第1章 水質與水體自凈

環(huán)境工程學第一章水質與水體自凈水的循環(huán)與污染1水質指標與水質標準2水體自凈作用與水環(huán)境容量3水處理的基本原則及方法4主要內容第一節(jié)水的循環(huán)與污染3/4地球水圈（Globalhydrosphere）河流、湖泊/運河、水庫1/4分布在歐亞大陸、非洲、北美洲、南美洲、澳洲等主要陸地和無數的海島上。地球上水的分布

表1.1地球水圈中的水儲量分布水體水儲量咸水淡水103km3%103km3%103km3%海洋1,338,000.096.53791,338,000.096.5379冰川與永久積雪24,064.11.736224,064.11.7362地下水23,400.01.688312,870.00.928610,5300.7597水凍層中冰300.00.02163000.0216湖泊水176.40.012785.40.0062910.0066土壤水16.50.001216.50.0012大氣水12.90.000912.90.0009沼澤水11.50.000811.50.0008河流水2.120.00022.120.0002生物水1.120.00011.120.0001總計1,385,984.61001,350,955.497.472635,029.242.5274總量約14×108km3

97.3%——海水，不宜被人類直接使用與人類關系最密切、又較易開發(fā)利用的淡水貯量約為

400×104km3,僅占地球上總水量的

0.3%

。淡水在時空上的分布又很不均衡。

水循環(huán)

自然循環(huán)社會循環(huán)自然循環(huán)水的自然循環(huán)：

就是水由海上蒸發(fā)為水蒸氣，被風送至大陸，以雨、雪等形式降落到地面，一部分水再蒸發(fā)返回大氣，一部分水滲入地下形成地下水，另一部分在地表匯集形成河、湖等地面水，地下水和地面水最終又流回海洋。社會循環(huán)所謂水的社會循環(huán)，指的是人類社會為了滿足生活和生產的需求，要從各種天然水體中取用大量的水，而經過使用以后的水被排放出來，最終又流入天然水體。注意：在水的循環(huán)系統(tǒng)中,為了確保自然界水的質量不被破壞,還必須建造廢水收集、處理、處置等人工系統(tǒng)，即水污染防治工程系統(tǒng)。自然污染主要是自然原因造成的

人為污染是人類生活和生產活動中產生的廢物對水的污染水的污染

概念：水體因接受過多的雜質而導致其物理、化學及生物學特性的改變和水質的惡化，從而影響水的有效利用，危害人體健康的現象，就是人們常說的水污染。在一定程度下，水體能自身調節(jié)和降低污染—水的自凈能力水污染的分類和影響來源工業(yè)廢水農業(yè)廢水生活污水礦山廢水污染物性質化學性污染物理性污染生物性污染分類化學性污染無機污染物質無機有毒物質有機有毒物質需氧污染物質植物營養(yǎng)物質油類污染物質酸堿和無機鹽類物質重金屬各種有機農藥、多環(huán)芳烴、芳香胺碳水化合物、蛋白質、脂肪和酚、醇等氮、磷煉油、石油化工、海底采油、油輪等造成物理性污染熱污染懸浮物質污染放射性污染固體物質和泡沫等放射性廢水、廢物冷卻水生物性污染：致病菌及病毒的污染

物理性水質指標化學性水質指標生物學水質指標溫度、色度、透明度、總固體、電導率等pH、堿度、硬度、各種離子含量、總含鹽量等細菌總數、總大腸桿菌群數、病毒等第二節(jié)水質指標與水質標準1）渾濁度：天然水中由于含有各種顆粒大小不等的不溶解物質，如泥沙、纖維、有機物和微生物等而會產生渾濁現象。水的渾濁程度可用渾濁度的大小來表示。所謂渾濁度是指水中的不溶解物質對光線透過時所產生的阻礙程度。渾濁現象是水的一種光學性質。在蒸餾水中含有1mg/L的SiO2稱為1個渾濁度單位或1度。（杰克遜混濁度JTU）真色:

由于水中所含溶解物質或膠體物質所致，即除去水中懸浮物質后所呈現的顏色。表色:

包括由溶解物質、膠體物質和懸浮物質共同引起的顏色。2）顏色測定的方法:鉑鈷標準比色法和分光光度法3)固體水中固體（蒸發(fā)殘渣）：一定溫度下將水樣蒸發(fā)至干時所殘余的固體物質總量；103～105℃時蒸發(fā)稱“總固體”，結果以mg/L計。溶解固體：過濾后，取濾液103～105℃烘干后質量懸浮固體：過濾后，取濾渣103～105℃烘干后質量揮發(fā)性固體(灼燒減重)：600℃蒸發(fā)干燥后固體失去的重量(有機物質)；剩下為“固定性固體”(無機物)固定性固體＝總固體－揮發(fā)性固體

