吸声材料和吸声结构来降低室内噪声的降噪技术，称为吸声（sound absorption）。
1．吸声材料材料的吸声性能常用吸声系数（absorption coefficient）来表示。声波入射到材料表面时，被材料吸收的声能与入射声能之比称为吸声系数，用α表示。一般材料的吸声系数在0.01～1.00之间。其值愈大，表明材料的吸声效果愈好。材料的吸声系数大小与材料的物理性质、声波频率及声波入射角度等有关。
通常把吸声系数α＞0.2的材料，称为吸声材料（absorptive material）。吸声材料不仅是吸声减噪必用的材料，而且也是制造隔声罩、阻性消声器或阻抗复合式消声器所不可缺少的。多孔吸声材料的吸声效果较好，是应用最普遍的吸声材料。它分纤维型、泡沫型和颗粒型三种类型。纤维型多孔吸声材料有玻璃纤维、矿渣棉、毛毡、苷蔗纤维、木丝板等。泡沫型吸声材料有聚氨基甲醋酸泡沫塑料等。颗粒型吸声材料有膨胀珍珠岩和微孔吸声砖等。
表10-2 多孔材料的吸声系数α0
材料名称
厚度
密度
腔厚
频率（Hz）
材料名称
厚度
密度
腔厚
频率（Hz）
cm
kg/m3
cm
125
250
500
1000
2000
4000
cm
kg/m3
cm
125
250
500
1000
2000
4000
超细玻璃棉棉径
4μm
2
20

0.04
0.08
0.29
0.66
0.66
0.66
水泥木丝板
1.5
470
-
0.05
0.17
0.31
0.49
0.37
0.66
4
20

0.05
0.12
0.48
0.88
0.72
0.66
1.5
470
3
0.08
0.11
0.19
0.56
0.59
0.74
5
15

0.05
0.24
0.72
0.97
0.90
0.98
1.5
470
12
0.1
0.28
0.48
0.32
0.42
0.68
10
15

0.11
0.85
0.88
0.83
0.93
0.97
2.5
470
-
0.06
0.13
0.28
0.49
0.72
0.85
矿渣棉
5
175

0.25
0.33
0.70
0.76
0.89
0.97
2.5
470
5
0.18
0.18
0.50
0.47
0.57
0.83
矿棉板，表面压纹打孔
1.5
400

0.06
0.15
0.46
0.83
0.82
0.78
工业毛毡
1
370
-
0.04
0.07
0.21
0.50
0.52
0.57
1.5
400
5
0.17
0.48
0.52
0.65
0.72
0.75
3
370
-
0.10
0.28
0.55
0.60
0.60
0.59
1.5
400
10
0.21
0.44
0.52
0.60
0.74
0.76
5
370
-
0.11
0.30
0.50
0.50
0.50
0.52
甘蔗纤维板
1.5
220

0.06
0.19
0.42
0.42
0.47
0.58
7
370
-
0.18
0.35
0.43
0.50
0.53
0.54
2
220

0.09
0.19
0.26
0.37
0.23
0.21
聚氨酯泡沫塑料
3
45
-
0.07
0.14
0.47
0.88
0.70
0.77
2
220
5
0.30
0.19
0.20
0.18
0.22
0.31
5
45
-
0.15
0.35
0.84
0.68
0.82
0.82
水玻璃膨胀珍珠岩
10
250
-
0.44
0.73
0.50
0.56
0.53
-
8
45
-
0.20
0.40
0.95
0.90
0.98
0.85
10
350-
450
-
0.45
0.65
0.59
0.62
0.68

微孔砖
5

0.15
0.40
0.57
0.48
0.60
0.61
木纤维板
1.3
320

0.10
0.20
0.40
0.50
0.45
0.50

表10-3驻波法与混响室法的吸声系数换算表
α0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
αT
0.25
0.4
0.5
0.6
0.75
0.85
0.9
0.98

吸声材料的吸声系数是在实验室测量求得的。其测量方法有驻波管法和混响室法。表10-2是用驻波管法测得的常用吸声材料的吸声系数，用α0表示；表10-3是驻波管法与混响室法测得的吸声系数的换算，混响室法测得的吸声系数用αT表示。需要说明的是，本章所涉及的吸声系数，除特殊说明是混响室法系数αT以外，一般都是指驻波管法系数α0。
由表10-2可知，随着频率的升高，吸声系数增大。合理地增加多孔材料厚度、增大密度以及增加多孔材料后面的空腔厚度D，可以增加低频吸声系数。
2．吸声结构如前所述，多孔吸声材料对于高频声有较好的吸声能力，但对低频声的吸声能力较差。为了解决低频声的吸收问题，在实践中人们利用共振原理制成了一些吸声结构（absorptive structure）。常用的吸声结构有薄板共振吸声结构、穿孔板共振吸声结构和微穿孔板吸声结构。
（1）薄板共振吸声结构。把不穿孔的薄板（如金属板、胶合板、塑料板等）周边固定在框架上，背后留有一定厚度的空气层，这就构成了薄板共振吸声结构。它对低频的声音有良好的吸收性能。其构造与等效图如图10-3所示，薄板相当于质量块，板后的空气层相当于弹簧。当声波作用于薄板表面时，在声压的交变作用下引起薄板的弯曲振动。由于薄板和固定支点之间的摩擦和薄板内部引起的内摩擦损耗，使振动的动能转化为热能而使声能得到衰减。当入射声波的频率与振动系统的固有频率一致时，振动系统就会发生共振现象，声能将获得最大的吸收。
薄板共振吸声结构的共振频率f0一般在80-300Hz之间。f0可用下式估算：

（10-21）
式中，m—薄板面密度，kg/m2；
D—板后空气层厚度，cm。
由式（10-21）可知，增加薄板的面密度m或空气层厚度D，皆可使共振频率下移。
常用薄板结构的吸声系数列于表10-4。
表10-4 常用薄板共振吸声结构的吸声系数αT
材料与构造
空气层厚度（cm）
各频率下的吸声系数αT
125Hz
250 Hz
500 Hz
1000 Hz
2000 Hz
4000 Hz
三合板，龙骨间距45cm×45cm
5
0.21
0.73
0.21
0.19
0.08
0.12
10
0.59
0.38
0.18
0.05
0.04
0.08
五合板，龙骨间距
50 cm×45cm
5
0.11
0.26
0.15
0.04
0.05
0.10
10
0.36
0.24
0.10
0.05
0.06
0.16
草纸板，板厚2cm，龙骨间距45cm×45cm
5
0.15
0.49
0.41
0.38
0.51
0.64
10
0.50
0.48
0.34
0.32
0.49
0.60
木丝板，板厚3 cm，龙骨间距45cm×45cm
5
0.05
0.30
0.81
0.63
0.70
0.91
10
0.09
0.36
0.61
0.53
0.71
0.89
刨花压轧板，板厚1.5 cm，龙骨间距45cm×45cm
5
0.35
0.27
0.20
0.15
0.25
0.39
（2）穿孔板共振吸声结构。穿孔板共振吸声结构可以看作许多个单孔共振腔并联而成，其结构示意图如图10-4所示。单孔共振腔如图10-5所示，它是由腔体和颈口组成的共振结构，称为亥姆霍兹共振器。腔体通过颈部与大气相通，在声波的作用下，孔颈中的空气柱就象活塞一样作往复运动，由于颈壁对空气的阻尼作用，使部分声能转化为热能。当入射声波的频率与共振器的固有频率一致时，即会产生共振现象，此时孔颈中的空气柱运动速度最大，因而阻尼作用最大，声能在此情况下将得到最大的吸收。它的吸声频率与板厚δ、腔深D和穿孔率P有关。其共振频率f0由下式计算：

