第一章 水质与水体自净 2教案.docx
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第一章水质与水体自净2教案
第一篇水质净化与水污染控制工程
引言
目前，水污染是环境污染问题中最为迫在眉睫的严重事件，直接威胁到工农业生产甚至人类的生存。
因此，水环境工程学的发展最为各国重视，技术发展也最为迅速，可以说，它带动了其他各项技术的迅猛发展，使各学科发展成为一个科学整体。
在我国，环境专业的高等教育中，水质净化与水污染治理是最为重要的教学内容。
问题的引入
●水质如何净化，借助何种力量？
●净化到何种程度？
●水污染治理的技术是否有针对性？
可有万能的水处理技术？
●水处理技术有哪几种？
第1篇教学内容：
水的物理化学处理方法★
水的生物化学处理方法★
水的深度处理与回用
第1章水质与水体自净（2学时）
本章教学内容：
水循环与水污染，水质指标，废水的成分与性质，水体自净，水处理的基本方法
本章教学要求：
（1）了解地球水资源状况，了解常用的水质标准，掌握常用的水质指标；
（2）掌握水体自净的原理，了解水环境容量；掌握水和废水处理的基本原则和基本方法。
本章教学重点：
水污染的分类、水质指标、水体自净、水处理的基本原则与方法
本章习题:
P611,19,20,22
1.1水环境
1.1.1地球的水循环
我们生活的地球表面积的大约3/4都是水域，陆地面积仅占1/4左右，分布在欧亚大陆、非洲、北美洲、南美洲、澳洲等主要陆地和无数岛屿上。
因此，水环境是我们生存环境中最重要的组成部分，研究水环境的意义也就不言而喻了。
地球上水的总量为1.386x109km3，这一庞大的数字说明，水是地球及其丰富的自然资源。
水能够以气态、固态和液态这三种基本形态存在于自然界之中，形成了地球水圈（Globalhydrosphere），其储量分布情况如表1.1所示。
表1.1地球水圈中的水储量分布
水体
水储量
咸水
淡水
103km3
%
103km3
%
103km3
%
海洋
1,338,000.0
96.5379
1,338,000.0
96.5379
冰川与永久积雪
24,064.1
1.7362
24,064.1
1.7362
地下水
23,400.0
1.6883
12,870.0
0.9286
10,530
0.7597
水冻层中冰
300.0
0.0216
300
0.0216
湖泊水
176.4
0.0127
85.4
0.0062
91
0.0066
土壤水
16.5
0.0012
16.5
0.0012
大气水
12.9
0.0009
12.9
0.0009
沼泽水
11.5
0.0008
11.5
0.0008
河流水
2.12
0.0002
2.12
0.0002
生物水
1.12
0.0001
1.12
0.0001
总计
1,385,984.6
100
1,350,955.4
97.4726
35,029.24
2.5274
由此可见，地球上水储量的约97.5％是咸水，淡水储量仅占2.53％，其中相当大的一部分，如冰川与永久积雪、埋藏过深的地下水、沼泽水等很难作为淡水资源供人们取用。
这样，我们可能从地球水圈中得到的水资源实际上不足总水储量的0.3％。
地球水圈中的水并不是静止不变的，而是处于不断的运动之中，存在着明显的水文循环（Hydrologicalcycle）现象。
图1.1为水文循环过程的示意图。
在太阳能的作用下，水分从水体（海洋、河流等）水面蒸发（Evaporation），同时从土地和植被表面也会发生蒸腾（Transpiration），成为空气中的水分。
湿空气在高空冷却凝结后，又以雨、雪的形式降落下来，一部分被土壤和植被吸收，一部分在地表形成径流，最终汇入水体。
降落到地表的水（包括土壤吸收的水和汇入水体的水）同时又通过渗透对地下水进行补充，在地下含水层中形成地下水流。