溶解固體＋懸浮固體例1-1：將某污水樣100mL置于質量為46.4718g的古氏坩堝中過濾，坩堝在105℃下烘干后稱重為46.5036g，然后再將此坩堝置于600℃下灼燒，最后稱重為46.4848g。另取同一水樣100mL，放在質量為67.9624g的蒸發(fā)皿中，在105℃下蒸干后稱重為68.0138g。試計算該水樣的總固體、懸浮固體、溶解固體、揮發(fā)性懸浮固體和固定性懸浮固體含量各為多少(mg/L)？解：在蒸發(fā)皿中測得的是總固體量，

懸浮固體=(46.5036-46.4718)×1000×1000/100(mg/L)=318(mg/L)

總固體=(68.0138-67.9624)×1000×1000/100(mg/L)=514(mg/L)

溶解固體=總固體－懸浮固體

=(514-318)=196(mg/L)

揮發(fā)性懸浮固體=(46.5036-46.4848)×1000×1000/100(mg/L)=188(mg/L)

固定性懸浮固體=懸浮固體－揮發(fā)性懸浮固體

=(318-188)=130(mg/L)?比電導用來量度水的導電能力的大小。?水中所含溶解鹽類越多，水中的離子數目也越多，水的比電導就越高。?比電導也稱電導率，電導是電阻的倒數，因此習慣上水中溶解鹽類的多少常用電阻率來量度。電阻率越大，表示水中的溶解鹽類含量越少。4)比電導5）總含鹽量和離子平衡

水中所含各種溶解性礦物鹽類的總量稱為水的總含鹽量，也稱總礦化度?？偤}量(mg／L)＝∑陽離子+∑陰離子式中，∑陽離子和∑陰離子分別表示水中陽、陰離子含量(mg／L)的總和。

陽離子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+陰離子：HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-

水的總含鹽量與溶解固體之間有著一定的關系?？偤}量約等于測得的溶解固體量再加上水中原有HCO3-含量的一半。單位均為mg/L。

總含鹽量=溶解固體+1/2[HCO3-]離子平衡：根據溶液的電中性原則，理論上每升水中陽、陰離子的電荷總數應該彼此相等∑mc(Mm+)=∑ac(Aa-)

式中：m,a——分別為各陽、陰離子所帶電荷數；

c(Mm+)，c(Aa-)——分別為各陽、陰離子的物質的量濃度，即各種離子的質量濃度（ρ）除以摩爾質量（M）：c=ρ/M實際的分析測定結果與理論值之間會有誤差，其分析誤差值不應該超過±5%，即：

例1-2

某天然水的分析測定結果如下：

Ca2+=55mg/L；HCO3-=250mg/L;Mg2+=18mg/L；SH42-=60mg/L;

Na+=98mg/L；Cl-=89mg/L。

試檢查其分析是否完全？解：(1)先將各陽、陰離子的含量由mg/L換算為mmol/L，并算出它們的物質的量濃度總和：陽離子陰離子離子(mg/L)c/(mmol/L)mc/(mmol/L)離子(mg/Lc/(mmol/L)ac/(mmol/LCa2+5555/402.75HCO3-250250/614.10Mg2+1818/24.31.48SO42-6060/961.25Na+9898/234.26Cl-8989/35.52.51總量8.49總量7.86(2)計算分析誤差：測定方法：中和滴定法。

6）堿度概念：水接受質子的能力。水中所有能與強酸相作用的物質所接受H+的“物質的量”的總和。酚酞堿度水樣

酸滴定

指示劑由紅色變?yōu)闊o色

OH-被中和pH=8.3碳酸鹽轉化為重碳酸鹽甲基橙堿度水樣酸滴定指示劑由黃色變?yōu)槌燃t色

pH=4.4?4.5碳酸鹽、OH-和重碳酸鹽被中和測定結果氫氧化物堿度[OH-]碳酸鹽堿度2[CO32-]重碳酸鹽堿度[HCO3-](1)P=000T(2)P＜1/2T02PT-2P(3)P=1/2T0T0(4)P＞1/2T2P-T2(T-P)0(5)P=TT00假如我們用P表示某水樣滴定到酚酞變色時所用去H+的物質的量，即酚酞堿度，用T表示該水樣直接以甲基橙作指示劑滴定到變色時所用去H+的物質的量，即甲基橙堿度或總堿度，那么根據表1-3就可以分別算出任何一種情況下各種致堿陰離子的數量。

表1-3三種堿度計算表例1-3

取某河水水樣100mL，用0.1000mol/L的HCl溶液測定其堿度，先以酚酞作指示劑，消耗HCl溶液0.40mL；另取水100mL，以甲基橙作指示劑，用HCl溶液滴定消耗了7.20mL。試求該水樣的總堿度和各致堿陰離子的含量(結果以mmol/L計)。解：酚酞堿度：總堿度：由于p＜1/2T，查表得：