（Hz） （10-22）
式中 D—空腔深度，m；
d—小孔颈口直径，m；
P—穿孔率（穿孔的面积占总面积的百分数）；
lk—小孔的有效颈长，lk＝＋dπ/4，m；
δ—板厚，m；
c—声速，m/s。
这种吸声结构的缺点是对频率的选择性很强，在共振频率时具有最大的吸声性能，偏离共振频率时则吸声效果较差。它吸收声音的频带比较窄，一般只有几十赫兹到200Hz的范围。为了使其吸收声音的频带加宽，可在穿孔板后蒙上一层织物或填放多孔吸声材料。
（3）微穿孔板吸声结构。微穿孔板吸声结构是在普通穿孔板吸声结构的基础上发展起来的。普通穿孔板吸声结构的板厚一般为1.5～mm，孔径为2～15mm，穿孔率为0.5～5%左右.而微穿孔板吸声结构是一种板厚及孔径均为lmm以下，穿孔率为1～3%的金属穿孔板与板后的空腔组成的吸声结构。这是一种新型共振吸声结构，有较宽的吸声频带，并且不必填放多孔材料和织物，同样也能达到较高的吸声能力。
微穿孔板吸声结构具有美观、轻便的优点。特别适用于高温、潮湿和易腐蚀的场合。由于它阻力损失小，所以在动力机械中，为控制气流噪声提供较好的吸声结构。但微穿孔板吸声结构制造工艺复杂，成本较高，用于油污气体中容易堵塞，因此在工程技术中应根据实际情况合理使用。
如果采用双层或多层微穿孔板吸声结构，可使吸收频率范围加宽很多。图10-6是双层微穿孔板吸声结构示意图。穿孔板分为前后两层，前空腔深为80mm，后空腔深为120mm，前后微穿孔板的穿孔率P分别为2％和1％，孔径d和板厚δ均为0.8mm。
应当指出，利用吸声材料来降低噪声，其效果是有一定条件的。吸声材料只是吸收反射声，对声源直接发出的直达声是毫无作用的。也就是说，吸声处理的最大可能是将声源在房间的反射声全部吸收。故在一般情况下用吸声材料来降低房间的噪声其数值不超过10dB(A)，在极特殊的条件下也不会超过15dB(A)。而且，吸声处理的方法只是在房间不大或原来吸声效果较差的场合下才能更好地发挥它的降噪作用。
二、隔声构件和隔声材料利用木板、金属板、墙体、隔声罩等隔声构件将噪声源与接收者分隔开来，使噪声在传播途径中受到阻挡以减弱噪声的传递，这种方法称为隔声（sound insulation）。
噪声按传递方式可分为空气传声(简称为空气声)和固体传声(简称为固体声)两种。空气传声是指声源直接激发空气振动而产生的声波，并借助于空气介质直接传入人耳的。例如汽车的喇叭声以及机器表面向空间辐射的声音。固体传声是指声源直接激发固体构件（如建筑结构）振动后所产生的声音。固体构件的振动(如锤击地面)，以弹性波的形式在墙壁及楼板等构件中传播，在传播中向周围空气辐射出声波。
实际上，任何接受位置上均包含了两种传声的结果。辨明两种传声中哪一种是主要的，将有助于有效地采取隔声措施。对于前者，通常用重而密实的构件隔离；而对于后者，则通常采用隔振措施，例如通过弹簧、橡胶或其它弹性垫层予以隔离。本节主要讨论各种构件对空气传声的隔声原理和措施。
1,隔声构件的透声系数与透射损失声波在传播途径中碰到一个边界很大的屏障时，它的能量一部分被屏障反射，另一部分被材料吸收，还有一部分会透过屏障传到另一侧去，如图10-7所示。设入射到屏障上的总声能为Wi，反射声能为Wr，透过的声能为Wt，被材料消耗吸收的能量为Wa。它们的关系为,

(10-23)
吸声是将吸声材料 (或吸声结构)衬贴或悬挂在屏障甲侧，当声波入射到吸声材料表面时，依靠材料的吸声作用，减少声反射，从而使甲侧空间内噪声降低。
隔声是用隔声结构将噪声隔挡，减弱噪声的传递，使吵闹噪声环境（甲侧）与需要安静的环境（乙侧）分离隔开。隔声能力可用透声系数τ表示，它定义为：

(10-24)
透声系数τ是小于1的数，在完全透射情况下（即Wt=Wi），τ＝1。τ值越小，表示透过材料的声能越小，说明材料的隔声能力越好。
通常材料的τ值很小，而且各种不同材料的τ值变化很大（在1～10-6之间），使用起来很不方便。因此在实际工程中，常用透射损失（亦称隔声量）LTL来表示，其单位是dB。LTL与τ二者的关系为:

（10-25）
或
（10-26）
材料的隔声性能若用透射损失LTL表示，便可直接看出声能透过后衰减的分贝数。材料的LTL值越大，说明材料的隔声性能越好。综上所述，吸声与隔声的主要区别:
（1）两者降噪机理完全不同。吸声是利用吸声材料（吸声结构）的吸声作用，减弱声反射，使噪声降低；隔声则是利用隔声结构对声波起隔挡作用，减弱声透射，获得减噪效果。
（2）两者降噪措施的着眼点不同。吸声所注意的是在屏障甲侧（见图10-7）反射回来的声能（Wr）的大小，反射声越小，则吸声效果越好，因此采用吸收房内声能的措施；隔声所注意的是在屏障另一侧（图10-7中的乙侧）透过去的声能（Wt）的多少，透过声越小，则隔声效果越好，因此采用隔绝传到其他空间声能的措施。
（3）两者所用的材料不同。吸声多用轻而疏松的材料，隔声则选用重而密实的材料。
另外，在隔声设计中还可以充分利用有空气层相隔的双层墙板的隔声结构，它可使隔声量大大提高，这主要是因为夹层中空气的弹性作用，使声能得到衰减的缘故。如果隔声效果相同，夹层结构比单层结构的重量将减轻2/3～3/4。
2,隔声罩隔声罩（sound insulation encasing）是一种可取的有效降噪措施，它把噪声较大的装置封闭起来，可以有效地阻隔噪声的外传，减少噪声对环境的影响，但会给维修、监视、管路布置等带来不便，并且不利于所罩装置的散热，有时需要通风以冷却罩内的空气。隔声罩的设计应考虑如下要点：
（1）选择适当的形状。为了减少隔声罩的体积和噪声的辐射面积，其形状应与该声源装置的轮廓相似，罩壁尽可能接近声源设备的外壳；但也要考虑满足检修监测方便、通风良好、进排气及其消声器正常工作的要求。此外，曲面形体应有较大的刚度，有利于隔声。要尽量少用方形平行罩壁，以防止罩内空气声的驻波效应，使隔声量出现低谷。
（2）隔声罩的壁材应具有足够大的透射损失LTL。罩壁材料可采用铅板、钢板、铝板，壁薄、密度大的板材，一般采用2～3mm钢板即可。
（3）金属板面上加筋或涂贴阻尼层。通过加筋或涂贴阻尼层，以抑制和避免钢板之类的轻型结构罩壁发生共振和吻合效应，减少声波的辐射。阻尼层的厚度应不小于罩壁厚度的2～4倍，一定要粘贴紧密牢固。
（4）隔声罩内表面应当有较好的吸声性能。罩内通常用50mm厚的多孔吸声材料进行处理，吸声系数一般不应低于0.5。隔声罩基本构件的组成图10-8所示，它是在3mm厚的钢板上，牢固涂贴一层厚7mm的沥青石棉绒作阻尼层，内衬50mm厚的超细玻璃棉（容重25kg/m3）作吸声层，玻璃棉护面层由一层玻璃布和一层穿孔率为25％的穿孔钢板构成。这种构件的平均透射损失在34～45dB之间。
（5）隔振处理。隔声罩与机器之间不能有刚性连接，通常将橡胶或毛毡等柔性连接夹在两者之间吸收振动，否则会将机器的振动直接传递给罩体，使罩体成为噪声辐射面，从而降低隔声效果。机器与基础之间、隔声罩与机器基础之间均也需要隔振措施。
（6）罩壳上孔洞的处理。隔声罩内声能密度很大，隔声罩上很小的开孔或缝隙都能传出很大的噪声。研究表明，只要在隔声罩总面积上开0.01面积的孔洞，其隔声量就会减少20～25dB以下。若仍需在罩上开孔时应对孔洞进行处理：①传动轴穿过罩的开孔处加一套管，管内衬以吸声材料，吸声衬里的长度应大于传动轴与吸声衬里之间的缝隙15倍，这杨既避免了声桥，又通过吸声作用降低了缝隙漏声；②因吸排气或通风散热需要开设的孔洞，可设置消声箱来减声；③罩体拼接的接缝以及活动的门、窗、盖子等接缝处，要垫以软橡胶之类的材料，当盖子或门在关闭时，要用锁扣扣紧以保证接缝压实，防止漏声；④对于进出料口的孔一般应加双道橡皮刷，以便让料通过，而声音不易外逸。
虽然隔声罩的隔声量主要是由罩壁的面密度与吸声材料的吸声系数、吸声量、噪声频率所确定，但上述设计要点如不注意，也会影响隔声效果。
三、消声器消声器（muffler）是一种阻止声音传播而允许气流通过的器件，是降低空气动力性噪声的常用装置。评价消声性能的指标是消声量，主要有两种表达形式：插入损失（insertion loss）与传递损失（transmission loss）。插入损失LIL定义为系统中接入消声器前后，在系统外某定点测得的声压级Lp的差值。传递损失（也称传声损失，或透射损失）LTL是消声器入口处和出口处的声功率级LW的差值，它与反映构件的隔声性能的透射损失意义相同，因为消声器也可以看成是一个隔声构件。消声器的传递损失的表达式为：