这样就形成了以蒸发→降水→径流→蒸发为主的水文循环过程。
在这个过程中参与循环的水分都是淡水，海水和其他水体中的盐分不参与循环而滞留于水体中。
蒸发
图1.1地球范围的水文循环
在上述水文循环过程中，主要涉及到的水体包括大气水、陆地水、海水这三大类。
（1）大气水
大气中的水量通常通过单位面积气柱中所含水蒸气的量来计算。
（2）陆地水
图1-2水蒸气的收支平衡概念图
陆地水包括河流、湖泊、地下水等，通常为与人类生活密切相关的淡水资源，它的循环往往受一个流域内的降雨情况、汇水面积、地形和地貌等自然条件的制约，图1.3为某一流域内水循环情况的示意图。
图1.3流域内的水循环
（3）海水
地球上总水量的将近97％是海水，考虑地球半径为6,371.22km的话，海水沿地球表面的平均水深为3.79km。
循环周期长达120年之久，深海区的循环周期则长达3000年。
海水的平均含盐量为35000mg/L左右，因而很难作为常规水源加以利用。
1.1.2人类聚居区域的水环境代谢
自古以来人类聚居地都选择在水资源相对丰富的流域内。
上一节中我们讲了流域内的水循环，这主要是指流域内自然水循环（Naturalwatercycle）的过程。
然而，在人类聚居的流域内，除了上述的自然水循环，还存在一个与人类生活和生产活动有关的人为水循环（Humanrelatedwatercycle）过程，这两种循环过程密切相关，可统称为人类聚居区域的水环境代谢（Watermetabolism）。
图2.4是这种水代谢过程的示意图。
图中的水体（Waterbody）泛指流域内可供取用的水源，包括地表水（河流、湖泊、水库）和地下水。
图1.4人类聚居区域水环境代谢示意图
下面我们来讨论一下图1.4所示的水环境代谢过程的各个环节。
（1）人为循环的各个环节
取水（Waterintake）：
从水体取得原水，以供给各种用水的设施或构筑物。
给水处理（Watertreatment）：
对原水进行必要的处理，以满足各种用水对水质要求的设施或构筑物。
生活用水（Domesticwater）：
供给居民生活的用水量，它取决于城市人口、每人每日平均生活用水量和城市给水普及率等因素。
这些因素随城市规模的大小而变化。
通常，住房条件较好、给水排水设备较完善、居民生活水平相对较高的大城市，生活用水量定额也较高。
市政用水有时也包含在生活用水之中。
工业用水（Industrialwater）：
供给工业企业的工业生产用水，一般是指工业企业在生产过程中，用于冷却、空调、制造、加工、净化和洗涤方面的用水，也包括工业企业内工作人员的生活用水。
农业用水（Irrigationwater）：
供给农业灌溉的用水量，它取决于农作物品种、耕作与灌溉方法。
排水处理（Wastewatertreatment）：
包括城市污水处理（Municipalwastewatertreatment）和工业废水处理（Industrialwastewatertreatment），以去除排水中的污染物，减轻排放后对水体的污染。
（2）人为循环过程所伴随的水质变化
在图1.4所示的人为循环过程中，人们从水体取水，经过各个用水环节后，这些水又排回了水体。
在这个过程中，除了用水环节中的蒸发耗散外，水量基本上没有大的变化。
也就是说，人们从水体取用的水量经使用后，基本上又全部回到了水体，构成了一个循环。
但是，这一循环过程中水质却发生了较大的变化。
以农业灌溉用水为例，取用的水多数情况下无须任何处理用于灌溉，经土壤吸收渗透等一系列过程，大量的水（除农作物吸收和蒸发散失的水量外）最终以灌溉排水或地下渗流的形式又回到水体。
在这一过程中，大量的土壤盐分和营养物质会溶入水中，成为流入水体的污染物。
生活用水和工业用水在使用前经过了给水处理，在使用过程中也同样溶入了各种各样的污染物，因此在排放前必须进行排水处理。
