《水污染与控制》PPT课件.ppt

水污染与控制水污染与控制2.1 概述概述2.1.1 水的功能水的功能 在自然界不论是生活、生产活动或生态环境都离不开水。人体一旦失去体内水分10%，生理功能将严重紊乱；失去水分的20%，人很快就会死亡。人每天至少需要22.5L的水，一般需要5L水。工业对水的需求量更大，除了用于冷却、加工、沸蒸和传送外，水还用于空调和清洗。农业用水在全球用水中所占比例最大，约占73%。为了保护环境，维持生态平衡，必须保持江河湖库一定的水量，以满足鱼类和水生生物的生长，冲洗农田盐份入海，保持水体自净能力和旅游等的需要。水还是自然界中最好的溶剂，天然物质和人工生成的物质大多数可溶解在水中。天然水从本质上看，应属于未受人类排污影响的各种天然水体中的水。因为人类活动的扩展，这种水目前在日益减少。天然水的化学组成及其特点是在长期的物质循环、短期的水循环以及各种生物循环中形成的，它与大气圈、岩石圈、土壤圈以及生物圈相互接触时进行频繁的化学与物理反应，同时进行物质与能量的交换。因此，水的化学组成经常在变化。2.1.2 水资源概念及分布水资源概念及分布一、水体 地球表面的江、河、湖、海、沼泽、冰川以及地下水统称水体。水体中不仅包括水（H2O），也包括悬浮物、溶解性物质、水生生物和底泥等。二、水资源 逐年可以得到更替、在较长时间内可以保持动态平衡的水量，常称为“水资源”。广义上的水资源，指地球水圈中各个环节和各种形态的水都称为水资源，因为它们之间是密切相关的，对人类没有直接的使用价值。狭义上的水资源，指直接可供人们经常取用的水，即在陆地上由大气降水补给的各种地表水、浅层地下水。三、水资源分布 地球上储存的水是极其丰富的，天然水总量大约为亿立方千米，而淡水只占只占总水量的2.5%。人类可直接利用的仅占总储量的 0.2-0.3%。近二十年来，世界用水量几乎以4%左右的速度递增。我国人均水量居世界第88位，只有2000多立方米。潜在的缺水危机十分严峻。联合国环境规划署的报告显示，水荒可能会类似于现在的石油危机一样，成为21世纪人类面临的最严重的自然资源难题。见后图及表 天然水的性质及水中的主要物质天然水的性质及水中的主要物质 一、水的性质由于水分子中含有氢键，因此水具有一些独特的性质：（一）水的介电常数比其他任何液体都高，这使得大多数离子性物质易溶于水中。在生命体的新陈代谢过程中，起了营养物质和废弃物质的基本输送介质作用。（二）水具有很高的热容性，达4.186kJ/K，环境中天然水体对于其临近区域的气温具有缓冲和稳定的重要作用；（三）水的汽化热也明显高于其他任何物质。不仅同样具有稳定水体周围地理环境温度的功效，对于调节环境气温有明显的作用；（四）水在277 K时密度最大，当水温降到273 K时就会结冰。由于水的密度不及下层水体，冰只能停留在表层水上，浮冰下面的水仍保持液体状态。这种特殊的密度温度关系对于防止水体的完全冻结、保护水生生物的生存条件有致关重要的意义。二、水体溶解的主要气体溶解与水中的气体以氧气和二氧化碳意义较大，这影响水生生物的生存和繁殖以及水中物质的溶解、化合等化学性质和生物化学行为。水中溶解的氧气，一般在 014mg/L之间若水中氧气过饱和时氧气就会从水中逸出。河水与湖水中的二氧化碳含量一般均在2030mg/L以下，地下水中含量较高，海水最低。若水中二氧化碳过饱和时二氧化碳也会从水中逸出。天然水中有时含有少量的硫化氢，由于硫化氢易于氧化，空气中的硫化氢分压很低，水中的硫化氢易于逸出。三、水中溶解的主要矿物质硅：水中硅的来源于矿物的风化。硅的产物是一种多核的硅酸盐。硅酸盐是水生生物所必须的养分。铝：水中的铝来自含铝矿物质。其化学形态取决于pH值。pH4时常以Al（H2O）62+水合态存在；时可生成Al（OH）（H2O）62+，pH10时铝可呈Al（OH）-4。镁：镁是形成水硬度的主要成分之一。河水中镁的典型浓度为1.610-7mol/L，海水为0.05mol/L。钠和钾：低水平的钠对人体无直接危害，钾是植物的基本营养物质。锰：在含氧的水体中，锰常以二氧化锰的形式出现。二价锰在城市自来水中，二氧化锰是一项控制较严的水质指标，的生物毒性低，氮：含氮化学物质在水化学中占有重要地位。无机氮的主要化学品种分别是NO-3和NH+4。磷；天然水中磷的来源包括含磷矿物、磷肥径流以及洗涤剂废水的污染。硫：矿物、酸性矿水、酸雨等是天然水中硫的来源。淡水中，重要的阳离子为钙、镁离子：海水中大量的阳离子是钠离子。淡水中溶解的盐为海水的两千分之一。