（dB） （10-27）
消声器的型式很多，主要有阻性和抗性、阻抗复合型以及喷注耗散型等，部分消声器型式如图10-9所示。除(1)～(7)为阻性消声器，(12)、(13)为阻抗复合型消声器外，其余均属于抗性消声器。
1．阻性消声器阻性消声器，亦称吸收消声器（absorptive muffler），是利用吸声材料的吸声作用，使沿通道传播的噪声不断被吸收而逐渐衰减的装置。把吸声材料固定在气流通过的管道周壁，或按一定方式在通道中排列起来，就构成阻性消声器。其消声原理是：当声波进入消声器，便引起阻性消声器内多孔材料中的空气和纤维振动，由于摩擦阻力和粘滞阻力，使一部分声能转化为热能而散失掉，起到消声作用。
阻性消声器对中高频范围的噪声具有较好的消声效果，应用范围很广。它的型式有直管式、片式、蜂窝式、折板式、声流式、弯管式和迷宫式等多种，如图10-9中（1）～(7)所示。
2,抗性消声器抗性消声器，亦称反应消声器（reactive muffler），是由声抗性元件组成的消声器。声抗性元件类似于交流电路中的电抗性元件电容或电感，是对声压的变化、声振速度变化起反抗作用的元件，它们不消耗声能，但可贮蓄与反射声能。抗性消声器的特点是：它不使用吸声材料，而是在管道上连接截面突变的管段或旁接共振腔，利用声阻抗失配，使某些频率的声波在声阻抗突变的界面处发生反射、干涉等现象，从而达到消声的目的。抗性消声器对低中频范围的噪声具有较好的消声效果，它的型式有扩张室式、共振腔式、微穿孔板式和干涉型等多种，其结构简图见图10-9，(8)和(9)均是扩张室式，(10)是共振腔式，(11)是微穿孔板式，（14)是干涉型。
（1）扩张室消声器。扩张室消声器也称为膨胀室消声器，由管和腔适当组合而成，分为单节式和多节式，见图10-9(8)和(9)。它是利用管道截面的突变（即声抗的变化）使沿管道传播的声波向声源反射而通不过消声器，从而使声能反射回原处，达到消声目的。
单节扩张室消声器只能对某些频率成分起消声作用，而让另一些频率成分顺利通过，由于噪声的频率范围一般较宽，因而必须对扩张室消声性能进行改善处理。一般采用以下两种方法：①在扩张室消声器两端插入内接管，插入长度分别取为扩张室长度的1/2和1/4；②用多节不同长度的扩张室串联，使它们的通过频率互相错开，以提高总消声量和改善消声器的频率特性。在工程实际中，为了获得较高的消声效果，通常将这两者结合起来应用。
（2）共振腔消声器。共振腔消声器消声原理是利用声波频率与共振腔固有频率一致时对声能的衰减达到最大进行消声。与扩张室消声器相比，共振腔消声器具有消声频带较窄，在共振频率附近消声量较大的特点，适用于具有单峰值频率、且峰值较突出的高噪声场合。设计时要求共振腔消声器的共振频率与声波的主频率一致。图10-9(10)为旁支式和同心式共振腔消声器结构简图。
（3）微穿孔板消声器。微穿孔板消声器是利用微穿孔板吸声结构制成的消声器，是我国噪声控制工作者研制成功的一种新型消声器。它的消声原理实际上与共振腔消声器相同，其特点是不采用任何多孔吸声材料，而是在薄金属板上钻许多微孔起到吸声作用，故可作为阻性消声器处理。通过选择微穿孔板上的不同穿孔率与板后的不同腔深，能够在较宽的频率范围内获得良好的吸声效果。微穿孔板消声器的型式如图10-9(11)所示。
（4）干涉型消声器。干涉型消声器是利用支管长度比主管长度长，并且多出的长度正好是1/2声波波长的奇数倍，如图10-9(14)所示，这样支管声波与主管声波在振幅上相等，而在相位上相差180°的奇数倍，从而达到相互干涉而抵消，来实现消声的目的。干涉型消声器适用于消减某保持不变的单一频率的噪声，对于宽频带噪声，这种型式消声器无效。
近代出现的电子有源消声器也是利用声波的干涉来消声的，故也属于干涉型消声器。它对于低频噪声的控噪、个人防噪和局部防噪尤为合适。图10-10是管道上使用电子消声器的基本原理图。传声器2接受从噪声源1传来的噪声，经过电子线路的相移、放大后，由扬声器3辐射二次噪声。调节放大倍数和改变相移（延迟时间），便能使管道“下游”的噪声得到控制。
3,阻抗复合型消声器阻抗复合型消声器（hybrid muffler），就是将阻性消声部分与抗性消声部分串联组合而形成，如图10-9中(12)、(13)分图所示。一般阻抗复合型消声器的抗性在前，阻性在后，即先消低频声，然后消高频声，总消声量可以认为是两者之和。但由于声波在传播过程中具有反射、绕射、折射、干涉等特性，其消声量并不是简单的叠加关系。阻抗复合型消声器兼有阻性和抗性消声器的特点，可以在低、中、高的宽广频率范围获得较好的消声效果。
4．喷注耗散型消声器喷注耗散型消声器（jetting muffler）用于控制喷注噪声（也即排气放空噪声），它是从声源上降低噪声的，常用的耗散型消声器有:小孔喷注消声器、节流降压消声器与多孔扩散消声器等型式。
（1）小孔喷注消声器。由于喷注噪声的峰值频率与喷口直径成反比，减小孔径虽然使高频声增高，但人耳听不见，而人耳所能听得到的低频声却降低了。小孔喷注消声器就是采用这种原理，将一个喷口喷注改用许多足够小的小孔喷注，使噪声能量从低频移向人耳不敏感的高频范围，从而使干扰噪声减少，但排气量保持不变。图10-11所示是小孔喷注消声器的示意图。
显然，小孔的直径越小，这种消声器的消声量越显著。一般孔径减半，可使消声量提高9dB(A)。从便于加工和避免堵塞考虑，小孔孔径D以1～3mm为宜。如果孔径大于5mm，小孔的消声效果就会降低而成为大孔扩散器。另外，各小孔之间的距离B不能太小，以免各小孔的小喷注再汇合成大喷注，降低消声效果。孔心距可用下式估算：

