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1、环境工程学教案绪 论一、环境科学与环境工程学 1、环境科学 环境在中华人民共和国环境保护法中规定：“本法所称环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等2、环境工程学环境工程学是运用工程学的基础知识和方法，结合环境科学的理论，研究保护自然环境所应采取的具体工程措施，开发和设计去除各种污染物的设施和设备，实现保护环境、改善或修复破坏的环境的目标。它是环境科学理论和研究成果的实施者。 美国土木工程师学会（American Society of Civil Eng
2、ineers, ASCE）环境工程分会给出的环境工程的定义：环境工程（Environmental Engineering）通过健全的工程理论与实践来解决环境卫生（environmental sanitation）问题，主要包括：提供安全、可口和充足的公共给水；适当处理与循环使用废水和固体废物；建立城市和农村符合卫生要求的排水系统；控制水、土壤和空气污染，并消除这些问题对社会和环境所造成的影响。而且，环境工程所涉及的是公共卫生领域里的工程问题，例如控制通过节肢动物传染的疾病、消除工业健康危害、为城市、农村和娱乐场所提供合适的卫生设施，评价技术进步对环境的影响等。因而，人们提出：“科学家发现事物，
3、工程师使它们有用” 即“Scientists discover things, engineers make them work.”二、环境工程学的形成与发展给排水方面：公元前两千年中国已用陶土管修建地下排水道，并在明朝以前开始用明矾净水。古罗马在公元前6世纪修建下水道，英国在19世纪初开始用砂滤法净化自来水，并在1850年把漂白粉用于饮用水消毒。英国在19世纪后半叶开始建立公共污水处理厂。1914年出现了活性污泥法处理污水新技术。在大气污染控制工程方面，1855年美国发明了离心除尘机，20世纪初开始采用布袋除尘器和旋风除尘器。 在固体废弃物处理处置与利用方面，1822年德国利用矿渣制造水泥，
4、1974年英国建立了垃圾焚烧炉。 在噪声控制方面，20世纪50年代以来，人们从物理学、机械学、建筑学等各个方面对噪声问题进行了广泛的研究，各种控制噪声的防治技术取得了很大的进展。 总之，环境工程学是在人类控制环境污染、保护和改善生存环境的斗争过程中诞生和发展起来的，随着经济的发展和人们对环境质量要求的提高，环境工程学必将得到进一步的完善与发展。 三 环境工程学的主要内容1、 水质净化与水污染控制工程2、 大气污染控制工程3、固体废弃物处理处置与管理工程4、噪声、振动与其它公害防治技术5、环境规划、管理与环境系统工程6、环境监测与环境质量评价参考书：1 排水工程下册，张自杰主编，中国建筑工业出版
5、社，2000.62 水污染控制工程，王宝贞主编，高教出版社，1990.43 大气污染控制工程，郝吉明主编，高教出版社，1992.44 固体废物处理工程，杨国清主编，科学出版社，2000.1第一篇 水质净化与水污染控制工程第一章 水质与水体自净第一节 水的循环与污染一、 地球上水的分布 1、概述水是地球上最丰富的化合物，约占地球外层五公里地壳中的50，覆着地球71的表面积，其平均深度达到3.8 km，总量约有1.36109 km3 ，地球上水资源及其存在状态分布。2、世界的水资源及其特点：不能被直接利用的海水占总水量的97.2；人类可以利用的河水、淡水湖及浅层地下水，大约为总水量的0.2，约为3
6、106 km3 ；由于世界各地的水文、气象条件的差异，地区和季节的不同，水的分布也极不均衡，这造成一些地区严重缺水。二、水的社会循环和自然（原始）循环1、自然循环：（1）基本动力:重力、太阳辐射（2）过程：蒸发（植物蒸腾）、水汽输送、降水、下渗、地表地下径流2、 社会循环：定义：人类社会为了满足生活、生产的需要，从各种天然水体中取用大量的水，经过使用后的水被排放出来，最终又流入天然水体的过程，构成了一个局部的循环体系。三、我国的水资源及其污染现状1、我国水资源的特点（1）总量大，人均量少；（2）水量在地区上分布不平衡；（3）水量在时程分配上很不均匀；（4）水土资源组合不相适应；2、我国的水污染
