《環(huán)境工程學(xué)》教案

《環(huán)境工程學(xué)》教案

緒論

一、環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)

1、環(huán)境科學(xué)

環(huán)境——在《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》中規(guī)定：“本法所稱環(huán)境，是指

影響人類生存和發(fā)展的各種天然的和經(jīng)過人工改造的自然因素的總體，包括大

氣、水、海洋、土地、礦藏、森林、草原、野生生物、自然遺跡、人文遺跡、自

然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、城市和鄉(xiāng)村等

2、環(huán)境工程學(xué)

環(huán)境工程學(xué)——是運(yùn)用工程學(xué)的基礎(chǔ)知識和方法，結(jié)合環(huán)境科學(xué)的理論，研究

保護(hù)自然環(huán)境所應(yīng)采取的具體工程措施，開發(fā)和設(shè)計去除各種污染物的設(shè)施和設(shè)

備，實現(xiàn)保護(hù)環(huán)境、改善或修復(fù)破壞的環(huán)境的目標(biāo)。它是環(huán)境科學(xué)理論和研究成

果的實施者。

美國土木工程師學(xué)會(AmericanSocietyofCivilEngineers,ASCE)環(huán)境工程分會

給出的環(huán)境工程的定義：環(huán)境工程(EnvironmentalEngineering)通過健全的工程

理論與實踐來解決環(huán)境衛(wèi)生(environmentalsanitation)問題，主要包括：提供安

全、可口和充足的公共給水；適當(dāng)處理與循環(huán)使用廢水和固體廢物；建立城市和

農(nóng)村符合衛(wèi)生要求的排水系統(tǒng)；控制水、土壤和空氣污染，并消除這些問題對社

會和環(huán)境所造成的影響。而月一，環(huán)境工程所涉及的是公共衛(wèi)生領(lǐng)域里的工程問題，

例如控制通過節(jié)肢動物傳染的疾病、消除工業(yè)健康危害、為城市、農(nóng)村和娛樂場

所提供合適的衛(wèi)生設(shè)施，評價技術(shù)進(jìn)步對環(huán)境的影響等。因而，人們提出：“科

學(xué)家發(fā)現(xiàn)事物，工程師使它們有用“即"Scientistsdiscoverthings,engineers

makethemwork.”

二、環(huán)境工程學(xué)的形成與發(fā)展

給排水方面：公元前兩千年中國已用陶土管修建地下排水道，并在明朝以前

開始用明磯凈水。古羅馬在公元前6世紀(jì)修建下水道，英國在19世紀(jì)初開始用

砂濾法凈化自來水，并在1850年把漂白粉用于飲用水消毒。英國在19世紀(jì)后半

葉開始建立公共污水處理廠。1914年出現(xiàn)了活性污泥法處理污水新技術(shù)。

在大氣污染控制工程方面，1855年美國發(fā)明了離心除塵機(jī)，20世紀(jì)初開始采用

布袋除塵器和旋風(fēng)除塵器。

在固體廢棄物處理處置與利用方面，1822年德國利用礦渣制造水泥，1974

年英國建立了垃圾焚燒爐。

在噪聲控制方面，20世紀(jì)50年代以來，人們從物理學(xué)、機(jī)械學(xué)、建筑學(xué)等

各個方面對噪聲問題進(jìn)行了廣泛的研究，各種控制噪聲的防治技術(shù)取得了很大的

進(jìn)展。

總之，環(huán)境工程學(xué)是在人類控制環(huán)境污染、保護(hù)和改善生存環(huán)境的斗爭過

程中誕生和發(fā)展起來的，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對環(huán)境質(zhì)量要求的提高，環(huán)境工

程學(xué)必將得到進(jìn)一步的完善與發(fā)展。

三環(huán)境工程學(xué)的主要內(nèi)容

1、水質(zhì)凈化與水污染控制工程

2、大氣污染控制工程

3、固體廢棄物處理處置與管理工程

4、噪聲、振動與其它公害防治技術(shù)

5、環(huán)境規(guī)劃、管理與環(huán)境系統(tǒng)工程

6、環(huán)境監(jiān)測與環(huán)境質(zhì)量評價

參考書：

1《排水工程》下冊，張自杰主編，中國建筑工業(yè)出版社，2000.6

2《水污染控制工程》，王寶貞主編，高教出版社，1990.4

3《大氣污染控制工程》，郝吉明主編，高教出版社，1992.4

4《固體廢物處理工程》，楊國清主編，科學(xué)出版社，2000.1

第一篇水質(zhì)凈化與水污染控制工程

第一章水質(zhì)與水體自凈

第一節(jié)水的循環(huán)與污染

一、地球上水的分布

?1、概述

水是地球上最豐富的化合物，約占地球外層五公里地殼中的50%,覆

著地球71%的表面積，其平均深度達(dá)到3.8km,總量約有1.36X109km3，地

球上水資源及其存在狀態(tài)分布。

2、世界的水資源及其特點：

不能被直接利用的海水占總水量的97.2%；人類可以利用的河水、淡水湖

及淺層地卜冰，大約為總水量的0.2%,約為3X106km3；由于世界各地的水

文、氣象條件的差異，地區(qū)和季節(jié)的不同，水的分布也極不均衡，這造成一些地

區(qū)嚴(yán)重缺水。

二、水的社會循環(huán)和自然（原始）循環(huán)

1、自然循環(huán)：

（1）基本動力：重力、太陽輻射

（2）過程：蒸發(fā)（植物蒸騰）、水汽輸送、降水、下滲、地表地下徑流

2、社會循環(huán)：

定義：人類社會為了滿足生活;生產(chǎn)的需要，從各種天然水體中取用大量的

水，經(jīng)過使用后的水被排放出來，最終又流入天然水體的過程，構(gòu)成了一個局部

的循環(huán)體系。

Afi”.題壞

水

污

染

平衡控M

破壞程1T

三、我國的水資源及其污染現(xiàn)狀

1、我國水資源的特點

(1)、總量大，人均量少；

(2)、水量在地區(qū)上分布不平衡；

(3)、水量在時程分配上很不均勻；

(4)、水土資源組合不相適應(yīng)；

2、我國的水污染現(xiàn)狀

(1)、“局部有所改善，整體仍在惡化”；

(2)、我國大江大河干流水質(zhì)尚好，但臨近大城市河段及城市附近的小河支流

均已程度不同地受到了污染，嚴(yán)重的已成了臭水溝；

(3)、隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展和工業(yè)重心的轉(zhuǎn)移，污染已有向農(nóng)村、向內(nèi)地轉(zhuǎn)移

的趨勢，由地表水受污染向地卜水受污染轉(zhuǎn)移；

(4)、我國的湖泊大多呈富營養(yǎng)化，面積也不斷萎縮；近海水域亦因受污染而

赤潮頻發(fā)；

(5)、我國水資源及污染現(xiàn)狀請參閱下列文獻(xiàn)：

國家環(huán)境保護(hù)總局.2002年環(huán)境公報.國家環(huán)境保護(hù)總局網(wǎng)站

中國工程院“21世紀(jì)中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)研究”項目組.中國可持續(xù)發(fā)

展水資源戰(zhàn)略研究綜合報告.中國工程科學(xué)，2000,2(8)：1~17

四、廢水、廢水污染及水污染

1、基本概念

水在社會循環(huán)中，由于種種原因而喪失了使用價值而外排，這種廢棄外排的

水稱為廢水?！皬U水”是指廢棄外排的水，強(qiáng)調(diào)廢棄的一面。

“污水”是被污染物污染了的水，強(qiáng)調(diào)其臟的一面。實際上有相當(dāng)數(shù)量的廢水是不

臟的，如冷卻水。因而用“廢水”一詞統(tǒng)稱所有排水比較合適。

據(jù)廢水的來源：

生活廢水(domestic)工業(yè)廢水(industrial)

據(jù)污染物的化學(xué)類別：

有機(jī)廢水(organic)無機(jī)廢水(inorganic)

按廢水產(chǎn)生的工藝:

焦化廢水(coking)冶金廢水(metallurgical)制藥廢水(pharmaceutical)

食品廢水(food)印染廢水(printinganddyeing)

