水处理工程总论1 54页

水处理工程（硕士研究生学位课）环境科学与工程系赵朝成\n水处理工程学习要求学习目的掌握水污染控制方法原理了解水污染控制工程基本设计要素了解目前水污染控制技术现状及发展趋势学习内容废水处理:物理法、化学法、物化法、生物法废水处理技术教材及参考书当代给水与废水处理原理，许保玖等编，高等教育出版社环境工程学，蒋展鹏主编，高等教育出版社废水处理工程，唐受印等编，化学工业出版社水污染控制工程，高廷耀主编，高等教育出版社\n水处理工程学习要求IndustrialWaterPollutionControl(ThirdEdition),清华大学出版社（影印版），2002.成绩评定平时30%，考试70%纪律要求按时上课，完成作业\n第一章总论\n总论第1节水的循环与污染一、地球上水的分布水份类型水量（104km3)比例（%）大气水1.30.001海洋水13200097.212冰川和冰29202.15河水0.130.0001淡水湖12.50.0092盐水湖10.40.0077土壤水6.70.0049地下水8350.615生物体内水0.120.0001总量135784.85100\n总论海洋97.212%0.023%地下水0.615%冰川2.15%湖泊0.0092%生物体0.0001%河水0.0001%大气水蒸汽0.001%土壤含水0.0049%地球上水的分布2.788%盐水湖0.0077%\n二、水的循环自然循环社会循环总论\n三、中国水资源特点人均占有量少淡水总量在全世界占第6位。但人均占有量只有2340m3/人年（以12亿人口计），世界平均水准的1/4，占88位。2.空间分布不均81％的水资源分布在长江流域及其以南东南地区降水量可达1600mm，造成涝灾西北地区降水只有500mm，少的地区不到200mm3.年内及年际变化大60－80％降水集中在夏季，7，8，9月；年际变化差3－6倍（大时）4.许多地区缺水严重三北（西北、华北、东北）和沿海（青岛、大连）在640个城市中，300多个城市缺水。总论\n总论第2节水污染现状及来源一、水污染现状\n序号指标名称2000年2005年计划目标2005年“十五”增减情况1化学需氧量排放量（万吨）144513001414-2.1%2工业用水重复利用率（%）/6075/3二氧化硫排放量（万吨）19951800254927.8%4城市污水处理率（%））34.345（生活52.017.7个百分点“十五”环保计划主要指标完成情况总论\n“十一五”主要环保指标指标2005年2010年“十一五”增减情况1化学需氧量排放总量（万吨）14141270-10%2二氧化硫排放总量（万吨）25492295-10%3地表水国控断面劣V类水质的比例（%）26.1＜22-4.1个百分点4七大水系国控断面好于Ⅲ类的比例（%）41＞432个百分点5重点城市空气质量好于II级标准的天数超过292天的比例（%）69.4755.6个百分点总论\n2006年全国水污染物排放数据:1.废水排放总量（亿吨）：536.8(比上年增加2.3%)其中：工业废水排放量240.2(比上年减少1.1%)，城镇生活污水排放量296.6(比上年增加5.8%)2.化学需氧量排放总量（万吨）1428.2(比上年增加1%)其中：工业化学需氧量排放量541.5(比上年减少2.4%)城镇生活化学需氧量排放量886.7(比上年增加3.2%)93.氨氮排放总量（万吨）：141.3(比上年减少5.7%)其中：工业氨氮排放量42.5(比上年减少19.0%)城镇生活氨氮排放量98.8%(比上年增加1.6%)4.工业废水排放达标率（％）：92.1(比上年下降0.5%)5.工业用水重复利用率（％）：80.6(比上年提高4.5%)（２００7年全国环境统计公报）总论\n1.全国废水排放总量556.8亿吨，比上年增加3.7%。其中，工业废水排放量246.6亿吨，占废水排放总量的44.3%，比上年增加2.7%；城镇生活污水排放量310.2亿吨，占废水排放总量的55.7%，比上年增加4.6%。2.化学需氧量排放量1381.8万吨，比上年减少3.2%。