7、现状（1）“局部有所改善，整体仍在恶化”；（2）我国大江大河干流水质尚好，但临近大城市河段及城市附近的小河支流均已程度不同地受到了污染，严重的已成了臭水沟；（3）随着乡镇企业的发展和工业重心的转移，污染已有向农村、向内地转移的趋势，由地表水受污染向地下水受污染转移;（4）我国的湖泊大多呈富营养化，面积也不断萎缩；近海水域亦因受污染而赤潮频发;（5）我国水资源及污染现状请参阅下列文献：国家环境保护总局.2002年环境公报.国家环境保护总局网站中国工程院“21世纪中国可持续发展水资源战研究”项目组中国可持续发展水资源战略研究综合报告中国工程科学，2000，2（8）：117 四、 废水、废水污染及水
8、污染 1、基本概念水在社会循环中，由于种种原因而丧失了使用价值而外排，这种废弃外排的水称为废水。“废水”是指废弃外排的水，强调废弃的一面。“污水”是被污染物污染了的水，强调其脏的一面。实际上有相当数量的废水是不脏的，如冷却水。因而用“废水”一词统称所有排水比较合适。 据废水的来源:生活废水（domestic) 工业废水 (industrial)据污染物的化学类别:有机废水(organic) 无机废水(inorganic）按废水产生的工艺:焦化废水(coking) 冶金废水(metallurgical) 制药废水(pharmaceutical)食品废水(food) 印染废水(printing a
9、nd dyeing)废水污染是指废水对水体、大气、土壤或生物的污染，这里废水是污染的原因。水污染是指水体受到废水、废气、固体废弃物中污染物的污染，这里水体是受害者。但造成水体污染的主要原因是废水。2、 废水中的污染物分类及危害简介 （1）固体污染物固体污染物是指废水中在100C时不能蒸发的所有物质，称为总固体: 溶解性固体(dissolved solid，DS); 悬浮性固体(suspension solid，SS)实际区分二者是用特制的微孔滤膜（孔径0.45 m）来过滤，能透过的为溶解性固体，被膜截留的为悬浮性固体。 悬浮固体: 可沉降固体（settleable)：能在2小时内靠重力沉降的固
10、体 难沉降固体(unsettleable)两小时内不能沉降的称为难沉降固体 废水中固体污染物的多少用单位体积的水中所含质量表示，即质量浓度，单位一般为mg/L。使用中需要指明是哪一种固体。 废水中悬浮物含量的多少也可用浊度(turbidity)表示 在水质分析中规定，1 L水中含有1 mgSiO2所构成的浊度为一个标准浊度单位，简称1度 悬浮物的危害主要是造成沟渠、管道和抽水设备的阻塞、淤积和磨损；造成水生生物的呼吸困难；造成给水水源浑浊；干扰废水处理设施和回收设备的工作；有些悬浮物还有一定的毒性。几乎所有的废水中都含有数量不等的悬浮物，因此除去悬浮物是废水处理的一项基本任务。(2)需氧污染物
11、 需氧污染物主要是指废水中所含的能被微生物降解的有机物，有些是有毒的，但这类有机物大部分本身是无毒的。这类污染物的特点是数量大、成分复杂，所以很难分别表示其含量。产生污染的主要原因是在其分解过程中消耗水中的溶解氧。需氧污染物用间接指标来衡量，常用的有BOD、COD、TOC和TOD等。（1）生物化学需（耗）氧量（biochemical oxygen demand简称BOD）表示在一定条件下（20C），单位体积废水中所含的有机物被微生物完全分解所消耗的分子氧的数量。单位为mg（氧）/L（废水）。有BOD5和BOD20 之分，BOD5最常用。特点：准确反映污染的程度，但测定所需时间长，不利于指导实际
12、生产和自动控制。（2）化学耗氧量（chemical oxygen demand简称COD）用化学氧化剂氧化分解废水中的有机物，用所消耗的氧化剂中的氧来表示有机物的多少，单位仍为mg/L。 常用的氧化剂有K2Cr2O7和KMnO4，分别用CODCr 和CODMn表示。特点：测定速度快，但与实际污染的程度有差距。 （3）总需氧量（total oxygen demand ，TOD）和总有机碳（total organic carbon ，TOC） 在900下，以铂为催化剂，使水样汽化燃烧，然后测定气体载体中氧的减少量，作为有机物完全氧化所需的氧量，称为总需氧量；在同样条件下测定气体中二氧化碳的增量，从