氫氧化物堿度=[OH-]

=0

碳酸鹽堿度=2[CO32-]=2P故[CO32-]=P=0.40mmol/L重碳酸鹽堿度=[HCO3-]=T-2P=6.40mmol/L7）硬度碳酸鹽硬度(暫時硬度):主要由鈣、鎂的碳酸鹽和重碳酸鹽所形成，能經煮沸而除去。非碳酸鹽硬度(永久硬度):主要由鈣、鎂的硫酸鹽、氯化物等形成，不受加熱的影響。概念：由于存在能與肥皂作用生成沉淀和與水中某些陰離子化合生成水垢的二價金屬離子而產生的。（鈣和鎂離子），多用EDTA絡合滴定法測定，分為以下兩種硬度：總硬度＝碳酸鹽硬度＋非碳酸鹽硬度在水處理工程中，有時要求分別知道碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度的含量。如果已經測得水樣總硬度和各種堿度，計算方法:設S=碳酸鹽堿度+重碳酸鹽堿度=[HCO3-]+2[CO32-]

則：

(1)當1/2S﹤總硬度時：碳酸鹽硬度=1/2S,

非碳酸鹽硬度=總硬度－1/2S(2)當1/2S=總硬度時：碳酸鹽硬度=總硬度,

非碳酸鹽硬度=0(3)當1/2S﹥總硬度時：碳酸鹽硬度=總硬度,

非碳酸鹽硬度=0。這時1/2S與總硬度的差值稱為“負硬度”。即負硬度=1/2S－總硬度例1-4

今有某處地下水，用0.1000mmol/L

的HCl溶液滴定此水樣100mL,以酚酞作指示劑時消耗酸液量為零;再加甲基橙作指示劑,消耗酸液量3.60mL至滴定終點。另取此水樣100mL,用0.0250mmol/L的EDTA二鈉鹽試劑滴定至終點，用去8.38mL。試求此地下水的總硬度、碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度(結果以mmol/L和度表示)。解：(1)求各種堿度：

P=0，查表，得:[OH-]=0,[CO32-]=0,[HCO3-]=T=3.60mmol/L(2)求總硬度(3)計算碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度：由于，S=[HCO3-]+2[CO32-]=(3.60+0)mmol/L=3.60mmol/L1/2S=1/2×3.60mmol/L=1.80mmol/L＜2.10mmol/L

即1/2S＜總硬度，因此，可知：碳酸鹽硬度=1/2S=1.80mmol/L=1.80×5.6度=10.08度非碳酸鹽硬度=總硬度－1/2S=(2.10-1.80)mmol/L=0.30mmol/L=0.30×5.6度=1.68度

8）化學需氧量COD和耗氧量OC

化學需氧量(COD)是指在一定條件下,水中各種有機物與外加的強氧化劑作用時所消耗的氧化劑量,以氧量(mg/L)計。（重鉻酸鉀法測定）用高錳酸鉀法測定的高錳酸鉀耗氧量，習慣上稱耗氧量OC

。

耗氧量適宜測定天然水或含容易被氧化的有機物的一般廢水，而成分較復雜的有機工業(yè)廢水則常測定化學需氧量。

9）生物化學需氧量在有氧的條件下，水中可分解的有機物由于好氧微生物的作用被氧化分解而無機化，這個過程所需要的氧量叫做生物化學需氧量，簡稱生化需氧量(BOD)。好氧微生物可分解的有機物O2氧化Oa合成CO2,H2O,…,能新的細胞質氧化ObCO2,H2O,…,能殘渣Oa+Ob=生化需氧量BOD5在有充足氧供應、20℃的水溫條件下，馴化微生物在5天內分解單位容積的待測水體中污染物質所消耗的氧量。炭化階段：C→CO2,N→NH3硝化階段：N→NO2-,NO3-

20℃時，一般有機物需20天左右才能完成第一階段的氧化分解過程，其需氧量用BOD20表示，它可視為完全生化需氧量La，實際測定中20天太長，一般采用5天，即BOD5。當t=0時，L=La，對上式進行積分：

令上式變?yōu)椋喝绻脁t表示t時日反應消耗的溶解氧，則經驗表明，水溫20℃，有充足溶解氧和經馴化的微生物量時例1-5

某廢水20℃時的BOD5是150mg/L。已知此時的耗氧速率常數k1=0.10d-1，求該廢水15℃時的BOD5。解：(1)求20℃下第一階段生化需氧量La(20)，根據：

