清华大学-水处理工程讲义一

第3节水质标准一、饮用水卫生标准回顾历史，改善的方向：注重水的外观、预防传染病―去除重金属――去除微量有机物----内分泌紊乱物质。

有关的内分泌紊乱物质的提出始于90年代初野生动物学者的会议上。

96年美国开始食品、饮用水中内分泌紊乱物的筛控方法研究。

然后欧洲经济协力开发组织开始研究。

97年日本，定出被怀疑的物质67, 包括：（1）杀虫剂、除草剂，45种；（2）工业原料，有机氯化合物；（3）副产物，如二恶英。

国际上：♦有现代意义的饮用水标准是在本世纪初在美国出现――《公共卫生署饮用水水质标准》1914年，只针对细菌数量由此大大减少了伤寒病死亡的人数。

到1962年期间，有过修订，但主要是针对化学物质、生物学指标和感官指标♦1974年通过了《安全饮用水法》（Safe drinking water act），♦1975年颁布了《国家暂行饮用水基本规则》（National Interim primary drinking water regulations）――美国饮用水水质标准上的里程碑增加了6种有机物的限制♦1979年修改《国家暂行饮用水基本规则》♦1986年提出了《安全饮用水法修正案》（Safe Drinking Water Act Amendments）《暂行规定》 《国家饮用水基本规定》（National Primary Drinking Water Regulations）提出了达到该标准的最佳可行技术（Best available technology）。

以后，不断改进，增加限制有机物的种类。

美国等的情况代表了国际上先进水平水质标准的发展趋势。

有机物指标的数目超过了水质指标总数的2/3，特别是消毒副产物项目的增加。

国内情况：1956年制订了第1个「生活饮用水卫生标准（试行）」，16项水质指标1976年项目修订增加到23项1986 年「――――」GB5749-85共35项，关于有机物指标只有6项2001年6月新标准[生活饮用水卫生规范]二、工业与其它用水标准1．工业用水标准2．其它：游泳、渔业、灌溉三、废水排放标准1．地表水环境质量标准首次发布1983年第1次修订1988年第2次修订1999年GHZB1-1999，2000年1月1日起实施。

第4节水处理方法和工艺流程简介一、给水处理（一）给水处理的基本方法1．去除水中的悬浮物：混凝、澄清、沉淀、过滤、消毒2．变革水中溶解物质：减少、调整如软化、除盐、水质稳定3．降低水温：冷却4．去除微量有机物（二）常规处理工艺以没有受到污染的地面水源为生活饮用水水源时：原水－混凝－沉淀－过滤－消毒－饮用水以去除浊度、满足卫生学标准。

地面水源水质：杂质多、含盐量较低。

工业用除盐水：滤过水－阳离子交换－阴离子交换――除盐水（三）其它水处理工艺1．高浊度水处理工艺2．低温第浊水处理工艺3．微污染水处理工艺4．富营养化湖泊水处理工艺（四）热点问题与发展方向♦有机污染物特别是80年代以后，对有机物的污染特别关注。

已发现在给水水源中有机物种类在2000种以上；饮用水中有700多种。

美国确立了117种优先控制有机物。

我国也确定了12类，58种。

♦病原微生物：新的病原微生物：如贾第虫（Giardia Lamblia）、隐孢子虫等。

♦管网水二次污染：细菌繁殖――水质变差、管道堵塞水处理技术的发展方向：♦加强微量有机物去除：加强常规处理增加预处理（如生物预处理）增加后处理（如活性炭吸附、化学氧化）开发新技术（如膜技术）♦加强消毒：防止各种致病微生物的影响♦消毒副产物的问题：替代氯的其它消毒技术♦管网水二次污染控制：二、废水处理（一）基本处理方法1．物理法：沉淀、气浮、筛网2．化学法：处理溶解性物质或胶体中和、吹脱、混凝、消毒3．生物处理方法：好氧、厌氧（二）城市污水处理一般流程预处理：Preliminary treatment一级处理：Primary treatment二级处理：Secondary treatment三级或深度处理：Tertiary or advanced treatment深度处理一般以污水回收、再用为目的。

BOD去除率SS去除率一级处理20－40 50－70二级处理75－95 75－95存在问题：基建与运行费用高，占地大，剩余污泥产量大，管理麻烦，不能除去氮磷。

《水处理工程》第一篇水和废水物化处理的原理与工艺习题集第一章绪论1.水圈的概念？指出其上界和下界。

2.试概述我国水资源的主要特点。

3.什么叫水的自然循环和社会循环？它们之间存在着怎样的矛盾？水环境保护和水处理工程的主要任务是什么？4.地下水和地面水的性质有哪些主要差别？5.水中杂质按尺寸大小可分成几类？简述各类杂质的主要来源、特点及一般去除方法。

