水污染控制工程讲义-笔记.doc

同济大学环境科学与工程学院水污染控制工程讲义+笔记
专题一 污水水质与污水出路
污水水质
国际通用三大类指标：物理性指标 化学性指标 生物性指标
水质分析指标
物理性指标
温度：工业废水常引起水体热污染造成水中溶解氧减少加速耗氧反应,最终导致水体缺氧或水质恶化
色度：感官性指标，水的色度来源于金属化合物或有机化合物
嗅和味：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
固体物质： 溶解物质
悬浮固体物质 挥发性物质
固定性物质
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
化学性指标 有机物
生化需氧量（BOD）biological oxygen demand
在一定条件下,好氧微生物氧化分解水中有机物所需要的氧量。（20℃，5d）。
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 20～100d完成.
实际中,常以5d作为测定生化需氧量的标准时间，称5日生化需氧量（BOD5）;通常以20℃为测定的标准温度。
讨论:①任何日BOD与第一阶段BOD（L0）的关系
生化研究试验表明，生化反应的速度决定于微生物和有机物的含量，至于水中溶解氧的含量只要满足微生物的生命活动就可以，在反应初期，微生物的数量是增加的，但到一定时间后，微生物的量就受到有机物含量的限制而达到最大值,此时反应速度受到有机物含量的限制,即有机物的降解速度和该时刻水中有机物的含量成正比，由于有机物可以用生化需氧量表示，所以水中的耗氧速率和该时刻的生化需氧量成正比
d(L0—Lt）/dt=KLt dLt/dt=—KLt
式中: L0、Lt─分别表示开始、t时刻水中剩余的第一阶段的BOD
K─反应速率常数，d—1
积分得：任何时刻水中剩余的BOD为Lt=L0 e —Kt
从而求得经t时间反应消耗的溶解氧BODt为：
BODt=L0—Lt=L0（1—e-Kt）=L0（1—10-kt) （k =K /2.303）
（经验表明：20℃时,k=0。1 日—1,若t=5天，则 BOD5=0.68L0）系
②反应速度常数k与温度的关系
利用阿累尼乌斯经验公式可求得： K（t)=k(20)θ（T—20）
式中：K（t）─20℃时反应速率常数，d—1
k(20）─T℃时反应速率常数，d-1
θ──温度系数（经验：在10--30℃时,θ=1。047）
③第一阶段BOD（L0）与温度的关系
L0随温度增加而增大，关系式为： L0(t）=L0（20）〔0。02T+0。6〕
式中： L0（t)─T℃时的第一阶段的BOD
L0(20)─20℃时的第一阶段的BOD
化学性指标 有机物
化学需氧量（COD) chemical oxygen demand
用化学方法氧化水中有机物过程中所消耗的氧化剂量折合成的氧量（O2）（mg/L）。
常用的氧化剂主要是重铬酸钾（称 CODCr）和高锰酸钾(称CODMn 或OC ） 。
酸性条件下，硫酸银作为催化剂，氧化性最强。
废水中无机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。
当前测定COD常用的方法有:
(1)重铬酸钾法(CODCr)：以0.25N重铬酸钾溶液为氧化剂，以硫酸银为催化剂，加入水样，加热回流两小时，然后将重铬酸钾的消耗量折算成每升水样耗氧的毫克数.此法氧化程度高,用于污染严重的水和工业废水的测定。
(2)高锰酸钾法(OC或CODMn)：用0.01N高锰酸钾溶液为氧化剂，加入水样,煮沸10分钟（水浴为30分钟）,然后将高锰酸钾的消耗量折算成每升水样耗氧的毫克数。此法用于较清洁的水样。
讨论：COD与BOD5的比较
比较 COD BOD5
测试时间耗时短 2小时时间长 5天
代表性 较全面反映有机物只反映可生物降解的有机物
成本仅需化学试剂需要培养微生物
COD与BOD5优缺点:
BOD5优点：基本上反映了有机物进入水体后，能被生物氧化分解的有机物的量，比较符合实际情况，较为确切的说明问题。
缺点:完成全部检验需时5天，对于指导生产实践不够迅速、及时，且毒性强的废水可抑制微生物的作用而影响测定结果，有时甚至无法测定。
COD优点：几乎可以表示出有机物全部氧化所需要的氧量，它的测定不受废水水质的限制,并且在3个小时内即能完成。
缺点：不能反映出被生物氧化分解的有机物的量.
BOD5虽有不少缺点,但从有机物对水体的影响角度看,还没有比BOD5更好的指标。在没有条件测定BOD时,可采用COD方法。
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CO2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。
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后，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.
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。
污水有机物指标之间的关系
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，改变海水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，能影响鱼类的洄游繁殖.
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 ）。 灌溉用水酚浓度超过5mg/L时, 农作物减产甚至枯死。
化学性指标 无机物性质指标
植物营养元素：过多的氮、磷进入天然水体，易导致富营养化，使水生植物尤其是藻类大量繁殖,造成水中溶解氧急剧变化，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。
pH和碱度：一般要求处理后污水的pH在6～9之间。当天然水体遭受酸碱污染时，pH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定量作用的物质总量，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.
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。
污水中的氮有四种,即有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。
危害:消耗水体中溶解氧；促进藻类等浮游生物的繁殖，形成水华、赤潮;引起鱼类死亡,导致水质迅速恶化。
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。
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;使水质迅速恶化，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(PO43—)、磷酸氢盐（HPO42-） 、磷酸二氢盐（H2PO4— ）、
聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P2O74－）、三磷酸盐（P3O105—）、三磷酸氢盐(HP3O92-）
生物性指标 来源及危害：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
细菌总数：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/mL计。饮用水：<100个/mL 医院排水:〈500个/mL
大肠菌群: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/L计.