(2)計算15℃時的k1，根據：

k1(15)=k1(20)×1.047(15-20)=0.10×1.047-5=0.08d-1(3)計算15℃時的La(15)，根據：

La(15)=219.3×

(0.02×15+0.6)mg/L=197.4mg/L(4)計算15℃時的BOD5，根據：

BOD5(15)=197.4×(1-10-0.08×5)=118.8mg/LCOD與BOD的關系（1）廢水中各種成分相對穩(wěn)定，COD與BOD之間有一定的比例關系。（2）一般COD>BOD20>CODCr>BOD5>CODMn（3）BOD5/COD比值可作為廢水是否適宜生化法處理的一個衡量指標。（4）B/C越大，越容易被生化處理。一般認為BOD5/COD大于0.3的廢水才適宜采用生化處理?？傆袡C碳測定儀----用以間接表示水中有機物質含量的綜合性指標。10）總有機碳(TOC)和總需氧量(TOD)TOC：水樣（有機碳）→900~950℃→CO2?常以碳表示(mg/L)?應先去除無機碳的干擾（加酸）TOD：水樣（有機物）→900℃→變成穩(wěn)定的氧化物的需氧量?常以氧表示(mg/L)水體中溶解性和懸浮性有機物含碳的總量水中能被氧化的物質水質標準對排入水體水質的要求國家正式頒布的統(tǒng)一規(guī)定（法律性，指令性）飲用水水質標準工業(yè)用水水質要求地表水環(huán)境質量標準污水綜合排放標準五類地面水環(huán)境質量標準14532集中式生活飲用水、地表水水源地一級保護區(qū)、珍稀魚類保護區(qū)、魚蝦產卵場等集中式生活飲用水、地表水水源地二級保護區(qū)、一般魚類保護區(qū)及游泳區(qū)源頭水、國家自然保護區(qū)一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)農業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域水體依靠自身的物理、化學、生物作用使水質向原有狀態(tài)恢復的功能稱為水體的自凈作用

。根據凈化機制分為三類物理凈化（稀釋、擴散、沉淀）化學凈化（氧化還原、分解）生物凈化(微生物或水生生物對有機物的氧化分解作用）絮凝、中和、絡合、吸附等第三節(jié)水體自凈作用與水環(huán)境容量廢水在水體中的稀釋和擴散稀釋機理推流(平流)：由于水流的推動而產生的沿著水流前進方向的運動擴散：

由于污染物質在水中濃度的差異而形成的污染物從高濃度處向低濃度處的遷移推流運動

Q1＝vρ擴散運動

Q2＝-Kdρ/dx

其中，v——河流流速m/sρ——污染物質量濃度mg/m3Q1——污染物質推流量mg/m2·sQ2——污染物質擴散量mg/m2·s

單位路程長度上的濃度變化值，負值，mg/(m3·m)擴散系數m2/s水體的混合稀釋影響因素廢水流量與河水流量的比值廢水排放口的形式河流的水文條件參與混合稀釋的河水流量與河水總流量之比稱為混合系數α。混合系數

α＝Q1/QQ——河水總流量mg/m2.sQ1——參與混合稀釋的河水流量在完全混合斷面前，混合系數α<1；而在完全混合的河道斷面上及其下游，α＝1。

混合系數α通?？刹捎媒涷灁抵担簩τ诹魉僭?.2~0.3m/s的河流，取α=0.7~0.8；流速較低時，取α=0.3~0.6；流速較高時，取α=0.9左右。

水流斷面上污染物質的濃度可用下式求出

:

ρ=（ρ1q+ρ2αQ）/（αQ+q）

式中，ρ——斷面上污染物質的濃度mg/Lq——廢水流量m3/s;Q——河水總流量m3/sρ1——廢水中污染物質的濃度，mg/Lρ2——原來河水中污染物質的濃度，mg/L廢水進入河流后，除得到稀釋外，其中的有機污染物還會在水中微生物的作用下進行氧化分解，逐漸變成無機物質，這一過程稱為水體的生化自凈水體的生化自凈碳化作用和硝化作用主要取決于排入水體的有機污染物的數量，也要考慮排入水體中氨氮的數量，以及廢水中無機性還原物質(如SO32-)的數量還原性物質水生植物的呼吸1）水體中氧的消耗和溶解大氣中的氧向含氧不足的水體擴散，使水體中的溶解氧增加水生植物在陽光照射下進行光合作用放出氧氣，溶于水中氧的補充和恢復途徑：

除了水體和廢水中原來含有的氧外，一般有以下兩個途徑：Ⅱ區(qū)(降解區(qū))Ⅲ區(qū)(強分解區(qū))Ⅳ區(qū)(恢復區(qū))

水質渾濁溶解氧下降魚類和綠藻減少藍綠藻蔓生底泥中出現顫蚓等蠕蟲。

水質變灰變黑，溶解氧40％以