四、水资源危机水资源危机当一个地区的需水量大于水资源的供水能力时的缺水现象，也称“水荒”。主要表现在：淡水资源短缺从18世纪到19世纪，人类提取的淡水资源量增加了35倍，比人口增长速度高2倍。淡水污染淡水污染主要有：生活废水、工业废水和含有农业污染物的地面径流等。争夺淡水资源在许多干旱和半干旱地区，淡水成为决定经济发展的重要限制因素。海洋污染海洋污染的主要来源有：城市废水和农业径流、空气污染、船舶、倾倒垃圾等。2.1.4 水体污染及其来源水体污染及其来源 一、水体污染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。造成水体污染的原因为自然和人为污染两个方面，环境学上说的水体污染，专指人为的污染。引入水环境的污染物中较常见的有四类，即持久性污染物、非持久性污染物、酸和碱（以pH值表征）、热（以温度表征）。持久性污染物是指在地面水中不能或很难由于物理、化学、生物作用而分解、沉淀或挥发的污染物。非持久性污染物是指在地面水中由于物理、化学、生物作用而逐渐减少的污染物。二、水体污染源向水体排放或释放污染物的来源或场所，称为水体污染源。迄今为止，尚无最佳的或统一的分类方法。本书按产生污染物行业性质分类：可分为工业污染源、农业污染源、交通运输污染源和生活污水污染源等数种。而常用的分类一般来讲也指这种分类。（一）工业废水：工业生产过程中排放的废水。可分为生产污水和生产废水。工业污染往往是点污染源。1、工业废水的主要特点（1）悬浮物含量高，可达1003000mg/L；（2）生化需氧量（BOD）大，可达2005000mg/L；（3）酸碱度变化大，pH值的变化在511，甚至低至2高至13。（4）温度高，可高达40，造成热污染；（5）因常含低沸点的挥发性液体，易燃；（6）具有多种多样的有毒有害成分；（7）排放量大，污染范围广，方式复杂；（8）污染物种类繁多，浓度被动幅度大；（9）恢复比较困难。（三）农业废水：是农业生产产生的废水。往往是非点污染源。1、农业污水的主要特点：（1）它具有三个不确定性，即在不确定的时间内，通过不确定的途径，排放不确定数量的污染物；（2）用水量大，并且是非重复用水；（3）含有机质、植物营养素及病原微生物高；（4）含较高的化肥和农药。2、农业污水主要来源：（1）农作物栽培中的喷洒农药和施用化肥；（2）牲畜饲养的集中化；（3）食品加工。（四）交通运输污染源：是交通运输过程中直接或间接产生的废水。1、交通运输污染源的特点：多发生在城市或人口密集区及各类人类活动的水域。2、交通运输污染源的来源：各类交通运输工具。三、水体污染物造成水体的水质质量恶化的各种物质和能量都可以叫做水体污染物。（一）固体污染物在水中有三种存在形态：溶解态（颗粒直径小于1nm）、胶体态（直径介于1200nm）和悬浮态（直径大于100nm）。常用悬浮物和浊度两个指标来表示。悬浮物：这是一项重要的水质指标，去除水中的悬浮物是废水处理的一项基本任务。浊度：是对光传导性能的测量，其值可表征废水中胶体和悬浮物的含量。水中溶解性固体主要是盐类，胶体成分是造成废水浑浊和色度的主要原因。（二）耗氧（或需氧）有机污染物绝大多数的耗氧污染物是有机物。在好氧菌的作用下可分解为无机化合物、二氧化碳和水等，分解时消耗水中的溶解氧。水体中溶解氧含量低于4mg/L，就会对水体鱼类造成危害，若低于1mg/L，就会使水质腐败产生恶臭。对于大多数水生系统，溶解氧的浓度任何时候都不应低于310-6，且每天的大部分时间都应高于510-6。水生生态系统氧浓度的变化会导致物种的组成发生变化。在工程实际中，采用的综合水质污染指标是：化学需氧量（COD）是指在酸性条件下，用强的化学氧化剂将有机物氧化成CO2、H2O所消耗的氧量。以每升水消耗氧的毫克数表示（mg/L）。COD越高，水受有机污染物的污染越严重。生化需氧量（BOD）在有氧条件下，由于微生物的活动，降解有机物所需的氧量。以每升水消耗氧的 毫克数表示（mg/L）。BOD越高，表示水中耗氧有机物污 染越严重。耗氧过程与温度、时间有关。在实际测定中，温度规定为20。以此温度，一般有机物需20天左右才能基本完成第一阶段的氧化分解过程，其需氧量用BOD20表示，这可视为完全生化需氧量。在实际测定中，20天时间太长，目前普遍采用在20条件下培养5天的生物化学过程需要氧的量，称为BOD5，简称BOD。BOD5在一定程度上反映了有机物在一定条件下进行生物氧化的难易程度，这就使它具有很大的使用价值。一般来说CODBOD20BOD5CODMn。其中BOD5/COD作为废水是否适宜生化法处理的一个衡量指标。