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1、第二章第二章 水体污染与自净水体污染与自净教学要求：教学要求：掌握水体自净的概念、原理；理解氧垂曲线的概念，了掌握水体自净的概念、原理；理解氧垂曲线的概念，了解污水处理的基本方法和典型的工艺流程。解污水处理的基本方法和典型的工艺流程。1.1.水体污染及其危害水体污染及其危害“水体”与“水”的区别：环境学领域中水体包括水中悬浮物、溶解物质、底泥和水生生物等完整的生态系统或完整的综合自然。水体污染：是指排入水体的污染物在数量上超过该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量，从而导致水体的物理性质和化学性质发生变化，使水体的固有生态系统和水体功能受到破坏。污染来源：点源污染、非点源污染、大气沉降。研究
2、水体污染主要研究水污染，同时也研究底质（底泥）和水生生物污染。1.1水体的物理性污染及危害水体的物理性污染及危害水体的物理性污染是指水温、色度、臭味、及悬浮物及泡沫等。1.2无机物污染及危害无机物污染及危害酸碱污染污水的pH对污水处理及综合利用，水生生物的生长繁殖，对排水管道都有很大影响。氮磷的污染一般认为：总磷与无机氮浓度分别达到0.02mg/L与0.3mg/L的水体，标志已处于富营养化状态。防止富营养化关键在于控制磷。氮在水中的存在形态与分类N无机NNOx-N(硝态氮)TKN(凯氏氮)总N(TN)NH3-NNO3-NNO2-N有机N（尿素、氨基酸、蛋白质）氨化与硝化反应过程重金属的污染重金
3、属以汞的危害最大，镉次之，铅、铬、砷也有相当毒性，称其为五毒。从毒性和对水生生物体、人体的危害方面看，重金属污染有以下3个特点：1.天然水体中微量浓度即可产生毒性效应。如汞、镉产生毒性的浓度范围0.01-0.001mg/L。2.通过食物链的生物放大作用，在生物体内成千、成万倍富集，然后通过食物进入人体，在某些器官中积累造成慢性中毒。水生生物对常见重金属的平均富集系数日本的“骨痛病”是镉积累过多，引起肾脏功能失调，骨中钙被镉取代，骨骼软化所致。3.水中某些重金属可在微生物的作用下转化为更强的金属化合物。如汞的甲基化。污水综合排放标准规定p619第一类污染物，不分行业和污水排放方式，也不分受纳水体
4、的功能类别，一律在车间或车间处理设施排放口采样，其最高允许排放浓度必须达到本标准要求（采矿行业的尾矿坝出水口不得视为车间排放口）。第一类污染物：第一类污染物：汞、镉、铬、砷、铅、镍、银、苯并芘、放射性 1.3有机物污染及危害有机物污染及危害油脂类污染油脂形成油膜，阻碍水体与大气接触复氧，造成水生动物窒息。酚污染莱茵河中年平均含酚量达容许浓度的50倍。酚有毒性，如人经常摄入的酚量超过人体的解毒能力，人会慢性中毒，发生呕吐、腹泻、头疼头晕、精神不安等症状。问题：污水处理厂出水是否一定要消毒？表面活性剂污染表面活性剂分两类：a.烷基苯磺酸盐（硬性洗涤剂ABS），含有磷，并易产生泡沫，难生物降解；b.
5、烷基芳基磺酸盐（软性洗涤剂LAS），可生物降解，泡沫减少，仍然含有磷1.4病源微生物污染及危害病源微生物污染及危害水中病源微生物有三类：病菌、病毒、寄生虫。病毒微生物是水体污染中主要的污染物，对人体来讲，传染病的发病率和死亡率都很高。如印度德里市1955-1956年发生一次传染性肝炎，全市102万人口，将近10万人患肝炎，其中黄胆型肝炎29300人。非典2.2.水体自净的基本规律水体自净的基本规律2.1 2.1 水体的自净作用水体的自净作用 污染物随污水排入水体后，经过物理的、化学的与生物化学的作用，使污染的浓度降低或总量减少，受污染的水体部分地或完全地恢复原状，这种现象称为水体自净或水体净化
6、。水体所具备的这种能力称为水体自净能力或自净容量。若污染物的数量超过水体的自净能力，就会导致水体污染。水体自净过程非常复杂，按机理可分为3类：物理净化作用水体中的污染物通过稀释、混合、沉淀与挥发，使浓度降低，但总量不减。水体的物理净化作用过程图如图2-1所示。图2-1 水体的物理净化作用过程图污水排入水体后，在流动的过程中，逐渐和水体水相混合，使污染物的浓度不断降低的过程称为稀释。在下流某个断面处污水与河水完全混合，该断面称为完全混合断面(见图2-1，B-B断面)；大江大河的河床宽阔，污水与河水不易达到完全混合，而只能与一部分河水相混合，并在排污口的一侧形成长度与宽度都较稳定的污染带。稀释、扩
