水质工程学教学课件

水质工程学教学课件环境保护与水资源可持续利用的关键技术第一章环境工程与水质基础环境工程定义及职责水质工程在环境保护中的作用环应环质环领境工程是用工程学原理解决境水工程是境保护的核心域，通问题过净资的学科，旨在保护人类健康和生控制污染物、化水源，确保水态质师负责计续维态系统水工程设、建造源安全可持利用，护生平衡并质和管理保障水安全的设施与系统保障公共健康水的物理、化学与生物特性水质的物理参数浊度色度悬颗导浊质浮粒物致水体混，影响光透射溶解性有机物（如腐殖）和无机物浊仅还锰现率高度不影响感官接受度，增（如铁、化合物）引起水体呈黄难为浊调铂钴标单加消毒度，微生物提供庇护所色、棕色等色色度用-准单饮标观度值通常用NTU位表示，用水准位表示，反映水的美度和潜在污染通常要求低于1NTU味道与气味来矿质谢产质问题自溶解气体、物和微生物代物异味通常表明水，如藻类繁殖（土腥阈测评质味）或工业污染（化学气味）气味值定是估水感官特性的重要手段水质的化学参数高关注度溶解固体与硬度TDS、总硬度pH值与影响酸性、中性、碱性特点处理影响水质特性盐暂时常见离子氯化物、硫酸、氨氮硬度类型硬度、永久硬度常见污染物水质的微生物参数细菌与病毒原生动物及寄生虫肠贾隐常见致病菌包括大杆菌、沙门氏包括第鞭毛虫、孢子虫等，具有乱较恶菌、霍弧菌等病毒如甲肝病毒、强的抗氯能力，可形成包囊在劣诺径规过滤难环为泻如病毒等粒极小，常以境中存活引起的疾病主要腹肠为粪去除总大菌群作便污染的指和消化系统疾病，儿童和免疫力低下质评示生物，是水安全价的重要指人群风险更高标水传播疾病控制第二章水污染及其来源自然污染物与人为污染物区别主要污染源质蚀释矿质废剂自然污染地侵放的物、火•工业水含重金属、有机溶、酸产烂产山活动生的硫化物、植物腐生的碱等径粪有机物•农业流农药、化肥、畜禽便剂为废•生活污水含有机物、洗涤、病原人污染工业水、农药化肥、生活产浓体污水等人类活动生的污染物，通常难度高且以降解对环质浓污染物水境的影响取决于其性、度、持久性和生物可利用性某些污染物即使浓对态严胁度极低也可能生系统和人类健康构成重威水污染的环境与健康影响水传播疾病实例生态系统破坏社会经济影响乱乱过饮营养营养过导远霍由霍弧菌引起，通污染的用富化氮磷等物量致藻类大治理成本污染后的水体修复成本高于传导严泻历区预水播，致重腹和脱水，史上曾量繁殖，消耗水中氧气，形成死防措施规质积导产损渔产造成多次大模疫情生物多样性减少有毒物累致敏感业失业、旅游业等依水业直接贺状链损痢疾由志菌或阿米巴原虫引起，症物种消失，破坏食物平衡受热卫蓝导锡饮疗负关卫包括腹痛、发和血便，在水源生条件区太湖藻暴发事件致无市用水危医担水污染相疾病增加公共生差的地常见机，影响了200多万居民的正常生活支出乱导导损过2010年海地霍疫情致8000多人死亡，饮全球每年因水污染致的经济失超

