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水质与水体自净
环境工程学(蒋展鹏第三版)第一章水质与水体自净笔记，包括水的循环与污染、水质指标与水质标准、废水的成分与性质等内容。
编辑于2021-07-16 18:23:29- 环境工程学
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第一章 水质与水体自净
1.1 水的循环与污染
一、地球上水的分布
97％：海洋水
3％(淡水)：大气、地球陆地表面、地表以下的地壳
3/4：冰川和冰帽
0.3％(占总水量)：与人类生产生活关系密切，且较容易被开发利用
我国的水资源特点：
①并不丰富
②严重的时空分布不均衡性
a.时间上：冬春少雨，夏季多雨
b.空间上：东南多，西北少
二、水循环
㈠自然循环
自然界中的水并不是静止不动的。它们在太阳能的作用下，通过海洋、湖泊、河流等广大水面以及土壤表面、植物茎叶的蒸发和蒸腾形成水汽，上升到空中凝结为云，在大气环流——风的推动下运移到各处。在适当的条件下，又以雨、雪、雹等形式降落下来。这些降落下来的水分，在陆地上分成两路流动。一路在地面形成径流，汇入江河湖泊，称为地表径流；另一路渗入地下，成为地下水，称为地下渗流。这两路水流有时相互交流转换，最后都注入海洋。与此同时，一部分水经过地面和水面的蒸发以及植物吸收后经叶的蒸腾又进入大气圈中。这种川流不息、循环往复的过程称为自然界的水循环或水的自然循环。
㈡社会循环
指人类社会为了满足生活和生产的需求，要从各种天然水体中取用大量的水，这些经过使用后的生活和生产用水，混入了各种污染物质，它们经过一定的净化处理，最终又流入天然水体。这样，水在人类社会中构成了一个局部的循环体系，称为水的社会循环。
水的作用
①人们日常生活需要水：水是构成人类机体的基础，又是传输营养和新陈代谢过程的一种介质，水还起着发散热量和调节体温的作用。
②工业生产更是离不开水。
③水是农业的命脉。
环境工程师的任务
研究和解决人与自然在水量和水质方面存在的巨大矛盾，在合理开发利用水资源的同时，通过必要的水质处理措施，有效的控制水体污染，做到向自然界借“好水”，也应把“好水”还给自然界，使水有良性的社会循环，人类社会得以可持续发展。
三、自然污染和人为污染
水的用途
①生活和饮用水
②工业用水(包括冷却用水、锅炉用水、生产工艺用水等)
③农业用水(包括灌溉用水等)
④渔业用水
⑤娱乐旅游和水上运动
⑥水能利用
⑦航运
⑧景观
⑨水生生物和海生生物的生存、繁衍及生态用水等
水的自净能力
水体在一定范围内，具有自身调节和降低污染的能力。
水污染
水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。
水的污染有两类
自然污染：主要由自然原因造成。通常把由于自然原因而造成的水中杂质含量称为自然本底值或背景水平。
人为污染(危害较大)：是人类生活和生产活动中产生的废物对水的污染。
四、水污染的分类和影响
杂质不同
化学性污染
1.无机污染物质(酸、碱、无机盐——工业废水)。酸碱污染使水体ph发生变化，抑制或杀灭细菌和其他微生物的生长，妨碍水体自净作用，还会腐蚀船舶和水下建筑物，影响渔业，破坏生态平衡。无机盐排入水体后会提高水体的硬度和增加水的渗透压，降低水中的溶解氧，对淡水生物产生不良影响。
2.无机有毒物质(重金属、类金属——工业废水。有毒重金属可能通过食物链而积累、富集以致会直接作用于人体而引起严重疾病或促使慢性病发生。)
3.有机有毒物质(POPs、有机农药、多环芳烃、芳香胺——农田排水或某些工业废水。有些有机物质被认为是致癌的。)
4.需氧污染物质(生活污水、牲畜污水和某些工业废水中所含的有机物质(碳水化合物、蛋白质、脂肪和酚、醇等)。在微生物作用下分解，分解过程中需要氧气。若这类物质排入水体过多，将会消耗大量的溶解氧，造成溶解氧缺乏，从而影响水中鱼类和其他水生生物的生长。溶解氧耗尽后，有机物质将进入厌氧分解，产生大量硫化氢、氨、硫醇等物质，使水质发黑发臭，造成环境质量进一步恶化。)
