给排水科学与工程
第四单元给水系统
一般来说，供水系统可划分为四个主要组成部分:（1）水源和取水工程（2）水处理和存储（3）输水干管和配水管网。常见的未处理的水或者说是原水的来源是像河流、湖泊、泉水、人造水库之类的地表水源以及像岩洞和水井之类的地下水源。修建取水构筑物和泵站是为了从这些水源中取水。原水通过输水干管输送到自来水厂进行处理并且处理后的出水储存到清水池。处理的程度取决于原水的水质和出水水质要求。有时候，地下水的水质是如此的好以至于在供给给用户之前只需消毒即可。由于自来水厂一般是根据平均日需求流量设计的，所以，清水池为水需求日变化量提供了一个缓冲区。
水通过输水干管长距离输送。如果输水干管中的水流是通过泵所产生的压力水头维持的，那么我们称这个干管为增压管。另外，如果输水干管中的水流是靠由于高差产生的可获得的重力势能维持的，那么我们称这个干管为重力管。在输水干管中没有中间取水。与输水干管类似，在配水管网中水流的维持要么靠泵增压，要么靠重力势能。一般来说，在平坦地区，大的配水管网中的水压是靠泵提供的，然而，在不平坦的地区，配水管网中的压力水头是靠重力势能维持的。
一个配水管网通过引入管连接配水给用户。这样的配水管网可能有不同的形状，并且这些形状取决于这个地区的布局。一般地，配水管网有环状或枝状的管道结构，但是，根据当地城市道路和街区总体布局计划，有时候环状和枝状结构合用。城市配水管网大多上是环状形式，然而，乡村地区的管网是枝状形式。由于供水服务可靠性要求高，环状管网优于枝状管网。
配水管网的成本取决于对管网的几何形状合适的选择。城市计划采用的街道布局的选择对提供一个最小成本的供水系统来说是重要的。环状管网最常见的两个供水结构是方格状、环状和辐射状；然而，我们不可能找到一个最佳的几何形状而使得成本最低。
一般地，城镇供水系统是单入口环状管系统。如上所说，环状系统有一些通过系统相互连接的管道使得通过这些连接接的管道，可以供水到同一个需水点。与枝状系统不同，在环状系统中，由于需水量在空间和时间上的变化，管道中的水流方向并非不变。
环状管网可为系统提供余量，提高系统应对局部变化的能力，并且保证管道故障时为用户供水。从水质方面来说，环状形状可减少水龄，因此被推广。管道的尺寸和配水系统的设计对减少水龄来说是重要的因素。由于多方向水流模式和系统中流动模式随时间的变化，水不会停留在一个地方，这样减少了水龄。环状配水系统的优缺点如表4.1所述。
优点:1.Minimize loss of services.as main breaks can be isolated due to multidirectional flow to demand points.2.Reliability for fire protection is higher due to redundancy in the system.3.Likely to meet increase in water demand -higher capacity and lower velocities.4.Better residual chlorine due to in line mixing and fewer dead ends.
5.Reduced water age.
