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水质工程学

水质工程学

（1）

第1章水体循环与水的利用

1.1水的自然循环

1.1.1水的自然循环

　　　水的循环包括水的自然循环和水的社会循环。

　　　水的自然循环：

水由海上蒸发为水蒸气，被风送至大陆，以雨、雪等形式降落到地面后，一部分水再蒸发返回大气，另一部分水渗入地下形成地下水，还有一部分在地表汇集形成河、湖等地面水，地下水和地面水最终又流回海洋，见图1-1。

　　水的循环的几个基本概念：

　　1）降水：

雨、雪、霰、雹的统称

　　2）蒸发：

地表向空中逸散水分（水变成水汽的过程）

　　3）径流：

降水在地面和地下流动的水流

　　4）地表径流：

降水除消耗外的水量沿地表运动的水流

　　5）地下径流：

降水后下渗到地表以下的一部分水量在地下运动的水流。

1.1.2我国水资源特点

　　1.   人均占有量少

　　　　淡水总量为28124亿m3，在全世界占第6位。

　　　　但人均占有量只有2340m3/人年（以12亿人口计），世界平均水准的1/4，占88位。

　　2.   空间分布不均

　　　　81％的水资源分布在长江流域及其以南

　　3.   年内及年际变化大

　　　　60－80％降水集中在夏季7、8、9月

　　　　年际变化差3－6倍（大时）

　　4.   许多地区缺水严重

　　　　我国多年水资源总量为2.8万亿m3，可取用的为8000～9500m3，占总量的1/3,现总用水量为5600m3，水资源使用率已达70％。

　　　　三北（西北、华北、东北）和沿海（青岛、大连）缺水严重。

　　　　如按流域计算人均水资源量见表1-1：

表1-1水资源流域分布情况

流域名称

淮河

黄河

海河

辽河

黑龙江

人均水资源量（m3/人.年）

961

744

345

1060

2181

　　　　北方地区如按省、市计算，人均水资源量见表1-2：

表1-2北方地区水资源分布情况

省、市名称

北京

天津

河北

河南

山东

山西

人均水资源量（m3/人.年）

961

744

345

1060

2181

456

　　5.水环境污染严重

　　　建国后20～30年，生活不富裕，工业不发达，水资源不紧张。

　　　大量城市污水和工业废水不经处理排入水体，造成水体污染，严重污染的水体不能作为饮用水源，造成水质性缺水。

　　　中国水资源恶化主要废水处理的救灾旧债和心窄新债。

中国七大水系中，63.1%的河段水质为Ⅳ类Ⅴ类或劣Ⅴ类，失去作为饮用水水质的功能。

1.2水的社会循环与利用

　　1.2.1　水的社会循环

　　水的社会循环：

人类为了生活和生产（工业、农业）需要，由天然水体取水，经适当处理后，供生活和生产使用；用过的水含有大量废弃物，水质已受到了污染，需经适当处理后，再排回天然水体，见图1-2。

　　　从水质工程学方面来看，水的社会循环主要包括给水工程和排水工程两方面:

　　　1。

给水工程：

　　　取水－给水处理－配水

　　　无节制开发和生产的迅速发展，造成了资源的浪费和破坏。

　　　水体污染较重，不能作为供水水源，水质性缺水；污染较轻，需进行处理，水处理费用高。

　　　　点源污染：

城市污水的处理率约35％。

生活获生产用过的水接排入水体造成污染。

　　　　面源污染：

农田排水对水体造成的污染　　

　　　2。

排水工程：

　　　废水收集（来源于生活、工业和农业）――废水处理――排放或回用　　

　　1.2.2水的利用　

　　1.我国总用水量的构成，见表1-3，1-4。

　表1-3１９９７年我国总用水量的构成

用水种类

用水量（亿m3）

占总用水量的百分比（%）

农业用水

4000～4200

75

工业用水

1120

20

生活用水

630

5

∑=5600亿m3

　表1-42015年我国总用水量构成

用水种类

用水量（亿m3）

占总用水量的百分比（%）

农业用水

3700

52

工业用水

1300

18

生活用水

1000

15

生态用水

1000

15

∑=7000亿m3

　　　2.水危机：

　　　1）水危机的标志：

水资源短缺和水环境污染

　　　2）城市水危机：

目前许多城市普遍存在资源性缺水；也有的城市水量丰富，由于环境污染造成了水质性缺水，

如安徽合肥。

　　　3.水的良性循环：

　　　　水的良性循环：

对城市污水进行处理，使其排入水体不会造成污染，从而实现水资源的可持续利用。

　　　　为缓解水危机。

必需从整个流域水的良性循环着眼。

　　　　流域内水有不同尺度的社会循环：

流域尺度的水循环、城市的水循环、工业区的水循环、工业企业的水循环、建筑　　小区的水循环、楼宇的水循环等。

　　大尺度水的良性循环是以小尺度水的良性循环为基础的。

1.3水资源的可持续利用

1.3.1水资源开发利用存在的问题

　　　1）地表水污染严重

　　　　城市水危机城市普遍存在资源性缺水或水质性缺水

　　　2）地表水过量开采

　　　3）地下水过量开采

　　　4）水管理体制不顺

1.3.2水资源可持续利用的对策

　　　1）节水

　　　　节水的途径，包括以下几方面：

　　　　①节约工业用水。

　　　　　　如冷却水的循序使用、循环使用

　　　　②将节水灌溉和节水农业结合起来

　　　　③节约生活用水

　　　　提高公众的节水意识；

　　　　　采用节水型器具；

　　　　　水费改革

　　　　④采用中水

　　　　污水回用：

城市污水水量大，水量、水质相对稳定，为城市的“第二水源”。

是解决水资源短缺的有效途径之一，通过污水回用，可降低自然水耗量，并减少向自然水体的排污量，具有较重要的环境效益和经济效益。

　　　２）开发利用地表水

　　　　　海水、微咸水的开发利用；

　　　３）减少污染物的排放

　　　　清洁生产，减少“三废”的排放

　　　４）大力发展水处理技术

　　　　受污染水源水的处理

　　　５）远距离输水

　　　　南水北调，引滦入津

　　　６）优质优用，合理调配

　　　７）加强对水资源的管理

　　　８）加强水资源保护，防治水污染

1.3.3人类活动、水资源和环境的协调发展

　　　　１）水的环境因素有两个方面的特性：

正面特性；负面特性。

　　　　２）人类的活动可以对水资源系统产生双重的影响

第2章水质与水质标准

2.1天然水中杂质的种类与性质

2.1.1天然水体中的杂质

天然水中存在的杂质主要来源于所接触的大气、土壤等自然环境，同时人类活动产生的各种污染物也会进入天然水体。

（1）按水中杂质的尺寸，可以分为溶解物、胶体颗粒和悬浮物3种，它们的尺寸和外观特征如表2—1所示。

水中杂质的尺寸与外观特征表2－1

溶解物

胶体颗粒

悬浮物

颗粒大小

0.1nm~1.0nm

1.0nm~100nm

100nm~1nm

外观特征

透明

光照下浑浊

浑浊甚至肉眼可见

悬浮物主要是泥砂类无机物质和动植物生存过程中产生的物质或死亡后的腐败产物等有机物。

胶体主要是细小的泥砂、矿物质等无机物和腐殖质等有机物。

溶解物主要是呈真溶液状态的离子和分子，如Ca2+、Mg2+、Clˉ等离子，HCO3-、SO42-等酸根，O2、CO2、H2S、SO2、NH3等溶解气体分子。

（2）从化学结构上可以将水中杂质分为无机物、有机物、生物等几类。