比值越大，越容易被生化处理。一般认为BOD5/COD大于0.3的废水才适宜采用生化处理。总需氧量（TOD）有机物主要元素是C、H、O、N、S等，燃烧后将产生CO2、NO2、SO2、和H2O这一过程所消耗的氧量。它一般大于COD的值。其测定方法是：向氧含量已知的氧气流中注入定量的水样，将其放入以铂为触媒的燃烧管中，在900下燃烧，水样中的有机物即被氧化，从而消耗掉氧气流中的氧气，剩余氧气量可用电极测定，氧气流中原有氧量减去剩余氧气量的值即为TOD。总有机碳（TOC）这是近年来发展起来的水质快速测定方法，通过废水中的总有机碳量可以表示有机物的含量。（三）有毒污染物废水中能对生物引起毒性反应的化学物质。毒物是重要的水质指标，废水中的毒物可分为三类：无机有毒物质、有机有毒物质和放射性物质。无机有毒物质这类物质具有强烈的生物毒性，都具有 明显的累计性，可使污染影响持久和扩大。包括金属和非金属。其中主要是重金属污染。（汞、镉、铬铅、镍、铜、锌、钴、锰、钛、钒、钼和铋等）重要的非金属有毒物有砷、硒、氟、硫、亚硝酸根等。有机有毒物质水环境中有机污染物的种类繁多，其环境化学行为人们至今还知之甚少。这些污染物，如多环芳烃、有机氯等通过迁移、转化富集或食物链循环，危及水生生物及人体健康。许多有机毒物具有三致效应（致畸、突变、癌）和蓄积效应。后表为一些有毒有机物的急性致死剂量 放射性污染物主要引起慢性辐射和后期效应。如诱发癌症、白血球增生、引起遗传损害。一些有毒有机物的急性致死剂量（LD50半致死剂量）化合物化合物暴露暴露LD50蓖麻毒素（蓖麻子）蓖麻毒素（蓖麻子）小鼠静脉注射小鼠静脉注射3ng/kg大鼠口服大鼠口服100mg/kg二恶英二恶英天竺鼠口服天竺鼠口服600ng/kg仓鼠口服仓鼠口服3mg/kg蕈毒碱（蘑菇毒素）蕈毒碱（蘑菇毒素）小鼠静脉注射小鼠静脉注射250g/kg黄曲霉毒物（真菌毒素）黄曲霉毒物（真菌毒素）猴子口服猴子口服1.75mg/kg尼古丁尼古丁猫静脉注射猫静脉注射2mg/kg大鼠口服大鼠口服53mg/kgDDT（四氯笨基三氯乙烯）人类口服人类口服50mg/kg2，4D（二氯笨氧基乙酸）人类口服人类口服80mg/kg（四）富营养化污染富营养化是一种磷等植物营养物质含量过多引起的水质污染现象，可分为天然和人为富营养化，共同点在于都是水体中的氮、磷等营养物质的富集。富营养化是湖泊分类和演化的一种概念，是湖泊水体老化的一种自然现象。天然富营养化的过程极其漫长，在自然条件下，这一历程需要几万年至几十万年。人为富营养化的演变速度非常快，可在短期内使水体变为富营养状态，这种演变可发生在湖泊、近海、水库甚至水流速度较缓慢的江河。（五）生物污染物质主要指废水中的致病性微生物，包括致病细菌、病毒和寄生虫卵等。病原微生物的水污染历史最久，至今还是危害人类健康和生命的重要水污染源。水质标准中的细菌学指标有细菌总数、总大肠杆菌及游离余氧。（六）油类污染物 油类污染物包括“石油类”和“动植物油类”。主要是工业排放、海上采油和油船意外事故等。一滴石油在水面上可形成0.25m2 的油膜，它的危害是破坏自然风景；严重危害水生生物；沸点在300400的稠环芳烃多为致癌物；油膜厚10-4cm就会阻碍水的蒸发和氧气进入，引起水面火灾。除以上六类外还有：无机无毒物质（酸、碱、盐污染物）所谓无机无毒物质主要指排入水体中的酸、碱及一般的无机盐类。酸、碱废水的水质标准以pH值表征其含量水平。感官性状污染物污染物能引起水的异色、浑浊、泡沫、恶臭等现象。水质标准中，对色度、臭味、浊度、漂浮物等指标都有相应规定。热污染废水温度过高引起的危害，称为热污染。四、水质指标水质，即水的品质。在环境工程中常用“水质指标”衡量水质的好坏，也就是表征水体受到污染的程度。这些参数有物理、化学和生物学指标三大类。（一）物理指标温度温度过高，水中溶解氧减少，会使水体缺氧或水质恶化。色度感官性指标，纯净的天然水无色透明。废水稀释到与参比水样色差一样时的稀释倍数，即为废水的色度。嗅和味感官性指标，天然水无嗅无味。当水体受到污染后会产生异样气味。固体物质水中所有残渣的总和称为总固体（TS），包括溶解性固体（DS）和悬浮固体（SS）。（二）化学指标在水体污染物中已做介绍，这里省略。值得一提的是：溶解氧（DO）溶解于水中的分子氧。还有植物营养元素N、P及pH值。DO越少，水体污染程度越严重，清洁河水中的DO一般在5mg/L左右，低于3-4mg/L鱼类的生存就发生困难。过多的N、P进入天然水体会使水体富营养化。