廢水污染是指廢水對水體、大氣、土壤或生物的污染，這里廢水是污染的原

因。水污染是指水體受到廢水、廢氣、固體廢棄物中污染物的污染，這里水體是

受害者。但造成水體污染的主要原因是廢水。

2、廢水中的污染物分類及危害簡介

(1)、固體污染物

固體污染物是指廢水中在100°C時不能蒸發(fā)的所有物質(zhì)，稱為總固體：溶

解性固體(dissolvedsolid,DS);懸浮性固體(suspensionsolid,SS)

實際區(qū)分二者是用特制的微孔濾膜(孔徑0.45um)來過濾，能透過的為溶解

性固體，被膜截留的為懸浮性固體。

懸浮固體：可沉降固體(settleable)：能在2小時內(nèi)靠重力沉降的固體

難沉降固體(unse111eab1e)兩小時內(nèi)不能沉降的稱為難沉降固體

廢水中固體污染物的多少用單位體積的水中所含質(zhì)量表示，即質(zhì)量濃度，單位一

般為mg/L。使用中需要指明是哪一種固體。

廢水中懸浮物含量的多少也可用濁度(turbidity)表示

在水質(zhì)分析中規(guī)定，1L水中含有1mgSi02所構(gòu)成的濁度為一個標(biāo)準(zhǔn)濁度單位，

簡稱1度

懸浮物的危害主要是造成溝渠、管道和抽水設(shè)備的阻塞、淤積和磨損；造成

水生生物的呼吸困難；造成給水水源渾濁；干擾廢水處理設(shè)施和回收設(shè)備的工作；

有些懸浮物還有一定的毒性。幾乎所有的廢水中都含有數(shù)量不等的懸浮物，因此

除去懸浮物是廢水處理的一項基本任務(wù)。

(2)、需氧污染物

需氧污染物主要是指廢水中所含的能被微生物降解的有機(jī)物，有些是有毒

的，但這類有機(jī)物大部分本身是無毒的。

這類污染物的特點是數(shù)量大、成分復(fù)雜，所以很難分別表示其含量。

產(chǎn)生污染的主要原因是在其分解過程中消耗水中的溶解氧。

需氧污染物用間接指標(biāo)來衡量，常用的有BOD、COD、TOC和TOD等。

(1)、生物化學(xué)需(耗)氧量(biochemicaloxygendemand簡稱BOD)

表示在一定條件下(20。。，單位體積廢水中所含的有機(jī)物被微生物完全分解

所消耗的分子氧的數(shù)量。單位為mg(氧)/L(廢水)。

有B0D5和B0D20之分,B0D5最常用。

特點：準(zhǔn)確反映污染的程度，但測定所需時間長，不利于指導(dǎo)實際生產(chǎn)和自

動控制。

(2)、化學(xué)耗氧量(chemicaloxygendemand簡稱COD)

用化學(xué)氧化劑氧化分解廢水中的有機(jī)物，用所消耗的氧化劑中的氧來表示有

機(jī)物的多少，單位仍為mg/L。

常用的氧化劑有K2Cr207和KMnO4,分別用CODCr和CODMn表示。

特點：測定速度快，但與實際污染的程度有差距。

(3)、總需氧量(totaloxygendemand,TOD)和總有機(jī)碳(totalorganic

carbon,TOC)

在900c下，以鉗為催化劑，使水樣汽化燃燒，然后測定氣體載體中氧的減

少量，作為有機(jī)物完全氧化所需的氧量，稱為總需氧量；

在同樣條件下測定氣體中二氧化碳的增量，從而確定出水樣中碳元素的含

量，稱為總有機(jī)碳

特點：測定速度快，但設(shè)備復(fù)雜且與BOD、COD之間無固定關(guān)系。

BOD5、BODQTOD、TOC有各自的特點和用途，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)各自的特

點和不同的情況選用！

(4)、有毒污染物(toxicmaterials)

廢水中能對生物引起毒性反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)稱為有毒污染物。

特點：

急性中毒：初期效應(yīng)十分明顯，嚴(yán)重時會導(dǎo)致死亡。

慢性中毒：初期效應(yīng)不明顯，但長期積累可引起突變、致畸、致死，甚至引

起遺傳畸變，這種效應(yīng)不易察覺，但后果更嚴(yán)重，一旦發(fā)現(xiàn)，很難在近期內(nèi)處理，

甚至不可逆轉(zhuǎn)。

影響危害程度的因素：

濃度和作用時間：濃度越大，作用時間越長，后果越嚴(yán)重。

環(huán)境條件：如溫度、pH值、溶解氧濃度等，

生物的種類及生物自身的適應(yīng)能力。

分類：無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和放射性毒物三類。

表示方法：質(zhì)量濃度表示，單位為mg/L。

(1)>無機(jī)化學(xué)毒物(inorganictoxics)

無機(jī)化學(xué)毒物主要是指重金屬離子、氟化物、氟化物和亞硝酸鹽等。

化學(xué)上一般把密度大于4的金屬稱為重金屬(heavymetals)o

水污染中所指的重金屬主要是Hg、Cr、Cd>Pb、As、Ni、Ce>Cu、Zn、Ti>

Mo、Ti等，最主要的是前五種。

重金屬(heavymetals)污染有如下特點：

(a)、毒性以離子狀態(tài)最大，且不同價態(tài)的毒性不同。如Cr6+>Cr3+,但

As3+>As5+；

(b)、很難被生物降解，有時還可以被生物富集或轉(zhuǎn)化成毒性更大的物質(zhì)。據(jù)研

究，海水中的汞通過食物鏈可富集2萬倍；

(c)、危害時間長，難消除。

(d)、有些重金屬是人體必須的元素。

(2)、有機(jī)化學(xué)毒物(organictoxics)

有機(jī)化學(xué)毒物大多是人工合成的有機(jī)物。主要有：農(nóng)藥(DDT、有機(jī)氯、有

機(jī)磷等)酚類化合物、聚氯聯(lián)苯、稠環(huán)芳燃和芳香族氨基化合物等。

特點：這類物質(zhì)的種類最多，性質(zhì)最復(fù)雜，毒性大?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好。大多數(shù)

難被生物降解且可以通過食物鏈富集，危害人體健康。

(3)、放射性物質(zhì)(radioactivematters)

放射性物質(zhì)主要是指廢水中所含的能產(chǎn)生有害射線的物質(zhì)。

(4)、營養(yǎng)污染物(nutrients)

營養(yǎng)污染物主要是指植物和微生物生長過程中所需的營養(yǎng)物質(zhì)，并非有

毒，主要是氮和磷。這種由營養(yǎng)物質(zhì)過多產(chǎn)生的污染稱做富營養(yǎng)化污染

(eutrophication)

產(chǎn)生污染的原因：

當(dāng)大量營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體時，會使藻類大量繁殖，水面上積聚大量的動物

和植物，這種現(xiàn)象在海洋中出現(xiàn)叫赤潮(redcurrent),在湖泊中出現(xiàn)叫水華

(waterbloom)□當(dāng)水中的生物大量死亡時會使水中的BOD值猛增，導(dǎo)致水

中的溶解氧降低，影響水體功能，影響魚類生存。除氮和磷外，BOD、溫度、

維生素類物質(zhì)也能觸發(fā)和促進(jìn)富營養(yǎng)化污染。

表示水中營養(yǎng)物質(zhì)多少的指標(biāo)是單位體積水中含氮和磷的總質(zhì)量，單位為

mg/Lo

氮有多種表示方法：

有機(jī)氮是反映水中蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等含氮有機(jī)物總量的一個水質(zhì)指標(biāo)。

N1I3和NH4+稱為氨態(tài)氮,

N02一稱為亞硝酸氮，

N03一稱為硝酸氮，

這幾種形態(tài)的含量均可作為水質(zhì)指標(biāo)，分別代表有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)物的各個不同

階段。

總氮(TN)則是一個包括從有機(jī)氮到硝酸氮等全部含量的水質(zhì)指標(biāo)。

(5)、生物污染物(biologicalpollutants)

生物污染物主要是指廢水中的致病微生物(pathogens)和其他的有機(jī)體。

制革廠廢水中常含有炭疽菌，

醫(yī)院污水中含有病原菌和病毒等。

生活廢水中含有可能引起腸道系統(tǒng)疾病的細(xì)菌和寄生蟲卵等。

(a)細(xì)菌總數(shù)(totalbacteria)

細(xì)菌總數(shù)是指1mL水中所含有各種細(xì)菌的總數(shù)。

(b)大腸菌數(shù)(coliforms)