在文献中曾记载过，只考虑最低成本设计的环状管网系统会转化成树状似的结构，这一做法导致在最终的设计中失去最初的几何形状。环状保证了系统的可靠性。因此，一个只考虑最低成本为依据的设计打败了在环状管网中所提供的基本功能。有文献记载设计环状管网系统的方法。尽管这个方法也是仅以考虑最低成本为基础，它通过对管网中所有管道最优化规划从而保持了管网的环状结构。
第五单元废水的收集和污水系统的设计
污水可以划分为以下几个组成部分:
生活污水: 从居民，商业点（比如银行、餐馆、零售商店）和公共设施（比如学校和医院）排放出来的污水。
工业废水:从工厂（比如制造业和化工过程）排放出来的废水。
渗入水和流入水:从地下水渗透到污水管系统的水，从屋顶的排水管、地面的排水管和管网的检查井流入的雨水。
雨水:由降水和雪
水的产生量随季节变化，并且每周内的每一天，每天中的每个小时用水量和污水的产生量都不同。在小的社区中，水的耗用和污水产生量的波动变化大于大的社区，且短时间内大于长时间。
由于收集和处理系统并没有以运输和处理这些工业废水中的废物为目的而设计，所以工业废水可能会对市政系统造成严重的危害。工业废水中的废物会损坏污水管并且干扰污水处理厂的运作。工业废水中的废物可能会通过污水处理厂但未被处理而直接排放，或者浓缩在污泥里，成为危险的废物。
最近，城市水资源的消耗和退化已经促使提倡建立一个可持续的城市水系统，这个系统提倡少用水、保护自然排水系统，通过节约用水和回用水减少废水排放的频率，严格控制水污染以及保护或者增强受纳水体生态系统。
城镇污水处理系统的基本元素如图5.1（a）和图5.1（b）所示。三个主要的水污染控制组成部分是:城市排水系统（既运送地表径流又运送生活污水），污水处理厂和受纳水体。这三个水污染控制组成部分间的相互依赖和连通性如图表中暗示靠重力或增压方式进行水力输送的箭头所示。像从这三个水污染控制组成部分中通过机械移除固体和污泥的其他水力输送模式已经被省略。城市的排水系统用来防止内涝，减少由于地面汇集成水塘带来的不便，减少了对人类健康的危害，改善了美感。
在上个世纪，城市的排水系统已经发展成两种模式，即，图5.1（a）所示的分流制排水系统和图5.1（b）所示的合流制排水系统。合流制排水系统在同一根管道中输送地表径流和生活污水。在旱季，水被输送到污水处理厂并进行处理。在雨季，随着流入合流污水管的径流量增加，水的收集系统和污水处理厂的容量满足不了暴增的排水量，过量的水流允许以所谓的合流溢流的形式脱离水的收集系统排放到受纳水体中。
在分流制排水系统中，地表径流通过雨水管输送和排放到受纳水体中，生活污水通过污水管输送到污水处理厂并且在排入受纳水体之前进行处理。
这两个排水系统存在许多变化。图5.1（a）和图5.1（b）显示了在集水区排水、排水管、污水处理厂和受纳水体之间的相互联系。雨水管排水和受纳水体之间的相互联系十分强烈并且与关于水循环的城镇化影响有关。在城镇化的发展进程中，城市地表被屋顶、街道、人行道、停车场以及因土地利用活动变的密实的土壤等诸如此类的隔水元素覆盖。因此，植物冠层对降水量的吸收作用变弱和渗入到地下的水量减少，与此同时，更多的雨水直接转换成地表径流。不透水的地表径流快速汇集以及像排水沟、雨水管和排水管的典型水力促进导致了供水发生率和规模的增加。这种影响在城镇地区因变直、变深和变线状分布的溪流而今进一步加剧。
如图5.1（b）所示，尽管在分流制系统中雨水和污水是分开输送排放的，但在二者之间不可避免地有一些连通。城市污水流入到雨水管中导致了雨水被污染，雨水流入到污水管中增加了水流量从而导致水流量超过污水处理厂的容量使得污水溢流。这样的流入来源包括污