5.植物营养物质(N、P——富营养化：水体中氮、磷含量较高时，特别是湖泊、水库、港湾、内海等水流缓慢的水域就会因此而使藻类等浮游生物及水草大量繁殖的现象。因通气不良，造成溶解氧含量下降，水质恶化，鱼类死亡，严重的还可能导致水草丛生，湖泊退化。)
6.油类污染物质(动植物油脂和石油类——生活污水和食品工业废水。影响水质，破坏海滩，危害水生生物。)
物理性污染
1.悬浮物质污染(不溶性物质：固体物质和泡沫——影响水体外观，妨碍水中植物光合作用，减少氧气融入。对水生生物不利。)
2.热污染(水温升高、溶解氧下降、水中存在的某些有毒物质的毒性增加，从而危及水生生物的生长。)
3.放射性污染(具有自发产生α、β、γ射线引起污染的物质称为放射性污染。)
生物性污染
病原微生物：如病原细菌、病毒、寄生虫病等。传播疾病。——医院污水、某些工业废水
水体受污染的形式
点源污染
指有固定排放点的污染源造成的污染。
非点源污染(面源污染)
指没有固定污染排放点，污染物以广域的、分散的形式进入地表及地下水体。
内源污染(次生污染)
指江河湖库水体内部由于污染物长期积累产生的污染再排放。
1.2 水质指标与水质标准
一、水质指标
杂质按存在状态分为
悬浮物质(＞10⁻³mm) 靠浮力、粘滞力悬浮于水中
胶体物质(10⁻³~10⁻⁶mm) 介于悬浮物质与溶解物质之间
溶解性物质(＜10⁻⁶mm) 被水的分子结构所支承
水质：水和其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合性质。
水质指标
：表示水中杂质的种类，成分和数量，是判断水质是否符合要求的具体衡量标准。
㈠物理性水质指标
感官物理性指标：温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度
其他物理性指标：总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体和电导率(电阻率)等
㈡化学性水质指标
一般化学性指标：pH、碱度、硬度、各种阳离子、各种阴离子、总含盐量、一般有机物质等
有毒化学性指标：重金属、氰化物、多环芳烃、各种农药等
氧平衡指标：溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总需氧量(TOD)
㈢生物学水质指标
细菌总数、总大肠菌群数、各种病原细菌、病毒等
1.浑浊度
指水中的不溶解物质对光线透过时所产生的阻碍程度。(光学性质)
2.颜色
真色(检测水样)：溶+胶所致。1L水中含有相当于1mg铂时所产生的颜色规定为1度，亦称一个真色单位(TCU)
表色：溶+ 胶+悬。
3.固体(计算题)
水中固体：在一定的温度下将一定体积的水样蒸发至干时所残余的固体物质的总量。因此也称“蒸发残渣”。 蒸发烘干：103~105℃，此温度下，烘干的残渣保留结晶水和部分吸着水，重碳酸盐转变为碳酸盐。而有机物挥发逸失甚少，这样的残渣为总固体(TS)。以mg/L计。
总固体
挥发性能：总固体＝挥发性固体(VS)+固定性固体(FS) VS：固体在600℃灼烧后挥发的量；FS：灼烧残渣质量
溶解性能：总固体＝悬浮固体(SS)+溶解固体(DS) SS：滤渣烘干；DS：滤液烘干。鉴别：孔径：0.45μm滤膜
可沉固体
指将1L水样在一锥形玻璃筒内静置1h后所沉下的悬浮物质数量，其结果用mL/L来表示。
4.电导率(比电导)
电导率：水中溶解的盐类都是以离子状态存在的，它们都具有一定的导电能力。水的导电能力可以用电导率来量度，水中所含溶解盐越多，水中的离子数目也越多，水的电导率就越高。 指25℃时，长1m、横截面积为1㎡水中的电导值。单位S/m(西门子/米)。
电导是电阻的倒数。
电阻率：相距1cm，面积各为1c㎡的两片平行板电极，将它们插入被测水中时的电阻值，单位Ω·cm。电阻率越高，表示水中的溶解盐含量越少。
5.总含盐量和离子平衡(计算题)