(10-28)
（2）节流降压消声器。节流降压消声器的原理是节流降压作用，它一般由多级节流孔板串联而成，其相邻级的孔板间隙为均压的腔室，这样就把原来的高压气体直接喷注排空的一次大的压力降分散成为多级的小压力降。图10-12为高压排气中采用的一种节流降压消声器的示意图，消声值为23dB(A)。
（3）多孔扩散消声器。多孔扩散消声器是利用烧结的金属或塑料、多孔陶瓷、多层金属丝网等多孔材料来降低空气动力性噪声，其结构如图10-13所示。排放气流被带有的大量细小孔隙(孔径达10-2μm)的多孔材料滤成无数个小的气流，降低了气体压力，大大减弱了辐射噪声的强度。同时这类多孔材料还具有阻性材料的吸声作用。多孔扩散型消声器中的各小孔间的中心距与孔径之比比较小，不能忽略孔后气流混合后产生的噪声，这是其与小孔喷注消声器的不同之处。设计这种消声器的有效出流面积要大于排气管道的横截面积，如果扩散面积足够大，它可比小孔喷注消声器的降噪效果还要好，可以取得30～50dB(A)的消声效果。
第三节 常见噪声及其控制技术如前所述，我们把振动发声的物体称为声源，声源有固体的、液体的和气体的。根据声源通常把噪声分为机械性噪声和空气动力性噪声两大类。确定噪声控制措施时，应从形成噪声的三个环节考虑：①从声源根治噪声；②在噪声传播途径上采取控制措施；③在接受点采取防护措施。下面将主要介绍机械噪声、流体机械噪声和交通噪声的产生及其控制措施。
一、机械噪声及其控制机械噪声（mechanical noise）是由于固体的机械部件振动产生的。如冲床的冲压声、锻锤的锻打声、车床的切削声、齿轮啮合声等都属于机械噪声。机械噪声来源于机械部件之间的交变力，按其特性一般分为三类：撞击力、摩擦力和周期性作用力。例如锻锤是以撞击力为主，砂轮是以摩擦力为主，偏心轮以周期性作用力为主，而齿轮啮合则同时兼有这三种力的作用。机械部件分别在这三种力作用下振动产生的噪声分别称：撞击噪声、摩擦噪声和周期作用力激发噪声。
1,撞击噪声利用冲击力做功的机械（如冲床、锻锤和凿岩机等）在工作时，会产生由撞击引起的脉冲噪声，称之为撞击噪声（impacting noise）。现以锻锤为例分析撞击噪声的发声机制，有以下四种：①撞击瞬间，由于物体间的高速流动空气所引起的喷射噪声；②撞击瞬间，在锤头、锤模、铁钻碰撞面上产生突然变形，以至在该面附近激发强的压力脉冲噪声；③撞击瞬时，由于部件表面的变形，在这些部件表面的侧向产生突然的膨胀，形成向外辐射的压力脉冲噪声；④撞击后引起的受撞部件结构共振所激发的结构噪声。
以上四种噪声，以结构噪声影响最强，其辐射噪声的维持时间最长，可达100毫秒。撞击激励频率与撞击的物理过程有关，较硬的光滑物体相撞、则作用时间短，作用力大，激励的频带宽，激发的振动方式就多，呈宽频带撞击噪声；较软的不光滑的物体相撞，则作用时间长，作用力小，激励的频带窄，激发的振动方式少。如冷锻或空气锤就比热锻辐射较强的撞击噪声，且具有较多的频率成分 (向高频范围发展)。另外三种机制产生的撞击噪声是在撞击瞬间产生的一次压力脉冲，其强度很高，在锻锤附近可达155dB（A），但其维持时间较短，最长不过几毫秒。
其它类似的机械撞击，如冲床的冲压声、凿岩机中活塞与扦杆的撞击声、金属的互碰声等均是以结构在撞击后的鸣响声为主。所以，结构噪声在整个撞击噪声中占有重要地位。降低结构噪声是控制撞击噪声的主要途径，其具体措施是增加结构的阻尼。
2．摩擦噪声物体在一定压力下相互接触并作相对运动时，则物体之间产生摩擦，摩擦力以反运动方向在接触面上作用于物体。摩擦能激发物体振动并发出声音。如二胡与提琴，就是弓丝在琴弦上摩擦引起琴弦振动并激发琴体共振而发声的。但是，工业生产和日常生活中所产生的摩擦声多是令人生厌的噪声，如汽车的刹车声等，我们称之为摩擦噪声（fricative noise）。
摩擦噪声产生的过程大致如下，每当一个物体滑过另一个物体时，这个物体受到使其运动的拉力与阻碍运动的摩擦力的两种作用，使物体变形。当作用力继续增加，形变相应增大，形变弹力最终克服静摩擦力，于是产生“跳脱”。所谓跳脱就是物体以跳跃形式位移到新的位置上，弹性变形也就消失了，以后整个过程又照原样重复。物体连续跳脱而产生张驰振动就是由摩擦引起的振动。摩擦引起的张弛振动强度与摩擦力有关，摩擦力大则振动幅值大。但张弛振动频率与摩擦力大小无关。当张弛振动频率等于物体固有频率时，产生共振，便形成强烈的振动和噪声。
车刀切削金属时，会产生类似轧轧的声音，这是车刀受到加工件横向摩擦力与车屑纵向摩擦力作用而引起振动的结果。这种振动是有害的，不仅使加工面质量变坏，且使车刀磨损增大。调节进刀速度和深度，加入切削液，或改进车刀形状，能避免这种现象。
克服摩擦噪声的基本方法是减小摩擦力，一般施加润滑剂能减小摩擦噪声，如齿轮、轴承等不可在缺油状态下工作，否则噪声就高。
3．周期作用力激发噪声在旋转机械中常常存在着周期性作用力（periodic force）。最简单的周期力是由于转动轴、飞轮等转动系统的静、动态不平衡所引起的偏心力。这种作用力正比于转动系统的质量和静、动态的合成偏心距，也正比于转动角速度的平方。当转动系统转速达到其临界转速时，则该系统自身便产生极大振动，并将振动力传递到与其相连的其它机械部分，激起强烈的机械振动和噪声。周期力的作用会由于机件缝隙的存在、结构刚度不够或磨损严重而增大，又进一步增强撞击和摩擦而激发更强的机械振动和噪声。
若机械转速不高，则周期力的变动频率并不高，但这种低频率的周期力能激发较高频率的振动。当受振零部件的固有振动频率等于周期力频率的整数倍时，则会使零部件产生强烈的共振，从而产生强噪声。当周期性作用力的频率高到一定程度，而且受力零部件表面积又足够大时，则受迫振动噪声突出；这种受迫振动噪声一般以结构噪声为主。
对于机械噪声的控制，其主要途径是避免或减少撞击力、周期力和摩擦力，这可以通过改进机械设备的结构，改变操作工艺方法，提高加工精度和装配质量等措施来实现。如用液压代替锻压，用焊接代替铆接，提高加工工艺和安装精度，使齿轮和轴承保持良好润滑条件等。为减小机械部件的振动，可在接近力源的地方切断振动传递的途径，如以弹性连接代替钢性连接或采用高阻尼材料吸收机械部件的振动能。在机械设计上可尽量减少附件，并注意提高机件的刚度，以减小噪声辐射。
二、流体机械噪声及其控制流体机械是指广泛应用于工矿企业的液压和气动系统。下面分别对液压和气动系统中的噪声源加以介绍。
1,液压系统噪声液压系统由液压泵，液压缸或液压马达，各种控制压力、流量和流向的阀门以及油箱、管路等辅助元件组成。液压系统噪声源主要来自于液压泵、阀门和管路。
（1）液压泵噪声。液压泵是液压系统的动力源，它能产生两类噪声：流体动力性噪声和机械噪声。流体动力性噪声是由于液压泵工作时，连续出现动力压强脉冲，从而激发泵体、阀门和管道等部件振动而辐射的噪声。泵的机械噪声是由于泵体内传递压力的不平衡运动，形成部件间的冲撞力或摩擦力，从而引起结构振动而产生的声音。这种噪声不仅与泵的种类和结构有关，还与零件的加工精度、泵体的安装条件和维护保养等有关。
一般液压泵以螺旋泵噪声最小，离心泵和活塞泵次之，齿轮泵噪声较大。为消除和减弱泵的噪声，可选用高内阻材料制作泵体，如用铜锰合金代替铸钢制造的泵体，其噪声可降低10～15dB；还可以提高零件的加工精度、改善其安装条件、加强维护保养等。
（2）阀门噪声。具有节流或限压作用的阀门，是液体传输管道中影响最大的噪声源。当管道内流体流速足够高时，由于阀门的部分关闭，会在流体中形成气泡，气泡随压力的变化相继破裂，引起流体中无规则的压力波动，由此而产生的噪声叫空化噪声。
在流量大、压力高的管路中，几乎所有的节流阀门均能产生空化噪声，空化噪声频谱呈宽带，不但能沿管道顺流而下传播很远，它还能激发阀门或管道中可动部件的固有振动，并通过这些部件作用于其它相邻部件传至管道表面，产生类似于金属相撞的有调噪声。
空化噪声的声功率与流速的七次方或八次方成正比。为了降低阀门噪声，可以采用多级串接阀门，逐级降低流速。
（3）管路噪声。管路噪声主要有以下几个来源：①流体流经管道时，由于湍流和摩擦激发的压强扰动产生涡流噪声；②若管路设计不当，会产生空化噪声；③泵体噪声和阀门噪声沿管体传播并透过管道壁面辐射出去，管道愈长愈粗，辐射愈强。
以上管路噪声，来源于泵体和阀门的噪声占主要地位，因此，要降低管路系统噪声，应尽量选用和设计低噪声阀门、低噪声泵。为避免流体动力性噪声，管路设计要合理，如管内流体流速不可过高，避免直拐弯和截面突变，弯头半径最好大于管道直径5倍，不同管径的管道连接应逐渐过渡等。为避免结构振动的传递，可在泵的进出口、阀门前后各加一段弹性管。为降低管道壁面的振动，也可用各种各样的内衬毛毡、橡胶等高内阻材料的管道夹子，在管道振动较强烈的地方，分段将管子钳住。另外，对泵体和管路的支撑结构也要注意采取隔振措施，如减振隔声套等。
2,气动系统噪声气动系统与液压系统原理相同，只是所用的流体是空气，动力源为空气压缩机和风机。气动系统噪声主要是由于高速气流、不稳定气流以及气流与物体相互作用而产生的噪声，也称空气动力性噪声。按空气动力性噪声产生的机制和特性，又可分为喷注噪声、涡流噪声、旋转噪声和周期性进排气噪声等。
（1）喷注噪声。气流从管口以介于声速与亚声速之间的高速喷射出来所产生的噪声称为喷注噪声，亦称喷射噪声或射流噪声。当气体由喷嘴（或排气管）喷出形成喷注时，高速气流会冲击和剪切周围静止空气，引起剧烈的气体扰动而辐射噪声。喷嘴形状不同，气流在喷嘴处的流动特性不同，产生的喷注噪声强度和特性也有所不同。实验表明，对于一般排气管或收缩喷嘴，在距离喷口4～5倍喷口直径处，喷射噪声最强，所以应在距喷口距离为喷口直径6倍的区域内设法降低噪声。一般可选用喷注耗散型消声器来降低喷注噪声。
（2）涡流噪声。当气流饶流障碍物时，由于空气分子粘滞摩擦力的影响，具有一定速度的气流与障碍物背后相对静止的气体相互作用，在障碍物下游区形成两列涡旋（即卡门涡旋）气流。这些涡旋在障碍物背后两侧交替出现，并且旋转方向相反地脱离障碍物。当它所引起的气流压强的脉动频率在可听频率范围、且强度足够大时，则辐射出的噪声称为涡流噪声。大风吹过电线发出的哨声，狂风吹过树林发出的呼啸声，都是生活中常见的涡流发声现象。总之，当气体与物体以较高的速度相对运动时就能产生涡流噪声。
在气流管道中存在障碍物（如阀门、导流器、扩散器等）时，除了涡流噪声外，还常常因为这种涡流噪声频率与障碍物的固有频率相吻合而使噪声放大，这又产生了机械噪声。
涡流噪声频率可以按下式计算：

（10-29）
式中，St为斯多哈尔数；v为管道中气流的流速，m/s；d为障碍物的特征尺寸，m。
为降低涡流噪声，应减少气流管道中障碍物的阻力，如把管道中的导流器、支撑物改进成流线型，表面尽可能光滑；也可调节气阀或节流板等，并用多级串联降压方法，以减弱噪声功率。
（3）旋转噪声。旋转的空气动力机械，如飞机螺旋桨，叶片旋转时与空气相互作用而连续产生压力脉动，进而辐射噪声。由于螺旋桨的运动是周期性的旋转运动，噪声声场也绕螺旋桨轴线旋转，故名之为旋转噪声。旋转噪声的频谱是离散的，其基频等于叶片数目与旋转频率的乘积：f1＝nz/60，式中n为叶片每分钟转动速度；z为叶片数。
（4）周期性进排气噪声。周期性进排气噪声，是一种影响较大的空气动力性噪声。内燃机、活塞式（或称容积式）空气压缩机的进排气噪声都是周期性的。对于容积式压缩机，周期性进、排气噪声分别是由于活塞运动时进、排气阀周期性开闭而产生的压力脉动所引起的，峰值多为低、中频，并伴有高速气流流经气阀产生的涡流引起的连续高频的湍流噪声。由于活塞运动并经气阀周期性开闭的调制的气流所引起的噪声，其主要峰值频率为:

（Hz） （10-30）
式中 n—压缩机转速，r/min；
z—并联的同级气缸数；
τ—对于压缩机，它是由活塞是单侧还是双侧并联工作所确定的系数，对单作用压缩机，τ＝1，对于双作用压缩机，τ＝1/2；
i—谐波次数，i＝1,2,3…
对于直接从大气吸气的空气压缩机，其进气噪声直接向周围空间辐射，故较其它部位辐射的噪声高出5～10dB(A)，而成为压缩机的主要噪声源，并呈低频声，波及范围较宽。而排气噪声通常由排气口向密闭的容器内辐射。内燃机、容积式压缩机以及各种风动工具等产生的进排气噪声，可用节流孔板，以及扩张室或共振腔等形式的抗性消声器予以降低。
三、交通噪声及其控制随着各国汽车工业的迅速发展，交通噪声（traffic noise）日益成为城市噪声的主要污染源，特别是在像中国这样的发展中国家，交通噪声的污染问题更加突出。交通噪声最根本的声源是汽车本身及其组成的车流，因此控制交通噪声最有效的方法就是控制汽车噪声和交通噪声声源。
汽车本身是一个综合声源，主要有与发动机转速有关的声源，包括进、排气噪声，冷却系统风扇噪声，发动机表面辐射噪声，空气压缩机和发电机发出的噪声，以及与车速有关的声源，包括：传动机构噪声，轮胎噪声和车体行驶产生的空气动力性噪声。图10-14表明这些基本噪声源的部位。其中，以排气噪声、发动机噪声、轮胎噪声的影响较大。
以常速（30～50km/h）行驶的汽车，主要声源是低、中频的排气噪声与发动机噪声。当车速超过5Okm/h以上时，轮胎噪声开始突出。随着车速的增加，高频成分噪声和车体逆风行驶的空气动力性噪声也逐渐增加，在混凝土路面上的时速每增加15km/h，该噪声增高2.5dB。当车窗全开时噪声增高5～15dB。瞬时发生的喇叭噪声，其强度虽超过其它噪声，但已有城市交通法规予以控制。
1．排气噪声及其控制排气噪声通常比发动机中其它声源高出10～15dB，是汽车发动机中最主要的噪声源，由周期性排气噪声、湍流噪声和排气系统内气柱共鸣声所组成。
周期性的排气噪声是由于排气阀门周期性开启时，缸内气体急速排出，在排气阀门附近产生压力脉动形成声波而产生的，是排气噪声中最主要的组成部分。这是一种典型的低频噪声，它含有几个窄带的尖峰，其峰值频率按式(10-30)计算，对于四冲程发动机，式中τ＝2；二冲程发动机，τ＝1。大多数排气噪声中，i＞3的高次谐波分量都较低。
涡流噪声是高速气流通过排气阀门和排气管道时产生的，是连续谱，频率在1000Hz以上，且随着气流速度提高频率显著增加。
排气系统管道中的气柱，在周期性排气噪声的激发下会产生某些离散频率的共鸣声，其频率为：

（Hz） （10-31）
式中 c—声速，m/s；
l—进、排气管长，m；
i—谐波次数，i =1,2,3…。
若该频率与周期性排气噪声的基频一致，则共鸣声显著增大。排除那些与转速无关的峰值，通常就是气柱的共鸣声。
影响排气噪声的主要因素是发动机转速、排量、气缸内压力、排气阀门直径与其开启特性以及气缸的平衡特性。安装消声器是控制排气噪声最有效的措施。汽车消声器必须适应高温(300～500℃)、高速(50～80m/s)的脉动排气气流，并满足结构紧凑、尺寸不大及阻力小(功率损失小于5％左右)的要求。此外，由于消声器中的气流速度增大会产生“再生噪声”，后者与气流流速的6～8次方成正比，并大大增加了高频声，故应限制消声器内的气流速度，一般控制在50m/s以下为好。在这种条件下，若再合理选择消声器结构，将其容积设计为发动机排量的4～5倍，则噪声可降低30dB，功率损失小于4％。图10-15是两种车辆用消声器的结构示意图，它们是由几节不同尺寸的扩张室与共振腔适当组合而成的。
2．发动机表面辐射噪声及其控制发动机表面辐射噪声是由燃烧噪声和机械噪声引起发动机壳体振动而产生的。
（1）燃烧噪声及其控制。燃烧噪声是由于气缸内气体受压缩并燃烧产生的呈周期变化的气体压力作用在活塞与气缸壁上而产生的，主要决定于速燃期内压力迅速增高的程度。燃烧噪声与其燃烧方式、发动机结构、转速、排量、负荷等因素有关。随着转速的增加，速燃期的压力增长率dp/dt也相应增加，转速每增加10倍，柴油机和汽油机的缸内气体压力频谱曲线分别向上移动30dB(A)和50dB(A)，同时噪声级也分别增加30dB(A)和50dB(A)，这表明燃烧噪声与发动机噪声密切相关。此外，发动机排量VH、缸径D，行程s与缸径比s/D等参数对噪声都有较大影响。其中噪声强度与VH1.75、D5成正比，在VH不变的条件下s/D愈小，则活塞上的气体力就愈大，噪声就可能增加，例如一台八缸柴油机，在VH为lL，s/D为1.0的噪声较s/D为0.8的噪声减小3dB(A)。
控制燃烧噪声的措施有:①用球形燃烧室代替ω型燃烧室，使着火落后期内形成并积聚的混合气量减少，避免气缸压力急剧升高，可使柴油机总噪声减少3～6dB；②减小喷油提前角θ，可使缸内压力的增长率下降，对于直接喷射发动机，θ每减小10°，噪声值可降低6dB；③在保证发动机正常工作条件下，合理选择发动机的参数以降低噪声。
（2）机械噪声及其控制。机械噪声由活塞敲击噪声、配气机构噪声、供油系统噪声与齿轮噪声等组成。其噪声的频率范围见表10-5。
活塞敲击声是由于活塞与气缸壁之间间隙过大，以及作用在活塞上的气体压力、惯性力和摩擦力周期性的变化。敲击不但在上、下止点附近发生，也发生在活塞行程的其他位置上，冷车起动时，这种敲击声尤为明显。控制活塞敲击声的措施是减少活塞与气缸壁之间的的间隙，加长活塞裙部或者将活塞销孔向主推力方向偏移一段距离。
配气机械噪声是由于气阀开、关闭时的撞击所造成。气阀开启的噪声主要频率在以1000Hz为中心频率的倍频程的频率范围。气阀关闭的噪声主要频率在以2000、4000Hz为中表10-5 发动机噪声源主要频率范围噪声源
主要频率范围（kHz）
噪声源
主要频率范围（kHz）
燃烧噪声
1～10
活塞敲击声
2～8
配气机构噪声
0.5～2
喷油泵噪声
2以上
齿轮噪声
4以下
进气噪声
0.05 ～0.5
排气噪声
0.5～5
风扇噪声
0.2～2

心频率的倍频程范围内。气门运动速度增加则噪声成正比增加。减少气门噪声的方法有适当减少气门间隙、采用新型函数凸轮廓线（例如采用n次谐波凸轮）、避免气门结构共振、提高凸轮的加工精度和表面光洁度等。
柴油机中，由喷油器和喷油泵产生的供油系统噪声在发动机噪声中所占比例不大。
（3）减少发动机结构对燃烧噪声和机械噪声的动态响应。措施有:①采用隔振油底壳、阻尼减振的皮带轮等进行阻尼控制；②增加发动机壁厚以增加其弯曲刚度和固有频率进行刚度控制，从而减少对振动的响应，可大大减小发动机表面所辐射的声功率。
3．轮胎噪声由轮胎花纹和路面之间相互挤压空气所产生的轮胎噪声（tyre noise）是一种高频性噪声，其中轮胎花纹形状是影响轮胎噪声的重要因素，图10-16是当车速≥5Okm/h时在混凝土路面上不同轮胎花纹及形状所对应的噪声级。由图可见，竖肋状花纹噪声较小，而横肋状花纹噪声较大，当车速达到5Okm/h以上时，轮胎噪声就明显增大。
此外，轮胎噪声还与车辆负荷和路面情况有关。车辆负荷加倍，轮胎噪声增加2dB左右。湿沥青或水泥路面比相应干燥的路面噪声高8～1OdB。粗糙不平的路面较平滑路面的噪声高3～5dB。
随着越来越多高速公路的开通，轮胎噪声将成为较突出的问题。因此，机动车辆应尽量选择低噪声轮胎花纹。
第四节 振动控制一、振动基础机械振动（mechanical vibration），是物体（或物体的一部分）沿直线或曲线并经过平衡位置所作的往复的周期性运动。它广泛存在于自然界和工程界。
按照振动系统中是否存在阻尼作用，振动分无阻尼振动（non-damping vibration）和阻尼振动（damping vibration）；按照对系统所施加作用力的形式，振动又可分为自由振动（free vibration）和强迫振动（forced vibration）。下面分别进行分析。
1,无阻尼振动
（1）自由振动。自由振动是一种假定仅在振动初始时刻有外力作用的振动。图10-17（a）是一个由弹簧K、质量m组成的集中参数模型，以系统处于静平衡（即没有外力作用）时质心的位置为平衡位置，在初始时刻给m一个位移x0后放开。按照虎克定律，在弹簧的弹性范围内，质量m相对于平衡位置的位移x与它所受弹力F的关系可表示为：

（10-32）
式中 k是弹簧的弹性系数，负号表示力与位移的方向相反。又由牛顿第二定律F＝ma（a为质量块的加速度）代入式（10-32）得到如下运动方程：

（10-33）
设
，求解这个方程，则得：

（10-34）
式中，ωn—系统的固有角频率，
。

（10-35）
式（10-35）表示质量块的位移随时间作正弦规律的运动，这种随时间作正弦或余弦规律的运动一般称为简谐运动。更一般地，若用A表示振幅，φ表示t=0时的初相位，则简谐运动方程可写成下面较普遍的形式：