但是，即使是100％的污水和废水都进行了排水处理，处理水的污染物浓度通常也大大高于原水浓度。
因此，从水体的角度来说，取水和排水两个环节的污染物量是不平衡的，人为循环过程必然带来水体水质的下降（当然水体具有一定的自净能力，这将在1.3节中进行讨论）。
（3）天然循环对水代谢过程的影响
在图1.4所示的水代谢过程中，天然循环包括降雨、径流、蒸发等环节。
降雨过程有可能将大气中的污染物带到地面，通过径流进入水体（例如酸雨）；径流过程也会将地面的污染物带入水体；但蒸发过程中带走的只是水分，而将污染物成分留在水体中。
从这个意义上说，天然循环过程会对水体水质产生不良影响。
但是，在降雨和径流过程中带入水体的污染物的最初来源还是人为活动造成的，不能归结为自然的原因。
从水量的角度来说，天然循环过程中大致存在着以下的水量收支关系：
水体水量的变化=降雨量－蒸发量（1-1）
当流域内降雨量和蒸发量基本保持平衡时，水体水量（水资源总量）能够保持恒定；降雨量大于蒸发量时，水体水量始终得到充分补充，可能达到饱和容量；而当蒸发量大于降雨量时，水体水量将不断减少。
（4）维持良性水环境代谢的条件
从以上讨论可知，维持人类聚居区域良性水环境代谢的条件一是水量的收支平衡，二是污染物的收支平衡。
这里我们用“代谢”这个词，是将区域的水环境系统与生物体的代谢系统相比拟。
例如一个人体，良好的体内代谢是保持健康体质的前提。
人体从外界摄入水分、食物、氧气等，通过各个器官的加工和转换，向身体各个部分提供养分和能量，同时产生废弃物。
如果这些废弃物不能及时排出体外，废弃物中所含的有毒有害物（类似于水环境中的污染物）就会在体内积蓄，最终导致人体的衰竭。
人类聚居区域的水环境体系也是这样，只有在良好的代谢条件下，维持体系内的水量平衡、污染物总量平衡，才能保证区域的良好水环境条件，使人类能从水环境中获取“量”和“质”都能满足生活要求的水资源。
3.2水污染
3.2.1污染指标
（1）有机污染指标
有机物是水中最常见的污染物，它是一类不稳定的物质，随时随地都在向稳定的无机物转化。
这种转化过程通常是一个氧化过程，在微生物的作用下，随着水中有机物的氧化分解，水中的溶解氧被消耗，严重的情况下将造成缺氧状态，水体不再清澈透明，水中鱼类等动物难以生存。
同时有机物将发生厌氧分解，产生恶臭气体，水的颜色变黑。
根据有机物分解过程消耗氧气的特点，人们通常用生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、溶解氧（DO）作为评价有机污染的指标。
BOD（Biochemicaloxygendemand）：
有机物在微生物作用下进行好氧分解所消耗的氧的量，以此表示水中能被生物氧化的有机物总量。
通常以20oC的条件下进行5日生物氧化的耗氧量作为代表值，称之为五日生化需氧量（BOD5）。
COD（Chemicaloxygendemand）：
COD是指对水样用强氧化剂进行氧化分解，所消耗的氧化剂换算成氧的量。
在氧化分解的过程中，不仅是水样中的有机物，而且所有的还原性无机物都有可能被氧化，因此，严格地说COD所代表的不完全是水中的有机物。
DO（Dissilvedoxygen）：
水中的溶解氧量受大气中氧气溶入水中的溶氧速度和水中有机物分解的耗氧速度的影响。
一般来说，溶氧量受水温和氧的分压的制约，存在一个饱和值。
水中DO浓度与饱和值相差越大，说明水中耗氧量越大，水的有机污染情况越严重。
其它指标：
除BOD、COD外，总有机碳（TOC）和紫外消光度（UV）也作为水中有机物浓度的指标。
TOC是用水中有机物所含的碳原子的总量表示的有机物浓度，能更精确地表示有机物的总量。
在254nm波长下测得的UV消光度往往受水中中对紫外光具有吸收性的有机物（具有非饱和构造的官能团）的影响，也能表示水中有机物。