13、而确定出水样中碳元素的含量，称为总有机碳 特点：测定速度快，但设备复杂且与BOD、COD之间无固定关系。BOD5、BOD20、TOD、TOC有各自的特点和用途，在实际应用中应根据各自的特点和不同的情况选用！(4)有毒污染物 (toxic materials)废水中能对生物引起毒性反应的化学物质称为有毒污染物 。特点：急性中毒：初期效应十分明显，严重时会导致死亡 。慢性中毒：初期效应不明显，但长期积累可引起突变、致畸、致死，甚至引起遗传畸变，这种效应不易察觉，但后果更严重，一旦发现，很难在近期内处理，甚至不可逆转。影响危害程度的因素：浓度和作用时间：浓度越大，作用时间越长，后果越严重。环境条件：
14、如温度、pH值、溶解氧浓度等，生物的种类及生物自身的适应能力。分类：无机化学、有机化学和放射性毒物三类。表示方法：质量浓度表示，单位为mg/L。 （1）无机化学毒物(inorganic toxics)无机化学毒物主要是指重金属离子、氰化物、氟化物和亚硝酸盐等。化学上一般把密度大于4的金属称为重金属（heavy metals)。水污染中所指的重金属主要是Hg、Cr、Cd、Pb、As、Ni、Ce、Cu、Zn、Ti、Mo、Ti等，最主要的是前五种。 重金属(heavy metals)污染有如下特点：（a）毒性以离子状态最大，且不同价态的毒性不同。如Cr6+Cr3+，但As3+As5+；（b）很难被生
15、物降解，有时还可以被生物富集或转化成毒性更大的物质。据研究，海水中的汞通过食物链可富集2万倍；（c）危害时间长，难消除。（d）有些重金属是人体必须的元素。（2）有机化学毒物 （organic toxics)有机化学毒物大多是人工合成的有机物。主要有：农药（DDT、有机氯、有机磷等）酚类化合物、聚氯联苯、稠环芳烃和芳香族氨基化合物等。特点：这类物质的种类最多，性质最复杂，毒性大。化学稳定性好。大多数难被生物降解且可以通过食物链富集，危害人体健康。（3）放射性物质(radioactive matters)放射性物质主要是指废水中所含的能产生有害射线的物质。 (4)营养污染物 (nutrients)
16、营养污染物主要是指植物和微生物生长过程中所需的营养物质，并非有毒，主要是氮和磷。这种由营养物质过多产生的污染称做富营养化污染 (eutrophication)产生污染的原因： 当大量营养物质进入水体时，会使藻类大量繁殖，水面上积聚大量的动物和植物，这种现象在海洋中出现叫赤潮(red current)，在湖泊中出现叫水华（water bloom)。当水中的生物大量死亡时会使水中的BOD值猛增，导致水中的溶解氧降低，影响水体功能，影响鱼类生存 。 除氮和磷外，BOD、温度、维生素类物质也能触发和促进富营养化污染。表示水中营养物质多少的指标是单位体积水中含氮和磷的总质量，单位为mg/L。 氮有多种表
17、示方法：有机氮是反映水中蛋白质、氨基酸、尿素等含氮有机物总量的一个水质指标 。NH3和NH4+称为氨态氮，NO2称为亚硝酸氮，NO3称为硝酸氮，这几种形态的含量均可作为水质指标，分别代表有机氮转化为无机物的各个不同阶段。总氮（TN）则是一个包括从有机氮到硝酸氮等全部含量的水质指标。 (5)生物污染物 (biological pollutants)生物污染物主要是指废水中的致病微生物(pathogens)和其他的有机体。制革厂废水中常含有炭疽菌，医院污水中含有病原菌和病毒等。生活废水中含有可能引起肠道系统疾病的细菌和寄生虫卵等。 （a）细菌总数(total bacteria)细菌总数是指1 mL
18、水中所含有各种细菌的总数。（b）大肠菌数(coliforms)大肠菌数是指1 L水中所含大肠菌个数。由于大肠菌在外部环境中的生存条件与肠道传染病的细菌、寄生虫卵相似，而且大肠菌的数量多，比较容易检验，所以把大肠菌数作为生物污染指标。第二节 水质指标和水质标准一、水质指标1、概念（1）、水质：水和其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合特性（2）、水质指标：水中杂质的种类、成分和数量，判断水质的具体衡量标准2、水质指标分类（1）物理性水质指标 感官；其它：电导率、溶解固体（2）化学性水质指标 一般化学性：pH等；有毒化学性：重金属；氧平衡（3）生物学水质指标 细菌总数、大肠杆菌(c