6.简述水污染的概念和分类。

分别列举2个点污染源和面污染源。

7.简要介绍污水中主要污染物类型和对人体的危害。

8.常用的污水水质指标有哪些？选择你认为重要的解释其含义。

9.工业废水一般具有哪些特点？请列举4种工业废水的来源并简述性质。

10.试比较生活污水和工业废水的特征。

11.试讨论水资源合理利用的战略、对策与途径。

12.对于生活用水和工业用水水质主要有哪些要求？13.给水处理有哪些基本方法？其基本流程如何？14.目前我国饮用水水源的主要污染特征是什么？15.对于微污染水源，应采用什么样的饮用水处理工艺？16.对于以富营养化湖泊水为水源的饮用水处理，应采用什么样的工艺流程？17.简述废水处理的基本方法和城市污水的一般处理流程。

18.简述废水处理技术的一级、二级和三级处理。

19.试举例说明废水处理的物理法、化学法和生物法三者之间的主要区别。

20.废水处理工艺的选择应考虑哪些因素？21.试讨论饮用水处理系统和技术的发展方向。

22.试讨论城市污水处理系统和技术的发展方向。

第二章混凝1.简述胶体的动电现象、双电层与 电位。

并试用胶粒间相互作用势能曲线说明胶体稳定性原因。

2.试比较憎水胶体和亲水胶体的特点。

3.混凝过程中，压缩双电层和吸附－电中和作用有何区别？简述硫酸铝的混凝作用机理及其与水的pH值的关系。

4.概述影响混凝效果的几个因素。

5.目前我国常用的混凝剂有哪几种？各有何优缺点？今后的发展方向？6.高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？7.“助凝”的作用是什么？什么物质可以作为助凝剂？8.为什么有时需要将PAM在碱化条件下水解成HPAM？PAM水解度是何涵义？一般要求水解度为多少？9.同向絮凝和异向絮凝的差别何在？两者的凝聚速率(或碰撞速率)与哪些因素有关？10.混凝控制指标有哪几种？你认为合理的控制指标应如何确定？11.混凝过程中，G值的真正含义是什么？沿用已久的G值和GT值的数值范围存在什么缺陷？请写出机械絮凝池和水力絮凝池的G值公式。

●水——水和废水●处理——物化、生化及其组合●目标——饮用、工农业用水；排放、回用7●基本工艺计算？–表面负荷率–废水处理原水⇒混凝⇒沉淀⇒过滤⇒消毒⇒饮用水9●举例：沉淀池课程主要教学内容●应用在什么地方？–给水处理–废水处理20多年平均雨量分布图全国640个城市300个缺水西北地区雨水匮乏200 mm北京: 600 mm东南地区雨水充沛>1000 mm---多年降雨分布图（水利水电科学研究院）水总储量14亿km 3，97%是海水，淡水3%。

直接取用的淡水只有地球总水量的0.2% 。

自然循环社会循环给水工程质与量水气输送22给水工程：取水→给水处理→输配到用户•针对不同的水源水水质•满足工农业和生活对水质与水量的要求。

水质标准不断有新的要求出现第1节水资源循环与特点三、水处理工程的任务地表水污染……七大水系2008年七大水系水质类别比例比较27珠江黄河松花江长江主要水系澜沧江怒江雅鲁藏布江塔里木河辽河海河淮河30•污染最严重湖泊：巢湖、太湖、滇池（三湖）31第2节水污染现状与来源滇池蓝藻爆发32太湖蓝藻爆发•主要污染物：N 、P 、石油类2008年全国近岸海域水质类别37造纸废水未经治理直接排放（人民网）左边的是生活污水，呈暗黑色；右侧为工业造纸污水，呈黄色（人民网）第2节水污染现状与来源38造革废水未经治理直接排放（人民网）40年，我国畜禽粪便产生量达27.5亿吨水污染现状与来源北京水源九厂处理出水（一级COD<60mg/LBOD200mg/LSS <20mg/L3. 城市污水一般处理流程高碑店污水处理厂鸟瞰图62物理方法生化方法物化或生化方法63。