世界卫生组织规定的饮用水标准中pH值的合适范围是7.08.5，极限范围是6.59.2；对于农业用水pH值在4.59.0之间。（三）生物学指标 细菌总数反映水体受细菌污染的程度。大肠菌群最基本的粪便指示菌群，可表明水体被粪便污染的程度及有肠道病菌存在的可能性。2.1.5 水体自净一、水体自净污染物排入水体后，一方面破坏了原有的物质平衡，造成了污染；另一方面，污染物也参与水体中的物质转化和循环过程，通过一系列的物理、化学、物理化学和生物化学作用，污染物被分离或分解，使水体基本上或完全地恢复到原来的状态，恢复了原有的生态平衡，这个过程叫水体自净。水体的自净能力是有限度的，若水体中污染物的数量超过了水体自净能力，水体污染就发生了。二、水体自净机制水体自净机制可分为三种：物理过程污染物稀释、扩散、挥发、沉淀和混合,使浓度降低，但总量不减。化学和物理化学过程污染物氧化、还原、分解、还 原、分解、化合、凝聚、中和等反应。存在形态发生 变化及浓度降低，但总量不减。生物化学过程污染物进入水体后，在水中的微生物的氧化分解作用下分解为无机物而使污染物浓度降低。总量减少。生物化学净化作用是水体自净的主要因素。生化自净过程需要消耗氧。氧的消耗过程主要取决于水体的有机污染物数量，氮氧的数量和废水中无机性还原物数量。复氧过程为：大气中的氧向水体扩散，增加水中的溶解氧；水生植物在阳光照射下进行光合作用放出氧气。下一张的图表示有机物的生化降解过程。以一条受到污染的小河为例。我们注意一下（生化需氧量）BOD和溶解氧DO的变化。2.1.6 废水排放标准废水排放标准废水排放标准是根据水环境的质量标准要求，并考虑到技术经济的可能性和环境特点，对排入环境的污染物数量或浓度作分级的限量规定。一、污染物的分类标准环境的标准均为国家标准，用GB表示。GB89781996污水综合排放标准将污染物按性质和控制方式分为两大类：第一类污染物能在环境和动植物体内蓄积，对人体健康产生长远的不良影响。此类废水不经处理决不允许排放。第二类污染物的长远影响小于第一类，其采样点为排污单位排放口。水质指标非常多，视排污企业而定。分为三级标准，一级标准要求最严。实施时视受纳水体的性质而采用不同的标准。二、受纳水体的分类GB383888地面水环境质量标准按地面水水域使用目的和保护目标，将水划分为五类：类：适用于源头水，国家自然保护区；类：适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场等；类：适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区，一般鱼类保护区及游泳区；类：适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；类：适用于农业用水区及一般景观要求水域。对同一水域有多类功能的，依最高功能划分类别。一妇女在覆盖着垃圾的河里取水。浙江省温州市温瑞塘河支流污染令人触目惊心。污水瀑布一样排向黄河主干道 06年3月22日，兰州“黄河母亲”雕塑向西1000多米长的南侧河面被严重污染。三门峡大坝出水口处的水质污染十分严重（05年1月9日摄）。2002年6月10日至12日，我国河南省襄城县紫云镇黄南村新寨水库中大量死鱼漂浮在水面上。新寨水库水域面积400多亩，由于水库上游企业长期将生活垃圾和工业污水不加任何处理直接排入水库，致使水体污染严重，导致当地农民承包养殖的至少10万公斤活鱼死亡。这是2003年5月28日，在伊拉克首都巴格达附近，一名少年在一片废水中游泳。伊拉克人使用被污染的水，已经引发了严重的健康问题。2002年3月21日，在印度城市加尔各答街头，人群熙熙攘攘。最近公布的人口统计数字表明，拥有1000万人口的加尔各答已经成为该国人口密度最高的城市。20世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了5倍。世界上许多国家正面临水资源危机：12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施，每年有300万到400万人死于和水有关的疾病。水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏严重威胁人类生存。这是2006年4月2日，在印度尼西亚首都雅加达，一名男子乘船经过一条浮满垃圾的运河五色河流违规排污口肆无忌惮的将工业废水直接排到渤海工业污水已将海水染成了“五颜六色”这是1989年美国埃克森航运公司的油轮在阿拉斯加附近海面上形成的8英里长，3.5英里宽的原油泄漏污染带。