无机杂质天然水中所含有的无机杂质主要是溶解性的离子、气体及悬浮性的泥砂。

溶解离子有Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子和HCO3-、SO42-、Clˉ等阴离子。

有机杂质天然水中的有机物与水体环境密切相关。

一般常见的有机杂质为腐殖质类以及一些蛋白质等。

生物（微生物）杂质这类杂质包括原生动物、藻类、细菌、病毒等。

这类杂质会使水产生异臭异味，增加水的色度、浊度，导致各种疾病等。

（3）按杂质的来源可以分为天然的和污染性的物质。

2.1.2各种典型水体的水质特点

一般可以将天然水分为地表水和地下水两大类，地表水又可以分为江河水、湖泊水库水、海水等。

（1）江河水

江河水的含盐量和硬度都比较低。

含盐量一般在70～900mg／L之间，硬度通常在50～400mg／L（以CaCO3计）之间。

（2）湖泊、水库水

主要由江河水供给，水质特点与江河水类似。

但浊度一般较低，含盐量和硬度较江河水高。

（3）海水

海水的主要特点是高含盐量，在7.5～43.0g／L之间。

含量最多的约是氯化钠（NaCl），约占83.7％，其他盐类还有MgCl2、CaSO4等。

（4）地下水

含盐量一般在100～5000mg／L之间，硬度通常在100—500mg／L（以CaCO3计）之间。

地下水的水质和水温一般终年稳定，较少受外界影响。

2.2水体的污染与自净

2.2.1水中常见污染物及来源

按化学性质，可以分为无机污染物和有机污染物；按物理性质，可以分为悬浮性物质、胶体物质和溶解性物质。

1．可生物降解的有机污染物——耗氧有机污染物

包括碳水化合物、蛋白质、脂肪等自然生成的有机物。

可以在有氧或无氧的情况下，通过微生物的代谢作用降解成为无机物。

是生活污水中的主要杂质，是污水处理中优先考虑去除的污染物，通常用COD、BOD、TOD、TOC来表征该类物质在水中的含量。

2．难生物降解的有机污染物

这类物质化学性质稳定，不易被微生物降解，主要包括一些人工合成化合物及纤维素、木质素等植物残体。

3．无直接毒害作用的无机污染物

（1）颗粒状无机杂质包括泥砂、矿渣等，虽无毒害作用，但影响水体的透明度、流态等物理性质。

（2）酸、碱一般用pH值表示酸碱度。

（3）氮、磷等营养杂质污水中的氮、磷主要来源于人体及动物的排泄物及化肥等，是导致湖泊、水库、海湾等水体富营养化的主要物质。

4．有直接毒害作用的无机污染物

这类物质主要有氰化物、砷化物和重金属离子，如汞、镉、铬以及锌、铜、钴、镍、锡等。

表2—2列出了一些工业生产过程所产生的主要水污染物情况。

一些工业生产过程所产生的主要水污染物情况表2-2

生产部门

污染物质的主要来源

废水和主要污染物质

动力工业

火力发电站

冷却废热水

冶金工业

黑色冶金：

选矿、烧结、炼焦、炼钢、轧钢等

酚、氰、多环芳烃类化合物、冷却废热水、洗涤废水等

有色冶金：

选矿、烧结、冶炼、电解、精炼等

重金属废水、冷却废热水、酸性废水等

纺织印染工业

棉纺、毛纺、针织、印染

染料、酸、碱、硫化物、各类纤维状悬浮物等

化学工业

化学肥料、有机和无机化工生产、化学纤维、合成橡胶、塑料、油漆、农药、制药等生产

各种盐类、酚、氰化物、苯类、醇类、醛类、油类、多环芳烃化合物

石油化学工业

炼油、蒸馏、裂解、催化等工艺以及合成有机化学产品的生产

油类、酚类、及各种有机物

制革工业

皮革、毛发的鞣制

硫酸、有机物等

采矿工业

矿山的剥离和掘进、采矿和选矿等生产

含大量悬浮物及重金属元素的选矿、矿井（坑）排出水

造纸工业

纸浆、造纸的生产

碱、木质素、酸、悬浮物

食品加工工业

油类、肉类、乳制品、水产、水果、酿造等加工生产

营养元素有机物、微生物病原菌等

机械制造工业

农机、交通工具和设备制造与修理、锻压及铸件工业设备、金属制品的加工制造

含酚废水、电镀废水、油类等

电子及仪器、仪表工业

电子元件、电讯、器件、仪器仪表制造等

含重金属元素废水、电镀废水、酸性废水等

建筑材料工业

石棉、玻璃、耐火材料、烧窑业及各类建筑材料加工

悬浮物等

2.2.2水体的富营养化

水体的富营养化是指富含磷酸盐和某些形式的氮素的水，在光照和其他环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏的现象。