（2）重金属污染指标
水环境标准中重金属污染物共包含6种：
硒（Se）、砷（As）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）。
硒元素长期摄取会引起贫血、肝脏病变等。
慢性砷中毒主要引起皮肤黑斑和肌肉组织破坏。
人体汞中毒后主要发生“水俣病”，直接影响中枢神经，发生运动障碍。
镉具有很强的急性毒性和慢性毒性，过量摄取会引起急性胃炎，长期少量摄取后会在肝脏、肾脏等器官内积蓄，并侵入骨骼。
人体接触6价铬后，会刺激皮肤粘膜，引起皮肤炎，另外摄入体内后会引起肠道功能紊乱，发生尿毒症等。
水中存在的铅所引起的通常是慢性中毒，摄取的铅在骨骼内积蓄，引起贫血和肌肉麻痹。
（3）营养盐类污染指标
氮和磷是农业肥料的元素，属于植物生长的营养盐类。
地表水体中（尤其是湖泊、水库等封闭水域）营养盐浓度过高，会引起水中藻类等低等植物的过量繁殖，造成水华、赤潮的发生，引起水环境恶化，这种现象称之为富营养化（Eutrophication）。
富营养化带来的危害包括：
发生水的恶臭，影响水的观感；
作为原水使用时，引起滤池堵塞、产生异臭味；
造成水中鱼类窒息死亡；
造成水中有机物含量增高，溶解氧浓度降低，同时未分解的有机物在水体底部积蓄，发生厌氧分解。
通常存在于水中的营养盐类指氮和磷的盐类。
氮类营养物质主要包括氨氮（NH4-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）和硝酸盐氮（NO3-N）。
除上述三种氮的无机形态外，还有以有机形态存在的氮，称之为有机氮。
磷的存在形态有无机磷（磷酸盐）和有机磷。
（4）引起广泛关注的微量污染物
引起广泛关注的微量污染物主要有氰化物、PCB（聚氯联苯，PolycholorinatedBiphenyl）、苯和多环芳烃PAH（PolyaromaticHydrocarbon）、有机氯化物、THM（三卤甲烷，Trihalomethane）等有机化合物。
（5）其它污染物
水中的其它污染物还包括致病微生物、感官污染物（如色度、混浊度、泡沫、恶臭等）和酸碱污染物。
3.2.2污染源与污染负荷量
对于河流、湖泊这样的水体，在流域水循环和水环境代谢的过程中都会受到不同程度的污染，从水环境保护的角度出发，将排入水体的污染物总量控制在环境可容纳的界限（环境容量）之内是保证良好水环境代谢条件的前提。
因此，流域污染源和污染负荷的分析非常重要。
污染源包括点源（Pointsource）和面源（Non-pointsource）两大类。
所谓点源，是指集中产生、并有可能集中排入水体的污染源，例如工厂废水、城镇生活污水都具有点源的性质。
所谓面源，是指非集中产生、不可能集中排入水体的污染源，例如人烟稀少的山区、旷野、农村地带也有自然污染产生，降雨时污染物会随地面径流进入水体，这样的污染就具有面源的性质。
一般来说，点源是水环境治理的重点，工业废水处理、城镇生活污水处理都是通过点源治理降低排入水体的污染物总量的重要措施。
污染物产生的单位量称之为污染负荷量（Pollutantload）。
以下就不同污染源说明污染负荷量的计算原理。
（1）生活污水的污染负荷量
生活污水的污染负荷通常按每人每天的污染物发生量（单位负荷量）来计算。
污染物的发生与生活方式、气候条件、饮食结构有关，一般应通过实际调查或参考条件相近地区的经验来确定。
表根据国内外的经验，在集中给水排水且卫生设备健全的情况下，生活污水单位污染负荷量的大致范围如表3.2所示。
确定了单位污染负荷量之后，就可以按人口推算出生活污水的总污染负荷。
表3.2生活污水的单位污染负荷量
污水种类
排水量
（L/人·日）
单位污染负荷（g/人·日）
SS
COD
BOD
TN
TP
洗涤污水
90～250
10~30
8~20
10~35
