第一章总论Word格式.docx
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在有氧条件下，由于微生物的活动，降解有机物所需的氧量，称为生化需氧量。
单位为单位体积废水所消耗的氧量。
图1-1表示有机物氧化过程的需氧关系。
图1-1好氧生物降解示意图
注：
1.假定有机物含有C、H、O、N元素，因P、S等极少，未予考虑；
2．内部呼吸产生的氨的氧化和硝化均内源呼吸消耗的氧未考虑。
可见，废水中有机物的分解，一般可分为两个阶段。
第一阶段（碳化阶段）是有机物中的碳氧化为二氧化碳，有机物中的氮氧化为氨的过程。
碳化阶段消耗的氧量称为碳化需氧量，用La或BODu表示，其值等于Oa和Ob之和。
第二阶段（硝化阶段），氨在硝化细菌作用下，被氧化为亚硝酸根和硝酸根。
硝化阶段的耗氧量称为硝化需氧量，用LN或NODu表示，其值等于Oc和Od之和。
上述有机物生化耗氧过程与温度、时间有关。
在一定范围内温度越高，微生物活力越强，消耗有机物越快，需氧越多；
时间越长，微生物降解有机物的数量和深度越大，需氧越多。
由于温带地区地面平均温度接近于20℃，故在实际测定生化需氧量时，温度规定为20℃。
此时，一般有机物需20天左右才能基本完成第一阶段的氧化分解过程，其需氧量用BOD20表示，它可视为完全生化需氧量La。
在实际测定时，20天仍嫌太长，一般采用5天作为测定时间，称为BOD5。
各种废水的水质差别很大，其BOD20与BOD5相差悬殊，但对某一种废水而言，比值相对固定，如生活污水的BOD5约为BODu的0.7左右。
因此把20℃，5天测定的BOD5作为衡量废水的有机物浓度指标。
BOD5作为有机物浓度指标，基本上反映了能被微生物氧化分解的有机物的量，较为直接、确切地说明了问题。
但仍存在一些缺点：
（1）当污水中含大量的难生物降解的物质时，BOD5测定误差较大；
（2）反馈信息太慢，每次测定需5天，不能迅速及时指导实际工作；
（3）废水中如存在抑制微生物生长繁殖的物质或不含微生物生长所需的营养时，将影响测定结果。
2．化学需氧量（COD）
化学需氧量是指在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化为CO2、H20所消耗的氧量。
氧化剂一般采用重铬酸钾。
由于重铬酸钾氧化作用很强，所以能够较完全地氧化水中大部分有机物和无机性还原物质（但不包括硝化所需的氧量），此时化学需氧量用CODcr或COD表示。
如采用高锰酸钾作为氧化剂，则写作CODMn。
与BOD5相比，COD能够在较短的时间内（规定为2h）较精确地测出废水中耗氧物质的含量，不受水质限制。
缺点是不能表示可被微生物氧化的有机物量，此外废水中的还原性无机物也能消耗部分氧，造成一定误差。
如果废水中各种成分相对稳定，那么COD与BOD之间应有一定的比例关系。
一放说来，CODCr＞BOD20＞BOD5＞C0DMn其中BOD5／COD比值可作为废水是否适宜生化法处理的一个衡量指标。
比值越大，越容易被生化处理。
—般认为BOD5／COD大于0.3的废水才适宜采用生化处理。
3．总需氧量（TOD）
有机物主要元素是C、H、O、N、S等。
在高温下燃烧后，将分别产生CO2、H2O、NO2和SO2，所消耗的氧量称为总需氧量TOD。
TOD的值一般大于COD的值。
TOD的测定方法是：
向氧含量已知的氧气流中注入定量的水样，并将其送入以铂为触媒的燃烧管中，在900℃高温下燃烧，水样中的有机物即被氧化．消耗掉氧气流中的氧气，剩余氧量可用电极测定并自动记录。
氧气流原有氧量减去剩余氧量即得总需氧量TOD。
TOD的测定仅需几分钟。
4.总有机碳（TOC）
有机物都含有碳，通过测定废水中的总含碳量可以表示有机物含量。
总有机碳（TOC）的测定方法是：
向氧含量已知的氧气流中注入定量的水样，并将其送入以铂为触媒的燃烧管中，在900℃高温下燃烧，用红外气体分析仪测定在燃烧过程中产生的CO2量，再折算出其中的含碳量，就是总有机碳T0C值。