《水处理工程》第一篇水与废水物化处理的原理与工艺( 讲义)黄霞清华大学环境科学与工程系（2003年7）主要参考书：(1)顾夏声等：《水处理工程》第一版，清华大学出版社，1985(2)严煦世、范瑾初编著：《给水工程》第四版，中国建筑工业出版社，1999(3)张自杰等编著：《排水工程》第四版，中国建筑工业出版社，2000(4)George Tchobanoglous, Franklin L. Burton and H. David Stensel: WastewaterEngineering, treatment disposal and reuse, Fourth edition, Metcalf & Eddy, Inc.,（清华大学出版社影印，2002年8月）(5)Ronald L. Droste: Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, JohnWiley & Sons, Inc., 1997(6)《环境工程手册》之《水污染防治卷》，张自杰等，高等教育出版社，1996第一章绪论第1节水资源循环与特点一、中国水资源特点1.人均占有量少淡水总量在全世界占第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东南地区降水量可达1600mm，造成涝灾西北地区降水只有500mm，少的地区不到200mm3.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.许多地区缺水严重三北（西北、华北、东北）和沿海（青岛、大连）在640个城市中，300多个城市缺水。

二、水资源的自然循环与社会循环三、水处理工程的任务给水工程：取水――给水处理――配水针对不同的水源水水质，经处理后满足工农业和生活的对水质与水量的要求。

本章内容第七章膜分离第1节膜分离概述第2节电渗析（Membrane technologies）第3节扩散渗析第4节压力驱动膜分离第七章1第七章2第1节膜分离概述第1节膜分离概述一、膜分离定义一、膜分离定义在某种推动力的作用下，利用某种隔膜特定的透过性能，使溶质或溶剂分离的方法称为二、膜分离分类膜分离。

三、膜分离特点膜溶质透过膜的现象叫渗析；原溶剂透过膜的现象叫渗透。

料渗透物第七章3第七章4第1节膜分离概述第1节膜分离概述二、膜分离分类根据推动力的不同，膜分离有下列几种：三、膜分离特点•可在一般温度下操作，没有相变；•浓度差：扩散渗析（分离离子、小分子）•电位差：电渗析（分离离子）•浓缩分离同时进行；•压力差：反渗透(RO, reverse osmosis)•不需投加其他物质，不改变分离物质的性质；纳滤(NF, nanofiltration)超滤(UF, ultrafiltration)•适应性强，运行稳定。

微滤(MF, microfiltration)第七章5第七章61第1节膜分离概述第2节电渗析一、电渗析原理本节思考题二、离子交换膜(1) 什么叫膜分离？膜分离过程的推动力有几种？三、电渗析器(2) 渗透和渗析有什么区别？四、电流效率与极限电流密度(3)水处理中膜分离方法有哪些？五、电渗析应用第七章7 第七章8第2节电渗析第2节电渗析一、电渗析原理在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、阳离子的选择透过性，分离溶质和水。

阴膜只让阴离子通过；阳膜只让阳离子通过。

Cation, Anion电渗析除盐过程第七章9 第七章10第2节电渗析第2节电渗析•阴极：二、离子交换膜还原反应：H2O →H+ + OH-2H＋＋2e →H2↑阴极室溶液呈碱性，结垢1.离子交换膜的构成离子交换膜与离子交换树脂具有相同的化学结构，可分为基膜和活性基团两大部分：•阳极：氧化反应：4OH－→O2↑＋2H2O ＋4e或2Cl-→Cl2↑+2e 阳极室溶液呈酸性，腐蚀基膜：具有立体网状结构的高分子化合物活性基团：由具有交换作用的离子和与基膜相连的固定离子所组成。

主要参考书目：1）《水处理工程》，第一版，顾夏声等，清华大学出版社，19852)《现代废水生物处理新技术》，钱易等，中国科技出版社，19933）《排水工程》，第三版，张自杰等，中国建筑工业出版社，19964）《水污染治理工程》，黄铭荣、胡纪萃，高教出版社，19955）《废水生物处理数学模型》，第二版，顾夏声，清华大学出版社，19956）《水处理微生物学》，第三版，顾夏声等，中国建筑工业出版社，1998第一章 概述1.1 生物处理的目的和重要性废水生物处理的目的：1) 絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物；2) 稳定和去除废水中的有机物；3) 去除营养元素氮和磷。

废水生物处理的重要性：1)城市污水中约有60%以上的有机物只有用生物法去除才最经济；2)废水中氮的去除一般来说只有依靠生物法；3)目前世界上已建成的城市污水处理厂有90%以上是生物处理法；4)大多数工业废水处理厂也是以生物法为主体的。

