1、环境科学与工程概论食品与环境学院张议文办公室：D05-414第六课 水污染及防治 6-1、水的循环 6-2、水环境现状及出路 6-3、水污染 6-4、水处理技术原理与效果本章知识点 6-1、水的循环 6-2、水环境现状及出路 6-3、水污染 6-4、水处理技术原理与效果本章知识点一、概述定义水循环（water cycle）：由太阳能所推动的由大气、海洋和陆地形成的一个全球性水循环系统。自然循环&社会循环海陆间循环（大循环）&陆地内循环和海上内循环（小循环）一、自然循环地球表面的水在太阳辐射能和地心引力的相互作用下，水分通过蒸发、降水、渗透及径流，水分不断循环往复。作用： 热量输送、调节气候二、
2、社会循环 6-1、水的循环 6-2、水环境现状及出路 6-3、水污染 6-4、水处理技术原理与效果本章知识点一、水环境现状人们依靠水而得以生存。随着世界人口的增长，人类对水资源的需求日益增加。虽然水是地球表面最丰富的物质，但由于水的分布不均匀，仍有许多供水不足的问题。在地球上人类从水源所取得的水大多数不止用过一次，每使用一次都会因为受到各种形式的污染而降低水质。有时，这种水质下降只是暂时的，经自然界的净化作用最后得以恢复其原来水质，但也有些污染物不能自然降解，或者水体污染严重，超过了水体自然净化的能力，使水质恶化。二、应对措施我国从20 世纪50 年代就开始了水体的区划研究，区划原则是以自然区
3、划方法为主根据湖泊的地理分布特点，把中国湖泊分为五大湖泊区；根据河流大小及流经范围，把河流划分为不同层次的流域区；根据内外流域的径流深度、河流水情、水流形态、河流形态、径流量等水文因素的差异，将全国划分为不同级别的水文区等水环境区划二、应对措施2004 年，提出了我国的生态水文区划方案标志着我国的生态区划已开始向水生态区划的方向发展，但我国真正的水生态分区体系还尚未建立水生态功能区的划分中科学选取指标是前提。对水生态系统的层次结构与影响因素的分析是实施成功分区的关键。目前分区是以专家综合判断为主，尚未实现定量化分区，使得分区结果具有一定的主观性，并且难以重复。水环境区划二、应对措施目标总量控制
4、：把允许排放污染物总量控制在管理目标所规定的污染负荷范围内，即目标总量控制的“总量”是基于源排放的污染不能超过管理上能达到的允许限额。该技术具有目标制定简单、便于操作和易分解落实的特点，能在短期内有效减少污染物排放量，是我国目前所采用的总量技术方法。总量控制二、应对措施容量总量控制：指把允许排放的污染物总量控制在受纳水体设定环境功能所确定的水质标准范围内，即容量总量控制的“总量”指基于受纳水体中的污染物不超过水质标准所确定允许排放限额。该方法的主要特点是强调水体功能以及与之相对应的水质目标和管理目标的一致性，通过水环境容量计算方法直接确定水体纳污总量。总量控制二、应对措施行业总量控制：从行业生
5、产工艺着手，通过控制生产过程中的资源和能源的投入以及控制污染物的产生, 使排放的污染物总量限制在管理目标所规定的限额之内。行业总量控制的“总量”是基于资源、能源的使用水平以及“少废”、“无废”工艺的发展水平。总量控制二、应对措施筛选污染物总量控制因子的主要原则：（1）对环境危害大的、国家重点控的主要污染物；（2）环境监测和统计手段能够支持的；（3）能够实施总量控制的。“九五”废水污染物控制因子：化学需氧量（COD）、石油类、氰化物、砷、汞、铅、镉和六价铬“十五” 重点确定COD 和氨氮为主要污染物总量控制因子，同时继续严格控制工业废水中重金属、氰化物、石油类等污染物总量水平。总量控制二、应对措
6、施（1）确立流域统筹的水环境管理思想和体系。我国水污染治理至今尚未达到预期的效果，一定程度上是因为没有统筹流域自然条件与社会经济发展、水污染控制的关系。（2）建立以保障水生态系统健康为目标的水环境管理理念及其技术体系。目前的河流环境管理只关注了河流的化学污染，而忽视了河流的水量变化以及栖息地环境破坏对河流生态系统的影响。有必要建立更为全面的河流管理标准体系。管理决策 6-1、水的循环 6-2、水环境现状及出路 6-3、水污染 6-4、水处理技术原理与效果本章知识点一、水体污染源与污染物1. 自然污染源2. 人为污染源 工业废水 生活污水 农业退水 来源一、水体污染源与污染物影响水体污染的主要污
