環(huán)境工程學(xué)水質(zhì)與水體自凈

環(huán)境工程學(xué)水質(zhì)與水體自凈第1頁/共59頁圖1－2污水澆灌油菜圖1－4污染的井水圖1－3集水渠變污水渠圖1－1高濃度廢水直排第2頁/共59頁第一章水質(zhì)與水體自凈

第一節(jié)水的循環(huán)與污染一、水資源分布我國水資源的特點：

a總量豐富，人均量少；

b時空分布不均衡。第一節(jié)水的循環(huán)與污染地球水體

13.9億km3海洋咸水（97.3%）淡水（<3%）冰川、冰帽（77.2%）地下水、土壤水(22.4%)江河、湖泊（0.36%）第3頁/共59頁二、水循環(huán)水循環(huán)分為自然循環(huán)和社會循環(huán)地表水蒸騰蒸發(fā)水汽云雨、雪、雹地下水、土壤水凝結(jié)自然循環(huán)社會循環(huán)天然水體生產(chǎn)、生活生活污水生產(chǎn)廢水排放第一節(jié)水的循環(huán)與污染第4頁/共59頁三、水污染通過體系內(nèi)部一系列的物理、化學(xué)和生物學(xué)的連鎖反應(yīng)和相互作用，水體在一定程度下具有自我調(diào)節(jié)和降低污染的能力——水體的自凈能力。

水體因某種物質(zhì)的介入，而導(dǎo)致其化學(xué)、物理、生物或者放射性等方面特性的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象——《中華人民共和國水污染防治法》關(guān)于“水污染”的定義第一節(jié)水的循環(huán)與污染圖1－5武漢東湖大面積死魚第5頁/共59頁第一節(jié)水的循環(huán)與污染圖1－7原油污染的海岸圖1－6海底油田井噴圖1－8赤潮第6頁/共59頁第一節(jié)水的循環(huán)與污染圖1－9微山湖被污染圖1－10云南滇池爆發(fā)藍藻第7頁/共59頁太湖天下秀圖1－11龍頭馬跡圖1－12太湖風(fēng)光圖1－13太湖風(fēng)光圖1－14太湖春曉第8頁/共59頁太湖藍藻爆發(fā)圖1－15純凈水缺貨圖1－16太湖藍藻第9頁/共59頁四、水污染的分類和影響能使水體的水質(zhì)、生物質(zhì)、底泥質(zhì)量惡化的各種物質(zhì)第一節(jié)水的循環(huán)與污染化學(xué)性污染物理性污染生物性污染根據(jù)其性質(zhì)水體污染圖1－17受污染的長江流域（1）第10頁/共59頁

1）無機污染物質(zhì)：酸、堿及一些無機鹽類

2）無機有毒物質(zhì)：重金屬（汞、鎘、鉛等）

3）有機有毒物質(zhì)：有機農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、芳香胺等

4）需氧污染物質(zhì)：碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪和酚等

5）植物營養(yǎng)物質(zhì)：含氮、磷的化合物

6）油類污染物質(zhì)水體污染物

1、化學(xué)性污染物第一節(jié)水的循環(huán)與污染圖1－17受污染的長江流域（2）第11頁/共59頁2、物理性污染物質(zhì)1）懸浮污染物質(zhì)：固體物質(zhì)2）熱污染：熱電廠、核電站及各種工業(yè)過程中的冷卻水3）放射性污染：Sr90、Cs137、I1313、生物性污染

生活污水、醫(yī)院污水和某些工業(yè)廢水中的病原微生物、病毒、寄生蟲等。第一節(jié)水的循環(huán)與污染水體污染物圖1－18受石油污染的海鳥第12頁/共59頁第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準一、水質(zhì)指標

水質(zhì)

——水的品質(zhì)，指水與其中所含的雜質(zhì)共同表現(xiàn)出來的物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的綜合特性。水質(zhì)指標