1~2.5
0.2~1.1
粪便污水
50～70
20~22
8~10
15~17
6~8
0.6~0.8
总生活污水
150～300
15~60
15~30
20~60
4~12
0.8~1.7
（2）工业废水的污染负荷量
工业废水的污染负荷量因产业种类和生产过程而异，其单位污染负荷量一般可表示为单位产量（或单位产值）的污染物发生量。
根据国家的环境标准，工业废水必须在工业企业内部进行废水处理，达到排水标准之后在能排出厂外。
因此对工业废水的污染负荷量一般是按实际排水量和排水水质来进行计算。
SS和COD是计算工业废水污染负荷量的常用指标，此外，根据工厂排水的性质，有时也计算总氮、总磷和其它污染物的总量。
（3）家畜排水的污染负荷量
饲养场等集中饲养家畜的地方，产生的污染负荷量也不容忽视。
除单位污染负荷有别外，其计算原理与生活污水的污染负荷量计算是完全相同的。
根据国外的研究，家畜排水中猪的单位污染负荷量可高达BOD200g、COD130g、SS700g、TN40g、TP25g/头·日，而牛的单位污染负荷量可高达BOD640g、COD530g、SS3000g、TN370g、TP50g/头·日，必须要求按工业废水进行专门处理才能外排。
（4）其它人为的污染负荷量
屠宰场、医院、大型洗染店等排出的污水废水也是重要的污染源，其污染负荷量的计算方法与工业废水相类似。
（5）自然污染负荷量
山区、林地、农田（大型灌溉系统除外）等产生的自然污染负荷都属于非点源，一般很难专门治理，但作为环境背景值在水环境容量的计算中也不能忽视。
根据国外的经验，自然污染的单位负荷量按0.5~1.0kg/日·km2来计算比较合适。
1.2.3水环境容量
环境容量（Environmentalcapacity）或环境承载力是指一个环境系统能承受外界干扰的最大能力。
对于一个区域的水环境系统，其水环境容量是指系统容纳污染的最大能力。
在图1-4所示的水环境代谢系统中，水体处于系统的中心位置，既是人类耐以生存的水资源，又是污染物的接受体。
1.3水体的自净作用
1.3.1水体对污染物的自净过程
污染物在进入水体后，通过物理、化学和生物因素的共同作用，使污染物的浓度降低，曾受污染的水体部分地和完全地恢复原状。
这种现象称之为水体对污染物的自净作用。
前面所述水体的环境容量就包含了水体的自净作用。
如果排入水体的污染物超过水体的净化能力，就会导致水体的污染。
水体自净过程很复杂，按其作用机理可分为3类：
（1）污染物通过稀释、扩散、混合、沉淀和挥发等作用，浓度得到降低，属于物理自净；
（2）通过水体的氧化还原、酸碱中和、分解化合、吸附与凝聚等作用，使污染物的存在形态发生变化、浓度降低，属于化学或物理化学自净；（3）通过水体中的水生生物、微生物的生命活动，使污染物的存在状态发生变化，总量和浓度降低，属于生物化学自净。
图3.5以河流为例，描述了水体自净作用中与上述机理有关的主要现象。
在上述自净过程中，对水中有机物而言最重要的是在溶解氧存在的条件下，好氧性微生物对有机物的氧化分解过程。
在这一过程中，有机物被分解为无机物、二氧化碳和水，其总量得以降低。
例如，当有机物的主体为蛋白质时，氧化分解的最终产物为二氧化碳、水和氨氮。
图1.5河流自净作用的主要现象
好氧性微生物
蛋白质（C,H,O,N）+O2NH3+CO2+H2O（1-7）
有机物的分解将不断消耗水中的溶解氧，为了维持水体的自净作用，必须保持水中足够的溶解氧量，使水体始终处于好氧性环境状态。
但是如果排入水体的有机物过多，溶解氧消耗量过大，水体就会变为厌氧状态，出现厌氧性细菌。
厌氧菌利用有机物内部所含的氧进行有机物分解，生成硫化氢、甲烷、碳酸等气体。
即使在水体整体处于好氧状态的条件下，底部也会因局部缺氧而发生厌氧反应。
这种厌氧反应虽然也是一种自净作用，但所需时间较长，且有有害气体产生，同时在厌氧条件下鱼类难以生存。
