水处理原理、技术及应用

自产业革命以来，人类在社会文明和经济发展方面取得了巨大的成就。与此同时，人类对自然的改造也达到空前的广度、深度和强度。研究表明，地球一半以上的陆地表面都受到人为活动的改造，一半以上的地球淡水资源都已被人类开发利用，人类活动严重影响着地球系统的生物地球化学过程及能量和物质的循环，外来物种入侵、海洋鱼类的大量捕捞及鸟类的大量灭绝，使地球生态系统面临空前的压力，环境污染、过度开采利用导致水资源日益短缺、油气资源和战略性矿产资源面临枯竭、物种退化灭绝及可能的生态灾难、全球气候变化、频发的自然灾害等，都危及人类社会的生存和发展。

水是人类和地球上其他生物的生命源泉，是生命性资源、基础性资源、战略性资源，是资源的资源，是人类社会发展的重要物质基础，直接关系到经济、社会和生态的可持续发展，是21世纪全球的核心资源。人类的发展与进步面临着人口膨胀、资源短缺、环境恶化和生态破坏四大问题。这四大问题均与水有着密切的关系，洪涝灾害、干旱缺水、水环境质量恶化和水土流失常常干扰或制约一个国家（或地区）的社会经济发展进程。中国的水资源危机不仅十分突出，而且已经成为经济增长和现代化进程中的根本性限制因素。水资源观念落后，涉水行为失当，水资源管理效率低下，造成水资源的巨大浪费，更加重了我国的水资源危机。

水资源是人类生命之源，随着世界社会经济的发展和人口逐渐增多，对水资源的争夺已逐渐演变为国际政治问题。在我国工业化和城镇化过程中，水资源污染问题日益严重，水资源短缺更加凸显，成为阻碍可持续发展的重大问题之一。

《水处理原理、技术及应用》主要论述了水处理的基本原理、理论和应用技术。全书共19章，包括绪论、筛分、沉淀分离、气浮分离、澄清过滤、脱水干燥、混凝、吸附、离子交换、化学与物理化学法、水处理反应器、废水生化处理理论基础、活性污泥法、生物膜法、厌氧消化法、颗粒污泥技术、膜生物反应器、微生物燃料电池和微生物电解池、膜分离等。

本书理论与应用并重，对水处理工程理论问题的论述比较全面、深入，对各家学派的学说也分别做了介绍。在应用上，详细介绍了水处理领域各种通用技术方法、原理、设备装置的构造以及实际应用等，较系统地介绍了国内外多种水处理新技术与新工艺、新设备，综合了各种技术的前沿研究成果，资料丰富，并列举大量实例和计算例题等。在每章都附有相应的思考题，便于读者加深理解。

本书内容丰富，可作为环境科学与工程类专业教学用书，在水处理方面既有较强的理论深度，又有的实例分析；既适合各类环境类专业人员的参考阅读，对从事水处理技术研究、开发、设计的人员也有较大参考价值，也可作为高等学校本科生与研究生及相关工程专业技术人员等相关专业教材或参考用书，满足不同层次读者的需要。

本书的大部分研究成果是由景德镇陶瓷大学环境工程专业硕士研究生袁峰平、牛海亮、焦创、范小丰、曹天忆、任婉茹、王静、吴小刚等完成，在此表示衷心的感谢。本书引用了一些文献资料，在此向被引用的参考文献的作者们致以谢意！

由于编著者水平及时间有限，书中不足和疏漏之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。

编著者

《水处理原理、技术及应用》一书主要论述了水处理的基本原理、主要技术和应用案例。全书共19章，包括绪论、筛分、沉淀分离、气浮分离、澄清过滤、 脱水干燥、混凝、吸附、离子交换、化学与物理化学法、水处理反应器、废水生化处理理论基础 、活性污泥法、生物膜法、厌氧消化法、颗粒污泥技术、膜生物反应器、微生物燃料电池和微生物电解池、膜分离等。本书理论与应用并重，详细介绍了水处理领域通用的各种技术方法、原理、设备装置的构造以及设计计算等，并在每章末都附有相应的思考题，便于读者加强练习和加深理解。