水体的富营养化危害很大，对人类健康、水体功能等都有损害，包括：

（1）使水味变得腥臭难闻。

（2）降低水的透明度。

（3）消耗水中的溶解氧。

（4）向水体中释放有毒物质。

（5）影响供水水质并增加供水成本。

（6）对水生生态的影响。

2.2.3水体的自净

水体的自净是指水体在流动中或随着时间的推移，水体中的污染物自然降低的现象。

通过化学作用和生物作用对水体中有机物的氧化分解，使污染物质浓度衰减，是水体自净的主要过程。

可以用两个相关的水质指标来描述水体的自净过程。

一个是生化需氧量BOD，该值越高说明有机物含量越多，水体受污染程度越严重；

另一个是水中溶解氧DO，它是维持水生物生态平衡和有机物能够进行生化分解的条件。

水体的自净是一个比较复杂的过程，影响自净能力的因素有污染物的性质、水体性质、水生生物种类和数量、水面形态、水流要素等。

一般在单一污染源的情况下，BOD与DO变化曲线如图2-1所示。

图2-1BOD和DO变化曲线

2.3饮用水水质与健康

2.3.1水中的生物对人体健康的影响

水中的生物（主要是微生物）与人体健康关系密切，影响比较大的主要有细菌、病毒、致病原生动物，此外还有藻类、真菌、寄生虫、蠕虫等。

2.3.2水中的化学物质对人体健康的影响

1．微量元素及其他无机物

在人体内凡占体重万分之一以下的元素叫做微量元素，其他无机物就可称常量元素。

铁、锌、锰、铬、钼、钴、硒、镍、铜、硅、氟、碘、锶等20多种元素，是人类和动物所必需的微量元素。

这些元素大部分都含于自然界的天然水中，饮水是补充这些元素的重要途径之一。

硫酸盐、氯化物等浓度过高时，会使水产生令人厌恶的味道，在饮用水中也宜加以限制。

2．有机物

（1）农药类。

水中最常见的农药是有机氯类及有机磷类，或者具有致癌性，能引起食管癌、胃癌、肝癌、肺癌、白血病等。

（2）酚类化合物。

水中的酚类化合物主要有苯酚、甲苯酚、氯酚、苯二酚等。

酚是一种促癌剂，达到一定量就显示出很强的致癌作用。

（3）芳香烃类化合物。

水中此类物质主要是苯系化合物，包括苯、二甲苯、苯乙烯、氯苯、苯并（a）芘等，能引起造血功能障碍、损伤神经、致癌等后果。

3．放射性物质

放射性物质通过饮水进入人体内可产生内照射，发放的电离辐射对所有动物都有不同程度的致癌作用，主要引起皮肤癌、骨肉瘤、肺癌、白血病等。

4．消毒剂及消毒副产物

向水中投加消毒剂杀灭细菌和病毒的同时，消毒剂本身以及有些消毒剂的副产物也会对人体健康构成威胁。

2.3.3水质与地方病

许多地方病都与饮用水水质有密切关系。

2.4用水水质标准

水质标准是用水对象（包括饮用和工业用水对象等）所要求的各项水质参数应达到的限值。

可分为国际标准、国家标准、地区标准、行业标准和企业标准等不同等级。

2.4.1生活饮用水水质标准

1．生活饮用水水质标准制定的原则

生活饮用水水质标准的制定主要是根据人们终生用水的安全来考虑的，

水中不得含有病原微生物；

水中所含化学物质及放射性物质不得危害人体健康；

水的感官性状良好。

微生物学指标

理想的饮用水不应含有致病微生物和生物。

水的感官性状指标和一般化学指标

要求饮用水应呈透明状，不浑浊，无肉眼可见物，无异味异臭及令人不愉快的颜色等。

化学指标也与感官性状有关，包括总硬度、铁、锰、铜、锌、挥发酚类、阴离子合成洗

涤剂、硫酸盐、氯化物和总溶解性固体等。

应从影响水的外观、色、臭和味的角度，规定这些物质的最高容许限值。

毒理学指标

饮用水中的有毒化学物质污染带给人们的健康危害不同于微生物污染。

一般而言，微生物污染可造成传染病的暴发，而化学污染物引起的健康问题往往是由于与之长期接触所致的有害作用，特别是蓄积性毒物和致癌物的危害更是如此。

放射性指标

人类某些实践活动可能使环境中的天然辐射强度有所提高，特别是随着核能的发展和同位素技术的应用，很可能产生放射性物质对水环境的污染问题。

因此有必要对饮用水中的放射性指标进行常规监测和评价。

除了用水安全这一主要因素外，制定生活饮用水水质标准时也要考虑现实的社会经济发展水平。

世界各国和世界卫生组织（WHO）都根据自己的实际情况，制定相应的生活饮用水水质标准。

2．世界卫生组织及一些国家和地区的生活饮用水水质标准

最具有代表性和权威性的是世界卫生组织（WHO）水质准则，它是世界各国制定本国饮用水水质标准的基础和依据。

另外，比较有影响的还有欧共体饮用水指令（EECDirective）和美国安全饮用水法案（SafeDrinkingWaterAct）。

世界卫生组织制定水质标准的指导思想是：

·控制微生物的污染是极端重要的。

消毒副产物对健康有潜在的危险性，但较之消毒不完善对健康的风险要小得多。

·符合“准则”指导值的饮用水就是安全的饮用水（SafeWater）。

·短时间水质指标检测值超过指导值并不意味着此种饮用水不适宜饮用。

·在制定化学物质指导值时，既要考虑直接饮用部分，也要考虑沐浴或淋裕时皮肤接触或易挥发性物质通过呼吸道摄入部分。

欧共体制定的饮用水水质标准称为EEC饮用水指令。

1998年修订的指令（98／83／EEC）列出了48项水质参数。

美国联邦环境保护局（USEPA）于1986年颁布了“安全饮用水法案修正案”，规定了实施饮用水水质规则的计划，制定了“国家饮用水基本规则和二级饮用水规则”（NationalPrimaryandSecondaryDrinkingWaterRegulations）。