（10-36）
由式（10-36）可知，无阻尼自由振动的振幅和能量都不随时间的推移而变化，因而其以固有频率为振动频率的简谐振动会一直持续下去。
（2）强迫振动。强迫振动是系统在外部交变力作用下所作的振动。设强迫力为
，则图10-22（a）所示的系统运动方程为：

（10-37）
设ω≠ωn，求解式（10-37）得：

（10-38）
式（10-38）中A和B是由初始条件决定的值。在稳定状态下，式（10-38）右边第2项可忽略不计，因此得：

（10-39）
式（10-39）中，若设
，则有：

（10-40）
这个比值叫振幅放大系数，当ω＝ωn时为无穷大；当ω/ωn＜
时比1大；而当ω/ωn＞
时比1小。
2,阻尼振动上述无阻尼振动的情况只是一种理想情况，而在实际上，阻尼总是无法避免的，振动物体最初获得的能量，在振动过程中会不断地消耗，振幅也越来越小，直到最后停止。这种由于克服摩擦或其它阻力而使能量和振幅逐渐减少的振动叫阻尼振动。参看图10-22（b）所示的模型。
（1）自由振动。对于图10-17（b）所示的模型，若不受外力作用而初始位移为x0，则其运动方程为：

（10-41）
式中c是系统的粘性阻尼系数，对于小振幅振动，可以认为阻尼力与速度呈线性关系，即
（负号表示阻尼力总是与系统的运动方向相反）。
用表达式
表示系统的阻尼比，这里一般取
，求得式（10-41）所示二阶齐次常微分方程的解为：

（10-42）
或
（10-43）
式（10-43）中的
，与无阻尼时的自由振动方程的解式（10-34）比，不但振动的振幅逐渐衰减，振动的频率也降低了。可以证明系统振动的能量也是按指数规律衰减的。
（2）强迫振动。对于图10-22（b）所示的模型，若在正弦交变力作用下，则其运动方程为：

（10-44）
仍设阻尼比
，求解上式，可得：

（10-45）
在稳定状态下，上式中第2项会随时间很快衰减掉，因而式（10-45）简化为：

（10-46）
所以，位移振幅放大系数可用下式表示为：

（10-47）
将式（10-47）用图形表示出来，如图10-18所示。当
时，随着阻尼比的增大，共振时的幅值减小。可以求出出现最大振幅的频率比为：

（10-48）
此时的最大振幅放大系数为：

（10-49）
由式（10-46）可以求得系统在强迫振动时的加速度
，进而得其加速度振幅放大系数,
（10-50）
加速度振幅放大系数与阻尼比和频率比的关系曲线如图10-19所示。由图10-18和图10-19即可知位移和加速度相对于静态基准值的变化情况。
3．振动的度量—振动级物理上振动的表示方法一般有位移、速度和加速度等，人能感觉到的振动加速度的范围约lGal（伽，0.01m/s2）到1000Gal（10m/s2）。但对于振动公害，通常采用加速度来度量，振动的加速度度量与噪声的声压级一样，是用dB表示的，叫振动加速度级（VAL：vibration acceleration level），其定义如下：

（dB） （10-51）
式中 arms——振动加速度有效值（m/s2）。
所谓有效值是指把波形上各点的瞬时值的均方根值，在正弦振动的情况下为:

（m/s2） （10-52）
式中 am——振动加速度幅值。
其次，全身振动经人体感觉修正以后叫振动级VL（vibration level）:

（dB） （10-53）
式中，
—感觉修正值(由表10-6和表10-7给出)。
表10-6 垂直振动的修正值频率（Hz）
1
2
4
8
16
31.5
63
90
Cn（dB）
-6
-3
0
0
-6
-12
-18
-21
表10-7 水平振动的修正值频率（Hz）
1
2
4
8
16
31.5
63
90
Cn（dB）
3
3
－3
－9
－15
-21
-27
-30
振动级分别为60，80及100时，与其对应的表现分别为几乎所有的人都感到振动，电灯摆动、门和屏风发出响声及墙壁开始裂缝、墓碑倒下。
二、振动对人体健康的的危害振动是产生噪声的根源，噪声的危害已在本章第一节介绍过，而振动本身也具有很大的危害。如人长期处于强的振动下，会造成机体的损伤，引起各种病症，而且振动还会损坏机械设备和建筑结构，甚至导致机体破裂、建筑结构倒塌等。
根据振动作用于人体的部位，一般分为全身振动和局部振动。如坐车、乘船可出现晕车、晕船现象，即属于全身振动；由于使用锯、凿岩机、砂轮等振动工具而引起的手指麻木、疼痛等症状，即属于局部振动，但有时两者对机体的影响很难严格区分。
一般造成公害的振动是频率为1～90Hz的全身振动，多数振动度为60～80dB。危害范围多数在离振源100m之内。
1,振动对人体的影响振动对人体的影响与振动的频率、振幅或加速度、受振动作用的时间以及人的体位等方面的因素有关。
（1）振动的频率对人体的影响。人体是一个弹性体，骨骼接近一般固体，但比较脆；肌肉比较柔软。人体有不少的空腔和弹性系统。振动的频率对人体的主观影响通常起主导作用。因为身体各部分器官都有其固有频率，当外来的振动频率与人体上某一部分器官固有频率一致时，会引起那部分器官共振，因而对那部分器官影响也最大。
在低频和低振级的情况下，若把人体看作一个机械系统，可简化为图10-20所示的等效机械系统。图中是按线性的集中参数考虑近似简化的。
人体各部位的共振频率，全身为6Hz，腹腔为8Hz，胸腔为2～12 Hz，头部为17～25Hz。人体系统对振动的效应，最主要的部件是“胸—腹”系统。而“胸—腹”系统对频率为3～8Hz的振动有明显的共振响应。所以频率为3～8Hz的振动对人体影响和危害最大。在频率为60～90Hz范围的振动，人体感到扰动，是由于眼球共振。在100～200Hz范围内，还发现“下颚—头盖骨”系统有共振响应。
（2）振动的振幅或加速度对人体的影响。振动对人体的影响，常因振幅或加速度的不同而表现出不同的效应。当振动频率较高时，振幅起主要作用，比如作用于全身的振动在频率为40～102Hz时，一旦振幅达0.05～1.3mm，便对全身起有害作用。高频振动主要对人体各组织的神经末稍发生作用，引起末梢血管痉挛的最低频率是35Hz。
当振动频率较低时，则振动加速度起主要作用。试验表明，人体处于匀速运动状态下是无感觉的，而且匀速运动的速度大小对人体也不产生任何影响。例如地球基本是处于匀速运动的（赤道上的自转速度为46.3m/s，地球平均公转速度为29,800m/s），人类生存在地球上，并没感觉到地球的运动。人处在变速运动状态时，就会受到影响。
对于全身振动，加速度在0.00036～0.002g（1g＝9.8m/s2）范围内，人体刚刚能感觉到，这称“振动感觉阈”。对于15～2OHz范围的振动，加速度在0.05g以下不至造成有害影响。随着振动加速度的增大，会引起前庭装置反应和使内脏、血液产生位移。
在运动减速或撞击时，时间极短，人体可忍受的加速度比上述值大得多。在承受向上运动时，如持续时间不超过0.1s，人体直立向上运动时能忍受(不受伤害)的加速为16g，而向下运动时为10g，横向则为40g。如果加速度值超过这一数值，便会造成皮肉青肿、骨折、器官破裂、脑振荡等损伤。
(3)振动时间对人体的影响。在振动作用下的时间越长，对人体的影响就越大。短期适量的振动，不但没有害处，有时还起良好的作用，如电子按摩器等可用来消除身体疲劳，增加肌肉力量，恢复组织的营养，提高新陈代谢等。因此，评价一种振动对人体是否有危害，必须考虑人体暴露在振动下的时间长短才行。
（4）振动对不同体位人体的影响。立位时对垂直振动比较敏感，而卧位时对水平振动比较敏感。人的神经组织和骨胳都是振动的良好传导体。头部受振动能引起嗜眠。
2,振动危害在临床上的反应人体长期暴露在强振动之下，会在神经系统、心血管系统、骨骼和听觉等方面发生病症。
（1）振动对神经系统的影响。振动对人体的影响，较早地表现在神经系统：①大脑皮层机能减弱，如出现脑电图异常，条件反射潜伏期及运动时值延长；② 脊髓中枢受影响，可出现膝反射亢进或消失；③ 植物神经受影响，表现为组织营养障碍，如指甲松脆，或因植物神经功能被扰乱而影响到其它内脏；④ 前庭器官受影响，会引起前庭器官的壶腹背纤维细胞和耳石膜的退行改变，致使前庭功能兴奋性异常；⑤ 皮肤感觉出现紊乱，其中尤以振动感觉和痛觉的改变最明显。
（2）振动对心血管系统的影响。主要有：①周围毛细血管张力的改变，是振动作用引起的极其明显的体症。振动能使周围血管神经调节机能发生障碍，使末梢血管呈现痉挛、短小，而后呈无力状态而扩张、扭曲；②受振动作用的手指掌面皮温度较正常人低2～5℃；③ 心肌能改变，最主要的变化是节律与传导系方面的异常，其中心动过缓者占受检人数的42.5％，且多伴有以窦性心律不齐。传导系方面的异常以心房内、心室内、心房室间传导阻滞为多见。
（3）振动对骨质的影响。骨质的改变一般发生较晚，大多数人要在强振动环境中生活4～5年才出现。最常见的是囊样改变、尺骨矩状突和各种变形性骨关节病。其次为末指指骨管养性破坏、肩关节周围炎、桡骨茎突炎、局限性骨质硬化、骨质疏松及外生骨疣等。
（4）振动对听觉的影响。振动对听觉造成的损伤与噪声不同，噪声听力损伤以高频3000～4000Hz为主；振动性听力损伤则以低频125～250Hz为主。长期的振动能使耳蜗顶部受损伤，使耳蜗螺旋神经节细胞发生萎缩性病变，导致语言听力下降。
（5）振动引起的人体机能障碍。一般以性机能下降、气体代谢增加等机能障碍较为多见。妇女则有子宫下垂、流产及异常分娩等。
三、振动的防治振动不仅影响和危害在振源附近操作的工人，而且还会通过地面传递到远处，造成对周围环境的干扰，成为一种公害。因此对于振动必须采取有效措施加以防治。首先应确认有振动问题的地点，找出振源，了解产生振动的原因，再研究降低振动的方法，实施最有效的措施。
一般而言，解决振动问题可从两方面考虑，一是必须防止振动能量在振源和辐射能量的表面之间的传递；二是必须分散或减弱机器结构中某处的能量。前者称隔振，后者称减振。
1,隔振隔振（vibration isolation）就是将振动源与基础或其他物体的刚性连接改成弹性连接，以隔绝或减弱振动能量的传递，从而实现减振降噪的目的。
如图10-21（a）所示，机械设备与地基之间是近刚性的连接，当设备运转若产生一个干扰力F＝F0sinωt时，这个干扰力便会百分之百地传给地基，由地基向四周传播。如果将设备与地基的连接变成弹性连接，如图10-21（b）那样，由于弹性装置的隔振作用，设备产生的干扰力便不再全部传递给地基，只传递一部分或完全被隔绝。由于振动传递被隔绝了，固体声被降低，因而也就收到了降低噪声的效果。
将图10-21（b）所示的系统等效为图10-22中的模型，激振力为F，则其运动方程为式（10-44）。设系统传到地面上的力为Ft，则Ft可用F表示为：