19、oliform bacteria)等3、几种重要的水质指标（1）浑浊度(turbidity)（2）颜色、色度(chromaticity color)（3）固体（4）总含盐量和离子平衡（5）碱度alkalinity（6）硬度hardness（7）化学需氧量和耗氧量（COD）（8）生物化学需氧量（BOD）（9）总有机碳（TOC）和总需氧量（TOD）（10）氮含量二、水质标准1、概念：水质标准：对排入水体水质的要求2、水质标准分类（1）国家正式颁布的统一规定（2）各用水部门或设计等单位的要求3、常用水质标准（1）饮用水水质标准（p33/Tab1-4、15)（2）地面水环境质量标准：5类（p37/Ta
20、b1-6)（3）污水综合排放标准：2类：（有毒富集和其它）（4）工业用水水质要求第三节 水体自净作用与水环境容量一、水体自净含义：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，受污染的水体部分的或完全的恢复原状的现象。二、净化机理1.物理作用：稀释（对流、扩散）、混合、沉淀与挥发2.化学作用：氧化还原、酸碱反应、吸附凝聚3.生物化学净化：分解、转化三、氧垂曲线和氧垂曲线公式水体受到污染后，水体中溶解氧逐渐被消耗，到临界点后又逐步回升的变化过程，称氧垂曲线。氧垂曲线公式：某点的溶解氧： c= cs- D到达最缺氧点时间dD /dt=0：第四节 水处理的基
21、本原则和方法一、给水处理基本方法：常规工艺包括：混凝、沉淀、过滤、消毒二、废水处理基本方法：1、废水处理原则：改革工艺、减少废物排放量，如：采用清洁生产工艺重复利用废水，如：中水回用；回收有用物质；对废水进行妥善处理废水处理的经济性，技术先进性2、废水处理程度确定按水体水质要求：例如广州的污水处理厂；按处理厂能达到的处理程度；考虑水体的稀释和自净能力。3、废水处理的基本方法物理处理：物理作用，沉淀、过滤、气浮、反渗透等化学处理：化学反应，混凝、电解、氧化还原等生物处理：生物化学作用，活性污泥、生物膜等第二章 水的物理化学处理方法第一节 水中粗大颗粒物的去除一、格栅、筛网和微滤机1、格栅（1）、
22、作用：目的是去除废水中粗大的悬浮物和杂物(detritus)，以保护后续处理设施能正常运行的一种预处理方法。（2）、位置：格栅一般斜置在进水泵站集水井的进口处。 （3）、分类： 按形状：平面格栅（flat barscreen)，筛网呈平面；曲面格栅(curve barscreen)，筛网呈弧状按栅条的间隙：粗(coarse)格栅（50-100mm）；中(medium)格栅（10-40mm）；细(fine)格栅(3-10mm)按筛余物清理方式：人工清理(manually cleaned screen)；机械清理(mechanically cleaned screen)2、筛网的孔的形状和大小与格
23、栅不同，最常用的使用金属丝编织成的方孔筛网。作用是除去粒度更小的悬浮物。（1）、作用：筛网的目的是去除废水中粗大的悬浮物和杂物(detritus)，可以作为预处理，或重复用水的深度处理。（2）、分类：筛网(screen)由金属丝（钢丝网、铜网等）织物或穿孔板构成 。（3）、类型：筛网过滤器的类型很多，有旋转型、振动型、转鼓式等。（4）、筛余物的处置收集的筛余物(screenings)运至处置区填埋(landfill)或与城市垃圾一起处理。当有回收利用价值时，可送至粉碎机或破碎机被破碎后再用。对于大型水处理系统，也可采用焚烧的方法彻底处理。二、沉砂池沉砂池的作用是从污水中去除砂子、煤渣等比重较大
24、的颗粒，以免这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行。沉砂池的工作原理是以重力分离为基础，即将进入沉砂池的污水流速控制在只能使比重大的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒则随水流带走。沉砂池可分为平流式、竖流式和曝气沉砂池等三种基本型式。在工程设计中，可参考下列设计原则与主要参数。(1)城市污水厂一般均应设置沉砂池，工业污水是否要设置沉砂池，应根据水质情况而定。城市污水厂的沉砂池的只数或分格数应不少于2，并按并联运行原则考虑。(2)设计流量应按分期建设考虑。当污水自流进入时，应按每期的最大设计流量计算；当污水为提升进入时，应按每期工作水泵的最大组合流量计算；在合流制处理系统中，应按降雨时的设计流量计算。(