——水中雜質(zhì)的種類、成分和數(shù)量，是判斷水質(zhì)的具體衡量標準。第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準圖1－19按顆粒尺寸進行物質(zhì)分類溶解物質(zhì)膠體物質(zhì)懸浮物質(zhì)10-510-410-310-210-111010010-910-710-610-510-410-310-210-1(μm)(mm)物理性指標化學(xué)性指標生物學(xué)指標第13頁/共59頁（1）感官物理性狀指標：溫度、混濁度、嗅和味、色度等（2）其它物理性狀指標：總固體、懸浮固體、電導(dǎo)率等1、物理學(xué)水質(zhì)指標色度感官性指標，水中懸浮物、膠體或溶解物質(zhì)均可生色。第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準濁度水中不溶性物質(zhì)對光線透過時產(chǎn)生的阻礙程度。（水中懸浮物或膠體狀顆粒物質(zhì)）表色：由水中懸浮物、膠體物質(zhì)和溶解物質(zhì)共同引起的顏色。真色：除去水中懸浮物質(zhì)后所呈現(xiàn)的顏色。第14頁/共59頁總固體（TS）

一定溫度下一定體積水樣蒸發(fā)至干所殘留的固體物質(zhì)總量總固體過濾溶解固體懸浮固體0.45μm揮發(fā)性固體固定性固體灼燒600℃常用蒸發(fā)烘干溫度：103～105℃；單位：mg/L灼燒減重總可濾殘渣總不可濾殘渣第15頁/共59頁例1-1：將某污水水樣100mL置于重量為46.4718g的古氏坩堝中過濾，坩堝在105℃下烘干后稱重為46.5036g，然后再將此坩堝置于600℃下灼燒，最后稱重為46.4848g。另取同一水樣100mL，放在重量為67.9624g的蒸發(fā)皿中，在105℃下蒸干后稱重為68.0138g。試計算該水樣的總固體、懸浮固體、溶解固體、揮發(fā)性懸浮固體和固定性懸浮固體量各為多少mg/L？46.5036g?46.4718g?46.4848g67.9624g?68.0138g懸浮固體揮發(fā)性懸浮固體總固體第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準溶解固體？固定性懸浮固體？第16頁/共59頁2、化學(xué)水質(zhì)指標（1）非專一性指標電導(dǎo)率表示水樣中可溶解性電解質(zhì)總量。總含鹽量水中各種溶解性礦物鹽類的總稱。

堿度一般來源于水樣中OH-、CO32-、HCO3-離子。關(guān)系到水的許多化學(xué)反應(yīng)過程。

硬度可溶性鈣鹽和鎂鹽組成，引起沉積和結(jié)垢現(xiàn)象。

（2）非專一性有機物指標

化學(xué)需氧量(COD)

有機污染物濃度指標。

生物化學(xué)需氧量水體通過微生物作用發(fā)生自然凈化的能力標

(BOD)

度，廢水生物處理效果標度?？傂柩趿?TOD)近于理論耗氧量值?？傆袡C碳(TOC)近于理論有機碳量值。石油類影響空氣—水界面間氧的交換，被微生物降解時耗氧，使水質(zhì)惡化。第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第17頁/共59頁

鋁影響水的可飲用性，對金屬有腐蝕作用，對生物有一定毒性。鐵在不同條件下可呈Fe3+或膠粒Fe(OH)3狀態(tài)，造成水有鐵銹味和渾濁，形成水垢，繁殖滋生鐵細菌。有毒金屬常見的有鎘、汞、鉛等，一般來源于工業(yè)廢水。氯化物影響可飲用性，腐蝕金屬表面。亞硝酸鹽氮是嬰幼兒高鐵血紅蛋白癥的病原物，與仲胺類作用生成致癌的亞硝胺類化合物。

（4）溶解性氣體氧氣生物呼吸所需，腐蝕金屬，水體缺氧會產(chǎn)生

CH4、H2S等有害氣體。二氧化碳大多數(shù)天然水系中碳酸體系的組成物。第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準（3）無機物指標第18頁/共59頁總含鹽量

——也稱總礦化度，

水中各種溶解性礦物鹽類的總稱水中主要的陽離子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+水中主要的陰離子：HCO3－、CO32－、SO42－

