水质工程学课件

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1、第一章 水质与水质标准1.1 天然水体中的杂质按杂质颗粒的粒度分为：悬浮物零点几个微米至毫米，浑浊，显微镜或肉眼可见胶体几纳米至零点几个微米，浑浊，超显微可见溶液通常在纳米级以下，透明，电镜可见注：胶体化学定义胶体范围1 nm100 nm，工程运用上边界0.45 m或1 m（1）悬浮物：泥土、粘土（50m）、金属氧化物、原生动物及其包囊、藻类（80m）、细菌（0.24m），纸浆纤维、石油微粒等。（2）胶体：粘土类物质、金属氢氧化物、蛋白质（1030nm）、硅酸（10100nm）、纤维素、高分子有机物（如腐殖质内的富里酸和腐殖酸）、病毒（8100nm）等等。（3）溶液（溶解杂质） 溶解气体：O2

2、、CO2、N2等（未污染水O2=510mg/L,14mg/L, CO2来源于有机物质的分解及地层化学反应，CO2的多少影响到碳酸平衡、碱度等，地面水一般为2030，地下水可高达100 mg/L）; 阳离子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Fe2+、Mn2+等； 阴离子：HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-、SiO32-、F-等； 溶解性有机大分子（电解质与非电解质均有）按污染物的类别分：（1）可生物降解的有机污染物耗氧有机物 碳水化合物、蛋白质、脂肪等自然生成的有机物，能够被微生物降解成为无机物，微生物同时要消耗掉大量氧，危害水体质量。 （2）难生物降解的有机污染物 主要包括农药（杀虫剂

3、、除草剂）、脂类化合物、芳香族氨基化合物等人工合成的有机物，以及纤维素、木质素、腐殖质等植物残体。 其中一些是持久性有机污染物（POPs）。如多环芳烃，有机氯农药，邻苯二甲酸脂等。POPs对于自然条件下的生物代谢、光降解、化学分解等具有很强的抵抗能力。POPs在水体中的半衰期大多在几十天至20年，个别长达100年； 已有的研究表明，POPs 除具有急性和慢性毒性外，还具有显著的致癌、致畸、致突变等远以及神经毒性和内分泌干扰特性等。其中，尤以其毒性效应，激素的内分泌干扰作用更受关注。 （3）无直接毒害的无机物 泥沙、酸碱物质、氮磷等水质标准中的感官性状以一般化学指标中的无机物。这些物质一般无直接

4、毒害。 （4）有直接毒害作用的无机物 主要包括氰化物、砷化物及重金属等。 六大毒性物质：汞、镉、铅、铬、砷五毒加上氰化物。 此外，天然水体中的杂质从化学结构又可分为无机的、有机的和生物的；按杂质的来源又可分为天然的和人工合成的或天然的和污染性的。1.2典型水源的水质特点（1）江河水 浊度、含沙量变化大（地形、植被）； 含盐量及硬度较低（西北地区较高，东北较低，全国均满足水源水质标准）； 受到一定程度污染，水质水温不稳定。（2）湖泊、水库水 一般浊度较低； 国内许多湖泊、水库出现富营养化，存在藻类、腐殖质及色、嗅、味问题； 含盐量较江河水高。（3）地下水 清澈、水质水温稳定； 含盐量较高，一般达

5、到200500 mg/L（西南、华南、东南雨水补给丰富）； 硬度较高，一般达到60300 mg/L（西北地区苦咸水、华北地区海水影响）； 部分水源含有较高的铁锰或氟。（4）海水含盐量高，一般为36000 mg/L，入海口处含盐量较低（NaCl约占83.7%）。 1.3 水体富营养化指在人类活动的影响下,生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体,引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖,水体溶解氧量下降,水质恶化,鱼类及其他生物大量死亡的现象。 主要危害：（1） 臭味；（2）降低透明度；（3）消耗溶解氧导致水生生态的稳定性和多样性降低；（4）藻毒素问题；（5）影响供水水质（色嗅味）、增

6、加制水成本1.4 水质标准1.4.1 生活饮用水卫生标准（1）标准的发展 国标：生活饮用水卫生标准 1956年 15项，1976年23项，1985（GB5749-85）35项（现行国标），新国标（GB5749-2006）106项，其中常规42项，非常规64项。 现行部标： 城市供水水质标准（CJ/T206-2005）建设部2005年颁布，指标101项，其中常规42项，非常规59项。 发展趋势：有机物的控制。与GB5749-85相比，GB5749-2005毒理学指标中有机化合物由原5项增至53项。 （2）标准条目解析 感官性状和一般化学指标感官性状指标指某些物质对人的视觉、味觉和嗅觉的刺激，一般

7、化学指标物质对人体健康不直接产生毒害，但通常对生活的使用产生不良影响，其中也包括感官性状的影响。色度：地面水主要来源于腐殖质、藻类，地下水主要来源于铁、锰。浊度：新国标中特殊情况不超过3NTU，浊度具有卫生学意义。pH值：低于6.5可能产生腐蚀性，高于8.5易沉淀。总硬度：过高易引起腹泻。铝：产生涩味。过高的铝对人体有较大的危害，早老性痴呆，骨骼疾病。铁、锰、铜、锌：颜色（丝纺厂产品受到影响实例），金属、涩味味。酚：9-15 mg/L明显毒性，但0.01 mg/L产生恶臭，标准制定偏于安全。耗氧量：间接反映水中有机物含量，高锰酸盐指数，CODMn 毒理学指标有些化学物质，在饮用水中达到一定浓度