其中，工业废水中化学需氧量排放量511.1万吨，占化学需氧量排放总量的37.0%，比上年减少5.8%；城镇生活污水中化学需氧量排放量870.7万吨，占化学需氧量排放总量的63.0%，比上年减少1.7%。3.氨氮排放量132.4万吨，比上年减少6.3%。其中，工业氨氮排放量34.1万吨，占氨氮排放量的25.8%，比上年减少19.8%；生活氨氮排放量98.3万吨，占氨氮排放量的74.2%，比上年减少0.5%。4.工业废水排放达标率91.7%，比上年提高1.0个百分点。工业用水重复利用率82.0%，比上年提高1.4个百分点。（２００8年全国环境统计公报）2007年全国水污染物排放数据\n二、自然污染和人为污染自然污染社会污染水体自净环境容量在其环境容量的范围以内，受到污染的水体，在一定的时间内，通过物理、化学和生物学等作用，污染程度逐渐降低，这个过程叫水体的自净。也可简单地说，水体受到废水污染后，逐渐从不洁变清的过程称为水体的自净。水体自净机理物理过程：稀释、扩散、挥发、沉淀化学及物理化学：氧化、还原、吸附、凝聚、中和生物净化过程机理水体自净机理水体总论\n总论\n总论三、水污染分类化学性污染无机污染物质：酸、碱及无机盐类。无机有毒物质：重金属等金属毒物—不能降解，只能相互转化、分散；离子态毒性最大；在生物体内富集；非金属毒物—中枢神经紊乱，诱发皮肤癌有机有毒物质：有机农药、多环芳烃、芳香胺等人工合成有机物，难以生化降解。需氧污染物质：有机物\n总论植物营养物质：氮、磷等（富营养化）油类污染物质物理性污染悬浮物质污染：不溶性物质热污染废水温度过高而引起的危害。水体DO减少，水生生物因缺氧而死亡加快藻类繁殖，加速富营养化化学反应加快，加速腐蚀过程加速细菌繁殖，增加后续处理费用。放射性污染原子核衰变而释放射线的物质\n总论生物污染致病性微生物，包括致病细菌、病虫卵和病毒。四、废水的来源生活污水和工业废水生活污水—是人们日常生活中所产生的废水—成份与人们的生活习惯有关。工业废水—工业生产过程中所排出的废水。其成份主要决定于生产过程中采用的原料以及所应用的工艺。生产污水、生产废水（假定净水：间接冷却水、厂区锅炉、电站排水）\n五、水污染原因1．人口增加和经济增长的压力2．粗放型发展模式3.面源污染严重4．污水处理率偏低，大量污水直接排放5．环境意识淡薄、环境管理薄弱、环境执法力度不够6.排污收费等经济政策未能起到对治污的刺激作用7.历史欠帐太多，资金投入严重不足总论\n六、水污染防止战略对策与保障措施战略对策：1．加快城市废水处理厂的建设步伐，实施废水资源化2．尽快实现从末端治理向源头控制的的战略转移，大力推行清洁生产3．从单纯的点污染源治理转向点源、内源和面源的流域综合综合治理4．切实保护饮用水源地，提高饮用水安全性保障措施：1.严格以法治水，制定并实施有效的法律、规章、制度2.完善水的管理体系，改变“多龙管水”的现象3.加大水污染治理投资4.采取有利于水污染防治的经济政策总论\n第3节水质指标及水质标准一、废水水质物理指标温度色度嗅和味固体物质总固体（TS）溶解物质（DS）悬浮固体物质（SS）悬浮物是通过过滤法测定的，滤后滤膜或滤纸上截留下来的物质即为悬浮固体，它包括部分的胶体物质，单位为mg/L。总论\n总论化学性指标有机物BOD：生化需氧量（BOD）表示在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量，常用单位为mg/L。COD：在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化为CO2、H2O所消耗的氧量。CODCr，CODMn-高锰酸盐指数COD>BOD20>BOD5>CODMnBOD5/COD反应废水可生化性\n总论TOD（高温燃烧后，所消耗的氧量）：有机物主要是由碳（C）、氢（H）、氮（N）、硫（S）等元素所组成。当有机物完全被氧化时，C、H、N、S分别被氧化为CO2、H2O、NO和SO2，此时的需氧量称为总需氧量（TOD）。水中有机物在燃烧时，消耗了载气中的一部分氧，用电极测定剩余的氧量后，计算出的耗氧量即为总需氧量，单位为mg/L。