（10-54）
式（10-54）中阻尼比ξ的变化范围为0≤ξ＜1，η叫频率比，用下式表示：

（10-55）
式中 f、ω——振动频率；
f0、ωn——固有振动频率。
传导力Ft与激振力F之比叫传振系数（vibration transmission coefficient），用下式表示：

（10-56）
传振系数是表征隔振效果的物理量，系数T越小，说明通过隔振元件传递过去的力越小，因而隔振效果越好。因此，所谓隔振问题就是如何设计适当的装置，取得较小的T值的问题。
在无阻尼情况下（即ξ＝0），由式（10-56）得传振系数
；而在阻尼情况下，同样由式（10-56）得传振系数：
，T与阻尼比ξ、频率比η之间的关系曲线如图10-23所示。
由图10-23可以较为直观地得到以下结论：第一，欲得好的隔振效果，必须使频率比
，并且当η比
大得越多时，隔振效果越好，因此必须设计较低的固有频率fn，一般目标是f/f0＝2.5～5；第二，如果激振频率f比较低，或者因其它原因无论如何也只能做到
时，此时可采取增加阻尼来限制激振力的放大作用。
根据隔振原理，凡是能支承运转设备动力负载，又有良好弹性的材料或装置，均可用作隔振材料或隔振元件。工程上常用的隔振材料（或隔振元件）主要有金属弹簧、橡胶、软木、毛毡、空气弹簧、泡沫塑料等。此处不再一一介绍。
2,减振金属薄板振动，如空气动力机械的管壁，机器的外壳，车体和船体等一般均由薄金属板制成，当设备运行时，这些薄板都会产生振动，进而辐射噪声，象这类由金属板结构振动引起的噪声称之为结构噪声。对于这种金属板辐射噪声的有效控制方法，一是在设计上，尽量减少其噪声辐射面积，去掉不必要的金属板面；二是在金属结构上涂敷一层阻尼材料，利用阻尼材料抑制结构振动、减少噪声，这种方法我们称之为阻尼减振（vibration damping）。
阻尼是指阻碍物体作相对运动，并把运动能量转变为热能的一种作用。一般金属材料，象钢、铝、铜等固有阻尼都小，所以，常常通过外加阻尼材料的方法来增大阻尼。阻尼在抑制振动过程中的主要作用有：衰减沿结构传递的振动能量；减弱共振频率附近的振动。
什么是阻尼材料？阻尼材料就是一些内损耗、内摩擦大的粘滞性材料，如沥清、软橡胶以及其他一些高分子涂料。采取阻尼措施之所以能够降低噪声，其机理在于：
（1）减弱了金属板弯曲振动的强度。当金属发生弯曲振动时，其振动能量迅速传给紧密涂贴在薄板上的阻尼材料，引起阻尼材料内部的摩擦和互相错动。由于阻尼材料的内损耗内摩擦大，使相当部分的金属板振动能量变成热能而耗散掉，从而减弱了薄板的弯曲振动。
（2）缩短了薄板被激振后的振动时间。在金属薄板受撞击而辐射噪声时（如敲锣）更为明显。比如不加阻尼材料的金属薄板受撞击后，要振动2s才停止；而涂上阻尼材料的金属薄板受同样大小的撞击力，振动的时间要缩短很多，比如说只有0.1s就停止了。许多心理声学专家指出：50ms是听觉的综合时间。如果发声的时间小于50ms，人耳要感觉这声音是困难的。金属薄板上涂贴阻尼材料而缩短了激振后的振动时间，从而也就降低了金属板辐射噪声的能量，达到了控制噪声的目的。
阻尼以阻尼容量ψ度量。其定义是：振动系统每振动一个周期所损失的能量W′与总的振动能量W的比值，即Ψ＝W′/W。表征随尼性能最常用的量是损耗因数η，其定义是：在一个弧度中平均损失的能量与总能量的比值。η与ψ都是无量纲量，它们之间的关系为：

（10-57）
式中 ξ－阻尼比，ξ＝C/Cc；
C－粘性阻尼系数；
Cc——临界阻尼系数，即发生振动时所能容许的最大粘性阻尼系数。
最佳阻尼材料的选择与振动物体的大小、质量、振动频率、运行功能等因素有关。一般来说，选择和使用阻尼材料时应考虑：①阻尼材料应该用在最易发生伸缩、弯曲或出现运动的振动表面部分，这些通常是最薄的部分；②对于单层阻尼材料，材料的性能和质量应该与振动表面的材料相匹配。这意味着单层阻尼材料应该比振动表面材料厚2～3倍；③三明治式的，由金属板结合粘弹性的金属复合材料所组成的夹层材料比单层材料更能有效地抑制振动。金属薄板限制层和粘弹性复合材料层的厚度分别为振动表面材料厚度的1/3。
消除振动危害，除了在机械设备的基础上安装隔振器和在金属薄板上涂敷阻尼材料以外，还有其它一些方法，如对旋转机械偏心引起的振动，可采取调整质量平衡的方法来消除；对振动机械设备，可在其周围挖掘防振沟防振；对于机械设备在某一频率上产生的激烈振动，可采用动力吸振器方法防振等等。下面对动力吸振器原理作简单介绍。
3,动力吸振器对于机械设备被某一固定干扰频率激发的振动，可通过在机械设备上附加一个振动系统的办法，使干扰频率激发的振动得以降低，称为动力吸振器（dynamic vibration absorber）。
现在利用图10-24来说明动力吸振器的原理。图（a）中，假设质量为m1的机械设备产生的振动力为F1 sinωt，该机器安装在刚度为k1的装置上。为了消除振动，在该机器上附加一个由质量m2和弹性元件k2组成的动力吸振器系统，见图10-24（b），并使附加动力吸振器的固有频率与机械设备的激振频率相同。整个系统的运动方程为:

（10-58）
设方程的通解为,
（10-59）
将式（10-59）代入式（10-58）中，经计算整理得：

(10-60)

(10-61)
式中
为附加（吸振器）系统的固有频率，
。
当
时，即
时，机器运动振幅A将为零，即机器根本不振动。这说明当附加装置的固有频率与机械设备上干扰频率一致时，则机械设备就不振动。动力吸振器就是利用这一特性来消除振动的。此时机械设备上的干扰力就只使动力吸振器发生振动，其最大的振动振幅可由式(10-62)计算：