1.4起因是未经处理的污水污染了用水源万亿美元第三章水处理工艺概述水处理的目标主要处理步骤总览质•安全性去除病原微生物和有毒物预处理浊•清洁度改善感官特性（色、味、度）标规满关质规栅筛滤颗质•准合足相水法要求格，去除大粒物多重防护理念混凝与絮凝连续环节时环节采用多道工序形成屏障，确保任一失效仍有其他提供质剂保障，大幅降低水风险投加药形成可沉淀的絮体沉淀颗利用重力分离絮凝粒过滤细颗去除小粒和部分溶解物消毒杀灭残余病原微生物水处理工艺流程图图单计数上展示了典型的地表水处理厂工艺流程各处理元的设和运行参需根据原水水质规进预特性、处理模和出水要求行优化在实际工程中，可能根据原水特点增加氧单化、活性炭吸附等强化处理元术进传断传渐随着技步，统工艺也在不完善例如，统沉淀池逐被高效沉淀池替代，提规过滤过滤术进质选择高了处理效率；常正被膜等新技补充，一步提升出水品工艺需综虑术维合考技可行性、经济性和运行护条件预处理筛滤与格栅格栅与筛网的作用为线栅筛作水处理的第一道防，格和网主要去除树•大型漂浮物枝、塑料袋、水藻等颗树•中等粒物叶、小石子、昆虫等细杂质•小微小沙粒、水生植物碎片等栅筛为栅栅细栅根据条或孔间距分粗格（40mm）、中格（10-40mm）和格栅转筛滤（10mm）常见类型包括机械格、旋和微机等预简单续单稳关键预维处理看似，却是保障后处理元定运行的若忽视处理护，可能导损致泵坏、管道堵塞或处理效率降低栅过续稳自动机械格装置，通机械清污确保处理系统持定栅杂进运行格通常设置在提升泵站前，防止物入水泵系统混凝与絮凝过程带负电悬浮颗粒加入正电混凝剂中和表面电荷形成絮体聚集混凝机理关键参数与操作条件过过颗颗静颗剂混凝程通中和胶体粒表面电荷，减弱或消除粒间电排斥力，使粒能够接近并聚集常用混凝包混凝效果受多种因素影响括剂围铝盐•pH值每种混凝都有最佳pH范，通常在6-

7.5盐铝铝剂浊剂•无机类聚合氯化（PAC）、硫酸、三氯化铁•药投加量根据度、温度等确定最佳量沉淀过程原理与设计沉淀原理沉淀池设计要点负为沉淀是利用重力使混凝形成的絮体从水•表面荷率通常

0.8-

2.5过颗中分离的程理想条件下，粒沉降m³/m²•h时时速度遵循斯托克斯定律•停留间

1.5-4小负•水力荷控制流速

0.3m/min进匀区•水均分布，避免短流和死常见沉淀池类型为为其中vs沉降速度，g重力加速度，为颗为为颗辐竖ρp粒密度，ρf流体密度，d粒平流式、流式、流式、斜板（管）径为纽约直，μ流体动力粘度沉淀池等Croton水厂采用大型平仑流沉淀池，处理能力达

1.5亿加/日沉淀效率影响因素颗粒特性对沉淀的影响浊度浓度影响浊颗进高度水体中，粒间相互碰撞机会增加，促絮体形成，反而提高沉淀效这现称为单颗率种象絮凝沉淀，与粒沉淀机理不同验观过较实察不同大小絮体的沉降程大絮体沉降速度更快，但实际工程中需考颗粒间相互作用虑对水流扰动絮体的破坏过颗径断时絮体形成程中，粒粒不增大，密度可能降低形成松散絮体，有论计效密度减小，沉降速度可能低于理算值温度与粘度影响显低温条件下，水的粘度增加，沉淀效率著降低冬季水温每降低10℃，沉应调数淀效率可能下降15-25%，需相整运行参颗径粒直μm沉降速度mm/s第四章过滤技术过滤的目的与机理过滤器类型比较过滤过质悬滤滤是通多孔介截留水中浮物慢砂速