本书可供水处理、市政工程等相关领域的科研人员、技术人员、设计人员和管理人员阅读，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程等相关专业的师生参考。

成岳，江苏南通人，教授，博导。曾在University of Connecticut访学。省骨干教师，省高校中青年学科带头人。省市环境影响评价、清洁生产、节能评估、应急预案和环境保护验收等专家库成员。一直从事环境工程专业方面的教学与科研工作，研究方向是环境功能材料的制备及在水处理中的应用。先后主持完成国家科技攻关项目、自然科学基金项目，省、市科研项目20多项。参加生态环境部标准的制定，获省精品课程，获省教育厅优秀教材奖励等，发明专利多项。先后在国内外各类期刊上论文一百多篇，出版专著及教材10多部。

第1章绪论/1

1.1水资源与水环境/1

1.1.1水资源/1

1.1.2水环境/2

1.2天然水的化学组成及水体污染、水体污染源与主要污染物/2

1.2.1天然水的化学组成/2

1.2.2水体污染、水体污染源与主要污染物/3

1.3水质指标与水质标准/5

1.3.1水质指标/5

1.3.2水质标准/7

1.4水污染防治与处理/8

1.4.1水污染防治/8

1.4.2水污染处理/8

思考题/9

篇物理处理/11

第2章筛分/12

2.1物料的粒度组成及粒度分析/12

2.1.1粒度及其表示方法/12

2.1.2粒度分析方法/12

2.2筛分分析/13

2.2.1筛分过程/13

2.2.2筛分工具/14

2.2.3筛分方法/14

2.2.4数据处理/15

2.3筛分理论/16

2.3.1筛分运动规律理论/16

2.3.2筛分透筛概率理论/16

2.3.3潮湿物料干法深度筛分理论/17

2.4筛分效率/17

2.4.1筛分效率计算/17

2.4.2筛分效率的测定方法/18

2.4.3筛分效率的影响因素/18

2.5筛分机械/20

2.5.1标准套筛/20

2.5.2固定筛/20

2.5.3振动筛/20

2.5.4筛分机械的发展/21

思考题/21

第3章沉淀分离/23

3.1概述/23

3.2沉淀类型/23

3.3沉淀理论/24

3.4自由沉淀及分析/26

3.4.1自由沉淀分析/26

3.4.2用牛顿第二定律表达颗粒的自由沉淀过程/26

3.4.3斯托克斯定律讨论/27

3.5沉淀池类型及特点/27

3.5.1平流式沉淀池/27

3.5.2竖流式沉淀池/27

3.5.3辐流式沉淀池/28

3.5.4斜板或斜管沉淀池/29

3.6浅池理论原理与设计/29

3.6.1原理/29

3.6.2斜管沉淀池设计/30

3.6.3斜流沉淀池/31

思考题/32

第4章气浮分离/33

4.1基本理论及原理/33

4.1.1气浮的基本原理/33

4.1.2气泡的稳定性/34

4.1.3气浮的影响因素/36

4.2乳化现象与破乳/37

4.2.1概述/37

4.2.2水包油（O/W）体系稳定性的影响因素/37

4.2.3提高乳化体稳定性的方法/38

4.2.4油包水（W/O）乳化液/38

4.2.5破乳/39

4.3气浮工艺/41

4.3.1布气气浮/41

4.3.2溶气气浮/42

4.3.3电解气浮/45

4.3.4生化气浮/45

4.4气浮技术的应用及展望/45

4.4.1气浮技术的应用/45

4.4.2气浮技术的展望/46

思考题/47

第5章澄清过滤/48

5.1过滤/48

5.1.1过滤的基本概念和分类/48

5.1.2过滤介质/49

5.1.3滤饼和助滤剂/49

5.1.4过滤推动力和阻力/49

5.1.5提高过滤生产能力的措施/50

5.2过滤设备/50

5.2.1深层过滤设备/50

5.2.2板框式压滤机/51

5.2.3转筒真空过滤机/51

5.2.4其他过滤设备/52

5.3有关过滤的计算/53

5.3.1固体量、滤液量与滤渣量的关系/53