大腸菌數(shù)是指1L水中所含大腸菌個數(shù)。由于大腸菌在外部環(huán)境中的生存條

件與腸道傳染病的細(xì)菌、寄生蟲卵相似，而且大腸菌的數(shù)量多，比較容易檢

驗，所以把大腸菌數(shù)作為生物污染指標(biāo)。

第二節(jié)水質(zhì)指標(biāo)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

一、水質(zhì)指標(biāo)

1、概念

(1)、水質(zhì)：水和其中所含的雜質(zhì)共同表現(xiàn)出來的物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的綜合

特性

(2)、水質(zhì)指標(biāo)：水中雜質(zhì)的種類、成分和數(shù)量，判斷水質(zhì)的具體衡量標(biāo)準(zhǔn)

2、水質(zhì)指標(biāo)分類

(1)物理性水質(zhì)指標(biāo)

感官；其它：電導(dǎo)率、溶解固體

(2)化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)

一般化學(xué)性：pH等；有毒化學(xué)性：重金屬；氧平衡

(3)生物學(xué)水質(zhì)指標(biāo)

細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌(coliformbacteria)等

3、幾種重要的水質(zhì)指標(biāo)

(1)>渾濁度(turbidity)

(2)、顏色、色度(chromaticitycolor)

(3)、固體

(4)、總含鹽量和離子平衡

(5)、堿度alkalinity

(6)、硬度hardness

(7)、化學(xué)需氧量和耗氧量(COD)

(8)、生物化學(xué)需氧量(BOD)

(9)、總有機(jī)碳(TOC)和總需氧量(TOD)

(10)、氮含量

二、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

1、概念：

水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：對排入水體水質(zhì)的要求

2、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分類

(1)、國家正式頒布的統(tǒng)一規(guī)定

(2)、各用水部門或設(shè)計等單位的要求

3、常用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)、飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(p33fTabl-4>1-5)

(2)、地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):5類(p37/Tabl-6)

(3)、污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)：2類：(有毒富集和其它)

(4)、工業(yè)用水水質(zhì)要求

第三節(jié)水體自凈作用與水環(huán)境容量

一、水體自凈含義：

污染物隨污水排入水體后，經(jīng)過物理的、化學(xué)的與生物化學(xué)的作用，使污染的

濃度降低或總量減少，受污染的水體部分的或完全的恢復(fù)原狀的現(xiàn)象。

二、凈化機(jī)理

1.物理作用：稀釋(對流、擴(kuò)散)、混合、沉淀與揮發(fā)

2.化學(xué)作用：氧化還原、酸堿反應(yīng)、吸附凝聚

3.生物化學(xué)凈化：分解、轉(zhuǎn)化

第四節(jié)水處理的基本原則和方法

一、給水處理基本方法：

常規(guī)工藝包括：混凝、沉淀、過濾、消毒

二、廢水處理基本方法：

1、廢水處理原則：

改革工藝、減少廢物排放量，如：采用清潔生產(chǎn)工藝

重復(fù)利用廢水，如：中水回用；

回收有用物質(zhì)；

對廢水進(jìn)行妥善處理

廢水處理的經(jīng)濟(jì)性，技術(shù)先進(jìn)性

2、廢水處理程度確定

按水體水質(zhì)要求：例如廣州的污水處理廠；

按處理廠能達(dá)到的處理程度；

考慮水體的稀釋和自凈能力。

3、廢水處理的基本方法

物理處理：物理作用，沉淀、過濾、氣浮、反滲透等

化學(xué)處理：化學(xué)反應(yīng)，混凝、電解、氧化還原等

生物處理：生物化學(xué)作用，活性污泥、生物膜等

第二章水的物理化學(xué)處理方法

第一節(jié)水中粗大顆粒物的去除

一、格柵、篩網(wǎng)和微濾機(jī)

1、格柵

(1)、作用：目的是去除廢水中粗大的懸浮物和雜物(detritus),以保護(hù)后

續(xù)處理設(shè)施能正常運(yùn)行的一種預(yù)處理方法。

(2)、位置：格柵一般斜置在進(jìn)水泵站集水井的進(jìn)口處。

(3)、分類：

按形狀：平面格柵(flatbarscreen),篩網(wǎng)呈平面；

曲面格柵(curvebarscreen),篩網(wǎng)呈弧狀

按柵條的間隙:粗(coarse)格柵(50-100mm)；中(medium)格柵(10-40mm)；

細(xì)(fine)格柵(3T0mni)

按篩余物清理方式：人工清理(manuallycleanedscreen)；機(jī)械清理

(mechanicallycleanedscreen)

2、篩網(wǎng)的孔的形狀和大小與格柵不同，最常用的使用金屬絲編織成的方孔篩網(wǎng)。

作用是除去粒度更小的懸浮物。

(1)、作用：篩網(wǎng)的目的是去除廢水中粗大的懸浮物和雜物(detritus),可

以作為預(yù)處理，或重復(fù)用水的深度處理。

(2)、分類：篩網(wǎng)(screen)由金屬絲(鋼絲網(wǎng)、銅網(wǎng)等)織物或穿孔板構(gòu)成。

(3)、類型：篩網(wǎng)過濾器的類型很多，有旋轉(zhuǎn)型、振動型、轉(zhuǎn)鼓式等。

(4)、篩余物的處置收集的篩余物(screenings)運(yùn)至處置區(qū)填埋(landfill)或與城市垃圾--

起處理。當(dāng)有回收利用價值時，可送至粉碎機(jī)或破碎機(jī)被破碎后再用。對于大型水處理系統(tǒng),

也可采用焚燒的方法徹底處理。

二、沉砂池

沉砂池的作用是從污水中去除砂子、煤渣等比重較大的顆粒，以免這些雜質(zhì)

影響后續(xù)處理構(gòu)筑物的正常運(yùn)行。

沉砂池的工作原理是以重力分離為基礎(chǔ)，即將進(jìn)入沉砂池的污水流速控制在

只能使比重大的無機(jī)顆粒下沉，而有機(jī)懸浮顆粒則隨水流帶走。

沉砂池可分為平流式、豎流式和曝氣沉砂池等三種基本型式。

在工程設(shè)計中，可參考下列設(shè)計原則與主要參數(shù)。

(1)城市污水廠一般均應(yīng)設(shè)置沉砂池，工業(yè)污水是否要設(shè)置沉砂池，應(yīng)根據(jù)水

質(zhì)情況而定。城市污水廠的沉砂池的只數(shù)或分格數(shù)應(yīng)不少于2,并按并聯(lián)運(yùn)行原

則考慮。

(2)設(shè)計流量應(yīng)按分期建設(shè)考慮。①當(dāng)污水自流進(jìn)入時，應(yīng)按每期的最大設(shè)計

流量計算；②當(dāng)污水為提升進(jìn)入時一，應(yīng)按每期工作水泵的最大組合流量計算；③

在合流制處理系統(tǒng)中，應(yīng)按降雨時的設(shè)計流量計算。

(3)沉砂池去除的砂粒比重為2.65、粒徑為0.2mm以上。

(4)城市污水的沉砂量可按每106m3污水沉砂30m3計算，其含水率約60%,容重

3

約1500kg/m0

(5)貯砂斗的容積應(yīng)按2日沉砂量計算，貯砂斗壁的傾角不應(yīng)小于55°。排砂

管直徑不應(yīng)小于200mln。

(6)沉砂池的超高不宜小于0.3m。

常用的沉砂池有平流式沉砂池和曝氣沉砂池。

1、平流式沉砂池

平流式沉砂池是最常用的一種型式，它的截留效果好，工作穩(wěn)定，構(gòu)造亦較

簡單。

1.平流式沉砂池的設(shè)計參數(shù)

(1)污水在池內(nèi)的最大流速為0.3m/s,最小流速為0.15m/s；

(2)最大流量時，污水在池內(nèi)的停留時間不少于30s,一般為30?60s；

(3)有效水深應(yīng)不大于1.2m,一般采用0.25—1.0m,池寬不小于0.6m；

(4)池底坡度一般為0.01—0.02,當(dāng)設(shè)置除砂設(shè)備時，可根據(jù)除砂設(shè)備的要求考

慮池底形狀。

2、曝氣沉砂池

曝氣沉砂池從五十年代開始試用，目前已推廣使用。它具有下述特點：(1)