0.1-

0.3m/h，以生物降过残细为浊的程，可去除混凝沉淀后留的解主，适用于低度原水颗质滤滤为小粒和部分溶解性物主要机理筛滤快砂速5-15m/h，物理截留预包括、沉淀、吸附和生物降解主，需混凝处理等过滤滤滤纳滤膜包括微、超、和反渗径纳级透，孔从微米到米，去除效率高过滤器设计参数滤选择径匀数过滤料石英砂、无烟煤、石榴石等，粒和均系影响效果滤层结单层层层计构、双或多设，影响截污能力和运行周期滤质过滤滤滤速控制影响出水水和周期，常用恒定速或变化速过滤器性能影响因素水质因素反冲洗与维护进浊关键浊滤层过滤过滤时滤层渐质过滤水度是因素，度越高，堵塞越快水温影响生物活性和絮体特性，冬季效随着间延长，逐被截留物堵塞，需定期反冲洗恢复能力较率通常低规•常反冲洗气水联合冲洗，气流强度50-60L/m²•s滤料特性层•表面冲洗增强表清洗效果，水强度3-5L/m²•s断标滤滤时•反冲洗判指阻达到极限值或程达到设定间径匀数状质粒大小影响孔隙率和截污能力；均系影响反冲洗效果；形和表面性影响吸附能力质滤应当径稳优料具有适的粒分布、高机械强度和化学定性滤速控制滤过导质恶滤过则滤应过试验速高致出水水化；速低处理效率低下最佳速通确定，通常根据节进质态调季变化和水水动整时滤胀滤层过滤反冲洗，料床被膨，截留的污染物被冲出，恢复的能力第五章消毒与杀菌常用消毒剂比较氯消毒臭氧消毒续剂杀对最广泛使用的消毒方式，具有持消毒效果氯强氧化，菌能力强，病毒和孢子也有效钠计虑气、次氯酸或氯胺均可用作氯源主要机理是臭氧接触池设需考良好的混合条件和足够的对细时次氯酸微生物胞壁的氧化破坏接触间（通常5-10分钟）剂浓时评势产时CT值（消毒度×接触间）是价消毒效果优无持久性消毒副物，同具有除臭、脱关键数较资的参，不同微生物所需CT值差异大色功能缺点无余氯保护，设备投和运行成本高消毒副产物控制产氯消毒可能生三卤甲烷（THMs）、卤乙酸质（HAAs）等有害物控制措施包括•强化前处理，降低有机物含量剂•使用替代消毒如二氧化氯剂•优化氯投加点和量第六章水处理厂设计原则设计流量确定计时数预测趋设流量包括日平均流量、日最大流量和变化系通常基于用水量和人口增长势结历数区规计规应虑远，合史用水据和域发展划设模考20-30年的发展景水质目标制定质标须满饮标虑对质进出水水目必足国家用水准要求，并考特殊污染物的去除水源水行全评关键难区针对面估，确定污染物和处理点某些地可能需要特定污染物（如高氟、高砷）计专单设门处理元多级处理工艺组合质选择当组规过滤根据原水水特点，适的处理工艺合常地表水处理采用混凝-沉淀--消毒流简为过滤级程；地下水可能化曝气--消毒；高有机物水源可能需要增加活性炭吸附或高氧化工艺设备选型与工艺优化选应虑维关键阀应选择设备型考可靠性、护便利性和运行成本设备如泵、门和仪表知名品产当单衔应计损牌品，并配置适备用处理元之间的水力接合理设，避免能量失自动化控计应顾稳制系统设兼定性和操作灵活性水处理厂实例分析路易斯安那州大河水厂设计方案基本参数创新工艺方案计规设模15万立方米/日臭氧预处理约服务人口40万人剂投加点混凝前，量1-3mg/L水源类型密西西比河地表水作用氧化有机物，提高生物降解性浊节主要污染物高度50-500NTU、季性藻类、有机高效混凝物TOC3-8mg/L、微量农药处理目标铝组剂采用PAC+聚合氯化合药浊线剂•度≤

0.1NTU配备在混凝投加控制系统•TOC去除率≥50%生物活性炭过滤•农药去除率≥90%产满规则•消毒副物足EPA D/DBP层滤双料无烟煤+活性炭时接触间15-20分钟UV+氯胺联合消毒剂UV量40mJ/cm²氯胺余量

2.0-

2.5mg/L水质监测与管理监测指标与频率在线监测技术1源水监测监测频率日常/每周/每月/季度不等关键标浊计数标指度、pH、温度、溶解氧、总有机碳、藻类、微生物指时现调数目的及发水源污染，整处理工艺参2过程监测监测频线连续时率在/每小/每班次现数线监测时监关键质标代水厂采用多参在仪表，实控水指关键标浊剂过滤指度、pH、余氯、混凝投加量、阻力浊计•激光散射式度精度可达

