水污染控制工程講義-筆記

水污染控制工程講義_筆記?一、課程概述水污染控制工程是環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程之一，主要研究水體污染的形成機制、污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及水污染控制的技術(shù)與方法。本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握水污染控制的基本理論和技術(shù)，具備解決實際水污染問題的能力。

二、水體污染與自凈（一）水體污染1.定義：指排入水體的污染物在數(shù)量上超過了該物質(zhì)在水體中的本底含量和水體的環(huán)境容量，從而導(dǎo)致水體的物理、化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，使水體固有的生態(tài)系統(tǒng)和功能受到破壞。2.污染物分類化學(xué)性污染物：包括重金屬（汞、鎘、鉛、鉻等）、酸堿、耗氧有機物（碳水化合物、蛋白質(zhì)、油脂等）、營養(yǎng)物質(zhì)（氮、磷等）、有毒有機物（農(nóng)藥、多環(huán)芳烴等）。物理性污染物：如懸浮物質(zhì)、熱污染、放射性物質(zhì)等。生物性污染物：主要指病原微生物，如細(xì)菌、病毒、寄生蟲等。

（二）水體自凈1.定義：水體受污染后，經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程，使污染物的濃度逐漸降低，水體恢復(fù)到受污染前的狀態(tài)和功能，這一過程稱為水體自凈。2.自凈過程物理凈化：通過稀釋、混合、沉淀、揮發(fā)等作用，使污染物濃度降低。例如，河流中的污染物隨水流擴散，濃度逐漸降低?；瘜W(xué)凈化：包括氧化還原、酸堿中和、分解、吸附、凝聚等過程。如水中的重金屬離子可通過吸附作用被底泥吸附去除。生物凈化：主要是水中微生物對有機物的分解作用。微生物將有機物分解為二氧化碳、水等簡單無機物，同時自身生長繁殖。例如，好氧微生物在溶解氧充足的情況下，對有機物進行有氧分解。

三、水質(zhì)指標(biāo)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（一）水質(zhì)指標(biāo)1.物理指標(biāo)水溫：影響水中化學(xué)反應(yīng)速度、生物活動等。色度：反映水中溶解性或懸浮性物質(zhì)所呈現(xiàn)的顏色。渾濁度：表示水中懸浮顆粒的多少，影響水的透明度。臭和味：可由水中的溶解性氣體、揮發(fā)性有機物等引起。固體物質(zhì)：分為溶解性固體（DS）和懸浮性固體（SS），可進一步分為揮發(fā)性固體（VS）和固定性固體（FS）。2.化學(xué)指標(biāo)酸堿度（pH值）：衡量水體酸堿性的指標(biāo)，pH值范圍一般為014。硬度：水中鈣、鎂等離子的總量，分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度。重金屬：如汞、鎘、鉛、鉻等，其含量過高會對人體和生物造成危害。溶解氧（DO）：水中溶解的氧氣量，是衡量水體自凈能力和水生生物生存條件的重要指標(biāo)?；瘜W(xué)需氧量（COD）：指在一定條件下，用強氧化劑處理水樣時所消耗的氧量，反映水中有機物的含量。生化需氧量（BOD）：在有氧條件下，微生物分解水中有機物所需的氧量，通常采用5日生化需氧量（BOD?）來表示?？傂柩趿浚═OD）：水中有機物完全燃燒所需的氧量?？偭祝═P）：包括溶解的、顆粒的有機磷和無機磷，是水體富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一?？偟═N）：水中各種形態(tài)氮的總量，包括有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。3.生物學(xué)指標(biāo)細(xì)菌總數(shù)：水中細(xì)菌的數(shù)量，反映水體受微生物污染的程度。大腸菌群數(shù)：是指示水體是否受糞便污染的重要指標(biāo)。

（二）水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1.地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)不同的水域功能，將地表水劃分為五類，規(guī)定了各類水域不同指標(biāo)的限值。例如，Ⅰ類主要適用于源頭水、國家自然保護區(qū)；Ⅱ類適用于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū)等。2.地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：依據(jù)我國地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量保護目標(biāo)，并參照生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)要求，將地下水質(zhì)量劃分為五類。如Ⅰ類適用于各種用途；Ⅱ類主要適用于集中式生活飲用水水源地一級保護區(qū)等。3.污水排放標(biāo)準(zhǔn)：分為綜合排放標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。綜合排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了污水中各種污染物的最高允許排放濃度；行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)不同行業(yè)的特點，對特定污染物的排放做出更嚴(yán)格的規(guī)定。

