《環(huán)境工程學》第一章水質與水體自凈

?環(huán)境工程學?第一章水質與水體自凈第一章水質與水體自凈1、水的循環(huán)與污染2、水質的指標與水質標準〔BOD、COD重點〕3、廢水的成分與性質4、水體的自凈與水環(huán)境容量5、水處理的根本原那么和方法水中污染物及其來源化學性污染

無機污染物：酸，堿，鹽。來自工業(yè)廢水，如造紙，皮革，煉油，制堿，染料等；無機有毒物質：重金屬，氰化物，氟化物等；有機有毒污染物：各種農藥，多環(huán)芳烴，多氯聯(lián)笨，芳香胺等；

需氧污染物：脂肪，醇，蛋白質，糖類等營養(yǎng)物質，易分解導致水中缺氧，惡化水質。這是水中最大量，最經常，最普遍的污染?；瘜W性污染赤潮之謎

？赤潮是由于什么水質問題引起的植物營養(yǎng)物質：主要是N、P，造成富營養(yǎng)化，藻類大量繁殖，魚類死亡。如赤潮之謎即是富營養(yǎng)化使得某些藻類〔如裸甲藻〕和浮游生物大量繁殖，另一些死亡，使海水呈現(xiàn)出優(yōu)勢藻類的本色，赤潮的危害是赤潮生物的死亡需微生物分解耗氧，致水體缺氧，赤潮生物分泌粘液和毒素致海洋生物死亡。

◆油類污染物：形成油膜，影響氧的補充供給，進而影響水生生物的生長繁殖；在灌溉中由于附著于土壤和植物外表，影響?zhàn)B分的供給和廢物排出；同時，油膜能吸收陽光輻射，致使外表水溫比常日高3度，阻礙海水與大氣的熱交換，減少了海面蒸發(fā)，導致氣候異常。海上石油污染海上石油污染2二物理性污染

懸浮物質污染：水體和大氣中的不溶性物質，來自采石，采礦，建筑，造紙等產生的廢物；

熱污染放射性污染三生物性污染：各種病菌第二節(jié)水質指標和水質標準一、水質：水和水中含有的雜質共同表現(xiàn)出來的物理，化學和生物學的綜合特性。存在狀態(tài)：懸浮物質，膠體物質，溶解物質第二節(jié)水質指標和水質標準二、水質指標：用于表示水中雜質的種類，成分和數(shù)量，判斷水質的具體衡量標準。

物理性指標：溫度，色度，渾濁度，總固體，電導率化學性指標：堿度，總鹽量，DO,COD,BOD,TOD生物學指標:總菌數(shù)，總大腸菌群數(shù)重點指標：渾濁度，固體，總鹽量和離子平衡，堿度，硬度，化學耗氧量，生物化學耗氧量，總有機碳，總需氧量

1.色度飲用水的顏色是由于帶色有機物、金屬或高色度的工業(yè)廢水造成。水色的存在使飲用者不快甚至感到厭惡。衡量水中的色度用鉑鈷標準比色法，規(guī)定2mg六水合氯化鈷和1mg鉑(六氯鉑酸)在1L水中所具有的顏色稱為1度?！皣鴺栓曇?guī)定色度不超過15度，并不得呈現(xiàn)其他異色。2.混濁度混濁度本身并不直接代表水的性質，而是綜合性地反映水的混濁程度，屬于感官性質?；鞚岫却笮∨c水中的懸浮物質、膠體物質的含量有關?；鞚岫扔冒滋胀翗藴时葷岱y定，相當于1mg白陶土在1L水中所產生的混濁程度作為一個混濁度單位，用度表示?！皣鴺栓曇?guī)定不超過3度，特殊情況不超過5度。3、總含鹽量(TDS)和離子平衡：總含鹽量〔mg/L〕＝Σ陽離子〔mg/L〕+陰離子〔mg/L〕。陽離子主要考慮Ca2+，Mg2+，Na+，K+；陰離子主要為HCO3-，CO32-，SO42-，Cl-。根據(jù)電荷平衡，ΣmC(Mm+)＝ΣaC(Aa-)，M和A單位為molL-1或mmoL-1。分析誤差由下式：如果誤差大于5％，那么應該考慮是否測定有誤或分析工程不完全。4、堿度堿度：水接受質子的能力。與平常酸堿反響的概念類似。所以用水中所有能與強酸作用的物質的總量來表示堿度。主要由HCO3-，CO32-，OH-產生酚酞堿度：以酚酞為指示劑，用標準鹽酸滴定至無色時用去鹽酸的物質的量，稱為酚酞堿度〔P〕。=[CO32-]+[OH-]－[H+]-[H2CO3*]甲基橙堿度：以甲基橙為指示劑，用標準鹽酸滴定至無色時用去鹽酸的物質的量，稱為甲基橙堿度〔T〕，也稱為總堿度。＝[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]－[H+]苛性堿度