、Cl－總含鹽量（mg/L）＝∑陽離子（mg/L）＋∑陰離子（mg/L）第19頁/共59頁在水中離解或水解后生成可與強酸（或H+）反應(yīng)的物質(zhì)總量堿度

——

水接受質(zhì)子的能力強堿、弱堿、強堿弱酸鹽、有機堿等中和滴定法甲基橙黃→紅酚酞紅→無甲基橙堿度T酚酞堿度P第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第20頁/共59頁例1-2：取某河水水樣100mL，用0.1000mol/L的HCl溶液測定其堿度，先以酚酞作指示劑，消耗了HCl溶液0.40mL；另取該水樣100mL，以甲基橙作指示劑，用HCl溶液滴定消耗了7.20mL。求該水樣的酚酞堿度、甲基橙堿度、總堿度。100mL水樣0.1000moL/LHCl酚酞0.40mLHCl100mL水樣0.1000moL/LHCl甲基橙7.20mLHCl單位：mmoL/L第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第21頁/共59頁水中的兩價金屬離子與肥皂作用生成沉淀和與水中某些陰離子化合生成水垢而產(chǎn)生硬度。硬度Ca2+Mg2+HCO3－、CO32－、SO42－、Cl－、NO3－、SiO32+第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第22頁/共59頁一定嚴格的條件下，用化學(xué)氧化劑（如KMnO4

、K2Cr2O7）將水中各種有機物質(zhì)氧化所消耗的氧化劑的量，用mgO/L表示?；瘜W(xué)需氧量（COD）高錳酸鉀耗氧量（CODMn或OC）

天然水或含易氧化有機物的一般廢水重鉻酸鉀耗氧量（CODCr或COD）

污染較嚴重的水樣第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第23頁/共59頁表示水中有機物在有氧條件下經(jīng)好氧微生物氧化分解所需氧量。用單位體積污水所耗氧量表示（mgO/L）生物化學(xué)需氧量（BOD）有機物有氧生物分解過程碳化階段硝化階段LN(NOD)La(BODu)碳化＋硝化碳化第一階段BOD圖1－20有機物質(zhì)好氧分解的兩個階段需氧量時間t第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準20℃BOD5第24頁/共59頁碳化階段的反應(yīng)速率與當(dāng)時剩有有機物濃度成正比。反應(yīng)動力學(xué)

——第一階段生化需氧量

La—第一階段生化需氧量L—任何時日剩余有機物濃度Lt—t時剩余有機物濃度k1=0.434k1'

—耗氧速率常數(shù)第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第25頁/共59頁第一階段生化需氧量反應(yīng)動力學(xué)公式θ、Txtk與TL與T第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第26頁/共59頁例1-3：某廢水20℃時的BOD5是150mg/L，已知此時

k1=0.10d-1，求該廢水15℃時的BOD5。x5(20)=150mg/Lk1(20)=0.10d-1La(20)k1(15)La(15)x5(15)第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第27頁/共59頁總需氧量TOD——將水樣中的有機物在900℃高溫下燃燒變成穩(wěn)定氧化物時所需的氧量，常用mgO/L表示?？傆袡C碳TOC——將水樣在900~950℃高溫下燃燒，有機碳即氧化成CO2，測量所產(chǎn)生的CO2的量，即可求出水樣的總有機碳值，常用mgC/L表示。第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準圖1－21TOC測定儀第28頁/共59頁

3、生物學(xué)水質(zhì)指標細菌總數(shù)對飲用水進行衛(wèi)生學(xué)評價時的依據(jù)。

大腸菌群水體被糞便污染程度的指標。藻類水體營養(yǎng)狀態(tài)指標。4、放射性指標總α、總β、鈾、鐳、釷等生物體受過量輻照(特別是內(nèi)射)

可引起各種放射病或燒傷等。第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準除了物理學(xué)、化學(xué)水質(zhì)指標外還有…？第29頁/共59頁水質(zhì)標準——環(huán)境標準的一種，它對各種水體的水質(zhì)提出具體的限制和要求。GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB5749-85生活飲用水衛(wèi)生標準CJ3020-93生活飲用水水源水質(zhì)標準GB/T14848-93地下水質(zhì)量標準GB11607-89漁業(yè)水質(zhì)標準GB5084-92農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準GB3097-97海水水質(zhì)標準GB12941-91景觀娛樂用水水質(zhì)標準B8978-96污水綜合排放標準二、水質(zhì)標準第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第30頁/共59頁