TOC（废水中的总碳量）：总有机碳（TOC）表示的是污水中有机污染物的总含碳量。其测定结果以C含量表示，单位为mg/L。总有机碳的测定原理是：水中有机碳在高温燃烧过程中，生成CO2，经红外气体分析仪测定后，再折算出其中的C含量。\n油类污染物石油类动植物油脂酚类污染物无机性指标:植物影响元素(N、P）pH值重金属生物性指标:细菌总数大肠菌群大肠菌群数是指单位体积水中所含的大肠菌群的数目，单位为个／升，它是常用的细菌学指标。大肠菌群包括大肠菌等几种大量存在于大肠中的细菌，在一般情况下属非致病菌。总论\n总论二、污水排放标准1.地表水环境质量标准首次发布1983年第1次修订1988年第2次修订1999年GHZB1-1999第3次修订2002GB3838-2002水体分类：I类主要适用于源头水、国家自然保护区；II类主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵区III类主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区IV类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区V类主要适用于农业用水区及一般景观要求区域\n总论2.污水排放标准行业标准—各行业针对行业特点颁布最广泛的《污水综合排放标准》GB8978-1996第一类污染物—能在环境或动植物体内积蓄，对人类健康生产长远的影响。必须在车间或车间处理设施排放口处取样。第二类污染物的长远影响小于第一类，规定的取样点在排污单位的排出口。浓度标准有缺陷总量控制根据一定范围内的水体环境容量和自净能力，计算出允许排入该水域的污染物总量，然后再按一定的原则，将这些允许的排污总量合理地分配给区内的各污染源。\n表１第一类污染物最高允许排放浓度单位：mg/l总论序号污染物最高允许排放浓度1总汞0.052烷基汞不得检出3总镉0.14总铬1.55六价铬0.56总砷0.57总铅1.08总镍1.09苯并(a)芘0.0000310总铍0.00511总银0.512总α放射性1Bq/L13总β放射性10Bq/L\n总论\n山东省海河流域水污染物综合排放标准(DB37/675-2007)适用范围:本标准规定了山东省辖海河流域内69种水污染物的排放限值。本标准适用于山东省辖海河流域内一切排污单位水污染物的排放管理、建设项目的环境影响评价、建设项目环境保护设施设计、竣工验收及其投产后的排放管理。第一类污染物最高允许排放浓度标准不分时段。山东省海河流域内除城镇污水处理厂外所有向该区域直接排放污水的单位自2007年7月1日起执行表1的标准。第二类污染物最高允许排放浓度标准分为三个时段。流域内除城镇污水处理厂外所有向该区域直接排放污水的单位，于2007年7月1日起执行表2时段的标准，2021年7月1日起执行表3时段的标准，2021年7月1日起执行表4时段的标准。总论\n山东省半岛流域水污染物综合排放标准（DB37/676-2007）适用范围本标准规定了山东省半岛流域内70种水污染物的排放限值。本标准适用于山东省半岛流域内一切排污单位水污染物的排放管理、建设项目的环境影响评价、建设项目环境保护设施设计、竣工验收及其投产后的排放管理。第一类污染物最高允许排放浓度标准不分时段。山东省半岛流域内除城镇污水处理厂外所有向该区域直接排放污水的单位自2007年10月1日起执行表1的标准。第二类污染物最高允许排放浓度标准分为二个时段。流域内除城镇污水处理厂外所有向该区域直接排放污水的单位，于2007年10月1日起执行表2时段的标准，2021年1月1日起执行表3时段标准。总论\n山东省小清河流域水污染物综合排放标准(DB37/656－2006)范围:本标准规定了向小清河干流汇水的区域内69种水污染物排放限值。本标准适用于向小清河干流汇水的区域内一切排污单位水污染物的排放管理、建设项目的环境影响评价、建设项目环境保护设施设计、竣工验收及其投产后的排放管理。第一类污染物最高允许排放浓度标准不分时段。