水管与雨水管的连通。在污水管和雨水管以及地下水之间同样有一些连通，即，以地下水渗透（增加了水的流量）和管道渗出导致雨水污染的这种形式连通。在一个设计和维护良好的分流制排水系统中，雨水管和污水管之间的连通不存在的，采用不漏水的污水管以防渗透，进而使在雨水和污水处理厂之间的相互作用最小化。
主要的剩余相互作用是那些在雨水或污水处理厂出水排放与受纳水体之间的相互作用。雨天水流对污水处理厂产生水力和污染的冲击负荷，尽管这些冲击负荷不影响合理设计的设备的机械处理部分，但的确影响生化处理的工艺，尤其是硝化作用和反硝化作用，比如通过缩短反应时间，减少回流污泥量，以及当污泥流入终沉池时减少生物量等方式产生影响。这些因素都可以导致降低处理效果和增加排放到受纳水体的污染物量。
在合流制排水系统中（图5.1a所示），这三个主要的水污染控制部分之间的相互作用强于分流制系统中它们之间的相互作用。在晴天时，合流制排水系统的功能像只产生一种水流的分流制排水系统的功能，这种水流是输送到污水处理厂去处理的生活污水。在雨天，地表径流直接进入合流管。当合流管道系统的容量已经无法满足排水量，过量的合流水或带着负面影响，直接排放入受纳水体（即合流制溢流污水），或者进入污水处理厂联动的溢流设施。
与雨水污染的特点类似，合流制溢流污水的污染特点受到生活污水和从合流污水管中冲刷出来的污泥强烈地影响。因此，合流制溢流污水是固体、可生物降解有机物、营养盐和排泄物细菌的十分重要来源。合流制溢流污水对受纳水体的影响和前面部分叙述的类似，但是就氧消耗和水体富营养化和增长的生产力以及排泄污染物来说，合流制溢流污水对水体的影响更大。因此，在溢流污水排入受纳水体之前对其控制是值得做的。像这样的控制设备应该与污水处理厂联动运作。
第八单元凝聚和絮凝
在水中有三种物质存在形式。这些物质是以溶解形式存在的化学物质，胶体粒子和悬浮粒子。凝聚或絮凝将会去除胶体和悬浮颗粒。
在水处理工业中，凝聚和絮凝这两个术语暗示不同的机理。尽管凝结和絮凝经常混用，但是它们指的是两个不同的工艺。凝聚是指使胶体颗粒和非常细小的固体悬浮物脱稳并在条件适合时脱稳颗粒开始聚集的处理工艺。絮凝是指脱稳的胶体颗粒进一步聚结成更大的聚集体以至于它们可以从污水中分离出来。
凝聚
凝聚是由于添加了化学试剂（助凝剂）从而使胶体粒子脱稳。脱稳的目的是减少胶体粒子之间的排斥力而使其能够结合更多的胶体粒子，使它们在随后的沉淀过程中得以去除。
原水中导致色度和浊度的粒子主要是黏土、淤泥、病毒、细菌、腐殖酸、矿物质（包括石棉、硅酸盐、二氧化硅和放射性粒子）和有机粒子。pH值大于4的水中，这样的粒子和分子往往带负电荷。凝聚是用来去除以悬浮或胶体状态存在的废弃物。胶体是以在0.1-1nm 范围的粒子形式存在。这些粒子通过静置不会沉淀下来，并且以传统的物理处理工艺难以去除。胶体颗粒在污水中既可以以亲水形式又可以以憎水形式存在。憎水的胶体颗粒对液体介质没有亲和力并且在电解质存在的情况下缺乏稳定性。憎水的胶体粒子易受这些因素影响从而凝聚。亲水性的胶体粒子，比如蛋白质，对水有显著的亲和力。与水亲和阻碍了絮凝并且常常需要特殊处理来达到有效的凝聚。
胶体的电性质产生了排斥力从而阻止了凝聚和沉降。稳定化的离子被牢牢的吸附在提供负电荷粒子的内层，这些负电荷随着吸附的离子的数目和化合价变化而变化。带相反电荷的离子形成外部扩散层，这个扩散层因静电力靠近胶体表面。胶体的稳定性是由于静电斥力，而对于溶液中的亲水性胶体，水膜阻止了混凝。