为排除无机碳酸盐的干扰，应先将水样酸化，再通过压缩空气吹脱水中的碳酸盐。
TOC的测定时间也仅需几分钟。
（三）营养性污染物
废水中所含的N和P是植物和微生物的主要营养物质。
当废水排入受纳水体，使水产N和P的浓度分别超过0.2和0.02mg/L时，就会引起受纳水体的富营养化，促进各种水生生物（主要是藻类）的活性，刺激它们的异常增殖，这样会造成—系列的危害。
1藻类占据的空间越来越大，使鱼类活动空间越来越小，衰死藻类将沉积水底，增加水体有机物量。
2藻类种类逐渐减少，从以硅藻和绿藻为主转为以迅速繁殖的蓝藻为主，蓝藻不是鱼类的良好饲料，并且有些还会产生出毒素。
3藻类过度生长，将造成水中溶解氧的急剧减少，使水体处于严重缺氧状态，造成鱼类死亡，水体腐败发臭。
N的主要来源是氮肥厂、洗毛厂、制革厂、造纸厂、印染厂、食品厂和饲养厂等。
P的主要来源是磷肥厂和含磷洗涤剂等。
生活污水经普通生化法处理，也会转化出无机的P和N等。
此外BOD、温度、维生素类物质也能促进和触发营养性污染。
（四）酸碱污染物
酸碱污染物主要由工业废水排放的酸碱以及酸雨带来。
水质标准中以pH值来反映其含量水平。
酸碱污染物使水体的PH值发生变化，破坏自然缓冲作用，抑制微生物生长，妨碍水体自净，使水质恶化、土壤酸化或盐碱化。
各种生物都有自己的PH适应范围，超过该范围，就会影响其生存。
对渔业水体而言，pH值不得低于6或高于9.2，当pH值为5.5时，一些鱼类就不能生存或生殖率下降．农业灌溉用水的pH值应为6.5～8.5。
此外酸性废水也对金属和混凝土材料造成腐蚀。
（五）有毒污染物
废水中能对生物引起毒性反应的化学物质，称有毒污染物。
工业上使用的有毒化学物已经超过12000种，而且每年以500种的速度递增。
毒物是重要的水质指标，各类水质标难对主要的毒物都规定了限值。
废水中的毒物可分为三大类：
无机化学毒物、有机化学毒物和放射性物质
1．无机化学毒物
无机化学毒物包括金属和非金属两类。
金属毒物主要为汞、铬、镉、铅、锌、镍、铜、铁、锰、放、钒、钼和铋等，特别是前几种危害更大。
如汞进入人体后被转化为甲基汞，在脑组织内积累，破坏神经功能，无法用药物治疗，严重时能造成死亡。
镉中毒时引起全身疼痛、腰关节受损、骨节变形，有时还会引起心血管病。
金属毒物具有以下特点：
不能被微生物降解，只能在各种形态间相互转化、分散，如无机汞能在微生物作用下，转化为毒性更大的甲基汞；
其毒性以离子态存在时最严重，金属离子在水中容易被带负电荷的胶体吸附，吸附金属离子的胶体可随水流迁移，但大多数会迅速沉降，因此重金属一般都富集在排污口下游一定范围内的底泥中；
能被生物富集于体内，既危害生物，又通过食物链危害人体。
如淡水鱼能将汞富集1000倍、镉300倍、铬200倍等；
重金属进入人体后，能够和生理高分子物质．如蛋白质和酶等发生作用而使这些生理高分子物质失去活性，也可能在人体的某些器官积累，造成慢性中毒，其危害，有时需10～20年才能显露出来。
重要的非金属毒物有砷、硒、氰、氟、硫、亚硝酸很等。
如砷中毒时能引起中枢神经紊乱，诱发皮肤癌等。
亚硝酸盐在人体内还能与仲胺生成亚硝胺，具有强烈的致癌作用。
必须指出的是许多毒物元素，往往是生物体所必需的微量元素、只是在超过一定限值时才会致毒。
2．有机化学毒物
这类毒物大多是人工合成有机物，难以被生化降解，并是大多是较强的三致物质（致癌、致突变、致畸），毒性很大。
主要有：
农药（DDT、有机氯、有机磷等）、酚类化合物、聚氯联苯、稠环芳烃（如苯并芘）、芳香族氨基化合物等。
以有机氯农药为例，首先其具有很强的化学稳定性，在自然环境中的半衰期为十几年到几十年，其次它们都可能通过食物链在人体内富集，危害人体健康。
如DDT能蓄积于鱼脂中，浓度可比水体中高12500倍。
3．放射性物质
放射性是指原子核衰变而释放射线的物质属性。
主要包括X射线、α射线、β射线、γ射线及质子束等。
废水中的放射性物质主要来自铀、镭等放射性金属生产和使用过程，如核试验、核燃料再处理、原料冶炼厂等。