四、污水處理基本方法（一）物理法1.格柵：用于攔截污水中較大的懸浮物和漂浮物，如樹枝、垃圾等。2.沉砂池：通過重力作用使污水中的砂粒等無機顆粒沉淀下來，以保護后續(xù)處理設(shè)備。3.沉淀池：利用重力沉降原理，使污水中的懸浮固體沉淀分離。分為平流式沉淀池、輻流式沉淀池和豎流式沉淀池等。4.過濾：使污水通過具有孔隙的過濾介質(zhì)，截留污水中的懸浮顆粒，常用的過濾介質(zhì)有砂、活性炭等。5.離心分離：利用離心力的作用，使污水中的懸浮物與水分離。例如，用于分離含油污水中的油滴。

（二）化學(xué)法1.中和法：用于調(diào)節(jié)污水的pH值，使酸性污水和堿性污水相互中和。2.化學(xué)沉淀法：向污水中加入化學(xué)藥劑，使其中的某些溶解性污染物生成沉淀而去除。如去除污水中的重金屬離子，可加入硫化物等沉淀劑。3.氧化還原法：通過氧化或還原反應(yīng)，將污水中的污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)或易于分離的物質(zhì)。例如，用氯氣對污水進行消毒是利用氧化作用；用鐵粉處理含鉻污水是利用還原作用。4.吸附法：利用吸附劑的吸附作用，去除污水中的溶解性有機物、重金屬離子等。常用的吸附劑有活性炭、離子交換樹脂等。

（三）生物法1.好氧生物處理活性污泥法：利用懸浮生長的微生物絮體活性污泥來處理污水?；钚晕勰嘤杉?xì)菌、真菌、原生動物等微生物組成，在曝氣池中與污水充分混合，微生物分解污水中的有機物，使水質(zhì)得到凈化。生物膜法：使污水通過附著有微生物的載體表面，微生物在載體表面生長形成生物膜，利用生物膜對污水進行凈化。常見的生物膜法有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化法等。2.厭氧生物處理：在無氧條件下，利用厭氧微生物的作用，將污水中的有機物分解為甲烷、二氧化碳等氣體。厭氧生物處理適用于處理高濃度有機污水，如釀造廢水、屠宰廢水等。常見的厭氧處理工藝有厭氧消化池、UASB（上流式厭氧污泥床）等。

五、活性污泥法（一）活性污泥的組成與性質(zhì)1.組成：主要由具有代謝功能的活性微生物群體、微生物自身代謝殘留物、吸附在活性污泥上不能被微生物降解的有機物和無機物組成。2.性質(zhì)顏色：正常情況下呈黃褐色。氣味：具有泥土味。密度：略大于水。沉降性能：良好的活性污泥在靜止時能迅速沉降，泥水分離效果好。

（二）活性污泥法的基本流程1.曝氣池：污水與活性污泥在曝氣池中充分混合，曝氣提供微生物所需的溶解氧，微生物分解污水中的有機物。2.二沉池：從曝氣池流出的混合液在二沉池中進行固液分離，活性污泥回流至曝氣池前端，繼續(xù)參與污水處理，上清液則作為處理后的出水排出。3.污泥回流系統(tǒng)：將二沉池沉淀的活性污泥部分回流到曝氣池，維持曝氣池中活性污泥的濃度。4.剩余污泥排放系統(tǒng)：排除曝氣池中不斷增長的多余活性污泥，以維持活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（三）活性污泥法的主要運行參數(shù)1.曝氣強度：單位時間內(nèi)曝氣池中單位體積污水所需的曝氣量，一般用曝氣頭的數(shù)量、曝氣時間等控制。2.污泥齡：指活性污泥在曝氣池中平均停留的時間，計算公式為：污泥齡=曝氣池中活性污泥總量/每日排出的剩余污泥量。污泥齡對活性污泥的生長、代謝和處理效果有重要影響。3.混合液懸浮固體濃度（MLSS）：指曝氣池中單位體積混合液內(nèi)所含活性污泥的重量，一般控制在一定范圍內(nèi)，過高或過低都會影響處理效果。