7、散其稀释效果受到对流与扩散这两种运动形式的影响。稀释：污水进入水体后，逐渐和水体混合，浓度不断降低的过程。扩散：污染物进入水体后，在水体中产生浓度梯度场，污染物有高浓度向低浓度迁移的过程。包括：分子扩散：布朗运动引起的物质分子扩散-用于湖泊、水库等静水体。紊流扩散：水体紊流流态引起的污染物浓度降低-河流等动水体。弥散：水体各层流速不同，引起的污染物浓度扩散-异重流。混合混合效果-混合系数（）-通过混合达到稀释的目的 =Q总-河水总流量Q混-与污水混合的河水流量混合系数受河流形状、排污口形式、排水量影响。特定断面混合系数的计算：=L计算-排污口到计算断面的距离（距离好算，流量不好算）L全混-排污
8、口到混合断面的距离（已知，可实测或查表）沉淀污染物沉于河底，河水中浓度降低。（遇到扰动，产生二次污染）化学净化作用水体中的污染物通过氧化还原、酸碱反应、分解合成、吸附凝聚(属物理化学作用)等过程，使存在形态发生变化及浓度降低，但总量不减。（1）氧化还原Fe2+-Fe(OH)3S2-SO42-Cr3+-Cr6+（2）酸碱反应（3）吸附与凝聚 水体中存在的胶体微粒（表面带电），可以吸附水中的阴阳离子生物化学净化作用水体中的污染物通过水生生物特别是微生物的生命活动，使其存在形态发生变化，有机物无机化，有害物无害化，浓度降低，总量减少。可见，生物化学净化作用是水体自净的主要原因。1、零维水质模型-各方
9、向完全混合，理想状态；2、一维水质模型-宽度、深度分布均匀，长度方向浓度变化；3、二维水质模型-深度分布均匀，长度、宽度方向浓度变化；4、三维水质模型-各方向均存在浓度变化。2.22.2水体水质基本模型水体水质基本模型氧垂曲线 有机物排人河流后，经微生物降解而大量消耗水中的溶解氧，使河水亏氧；另方面，空气中的氧通过河流水面不断地溶人水中，使溶解氧逐步得到恢复。所以耗氧与复氧是同时存在的。存在两种变化趋势：存在两种变化趋势：有机物被微生物降解，消耗水中的溶解氧，使有机物被微生物降解，消耗水中的溶解氧，使DO下降；下降；降解耗氧速率降解耗氧速率-与有机物浓度成正比与有机物浓度成正比 河流流动过程中
10、，接受大气复氧，使河流流动过程中，接受大气复氧，使DO上升。上升。复氧速率复氧速率-与亏氧量成正比与亏氧量成正比两种作用的结果两种作用的结果-形成氧垂曲线形成氧垂曲线2.32.3河流氧垂曲线方程河流氧垂曲线方程菲里普斯菲里普斯(Phelps)(Phelps)方程方程河水中的DO与BOD5浓度变化模式见图2-2所示。污水排人后DO曲线呈悬索状下垂，称为氧垂曲线；BOD5曲线呈逐步下降状，直至恢复到污水排人前的基值浓度。图2-2 河流中BOD5及DO的变化曲线第一段ao段：耗氧速率大于复氧速率，水中溶解氧含量大幅度下降，亏氧量增加，直至耗氧速率等于复氧速率。o点处，溶解氧量最低，亏氧量最大，称o点
11、为临界亏氧点或氧垂点。氧垂曲线可分为如下三段：第二段ob段：复氧速率开始超过耗氧速率，水中溶解氧量开始回升，亏氧量逐渐减少，直至转折点b；第三段b点以后：溶解氧含量继续回升，亏氧量继续减少，直至恢复到排污口前的状态。氧垂曲线方程菲里普斯万程的建立 有机物耗氧动力学美国学者斯蒂特菲里普斯于1925年对耗氧过程动力学研究分析后得出：（i）当河流受纳有机物后，沿水流方向产生的输移有机物量远大于扩散稀释量；（ii）当河水流量与污水流量稳定，河水温度不变时，则有机物生化降解的耗氧量与该时期间水中存在的有机物量成正比，即呈一级反应，表达式为：积分得：式中：Lo有机物总量，即氧化全部有机物所需要的氧量，也即
12、河水在允许亏氧量的条件下，可以氧化的最大有机物量；Ltt时刻水中残存的有机物量；t时间，d；k1，K1耗氧速率常数，k10.434Kl。耗氧速率常数k1或K1因污水性质不同而异，须经实验确定。生活污水排人河流后k1值见表2-1所示。表2-1生活污水耗氧速率常数k1值表2-1中，不同水温时的耗氧速率常数k1可用式下式互相换算：式中：k1，k2，k20分别为温度T1、T2、T20时的耗氧速率常数；温度系数，=1.047；k2020时的耗氧速率常数，k200.1。通过河流水面与大气的接触，氧不断溶人河水中，当其他条件一定时，复氧速率与亏氧量成正比例：溶解氧变化过程动力学式中：k2复氧速率常数；D亏氧
13、量，D=C0CX；C0一定温度下，水中饱和溶解氧，mg/L；Cx河水中溶解氧含量，mg/L。菲里普斯对被有机物污染的河流中溶解氧变化过程动力学进行了研究后得出结论：河水中亏氧量的变化速率是耗氧速率与复氧速率之和。在与耗氧动力学分析相同的前提条件下，亏氧方程也属一级反应，表达式为：将上式积分得河流中氧垂曲线方程式，即菲里普斯方程式：式中：Dtt时刻河流中亏氧量。菲里普斯方程式的工程意义(i)用于分析受有机物污染的河水中溶解氧的变化动态，推求河流的自净过程及其环境容量，进而确定可排人河流的有机物最大限量；(ii)推算确定最大缺氧点即氧垂点的位置及到达时间，并依此制定河流水体防护措施。菲里普斯方程式