=[OH-]－[HCO3-]+[OH-]－[H+]－2[H2CO3*]

堿度單位：mmoL-1或e×50mg/L〔以CaCO3計〕或者度，規(guī)定1度＝10mg/L〔以CaO計〕。因為CaCO3要消耗2倍物質的量的H+，所以堿度以CO32-表示時倍數(shù)為2，以HCO3-表示時倍數(shù)為1。那么以CaO計:1mmoL-1＝e50mg/L×CaO/CaCO3＝e28mg/L＝度。硬度：能夠與肥皂生成沉淀或與陰離子反響生成水垢的金屬離子的量。一般是鈣鎂離子的鹽。通過EDTA絡合滴定測定。硬度分為暫時硬度〔鈣鎂碳酸鹽和重碳酸鹽〕和永久硬度〔鈣鎂硫酸鹽，氯化物〕，單位與堿度的一樣。一般而言，碳酸鹽堿度和重碳酸鹽堿度之和〔S〕大于硬度。當1/2S<硬度，碳酸鹽硬度＝1/2S；1/2S＝硬度，碳酸鹽硬度＝總硬度，非碳酸鹽硬度＝0。有機物指標〔1〕化學需氧量(COD)〔2〕生物需氧量(BOD)〔3〕總有機碳(TOC)3、化學耗氧量〔chemicalOxygenDemand，COD〕即水中有機物與外來強氧化劑作用時消耗的氧化劑量，用O的mg/L表示。分為K2CrO4和KMnO4法。一般表示為CODCr.和CODMn(OC)TOD重鉻酸鉀標準法

原理：是在水樣中加如一定量的重鉻酸鉀和催化劑硫酸銀，在強酸性介質中加熱回流一定時間，局部重鉻酸鉀被水樣中可氧化物質復原，用硫酸亞鐵銨滴定剩余的重鉻酸鉀，根據(jù)消耗重鉻酸鉀的量計算COD的值。重鉻酸鉀標準法測定步驟標定：準確吸取重鉻酸鉀標準溶液于500mL錐形瓶中，加水稀釋至110mL左右，緩慢參加30mL濃硫酸，搖勻。冷卻后，參加3滴試亞鐵靈指示液(約0.15mL)，用硫酸亞鐵銨溶液滴定，溶液的顏色由黃色經藍綠色至紅褐色即為終點。測定：水樣中加如一定量的重鉻酸鉀和催化劑硫酸銀，在強酸性介質中加熱回流2h冷卻后，用水沖洗冷凝管壁，取下錐形瓶。溶液再度冷卻后，加3滴試亞鐵靈指示液，用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定，溶液的顏色由黃色經藍綠色至紅褐色即為終點，記錄硫酸亞鐵銨標準溶液的用量。測定水樣的同時，取重蒸餾水，按同樣操作步驟作空白實驗。記錄滴定空白時硫酸亞鐵銨標準溶液的用量。重鉻酸鉀標準法計算CODCr(O2，mg/L)=8×1000(V0-V1)·C/V4、生化需氧量(biochemicalOxygenDemand,BOD)：在有氧的條件下，水中有機物通過微生物分解所需要的氧量。通常用20攝氏度下，5天的測定值表示BOD5。強調的原因