总含盐量(总矿化度)：水中所含各种溶解性矿物盐类的总量。 总含盐量(mg/L)＝∑阳离子(mg/L)+∑阴离子(mg/L)
离子平衡：根据溶液的电中性原则，理论上每升水中的阳、阴离子的电荷总数应该相等。
6.碱度(计算题)
定义：指水接受质子的能力，也就是水中所有能与强酸作用所接受氢离子的“物质的量”之和。 有酚酞碱度(总碱度的一部分)和甲基橙碱度(总碱度)
天然水中碱度主要由HCO₃⁻、CO₃²⁻、OH⁻产生的。
测定方法：中和滴定法
按致碱阴离子分为：重碳酸盐碱度、碳酸盐碱度、氢氧化物碱度
7.硬度
由某些二价金属离子产生(钙离子、镁离子、其次是铁、锰、锶二价阳离子)，能与肥皂作用生成沉淀，与某些阴离子化合生成水垢
能与这些致硬阳离子化合的相关阴离子有HCO₃⁻、CO₃²⁻、SO₄²⁻、Cl⁻、SiO₃²⁻等
㈠按相关阴离子
碳酸盐硬度(暂时硬度)
由钙、镁的碳酸盐、重碳酸盐形成，可经煮沸去除
非碳酸盐硬度(永久硬度)
由钙、镁的硫酸盐、氯化物形成，不受加热影响
㈡按致硬阳离子
钙硬度
镁硬度
负硬度(了解)
S(碳酸盐碱度+重碳酸盐碱度)与总硬度之差。主要由钠、钾的碳酸盐和重碳酸盐构成。
总硬度测定方法：(乙二胺四乙酸或其钠盐)EDTA络合滴定法
8.化学需氧量(COD)和耗氧量
在一定严格的条件下，用化学氧化剂(重铬酸钾、高锰酸钾)氧化水中有机物时所消耗的氧化剂量，以mg/L为单位。 注：重铬酸钾——工业水体；高锰酸钾——清洁水体。COD几乎可以表示水中有机物质的全部含量。
9.生化需氧量(BOD)
在有氧的条件下水中，水中可分解的有机物由于好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用被氧化分解而无机化。这个过程需要的氧量叫做生物化学需氧量，以mg/L为单位。 BOD反映能被微生物氧化分解的那一部分有机物质的含量。 注：BOD₅：5d、20℃ (生物氧化：20d——95%~99%、5d——70%左右)
微生物降解
碳化阶段：主要是有机物被转化为CO₂，水和氨。
硝化阶段：主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐。
微生物通过自身生命活动，把一部分被吸收的有机物转化成简单的无机物，并释放出生长活动所需的能量。另一部分有机物被转化为营养物质，组成新的细胞物质。细胞内物质也可被微生物氧化，同时放出能量，即内源呼吸。
10.总有机碳(TOC)
水样中所有有机污染物的含碳量。
11.总需氧量(TOD)
指水样中的有机物,在900℃高温下燃烧变成稳定的氧化物时所需的氧量。以mg/L为单位
12.持久性有机化合物(POPs)
13.内分泌干扰物(EDCs)
定义：也称为环境激素，是一种外源性干扰内分泌系统的化学物质。指环境中存在的能干扰人类或动物内分泌系统诸环节，并导致异常效应的物质。它们通过摄入、积累等各种途径，并不直接作为有毒物质给生物体带来异常影响，而是类似雌激素对生物体起作用。即使数量极少，也能让生物体的内分泌失衡，出现种种异常现象。这类物质会导致动物体和人体生殖器障碍、行为异常、生殖能力下降、幼体死亡、甚至灭绝。
有机污染物、重金属。常见有：烷基酚(AP)、双酚A(BPA)、雌酮(E1)、邻苯二甲酸酯(PAE)、多氯联苯类(PCB)
水本身的水分子缔合结构(也称团簇结构)也是一种水质，它可能会影响水的密度、扩散力、溶解力、吸附力和水合作用等，从而影响水质变化。
二、水质标准(了解)
㈠水质标准：国家或政府部门正式颁布的统一规定， 对各项水质指标都有明确要求。
1.生活饮用水水质标准
细菌总数
大肠杆菌群
游离性余氯
2.地表水环境质量标准
我国地表水按功能高低依次分为五类
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、 珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、子稚幼鱼的索饵场等；