25、3)沉砂池去除的砂粒比重为2.65、粒径为0.2mm以上。(4)城市污水的沉砂量可按每106m3污水沉砂30m3计算，其含水率约60%，容重约1500kg/m3。(5)贮砂斗的容积应按2日沉砂量计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55。排砂管直径不应小于200mm。(6)沉砂池的超高不宜小于0.3m。常用的沉砂池有平流式沉砂池和曝气沉砂池。1、平流式沉砂池平流式沉砂池是最常用的一种型式，它的截留效果好，工作稳定，构造亦较简单。1平流式沉砂池的设计参数(1)污水在池内的最大流速为0.3m/s，最小流速为0.15ms；(2)最大流量时，污水在池内的停留时间不少于30s，一般为3060s；(3)有效水深应不
26、大于1.2m，一般采用0.251.Om，池宽不小于0.6m；(4)池底坡度一般为0.010.02，当设置除砂设备时，可根据除砂设备的要求考虑池底形状。2、曝气沉砂池曝气沉砂池从五十年代开始试用，目前已推广使用。它具有下述特点：（1）沉砂中含有机物的量低于5；（2）由于池中设有曝气设备，它还具有预曝气、脱臭、防止污水厌氧分解、除泡作用以及加速污水中油类的分离等作用。这些特点对后续的沉淀、曝气、污泥消化池的正常运行以及对沉砂的干燥脱水提供了有利条件。第二节水中悬浮物质和胶体物质的去除一、 沉淀1、概述沉淀法是水处理中最基本的方法之一。它是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能，在重力作用下产生下沉作用，以达
27、到固液分离的一种过程。按照废水的性质与所要求的处理程度的不同，沉淀处理工艺可以是整个水处理过程中的一个工序，亦可以作为唯一的处理方法。在典型的污水厂中，有下列四种用法：（1）、用于废水的预处理沉砂池是典型的例子。沉砂池是用以去除污水中的易沉物(如砂粒)。（2）、用于污水进人生物处理构筑物前的初步处理(初次沉淀池)用初次沉淀池可较经济的去除悬浮有机物，以减轻后续生物处理构筑物的有机负荷。（3）、用于生物处理后的固液分离(二次沉淀池)二次沉淀池，主要用来分离生物处理工艺中产生的生物膜、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。（4）、用于污泥处理阶段的污泥浓缩污泥浓缩池是将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓
28、缩，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理费用等。2、沉淀类型根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀通常可以分成四种不同的类型。1）自由沉淀自由沉淀发生在水中悬浮固体浓度不高，沉淀过程悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀，颗粒的沉淀轨迹呈直线。整个沉淀过程中，颗粒的物理性质，如形状，大小及比重等不发生变化。这种颗粒在沉砂池中的沉淀是自由沉淀。2）絮凝沉淀絮凝沉淀的悬浮颗粒浓度不高，但沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因互相聚集增大而加快沉降，沉淀的轨迹呈曲线。沉淀过程中，颗粒的质量、形状和沉速是变化的，实际沉速很难用理论公式计算，需通过试验测定。化学混凝沉淀属絮凝沉淀。3）区域沉