其浓度一般较低，主要引起慢性辐射和后期效应，如诱发癌症、对孕妇和婴儿产生损伤，引起遗传性伤害等。
（六）油类污染物
油类污染物包括“石油类”和“动植物油”两项。
油类污染物能在水面上形成油膜，隔绝大气与水面，破坏水体的复氧条件。
它还能附着于土壤颗粒表面和动植物体表，影响养分的吸收和废物的排出。
当水中含油0.01～0.1mg/L，对鱼类和水生生物就会产生影响。
当水中含油0.3～0.5mg/L就会产生石油气味，不适合饮用。
（七）生物污染物
生物污染物主要是指废水中的致病性微生物，它包括致病细菌、病虫卵和病毒。
未污染的天然水中细菌含量很低，当城市污水、医院污水等排入后将带入各种病原微生物。
如生活污水中可能会有能引起肝炎、伤寒、霍乱、痢疾、脑炎的病毒和细菌以及蛔虫卵和钩虫卵等。
生物污染物污染的特点是数量大，分布广，存活时间长，繁殖速度快。
必须予以高度重视。
水质标准中的卫生学指标有细菌总数和总大肠菌群数两项。
后者反映水体中动物粪便污染的状况。
（八）感官性污染物
废水中能引起异色、浑浊、泡沫、恶臭等现象的物质，虽无严重危害，但能引起人们感官上的极度不快，被称为感官性污染物。
对于供游览和文体活动的水体而言，感官性污染物的危害则较大。
异色、浑浊的废水主要来源于印染厂、纺织厂、造纸厂、焦化厂、煤气厂等。
恶臭废水来源于炼油厂、石化厂、橡胶厂、制药厂、屠宰厂、皮革厂等。
当废水中含有表面活性物质时，在流动和曝气过程中将产生泡沫，如造纸废水、纺织废水等。
各类水质标准中，对色度、臭味、浊度、漂浮物等指标都作了相应的规定。
（九）热污染
废水温度过高而引起的危害，叫做热污染，热污染的主要危害有以厂几点。
1由于水温升高，使水体溶解氧浓度降低，相应的亏氧量随之减少，故大气中的氧向水体传递的速率也减慢；
另一方面，水温升高会导致生物耗氧速度加快，促使水体中溶解氧更快被耗尽，水质迅速恶化，造成鱼类和水生生物因缺氧而死亡。
2由于水温升高，加快藻类繁殖，从而加快水体富营养化进程。
3由于水温升高，导致水体中的化学反应加快，使水体的物化性质如离子浓度、腐蚀性发生变化，可能对管道和容器造成腐蚀。
4由于水温升高，加速细菌生长繁殖，增加后续水处理的费用。
如取该水体作为给水水源，则需要增加混凝剂和氯的投加量，且使水中的有机氯化物量增加。
第二节水质标准
水体是国家的宝贵资源，必须严格保护，免受污染。
因此当废水需要排入水体时，应处理到允许排入水体的程度，以降低或消除其对水体水质的不利影响。
我国有关部门为此制定了废水的各种排放标准。
可分为一般排放标准与行业排放标准两类。
一般排放标准有《工业“三废”排放试行标准（GBJ4—73）》、《污水综合排放标准（GB8978—88）》、《农用污泥中污染物控制标准（GB4284—84）》等。
行业排放标准涉及各种行业，如《石油炼制工业水污染物排放标准（GB3551—83）》、《制革工业水污染物排放标准（GB3549—83）》、《医院污水排放标准（GBJ48—83）》、《造纸工业水污染物排放标准（GB3544—92）》、《钢铁工业水污染物排放标准（GBl3456—92）》、《纺织染整工业水污染物排放标准（GB4287—92）》、《肉类加工工业水污染物排放标准（GBl3457—92）》、《合成氨工业水污染物排放标准（GBl3458—92）》等，可作为规划、设计、管理与监督的依据。
此外，当废水作某种用途时，应满足相应的用水水质标准，如《农田灌溉水质标准（GB5084—85）》、《渔业水质标准（GBll607—89）》等。
下面重点介绍一下应用最广泛的《污水综合排放标准（GB8978—88）》。
该标准根据废水污染物危害程度把污染物分为两类。
第一类污染物能在环境或在动植物体内积蓄，对人类健康产生长远的影响，规定合此类污染物的污水必须在车间或车间处理设施排放口处取样分析，同时其含量必须符合表1-1的规定。
第二类污染物的长远影响小于第一类，规定的取样地点为排污单位的排出口，其最高允许排放浓度要按地面水使用功能的要求和污水排放去向，分别执行表1-2中的一、二、三级标难。
表1-1第一类污染物最高允许排放浓度（mg/L）