沉砂中含有機(jī)物的量低于5%；(2)由于池中設(shè)有曝氣設(shè)備，它還具有預(yù)曝氣、

脫臭、防止污水厭氧分解、除泡作用以及加速污水中油類的分離等作用。這些特

點對后續(xù)的沉淀、曝氣、污泥消化池的正常運(yùn)行以及對沉砂的干燥脫水提供了有

利條件。

第二節(jié)水中懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì)的去除

一、沉淀

1、概述

沉淀法是水處理中最基本的方法之一。它是利用水中懸浮顆粒的可沉降性

能，在重力作用下產(chǎn)生下沉作用，以達(dá)到固液分離的一種過程。

按照廢水的性質(zhì)與所要求的處理程度的不同，沉淀處理工藝可以是整個水處理過

程中的一個工序，亦可以作為唯一的處理方法。在典型的污水廠中，有下列四種

用法：

（1）、用于廢水的預(yù)處理

沉砂池是典型的例子。沉砂池是用以去除污水中的易沉物（如砂粒）。

（2）、用于污水進(jìn)入生物處理構(gòu)筑物前的初步處理（初次沉淀池）

用初次沉淀池可較經(jīng)濟(jì)的去除懸浮有機(jī)物，以減輕后續(xù)生物處理構(gòu)筑物的有機(jī)負(fù)

荷。

（3）、用于生物處理后的固液分離（二次沉淀池）

二次沉淀池，主要用來分離生物處理工藝中產(chǎn)生的生物膜、活性污泥等，使處理

后的水得以澄清。

（4）、用于污泥處理階段的污泥濃縮

污泥濃縮池是將來自初沉池及二沉池的污泥進(jìn)一步濃縮，以減小體積，降低

后續(xù)構(gòu)筑物的尺寸及處理費(fèi)用等。

2、沉淀類型

根據(jù)水中懸浮顆粒的凝聚性能和濃度，沉淀通?？梢苑殖伤姆N不同的類型。

1）、自由沉淀

自由沉淀發(fā)生在水中懸浮固體濃度不高，沉淀過程懸浮固體之間互不干擾，

顆粒各自單獨(dú)進(jìn)行沉淀，顆粒的沉淀軌跡呈直線。整個沉淀過程中，顆粒的物理

性質(zhì)，如形狀，大小及比重等不發(fā)生變化。這種顆粒在沉砂池中的沉淀是自由沉

淀。

2）、絮凝沉淀

絮凝沉淀的懸浮顆粒濃度不高，但沉淀過程中懸浮顆粒之間有互相絮凝作

用，顆粒因互相聚集增大而加快沉降，沉淀的軌跡呈曲線。沉淀過程中，顆粒的

質(zhì)量、形狀和沉速是變化的，實際沉速很難用理論公式計算，需通過試驗測定。

化學(xué)混凝沉淀屬絮凝沉淀。

3）、區(qū)域沉淀（或成層沉淀）

區(qū)域沉淀的懸浮顆泣濃度較高（5000mg/L以上），顆粒的沉降受到周圍其它顆

粒影響，顆粒間相對位置保持不變，形成一個整體共同下沉，與澄清水之間有清

晰的泥水界面。二次沉淀池與污泥濃縮池中均有區(qū)域沉淀發(fā)生。

4）、壓縮沉淀

壓縮沉淀發(fā)生在高濃度懸浮顆粒的沉降過程中，由于懸浮顆粒濃度很高，顆

粒相互之間已擠集成團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，互相接觸，互相支承，下層顆粒間的水在上層顆

粒的重力作用下被擠出，使污泥得到濃縮。二沉池污泥斗中的濃縮過程以及在濃

縮池中污泥的濃縮過程存在壓縮沉淀。

二、混凝

1、混凝原理

化學(xué)混凝所處理的對象，主要是水中的微小懸浮物和膠體雜質(zhì)。大顆的懸浮

物由于受重力的作用而下沉，可以用沉淀等方法除去。但是，微小粒徑的懸浮物

和膠體，能在水中長期保持分散懸浮狀態(tài)，即使靜置數(shù)十小時以上，也不會自然

沉降。這是由于膠體微粒及細(xì)微懸浮顆粒具有“穩(wěn)定性”。

（1）、膠體的穩(wěn)定性

根據(jù)研究，膠體微粒都帶有電荷。天然水中的粘土類膠體微粒以及污水中的

膠態(tài)蛋白質(zhì)和淀粉微粒等都帶有負(fù)電荷。它的中心稱為膠樓。其表面選擇性地吸

附了一層帶有同號電荷的離子，這些離子可以是膠校的組成物直接電離而產(chǎn)生

的，也可以是從水中選擇吸附H，或0H離子而造成的。這層離子稱為膠體微粒的

電位離子，它決定了膠粒電荷的大小和符號。由于電位離子的靜電引力，在其周

圍又吸附了大量的異號離子.形成了所謂“雙電層”。這些異號離子，其中緊靠

電位離子的部分被牢固地吸引著.當(dāng)膠核運(yùn)行時一，它也隨著一起運(yùn)動，形成固定

的離子層。而其他的異號離子，離電位離子較遠(yuǎn)，受到的引力較弱，不隨膠核一

起運(yùn)動，并有向水中擴(kuò)散的趨勢.形成了擴(kuò)散層。固定的離子層與擴(kuò)散層之間的

交界面稱為滑動面?；瑒用嬉詢?nèi)的部分稱為膠粒，膠粒與擴(kuò)散層之間，有一個電

位差。此電位稱為膠體的電動電位，常稱為/電位。而膠核表面的電位離子與溶

液之間的電位差稱為總電位或§電位。

膠粒在水中受幾方面的影響：①由于上述的膠粒帶電現(xiàn)象，帶相同電荷的膠

粒產(chǎn)生靜電斥力，而且/電位愈高，膠粒間的靜電斥力愈大；②受水分子熱運(yùn)動

的撞擊，使微粒在水中作不規(guī)則的運(yùn)動，即''布朗運(yùn)動；”③膠粒之間還存在著

相互引力——范德華引力。范德華引力的大小與膠粒間距的2次方成反比，當(dāng)間

距較大時，此引力略去不計。

一般水中的膠粒f電位較高。其互相間斥力不僅與f電位有關(guān)，還與膠粒的

間距有關(guān)，距離愈近，斥力愈大。而布朗運(yùn)動的動能不足以將兩顆膠粒推近到使

范德華引力發(fā)揮作用的距離。因此，膠體微粒不能相互聚結(jié)而長期保持穩(wěn)定的分

散狀態(tài)。

使膠體微粒不能相互聚結(jié)的另一個因素是水化作用。由于膠粒帶電，將極性

水分子吸引到它的周圍形成一層水化膜。水化膜同樣能阻止膠粒間相互接觸。但

是，水化膜是伴隨膠粒帶電而產(chǎn)生的，如果膠粒的電位消除或減弱，水化膜也就

隨之消失或減弱。

(2)、混凝原理

化學(xué)混凝的機(jī)理至今仍未完全清楚。因為它涉及的因素很多，如水中雜質(zhì)的

成分和濃度、水溫、水的pH值、堿度，以及混凝劑的性質(zhì)和混凝條件等。但歸

結(jié)起來，可以認(rèn)為主要是三方面的作用：

1)壓縮雙電層作用：如前所述，水中膠粒能維持穩(wěn)定的分散懸浮狀態(tài)，主要

是由于膠粒的f電位。如能消除或降低膠粒的/電位,就有可能使微粒碰撞聚結(jié)，

失去穩(wěn)定性。在水中投加電解質(zhì)一一混凝劑可達(dá)此目的。例如天然水中帶負(fù)電荷

的粘土膠粒，在投入鐵鹽或鋁鹽等混凝劑后，混凝劑提供的大量正離子會涌入膠

體擴(kuò)散層甚至吸附層。因為膠核表面的總電位不變，增加擴(kuò)散層及吸附層中的正

離子濃度，就使擴(kuò)散層減薄。當(dāng)大量正離子涌入吸附層以致擴(kuò)散層完全消失時一，

/電位為零，稱為等電狀態(tài)。在等電狀態(tài)下，膠粒間靜電斥力消失，膠粒最易發(fā)