凝聚的优势在于它可以缩短悬浮物沉降时间，并且对去除难以去除的细小颗粒行之有效。混凝也可以有效地去除许多原生动物、细菌和病毒。
絮凝
絮凝是通过物理的方式促进已经脱稳的颗粒凝结密实的、可快速沉降的颗粒物或者絮体。絮凝或者由于速度或水力梯度不同形成的缓慢搅拌导致了良好的水力运动，使得胶体粒子可以聚集变大从而形成易沉降的絮凝体。最常见的操作是在水中投入絮凝剂或者其他化学物质后，立刻对其快速搅拌混合使其分散。接着缓慢搅拌，在缓慢搅拌期间，胶体逐渐变大。设计絮凝反应时间从15分钟或20分钟到一个小时或者更长时间不等。
凝聚和絮凝是连续发生的，它想克服使悬浮颗粒稳定的力，使颗粒相互碰撞形成絮体。如果第一步凝聚反应不够充分，接下来的絮凝不会发生。
第九单元沉淀
水里面的杂质可能是溶解物或悬浮物。去除悬浮物最简单的方法是利用重力。在静态条件下，当水流速度和湍流最小的时候，比水重的颗粒物沉降到池底。这个过程称之为沉淀，而且在池子底部聚集的固体层叫污泥。沉砂池、沉降池或者说是沉淀池建造用来去除由沉淀产生的固体。澄清池是带有用机械方式连续去除由沉淀过程积聚的固体的沉淀池。
池中悬浮颗粒沉降到池底的速度取决于它们的大小和密度。更大更重的颗粒比更小更轻的颗粒更快自然沉降。与朝下的重力方向相反的力包括浮力和摩擦力（拉力）。水的温度和粘度是影响颗粒沉降的另外因素。
沉降过程的类型同样随着悬浮物浓度和颗粒之间相互作用的倾向变化而变。在稀释的悬浮液中，悬浮物不受干扰自由地沉淀，我们称这个过程为自由沉降。当悬浮物浓度增加时，颗粒倾向相互作用，干扰其他颗粒的自由运动，这有时被称为拥挤沉淀。在一个沉淀池中不同的高度地带区处会发生不同类型沉淀，有时多达四种，并且对这个过程精确的数学分析是非常复杂的。
Factors Affecting Sedimentation
有一些因素影响从水中分离可沉降固体。一些常见的影响因素如下:
粒径
需要去除的颗粒物的粒径和类型对沉淀池的运行有重大的影响。因为密度的不同，沙子和泥沙较容易去除。当水流速度小于一英尺每秒时，大多数的沙砾和细砂可通过简单的重力法去除。相反地，胶体物质、细小颗粒悬浮在水中，使水看上去呈云状浑浊，这时只有投加如铁盐或硫酸铝之类的化学药剂对之进行混凝和絮凝才会使之沉淀。
颗粒的形状同样也会影响它的沉降性质。例如，一个圆形的颗粒将会比一个粗糙的或者不规则的颗粒更易沉降。
所有的颗粒往往带有微弱的电荷。带有相同电荷的颗粒倾向于相互排斥。这种排斥作用阻止了颗粒聚集成絮体沉降下来。
水温
在沉淀池运行中，另一个需要考虑嗯因素是需处理的水的水质。当水温降低时，沉降的速率变慢。结果是，当水变冷时，沉淀池中水力停留时间必然增加。当水温降低时，操作者必须改变混凝剂的用量用来抵消降低的沉降速率。在大多数情况下，水温对处理效果不会有很大的影响。在夏季，当水温和沉降速率最大时，水处理厂的处理水量达到最大。当水变冷时，水厂的水流速度达到最慢，在大多数情况下，水厂的水力停留时间会增加，因此，在沉淀池中絮体有足够的时间沉淀下来。
在沉淀池中，可能会出现水流的一些类型。
在沉淀池中，固体的重量和聚集以及水温引起重力流。
水流进入沉淀池和离开沉淀池引起了涡流。
由于水流可以促进颗粒的絮凝，所以它可能是有益的。然而，水流也会使絮体在池内不均匀的分布，结果絮体不能以平均速度沉淀下来。
通过对沉淀池合理的设计，可以减少一些水流引起的问题。比如，在沉淀池中安装挡板，可以避免水流在池内走短流。
第十四单元活性污泥工艺