8、时，会对人体健康造成危害，这些属于有毒化学物质。氟：过多引起牙斑釉和氟骨病，过少引起龋齿。氰化物：一次摄入20-30 mg ,2-3分钟致死，低剂量摄入引起慢性中毒。砷：一次摄入100 mg致死，低剂量摄入引起慢性中毒。镉：骨痛病铬：致癌作用等等。 微生物学指标总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌及菌落总数 细菌总数 1.4.2 其他用水水质标准（1）食品及饮料类水质标准饮用净水水质标准（CJ94-2005），建设部标准适用于小区直饮水、桶装水等，指以城市自来水或以满足生活饮用水水源是质标准的水为原水，经深度净化后供给用户直接饮用的管道供水和罐装水。此标准的项目数少于新国标，涉及金属离子项目

9、的限制更低一些。（2）城市杂用水水质标准城市杂用水水质标准（GB/T18920-2002）杂用指绿化、道路浇洒、景观、冲厕、洗车、建筑施工等用水。可用于城市污水再生回用等。（3）游泳池用游泳池和水上游乐池给水排水设计规程(CECS 14：2002)（4）工业用水水质标准 种类繁多 标准差异极大第二章 水的处理方法概述2.1 主要单元处理方法水的物理化学处理方法（1）混凝（2）沉淀与澄清（3）浮选（4）过滤（5）膜分离（6）吸附在相界面上，物质浓度自动发生累积的现象。在水和废水处理中主要是利用固体物质表面对水中杂质的吸附作用。（7）离子交换固体颗粒上的具有可交换能力的酸性或碱性基团上的离子和水中

10、具有相同电性的离子发生交换的过程。（8）中和（9）氧化与还原生物化学处理（1）好氧生物处理 （2）厌氧生物处理 2.2.1 理想反应器模型（1） 完全混合间歇式反应器（CMB） Completely mixing batch reactor 采用一次加料，搅拌反应，待反应结束后再同时放出，所有物料反应时间相同，且浓度均匀，但随时间而变化，因而是在非稳态条件下操作的。（2） 完全混合连续式反应器（CSTR） Continuously stirred tank reactor 物料边进边出，连续流动，因充分搅拌，各处浓度均匀，出口浓度与反应器内浓度一致。稳态条件下，整个系统不随时间变化。（3） 推

11、流式反应器 （PF） Plug flow reactor 物料按前后顺序沿流动方向推流，层流，且无纵向扩散，反应时间是反应器长度的函数，因而反应物浓度沿路程而变化。在反应器相同断面上所有物料的停留时间相同。物料平衡与质量传递（1）物料平衡方程在反应器内任一部位：浓度变化速率=输入速率-输出速率+反应速率 （质量/体积时间） 反应速率由化学反应动力学决定，对于反应物来说，反应速率为负，对于生成物来说，反应速率为正。 如果在反应区内，组分i的浓度不随时间变化，则： 输出速率-输入速率=反应速率此时并非化学平衡状态，仅仅是净输入量等于反应速率，此状态称为稳定状态，许多反应器中的反应近似为稳定状态。

12、物质的输入与输出，由质量传递引起，包括主体流动、分子扩散和紊流扩散引起的质量传递。（2）质量传递 主流传递 与流速一致，与浓度无关。 分子扩散（Fick第一定律）式中:J物质扩散通量；DB分子扩散系数，（面积/时间）；Ci组分i的浓度（质量/体积）；x浓度梯度方向的坐标。 紊流扩散传递紊流下存在各向的脉动，可表达为类似于分子扩散的表达式：式中：Dc-紊流扩散系数。理想反应器的计算（1）完全混合间歇式反应器（CMB）反应过程中，无输入与输出量，于是：对于一级反应，r(Ci)=-kCi（这里研究反应物）,于是：对于二级反应，r(Ci)=-kCi2,于是：例：某水样采用CMB反应器进行消毒实验假定投

13、氯量一定，经试验知，细菌被灭活率为一级反应，且k=0.92 min-1，求细菌被灭活99%时，所需时间为多少？解：设原有细菌密度为C0，t时后尚存活的细菌密度为Ci，被杀死的细菌密度则为C0-Ci，在t时刻，(C0-Ci)/C0=0.99，Ci =0.01 C0，（2）完全混合连续式反应器（CSTR）根据反应器内物料完全均匀混合且与输出产物相同的特性，在等温操作下，物料平衡方程如下：在稳定状态下： QCi-QC0=Vr(Ci)设为一级反应，将r(Ci)=-kCi和V=Qt带入，则：例：某水样采用CSTR反应器进行消毒实验假定投氯量一定，经试验知，细菌被灭活率为一级反应，且k=0.92 min-

14、1，求细菌被灭活99%时，所需时间为多少？解：将Ci =0.01 C0，k=0.92带入上式：采用CSTR多极串联，可提高效率，分析如下：C1/C0 =1/(1+kt), C2/C1 =1/(1+kt), C3/C2 =1/(1+kt), Cn/Cn-1 =1/(1+kt)于是:式中,t为单级反应器的反应时间,总反应时间T=nt例:如果上例中采用两个CSTR串联,所需消毒时间为多少?解: Cn/C0=0.01,n=2,带入式中0.01=1/(1+0.92t)2可解出 t=9.9 (min), T=2t=19.8 (min)（3）推流式反应器（PF）在推流式反应器示意图上取出微元体，研究在此微元体内的质量平衡方程，这里是过水断面面积，dx是微元体的宽度在稳定状态下，于是，按边界条件x=0，Ci=C0，x=X，Ci=Ce将上式与CMB反应器的结果比较不难发现，PF反应器的结果与CMB完全相同。第三章 混凝凝聚(coagulation)：通过投加混凝剂使胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝(flocculation)：脱稳胶体相互聚集形成絮体的过程称为絮凝。混凝（coagulation, or coagulation-flocculation）：是凝聚、絮凝两过程的总称。是水中胶体粒子及微小悬浮物的脱