5.3.2过滤速率基本方程式/53

5.3.3恒压过滤方程式/54

5.4过滤理论/57

5.4.1过滤机理/57

5.4.2唯象理论与迹线理论/59

思考题/59

第6章脱水干燥/60

6.1污泥脱水的基本原理/60

6.2脱水方法与设备/61

6.2.1污泥干化场/61

6.2.2离心法/62

6.3污泥干燥/63

6.3.1回转圆筒式干燥器/63

6.3.2闪蒸干燥（或急骤干燥）/63

6.3.3喷雾干燥器/63

6.3.4真空冷冻干燥/63

6.3.5旋转蒸发仪/64

思考题/65

第二篇化学与物理化学处理/67

第7章混凝/68

7.1概述/68

7.2胶体的特性/68

7.2.1胶体的结构和基本特性/68

7.2.2胶体的双电层结构/69

7.2.3胶体的稳定性/70

7.3混凝理论/71

7.3.1双电层压缩理论/71

7.3.2吸附电中和理论/72

7.3.3吸附架桥理论/72

7.3.4沉淀物网捕理论/73

7.4混凝剂与助凝剂/74

7.4.1混凝剂/74

7.4.2助凝剂/76

7.5影响混凝的因素/76

7.6混凝设备及混凝处理工艺过程/78

7.6.1混凝剂的投加设备/78

7.6.2混合设备/78

7.6.3絮凝设备/79

7.6.4混凝处理工艺过程/80

7.7絮凝模型/81

7.7.1传统絮凝模型/81

7.7.2层流模型/82

7.7.3紊流模型/82

7.7.4直线模型和曲线模型/83

7.7.5絮凝体破碎模型/83

7.7.6研究进展/83

7.8磁混凝/84

7.8.1磁混凝沉淀技术/84

7.8.2磁混凝作用机理/84

7.8.3磁粉的回收/85

7.8.4磁混凝沉淀技术的工艺流程及工艺参数/85

7.9有关混凝的计算/88

7.9.1概述/88

7.9.2具体计算公式/89

思考题/90

第8章吸附/92

8.1概述/92

8.2吸附的基本理论/92

8.2.1吸附机理及分类/92

8.2.2吸附平衡/93

8.2.3吸附等温式/93

8.2.4吸附速度/94

8.3影响吸附的因素/95

8.3.1吸附剂结构/95

8.3.2吸附质的性质/96

8.3.3操作条件/96

8.4吸附动力学/96

8.4.1水膜内的物质迁移速度/96

8.4.2内孔扩散速度/97

8.4.3吸附速度的测定/98

8.5吸附剂/103

8.6吸附工艺与设备/104

8.6.1吸附操作方式/104

8.6.2间歇吸附/104

8.6.3固定床吸附/106

8.6.4移动床吸附/107

8.6.5流化床吸附/108

8.7吸附剂再生/108

思考题/109

第9章离子交换/110

9.1概述/110

9.1.1树脂的定义和分类/110

9.1.2离子交换树脂/111

9.2唐南理论/111

9.3离子交换平衡/112

9.4离子交换树脂的性能指标/112

9.5离子交换选择性/114

9.6离子交换动力学/115

9.7离子交换的工艺和设备/115

9.7.1顺流再生离子交换器/116

9.7.2逆流再生离子交换器/117

9.7.3分流再生离子交换器/118

9.7.4浮床式离子交换器/118

9.7.5双层床和双室床/118

9.8离子交换法运行管理的注意事项/118

9.9离子交换法在废水处理中的应用/119

思考题/123

第10章化学与物理化学法/124

10.1中和法/124

10.1.1酸碱污水的产生/124

10.1.2中和剂/124

10.1.3中和方法分类/124

10.2化学沉淀法/126

10.3氧化还原法/127

10.3.1氧化剂/127

10.3.2臭氧氧化法/128

10.3.3高级氧化法/128

10.4光催化氧化/137

10.4.1光催化氧化概述/137

10.4.2光催化反应机理/138

10.4.3光催化氧化影响因素/139