微生物在废水生物处理中主要有三个作用：1)去除有机物（以COD 或BOD 5表示），去除其它无机营养元素如N 、P 等；2)絮凝沉淀和降解胶体状固体物；3)稳定有机物。

微生物代谢过程简介：微生物代谢所需要的几个基本要素：能源；碳源；无机营养元素——N 、P 、S 、K 、C a 、M g 等；有时还需要一些特殊的有机营养物（也称生长因子，如维生素、生物素等）废水生物处理中涉及的微生物代谢过程主要有：化能异养型代谢；化能自养型代谢；光合异养型代谢；光合自养型代谢。

生物处理中的重要微生物①细菌：细菌——包括了真细菌(eubacteria )和古细菌(archaebacteria )；——是废水生物处理工程中最主要的微生物；根据需氧情况不同：好氧细菌、兼性细菌和厌氧细菌；根据能源碳源利用情况的不同：光合细菌——光能自养菌、光能异养菌；非光合细菌——化能自养菌、化能异养菌；根据生长温度的不同：低温菌(-10ºC ~15 ºC )、中温菌(15 ºC ~45 ºC )和高温菌(>45 ºC )②真菌：真菌的三个主要特点：1)能在低温和低pH 值的条件生长；2)在生长过程中对氮的要求较低（是一般细菌的1/2）；3)能降解纤维素。

第3节电解法 (2 电解槽的阴极：•与电源负极连接，从电源接收电子还原作用，直接还原有机物•H＋ H2（很强的还原作用） 2.电凝聚：如用铁或铝板作阳极铁或铝离子经水解生成羟基络合物，起混凝剂作用 3.电解气浮：阳极O2，阴极 H2，微气泡产生的气浮第八章 31 第3节电解法二、电解装置—翻腾式电解槽 1.电极板 2.吊管 3.固定卡 4.导流板 5.布水槽悬挂极板更换方便 7.集水槽 8.进水管 9.出水管 10.空气管 11.空气阀 12.排空阀第八章 32 第3节电解法三、电解应用• 处理含铬或含氰废水。

• 处理染料废水、印染废水。

例：处理含铬废水1. 阳极采用铁电极： Fe2+ 2. 阴极：第3节电解法废水中的6价铬直接被还原成3价铬。

Cr2O72- + 6e + 14H+ 2Cr3 + + 7H2O CrO42- + 3 e + 8H+ Cr3+ + 4H2O 同时 2H+ + 2e H2 3. 随着反应进行，废水中H+浓度降低，碱性增加，3 价铬和3价铁以氢氧化物的形成沉淀。

Cr3+ + 3OH- Cr(OH3 Fe3+ + 3OH-Fe(OH3 亚铁离子的还原作用是主要因素。

第八章 33 第八章 34 在酸性条件下，可将废水中的6价铬还原成3价铬： Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ 2Cr3 + + 6Fe3 + +7H2O CrO42- + 3Fe2+ + 8H+ Cr3+ + 4H2O 第3节电解法本节思考题 (1 简述电解原理和装置的类型。

(2 举例说明电解在处理工业废水中的应用。

第八章氧化还原化学氧化技术研究的问题•各种氧化技术机理的深入分析与评价？•氧化速率与物质结构之间的定量结构活性关系（QSAR）？•中间降解产物及其毒性问题？第八章 35 第八章 36 6第八章氧化还原本章总结 (1 物质的氧化还原特性与氧化还原反应的关系。

(2 了解氧化还原法的分类。

第三章C D和雷诺数的关系(球形颗粒)第三章22第三章三、理想沉淀池(1) 颗粒为自由沉淀。

(2) 水流水平流动，过水断面上各点流速相等v 。

(3) 颗粒到底就被去除。

u 0截留速度1. 理想沉淀池工作模型假设L出水区(/)(/4002230012+-+=p u th p p u t h p •计算颗粒去除率（在t 0时刻）：第3节絮凝沉淀第三章38第三章二、拥挤沉降过程曲线交界面等速下降临界沉降点（B,C 区消失）c-d 段污泥压实过程压实高度a-c 段：悬浮物浓度为C 第4节拥挤（分层）沉淀2.不同初始浓度界面下沉速率的计算41第三章涵义：高度为H t 、均匀浓度为C t 的沉淀管中所含悬浮物量和原高度为H 0、均匀浓度为C 0的沉淀管中所含悬浮物量相等。

两沉淀曲线在C t 点前不一致，之后重合。

沉降过程的相似关系3.水深对界面下沉速率的影响(sedimentation tank)一、沉淀池分类二、平流式沉淀池三、竖流式沉淀池四、幅流式沉淀池第5节沉淀池48第三章理想沉淀池工作状况出水区第三章进水区示意图穿孔墙示意图第三章Fr ＝v 2/Rg ，宜大于10-5。