2000年6月25日，几只企鹅在南非罗本岛海岸上清理满是油污的羽毛。在这之前，一艘载有1400吨原油的轮船在罗本岛附近海域沉没，造成海上污染并危及栖息在这里的5700多对企鹅。城乡的污水排放城乡的污水排放河道污染 三、废水排放标准GB89781996 污水综合排放标准规定，废水排放标准的分级是按受纳水体的使用功能要求和废水排放去向而划分的。（一）特殊保护水域（GB383888中第一、第二类水域）不得新建排污口，从严控制，保证受纳水体水质要求。（二）重点保护水域（GB383888中第三类水域及海洋二类水域）对排入区水域的水执行一级标准。（三）一般保护水域（GB383888中第四、五类水域及海洋三类水域）对排入区水域的水执行二级标准。（四）对排入城镇下水道并进入二级废水处理厂进行生物处理的废水执行三级标准；对于未排入二级废水处理厂的城镇下水道的废水，按要求规定办理，执行相应的标准。2.2 污水的物理处理法污水的物理处理法物理处理法的基本原理是利用物理作用使悬浮状态的污染物质与废水分离。此方法污染物的性质不发生变化。常用的有过滤法、沉淀法、浮选法等。2.2.1 过滤法一、格栅与筛网过滤格栅通常是废水处理的第一道设施，截阻粗大的悬浮物和漂浮物。栅条的截面多为10mm 40mm，栅条空隙为1575mm（35mm以下为细隙，以上为粗隙）。筛网用于截留粒度在数十mm以下的细碎悬浮态杂物。孔径一般小于5mm，最小可到0.2mm。格栅和筛网即要能截留污物，又要便于卸去截留污物及安放清理。二、粒状介质过滤（砂滤、滤料过滤）（一）过滤机理阻力截留当废水自上而下通过滤料层时，滤料空隙随颗粒较大的污物沉降，使得滤料空隙越来越小，截污能力随之增高。称为阻力截留或筛滤作用。重力沉降废水通过滤料层时，众多的滤料表面提供了巨大的沉降面积。接触絮凝滤料的表面积与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。实际过程中，上述三种作用往往同时作用。（二）过滤工艺过程该工艺包括过滤和反洗两个基本阶段，过滤即截留污物；反洗即把污物从滤料层中洗去，使之恢复过滤功能。2.2.2 沉淀法一、沉淀的基本类型（一）分离沉淀颗粒之间互不聚和，单独进行沉淀。（二）混凝沉降在混凝剂的作用下，废水中的胶体和细微悬浮物凝聚为具有可分离性的絮凝体，然后用采用重力沉降分离。（三）区域沉降悬浮物含量较高时，由于颗粒间距离较小，其间的聚合力能使其集合成为一个整体，并一同下降，同时颗粒间的位置不发生变动，在澄清水中逐渐向下移动。（四）压缩沉降悬浮固体浓度很高时，颗粒相互接触，挤压，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的水被挤出，颗粒群体被压缩。这种现象发生在沉淀池底部或浓缩池中。二、沉淀池类型沉淀池的工作原理是让欲沉淀处理的水在池中缓慢地流动，使悬浮物在重力作用下沉淀。其类型为：（一）平流式废水按水平方式从一端在池内流动，悬浮物逐渐沉底，澄清水从另一端溢出。（二）辐流式污水自进水管进入中心管后，通过筒臂上的孔口和外围的环形穿孔挡板，沿径向呈辐射状流向沉淀池周边。因过水面积不断增大，流速逐渐变小，颗粒沉降下来，澄清水溢出。（三）竖流式污水由中心管的下部进入池中，通过反射板拦阻向四周分布于整个水平断面上，缓缓向上流动。沉将速度超过上升流速的颗粒则向下沉降，澄清的水由顶部堰口溢出。（四）斜板、斜管式根据浅池理论设计的新型沉淀池如将水深为H的沉淀池分隔为n个水深为（H/n）的沉降单元，此时颗粒的沉降深度由H减少到（H/n），也就是说，当沉淀区长度为为原沉淀区长度L的（1/n）时，就可以处理与原来沉淀池相同的水量，并达到完全相同的处理效果。在理想沉淀池中对悬浮颗粒自由沉降的理论分析可推出以下两个关系式：u0=Q/A 和 t=H/u0前式说明当废水流量Q 一定时，沉淀池面积增大，使悬浮物流速u0变小，可以使更多的悬浮物沉淀下来。后式说明水深H降低，若u0不变，则沉淀时间t可以缩短，沉降效率得到提高。2.2.3 气浮法气浮法就是用大量微小气泡作为载体去黏附废水中微细的疏水性悬浮物，形成泡沫层后除去。疏水性物质易气浮，亲水性物质不易气浮。气浮时要求气泡分散度高量多。泡沫层稳定性要适当，既要浮渣稳定在水面上，又不影响浮渣的运送和脱水。常用产生气泡的方法有两种：机械法使空气通过微孔管、微孔板、带孔转盘等产生微小气泡；压力容器法将空气在一定的压力下溶于水中，并达到饱和状态，然后突然减压，过饱和的空气便以微小气泡从水中逸出。