用生物法處理廢水時，確定所需的大致氧氣確定廢水處理設備的大小測量某些處理過程的效率確定廢水排放是否符合許可證規(guī)定4、生化需氧量(biochemicalOxygenDemand,BOD)：4、生化需氧量(biochemicalOxygenDemand,BOD)：有機物的生物氧化是一個緩慢的過程，那么總的生化需氧量或者任何時日的生化需氧量應該是多少呢？或者在不同溫度下總的生化需氧量是多少呢？生化需氧量的變化符合一級反響動力學，即耗氧速率與殘留的可分解有機物的濃度成正比：其中：為不同時刻的有機物濃度，〔在這里以氧的當量表示，即BODt，也就是在時間t〔日〕剩余的有機物的量mg/L〕為反響速率常數(shù)，d-1,溫度不同，k值不同，但可以互相推出。kt2=kt1〔t2-t1〕生化需氧量的變化：對上式重排且積分得：

兩邊積分：＝式中為BODu，即總BOD，mg/L因此：BOD＝La－Lt＝La－Lae-kt＝La(1－e-kt〕BOD＝BODu－BODt＝BODu(1－e-kt〕La隨溫度的增加而增加溫度對k值的影響kt2=kt1t2-t1kt2=kt1θt2-t1例題

P30某廢水20℃時的BOD5是150mg/L。此時的耗氧速率常數(shù)k1-1,求該廢水第一階段的最大需氧量；假設實驗是在15℃時進行的，其BOD5應為多少。解1.求最大需氧量BOD5＝La-Lt=BODu－BODt＝BODu(1－e-kt〕2.計算15℃時的k1〔15〕kt2=kt1t2-t13.計算15℃時的最大需氧量Lat1=Lat2(0.02T+0.6)(見課本1－20〕4.計算15℃時的BOD5BOD5＝BODu(1－e-k1(15)t〕有關BOD的問題BOD實驗有以下一些缺乏之處：〔1〕需要濃度高、有活性的經馴化過的接種細菌?！?〕當涉及到有毒廢水時，需要預處理〔3〕只能測量可生物降解的有機物?！?〕需要較長的測量時間。問題：BOD5、BOD20、CODMn、CODCr的大小比較

COD或CODCr>BOD20>BOD5>CODMn，與反響時間和反響物的數(shù)量種類有關。BOD5時間不如BOD20，BOD20只能氧化可降解有機物，COD那么能比較完全地氧化水中大局部有機物和無機性復原物，CODMn是由于高錳酸鉀的氧化能力欠強。BOD、COD之間的關系未處理的城市廢水BOD/COD的比值為～BOD/COD≥0.3易于生物處理BOD/COD≤0.3廢水中或許有有毒物質隨著廢水處理的程度不同，這個比值會有很大變化？想想經過生化處理后這個比值是會增大還是會減少〔減少〕總有機碳〔TOC〕TotalOxygenCarbon：在900℃高溫下，以鉑作催化劑，使水樣氧化燃燒，測定氣體中CO2的增量，從而確定水樣中總的含碳量，表示水樣中有機物總量的綜合指標。由于TOC的測定采用高溫燃燒，因此能將有機物全部氧化，它比BOD5或COD更能直接表示有機物的總量。因此常被用來評價水體中有機物污染的程度?？傂柩趿俊睺OD〕總需氧量是指水中能被氧化的物質，主要是有機物質在燃燒中變成穩(wěn)定的氧化物時所需要的氧量，結果以O2的mg/L表示。用TOD〔totaloxygendemand〕測定儀測定TOD的原理是將一定量水樣注入裝有鉑催化劑的石英燃燒管，通入含氧濃度的載氣(氮氣)作為原料氣，那么水樣中的復原性物質在900℃下被瞬間燃燒氧化。測定燃燒前后原料氣中氧濃度的減少量，便可求得水樣的總需氧量值總需氧量〔TOD〕TOD值能反映幾乎全部有機物質經燃燒后變成CO2、H2O、NO、SO2…所需要的氧量。它比BOD、COD和高錳酸鹽指數(shù)更接近于理論需氧量值。但它們之間也沒有固定的相關關系。有的研究者指出，BOD5/TOD＝；COD/TOD＝，具體比值取決于廢水的性質。TOC和TOD的關系TOD和TOC的比例關系可粗略判斷有機物的種類。對于含碳化合物，因為一個碳原子消耗兩個氧原子，即O2/C＝，因此從理論上說，TOD＝2．67TOC。假設某水樣的TOD／TOC為左右，可認為主要是含碳有機物；假設TOD／，那么應考慮水中有較大量含S、P的有機物存在；假設TOD／TOC＜，就應考慮水樣中硝酸鹽和亞硝酸鹽可能含量較大，它們在高溫和催化條件下分解放出氧，使TOD測定呈現(xiàn)負誤差。小結堿度理解概念COD應用，實際測量BOD掌握，會計算及應用其他了解水質標準飲用水水質標準地面水環(huán)境質量標準(五類〕污水綜合排放標準工業(yè)用水水質要求污水的排放標準污水排放標準制定的依據(jù)依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護目標，按功能上下劃分為5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、魚蝦類產卵場、仔稚幼魚的梭餌場等；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、洄游通道、水產養(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類主要適用于農業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。第三節(jié)廢水的成分與性質一、廢水的成分與性質1.