29、淀(或成层沉淀)区域沉淀的悬浮颗泣浓度较高(5000mg/L以上)，颗粒的沉降受到周围其它颗粒影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，与澄清水之间有清晰的泥水界面。二次沉淀池与污泥浓缩池中均有区域沉淀发生。4）压缩沉淀压缩沉淀发生在高浓度悬浮颗粒的沉降过程中，由于悬浮颗粒浓度很高，颗粒相互之间已挤集成团块结构，互相接触，互相支承，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到浓缩。二沉池污泥斗中的浓缩过程以及在浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩沉淀。二、混凝1、混凝原理化学混凝所处理的对象，主要是水中的微小悬浮物和胶体杂质。大颗的悬浮物由于受重力的作用而下沉，可以用沉淀等方法除
30、去。但是，微小粒径的悬浮物和胶体，能在水中长期保持分散悬浮状态，即使静置数十小时以上，也不会自然沉降。这是由于胶体微粒及细微悬浮颗粒具有“稳定性”。（1）胶体的稳定性根据研究，胶体微粒都带有电荷。天然水中的粘土类胶体微粒以及污水中的胶态蛋白质和淀粉微粒等都带有负电荷。它的中心称为胶桉。其表面选择性地吸附了一层带有同号电荷的离子，这些离子可以是胶校的组成物直接电离而产生的，也可以是从水中选择吸附H+或OH-离子而造成的。这层离子称为胶体微粒的电位离子，它决定了胶粒电荷的大小和符号。由于电位离子的静电引力，在其周围又吸附了大量的异号离子形成了所谓“双电层”。这些异号离子，其中紧靠电位离子的部分被牢
31、固地吸引着当胶核运行时，它也随着一起运动，形成固定的离子层。而其他的异号离子，离电位离子较远，受到的引力较弱，不随胶核一起运动，并有向水中扩散的趋势形成了扩散层。固定的离子层与扩散层之间的交界面称为滑动面。滑动面以内的部分称为胶粒，胶粒与扩散层之间，有一个电位差。此电位称为胶体的电动电位，常称为z电位。而胶核表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位或电位。胶粒在水中受几方面的影响：由于上述的胶粒带电现象，带相同电荷的胶粒产生静电斥力，而且z电位愈高，胶粒间的静电斥力愈大；受水分子热运动的撞击，使微粒在水中作不规则的运动，即“布朗运动；”胶粒之间还存在着相互引力范德华引力。范德华引力的大小与胶
32、粒间距的2次方成反比，当间距较大时，此引力略去不计。一般水中的胶粒z电位较高。其互相间斥力不仅与电位有关，还与胶粒的间距有关，距离愈近，斥力愈大。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推近到使范德华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结而长期保持稳定的分散状态。使胶体微粒不能相互聚结的另一个因素是水化作用。由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。但是，水化膜是伴随胶粒带电而产生的，如果胶粒的电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。（2）混凝原理化学混凝的机理至今仍未完全清楚。因为它涉及的因素很多，如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度
33、，以及混凝剂的性质和混凝条件等。但归结起来，可以认为主要是三方面的作用：1)压缩双电层作用：如前所述，水中胶粒能维持稳定的分散悬浮状态，主要是由于胶粒的z电位。如能消除或降低胶粒的z电位，就有可能使微粒碰撞聚结，失去稳定性。在水中投加电解质混凝剂可达此目的。例如天然水中带负电荷的粘土胶粒，在投入铁盐或铝盐等混凝剂后，混凝剂提供的大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层。因为胶核表面的总电位不变，增加扩散层及吸附层中的正离子浓度，就使扩散层减薄。当大量正离子涌入吸附层以致扩散层完全消失时，z电位为零，称为等电状态。在等电状态下，胶粒间静电斥力消失，胶粒最易发生聚结。实际上，z电位只要降至某一程度而使