（四）活性污泥法的類型1.傳統(tǒng)活性污泥法：污水和回流污泥從曝氣池前端進入，在曝氣池中呈推流形式向前流動，經(jīng)過充分曝氣和處理后，從曝氣池末端流出進入二沉池。其優(yōu)點是處理效果好，缺點是曝氣池首端有機負(fù)荷高，需氧量較大，且可能出現(xiàn)污泥膨脹等問題。2.完全混合活性污泥法：污水和回流污泥進入曝氣池后，立即與池內(nèi)已有的混合液充分混合，使曝氣池中各點的水質(zhì)和微生物濃度基本均勻。該方法具有抗沖擊負(fù)荷能力強等優(yōu)點，但處理效果相對傳統(tǒng)活性污泥法略差。3.階段曝氣活性污泥法：污水沿曝氣池長度分段多點進入，使曝氣池中有機負(fù)荷分布較為均勻，降低了曝氣池前端的需氧量，減少了污泥膨脹的可能性，同時提高了處理效率。4.吸附再生活性污泥法：污水先進入吸附池，與活性污泥快速混合接觸，使污水中的有機物被活性污泥吸附，然后進入再生池，對吸附了有機物的活性污泥進行曝氣再生，恢復(fù)其活性，最后進入二沉池進行固液分離。該方法適用于處理溶解性有機物含量較高、水質(zhì)水量變化較大的污水。

六、生物膜法（一）生物膜的形成與結(jié)構(gòu)1.形成過程：污水中的微生物附著在載體表面，逐漸生長繁殖形成生物膜。首先是細(xì)菌等微生物附著，然后其他微生物如真菌、原生動物等相繼在生物膜上生長，形成一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。2.結(jié)構(gòu)：生物膜一般分為好氧層、缺氧層和厭氧層。好氧層靠近載體表面，溶解氧充足，微生物進行有氧代謝；隨著深度增加，溶解氧逐漸減少，形成缺氧層和厭氧層，微生物進行相應(yīng)的厭氧代謝。

（二）生物膜法的主要類型1.生物濾池：由濾床、布水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)組成。污水通過布水系統(tǒng)均勻地噴灑在濾床上，濾床表面的生物膜對污水進行凈化，凈化后的水從排水系統(tǒng)流出。根據(jù)濾床所用的濾料不同，可分為普通生物濾池、高負(fù)荷生物濾池和塔式生物濾池等。2.生物轉(zhuǎn)盤：由盤片、轉(zhuǎn)軸和驅(qū)動裝置等組成。盤片部分浸沒在污水中，部分暴露在空氣中，轉(zhuǎn)軸帶動盤片緩慢轉(zhuǎn)動，使盤片上的生物膜交替與污水和空氣接觸，實現(xiàn)污水的凈化。3.生物接觸氧化法：在池內(nèi)設(shè)置填料，填料表面附著生物膜，污水在池內(nèi)流動過程中與生物膜接觸，進行有機物的分解。該方法具有處理效率高、占地面積小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于污水處理工程。

（三）生物膜法的特點1.微生物濃度高：生物膜上的微生物密度大，有利于提高污水處理效率。2.抗沖擊負(fù)荷能力強：生物膜中的微生物處于不同的生長階段，對水質(zhì)水量的變化有較強的適應(yīng)能力。3.污泥產(chǎn)量低：生物膜法中微生物代謝產(chǎn)物大部分隨水流沖走，剩余污泥量相對較少。4.運行管理方便：無需像活性污泥法那樣頻繁回流污泥，操作相對簡單。

七、厭氧生物處理（一）厭氧消化的基本原理1.水解階段：復(fù)雜的有機物在微生物分泌的胞外酶作用下，分解為簡單的有機物，如多糖分解為單糖、蛋白質(zhì)分解為氨基酸等。2.酸化階段：水解產(chǎn)物在酸化菌的作用下，進一步轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、醇類等，同時產(chǎn)生少量氫氣和二氧化碳。3.產(chǎn)乙酸階段：酸化產(chǎn)物中的VFA等在產(chǎn)乙酸菌的作用下，轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳。4.產(chǎn)甲烷階段：乙酸、氫氣和二氧化碳等在產(chǎn)甲烷菌的作用下，最終轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。