因此不是一种好的水环境条件。
水体的自净作用与当地的水文地理条件密切相关。
对于河流来说，相对稳定的水流有利于微生物的生存，能较好地发挥生物自净作用。
而坡度大、流程短的河流往往是物理稀释等起主要作用。
1.3.2复氧过程
影响水中溶氧的因素有压力、水文、盐分浓度等，在一定条件下，水中溶氧饱和浓度是一定值。
在大气和水的界面附近，水中溶解氧被消耗时，大气就会向水中补充氧气，这一现象称之为复氧（Re-aeration）。
复氧伴随着气相和液相间的物质交换，其速度与两相间的浓度差和界面面积成比例。
（1-8）
式中，O：
溶解氧浓度；Os：
溶解氧饱和浓度；K2：
复氧系数。
设D=Os－O为亏氧量（溶解氧浓度与饱和浓度的差值），则上式可改写为：
（1-9）
复氧系数K2的值与水的紊流状态有关，河流的K2多在0.2~10（1/日）之间，水流越急K2值一般越大。
复氧过程对水体自净起重要作用。
1.3.3Streeter-Phelps方程
水体中有机物在消耗溶解氧的条件下得到氧化分解，其速度与有机物量成比例，符合下列1级反应方程。
（1-10）
式中，L：
有机物浓度（BOD）；K1：
耗氧系数。
对上式进行积分，可得到BOD随时间变化的关系式：
（1-11）
这里，L：
t天后的BOD；L0：
t=0时的BOD。
BOD本身就是以需氧量表示的有机物量，将式（1-10）改写为亏氧量D的形式，可得到：
（1-12）
式（1-9）所示的复氧过程与式（1-12）所示的耗氧过程是同时进行的，将二式合并，可得到式（1-13），称之为Streeter-Phelps方程：
（1-13）
运用式（1-13）可以进行污染物排放入河流后，水中溶解氧变化过程的解析。
这时，耗氧系数K1和复氧系数K2的确定非常重要，通常需要进行实验室和河流现场测试。
实际上，河流中由于生物自净作用对有机物的去除效果和由于沉淀等物理作用对有机物的去除效果很难明确区别，因此可定义一个包含沉淀等作用的BOD去除系数Kd来代替式（1-13）中的耗氧系数K1：
（1-14）
式中，Kd：
河流的BOD去除系数（通常实测得到）；K3：
沉淀等物理作用下的BOD去除系数。
另外，除纯水条件下气液界面的复氧作用外，污染河水中好氧微生物的大量存在也会使复氧系数增大。
因此可用一个综合复氧系数Kr来代替K2。
这时式（1-13）变为：
（1-15）
1.3.4氧垂曲线
图1.5为式（1-13）所示的有机物氧化分解和复氧过程同时进行时，河水的亏氧量的变化模式图。
如图所示，当有机物排入后，初期氧化分解反应的耗氧速度大于复氧速度，DO浓度急剧下降，在时刻tc，DO浓度达到最小值，亏氧量达到最大值Dc。
随着有机物的氧化分解去除，耗氧速度变慢，DO浓度逐渐恢复，最终达到饱和浓度。
图1.6所示的曲线称之为氧垂曲线（DOsagcurve）。
将式（1-11）代入式（1-13）并积分解出D，可得到：
（1-16）
式（1-16）则为氧垂曲线的数学表达式，式中，D0：
t＝0时的亏氧量。
氧垂曲线的最低点对应的亏氧量Dc和到达该点的时间tc非常重要。
该点对应的DO浓度的大小表征着河流自净作用能否保持在良好的好氧状态下，该浓度值一般不应低于4mg/L。
设dD/dt＝0，由式（3-16）可求出Dc和tc如下：
（1-17）
（1-18）
氧垂曲线
两式中，比值K2/K1显然很重要，被称之为自净系数F。
湖泊的自净系数一般为0.5~1.5，流动缓慢的河流F值多在1.5~2.0之间，急流河道的F值可达到3.0~5.0，瀑布的F值则在5.0以上。
流速越大，自净系数越大。
引入F值后，式（3-17）和式（3-18）可分别改写为：
（1-19）
（
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