0.01NTU单时现目的确保各处理元正常运行，及发异常•余氯分析仪采用DPD法或电极法过导检测•TOC分析仪通UV氧化-电预监测3•生物警系统使用生物敏感器突发污染数过现远成品水监测据通SCADA系统集中处理，实智能化管理和程控制监测频率每日/每周/每月关键标浊产标指度、pH、余氯、消毒副物、微生物指满质标目的确保出厂水足水准要求水质标准与法规1饮用水标准现饮卫标规项标规标中国行《生活用水生准》GB5749-2006定106指，其中常指42项规标项标状标标标，非常指64指涵盖感官性、一般化学指、毒理指和微生物指饮规对项质数规为标标印度《用水范》IS1050045水参做出定，分必需指和理想指两类2环境保护法规规监标《中华人民共和国水污染防治法》定了水污染防治的督管理、水污染防治的准和规内划、水污染防治措施等容饮区规对区规《用水水源保护污染防治管理定》水源保护的划分和管理做出定，包括一级区级区区标保护、二保护和准保护的划定准和管理要求3标准制定依据质标调数虑检测水准制定基于毒理学研究和流行病学查据，考污染物的健康风险、能力术和处理技水平卫组饮质则评结世界生织WHO《用水水准》提供了科学依据和风险估方法，各国据此标合本国国情制定适用准进检测术标断监项随着科学研究展和技提高，准不更新完善，管目逐步增加，限值更加严格第七章水资源保护与可持续利用水源保护区划与管理污染防治与生态修复区为级区级区严执许水源保护通常分一保护、二保护和源头控制格行排污可制度，推广清洁生区产术准保护技级区围区过态缓带拦•一保护取水口周域，禁止一切与程控制建设生冲，截面源污染关取水无活动态级区质生修复•二保护禁止排污和危害水的活动湿净质区开•人工地利用植物-微生物系统化水•准保护限制可能污染水源的发活动态区标识•水生植物恢复重建水生系统平衡保护管理措施包括边界设置、定期巡查、评应预•微生物强化投加有益微生物分解污染物污染风险估和急案制定节水技术与循环利用节术喷节节将推广水技（如滴灌、灌）和设备（水龙头、水马桶）；建设中水回用系统，处理后的污水绿厕饮缓压径用于化、冲等非用用途；雨水收集与利用，解城市用水力并减少流污染水处理新技术前沿膜技术高级氧化技术过产羟难

0.1μm

0.01μm通生高活性基自由基•OH氧化分解降解有机物过氢产羟•UV/H2O2紫外光催化氧化生基自由基剂产微滤膜孔径超滤膜孔径•UV/TiO2光催化在紫外光激发下生强氧化性空穴顿产•芬氧化Fe2+催化H2O2分解生自由基悬细细可去除浮物和部分菌可去除胶体和全部菌智能化水处理系统

0.001μm

0.0001μm结数术合物联网、大据和人工智能技质预测•基于水模型的处理工艺优化纳滤膜孔径反渗透膜孔径状态监测预测维•设备健康与性护质•能源优化管理，降低运行成本可去除有机物和二价离子可去除几乎所有溶解性物术势积质稳热组膜技优在于占地面小、自动化程度高、出水水定目前研究点包括抗污染膜材料、低能耗膜件和智能清洗系统等案例分享非洲农村简易水处理社区参与与技术适应性项关键虑当区目成功的在于充分考地文化背景和社参与训当术员术续传•培地技人，确保技可持承计当习惯•设符合地使用的设备，提高接受度区员负责维•建立社水管理委会，设备护和管理实际效果85%95%低成本水净化方案肠水源性疾病发病率降低大杆菌去除率过滤浊细•陶瓷器利用本地材料制作，去除度和菌杀•SODIS太阳能消毒利用透明PET瓶和太阳光菌滤维简单•生物砂器利用生物膜去除污染物，护•氯片消毒价格低廉，使用方便，效果可靠70%儿童学校出勤率提高资环过当术区显饮状案例表明，即使在源有限的境下，通适技和社参与，也能著改善用水安全和居民健康况水质工程师的职业角色运营职责设计职责数调•工艺参控制与整维计•设备运行护管理•水处理工艺流程设应选数计•急处置与故障排除•设备型与参算图纸术编管理职责•工程与技文件制质监测计•水划制定资•成本控制与源优化队术训环境职责•团建设与技培研发职责环评•境影响价术•污染风险控制•新工艺技研究续规评验证•可持发展划•处理效果估术应•技推广与用质师识续习术标职竞关键环水工程需要跨学科知和技能，包括化学、生物学、工程学和管理学等持学新技、新准和新方法是保持业争力的随着保要术质师将环续挥求提高和技发展，水工程在境保护和可持发展中发更重要作用实验与实训内容介绍水样采集与分析方法典型水处理单元操作演示烧试验过观01•杯模拟混凝-絮凝-沉淀程，察最佳投药量和絮体形成情况水样采集过滤验滤对过滤•砂柱实了解料特性效果的影响验测剂浓时对灭习选择规•消毒动力学实定不同消毒度、接触间微生物活效果学采样点、采样器具准备、样品保存和运输等范操作02物理指标分析测浊导数定度、色度、温度、电率等物理参03化学指标分析测标定pH、硬度、溶解氧、COD、BOD、氮磷等化学指04微生物检测习养细计数学无菌操作、培基制备、菌等微生物学基本技能课堂互动水处理工艺设计挑战分组设计沉淀池与过滤系统计算与设计要点给计组根据定的设条件，学生分完成以下任务沉降速度计算应计径颗计质数用斯托克斯定律算不同粒粒的沉降