污染物
最高允许排放浓度
1总汞
0.05①
4总铬
1.5
7总铅
1.0
2烷基苯
不得检出
5六价铬
0.5
8总镍
3总镉
0.1
6总砷
9苯并（a）芘②
0.00003
①烧碱行业（新扩建、改建企业）采用0.005mg/L。
②为试行标准、二级、三级标准区暂不考虑。
表1-2第二类污染物最高允许排放浓度（mg/L）
标准分级
一级标准
二级标准
三级标准
新扩改
现有
1pH值
2色度
3悬浮物
4BOD5
5COD
6石油类
7动植物油
8挥发酚
9氰化物
10硫化物
11氨氮
12氟化物
13磷酸盐（以P计）⑤
14甲醛
15苯胺类
16硝基苯类
17LAS
18铜
19锌
20锰
6～9
50
70
30
100
10
20
15
2.0
5.0
80
60
150
25
3.0
200
10、20④
4.0
2．0⑥
6～9①
250②
40
15、30④
5.0⑥
400
300③
500③
1现有火电厂和粘胶纤维工业：
二级标准pH值放宽到9.5。
2磷肥工业悬浮物放宽300mg/L。
3对排入带有二级污水处理厂的城镇下水道的造纸、皮革、食品．洗毛、发酵、生物制药、肉类加工、纤维扳等工业，BOD5可放宽至600mg/L；
CODCr可放宽至1000mg/L。
具体限度还可与市政部门协商。
4为低氟地区（系指水体含氟量＜0.5mg/L）容许排放浓度。
5为排入蓄水性河流和封闭性水域的控制指标。
⑥合成脂肪酸工业新扩改企业为5mg/L,现有企业为7.5mg/L。
上面提到的排放标准都是浓度标准。
这类标准存在明显的缺陷；
它不论废水接纳水体的大小和状况，不论污染源的大小，都采取同一个标准。
因此即使满足排放标准，如果排放总量大大超过接纳水体的环境容量，也会对水体造成不可逆的严重后果。
此外，浓度标准也防止某些工厂用清水稀释来降低排放浓度以满足排放标准的现象。
针对这一状况，近年来总量控制标准受到了重视。
这种标准根据一定范围内的水体环境容量和自净能力，计算出允许排入该水域的污染物总量，然后再按照一定的原则，将这些允许的排污总量合理地分配给区内各污染源。
按照适用范围的大小，总量控制可分几个层次：
规定一个工厂（或企业）每个排放口的排污总量；
规定一个范围内（包括若干工厂）的排污总量，由各厂协商分配，只要各厂总量不超过该范围所允许的排放总量即可。
一条河流的流域往往在地理上与若干城市有关，可以规定流经某城市的河段所允许的排污总量。
总量控制可以避免浓度标准的缺点，但要实行总量控制先需做很多基础工作，如污染源调查、环境质量评价、水体自净规律和污染物迁移转化规律的研究、污染治理边际费用研究等。
在没有这些条件以前，总量控制难以实施或奏效。
第三节废水处理方法综述
废水处理方法按对污染物实施的作用不同，大体上可分为两类：
一类是通过各种外力作用，把有害物从废水中分离出来，称为分离法。
另一类是通过化学或生化的作用，使其转化为无害的物质或可分离的物质。
后者再经过分离予以除去，称为转化法。
习惯上也按处理原理不同，将处理方法分为物理法、化学法、物理化学法和生物化学法四类。
一、分离法
废水中的污染物有各种存在形式，大致有离子态、分子态、胶体和悬浮物多样性和污染物特性的各异性，决定了分离方法的多样性，详见表1-3。
表1-3分离法分类一览表
污染物存在形式
分离方法
离子态
离子交换法、电解法、电渗析法、离子吸附法、离子浮选法
分子态
萃取法、结晶法、精馏法、吸附法、浮选法、反渗透法、蒸发法
胶体
混凝法、气浮法、吸附法、过滤法
悬浮物
重力分离法、离心分离法、磁力分离法、筛选法、气浮法
二、转化法
转化法可分为化学转化和生化转化两类。
具体见表1-4。
现代废水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。
一级处理，主要去除废水中悬浮固体和漂浮物质，同时还通过中和或均衡等预处理对废水进行调节以便排入受纳水体或二级处理装置。
主要包括筛滤、沉淀等物理处理法。
经过一级处理后，废水的BOD一般只去除30％左右，达不到排放标准，仍需进行二级处理。