（10-62）
应该指出，动力吸振器只有在机械振动的干扰频率与吸振器的固有频率相等时才明显有效。实际情况并不那么简单。这是由于干扰频率往往有一定的变化范围，而且吸振器和机器系统又都包含有一些机械阻尼。因而整个系统的运动方程及其解就更复杂。感兴趣的读者可自行思考。
四、噪声与振动控制技术展望噪声与振动控制（noise and vibration control）是环境保护的一个重要方面。为了有效地遏制和减少噪声与振动的影响，首先必须在法律上确定其地位，为此我国先后制定和颁布了中华人民共和国环境噪声污染防治法及噪声与振动方面的标准，这些法律和标准对于防治噪声污染与振动危害，保护人民的身心健康起到了非常重要的作用。另外，我们还要更加广泛、深入地进行噪声控制、声环境和人的身心健康、生活、工作关系的基础研究，注重噪声控制和工业发展、军事国防关系的研究。例如研究噪声对医院病人的影响，次声、军事噪声等的危害，以及交通运载工具的噪声与振动控制措施。
近年来，随着经济和城市的发展和建设，环境噪声出现了一些新的特点和规律，主要表现在以下方面：
（1）交通噪声及其环境影响。近些年来，道路交通干线车流量增加很快，部分城市或城市之间出现了环路、高架路、立交桥、高速公路、轻轨及地铁。由此产生的交通噪声在强度、频率特性、时空分布、传播规律及环境影响上有不同的特点。
（2）现代建筑设备噪声引起的环境影响。随着城市的建设与发展，相当一批工矿企业搬到郊区或者其噪声源得以彻底治理，但大量宾馆、高级商场、高档公寓、高级写字楼等现代化高层建筑不断涌现。这些建筑都因使用空调而配备冷却塔、冷水机组、热泵、水泵、通风机和自备柴油发电机组等,有些还配备燃油（气）锅炉。这些设备，就其本身噪声级来说，并不很高，但由于其安装现场的特殊性，使其噪声对环境的影响也相当严重。
（3）环境振动和固体声传播的影响。在城市中，环境振动和环境噪声是一对“孪生兄弟”，但环境振动本身又具有不同于噪声的特点。随着高层建筑的出现，环境振动及其固体声在楼层中传播是城市环境振动又一新的特点，它对高层建筑中生活和工作的人带来了比较严重的干扰。
面对这些新的特点和规律，我们必须对其加强研究，给出科学的环境噪声预测和评价。
随着人民生活水平的提高，“以人为本”的环境保护意识不断增强，对噪声与振动控制的技术和研究也提出了更高的要求。展望我国噪声与振动控制技术的今后发展动向，可能有如下特点：
（1）开发新的声学测量仪器。注重开发智能化、多功能化声学测量仪器，建立声学测量工作站，和国际发达国家在声学测量系统的研究接轨，实现“将实验室拎着走”的愿望。
（2）注重吸声、隔声材料及产品的研究和开发。要大力发展噪声控制技术，其中吸声材料是噪声控制中的基本材料。长期以来，人们大量使用纤维性吸声材料，有的材料因纤维被呼吸到肺中，对人体有害；有些场合（如食品、医药工业）则根本不能用；有的材料则不具备防火性能，或虽阻燃，但遇火会散发有害气体。因此，社会需要环保型、安全型的吸声材料，或者称之为无二次污染材料、非纤维吸声材料。
微孔板是理想的环保型、安全型吸声材料。应继续从理论、微孔板材料、结构、加工工艺，及具体应用等多个方面进行分析研究。除此之外，还可以对在其它行业应用的一些材料加以改进，使其成为环保型、安全型吸声材料，如：将不锈钢纤维、毡和刚性烧结金属丝网多孔材料开发为吸声材料等等。
随着我国城市对人居环境的要求不断提高，各种各样的新型隔声、吸声材料将应用于高效隔声窗及通风隔声窗的产品开发。
（3）制定规划、加强管理。为遏制和减少噪声的影响，将更加注重制定科学规划、加强科学的管理。例如通过制定“工业企业职工的听力保护规定”，并使企业认真贯彻执行“听力保护规定”，则可以卓有成效地对职工听力和身心健康进行保护。对于交通噪声，则可以通过合理制定城市规划，在汽车行驶路线、行车时间等方面制定科学的政策，事半功倍地遏制交通噪声。
（4）提高消声器的性能。为保证使用集中式空调时不污染声环境，就必须安装消声器。因此，改进传统空调消声器的材料和结构，进一步提高其消声性能，是摆在噪声与振动控制行业面前的又一新任务。
（5)高隔声性能轻质隔墙的研制。传统住宅的内墙是采用砖墙，隔声性能较好。近年来，由于砖墙的禁止使用，不得不用轻质隔墙代替，可是其隔声性能总不尽人意。噪声与振动控制行业要从开发新材料、新型隔声结构入手，尽快解决这一问题。
（6)控制高层建筑配套设备的噪声和振动。现有住宅内，特别是高层住宅内，一般都配有水泵、冷冻机、电梯等设备，它们对住宅内的住户可能造成噪声和振动污染，需要进行控制技术的研究。
（7)超低噪声冷却塔的研制和生产。冷却塔的噪声在各方面的努力下，有一定程度的降低。然而离实际使用的要求尚有相当距离，这是需要进一步努力的目标。
（8）开发低噪声产品。我国的低噪声产品与国外相比差距还较大，采用新技术、新工艺、新材料，开发质量好、能耗低、价格合理的低噪声产品是努力的方向。
（9）有源噪声和振动控制前景广阔。有源噪声和振动控制技术采用现代自适应理论、数字信号处理和大规模集成芯片，可以针对各类噪声和振动的特殊条件和专门要求，提供新的有效控制方法，特别适于解决低频噪声和振动的控制难题。当今国际上有源噪声和有源振动控制研究方兴未艾，这也将成为我国噪声与振动控制研究的一个前景十分广阔的方向。
复习思考题
1. 什么叫做噪声?美妙的音乐能称为噪声吗?
2. 试解释声压与声强、痛阈与闻阈各有何不同?
3. 声强度为什么用“级”来量度?
4. 什么叫A声级?为什么在噪声控制中常用A声级作为衡量的指标?
5. 声级、噪声级、声压级有何不同?
6. 6OdB声压级、6OLN响度级、6OdB(A)计权声级三者有何区别?
7. 点声源与线声源在自由声场中传播的衰减规律有何不同?
8. 噪声对人体有何危害?如何去控制噪声?
9. 多孔吸声材料为什么能够吸声?
10.? 试述薄板共振结构和穿孔板结构的吸声原理。
11.? 什么叫隔声和隔声量?试述隔声罩的一般结构。
12.? 抗性消声器的消声原理是什么?
13.? 为什么在薄壁金属机罩上涂上阻尼材料后便可以降低噪声强度?
14.? 振动的危害有哪些？如何对振动实施控制？
15.? 什么叫减振？什么叫隔振？试述两者的作用原理。
16.? 一机器开动前测出环境噪声为72dB，开动后总噪声为78dB，问机器本身的噪声是多少?
17.? 试证明:两声源的声压级相同，其合成声压级，无论声源的声压级大小如何，均约增加3dB。
18.? 在自由场中，若距声源的距离加倍，求声压级降低多少分贝?某声源的声压加倍，求声压级增加多少分贝，相同设备台数加倍，求声压级增加多少分贝?
19.? 测量某车间一周内的噪声，有20小时的声级是110dBA，有10小时的声级为9OdBA，有10小时是100dBA，试求该车间一周内（按5个工作日计算）的等效声级。
20.? 如右图所示系统，M=200公斤，弹簧刚度K=9.8牛顿/厘米，阻尼系数C=O.1牛顿·秒/厘米，若系统激振力的幅值F为300公斤。试求系统共振时的速度振幅（假定基础质量很大）。
21.? 重量为500公斤的机器支承在刚度K=900牛顿/厘米的钢弹簧上，机器转速为3000转/分，因旋转不平衡产生100公斤的干扰力，设系统的阻尼比ξ=0，试求出传递到基础上的力的幅值为多少？
三级水处理系统废水处理的方法很多，废水中所含污染物的种类也是多种多样的，不能预期只用一种方法就可以将所有的污染物都去除干净．而要根据废水的性质、数量、需要达到的排放标准，选用几种处理方法组成一定的处理系统，才能达到预定的处理要求。
根据不同处理程度，废水处理系统可分为一级处理、二级处理和三级处理(深度处理、高级处理)等不同处理阶段。
一级处理主要解决悬浮固体、胶体、悬浮油类等污染物的分离，多采用物理法。一级处理的处理程度低，一般达不到规定的排放要求，尚须进行二级处理，可以说一级处理是二级处理的预处理阶段。
二级处理主要解决可分解或氧化的呈胶状或溶解状的有机污染物的去除问题，多采用较为经济的生物化学处理法，它往往是废水处理的主体部分。经过二级处理之后，一般均可达到排放标准，但可能会残存有微生物以及不能降解的有机物和氮、磷等无机盐类，它们数量不多，对水体的危害不大。
三级处理是近20年来逐渐发展起来的深度处理方法，主要用以处理难以分解的有机物和溶液中的无机物等污染物，使处理后的水质达到工业用水和生活用水的标准。
三级处理方法多属于化学和物理化学法，处理效果好但处理费用较高。随着对环境保护工作的重视和三废排放标准的提高,三级处理在废水处理中所占的比重也正在逐渐增加，新技术的使用和研究也愈来愈多。各级处理系统的处理对象如表8-8所示。
四、城市废水处理系统一般城市污水的可生化性较好，采用传统的活性污泥法处理，效果好，运行可靠，投资及运行费用相对较低。污水经格栅、沉砂池、一沉池的物理处理，去除悬浮物和部分的BOD、COD，然后进入曝气池，进行生物处理，曝气池对BOD、COD的去除率达90%以上，是工艺的核心构筑物，从曝气池出来的水再经过第二次沉淀和消毒即可达标排放。
城市污水水量都较大，处理过程中产生污泥量较大，为防止二次污染必须对其进行处理，同时处理污泥过程中还会产生大量的沼气，应回收利用，节约能源。
复习思考题
1. 水体污染的主要污染源和主要污染物是哪些?
2. 常用的水质指标有哪些7
3. 废水处理可分为哪几种类型?各包含哪些处理方法?
4. 简述活性污泥法处理废水的生物化学原理。
5. 简述生物膜法处理废水的原理。
6. 生物塘主要有哪几种类型?它们的处理效果如何?
7. 厌氧生物处理法有什么优缺点?