依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護目標，按功能高低依次劃分為五類：

I類主要適用于源頭水、國家自然保護區(qū)；

Ⅱ類主要適用于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū)、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產(chǎn)卵場、仔稚幼魚的索餌場等；Ⅲ類主要適用于集中式生活飲用水地表水源地二級保護區(qū)、魚蝦類越冬場、泅游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)；

IV類主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)；

V類主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域?！兜乇硭h(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準第31頁/共59頁《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準按排放污染物的性質(zhì)分為兩類污染物:（1）第一類污染物

指能在環(huán)境或動植物體內(nèi)積累，對人體健康產(chǎn)生長遠不良影響。（要求一律在車間或車間處理設(shè)施排出口采樣，最高允許排放濃度必須符合表1－7，不得用稀釋法處理）

（2）第二類污染物

指長遠影響小于第一類污染物質(zhì)。（要求在排污單位排放口采樣，最高允許排放濃度必須符合表1－8，可用稀釋法處理）第32頁/共59頁《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）第二節(jié)水質(zhì)指標與水質(zhì)標準執(zhí)行標準等級的確定：（1）特殊保護水域指國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的Ⅰ、Ⅱ類水域，不得新建排污口，現(xiàn)有的排污單位由地方環(huán)保部門從嚴控制，以保證受納水體水質(zhì)符合規(guī)定用途的水質(zhì)標準。（2）重點保護水域指國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的Ⅲ類水域和《海水水質(zhì)標準》Ⅱ類水域，對排入該區(qū)水域的污水執(zhí)行一級標準。（3）一般保護水域指國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的Ⅳ、Ⅴ類水域和《海水水質(zhì)標準》Ⅲ類水域，對排入該區(qū)水域的污水執(zhí)行二級標準。（4）對排入城鎮(zhèn)下水道并進入二級污水處理廠進行生物處理的污水執(zhí)行三級排放標準。第33頁/共59頁第三節(jié)廢水的成分與性質(zhì)生活污水工業(yè)廢水農(nóng)業(yè)廢水廢水來源居民在日常生活活動中所產(chǎn)生的廢水。工業(yè)生產(chǎn)工程中排放出來的廢水。由農(nóng)作物栽培、畜牧養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品加工等工程排出的廢水。生活污水工業(yè)廢水農(nóng)業(yè)廢水第三節(jié)廢水的成分與性質(zhì)?特征第34頁/共59頁稀釋、擴散、生物化學(xué)降解作用第四節(jié)水體自凈作用與水環(huán)境容量經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)和生物學(xué)變化，污染物被分離或分解，水體基本上或完全恢復(fù)到受污染前的狀態(tài)。這一自然凈化過程即為水體的自凈作用。一、廢水在水體中的稀釋、擴散

1、稀釋機理——推流、擴散

2、水體混合稀釋

第四節(jié)水體自凈作用與水環(huán)境容量a—混合系數(shù)n—稀釋比ρ—污染物質(zhì)濃度第35頁/共59頁二、水體的生化自凈1、水體的氧（1）水體的復(fù)氧與耗氧（2）氧垂曲線復(fù)氧水中原有氧大氣溶氧光合作用溶氧耗氧碳化、硝化耗氧還原態(tài)物質(zhì)、底泥分解植物呼吸作用圖1－23氧垂曲線第四節(jié)水體自凈作用與水環(huán)境容量圖1－22污水排入后河流的水質(zhì)變化第36頁/共59頁2、氧垂曲線公式臨界點氧垂曲線公式圖1－23氧垂曲線第四節(jié)水體自凈作用與水環(huán)境容量第37頁/共59頁例題：某城市污水處理廠的出水排入一河流。最不利的情況將發(fā)生在夏季氣溫高而河水流量小的時候。已知廢水最大流量為15000m3/d，BOD5＝30mg/L，DO＝2mg/L，水溫25℃。廢水排入口上游處河流最小流量為0.5m3/s，BOD5＝4mg/L，DO＝5mg/L，水溫22℃。假定廢水和河水能瞬時完全混合，耗氧速度常數(shù)為k1＝0.10/d，復(fù)氧速度常數(shù)為k2＝0.17/d（20℃）。試求臨界虧氧量及其發(fā)生的時間。求Dc，tc中間量k1，