14、的使用条件 a适用于河流截面变化不大，藻类等水生植物和底泥影响可忽略不计的河流；b仅适用于河流与污水在排放口处完全混合的条件；c所使用的k1、k2的值必须与水温相适应；d如沿河流有n个排放点，则应根据情况合并成一个排放点计算，或逐段计算。3 3 水环境保护水环境保护水环境容量：在满足水环境质量标准的条件下，水体所能接纳的最大允许污染物负荷量，又称水体纳污能力。水环境保护包括量和质两个方面。3.1 3.1 量的保护量的保护保护措施包括：提高水的利用效率，开辟第二水源。调节水源流量，增加可靠供水。加强水资源管理。增加下水道建设，发展城市污水处理厂。3.2 3.2 质的保护质的保护我国颁了环境保护法
15、，环境立法工作不断完善，有关部门与地方制定了较详细的水环境质量标准和污水排放标准，做到了水质的保护有法可依。我国的环境标准体系我国的环境标准体系环境标准国家环境标准地方环境标准国家环保总局标准（行业标准）环境质量标准污染物排放标准环境基础标准环境监测标准环境标准样品标准环境质量标准污染物排放标准4.4.污水处理基本方法与系统污水处理基本方法与系统 l.l.污水处理的基本方法污水处理的基本方法污水处理的基本力法，就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。2.2.污水处理技术的分类污水处理技术的分类(1)(1)按原理分类按原理分类现代污水
16、处理技术，按原理可分为物理处理法，化学处理法，生物化学处理法和生态法4类。物理处理法：利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物质。方法有：筛滤法，沉淀法，上浮法，气浮法，过滤法和反渗透法等。化学处理法：利用化学反应的作用，分离回收污水中处于各种形态的污染物质(包括悬浮的、溶解的、胶体的等)。主要方法有中和、混凝、电解、氧化还原、汽提、萃取、吸附、离广交换和电渗析等。化学处理法多用于处理生产污水。生物化学处理法：是利用微生物的代谢作用，使污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害物质。主要方法可分为两大类，（A)好氧法(好氧氧化法)：即利用好氧微生物作用。广泛用于处理城市污水及有机性
17、生产污水，其中有活性污泥法和生物膜法两种。（B)厌氧法(厌氧还原法)：利用厌氧微生物作用的。多用于处理高浓度有机污水与污水处理过程中产生的污泥，现在也开始用于处理城市污水与低浓度有机污水。生态法：利用食物链的作用。(2)(2)按处理程度分类按处理程度分类现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。一级处理：主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理后的污水，BOD一般可去除30左右，达不到排放标准。二级处理：主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(即BOD、COD物质)，去除率可达90以上，使有机污染物达到排放标准。三级
18、处理：是在一级、二级处理后，进一步处理难降解的有机物、磷和氮等能够寻致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法等。注意与深度处理的区别。3.3.剩余污泥的处理剩余污泥的处理污泥是污水处理过程中的产物。城市污水处理产生的污泥含有大量有机物，富有肥分，可以作为农肥使用，但又含有大量细菌、寄生虫卵以及从生产污水中带来的重金属离子等，需要作稳定与无害化处理。污泥最终处置前的处理工艺浓缩、脱水、干化、稳定、调理(调节)或消毒。污泥处理后的最终出路污泥的最终出路主要是部分或全部利用或以某种再返回自然环境中去.污泥的利用：主要是农业上的利用污泥的最终处置方法：填埋、焚烧、海洋投放、地下投放等填埋：必要的前处理、稳定化处理；焚烧：大幅度减容、灭菌、尾气处理、运行费用贵；海洋投放：地下洞穴、废矿、深井中等图：污泥处理与处置的基本流程城市污水处理典型工艺流程城市污水处理典型工艺流程高碑店污水处理厂工艺流程图高碑店污水处理厂工艺流程图第二章总结掌握几个基本概念：水体污染、水体自净、环境容量、氧垂曲线污水处理的基本工艺流程三级处理与深度处理