10.4.4光催化氧化技术特点及发展/139

10.4.5光催化氧化的应用/140

10.4.6TiO2光催化剂的制备方法/141

10.4.7光催化剂的改性/142

10.4.8光催化研究实验体系的搭建/143

10.4.9实例：白色和黑色纳米二氧化钛性能对比分析/148

10.5萃取法/153

10.5.1概述/153

10.5.2萃取剂/153

10.5.3萃取工艺/154

10.5.4萃取法应用举例/154

10.6超临界处理技术/155

10.6.1概述/155

10.6.2超临界原理/156

10.6.3超临界流体特点/156

10.6.4超临界流体处理的应用/157

10.6.5超临界流体处理实例/158

思考题/158

第11章水处理反应器/160

11.1物料衡算与质量传递/160

11.1.1物料衡算方程/160

11.1.2质量传递/160

11.2理想反应器模型/161

11.2.1完全混合间歇式反应器（CMB型）/161

11.2.2完全混合连续式反应器（CSTR型）/161

11.2.3推流式反应器（PF型）/162

11.3非理想反应器/162

11.4反应器理论在水处理中的应用/164

11.4.1水处理中常见的反应器/164

11.4.2计算化学反应的转化率/164

11.4.3反应动力学试验与计算实例/164

思考题/167

第三篇生物化学处理/169

第12章废水生化处理理论基础/170

12.1废水处理微生物基础/170

12.1.1微生物的新陈代谢/170

12.1.2微生物生长的营养及影响因素/170

12.2酶及酶反应/171

12.2.1酶及其特点/171

12.2.2酶促反应速率/171

12.2.3酶制剂/173

12.2.4适应酶/173

12.3微生物的生长规律和生长动力学/173

12.3.1微生物的生长规律/173

12.3.2微生物的生长动力学/173

12.4废水可生化性及其评价方法/174

12.4.1废水可生化性/174

12.4.2废水可生化性的评价方法/176

12.5废水生化处理方法总论/180

12.5.1生化处理方法分类/180

12.5.2生化处理方法的发展沿革/181

思考题/182

第13章活性污泥法/183

13.1活性污泥法概述/183

13.1.1活性污泥法发展历史/183

13.1.2活性污泥法的基本流程/183

13.1.3活性污泥的性能及其评价指标/183

13.1.4曝气方法和曝气池的构造/185

13.1.5活性污泥法的运行方式/187

13.1.6活性污泥丝状膨胀及其控制对策/189

13.2脱氮、除磷活性污泥法工艺及设计/189

13.2.1氮的去除/189

13.2.2磷的去除/195

13.2.3生物除磷及生物脱氮除磷工艺/197

13.2.4主要的脱氮除磷活性污泥法功能表及影响因素/206

13.3城市污水的三级处理/207

13.3.1简介/207

13.3.2操作方法/207

13.3.3处理过程/207

思考题/209

第14章生物膜法/211

14.1概述/211

14.1.1生物膜法的基本流程/211

14.1.2生物膜法的基本概念/211

14.1.3生物膜法的特征/214

14.1.4生物膜法的分类/214

14.2生物膜的增长及动力学/215

14.2.1生物膜的增长过程/215

14.2.2生物膜理论中的几个重要参数/216

14.3生物滤池/216

14.3.1概述/216

14.3.2生物滤池的原理和影响因素/217

14.3.3普通生物滤池/218

14.3.4高负荷生物滤池/219

14.3.5塔式生物滤池/222

14.3.6曝气生物滤池/224

14.4生物转盘/227

14.4.1概述/227

14.4.2净化原理/227

14.4.3典型的工艺流程/227

14.4.4生物转盘运行中需要注意