7、染物大体可区分为：无机无毒物、无机有毒物、有机无毒物、有机有毒物、放射性物质、生物污染物、热污染等。污染物二、污染物对水体功能的影响水体功能分区：自然保护区及源头水（地面水环境质量标准类）；生活饮用水水源区（地面水环境质量标准类）；水产养殖区（地面水环境质量标准类）；旅游区（地面水环境质量标准类）；工业用水区（地面水环境质量标准类）；农业灌溉用水区（地面水环境质量标准类）；排污口附近混合区（带）（不执行地面水环境质量标准）。二、污染物对水体功能的影响（一）含色、臭、味的废水影响水体外观。有色废水中主要含有各种无机和有机等溶解性着色物。有些废水排出时无色，但进入水体后与其他溶解物进行反应可生成颜
8、色。水体中含有硫化氢和酚类化合物时会使水质发臭，水生生物受这种有臭味废水的影响，也带有臭味，这不仅使鱼贝类的质量下降，甚至使之无法使用。二、污染物对水体功能的影响（二）有机物污染城市生活废水及食品工业、造纸废水等，含有大量有机物质，排入水体后，即成为微生物的营养源使有机物分解而被消化。分解过程中消耗水中大量的溶解氧，一旦水体中氧气补给不足；则将使氧化作用停止，引起有机物的嫌气发酵，分解出甲烷、氢、硫化氢、硫醇及氨等腐臭气使水的表面恶化，而且阻碍空气进入水体，这些含有多种成分的有机物废水，是极复杂的混合污染物，它是水体污染主要的方向。二、污染物对水体功能的影响（三）无机物污染酸、碱和无机盐类，对
9、水体的污染，首先使水体，pH值发生变化，破坏其自然缓冲作用、消灭或抑制细菌及微生物的生长，阻碍水体自净作用；同时，会大大增加水中无机盐类和水的硬度，给工业和生活用水带来不利因素；再者用含盐量过高的水灌溉农田时，会引起土壤盐渍化。二、污染物对水体功能的影响（四）有毒物质的污染有毒物质成分复杂，当废水中含有多量的有毒物质如酚类、氰化物及汞、镉、铅、砷等金属元素、有机农药、杀虫剂等，排入天然水体后，在高浓度时，就会出现毒害性物质的作用，将水体中生物杀死；在低浓度时，可在生物体中富集，通过食物链的作用，逐级浓缩，以致最后影响人体健康。二、污染物对水体功能的影响（五）油的污染沿海及河口石油的开发、油轮运
10、输、炼油工业废水的排放等，会使水受到油的污染，特别在河口和近海水域，近年来这种污染十分突出。油的污染不仅有害于水的利用，而且油在水面形成油膜后，影响氧气的进入，对生态造成危害；漂浮在水面上的油膜还容易填塞鱼的鳃部，使鱼窒息；漂浮在水面上的油层，还可随水流和风的影响，可以扩散很远，致使海滩变坏、休养地、风景区被破坏，鸟类生活也遭到危害。二、污染物对水体功能的影响（六）富营养化污染含植物营养物质的废水进入天然水体，造成水体营养化，藻类大量繁殖，耗去水中溶解氧，造成水中鱼类窒息而无法生存、水产资源遭到破坏。三、水体富营养化 “富营养化”（Eutrophication）是一种生物营养物质过多积蓄而引起
11、的水质污染现象。造成水体富营养化的植物营养物质的来源可分为两个方面： 点源（point sources）污染；一些位置固定的人为污染源，包括城市生活污水和某些工业废水，所有这些废物含有丰富的植物营养物氮和磷。 非点源（nonpoint sources）污染；分散的自然因素，包括大气、大气沉降物、降雨、地表径流、农业灌溉用水的排水、土壤淋蚀等。在自然情况下，由于雨、雪对大气的淋洗和径流对地表物质的淋溶和冲刷，有一定数量的植物营养物质汇入水体中。三、水体富营养化决定水体营养程度的基本因素： 营养成分的组成 各种营养成分之间的含量比例 单位时间的负荷量以及营养元素的限制性某些营养成分在水体中含量甚微
12、，但又为浮游植物生长所必需，在水体中含量过低时，对生物的生长产生抑制作用。这种营养成分被称为富营养化过程的限制性因素。其中磷和氮在水体富营养化的限制性因素中起了重要作用。中国沿海污染海区中国近海主要污染物是中国近海主要污染物是 DIN DIP. 污染区是富营污染区是富营养海区养海区, 如渤海湾、长如渤海湾、长江口、江苏沿海、浙江江口、江苏沿海、浙江沿海沿海, 珠江口等珠江口等 三、水体富营养化水体中的氮化合物可分为有机氮和无机氮两大类。有机氮大多是农业废弃物和城市生活水中的含氮有机物，它们是蛋白质、氨基酸和尿素等；无机氮指的是氨氮、亚硝态氮和硝态氮等，它们一部分是有机氮经微生物转化作用而产生的