山东省小清河流域内除城镇污水处理厂外所有向该区域直接排放污水的单位自2007年4月1日起执行表1标准。第二类污染物最高允许排放浓度标准分为三个时段。流域内除城镇污水处理厂外所有向该区域直接排放污水的单位，于2007年4月1日起执行表2时段的标准，2021年7月1日起执行表3时段的标准，2021年7月1日起执行表4时段的标准。总论\n总论第4节废水处理方法综述按对污染物实施的作用不同分离法—通过各种外力作用，把有害物从废水中分离出来。转化法—通过化学或生化的作用，使其转化为无害的物质或可分离的物质，后者再经过分离予以除去。\n方法名称主要设备处理对象分离法澄清法沉淀法混凝沉淀法浮选（气浮）法沉淀池、沉砂池、隔油池混凝池和沉淀池、澄清池浮选（气浮）池悬浮物悬浮物、胶体物悬浮物、胶体物离心法隔滤法化学沉淀法吸附法离子交换法离心机、旋流分离器滤筛、滤机、滤池反应池和沉淀池反应池和沉淀池、滤池滤池悬浮物悬浮物某些溶解物某些溶解物某些溶解物膜分离法扩散渗析法电渗析法反渗透法超过滤法渗析槽渗析槽渗透器过滤器某些溶解物某些溶解物某些溶解物某些溶解物电解法结晶法萃取法精馏法电解槽蒸发器和结晶器萃取器和分离器精馏塔某些溶解物某些溶解物某些溶解物某些溶解物转化法化学法中和池、反应池某些溶解物生物法自然生物处理法活性污泥法生物膜法厌氧生物处理法灌溉农田、生物塘曝气池和沉淀池生物滤池和生物转盘消化池、厌氧反应器有机物、硫氰等有机物、硫氰等有机物、硫氰等有机物总论\n污染物存在形式分离方法离子态离子交换法、电解法、电渗析法、离子吸附法、离子浮选法分子态萃取法、结晶法、精馏法、吸附法、浮选法、反渗透法、蒸发法胶体混凝法、气浮法、吸附法、过滤法悬浮物重力分离法、离心分离法、磁力分离法、筛滤法、气浮法方法原理转化方法化学转化中和法、氧化还原法、化学沉淀法、电化学法生化转化活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法、生物塘法分离法转化法总论\n按处理原理分：物理法、化学法（物理化学法）和生物化学法。物理处理法(也叫机械处理)就是利用物理作用分离废水中主要呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变污染物的化学性质。包括筛油、沉淀、浮升、离心分离、蒸发、结晶、过滤和膜分离等。化学(物理化学)处理法：是利用化学反应或物化原理来分离、回收污水中的污染物质，从而改变其性质或存在状态，化害为利。其方法有中和、混凝、电解、氧化还原、汽提、萃取、吸附以及离于交换、电渗祈等。此法多用于工业废水的处理。总论\n总论\n总论废水的生物处理方法(也叫生化法)是利用微生物的代谢作用，使废水中呈镕解状态、胶体状态以及某些不溶解的有机甚至无污染物质，转化为稳定、无害的物质，从而达到净化的目的。此法按照作用微生物习性的不同，可分为好氧法相厌氧法两大类。\n按处理程度分：一级处理：主要去除SS和漂浮物质，通过中和和均衡等预处理对废水进行调节以便排入受纳水体或二级处理装置。二级处理：去除废水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质，主要采用生物处理法，处理水可以达标排放。三级处理：对难降解的有机物、磷、氮等营养物质进一步处理。采用混凝、过滤、离子交换、反渗透、超滤、消毒等。总论\n总论\n总论城市污水处理一般流程城市污水处理一般流程\nBOD去除率(%)SS去除率(%)一级处理20－4050－70二级处理75－9575－95存在问题：基建与运行费用高，占地大，剩余污泥产量大，管理麻烦，不能除去氮磷。发展方向：低耗高效处理技术：天然处理厌氧处理技术深度处理与再生利用技术污泥处理技术传统污水系统的变革总论\n工业废水处理根据水质不同、处理程度工艺而异。一般大多以生物处理为主，但常有前处理（调节、气浮除油、中和），根据需要有后处理：混凝、过滤、活性炭吸附重要课题：难降解有机物工业废水的治理技术，如农药废水、造纸废水、染料废水等。污水回用技术开发总论\n总论第5节废水处理反应器及动力学基础反应器形式间歇反应器—SBR反应器推流反应器—沉淀、过滤、吸附、离子交换连续流反应器—快速混合、活性污泥任意流反应器填料床和流化床反应器。