R采用导流墙对平流式沉淀池进行纵向分格第5节沉淀池沉淀区尺寸●高度与前后构筑物的布置有关，一般●长度L 决定于水平流速v –给水：v = 10~25 mm/s –污水：v 一般不大于5 mm/s●L/B>4, L/h>10, 每格宽度大于15m 。

第5节53第三章三角堰（对出水影响不大）出水口示意图54第三章堰出水示意图第三章57第三章58第三章链带刮泥机示意图59第三章刮板式刮泥机示意图第三章刮板式刮泥机第5节沉淀池61第三章第5节沉淀池62第三章第5节沉淀池69第三章竖流式沉淀池反射板示意图A=Q/v设（注意A的算法）→有效水深h＝v设T 设第5节沉淀池74第三章适用于大水量，但占地大，机械维修，配水条件差。

中央进水幅流式沉淀池示意图中央进水幅流式沉淀池第三章幅流式沉淀池刮泥板第5节沉淀池第三章幅流式沉淀池刮泥板第三章幅流式初次沉淀池79第三章出水堰示意图第5节沉淀池计算：由q 设→A ＝Q /q 设h ＝u 设T 设(u 设:1.5~3m/h; T 设:1.5~2.5h)h82第三章(1)周边进水中心出水向心幅流式沉淀池第三章(2)周边进水周边出水向心幅流式沉淀池表面负荷可提高约1倍。

第3节水的混凝机理与过程一、铝盐在水中的化学反应铝盐最有代表的是硫酸铝Al2(SO4)3⋅18H2O，溶于水后，立即离解铝离子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在。

在水中，会发生下列过程。

1．水解过程配位水分子发生水解：[Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++ H+…….其结果是：价数降低，pH降低，最终产生――Al(OH)3沉淀2．缩聚反应－OH－发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物）……..其结果是：电荷升高，聚合度增大同时多核羟基络合物还会继续水解。

因此，产物包括：未水解的水合铝离子单核羟基络合物多核羟基络合物氢氧化铝沉淀各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。

二、混凝机理水的混凝现象比较复杂。

至今尚未有统一认识。

凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ）混凝：包括两者1．压缩双电层根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。

电解质加入――与反离子同电荷离子↑――压缩双电层――ζ电位↓――稳定性↓――凝聚ζ电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要ζ电位＝0，只要使Emax=0即可，此时的ζ电位称为临界电位。

示例：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三角洲。

叔采－哈代法则可以适用，即：凝聚能力∝离子价数6但该理论不能解释：1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。

这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来源于范得华力、氢键及共价键力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。

2．吸附-电性中和这种现象在水处理中出现的较多。

指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低ζ电位。

这一点与第1条机理不同。

在铝盐混凝剂的过程中，水解的多核羟基络合物主要起吸附电性中和作用。

在水处理中由水合的Al3+产生的单纯的压缩双电层作用甚微。

3．吸附架桥指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥高分子投量过少，不足以形成吸附架桥，但投加过多，会出现“胶体保护”现象。

《水处理工程》第一篇水与废水物化处理的原理与工艺( 讲义)黄霞清华大学环境科学与工程系（2003年7）主要参考书：(1)顾夏声等：《水处理工程》第一版，清华大学出版社，1985(2)严煦世、范瑾初编著：《给水工程》第四版，中国建筑工业出版社，1999(3)张自杰等编著：《排水工程》第四版，中国建筑工业出版社，2000(4)George Tchobanoglous, Franklin L. Burton and H. David Stensel: WastewaterEngineering, treatment disposal and reuse, Fourth edition, Metcalf & Eddy, Inc.,（清华大学出版社影印，2002年8月）(5)Ronald L. Droste: Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, JohnWiley & Sons, Inc., 1997(6)《环境工程手册》之《水污染防治卷》，张自杰等，高等教育出版社，1996第一章绪论第1节水资源循环与特点一、中国水资源特点1.人均占有量少淡水总量在全世界占第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东南地区降水量可达1600mm，造成涝灾西北地区降水只有500mm，少的地区不到200mm3.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.许多地区缺水严重三北（西北、华北、东北）和沿海（青岛、大连）在640个城市中，300多个城市缺水。

二、水资源的自然循环与社会循环三、水处理工程的任务给水工程：取水――给水处理――配水针对不同的水源水水质，经处理后满足工农业和生活的对水质与水量的要求。