1.确定设流量和水参选择辐速度

2.合适的沉淀池类型（平流式/流式/斜板）计时

3.算沉淀池几何尺寸和停留间计过滤选择滤

4.设系统，料类型和配置计负积绘图图算表面荷率并确定沉淀池面

5.制工艺流程和主要构筑物剖面过滤系统设计过滤计滤积确定速度，算池面选择滤径层计数料粒和厚，算反冲洗参评滤产估池周期和水量组将课计讨论计各小在堂上展示设方案，不同设养维队协的优缺点，培工程思和团作能力复习与知识点总结水质基础与水污染1•掌握水的物理、化学和生物特性来环•理解水污染源及其境影响2水处理基本原理与工艺质检测标•熟悉水指及其意义•混凝-絮凝-沉淀机理及影响因素过滤应水处理厂设计与管理3•不同类型器的特点与用较•各种消毒方式的优缺点比计关键数•水处理厂设流程与参质监测数•水系统建设与据分析4水资源保护与新技术•处理厂运行管理与故障排除区•水源保护划分与管理措施术级•膜技、高氧化等新工艺特点术趋势应•水处理技发展与用前景重点难点提示重点掌握常见难点过滤•混凝-沉淀--消毒工艺原理•混凝机理与最佳条件确定质标检测产•常见水指方法•消毒副物控制策略计计杂质选择•水处理厂设算•复水处理工艺课程考核与评价标准考核组成考核内容详情理论考试闭试满卷考，120分钟，分100分题选择题计题计题题型包括、算、设和分析应重点考察基本原理理解和工程用能力实验考核验选验完成6个必做实和1个做实验规数评实操作范性和据处理准确性分验报写质评实告撰量和分析深度价试验报课计课现时期末考实告程设堂表平作业课程设计组计分完成小型水处理系统设计说书计书提交设明和算进计辩行设成果答和展示课过评终结评结对践创维养时现课讨论质组协时袭将严肃程采用程性价与性价相合的方式，注重学生工程实能力和新思的培平表包括堂参与度、发言量和小作情况作业要求按提交，抄被处理未来展望水质工程的挑战与机遇气候变化对水资源的影响新兴污染物治理导资残内对全球气候变化致水源分布更加不均，极端天气药物留、微塑料、分泌干扰物等新型污染物质师传战事件增加水工程需要:统水处理构成挑:开应弹针对术•发适气候变化的性水处理系统•研发性强的高效去除技计应对质监测预•设能水和水量波动的灵活工艺•建立新兴污染物警体系资开态评•提高水源利用效率，减少能源消耗•展污染物生毒理学价智慧水务与绿色发展数术转字技与水处理深度融合，推动行业型:数孪现•建设字生水处理系统，实智能运行资•发展源回收型水处理工艺，如磷回收利用进环•水-能源-食物联动管理，促循经济对这战来质师识结过续创术面些挑与机遇，未的水工程需要更全面的知构和跨学科合作能力通持新和技突破，质将为现续标贡水工程解决全球水危机和实可持发展目做出更大献结束语水质工程是保障人类健康与生态安全的基石课为质识践将本程您提供了水工程的系统知和实技能，希望您能所学应为环续坚用于实际工作，成推动水境可持发展的中力量！关资们来质领水与生命息息相，保护水源就是保护我共同的未期待各位在水工程域不断创为贡探索新，建设美丽中国、构建人类命运共同体献智慧和力量！。