动力学基础（本节假设反应速率为1级）—物料衡算通式A的质量净变化率＝A的质量输入率—A的质量输出率—反应消耗A的速率（一）间歇式反应器=-kcdtdc\n)exp(0ktcc-=（1-2）—间歇反应器内反应物浓度随时间变化的关系（二）连续流搅拌反应器物料衡算式：（1-3）1.在稳态条件下，上式简化为（1-4）θ=V/Q，表示物料在反应器内的停留时间总论\n2.在非稳态条件下，式1-3可写成到达稳态的条件与t/θ有关，当t值相当大时，上式指数项可忽略不计，1-5可化为1-4,稳态条件。θk有关，θk越大，越易达到稳态条件。（1-5）1-exp[-(1+θK)(t/θ)01231.00.5θK=0θK=1θK=3θK=5连续流搅拌反应器达到稳态的时间t/θ\nC0CZZ+△Z距离Qc0Qc浓度推流式反应器对反应微元列出衡算式：△Z→dZ时：F为反应器截面积，用水平流速v代替Q/F:稳态条件下：（1-6）式（1-6）与（1-2）形式上相同，一个是推流距离所用时间θ，一个为反应时间t。推流反应器是沿水流方向运动的间歇式反应器。（三）推流反应器物料衡算式：θ=Z/v表示反应物推流到距离Z所需的时间总论\nQc0Vc1c1QVc2c2Q串联连续流搅拌反应器对于n个等积串联反应器有：n个等积串联反应器，其总容积V’＝nV,总的停留时间θ’＝nθ代入（1-7），当n→∞，有：（1-9）式看出：在出口浓度Cn一定的前提下，n值越大，则每个反应器所需的容积及停留时间就越小。反应器的总的容积和总的停留时间亦小于单个反应器（1-7）（1-8）（1-9）（四）串连连续流搅拌反应器稳态条件：将1-7改写为：串联的连续流搅拌反应器数目越多，效果就越接近于总容积和停留时间与之相同的推流反应器。\n水力特性反应物料在反应器内的流动状况—亦即反应停留时间分布。进入系统的流体是否也同时离开系统？亦即流体在系统内的停留时间会不会相同呢？停留时间分布的定量描述活塞流同时进入系统的流体粒子也同时离开系统。全混流流体由于受搅拌作用，则进入反应器的流体粒子可能有一部分立即从出口流出，以致停留时间短，也可能有些粒子到了出口附近，刚要离开又被搅了回来，致使这些粒子在系统中的停留时间极长。所以，流体粒子在连续搅拌反应器中的停留时间将是参差不齐，有长有短的。总论\n返混—即不同停留时间的流体粒子之间的混合，与搅拌有关。当返混程度达到最大时，则反应器内的物料浓度处处相同，不同停留时间的流体粒子间达到最大的混合。或者说完全混合，全混流模型。理想全混流停留时间分布模型推导设:进入全混流反应器的流体中示踪剂的浓度为C0,单位时间内流入反应器及从反应器流出的示踪剂量分别为QC0和QC。单位时间内反应器示踪剂的累积量VrdC/dt，总论\n反应器示踪剂物料衡算式：Vr/Q=τ，上式写成：初值条件：t=0,C=0停留时间分布函数：停留时间小于t的示踪剂所占分率分布密度函数：总论\n任意流实际反应器的流动状况均介于活塞流和全混流之间，有些相接近，有些偏离较大。滞留区的存在存在沟流与短路循环流流体流速分布不均匀扩散反应器设计中若干问题影响因素过程要求、反应动力学、废水水质、经济性等。短路：有效容积缩小，混合不完全；停留时间不够总论\nt0tct0tc面积＝1任意流反应器t0c0tct0tc面积＝1宽度＝0推流反应器t0tct0tce-t/t0面积＝1示踪剂脉冲输入连续流搅拌池反应器示踪剂连续输入废水处理领域中常见反应器水力特性总论\n思考题：1.废水水质指标主要有哪些？2.讨论生活污水和工业废水的特征。3.有机物的生物氧化过程一般分两个阶段进行，这是指哪些有机物来说的？4.废水怎样分类的？5.根据我国目前水污染及治理现状，考虑水污染治理发展方向。总论\n作业题：1.一含COD为200mg/L的废水，以每天100的流量流经完全混合反应器，处理后，COD浓度降至15mg/L，如果反应器内的反应服从一级动力学模式，其反应速度常数为0.4d-1，试求反应器的容积；若采用推流反应器，容积为多大？若两个CMR串联呢？总论