生聚結(jié)。實際上，/電位只要降至某一程度而使膠粒間排斥的能量小于膠粒布朗

運(yùn)動的動能時，膠粒就開始產(chǎn)生明顯的聚結(jié)，這時的/電位稱為臨界電位。膠粒

因電位降低或消除以致失去穩(wěn)定性的過程，稱為膠粒脫穩(wěn)。脫穩(wěn)的膠粒相互聚結(jié)，

稱為凝聚。

壓縮雙電層作用是闡明膠體凝聚的一個重要理論。它特別適用于無機(jī)鹽混凝

劑所提供的簡單離子的情況。但是，如僅用雙電層作用原理來解釋水中的混凝現(xiàn)

象，會產(chǎn)生一些矛盾。例如，三價鋁鹽或鐵鹽棍凝劑投量過多時效果反而下降，

水中的膠粒又會重新獲得穩(wěn)定。又如在等電狀態(tài)下，混凝效果似應(yīng)最好，但生產(chǎn)

實踐卻表明，混凝效果最佳時的/電位常大于零。于是提出了第二種作用。

2)吸附架橋作用：三價鋁鹽或鐵鹽以及其他高分子棍凝劑溶于水后，經(jīng)水解

和縮聚反應(yīng)形成高分子聚合物，具有線性結(jié)構(gòu)。這類高分子物質(zhì)可被膠體微粒所

強(qiáng)烈吸附。因其線性長度較大.當(dāng)它的一端吸附某一膠粒后，另一端又吸附另一

膠粒，在相距較遠(yuǎn)的兩膠粒間進(jìn)行吸附架橋，使顆粒逐漸結(jié)大，形成肉眼可見的

粗大絮凝體。這種由高分子物質(zhì)吸附架橋作用而使微粒相互粘結(jié)的過程，稱為絮

凝。

3)網(wǎng)捕作用：三價鋁鹽或鐵鹽等水解而生成沉淀物。這些沉淀物在自身沉降

過程中，能集卷、網(wǎng)捕水中的膠體等微粒，使膠體粘結(jié)。

上述三種作用產(chǎn)生的微粒凝結(jié)理象——凝聚和絮凝總稱為混凝。

對于不同類型的棍凝劑，壓縮雙電層作用和吸附架橋作用所起的作用程度并

不相同。對高分子混凝劑特別是有機(jī)高分子混凝劑，吸附架橋可能起主要作用；

對硫酸鋁等無機(jī)混凝劑，壓縮雙電層作用和吸附架橋作用以及網(wǎng)捕作用都具有重

要作用。

4)鋁鹽的水解過程

所有金屬陽離子不論以何種藥劑形態(tài)圖投加，它們在水中都以三價鋁［Ai(in)］

和三價鐵［Fe(in)］的各種化合物存在。以鋁鹽為例，在水溶液中即使Al(in)以單

純離子狀態(tài)存在，也不是A13+而是以A1(H2O)63+,水合鋁絡(luò)合離子狀態(tài)存在。

當(dāng)pH值＜3時-，在水中這種水合鋁絡(luò)離子將是主要形態(tài)，如pH升高，水合鋁

絡(luò)離子就會發(fā)生配位水分子離解(即水解過程)，生成各種羥基鋁離子，pH值再

升高，水解逐級進(jìn)行，從單核單羥基水解成單核三羥基，最終將產(chǎn)生氫氧化鋁化

學(xué)沉淀物而析出。在整個反應(yīng)中，像A13+、A1(OH)2+、A1(OH)3、A1(OH)4-等簡

單成分以及多種聚合離子，如[(A1(OH)14]4+、[A17(OH)17J4+,[A18(OH)20J4+.

[A113(OH)34]5+等成分，都會同時出現(xiàn)，它們必然會對混凝過程起作用，共中高

價的聚合正價離子對中和粘土膠粒的負(fù)電荷，以及壓縮其雙電層的能力都很大，

促進(jìn)了混凝。

當(dāng)產(chǎn)生無機(jī)聚合物帶有負(fù)價離子時，不可能靠電荷中和作用，而

主要靠吸附架橋的作用使粘土膠粒脫穩(wěn)。

2、混凝劑和助凝劑

(1)、混凝劑

用于水處理中的混凝劑應(yīng)符合如下要求：混凝效果良好，對人體健康無害，

價廉易得，使用方便?；炷齽┑姆N類較多，主要有以下兩大類：

1)無機(jī)鹽類混凝劑目前應(yīng)用最廣的是鋁鹽和鐵鹽。

2)高分子混凝劑高分子混凝劑有無機(jī)和有機(jī)的兩種。聚合氯化鋁和聚合氧化

鐵是目前國內(nèi)外研制和使用比較廣泛的無機(jī)高分子混凝劑。有機(jī)高分子混凝劑有

天然的和人工合成的。我國當(dāng)前使用較多的是人工合成的聚丙烯酰胺。

(2)、助凝劑

當(dāng)單用混凝劑不能取得良好效果時，可投加某些輔助藥劑以提高混凝效果，

這種輔助藥劑稱為助凝劑。助凝劑可用以調(diào)節(jié)或改善混凝的條件，例如當(dāng)原水的

堿度不足時可投加石灰或重碳酸鈉等；當(dāng)采用硫酸亞鐵作混凝劑時可加氧氣將亞

鐵Fe”氧化成三價鐵離子Fe*等。助凝劑也可用以改善絮凝體的結(jié)構(gòu)，利用高分

子助凝劑的強(qiáng)烈吸附架橋作用.使細(xì)小松散的絮凝體變得粗大而緊密，常用的有

聚丙烯酰胺、活化硅酸、骨膠、海藻酸鈉、紅花樹等。

3、影響混凝效果的主要因素

影響混凝效果的因素較復(fù)雜，主要有水溫、水質(zhì)和水力條件等。

(1)、水溫

水溫對混凝效果有明顯的影響。無機(jī)鹽類混凝劑的水解是吸熱反應(yīng)，水溫低

時，水解困難。特別是硫酸鋁，當(dāng)水溫低于5℃時:水解速率非常緩慢。且水量

低，粘度大，不利于脫置膠粒相互絮凝，影響絮凝體的結(jié)大，進(jìn)而影響后續(xù)的沉

淀處理的效果。改善的辦法是投加高分子助凝劑或是用氣浮法代替沉淀法作為后

續(xù)處理。

⑵、pH值

水的pH值對混凝的影響程度視混凝劑的品種而異。用硫酸鋁去除水中濁度

時.，景佳pH值范圍在6.5—7.5之間；用于除色時，pH值在4.5?5之間。用三

價鐵鹽時，最佳pH值范圍在6.0—8.4之間，比硫酸鋁為寬。如用硫酸亞鐵，

只有在pH>8.5和水中有足夠溶解氧時，才能迅速形成Fe?,這就使設(shè)備和操作

較復(fù)雜。為此，常采用加氯氧化的方法。

高分子混凝劑尤其是有機(jī)高分子混凝劑，混凝的效果受pH值的影響較小。

從鋁鹽和鐵鹽的水解反應(yīng)式可以看出，水解過程中不斷產(chǎn)生H+必將使水的pH值

下降。要使pH值保持在最佳的范圍內(nèi)，應(yīng)有堿性物質(zhì)與其中和。當(dāng)原水中堿度

充分時還不致影響混凝效果；但當(dāng)原水中堿度不足或混凝劑投量較大時，水的

PH值將大幅度下降，影響混凝效果。此時，應(yīng)投加石灰或重碳酸鈉等。

(3)、水中雜質(zhì)的成分性質(zhì)和濃度

水中雜質(zhì)的成分、性質(zhì)和濃度都對混凝效果有明顯的影響。例如，天然水中

含粘土類雜質(zhì)為主，需要投加的混凝劑的量較少；而烤水中含有大量有機(jī)物時;

需要投加較多的混凝劑才有混凝效果，其投量可達(dá)10?10%g/L但影響的因素比

較復(fù)雜，理論上只限于作些定性推斷和估計。在生產(chǎn)和實用上，主要靠混凝試驗

來選擇合適的記凝凝品種和最佳投量。

4.水力條件

混凝過程中的水力條件對絮凝體的形成影響極大。整個混凝過程可以分為兩

個階段：混合和反應(yīng)。水力條件的配合對這兩個階段非常重要。

混合階段的要求是使藥劑迅速均勻地擴(kuò)散到全部水中以創(chuàng)造良好的水解和

聚合條件，使膠體脫穩(wěn)并借顆粒的布朗運(yùn)動和紊動水流進(jìn)行凝聚。在此階段并不

要求形成大的絮凝體。混合要求快速和劇烈攪拌，在幾秒鐘或一分鐘內(nèi)完成。對

于高分子混凝劑，由于它們在水中的形態(tài)不象無機(jī)鹽混凝劑那樣受時間的影響，

混合的作用主要是使藥劑在水中均勻分散，混合反應(yīng)可以在很短的時間內(nèi)完成，

而且不宜進(jìn)行過份劇烈的攪拌。

反應(yīng)階段的要求是使混凝劑的微粒通過絮凝形成大的具有良好沉淀性能的

絮凝體。反應(yīng)階段的攪拌強(qiáng)度或水流速度應(yīng)隨著絮凝體的結(jié)大而逐漸降低，以免

結(jié)大的絮凝體被打碎。如果在化學(xué)混凝以后不經(jīng)沉淀處理而直接進(jìn)行接觸過濾或

是進(jìn)行氣浮處理，反應(yīng)階段可以省略。

三、澄清

1、澄清池(clarifier)是用于混凝處理的另一種設(shè)備。在澄清池內(nèi)，可以同

時完成混合、反應(yīng)、沉降分離等過程。

2、優(yōu)點：占地面積小，處理效果好，生產(chǎn)效率高，節(jié)省藥劑用量.