k2，D0，L0先求tc，后代入公式求Dc臨界點k1,

k2與時間相關(guān)D0＝S－DO0第38頁/共59頁三、水體中細菌的死亡第四節(jié)水體自凈作用與水環(huán)境容量圖1－24微生物物種和數(shù)量變化的示意圖第39頁/共59頁污化系統(tǒng)將污染水體劃屬為不同污染帶類型：

降解區(qū)、強分解區(qū)、恢復(fù)區(qū)、清潔區(qū)降解區(qū)第40頁/共59頁顫蚯蚓

*顫蚯蚓屬后生動物，與陸地上的蚯蚓從體態(tài)和習(xí)性上都十分相似，他們也是環(huán)節(jié)動物，棲息于水底污泥中，與蚯蚓類似吞食污泥故俗稱水蚯蚓，與蚯蚓不同的是，他們體表多毛。第41頁/共59頁強分解區(qū)第42頁/共59頁**天藍喇叭蟲、椎尾水輪蟲、櫛蝦生物的形態(tài)。天藍喇叭蟲椎尾水輪蟲櫛蝦第43頁/共59頁恢復(fù)區(qū)第44頁/共59頁***恢復(fù)區(qū)的藻類變異直鏈硅藻短棘盤星藻水花束絲藻梭裸藻第45頁/共59頁清潔區(qū)第46頁/共59頁****清潔區(qū)的指示生物

——輪蟲、水蚤、魚腥藻、玫瑰旋輪蟲。蚤狀水蚤大型水蚤

魚腥藻玫瑰旋輪蟲前節(jié)晶囊輪蟲第47頁/共59頁一定水體在規(guī)定的環(huán)境目標下所能容納污染物的最大負荷量影響因素水體特征污染物特征水質(zhì)目標第四節(jié)水體自凈作用與水環(huán)境容量四、水環(huán)境容量

W=V（S－B）+C某地表水體的水環(huán)境容量水體體積水質(zhì)目標某污染物的環(huán)境背景值地表水的自凈能力第48頁/共59頁

A水質(zhì)凈化與水污染控制工程的主要任務(wù):

研究控制水體污染，保護和改善環(huán)境質(zhì)量，合理利用水資源以及提供不同用途和要求的用水等的工藝技術(shù)和工程措施。

B水質(zhì)凈化與水污染控制工程的主要內(nèi)容:

（1）水體污染和自凈規(guī)律；（2）城市污水和工業(yè)廢水的處理與利用；（3）生活飲用水與工業(yè)給水處理；（4）城市、區(qū)域、水系的水污染綜合防治。

第五節(jié)水處理的基本原則和方法第五節(jié)水處理的基本原則和方法第49頁/共59頁一、給水處理的基本方法

工業(yè)用水處理

——根據(jù)不同工業(yè)的水質(zhì)要求進行軟化、除鹽、冷卻、控制結(jié)垢與腐蝕等處理。原水飲用水混凝沉淀過濾消毒混凝劑臭氧氧化/活性炭吸附(深度處理工藝)一般流程飲用水處理

——通過必要的處理工藝，改善天然水的水

質(zhì)，使之符合生活飲用水水質(zhì)標準。第五節(jié)水處理的基本原則和方法第50頁/共59頁

1、解決廢水問題的主要原則

（1）改革生產(chǎn)工藝，減少廢水排放量；（2）重復(fù)利用廢水；

（3）回收有用物質(zhì)；

（4）妥善處理；

（5）選擇處理工藝和方法。二、廢水處理的基本方法第五節(jié)水處理的基本原則和方法第51頁/共59頁（2）處理程度的確定方法

A、按水質(zhì)；B、按處理廠的能力

C、按水體稀釋和自凈能力（1）處理程度的確定