生活廢水：含有較高的可溶性有機物和氮，磷等物質。來源、成分、特點2.

工業(yè)生產廢水:成分復雜，含有多種酚類，芳香類，農藥中間體等毒性很大的有機物和重金屬，氰化物等。來源、特點3.

農業(yè)廢水：各種殺蟲劑，除草劑植物生長調節(jié)劑等。來源、特點水體的自凈作用是指經過一系列的物理、化學和生物學變化，污染物質被分散、別離或分解，最后，水體根本上或完全地恢復到原來的狀態(tài)。根據(jù)凈化機制分為三類物理凈化：稀釋、擴散、沉淀化學、物理化學凈化：氧化、還原、分解、絮凝、吸附、水解、絡合、光解等生物凈化：水中微生物對有機物的氧化分解作用第四節(jié)水體的自凈作用與水環(huán)境容量

廢水在水體中的稀釋和擴散水中污染物的濃度計算：C1－廢水中污染物的濃度〔mg/L〕C2－原河水中污染物的濃度〔mg/L〕C－計算斷面上水中污染物的濃度〔mg/L〕q－廢水流量a－混合系數(shù)Q－河水總量河水中無此污染物，且河水流量遠大于廢水流量時：物理自凈

生化自凈

廢水中有機物進入河流后，水中有機物被河水稀釋，并且會被水中微生物分解，這一過程稱為水體的生化自凈。水中溶解氧的變化始終由氧的恢復和氧的消耗兩個過程同時進行，即

DO＝O恢復－O消耗

DO為溶解氧，mg/L

質量守恒原理在某一時刻，溶解氧增加的量為：

氧垂曲線公式的推導

由于水中溶解氧的消耗與BOD的衰減是一致的，可得：為耗氧速度常數(shù)

而氧氣的恢復速率正比于水中飽和溶解氧量與河水實際溶解氧量之間的差值，即：K2為復氧速率常數(shù)，D稱為虧氧量氧垂曲線公式的推導：因此，一定溫度下，水中溶解氧的變化速率為：用虧氧量的變化速率表示為：這是一個y’+Py=Q一元線性非齊次方程。氧垂曲線公式的推導：對上式方程積分得到虧氧量的解：即氧垂曲線公式〔Streeter-Phelps方程〕

溶解氧的最低點——臨界點，從混合開始到達臨界點的時間為：氧垂曲線公式的推導：

復氧速率常數(shù)k2和耗氧速率常數(shù)k1是在水溫20攝氏度時的值，水溫不在20°C時分別用下式計算：一般取一般取水體中細菌的死亡②水體中生長的纖毛類原生動物、浮游動物等不斷吞食細菌，使細菌數(shù)量減少；促使水中細菌數(shù)量減少的主要作用有：水體的生物凈化作用使水中有機物量日漸減少，細菌將因缺少食物和能源而逐漸衰亡；③其他作用，如日光的殺菌作用、對細菌生長不利的溫度、pH值等因素均可使細菌數(shù)量減少。微生物物種和數(shù)量的沿程變化情況I區(qū):位于污水排放口上游，水質清潔，溶解氧飽和，生物物種多，可發(fā)現(xiàn)魚類包括欣賞魚