Transcript 第五章水体污染与自净

5.1 水体污染及其危害
5.2 水体自净的基本规律
5.3 污水处理基本方法与系统
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5.1 水体污染及其危害
 定义:水体污染是指排入水体的污染物在数量上超过该物
质在水体中的本底含量和水体的环境容量，从而导致水的
物理、化学及微生物性质发生变化，使水体固有的生态系
统和功能受到破坏。
 本底含量：在未受污染影响的情况下，其化学元素的正常
含量，以及环境中能量分布的正常值，又称环境本底值。
化学元素含量超过了环境背景值和能量分布异常，表明环
境可能受到了污染。
 环境容量：在满足水环境质量标准的条件下,水体所能接
纳的最大允许污染物负荷量,即水体的纳污能力。
 原因：点源污染与面源污染(或称非点源污染)两类。
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5.1水体污染及其危害
5.1.1 水体的物理性污染及危害
指水温、色度、臭味、悬浮物及泡沫等。这类污染
易被人们感官所觉察，并给人们感官不悦。
5.1.2 无机物污染及危害
1．酸、碱及无机盐污染
2．氮、磷的污染
5.1.3 有机物污染及危害
3．硫酸盐与硫化物污染
1．油脂类污染
4．氯化物
5．重金属污染
2．酚污染 包括汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅
（Pb）和铜、锌、钴、锡等。
3．表面活性剂污染
3
5.2水体自净的基本规律
5.2.1水体的自净作用
水体的自净作用的定义：
污染物随污水排入水体后，经过物理的、化学的与生物
化学的作用，使污染的浓度降低或总量减少，受污染的水体
部分地或完全地恢复原状，这种现象称为水体自净或水体净
1．物理净化作用（稀释、混合、沉淀)形态不变，浓度降低，总
化。
 物理、化学作用只能使污染物的存在场所与形态发生改变，
量不减。
水体自净过程非常复杂，按机理可分为3类：①物理净
在水体的存在浓度降低，但不减少污染物总量。
2．化学净化作用（p23）（氧化还原、酸碱反应、吸附与凝聚）
化作用；②化学净化作用；③生物化学净化作用。
生物净化可使污染物总量降低，使水体得到真正的净化。生
形态改变，总量不减。
物净化最终使有机物无机化，由有害向无害转化。
3．生物化学净化作用（p23）
是水体自净的主要原因。形态变
在河流的水体自净中，通常以物理（主要是混合稀释）作用和
化，总量减少。
好氧生物氧化作用为主导。
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废水好氧生物处理中异养微生物的代谢途径
无机代谢产物
少量能量
代谢产物
O2
污水中的可
降解有机物
+ 异养微生物
＋ 能量
(CO2、H2O、NH3…)
(1/3) 分 解 代
谢
(2/3
)
合 成 代
谢
新细胞物质
（C5H7NO2）
～
80%
内 源 呼
内源呼吸产物
+ 能量
(CO2、H2O、NH3、SO42-…)
吸
～
20%
内源呼吸残留物
O2
净增细胞物质
剩余污泥
5
5.2.2水体水质基本模型《流体力学》中解决
5.2.3二维水体水质模型的应用（自学）
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5.2.4 河流氧垂曲线方程----Phelps方程***************
重点
水体自净的主要作用是生化作用，微生物在降解有机
物时需要消耗水中的溶解氧。受有机物污染的河流，水中
溶解氧含量受有机物的降解过程控制 。
有两个相关的水质指标来描述水体的自净过程，一是
BOD,而是DO。
溶解氧浓度是河流水质的指标，是使河流生态系统保
持平衡的重要因素，因此研究DO的变化规律具有很重要的
实际意义。
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两个基本概念:
大气复氧：大气中的氧向水体传递的过程。
亏氧量：一定水温下,饱和DO与实际DO之间的差值。即：
D=Co —Cx
(式5-1)
式中：D ——亏氧量， mg/L ；
Co ——一定温度下、压力，水中饱和溶解氧浓度，mg/L；
Cx——河水中溶解氧含量，mg/L。（实际值）
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5.2.4 河流氧垂曲线方程----Phelps方程***************
重点
1．氧垂曲线——定性描述
有机物进入河流后，好氧分解加剧，消耗大量溶解氧
(DO)，同时河流又从水面上获得氧气（复氧），河水中DO与
时间t的关系见图5-1 。
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图5-1 河流中BOD5及DO的变化曲线
在河水中DO与时间t的关系图中，将呈下垂状的反映河流
中溶解氧含量的曲线称为氧垂曲线。
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2.氧垂曲线方程——菲里普斯方程的建立 ——定量描述
（重点）
方程建立的思路
（1）有机物耗氧动力学
（2）溶解氧变化过程动力学
（3）河流中氧垂曲线方程式——即菲里普斯方程式
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2.氧垂曲线方程——菲里普斯方程的建立——定量描述（重
点）
方程建立的思路
(1)有机物耗氧动力学——基本假设
美国学者斯蒂特—菲里普斯(Streeter-Phelps)于1925年对
耗氧过程动力学研究分析后得出：
当河流受纳有机物后，沿水流方向产生的输移有机物量远大
于扩散稀释量，当河水流量与污水流量稳定，河水温度不变时，
则有机物生化降解的耗氧量与该时期河水中存在的有机物量成正
比（有机物生化降解的耗氧速率等于有机物降解速率），即呈一
级反应，属一维水体水质模型、表达式为：
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应用：BOD5和
BODu的换算。
式中：Lo ——有机物总量，
有机物总量即氧化全部有
BOD5和BODu的换算
机物所需要的氧量，也即河
Lt —— t时刻水中残存
水在允许亏氧量的条件下
Lt  Lo  exp(
 K1t )
的有机物浓度；
（为了保证水质），可以氧
t——时间，d；
化的最大有机物量，一般以
BOD
（式5-4）
5  BODu  exp(5 K1 )
k1，K1 ——耗氧速率常数， BODu表示；（有机物刚开始
BOD5
降解时的水中有机物浓度，
k1=0.434K1。
BODu 
实际计算时要考虑是否有混
exp(5 K1 )
合。
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举例：
时间t：
有机物浓度L：
有机物降解速度：
有机物降解速率：
0d
1d
10mg/L
5mg/L
dL 5  10
mg