3、缺點：對進(jìn)水水質(zhì)要求嚴(yán)格，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

4、從基本原理上澄清池可分為兩大類：

(1)是懸浮泥渣型，有懸浮澄清池，脈沖澄清池；

(2)是泥渣循環(huán)型，有機(jī)械加速澄清池和水力循環(huán)加速澄池清

四、過濾

過濾是使含懸浮物的廢水流過具有一定孔隙率的過濾介質(zhì)，水中的懸浮物

被截留在介質(zhì)表面或內(nèi)部而除去。

1、根據(jù)所采用的過濾介質(zhì)不同，可將過濾分為下列四類：

(1)格篩過濾(screen)

(2)微孔過濾(microfiltration)

(3)膜過濾(membranefiltration)

(4)深層過濾(depthnitration)

2、過濾過程的分類：

(1)格篩過濾：過濾介質(zhì)為柵條或濾網(wǎng)，用以去除粗大的懸浮物，如雜草、破

布、纖維、紙漿等。其典型設(shè)備有格柵、篩網(wǎng)和微濾機(jī)。

(2)微孔過濾：采用成型濾材，如濾布、濾片、燒結(jié)濾管、蜂房濾芯等，也可

在過濾介質(zhì)上預(yù)先涂上一層助濾劑(如硅藻土)形成孔隙細(xì)小的濾餅，用以去

除粒徑細(xì)微的顆粒。定型的商品設(shè)備很多。

(3)膜過濾：采用特別的半透膜作過濾介質(zhì)，在一定的推動力(如壓力、電場

力等)下進(jìn)行過濾，由于濾膜孔隙極小且具有選擇性，可以除去水中細(xì)菌、病

毒、有機(jī)物和溶解性溶質(zhì)。主要設(shè)備有反滲透、超過濾和電滲析等。

(4)深層過濾：采用顆粒狀濾料，如石英砂、無煙煤等。由于濾料顆粒之間

存在孔隙，廢水穿過一定深度的濾層，水中的懸浮物即被截留。為區(qū)別于上

述三類表面或淺層過濾過程，這類過濾稱之為深層過濾，簡稱過濾。

3、過濾在水處理中的作用：

在給水處理中，常用過濾處理沉淀或澄清池出水，使濾后出水渾濁度滿足用

水要求；

在廢水處理中，過濾常作為吸附、離子交換、膜分離法等預(yù)處理手段；

作為生化處理后的深度處理，使濾后水達(dá)到回用的要求。

4、過濾機(jī)理

過濾的機(jī)理可分為阻力截留、重力沉降和接觸絮凝三種。

當(dāng)廢水流過濾料層時;粒徑較大的懸浮物顆粒首先被截留在表層濾料的空隙

中，從而使此層濾料間的空隙越來越小，截污能力隨之變得越來越高。

結(jié)果逐漸形成一層主要由被截留的固體顆粒構(gòu)成的濾膜，并由它起主要

的過濾作用。這種作用屬于阻力截留或篩濾作用。

廢水通過濾料層時，眾多的濾料介質(zhì)表面提供了巨大的沉降面積。

據(jù)估計，lm3粒徑為0.5mm的濾料中就擁有400m2不受水力沖刷而可供懸浮

物沉降的有效面積，形成無數(shù)的小“沉淀池”，懸浮物極易在此沉降下來。

重力沉降強(qiáng)度主要取決于濾料直徑和過濾速度。濾料越小，沉降面積越

大；濾速越小則水流越平穩(wěn)，這些都有利于懸浮物的沉降。

由于濾料有較大的表面積，它與懸浮物之間有明顯的物理吸附作用。

此外，砂粒在水中表面常帶有負(fù)電荷，能吸附帶有正電的鐵、鋁等膠體,

從而在濾料表面形成帶正電的薄膜，進(jìn)而又吸附帶負(fù)電荷的粘土及多種

有機(jī)膠體，在砂粒上發(fā)生接觸絮凝。

在大多數(shù)情況下，濾料表面對尚未凝聚的膠體還能起到接觸碰撞的媒介

作用，促進(jìn)其凝聚過程。

5、過濾的工藝過程

?過濾工藝包括過濾和反洗兩個階段：

?過濾(filtration)：過濾即截留污染物；

?反洗(backwashing)：反洗即把污染物從濾料層中沖走，使之恢復(fù)過濾能

力。

6^過濾周期(filterrun)：

從過濾開始到結(jié)束延續(xù)的時間稱為過濾周期(或工作周期)。

?過濾循環(huán)(filtercycle)：從過濾開始到反洗結(jié)束稱為一個過濾循環(huán)。

7、配水系統(tǒng)

配水系統(tǒng)的作用：

(1)均勻收集濾后水，所以，它又稱為排水系統(tǒng)；

(2)更重要的是均勻分配反沖洗水。

(3)配水系統(tǒng)的合理設(shè)計是濾池正常工作，保持濾料層穩(wěn)定的重要保證。

(4)所謂大阻力配水系統(tǒng)是指盡可能增大配水系統(tǒng)中布水孔眼的阻力，

使反洗水在流向全池各部的水頭損失盡可能相等，保證配水均勻。

8、快濾池的運(yùn)行管理

(1)濾速變化及控制

1)按照在過濾周期內(nèi)濾速的分布形態(tài)，濾池有兩種基本運(yùn)行方式，即：

2)恒速過濾(constantrate):在整個過濾周期中過濾的速度不變。

3)降速過濾(decliningrate)：在過濾周期中過濾速度是隨時間變化的，開

始時大，過濾結(jié)束時小。

(2)優(yōu)良的濾池應(yīng)具備以下性能：

1)濾料納污能力大，過濾水頭損失小，工作周期長；

2)出水水質(zhì)符合回用或外排的要求；

3)反洗耗水量少，效果好，反洗后濾料分層穩(wěn)定而不發(fā)生很大程度的濾料混

雜。

(3)濾池反沖洗

濾池反沖洗的目的是清除截留在濾料孔隙中的懸浮物，恢復(fù)其過濾能力。

一般濾池采用濾后水反沖洗，并輔以表面沖洗(surfacewash)或空氣沖洗

(airscour)。

反沖洗的指標(biāo)：

反沖洗的指標(biāo)有濾料的膨脹率、反沖洗強(qiáng)度、反沖洗時間、反沖洗水頭、反

沖洗水的供應(yīng)和排除、空氣沖洗和表面沖洗等。

1)膨脹率(expandingrate)：濾料層膨脹后與膨脹前的厚度差與過濾時濾料

的厚度之比，用百分?jǐn)?shù)表示。一般用符號e表示。

反洗時的膨脹率要適當(dāng)。膨脹率太低，水流剪切力??；膨脹率過高，顆碰撞

次數(shù)會減少，還會沖動墊料層及流失濾料。

2)反沖洗強(qiáng)度(backwashflowrate)：單位時間內(nèi)單位濾池面積所通過的反

沖洗水量稱為反沖洗強(qiáng)度，通常用q表示，它的單位是L/(m2?s)。

反沖洗強(qiáng)度的大小與濾料的粒度、水的溫度、孔隙率和要求的膨脹率有關(guān)?？捎?/p>

試驗的方法確定。

3)反沖洗時間(backwashtime)：反沖洗時間依濾層污染程度而異，應(yīng)根據(jù)運(yùn)