世界各国（地区）基本上以上述3种水质标准为基础，制定本国（地区）的国家（地区）标准。

项目

限值

感官性状和一般化学指标

色

色度不超过15度，并不得呈现其他异色

浑浊度

不超过1度（NTU）①,特殊情况下不超过5度（NTU）

臭和味

不得有异臭、异味

肉眼可见物

不得含有

PH

6.5～8.5

总硬度（以CaCO3计）

450（mg/L）

铝

0.2（mg/L）

铁

0.3（mg/L）

锰

0.1（mg/L）

铜

1.0（mg/L）

锌

1.0（mg/L）

挥发酚类（以苯酚计）

0.002（mg/L）

阴离子合成洗涤剂

0.3（mg/L）

硫酸盐

250（mg/L）

氯化物

250（mg/L）

溶解性总固体

1000（mg/L）

耗氧量（以O2计）

3（mg/L），特殊情况下不超过5（mg/L）②

毒理学指标

砷

0.05（mg/L）

镉

0.005（mg/L）

铬（六价）

0.05（mg/L）

氰化物

0.05（mg/L）

氟化物

1.0（mg/L）

铅

0.01（mg/L）

汞

0.001（mg/L）

硝酸盐（以N计）

20（mg/L）

硒

0.01（mg/L）

四氯化碳

0.002（mg/L）

氯仿

0.06（mg/L）

细菌学指标

细菌总数

100（CFU/ml）③

总大肠菌群

每100mL水样中不得检出

粪大肠菌群

每100mL水样中不得检出

游离余氯

在与水接触30min后应不低于0.3mg/L，管网末梢水不应低于0.05mg/L（适用于加氯消毒）

放射性指标④

总α放射性

0.5（Bq/L）

总β放射性

1（Bq/L）

3．我国的生活饮用水水质标准

我国生活饮用水的水质标准是随着科学技术的进步和社会发展而与时俱进的。

1927年上海市公布了第一个地方性饮用水标准，称为“上海市饮用水清洁标准”，从而成为我国最早制定地方性饮用水标准的城市之一。

1937年北京市自来水公司制定了“水质标准表”，包含有11项水质指标；

1950年上海市颁布了“上海市自来水水质标准”，有16项指标；1956年我国颁布了第一部“饮用水水质标准”，有15项指标；1976年我国颁布了“生活饮用水卫生标准”（TJ20－76），有23项水质指标；1985年我国颁布了修订的“生活饮用水卫生标准”（GB5749—85），有35项指标。

1992年，建设部组织中国城镇供水协会编制了“城市供水行业2000年技术进步发展规划”。

2001年，卫生部颁布了《生活饮用水水质卫生规范》，规定了生活饮用水及其水源水水质卫生要求。

该规范将水质指标分为常规检验项目和非常规检验项目两类。

生活饮用水的常规检验项目有34项指标（表2-3），非常规检验项目有62项指标（附录一）。

2005年，建设部发布了中华人民共和国城镇建设行业标准《城市供水水质标准》（CJ／T206—2005），规定了城市公共集中式供水企业、自建设施供水和二次供水单位，在其供水和管理范围内的供水水质应达到的要求。

该标准共有103项控制指标，其中常规检验项目有42项，非常规检验项目有61项。

对于水源水质和水质检验频率也有相应的规定。

生活饮用水水质常规检验项目及限值表2-3

• 表中NTU为散射浊度单位。

• 特殊情况包括水源限制等情况。

• CFU为菌落形成单位。

④放射性指标规定数值不是限值，而是参考水平。

放射性指标超过表中所规定的数值时．必须进行核素分析和评价，以决定能否饮用。

2.4.2其他用水的水质标准

1．食品及饮料类水质标准

原则上，一般食品、饮料用水采用生活饮用水水质标准。

《饮用净水水质标准》（CJ94—1999））。

一般饮用净水是指以自来水或符合生活饮用水水源水质标准的水为原水，经深度净化后可直接供给用户饮用的管道供水和灌装水。

2．城市杂用水水质标准

城市杂用水是城市和人们日常生活所经常涉及的一类用水，主要包括厕所便器冲洗、城市绿化、洗车、扫除、建筑施