 5
dt
1 0
Ld
（式5-5）
dL
5  10
mg


5
dt
1 0
L d
（式5-6）
dL
5  10
mg

5
dt
1 0
L d
（式5-7）
耗氧速率：

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耗氧速率常数，k1=0.434K1推导如下：
k1以10为底的耗氧速率常数，K1以e为底的耗氧速率常
数。由式（5-8）可得：
10-k1t=exp（-K1t）
（式5-8）
两边取以10为底的对数，可得：k1t=K1t lge，从而可
得k1与K1的关系。
（式5-9）
lge=lg2.71828=0.434
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两点注意
注意1：关于式（5-8）中的“-”
假设
t1
t2
L1
L2
dL
  K1L
dt
d L   K1L d t
dL= L2 - L1
dL = - K1 L dt= - K1 L（t2 -t1 ）
dL应该<0,而K1、L、dt均>0,为此需加符号“-”。
注意2：实际使用时进行温度校正。
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（2）溶解氧变化过程动力学
通过河流水面与大气的接触，氧不断溶入河水中，当其他条
件一定时，复氧速率与亏氧量成正比例(未被有机物污染的河流)：
 dO
 k2 D

d
t

 t  0, D  D
o

（式5-9）
式中：k2——复氧速率常数，与水温、水文条件有关，其数值列
于表2-5中（p39）；
O——氧气浓度，mg/L ；
D——亏氧量，D=Co—Cx；
Co——一定温度下，水中饱和溶解氧，mg/L；
Cx——河水中溶解氧含量，mg/L；
Do——河水初始亏氧量。
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（3）河流中氧垂曲线方程式——即菲里普斯方程式
菲里普斯对被有机物污染的河流中溶解氧变化过程动力
学进行了研究后得出结论：河水中亏氧量的变化速率是耗氧
速率与复氧速率之和。
在与耗氧动力学分析相同的前提条件下，亏氧方程也属
一级反应，可用一维水质模型表示：
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亏氧速率=耗氧速率-复氧速率
（式5-10）
对式(2-67)的积分可得：
（式5-11）
注意式(5-11)并非氧垂曲线公式，而是亏氧量公式。
氧垂曲线方程：
-k 1 t
-k 2 t
-k 2 t
K1L0
DOt  C0  Dt  C0 
（10
 10 ） D0  10
K 2 - K1
解释p40
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（4）氧垂曲线方程作用
1)用于分析受有机物污染的河水中溶解氧的变化动态 ；
2)推算确定最大缺氧点即氧垂点的位置及到达时间，并依此
制定河流水体防护措施。
氧垂曲线到达氧垂点的时间，可通过方程式(5-11)求
定，即当 d D =0时：
dt
tc