行情況來確定。

4)反沖洗水頭(head)：反沖洗所需水頭等于濾層、墊層、配水系統(tǒng)及管路的

水頭損失之和，并留有1.5-2.0m的富余水頭。具體可根據(jù)有關(guān)流體力學(xué)的方法

計算。

5)反沖洗水的供應(yīng)和排除：一般是用濾后水作為反沖洗用水。反沖洗水可用

水塔或水泵供給。反沖洗排出的污水(spentbackwashwater)應(yīng)及時排除，通常

返回處理系統(tǒng)的首端。

6)空氣沖洗(airscour)：空氣沖洗是在濾料層和墊層之間加空氣管，在反沖

洗的同時鼓入壓力空氣，增加對顆粒的攪動，增加顆粒之間互相碰撞和摩擦的機(jī)

會，加強(qiáng)反沖洗效果。強(qiáng)度據(jù)具體情況確定。

7)表面沖洗(surfacewash)：在過濾含有機(jī)物質(zhì)較多的原水時，濾層表面往

往生成由濾料顆粒、懸浮物和粘性物形成的泥球。為了破壞泥球，提高沖洗質(zhì)量,

常用壓力水進(jìn)行表面沖洗。

五、氣浮

氣浮法是利用高度分散的微小氣泡作為載體去粘附污水中的污染物，使其密

度小于水而上浮到水面以實現(xiàn)固液或液液分離的過程。實現(xiàn)氣浮法分離的必

要條件是：

1、必須向水中提供足夠數(shù)量的微細(xì)氣泡；

2、必須使目的物呈懸浮狀態(tài)且具有疏水性質(zhì)，從而附著于氣泡上浮升。

氣泡能否與懸浮顆粒發(fā)生有效附著主要取決于顆粒的表面性質(zhì)。

親水性：如果顆粒易被水潤濕，則稱該顆粒為親水性的。

疏水性：如顆粒不易被水潤濕，則是疏水性的。

接觸角：在靜止?fàn)顟B(tài)下，當(dāng)氣、液、固三相接觸時，氣一液界面張力線和固

一液界面張力線之間的夾角(包含液相的)稱為平衡接觸角，用。表示。

氣浮過程包括氣泡的產(chǎn)生、氣泡與顆粒的附著及上浮分離等連續(xù)步驟。

產(chǎn)生數(shù)量和尺寸合適的氣泡是氣浮過程實現(xiàn)的重要條件。

廢水處理中采用的氣浮法，按水中氣泡產(chǎn)生的方法可分為溶氣法、散氣氣浮

和電解法三類。

分類：根據(jù)氣泡在水中析出時的所處壓力的不同，溶氣浮選又可分為：加壓溶

氣氣浮和溶氣真空氣浮兩種類型，其中加壓溶氣氣浮是國內(nèi)外最常用的氣浮法。

加壓溶氣法需要有溶氣罐、空氣壓縮機(jī)、減壓閥或溶氣釋放器、水泵。

按空氣與水混合的位置有分為泵前進(jìn)氣與泵后進(jìn)氣兩種。

散氣氣浮是利用機(jī)械剪切力，將混合于水中的空氣粉碎成細(xì)小的氣泡，以進(jìn)

行浮選的方法。

按粉碎氣泡方法的不同，散氣氣浮分為擴(kuò)散板曝氣氣浮與葉輪氣浮兩種。

擴(kuò)散板曝氣氣浮

壓縮空氣通過具有細(xì)孔隙的擴(kuò)散板或微孔管，使空氣以細(xì)小氣泡的形式進(jìn)入

水中，進(jìn)行氣浮過程。

這種方法的優(yōu)點是簡單易行，但缺點較多，其中主要的是空氣擴(kuò)散裝置的微

孔易于堵塞，氣泡較大，浮選效率不高等等，因此這種方法近年已少用。

3、氣浮法的特點：

(1)由于氣浮池的表面負(fù)荷有可能高達(dá)12m3/m2?h,水在池中停留時間短，

故占地較少，節(jié)省基建投資；

(2)氣浮池具有預(yù)曝氣作用，出水和浮渣都含有一定量的氧，有利于后續(xù)處

理或再用，泥渣也不易腐化；

(3)對那些很難用沉降法去除的低濁度含藻水，氣浮法處理效率高，甚至還

可去除原水中的浮游生物，出水水質(zhì)好；

(4)浮渣含水率低，一般在96%以下，比沉淀池污泥體積少2—10倍，這對污

泥的后續(xù)處理有利，而且表面刮渣也比池底排泥方便;

(5)可以回收利用有用物質(zhì)；

(6)氣浮法電耗較大，處理每噸廢水比沉淀法多耗電約0.02—0.04k\Vh；目前

使用的溶氣水減壓釋放器易堵塞。

4、氣浮法的應(yīng)用

(1)分離水中的細(xì)小懸浮物、藻類及微絮體；

(2)回收工業(yè)廢水中的有用物質(zhì)，如造紙廠廢水中的紙漿纖維及填料等；

(3)代替二次沉淀池，分離和濃縮剩余活性污泥，特別適用于那些易于產(chǎn)生

污泥膨脹的生化處理工藝中；

(4)分離回收含油廢水中的懸浮油和乳化油；

(5)分離回收以分子或離子狀態(tài)存在的污染物，如金屬離子的泡沫浮選分離。

第三節(jié)水中溶解物質(zhì)的去除

一、離子交換法

離子交換劑分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。

無機(jī)的離子交換劑有天然沸石和人工合成沸石。沸石既可作陽離子交換劑，

也能用作吸附劑。

有機(jī)的離子交換劑有磺化煤和各種離子交換樹脂。

離子交換樹脂是一類具有離子交換特性的有機(jī)高分子聚合電解質(zhì)，離子交換

樹脂的合成一般是先制備母體，然后通過化學(xué)反應(yīng)引入相應(yīng)的離子交換基團(tuán)。

1、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)：

一部分是不溶性的樹脂本體(resinmatrix)。樹脂本體為有機(jī)化合物和交聯(lián)

劑組成的高分子共聚物。交聯(lián)劑的作用是使樹脂本體形成立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

另一部分是具有活性的交換基團(tuán)(也叫活性基團(tuán))。交換基團(tuán)(functional

group)由起交換作用的離子和與樹脂本體聯(lián)結(jié)的離子組成。

離子交換樹脂分為陽離子交換樹脂(cationresin)和陰離子交換樹脂

(anionresin)。

按活性基團(tuán)中酸堿的強(qiáng)弱分為：

(1)強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般為一S03H,故又稱磺酸型陽離

子交換樹脂。

(2)弱酸性陽離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般為一COOH,故又稱竣酸型陽離

子交換樹脂。其中活性基團(tuán)中的H+可以被Na+代替，因此陽離子交換樹脂又可

分為氫型和鈉型。

(3)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般為三NOH,故又稱為季胺型陰離

子交換樹脂。

(4)弱堿性陰離子交換樹脂，活性基團(tuán)一般有一NH30H、=NH20H和三NHOH

之分，故分別又稱伯胺型，仲胺型和叔胺型離子交換樹脂。陰離子交換樹脂中的

氫氧根離子011—可以用氯離子C1一代替。因此，陰離子交換樹脂又有氫氧型和

氯型之分。

根據(jù)離子交換樹脂顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，又分為凝膠型和大孔型兩類。兩者的

區(qū)別在于聚合過程中加入或不加入致孔劑的制備方法，可使得到的母體有大孔型

或凝膠型的物理結(jié)構(gòu)。

2、離子交換樹脂的性能指標(biāo)

(1)離子交換容量

交換容量(exchangecapacity)是樹脂交換能力大小的標(biāo)準(zhǔn)，可以用重量法

和容積法兩種方法表示。

重量法是指單位重量的干樹脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用mniol/g或mol/g

來表示。

容積法是指單位體積的濕樹脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用mmol/L或mol/m3

樹脂來表示。由于樹脂一般在濕態(tài)下使用，因此常用的是容積法。

全交換容量是指樹脂中活性基團(tuán)的總數(shù)。

工作交換容量是指在給定的工作條件下，實際所發(fā)揮的交換容量，實際應(yīng)用

中由于受各種因素的影響，一般工作交換容量只有總交換容量的60%-70%o

有效交換容量是指出水到達(dá)一定指標(biāo)時交換樹脂的交換容量。

(2)含水率

含水率通常以每克濕樹脂(去除表面水分后)所含水分百分?jǐn)?shù)來表示。

(3)相對密度

離子交換樹脂的相對密度有三種表示方法:干真密度、濕真密度和濕視密度。

干密度是指在115℃真空干燥后的密度；

濕真密度是指樹脂在水中充分膨漲后的質(zhì)量與樹脂所占體積（不包括空隙）

之比；

濕視密度是指樹脂在水中充分膨漲后單位體積樹脂所具有的質(zhì)量。

（4）溶脹性

當(dāng)樹脂由一種離子型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N離子型態(tài)時所發(fā)生的體積變化稱為溶