（二）厭氧生物處理工藝1.厭氧消化池：傳統(tǒng)的厭氧處理設(shè)備，污水在消化池中停留較長時間，通過攪拌使污泥與污水充分混合，進行厭氧消化反應(yīng)。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是處理效率較低，占地面積大。2.UASB（上流式厭氧污泥床）：污水從底部進入，向上流動通過由顆粒污泥組成的污泥床，在上升過程中與污泥床中的微生物充分接觸，進行厭氧消化反應(yīng)。產(chǎn)生的沼氣通過三相分離器分離后排出，處理后的水從上部流出。UASB具有處理效率高、占地面積小等優(yōu)點，是目前應(yīng)用廣泛的厭氧處理工藝之一。3.EGSB（膨脹顆粒污泥床）：在UASB的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，通過提高上升流速，使顆粒污泥處于膨脹狀態(tài)，增加了污泥與污水的接觸面積，進一步提高了處理效率，尤其適用于處理高濃度有機污水。

（三）厭氧生物處理的影響因素1.溫度：厭氧消化分為中溫消化（3035℃）和高溫消化（5055℃），溫度對微生物的代謝活性有重要影響，不同溫度范圍適合不同類型的微生物生長。2.pH值：一般控制在6.57.5之間，pH值過高或過低都會影響微生物的活性。3.有機負(fù)荷：指單位體積或質(zhì)量的厭氧反應(yīng)器在單位時間內(nèi)接受的有機物量，過高的有機負(fù)荷可能導(dǎo)致反應(yīng)器運行不穩(wěn)定。4.有毒有害物質(zhì)：如重金屬、農(nóng)藥等，會對厭氧微生物產(chǎn)生抑制作用，影響處理效果。

八、污水處理廠的設(shè)計與運行管理（一）污水處理廠的設(shè)計原則與流程1.設(shè)計原則：滿足處理后的水質(zhì)要求，技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、運行穩(wěn)定可靠，便于操作管理和維護，同時考慮占地面積、對周邊環(huán)境的影響等因素。2.設(shè)計流程水質(zhì)水量分析：對進水水質(zhì)水量進行詳細(xì)調(diào)查和分析，確定污水處理廠的規(guī)模和處理程度。工藝流程選擇：根據(jù)進水水質(zhì)、處理要求和當(dāng)?shù)貙嶋H情況，選擇合適的污水處理工藝。平面布局設(shè)計：合理安排各處理構(gòu)筑物的位置，考慮水流方向、污泥回流等因素，確保工藝流程順暢。高程布置設(shè)計：確定各處理構(gòu)筑物的高程，保證污水能順利自流通過各處理單元，同時考慮水頭損失等因素。

（二）污水處理廠的運行管理1.水質(zhì)監(jiān)測：定期對進水、出水水質(zhì)進行監(jiān)測，分析各項指標(biāo)的變化情況，及時調(diào)整運行參數(shù)。2.運行參數(shù)控制：嚴(yán)格控制曝氣強度、污泥回流比、污泥齡等運行參數(shù)，確保污水處理效果穩(wěn)定。3.設(shè)備維護與管理：定期對污水處理設(shè)備進行維護保養(yǎng)，檢查設(shè)備運行狀況，及時更換損壞部件，確保設(shè)備正常運行。4.污泥處理與處置：對污水處理過程中產(chǎn)生的污泥進行妥善處理和處置，如污泥濃縮、脫水、填埋、焚燒或制作肥料等，防止污泥對環(huán)境造成二次污染。5.人員培訓(xùn)與安全管理：加強對運行管理人員的培訓(xùn)，提高其操作技能和管理水平，同時建立健全安全管理制度，確保污水處理廠安全運行。

九、水污染控制工程的發(fā)展趨勢1.高效處理技術(shù)的研發(fā)：不斷探索新的污水處理工藝和技術(shù)，提高處理效率，降低處理成本，如新型生物處理技術(shù)、高級氧化技術(shù)等。2.資源回收與綜合利用：注重污水中有用資源的回收和綜合利用，如回收污水中的能源、水