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第1页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:P611,19,20,221.1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。第2页表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1,338,000.096.53791,338,000.096.5379冰川与永久积雪24,064.11.736224,064.11.7362地下水23,400.01.688312,870.00.928610,5300.7597水冻层中冰300.00.02163000.0216湖泊水176.40.012785.40.0062910.0066土壤水16.50.001216.50.0012大气水12.90.000912.90.0009沼泽水11.50.000811.50.0008河流水2.120.00022.120.0002生物水1.120.00011.120.0001总计1,385,984.61001,350,955.497.472635,029.242.5274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。太阳能热湿气流降雨蒸发海面降雨蒸腾蒸腾河流蒸腾干冷气流降雨降雪冰雪土壤水地下水流土壤水地下水流分界面图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。蒸发大气圈降水蒸发(内部水蒸气)地表面气流运动(外部水蒸气流入)气流运动(水蒸气流出)图3-2水蒸气的收支平衡概念图第3页(2)陆地水陆地水包括河流、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。降水地面分水岭地面分水岭地下水分水岭地下水分水岭地表径流低洼地河道地下含水层图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。取水给水处理工业用水农业用水生活用水排水处理降雨蒸发径流水体自然循环人为循环图1.4人类聚居区域水环境代谢示意图图1-2水蒸气的收支平衡概念图第4页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；而当蒸发量大第5页于降雨量时，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，长期少量摄第6页取后会在肝脏、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