2.3 生物处理法生物处理法生物处理法是利用自然环境中微生物的生物化学作用来氧化分解废水中的有机物与某些无机毒物，并将其转化为稳定的无害物质。主要方法有两大类，好氧氧化法和厌氧还原法，近年来厌氧-好氧联用工艺颇受重视。2.3.1 好氧生物处理一、好氧菌的生化过程好氧菌的生化过程见后图，好氧菌通过代谢活动使废水中1/3的有机物被分解转化或氧化，同时释放出能量作为好氧菌自身生命活动的能源，称为异化分解。另外2/3的有机物则作为其生长繁殖所需要的构造物质，合成为新的原生质（细胞质）称为同化合成过程。在废水中有机物浓度不高（BOD5含量在100-75mg/L），供氧速率满足需要时，常采用此法。二、活性污泥法（一）概述好氧菌、好氧菌所吸附的有机物和好氧菌代谢活动的产物所组成的聚集体，具有很强的分解有机物的能力，称之为“活性污泥”。这种生物处理方法就是活性污泥法。活性污泥法的净化作用是通过两个步骤完成的：第一步为吸附阶段。第二步为氧化阶段。为达到良好的好氧生物处理效果，需满足三点要求：要有充足的氧和适当浓度的有机物（作细菌营养料）要有搅拌混合设备，使好氧菌和有机物充分接触；活性污泥易于与水分离。活性污泥法基本流程；见后图活性污泥法系统有曝气池、二次沉淀池、污泥回流装置和曝气系统组成。三、生物膜法当废水长期流过固体滤料表面时，微生物在介质“滤料”表面上生长繁育，形成黏液性的膜状生物性污泥，称之为“生物膜”。利用生物膜上的大量微生物吸附和降解有机污染物的水处理方法。由于微生物是固着生长于介质滤料表面，故也称“故着生长法”。生物膜法分为三种：润壁型废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，生物滤池、生物转盘等。浸没型接触滤料固定在曝气池内，完全浸没在水中，采用鼓风曝气，接触氧化法。流动床型使附着有生物膜的活性炭、砂等小粒径接触介质悬浮流动于曝气池内。（一）基本原理生物膜具有很大的表面积。膜外附着一层薄薄的缓慢流动的水层，称俯着水层。在生物膜内外、生物膜与水层之间进行着多种物质的传递过程。废水中的有机物由流动水层转移到附着水层，进而被生物膜所吸附。空气中的氧溶解于流动水层中，通过附着水层传递给生物膜，供微生物呼吸用。在此条件下，好氧菌对有机物进行氧化分解和同化合成，产生的CO2和其 他代谢产物一部分溶入附着水层，一部分析出到空气中 （即沿着相反方向从生物膜经过水层排到空气中）。如 此循环往复，废水中的有机物不断减少，废水得以净化。生物膜厚度一般。在废水处理过程中，生物膜经历着不断生长、不断剥落和不断更新的演变过程。（二）生物膜法净化设备生物滤池由滤布、布水设备和排水系统组成，可分为普通、高负荷和塔式生物滤池三种形式。滤料一般采用碎石、卵石或炉渣等颗粒。粒径2.5-4cm 垫料粒径7-10cm。高负荷式的滤料粒径4-10cm，滤料层较厚2-4m。塔式的料层厚度大于8m。见后图 生物转盘以一系列绕水平转动的盘片（D一般2-3m）代替固定的滤料，盘片半浸没在水中。见后图 生物接触氧化法曝气生物滤池本设备实际上是生物滤池和活性污泥曝气池的综合体。池内挂满各种挂膜介质，全部滤料浸没在废水中。废水中的有机物被吸附于滤料表面的生物膜上，被好氧菌分解氧化。见后图生物流化床悬浮载体流化床该型设备由于载体粒径很小，单位容积内具有巨大的表面积，能保持高浓度的好氧菌数，效率比普通活性污泥法高10-20倍。该型设备气固液三相直接在流化床体内进行生化反应。见后图用好氧菌处理废水不产生带臭味的物质，所需时间短，大多数有机物均能处理。但不适宜处理高浓度的有机废水和污泥。2.3.2 厌氧生物处理该法要保证无氧环境，主要依赖厌氧菌和兼性菌的生化作用完成处理过程。（一）厌氧菌的生化过程整个生化过程分为两个阶段第一阶段是酸性发酵阶段，因此阶段pH值下降。第二阶段是碱性发酵阶段，因此阶段pH值上升。厌氧生物处理的最终产物为气体，以CH4、CO2为主，还有少量的H2S和H2。必须具备的条件是：绝氧；pH值；保持甲烷菌活动的温度范围；污物中的有毒物质的浓度不能超过细菌的耐受极限。要供给细菌所需要的N、P等物质。生化过程图见后二、常用的厌氧处理设备常用的厌氧处理设备有污泥消化池（化粪池）、厌氧生物滤池、升流式厌氧污泥池。升流式厌氧污泥床（UASB）是一种新型的厌氧生物反应器，该反应器的负荷能力很大，特别适合处理一般的高浓度的有机废水。2.3.3 自然条件下的生物处理利用天然水体和土壤中的微生物净化废水的方法。