在生活污水和工业废水处理中，活性污泥工艺是现在最广泛使用的生物处理工艺。1914年活性污泥工艺发展起来，之所以这样命名，是因为活性污泥工艺中产生大量活性微生物，这些微生物能够稳定好氧降解污水中的有机组分。
图14.1图示了基本的活性污泥工艺。通常来自初沉池的污水和回流污泥组成的混合污水入水被称做混合液。在活性污泥工艺中，混合液流入曝气池中，在曝气池里，负责处理废水的微生物保持在悬浮状态和暴露在空气中。在曝气池中，接触反应时间是用来混合废水入水以及对其曝气充氧。曝气至少有三个重要功能:（1）混合混合液（2）使活性污泥呈悬浮状态（3）给废水稳定所需要的生化反应提供氧气。一旦混合液受到足够的处理，过量的混合液排放到二沉池。二沉池的作用是从混合液中分离出来活性污泥。这些污泥代表了废水中原有的胶状和溶解性的固体。在曝气单元中，它们合并成可沉降的固体，即活性污泥。这些固体的分离是活性污泥工艺中关键的一步过程，它最终在二沉池或终沉池中完成。一部分沉淀的生物量，即活性污泥，被返回到曝气池中，这是维持曝气池中活性污泥具有足够的浓度的重要过程，以便达到期望的处理程度。由于曝气池底氧气不足而导致好氧微生物的死亡，所以剩余污泥在它失去活性之前必须被排。对此，最常见的操作是在污泥回流线上废弃掉剩余污泥。有时候通过直接从曝气池中抽出混合液来排除剩余污泥。接下来，废弃的混合液排放到浓缩池或初沉池中，在初沉池里，废弃的混合液与原来的污泥混合和沉降。通过最终沉淀、离心分离或浮选浓缩，废弃污泥进一步浓缩，然后通过生物或化学方法再对其处理。
自从活性污泥工艺广泛使用以来，对传统的活性污泥工艺的许多改进被开发出来以满足特殊的处理要求:
（1）完全混合活性污泥工艺:一个完全混合系统可以对曝气池中废水进行更均匀的曝气。这个工艺由于其耐冲击负荷和耐有毒物质负荷，已经成功应用于处理各种不同水质的废水。
（2）阶段曝气活性污泥工艺:在这个改进的系统中，废水沿曝气池长多点进水。沿着曝气池负荷分配相对比较均匀，从而促使能够有效地利用溶解氧。
（3）接触稳定活性污泥工艺:入水在短时间内（20到40分钟）在小的接触池内与高浓度生物量接触。混合物流入二沉池，在这里进行沉淀，同时，产生的污泥被返回到稳定池中，其水力停留时间为4-8小时。在这个接触池内，有机组分被微生物快速吸收，随后又被微生物氧化。这个工艺只需小的池容积并且产生少数量的生物固体。
（4）.渐减曝气活性污泥工艺:在基本的活性污泥工艺中，有机负荷集中在曝气池的前段，因此，在曝气池的前端需氧量高，但在曝气池末端出口处需氧量低。为克服这一问题，在渐减曝气活性污泥工艺中，供氧量随池长逐渐减少，这样在池内供氧量和需氧量达到平衡。
（5）纯氧活性污泥工艺:纯氧活性污泥处理时基于这样一个简单的想法，氧气在水中的传输速率正比于氧气的分压，即纯氧比大气中的氧传输速率要高。微生物容易获得氧气促使提高处理效果和减少产生的固体生物量和反应器体积。
在活性污泥工艺中，为确保高等级的处理性能，需要考虑到几何控制措施，比如:（1）确保在曝气池中有充足的氧（2）.调节回流污泥量（3）.控制剩余污泥。总的来说，需要建
立几个参数并且其中每一个参数适用于作为一个指标来判断整个工艺是否正处于最佳性能工作。控制工艺最常用的参数是固体停留时间（SRT,固体停留时间代表了污泥在系统中停留的平均时间）。混合液悬浮固体浓度（MLSS）用来确定污泥是否健康或者污泥龄是否太大或太小。混合液悬浮固体浓度可以根据回流污泥量控制。有机负荷率（F/M）通常用来描述操作条件。好氧速率同样是用来监控活性污泥工艺的参数。污泥容积指数（SVI）是衡量活性污泥沉降性能的指标，它可由沉降实验测得（污泥容积指数指的是“经过一定的沉淀后，1克污泥占的体积”，通常是在1升或2升的量筒内沉降20分钟到1小时或两小时。最常用的沉降时间是半小时。）