D0  K 2 - K1   
 K2 

lg 
1



K
K
L

1
1
0





K 2 - K1
（式5-12）
式中：tc——从排污点到氧垂点所需的时间，d。
（式5-13）
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（5）氧垂曲线方程使用注意事项
公式只考虑了有机物生化耗氧和大气复氧两个因素，故仅适用
于河流截面变化不大，藻类等水生植物和底泥影响可忽略不计的
河段；


仅适用于河水与污水在排放点处完全混合的条件；

所使用的k1，k2值必须与水温相适应；
如沿河有几个排放点，则应根据具体情况合并成一个排放点计
算或逐段计算。

按氧垂曲线方程计算，在氧垂点的溶解氧含量达不到地表水最
低溶解氧含量要求时，则应对污水进行适当处理。故该方程式可
用于确定污水处理厂的处理程度。
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3.氧垂曲线方程——菲里普斯方程的应用————
—自学
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5.3 污水处理基本方法与系统
1.现代污水处理技术，按原理可分为物理处理法，化学处理法和
生物化学处理法3类。
物理处理法：利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体物
质。有沉淀法、过滤、筛滤、气浮等。
化学处理法：利用化学反应，分离回收污水中处于各种形态
的污染物质（包括悬浮的、溶解的、胶体的等），有中和、氧化
还原、吸附等。主要处理生产污水。
生物化学处理法：利用微生物的作用，去除水中溶解胶体状
态的物质。
好氧法：（活性污泥、生物膜）好氧微生物作用，城市污水。
厌氧法：厌氧微生物作用，高浓度有机废水、污泥、城市污
水、低浓度有机废水
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2.现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二
级和三级处理。
一级处理：
功能：
1）主要去除ss，以减轻后续生物处理的负担；
二级处理：
2）调节水量、水质、水温等，有利于后续的生物处理。
功能：大量去除胶体状和溶解状有机物，保证出水达标排放
去除效果：EBOD 20~30%, ESS  40~55 %
去除效果：
EBOD 65~95%（活性污泥法），
三级处理：
主要方法：物化法，沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、
EBOD目的：去除二级处理出水中难降解有机物，或脱色、杀菌，或
 65~90% （生物膜法），
加热或冷却等
方法：各种形式的生物处理工艺
脱氮、除磷——防止水体富营养化
方法：
物化法——超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等；
生物法——生物脱氮除磷、曝气生物滤池等
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3.污泥处理的主要方法：

减量处理（浓缩、脱水）

稳定处理（厌氧消化、好氧消化）

综合利用（沼气利用、污泥利用）

最终处置（干燥焚烧、建筑材料）
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城市污水处理厂的典型流程
三级处理
二级处理
原废水
粗细格栅
CL2或其它消毒剂
空气
一级处理
沉砂池
初沉池
曝气池
二沉池
接触池
出水
污泥回流
污泥回流
泵房
集泥井
絮凝剂
污泥
浓缩池
一级
消化池
二级
消化池
污泥脱水
机房
泥饼外运
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Treatment of sewage is often classified
as_
预处理Primary sewage treatment
一级处理
Secondary sewage treatment 二级处理
Tertiary sewage treatment
三级处理
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重点内容
1.画出接纳大量生活污水的河流水BOD与DO的变化曲线，并
分析各污染带的特征以及氧垂曲线方程作用。
2.污水处理程度分一、二、三级，各级的主要任务及处理所
需的主要方法？
3.写出城市污水处理的典型水线和泥线流程。
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