一、生物稳定塘利用天然或人工池塘中存在的微生物和藻类，对废水中的有机物进行好氧、厌氧生化处理。其类型为：好氧塘水深0.5m左右，水体中含氧充足，好氧菌起主要作用。见后图兼性塘水深1-2m，上部溶解氧比较充足，下部溶解氧不足，兼氧菌起主要作用。见后图厌氧塘水深大于2.5m，BOD物质负荷很高，底部一般有0.5-1m的污泥层，厌氧菌起主要作用。曝气塘水深3-4.5m，由于塘水表面安装浮筒式曝气器，全部塘水保持好氧状态。二、废水土地处理法利用土壤微生物植物组成的生态系统使废水中的污染物得到净化。由于土壤的物理特性、物理化学特性、化学特性，微生物的分解特性，植物的吸收特性共同作用于废水，使得废水中的污染物被分解、分化、吸收等，最终使得废水资源化、无害化、稳定化。生物处理法投资少、效果好、运行费用低，在城市废水和工业废水处理中得到了最广泛的应用。2.4 化学及物理化学处理法化学及物理化学处理法2.4.1 物化处理法主要用来分离废水中无机或有机的（难以生物降解的）溶解态或胶态的污染物质，回收有用组分使废水得到深度净化。其局限性是必须先进行废水预处理，为避免二次污染浓缩的残渣要经过后处理。常用的方法有：一、吸附法用多孔固体材料吸附废水中各类污染物，回收或去除。1、吸附剂种类无机及有机两类，以活性炭和吸附树脂最为普遍。2、吸附操作方式有固定床、移动床和流化床三种。吸附剂吸附饱和后经过再生，把吸附质从吸附剂的细孔中除去后可以重复使用。二、离子交换法（一）作用原理离子交换是一种特殊的吸附过程，为可逆性化学吸附，反应式表示：RH+M+RM+H+式中RH为离子交换剂，M为交换离子，RM为与M交换后的离子交换剂，称为饱和交换剂。离子交换剂有无机和有机两大类。有机离子交换树脂是人工合成的具有空间网状结构的不溶解聚合物。当树脂放入水中就会像海绵一样膨胀，网状结构中的活动离子像电解质一样离解在树脂内部的水相中。废水中的某离子在浓度差的作用下，从外水相扩散到树脂体内。由于交换离子与树脂体内的固定离子的亲和力较大，可替代原有的同性活动离子并将其置换下来扩散到水相。（二）树脂的再生与清洗当树脂的交换容量耗尽到交 换床流出的离子浓度超过规定值，称为“穿透”。此时必 须将树脂再生才能使树脂恢复交换能力。（三）离子交换法在水处理中的应用多用于工业给水处理中的软化和除盐，主要去除废水中的金属离子。三、膜析法利用薄膜分离水溶液中某些物质。（一）渗析法利用具有特殊性质的交换膜分离收集废水中的某种离子。见后图（二）反渗透法在溶液的一侧施加大于渗透压的压力，则溶液中的水就会透过半透膜流向纯水一侧，溶质被截留在溶液一侧的过程。见后图反渗透法主要用于去除和回收重金属离子、去除盐、有机物、色度以及放射线元素等。（三）超过滤法超过滤法与反渗透法相似。但超滤膜 的微孔孔径比反渗透的半透膜大，分离的溶质一般为分 子量500以上的大分子和胶体。（四）电渗析法在直流电场的作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子的选择透过性，使得溶液中的电解质与水分离，以达到脱盐的目的。见后图四、萃取法利用物质在不同溶液中溶解度的不同，选择适当的溶剂来分离混合物的方法。溶剂称为萃取剂，提出的物质称为萃取物。用萃取法处理废水时，要经过三个步骤：混合传质萃取剂与废水充分混合接触分离萃取剂和废水分离回收回收从萃取剂中分离出来的萃取物。电渗析法在水处理中有广泛的应用。2.4.2 化学处理法利用化学反应的作用去除废水中的杂质。它的局限性是：运行费用高，操作管理要求较严格；很少单独使用，需要前处理。一、混凝法混凝包括凝聚和絮凝两个过程。凝聚胶体脱稳并聚集为微小絮粒絮凝絮粒通过吸附、卷带和桥连而形成更大的絮体。混凝处理工艺分为混合、反应和絮凝体分离三个阶段。处理工艺的絮凝池有：分开式由混合池、絮凝物形成池、沉淀池组成。综合式可以同时完成混凝处理的三个阶段。见后图 二、中和法利用酸碱相互作用生成盐和水的原理，将废水从酸性或碱性调整到中性附近。（一）酸性废水中和处理投药中和法中和池要做耐酸处理；见后图过滤中和法中和池要做耐酸处理；见后图利用碱性废水、废渣中和处理；利用天然含碱水体中和法。、两种方法要经过调查研究无害时才可使用。（二）碱性废水中和处理碱性废水中和处理常采用废酸、酸性废水、含有酸性废气的烟道气进行处理。三、氧化还原法向废水中投放氧化或还原剂，氧化废水中的有毒有害物质，或者改变有毒有害污染物的价态，使其转变为无毒无害或毒性小的新物质。（一）氧化法氯化处理法臭氧氧化不产生二次污染，成本高。还有空气氧化和高锰酸钾氧化等。