表1-4转化法分类一览表
方法原理
转化方法
化学转化
中和法、氧化还原法、化学沉淀法、电化学法
生化转化
活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法、生物塘等
二级处理，主要去除废水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质主要采用生物处理等方法，BOD去除率可达90％以上，处理水可以达标排放。
三级处理，是在一级、二级处理的基础上，对难降解的有机物、磷、氮等营养性物质进一步处理。
采用的方法可能有混凝、过滤、离子交换、反渗透、超滤、消毒等。
废水中的污染物组成相当复杂、往往需要采用几种方法的组合流程，才能达到处理要求。
对于某种废水，采用哪几种处理方法组合，要根据废水的水质、水量，回收其中有用物质的可能性，经过技术和经济的比较后才能决定，必要时还需进行试验。
图1-2是城市污水处理的典型处理流程。
图1-2城市污水典型处理流程
第四节废水处理反应器及动力学基础
废水处理中所用的构筑物与设备均可视作某一类型的反应器。
例如，水处理中的快速混合适用连续流搅拌反应器基本原理；
推流反应器基本原理可应用于沉淀、过滤、吸附以及离子交换等处理系统；
活性污泥法则具有连续流搅拌反应器或推流反应器的特征。
学习和运用反应器及动力学知识，将有助于提高水处理理论水平，对水处理设备的设计、改进、操作管理、问题分析等都是有益的。
一、反应器形式
用于废水处理约反应器，按其水力特性可划分为；
（1）间歇反应器；
（2）推流反应器；
（3）连续流搅拌反应器（4）任意流反应器。
这四种反应器进行的都是均相反应，另外还有两种非均相反应器：
填料床反应器和流化床反应器。
对这些反应器的说明见表1-5。
表1-5废水处理中的主要反应器形式
反应器形式
说明
间歇反应器
间歇式反应器采用一次加料，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
推流反应器
物料按前后顺序沿流动方向推流，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。
但在反应器内所有物料的停留时间相同
连续流搅拌反应器
连续流搅拌反应器又称全混式反应器。
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
任意流反应器
任意流是介于推流和连续流搅拌器之间的某种程度的局部混合流
填料床
填料床反应器是在反应器内装入填料。
填料或者完全充满液体（厌氧滤池），或者间接接受废水（生物滤池）
流化床
流化床反应器在许多方面都与填料床反应器类似，只是在流体向上流动时，填料处于流化状态，并可通过调节流体的速度改变填料的空隙率
二、动力学基础
对于任一反应器系统，其物料衡算式均可表示为：
A的质量净变化率＝A的质量输入率一A的质量输出率一反应消耗A的速率
物料衡算通常以某一组分为基准。
若反应器组成均匀，物料衡算可在整个反应器范围内进行，若组成不均匀，则应对反应器中某微元体积作物料衡算，以推导出反应器基本设计方程。
为简便起见，本节中反应速率均假设为—级。
（一）间歇式反应器
间歇式反应器是一种全混的封闭系统，在反应期间，其物料衡算可简化为：
反应物A的质量净变化率＝反应消耗A的速率
设反应器容积为V，反应物A初始浓度C0。
转化率为XA，反应速率以kc表示，物料衡算式。
积分得
（1-1）
式中t为使反应物A的转化率达到xA时所需的反应时间；
c为反应物浓度；
k为反应速率常数。
由于xA=（c0-c）/c0
代入式（1-1），有
最后得：
（1-2）
该式表示间歇反应器内反应物浓度随时间变化的关系。
（二）连续流搅拌反应器
连续流搅拌反应器示意图见图1-3，反应器体积为V，进入反应器的反应物流率为Q，由此可写出其物料衡算式：
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