Ⅲ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区， 鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区；
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水域。
不同功能的水域执行不同的标准值，同一水域兼有多类功能的，执行最高功能类别对应的标准值。
3.污水排放标准
按照污水排放去向，规定了水污染物的最高允许排放浓度。
子主题按地表水域使用功能要求和污水排放去向，分别执行一、二、三级标准。
污染物按性质和控制方式分类
①第一类污染物是指能在环境和动植物体内蓄积，对人类健康产生长远不良影响者。必须在车间或车间处理设施排放口采样。
第二类污染物是指长远影响小于前者，需在排污单位排放口采样。
㈡水质要求：各用水部门或设计、研究单位 为进行各项工程建设或工艺生产操作， 根据必要的试验研究或一定的经验所确定的各种水质要求。
工业用水水质要求
工业中水的用途
①饮用水
②生产技术用水
③锅炉用水——产生蒸汽，输送热力和动力
④冷却水
水质条件
a.尽可能低温
b.不会有水垢和泥渣沉淀
c.对金属腐蚀性小
d.不会因为微生物或其他生物的繁殖而使冷却设备和管壁堵塞
1.3 废水的成分与性质
一、生活污水
含义：指居民在日常生活活动中所产生的废水，主要是生活废料和人的排泄物。
特征：水质组成比较稳定，但浑浊、深色且具有恶臭，呈微碱性，一般不含有毒物质。适宜各种微生物繁殖，常含有大量细菌、病毒和寄生虫卵。 注：BOD₅/COD＞0.3，约为0.4左右，可生化处理
生活污水中所含固体物质约占总质量的0.1%~0.2%。其中溶解固体约占总量的3/5~2/3，主要是各种无机盐类和可溶性的有机物质。而在其悬浮固体中有机成分几乎占3/4以上。还含有氮、磷。
二、工业废水
含义：是指工业生产过程中排放出来的废水。是造成水体污染的主要污染源。
特征：污染物浓度大，成分复杂且不易净化，带有颜色和异味，水质和水量变化大。
三、农业废水
含义：是农作物栽培，牲畜饲养，农产品加工等过程排出的废水。
特征：有机物和氮磷含量高。含致病细菌，病毒和寄生虫卵。面源污染。
1.4 水体自净作用与水环境容量
水体自净
通过一系列的物理、化学和生物学变化，污染物质被分散、分离或分解， 最后水体基本上恢复到原来状态的自然净化的过程。
⑴物理过程：稀释、扩散、挥发、沉淀、上浮等过程
⑵化学和物理化学过程：中和、混凝、吸附、络合、氧化和还原等过程
⑶生物学和生物化学过程：进入水体中的污染物质，被水生生物吸附、吸收、吞食消化等，特别是有机物质。由于水中微生物的代谢活动而被氧化分解，并转化为无机物的过程。
一、废水在水体中的稀释和扩散
㈠稀释机理
推流或平流：Q₁＝vρ ——mg/(m²·s)
扩散：Q₂＝-K(dρ/dx) ——mg/(m²·s)
推流和扩散是两种同时存在而又相互影响的运动形式，由此产生河流中污染物质的浓度从排入口到下游逐渐降低的稀释现象。
㈡水体混合稀释(计算题)
1.影响因素
a.河水流量与废水流量的比值。此值大时，就需要通过较长距离才能在整个河流断面上完全均匀混合。
b.废水排放口的形式。若在岸边集中排放，则完全混合所需时间距离较长；若废水是分散排放于河流中央，则所需时间较短。
c.河流的水文条件。如河深、流速、河道弯曲状况，是否有急流、跌水等都会影响混合程度。
2.混合系数a＝Q1/Q (Q1≤Q)，表示混合效果，经验取值：0.2~0.3m/s——0.7~0.8；较低流速——0.3~0.6；较高流速——0.9
3.稀释比n＝Q1/q，表示废水被河水稀释的程度
污染物断面浓度ρ＝(ρ₁q+ρ₂aQ)/(aQ+q)
二、水体的生化自净
㈠水体中氧的消耗与溶解
1.氧的消耗
a.有机物的生物碳化和硝化作用。
b.还原性物质和水底淤泥的分解。
c.水生植物的呼吸作用。
2.氧的来源
a.水体和废水中原有的氧
b.大气中的氧像含氧不足的水体扩散溶解，直到水体中的溶解氧达到饱和。