13、；一部分直接来自施化肥的农田退水和工业排水。含氮化合物三、水体富营养化含氮有机物在水体中的降解过程包括氨化和硝化过程。氨化可在有氧化或无氧条件下进行，硝化则只可在有氧条件下进行。氨化的产物即NH3或NH4+，硝化的产物为硝酸盐，都可以重新由植物作为营养吸收。在缺氧条件下，一些嫌气细菌把NO3-以及NO2-作为呼吸作用的受氢体，使它们发生还原反应，逐步又转化为还原态，其主要形态是气体的N2O和N2又回到大气中去，这就是所谓反硝化作用。从需氧污染物在水体中的转化过程来看，上述两种反应可作为需氧污染物的自净过程的判断标志，但在水中它们提供了植物营养所需的氮元素。含氮化合物三、水体富营养化水体中的磷是
14、以多种形态存在的所有的无机磷几乎完全以磷酸盐形态存在，也就是磷的完全氧化态。天然水中的磷是由矿石风化、侵蚀、淋溶、细菌作用、农业肥料、污水和洗涤剂排入等来源构成。其中可溶性磷化合物包括正磷酸盐、聚合磷酸物、有机磷酸物，此外还有呈胶体和颗粒态的有机磷化合物存在。水体中可溶性磷很有限，因它们很容易与Ca2+、Fe3+、Al3+等生成难溶性沉淀物，沉积于水体底泥。底泥与水体之间又存在磷的交换。含磷化合物三、水体富营养化含磷化合物三、水体富营养化在天然水体中的自养型生物主要是水中的藻类，它通过进行光合作用，以太阳光能和无机物合成本身的原生质，其基本反应式可以写成：微量元素能量H18OH122HPONO
15、16CO10622432藻类原生质2116110263106O138PNOHC黄海营养盐变化趋势（引自林传兰等）黄海营养盐变化趋势（引自林传兰等）三、水体富营养化水体富营养化特征：污水中有机物降解而成的无机营养物和磷、氮等，以藻类可吸收的形态进入水体，在适宜的条件下将促成蓝绿藻类大量生长繁殖。在湖沼、水库、海湾等水流较缓的区域，最容易形成这种现象。随着水体富营养化的发展，藻类的种类逐渐减少，而个体数迅速增加，鱼类生活空间越来越小。蓝藻中有不少种有胶质膜，有些甚至有毒性，不是鱼类的良好食料。藻类过度旺盛的繁殖生长，将造成水中溶解氧急剧变化，能在一定时间内使水体处于严重缺氧状态，从而严重影响鱼类的
16、生存，特别严重时，鱼类将大量死亡。 6-1、水的循环 6-2、水环境现状及出路 6-3、水污染 6-4、水处理技术原理与效果本章知识点一、水体污染防治与管理水污染防治的主要目标 确保地面水和地下饮用水源地的水质 恢复各类水体的使用功能 还清地面水体的水质一、水体污染防治与管理对于水体污染的防治，其根本措施是加强对水资源的规划管理和开发对废水的处理及综合利用，以保持水源不受污染，并减少废水的排放量。 （一）制定区域水环境质量标准和水污染物排放标准（二）水污染防治对策1.节约用水，减少排污量。2.因地制宜，建立城市污水处理系统。3.调整工业布局，改革产品结构。4.加强水资源的规划管理。一、水体污染
17、防治与管理（三）水体污染基本控制技术1.污水处理基本方法：废水处理的目的，就是对废水中的污染物以某种方法分离出来，或者将其分解转化为无害稳定物质，从而使污水得到净化。2.城市污水的一、二级处理：一级处理厂是通过机械过滤和筛滤除去可沉淀的固体颗粒，经氯化消毒后，直接排入天然水体。污水的二级处理，是为含有机污染物的废水生物氧化作用提供与它在自然界发生这种作用相类似的条件。一、水体污染防治与管理（三）水体污染基本控制技术现在，污水的三级处理目的是提高除污水中的营养物质氮、磷的效率。同时，也改善了去除生化需氧量和悬浮固体颗粒的效果。但所需处理的费用较高，必须因地制宜，视具体情况确定。 二、水处理技术1