脹性或膨脹性。

樹脂溶脹的程度用溶脹度來表示。如強(qiáng)酸陽離子交換樹脂由鈉型轉(zhuǎn)變成氫型

時，其體積溶脹度約為5%—7%。

（5）耐熱性

各種樹脂所能承受的溫度都有一個高限，超過這個極限，就會發(fā)生比較嚴(yán)重

的熱分解現(xiàn)象，影響交換容量和使用壽命。

（6）交聯(lián)度

交聯(lián)劑占單體質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)稱為交聯(lián)度。

交聯(lián)度直接影響樹脂的性能，交聯(lián)度越高，樹脂的機(jī)械強(qiáng)度就越大，對離子

的選擇性就越強(qiáng)，但交換速度就越慢。

（7）選擇性

離子交換樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為選擇性，它是決定離子

交換法處理效率的一個主要因素。

（8）化學(xué)穩(wěn)定性

廢水中的氧化劑，如氧、氯、格酸、硝酸等，由于其氧化作用能使樹脂網(wǎng)狀

結(jié)構(gòu)破壞，活性基團(tuán)的數(shù)量和性質(zhì)也會發(fā)生變化。

防止樹脂因氧化而化學(xué)降解的辦法有三種：一是采用高交聯(lián)度的樹脂；二是

在廢水中加入適量的還原劑；三是使交換柱內(nèi)的pH值保持在6左右。

除上述幾項指標(biāo)外，還有樹脂的外形、粘度、耐磨性、在水中的不溶性等。

3、離子交換基本理論

（1）離子交換過程

離子交換過程可以看作是固相的離子交換樹脂與液相（廢水）電解質(zhì)之間的

化學(xué)置換反應(yīng)。

過程通常分為五個階段：

1）交換離子從溶液中擴(kuò)散到樹脂顆粒表面；

2）交換離子在樹脂顆粒內(nèi)部擴(kuò)散；

3）交換離子與結(jié)合在樹脂活性基團(tuán)上的可交換離子發(fā)生交換反應(yīng)；

4）被交換下來的離子在樹脂顆粒內(nèi)部擴(kuò)散；

5）被交換下來的離子在溶液中擴(kuò)散。

（2）離子交換樹脂的選擇性：

一些離子很容易被吸附而另一些離子卻很難吸附，被樹脂吸附的離子再生的

時候，有的離子很容易被置換下來，而有的卻很難被置換。離子交換樹脂所具有

的這種性能稱為選擇性。

樹脂對各種離子的交換能力是不同的，交換能力大小主要取決于各種離子對

該樹脂的親合力。強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂的選擇順序為：

Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>H+>Li+

（3）水質(zhì)對樹脂交換能力的影響

1）懸浮物和油脂

廢水中的懸浮物會堵塞樹脂孔隙，油脂會包住樹脂顆粒，都會使交換能力下

降。因此當(dāng)這些物質(zhì)含量較多時，應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的方法有過濾、吸附等。

2）有機(jī)物

廢水中某些高分子有機(jī)物與樹脂活性基團(tuán)的固定離子結(jié)合力很大，一旦結(jié)合

就很難進(jìn)行再生，結(jié)果是降低樹脂的再生率和交換能力。

3）高價金屬離子

廢水中Fe3+、A13+、Cr3+等高價金屬離子能引起樹脂中毒，當(dāng)樹脂受鐵

中毒時，會使樹脂顏色變深。

從陽離子樹脂的選擇性可看出，高價金屬離子易為樹脂吸附，再生時難于把

它洗脫下來，結(jié)果會降低樹脂的交換能力。

為了恢復(fù)樹脂的交換能力可用高濃度酸長時間浸泡。

4）pH值

強(qiáng)酸和強(qiáng)堿樹脂的活性基團(tuán)的電離能力很強(qiáng)，交換能力基本上與pH值無關(guān)。

但弱酸性樹脂在pH值低時不電離或部分電離，因此，在堿性條件下，才能

得到較高的交換能力。

而弱堿性樹脂在酸性溶液中才能得到較大的交換能力。

螯合樹脂對金屬的結(jié)合與pH值有很大關(guān)系，每種金屬都有適宜的pH值。

5）水溫

水溫高雖可加速離子交換的擴(kuò)散,但各種離子交換樹脂都有一定的允許使用

溫度范圍。

6）氧化劑

廢水中如果含有氧化劑（如C12、02、H2Cr207等）時,會使樹脂氧化分解。

強(qiáng)堿性陰樹脂容易被氧化劑氧化，使交換基團(tuán)變成非堿性物質(zhì)，可能完全喪失交

換能力。氧化作用也會影響交換樹脂的本體，使樹脂加速老化，結(jié)果使交換能力

下降。

4、離子交換的工藝過程

離子交換方式可分為靜態(tài)交換與動態(tài)交換兩種。

靜態(tài)交換是將廢水與交換劑同置于一耐腐蝕的容器內(nèi)，使它們充分接觸（可

進(jìn)行不斷攪拌）直至交換反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此法適用于平衡良好的交換反應(yīng)。

動態(tài)交換是指廢水與樹脂發(fā)生相對移動，它又有塔式（柱式）與連續(xù)式之分。

在離子交換系統(tǒng)中多采用柱式交換法。

5、離子交換樹脂的再生

離子交換與再生反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)，樹脂再生就是使離子交換反應(yīng)逆向進(jìn)

行，以恢復(fù)樹脂的離子交換性能。

（1）再生操作過程

反洗是在離子交換樹脂失效后，逆向通入沖洗水和空氣，以松動樹脂層和達(dá)

到清洗樹脂層內(nèi)的雜物或分離陰、陽離子交換樹脂（對于混合床）的目的。

在單床和復(fù)合床情況下，將再生劑以…定流速流經(jīng)各自交換柱內(nèi)的樹脂層進(jìn)

行再生。

對于混合床則有柱內(nèi)、柱外再生及陰離子交換樹脂外移再生三種方法，具體

運(yùn)用應(yīng)視具體情況而定。

再生后還必須用水正洗，洗去樹脂中殘余再生劑及再生反應(yīng)物。

有時再生后樹脂類型與使用所需樹脂型式不同，還需轉(zhuǎn)型。

（2）再生劑的選擇

陽離子交換樹脂的再生劑有HC1、H2s04等。

強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂可用HC1或H2S04等強(qiáng)酸及NaCl、Na2S04等再生。

弱酸性陽離子樹脂可以用HC1、H2s04等再生。

用于陰離子交換樹脂的再生劑有NaOH、Na2c03、NaHC03等。

強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂可用NaOH等類強(qiáng)堿及NaCl再生，

弱堿性陰離子樹脂可以用NaOH、Na2c03、NaHC03等再生。

(3)再生劑用量和再生率的控制

盡可能地減少再生劑用量，既可降低再生費(fèi)用，又便于回收處理再生廢液。

盡量使用濃度較高的再生劑，采用順流交換逆流再生的方法。

再生時，一般不追求過高的再生率，把交換劑的交換能力恢到原來的80%

左右就可以了。這樣不僅可以節(jié)約再生劑，縮短再生時間，而且提高了再生液中

回收物質(zhì)的濃度，有利于回收。

(4)順流再生與逆流再生

再生液的流向和交換時水流方向相同稱為順流再生。反之為逆流再生。

順流再生優(yōu)點是設(shè)備簡單，操作方便，工作可靠。缺點是再生液用量多，獲

得的交換容量低，出水水質(zhì)差。

逆流再生時，再生液耗量少，交換劑獲得的工作容量大，而且能保證出水質(zhì)

量，但逆流再生的設(shè)備較復(fù)雜，操作控制較嚴(yán)格。

6、離子交