（二）还原法还原法常用于含铬、含汞废水的处理。四、化学沉淀法向废水中投放药剂与污染物反应形成沉淀物而去污。多用于处理钙、镁离子（软化水质）和重金属离子。2.5 废水中氮磷的去除废水中氮磷的去除引起水体富营养化的元素有碳、磷、氮、钾、铁等，其中氮磷是引起澡类大量繁殖的主要元素。为此，就必须限制氮磷的排放。2.5.1 除磷城市废水中磷的主要来源是粪便、洗涤剂和某些工业废水。常用的除磷方法有：一、化学除磷法采用磷酸盐与铁盐、石灰、铝盐等反应生成磷酸铁、磷酸钙、磷酸铝等沉淀将磷从废水中排除。二、生物除磷法利用微生物在好氧条件下对废水中溶解性磷酸盐的过量吸收，然后沉淀分离而除磷。整个处理过程分为厌氧放磷和好氧吸磷两个阶段。生物除磷的基本类型有：（一）A/O法厌氧好氧法）工艺流程见后图（二）Phostrip除磷工艺流程工艺流程见后图2.5.2 脱氮脱氮的方法有化学法和生物法一、化学脱氮法氨吸收法加氯法离子交换法二、生物法脱氮在微生物作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2的过程。包括硝化和反硝化两个反应过程。硝化反应在好氧条件下进行，反硝化反应在无氧条件下进行。见后图 2.5.3 生物脱氮除磷A2/O工艺流程它是在A/O法工艺的基础上嵌入一个缺氧池，并将好氧池中的混合液回流到缺氧池中，达到反硝化脱氮的目的。这样厌氧-缺氧-好氧相串联的系统能同时脱氮除磷。影响脱氮除磷活性污泥法的因素有三类：环境因素温度、pH值、溶解氧等；工艺因素泥龄、个反应区水力停留时间；废水成分BOD5与N、P的比值。2.6 污泥处理污泥处理废水中含有大量的污染物，根据组成可分为两类：沉渣以无机物为主。污泥以有机物为主。2.6.1 污泥的性质其特点是颗粒较细，比重接近于1，呈胶体结构。生污泥和活性污泥因未经过厌氧分解，化学稳定性差，易腐化发臭。消化污泥则性能稳定，不易腐臭。2.6.2 污泥的处理处理污泥的常用方法有浓缩、消化、脱水、干燥和焚烧等。一般来讲污泥的处理费用约占废水处理厂全部运行费用的20-30%。污泥处理的一般方法和流程图见前 一、污泥的浓缩浓缩的目的是缩小体积，便于后续处理。最主要的浓缩法是重力沉降法。还有机械分离法等。二、污泥的消化人工控制下通过微生物的代谢作用使污泥中的有机物趋于稳定。可分为厌氧、好氧两种。经过消化，大部分病原微生物和寄生虫卵被杀死。三、污泥的脱水与干化为便于后续处理，必须进一步降低污泥的含水率。机械脱水称为污泥的脱水，自然蒸发称为污泥的干化。自然蒸发简单，但卫生条件差。机械脱水占地少，卫生条件好。机械脱水设备有真空过滤机、离心机、压滤机等。四、污泥的干燥与焚烧（一）污泥的干燥经自然蒸发干化后，如需进一步脱水，就需采用加热干燥法，将污泥加热到300-400 使含水率降至10-15%。（二）污泥的焚烧此法可使有机成分全部无机化，残留物体积降至最少。固体废弃物也多采用焚烧。2.6.3 污泥的利用污泥的利用主要有：用作农肥（重金属离子等有害物含量要在允许值中）制取沼气（注意密封，防止有害气体及异味的析出）制造建筑材料其他用途2.7水处理系统水处理系统水处理系统由于水中的污染物是多种多样的，不能预期只用一种方法就把所有的污染物去除。如要达到经济有效的去除污染物的目的，就要用前面介绍的方法组成一个有机的整体。废水处理系统一、废水的三级处理系统根据不同的处理程度，废水处理分为一级处理主要解决悬浮固体、胶体、悬浮油类等的分离，多采用物理法。二级处理主要解决可分解或氧化的呈胶状或溶解状的有机污染物，多采用生物化学处理法。三级处理主要用以处理难以分解的有机物、营养物质及其他溶解物质，多采用化学和物理化学法。废水处理总体方案的选择是一个很复杂的问题。主要考虑的因素有：废水特性、出水水质要求、周围环境因素处理费用、经济效益等。一般的处理程序为：澄清-毒物处理-回用或排放二、城市废水处理系统（一）城市废水出路及处理要求排放至天然水体农田灌溉（一般应经过二级处理和无害化处理）回用于工业（二）城市废水的三级处理系统城市废水根据出路不同，分为一级、二级、三级处理等不同的处理阶段。处理系统及出水出路见下图。2.7.2 水处理与水工业水处理是给水处理和废水处理的简称。给水处理是指从天然水源取水、供给生活用水和生产用水进行的处理。废水处理是指对使用过的废弃水所进行的处理，以达到安全排放的目的。水工业是为适应水的继续利用而逐渐形成的新兴工业，它从事“水的可持续利用和保护”的水资源开采模式。我国自来水处理的基本流程及缺陷原水一级泵房加药絮凝池沉淀或澄清池