18、. 物理法 （1）截留 通过格栅、筛网回收废水中悬浮物 （2）沉淀 重力沉降，包括沉砂池、沉淀池 沉砂池 平流式、竖流式、曝气式 沉淀池 平流式、竖流式、辐流式二、水处理技术1. 物理法 （3）过滤 通过多孔介质（滤布、滤网、微孔）截流水中细小悬浮物。构筑物为滤池。种类： 滤料类型 单层、双层、多层 作用动力 重力、压力 构造特征 普通快滤池、压力滤池 二、水处理技术1. 物理法 （4）气浮（浮上分选） 用小气泡作为载体，吸附废水中细小悬浮物。 分类：加压溶气气浮、叶轮气浮 （5）离心分离 通过高速旋转利用离心力分离水中悬浮物，使污染物和水从不同出口排出。二、水处理技术在离心场内，颗粒所受离心
19、力为式中： m，m0 分别为颗粒和水的质量，kg； v 颗粒的圆周线速度 ； r 旋转半径，m； n 转速，r/min。rvmmFc)(0二、水处理技术同一颗粒所受重力wFgmmFw)(0二、水处理技术分离因素： 1500 低速离心机 1500 3000 中速离心机 3000 高速离心机9002rnFFwc二、水处理技术1. 物理法 （6）膜分离 对于过滤性膜具有选择透过性，对水中杂质进行分离。根据膜孔隙大小分微滤、超滤、纳滤、反渗透等。 二、水处理技术各种膜过程的分离机理膜过程膜过程推动力推动力机机 理理渗透物渗透物截留物截留物膜结构膜结构微微 滤滤压力差压力差筛筛 分分水、溶剂水、溶剂溶解
20、物溶解物悬浮物、颗粒、悬浮物、颗粒、纤维和细菌纤维和细菌对称或不对对称或不对称多孔膜称多孔膜超超 滤滤压力差压力差筛筛 分分水、溶剂、离水、溶剂、离子和小分子子和小分子生化制品、胶生化制品、胶体和大分子体和大分子具有皮层具有皮层的多孔膜的多孔膜纳纳 滤滤压力差压力差筛分、溶筛分、溶解、扩散解、扩散水和溶剂水和溶剂溶质、二价盐、溶质、二价盐、糖和染料糖和染料致密不对称致密不对称膜和复合膜膜和复合膜反渗透反渗透压力差压力差溶溶 解解扩扩 散散水和溶剂水和溶剂全部悬浮物、全部悬浮物、溶质和盐溶质和盐致密不对称致密不对称膜和复合膜膜和复合膜二、水处理技术1. 化学法（1）混凝：投加化学混凝剂使细小固体
21、或胶体变成较大的絮状颗粒进行去除。 常用混凝剂：硫酸铝、聚合氯化铝、硫酸亚铁等（2）中和 当废水中酸碱浓度较高时使用该法。对酸性废水可用碱性废水作中和剂，反之亦然。或可投加中性药剂中和。 二、水处理技术1. 化学法（3）氧化还原 氧化：向水中投加氧化剂O2、O3等 还原：向水中投加还原剂FeSO4、SO2等（4）化学沉淀 向水中投入某种化学试剂，使溶解性污染物转换成难溶于水的盐类而去除 二、水处理技术1. 化学法（5）吸附 液-固两相之间的物质转移过程 多孔性物质、预处理 离子交换（6）电解 电解质溶液在直流电作用下发生的电化学反应 二、水处理技术3. 生物法 利用微生物作用使污水得到净化。
22、根据微生物呼吸特性分为好氧生物法和厌氧生物法； 根据微生物生长状态分为活性污泥法和生物膜法。 二、水处理技术3. 生物法（1）活性污泥法 活性污泥：由大量繁殖，絮凝状态的微生物组成。 在有氧条件下（充气），微生物能将废水有机物分解，同时不断生长繁殖；停止曝气时，活性污泥沉淀与水分离。 活性污泥法流程示意图活性污泥法流程示意图剩余污泥剩余污泥二、水处理技术3. 生物法（2）生物膜法 微生物生长于载体表面，形成一定厚度的生物膜，污水与膜接触，水中有机物被膜吸收降解，污水得到净化。 根据载体种类不同分生物滤池法、生物接触氧化池法、生物转盘等。 二、水处理技术3. 生物法（3）厌氧生物处理技术 在无氧条件下，利用厌氧微生物处理废水有机物的方法。一般分为三个阶段：产酸阶段：有机物被水解，被产酸细菌分解产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌将有机物转化为乙酸、H2、CO2产气阶段：乙酸、H2、CO2CH4 三、污泥的处置和利用1. 污泥的一般特性： （1）含水率高 （2）含大量细菌、微生物、病毒等 （3）有毒物质更加集中 三、污泥的处置和利用2. 污泥的处置 （1）脱水干化法：天然、机械 （2）污泥消化法：人工控制下，通过微生物代谢使有机物更稳定 三、污泥的处置和利用3. 污泥的利用 （1）用做农肥 （2）制作沼气 （3）用做建材 掺入黏土熔烧后使用 （4）回收物料