34、胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就开始产生明显的聚结，这时的z电位称为临界电位。胶粒因电位降低或消除以致失去稳定性的过程，称为胶粒脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。压缩双电层作用是阐明胶体凝聚的一个重要理论。它特别适用于无机盐混凝剂所提供的简单离子的情况。但是，如仅用双电层作用原理来解释水中的混凝现象，会产生一些矛盾。例如，三价铝盐或铁盐棍凝剂投量过多时效果反而下降，水中的胶粒又会重新获得稳定。又如在等电状态下，混凝效果似应最好，但生产实践却表明，混凝效果最佳时的电位常大于零。于是提出了第二种作用。2)吸附架桥作用：三价铝盐或铁盐以及其他高分子棍凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应形
35、成高分子聚合物，具有线性结构。这类高分子物质可被胶体微粒所强烈吸附。因其线性长度较大当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成肉眼可见的粗大絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程，称为絮凝。3)网捕作用：三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物。这些沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。上述三种作用产生的微粒凝结理象凝聚和絮凝总称为混凝。对于不同类型的棍凝剂，压缩双电层作用和吸附架桥作用所起的作用程度并不相同。对高分子混凝剂特别是有机高分子混凝剂，吸附架桥可能起主要作用；对硫酸铝等无机混凝剂，压
36、缩双电层作用和吸附架桥作用以及网捕作用都具有重要作用。4)铝盐的水解过程 所有金属阳离子不论以何种药剂形态图投加，它们在水中都以三价铝Al()和三价铁Fe()的各种化合物存在。以铝盐为例，在水溶液中即使Al()以单纯离子状态存在，也不是Al3+而是以Al(H2O)63+,水合铝络合离子状态存在。 当pH值8.5和水中有足够溶解氧时，才能迅速形成Fe3+，这就使设备和操作较复杂。为此，常采用加氯氧化的方法。高分子混凝剂尤其是有机高分子混凝剂，混凝的效果受pH值的影响较小。从铝盐和铁盐的水解反应式可以看出，水解过程中不断产生H+必将使水的pH值下降。要使pH值保持在最佳的范围内，应有碱性物质与其中
37、和。当原水中碱度充分时还不致影响混凝效果；但当原水中碱度不足或混凝剂投量较大时，水的PH值将大幅度下降，影响混凝效果。此时，应投加石灰或重碳酸钠等。（3）水中杂质的成分性质和浓度水中杂质的成分、性质和浓度都对混凝效果有明显的影响。例如，天然水中含粘土类杂质为主，需要投加的混凝剂的量较少；而圬水中含有大量有机物时，需要投加较多的混凝剂才有混凝效果，其投量可达10103mg/L但影响的因素比较复杂，理论上只限于作些定性推断和估计。在生产和实用上，主要靠混凝试验来选择合适的记凝凝品种和最佳投量。4水力条件混凝过程中的水力条件对絮凝体的形成影响极大。整个混凝过程可以分为两个阶段：混合和反应。水力条件的
38、配合对这两个阶段非常重要。混合阶段的要求是使药剂迅速均匀地扩散到全部水中以创造良好的水解和聚合条件，使胶体脱稳并借颗粒的布朗运动和紊动水流进行凝聚。在此阶段并不要求形成大的絮凝体。混合要求快速和剧烈搅拌，在几秒钟或一分钟内完成。对于高分子混凝剂，由于它们在水中的形态不象无机盐混凝剂那样受时间的影响，混合的作用主要是使药剂在水中均匀分散，混合反应可以在很短的时间内完成，而且不宜进行过份剧烈的搅拌。反应阶段的要求是使混凝剂的微粒通过絮凝形成大的具有良好沉淀性能的絮凝体。反应阶段的搅拌强度或水流速度应随着絮凝体的结大而逐渐降低，以免结大的絮凝体被打碎。如果在化学混凝以后不经沉淀处理而直接进行接触过滤
39、或是进行气浮处理，反应阶段可以省略。三、澄清1、概述澄清池(clarifier)是用于混凝处理的另一种设备。在澄清池内，可以同时完成混合、反应、沉降分离等过程。澄清池优点：占地面积小，处理效果好，生产效率高，节省药剂用量。 澄清池缺点：对进水水质要求严格，设备结构复杂。从基本原理上澄清池可分为两大类：（1）是悬浮泥渣型，有悬浮澄清池，脉冲澄清池；（2）是泥渣循环型，有机械加速澄清池和水力循环加速澄清池。2、机械加速澄清池3、水力循环加速澄清池4、悬浮澄清池 l穿孔配水管 2泥渣悬浮层 3穿孔集水槽 4强制出水管 5一排泥窗口 6气水分离器 5、脉冲澄清池四、过滤过滤是使含悬浮物的废水流过具有一