c.水生植物白天通过光合作用放出氧气。
3.氧垂曲线
含义：水体受污染后，水体中的溶解氧逐渐被消耗，到临界点后又逐步回升的变化过程。
最缺氧点：耗氧速率＝复氧速率。此时水中溶解氧含量最低。 注：若最缺氧点的溶解氧量大于零，则河水受到有机物污染的量低于它的自净能力，始终处于有氧状态。反之，靠近最缺氧点的一段河流将出现无氧状态。此时有机污染物将进行厌氧分解，河水变黑发臭，水环境质量恶化。
三、水体中生物物种和数量的变化
㈠促使细菌在水体中死亡的原因
①水体中作为细菌食料的有机物因氧化分解而逐渐减少，这对细菌生存极为不利。
②污水中有大量吞噬细菌的生物，如纤毛类原生动物、浮游动物等。
③生物物理因素，如生物絮凝、沉淀等。
④其他因素，如pH，水温，日光等对细菌生活的影响很大。
㈡废水排入点前后 沿流程微生物物种和数量变化
Ⅰ区(清洁区)——废水排入点前，水质如一般天然河流；溶解氧可高达饱和；物种丰富，可发现观赏鱼类。
Ⅱ区(降解区)——水质浑浊，污泥下沉或上浮；溶解氧下降；鱼类品种减少，多为下等鱼种，如鲶鱼、鳝鱼、泥鳅等；绿藻减少，蓝绿藻蔓生；底泥中出现颤蚓等蠕虫。
Ⅲ区(强分解区)——水质变灰变黑可能形成浮渣，腐败情况发生；溶解氧降至40%饱和度以下乃至零，有CH₄、H₂S逸出；细菌大量繁殖，厌氧取代好氧，物种减少，藻类极少，没有鱼，到处可见污水蝇和蚊子。
Ⅳ区(恢复区)——水质变得较清；溶解氧在40%饱和度以上，出现硝酸盐；出现真菌、浮游动物，藻类增加，苔藓植物出现，底栖生物中包括颤蚓、贻贝等介壳类以及昆虫的幼虫，有下等鱼种，后段有一般鱼类如青鱼、草鱼、鲢鱼等。
Ⅴ区(清洁区)——水质如一般天然河流；溶解氧可高达饱和；物种增加，可发现观赏鱼类。
四、水环境容量
㈠含义：一定水体在规定的环境目标下所能容纳污染物质的最大负荷量。
影响因素：水体特征、污染物特征、水质目标
1.5 水处理的基本原则和方法
一、给水处理的基本方法
地表水： 原水→混凝→沉淀→过滤→消毒→饮用水
地下水：只需消毒处理后即可满足水质要求。
由于地面水和地下水源受到不同程度的污染。增加预处理和深度处理。
二、废水处理的基本方法
㈠解决废水问题的主要原则
1.改革生产工艺，大力推进清洁生产，减少废物排放量。
2.重复利用废水。——一水二用或一水多用
3.回收有用物质。
4.对废水进行妥善处理。——无害化
5.经济可行。经济合理，尽量采用先进技术
㈡废水处理程度的确定
㈢废水处理的基本方法
1.物理法：利用物理作用来分离废水中呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变其化学性质。 包括：沉淀法、气浮法、筛网过滤、蒸发法、离心分离、微滤、超滤、反渗透等方法。
2.化学法：利用化学反应的作用来处理水中的溶解性污染物质或胶体物质的方法。 包括：中和法、氧化还原法、混凝法、电解法、汽提法、萃取法、吹脱法、吸附法、离子交换法及电渗析法等。
3.生物法：主要利用微生物的作用，使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物转化为无害的物质。 包括：①好氧生物处理：活性污泥法、生物膜法、生物氧化塘和土地处理系统；②厌氧生物处理：消化、厌氧接触、厌氧污泥法等。
㈣废水处理系统根据不同处理程度
1.一级处理(机械处理)：只去除废水中较大颗粒的悬浮物质。物理法中大部分方法用于一级处理。废水经一级处理后，一般达不到排放要求，需二级处理，它只是预处理。
2.二级处理(生物处理或生化处理)：去除废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物。生物处理法最常用于二级处理，且经济有效。通过二级处理，一般废水均能达到排放要求(沉淀法和生物处理法，以降低污水悬浮固体和生化需氧量)。
3.三级处理(高级处理或深度处理)：当出水水质要求高时，为进一步去除废水中的营养物质、生物难降解的有机物和溶解盐类等，以达到某些水体水质标准或直接用于工业，就需要在二级处理后再进行三级处理。