第十五单元附着生长处理工艺
废水或生活污水处理，是指去除污水废水中污染物的过程。它包括物理、化学和生物过程，作用是去除物理、化学和生物污染物。其目的是集中产生废物流（或经处理后的出水）以及固体废物或可以处理或可进入环境的的污泥。
在1869年爱德华爵士弗兰先生通过用各种不同配比的粗砂粒和泥炭土来填充实验来过滤伦敦的废水从而开始了他关于研究过滤性能的突破性研究。这个实验是第一个科学证明间歇沙滤层方法是废水处理的一个有效方法。废水流进一些天然材料得到处理的理念是附着生长工艺即生物膜处理工艺的基础。通常这些工艺是低维护，低能量需求的工艺，总的来说，对小的社区和单独家庭是一个低难度技术的废水处理技术。
与活性污泥法中降解废物的细菌在水池中悬浮相比，生物膜法中的活性细菌吸附在天然或人造滤料表面，并在其上形成膜状污泥——生物膜，使污水得到净化。
生物膜法工作原理是利用微生物除去污水中的有机物质，这些微生物主要是好氧微生物------在有氧环境下生存的微生物，它们附着在滤料(如砾石，沙子或者泥煤)上生长，本质是污水与生物膜接触，污水中的有机污染物作为营养物质被生物膜上的微生所摄取。
就一切情况而论，在化粪池或其他初级处理设备之后的附着生长滤池充当二级处理设备的作用。原水必须首先去除大的固体和悬浮物，因为这些物质将会阻塞滤池。
有两种基本的生物膜处理系统：第一种是像低滤池那样固定滤料，废水从滤床上部通过；或者像生物转盘那样，滤料相对废水是运动的。在大多数情况下，在滤料下部的废水收集管收集出水，并且要么回流出水对滤池反冲洗，要么排出出水对之进一步处理。生物膜工艺优于活性污泥工艺，表现在其低能耗、操作简单、无污泥膨胀、容易维护以及耐冲击负荷。废水处理中的生物膜处理工艺在生化需氧量（BOD）的去除、硝化作用和反硝化作用上是非常有效的。然而它的缺点是占地多、在冬季操作困难以及有潜在的恶臭问题。见图15.2.
许多小型社区、开发商和私房屋主发现，单独使用滤池、生物转盘或者使其结合其他技术进行污水处理是低成本，较易维护的方法。
这些工艺有许多变化和结合，有时候指的是一个组合，这个组合是使用生物膜处理工与其他技术相结合，主要是和各类型生物膜滤池结合，比如沙、泥炭和织物滤池，低滤池和生物转盘，以及潜流湿地。
砂和泥炭滤池
使用砂或泥炭作为处理废水介质的滤池形成一个有效的生物膜系统。这些滤池可以被设计为单向流滤池或循环流滤池，这意味着废水可以多次流过滤料。不管滤料是什么，处理的工艺大体上是一致的，即，化粪池的出水穿过滤床然后在滤床下部收集滤出水。当细菌在滤料上生长时，污水处理就开始了，砂滤池的滤床是由2到3英尺厚的砂子或其他合适的颗粒
介质组成的（如图15.3）。泥炭滤池是用两英尺厚的苔藓泥炭组成的滤床来处理废水。未杀菌的泥炭含有大量的微生物，包括细菌，真菌和微小植物，它们使得泥炭滤床有效并满活性。
织物滤池
使用人造织物处理废水是近几年发展起来的。这个人造织物是一个合成纤维并且耐用以及抗生物降解。把设计的织物填充到防水的玻璃纤维滤池里，这对生物降解提供了大的表面积但是只占了很小的空间。一个织物滤池占的面积大约20平方英尺，也就是一个四居室的家庭住宅那么大。相对于污水处理厂来讲，织物滤池系统对生化需氧量、总悬浮固体、大肠杆菌、氨和硝酸盐浓度有较高的去除率。
我们在后面的阅读材料中，我们也会解释这些系统的工作原理以及使用方面的优缺点。