40、定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。1、根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列四类：(1)格筛过滤（screen）(2)微孔过滤(microfiltration)(3)膜过滤(membrane filtration)（4）深层过滤(depth filtration)2、过滤过程的分类：(1)格筛过滤：过滤介质为栅条或滤网，用以去除粗大的悬浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等。其典型设备有格栅、筛网和微滤机。(2)微孔过滤：采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂 (如硅藻土)形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。定型的
41、商品设备很多。(3)膜过滤： 采用特别的半透膜作过滤介质，在一定的推动力(如压力、电场力等)下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具有选择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。（4）深层过滤：采用颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。由于滤料颗粒之间存在孔隙，废水穿过一定深度的滤层，水中的悬浮物即被截留。为区别于上述三类表面或浅层过滤过程，这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。3、过滤在水处理中的作用：在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浑浊度满足用水要求；在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等预处理手段；作为生化处理后的深度处理，使滤
42、后水达到回用的要求。4、过滤机理过滤的机理可分为阻力截留、重力沉降和接触絮凝三种。当废水流过滤料层时，粒径较大的悬浮物颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中，从而使此层滤料间的空隙越来越小，截污能力随之变得越来越高。结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的过滤作用。这种作用属于阻力截留或筛滤作用。废水通过滤料层时，众多的滤料介质表面提供了巨大的沉降面积。据估计，1m3粒径为0.5mm的滤料中就拥有400m2不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积，形成无数的小“沉淀池”，悬浮物极易在此沉降下来。重力沉降强度主要取决于滤料直径和过滤速度。滤料越小，沉降面积越大；滤速越小则水流越平
43、稳，这些都有利于悬浮物的沉降。由于滤料有较大的表面积，它与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。此外，砂粒在水中表面常带有负电荷，能吸附带有正电的铁、铝等胶体，从而在滤料表面形成带正电的薄膜，进而又吸附带负电荷的粘土及多种有机胶体，在砂粒上发生接触絮凝。在大多数情况下，滤料表面对尚未凝聚的胶体还能起到接触碰撞的媒介作用，促进其凝聚过程。5、过滤的工艺过程 过滤工艺包括过滤和反洗两个阶段： 过滤(filtration)：过滤即截留污染物； 反洗(backwashing)：反洗即把污染物从滤料层中冲走，使之恢复过滤能力。6、过滤周期(filter run)：从过滤开始到结束延续的时间称为过滤周期（或工作周期）。 过滤循环(filter cycle)：从过滤开始到反洗结束称为一个过滤循环。7、配水系统配水系统的作用：（1） 均匀收集滤后水，所以，它又称为排水系统；