饮用水：<3个/L 城市排水:〈10000个/L 游泳池： 〈1000个/L
融会贯通各水质指标间的关系
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
污水排入河流的混合过程
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。
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;
ρw，qvw——污水的污染物浓度和流量；
ρh，qvh-—上游河水的污染物浓度和流量。
非持久性污染物的稀释扩散和降解
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分解作用不断减小.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；
Mx—-纵向分散系数；
K—-污染物分解速度常数；
ρ0—-初始点的污染物浓度；
ρ—-x断面处的污染物浓度。
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: 氧垂曲线的求解:
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：ρc= ρcs— ρD
到达最缺氧点时间dρD /dt=0：
讨论：①氧垂曲线反映：废水排入河流后溶解氧的变化，表示河流的自净过程;最缺氧点的位置及其溶解氧含量
②溶解氧的来源：原有水中的氧；大气复氧；水生植物光合作用。
③氧的消耗:有机物的生物氧化；硝化作用；水底沉泥的分解;水生植物的呼吸作用；无机还原性物质的影响。
④若Cp点的溶解氧(DO）大于规定的标准值，从溶解氧的角度,污水的排放未超过河段的自净能力。
⑤若Cp的溶解氧(DO）小于规定的标准,从溶解氧的角度，污水的排放超过河段的自净能力，甚至出现无氧状态，此时氧垂曲线中断,水体失去自净能力，产生厌氧分解,水质变坏，河水发臭.
⑥水体存在的生物群可反映河流自净的进程.如污染重时，真菌、蓝、绿藻占优势；水质变好时,后生动物（钟虫、轮虫）、硅藻就会出现.因此，可用水生物群落结构来判断和评价水体自净的状况。
污染物在不同水体中的迁移转化规律
污染物在河流中的扩散和分解受到河流的流量、流速、水深等因素的影响。
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，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。
污水出路
污水的最终出路：排放水体 工农业利用 处理后回用
污水排放水体的限制 污水综合排放标准GB8978-1996
城镇污水处理厂污染物排放标准 GB 18918-2002
地表水环境质量标准GB 3838—2002 海洋水质量标准GB3097
污水回用应满足的要求
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
城市污水回用的几个方面
城市生活用水和市政用水：供水、城市绿地灌溉、市政与建筑用水、城市景观
农业、林业、渔业和畜牧业
工业：　工艺生产用水、冷却用水、锅炉补充水、其他杂用水、地下水回灌、其他方面
废水处理方法
一、废水处理方法通常分为物理处理法、化学处理法、生物处理法三大类；
物理处理法:利用物理作用分离或回收废水中的悬浮物(或油）的处理方法.通常有重力分离法(沉淀池、沉砂池、气浮池）、离心分离法（离心机和水旋分离器)和筛选分离法（格栅、筛网、砂滤池、微滤机）。此外，利用蒸发法浓缩废水中的溶解性不挥发物质也是一种物理处理法.
化学处理法：　　通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状的污染物或将其转化为无害物质的处理方法.在化学处理法中，以投加化学药剂为基础的处理单元有：混凝、中和、氧化还原反应等；以传质作用为基础的处理单元有:萃取、汽提、吹脱、吸附、离子交换、电崐渗折和反渗透等(后二种又称膜分离技术)。在传质作用的处理单元中，既有化学反应,又有与之相关的物理作用，所以可以从化学处理法中分离出另一类处理方法，称为物理化学法。
生物处理法：　　通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶解、胶体和微细悬浮状态的有机物，转化为稳定、无害的物质的废水处理方法。根据作用微生物的不同，生物处理又可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两种类型。好氧生物处理又分为活性污泥法（完全混合、多点进水、延时曝气)和生物膜法（生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物硫化床)
二、废水处理的分级和处理程度
一级处理：从废水中除去呈悬浮状的固体污染物，SS去除率为70%-80％,BOD去除率为25%-40％,废水净化程度不高。
二级处理：大幅度去除废水中的有机污染物（BOD)去除率为80%-90%
三级处理：进一步去除二级处理中未能去除的污染物，如氮、磷。三级处理耗资较大,管理复杂，主要用于废水复用为目的处理。
以计算为例说明废水排放前所需处理的程度.
例：河水最旱年最旱月平均时流量：Q=5 m3/秒,含酚废水流量(最大） q=100 m3/时=0。028 m3/秒，废水含酚浓度 C0=200 mg/L，河水中酚浓度 C1=0.005 mg/L,混合系数取 a=0.75，计算此生产废水排入河道前，酚所需处理的程度？（注：计算时应以最不利的情况为基准,即河水流量以最旱年最旱月平均流量计，废水以最高时流量计.水体中酚浓度C2≦0。01 mg/L)
解:由于废水和河水混合前后所含的酚量相等，所以
C1×aQ＋C×ｑ＝(aQ＋q)×C2
C＝(aQ＋q）×C2－C1×aQ/q
式中:C ─允许排入河流的挥发酚浓度 mg/L
C1─废水排放口上游河水中的挥发酚浓度 mg/L
C2─水体中挥发酚最大容许浓度 mg/L
a─混合系数
C＝(0.75×5＋0.028)×0。01—0.75×5×0。005/0。028＝0.68 mg/L
但由于排放标准为0。5 mg/L，所以废水所需处理的程度为
E=(C0-C）/C0×100%=（200—0。5)/200×100％=99.75％
如果计算值C〈0。5 mg/L,则计算上式时采用计算所得的数字。
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