清大環(huán)境學(xué)概論課件03水體環(huán)境

第三章水體環(huán)境第一節(jié)水體環(huán)境概述第八章第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第二節(jié)污染物在水中的擴散第三節(jié)污染物在水中的轉(zhuǎn)化第四節(jié)水環(huán)境污染的控制及管理第三章水體環(huán)境第一節(jié)水體環(huán)境概述一、世界水資源與水循環(huán)二、天然水質(zhì)三、水體概念及水體污染四、水體污染源和污染物第八章第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章一、世界水資源與水循環(huán)（一）水資源的分布（二）水循環(huán)第三章水體環(huán)境（一）水資源的分布地球上水資源分布（%）第三章水體環(huán)境地球上的水100海水96.54淡水2.53淡水分布冰蓋68.38永凍土底冰0.86地下水30.06土壤水0.05湖泊0.26沼澤0.08大氣0.04河流0.006第三章水體環(huán)境（二）水循環(huán)蒸發(fā)：5.77*105km3海面占87.5%5.05*105km3陸地水面和土面蒸發(fā)和植物的蒸騰占12.5%0.72*105km3

降水：降到海面4.58*105km3降到陸地1.19*105km3

輸送：海面—陸地（降水）4.7*104km3

陸地—海面（地下徑流）4.7*104km3第三章水體環(huán)境二、天然水質(zhì)（一）天然水的化學(xué)組成（二）天然水化學(xué)成分的形成（三）各種類型天然水質(zhì)第三章水體環(huán)境（一）天然水的化學(xué)組成地球上的水主要氣體：N2、O2、CO2微量氣體：H2、CH4、H2S溶解氣體主要離子：Cl_、SO22_、HCO3_、CO32_、Na+、Ca2+、Mg2+生物生成物：NO3_、NO2_、H2PO4_、HPO42_、PO43_、Fe2+、Fe3+溶解物質(zhì)有機膠體：腐殖質(zhì)膠體無機膠體：SiO2、Fe(HO)3、Al(HO)3膠體物質(zhì)微量離子：Br_、I_、F_、Ni、Ti、V

、Ba、Rn等

細(xì)菌藻類及原生動物懸浮物質(zhì)泥土、粘土其它不溶物質(zhì)第三章水體環(huán)境（二）天然水的化學(xué)成分的形成1、決定因素：與水接觸的物質(zhì)的成分和溶解度取決于作用條件第三章水體環(huán)境2、作用形式：固體物質(zhì)的溶解和沉淀酸堿反應(yīng)水化學(xué)平衡體系中離子成分與氣相間的平衡氧化—還原反應(yīng)固體物質(zhì)與水中離子成分之間的交換反應(yīng)有機物的礦化作用生物化學(xué)作用表水在不同儲層中的滯留時間第三章水體環(huán)境（三）各種類型的天然水質(zhì)第三章水體環(huán)境1、大氣降水的化學(xué)組成及特性：（1）大氣降水的化學(xué)成分地區(qū)組成（ppm）pHNa+K+Ca2+Mg2+Cl_SO42_NO3_NH4+北歐5.472.050.351.420.393.472.190.270.41澳大利亞東南部2.460.371.200.504.43美國西部0.301.110.370.350.542.942.21美國東部0.210.090.430.230.104.050.21中國京津地區(qū)6.80140.942.3192157.3136.650.32141.1中國新西南地區(qū)4.0710.126.4115.628.38.2205.52178.9第三章水體環(huán)境（2）大氣降水的特性溶解的氣體接近飽和降水普遍顯酸性較其它水質(zhì)，降水的礦化度最低，對于各種可溶性鹽類遠(yuǎn)未飽和。降水具有是各種元素進(jìn)入水中的能力。空氣中的CO2含量為0.03%，當(dāng)雨雪中的CO2達(dá)到電離平衡時的pH值為5.6，故顯酸性。大氣降水的值小于5.6就稱為酸雨。不同區(qū)域的大氣降水的化學(xué)成分有差異（水汽來源不同：海洋河內(nèi)陸）第三章水體環(huán)境2、河水的化學(xué)組成及特性：（1）河水的化學(xué)成分（mg/L）地區(qū)HCO3_SO42_Cl_NO3_Ca2+Mg2+Na+K+Fe3+SiO32_總量北美洲68208121591.40.169142南美洲314.84.90.77.21.5421.411.969歐洲95246.93.731.15.65.41.70.87.5182亞洲798.48.70.718.45.69.39.30.0111.7142非洲4313.512.10.812.53.811111.323.2121大洋州31.62.6100.053.92.72.92.90.33.959世界58.411.27.81154.16.32.30.6713.1120第三章水體環(huán)境（2）河水的特性河水中各種離子差異很大，其含量順序是：HCO3_>SO42_>Cl_>NO3_，Ca2+>Mg2+

>

Na+>K+河水的化學(xué)組成空間分布差異大河水的化學(xué)組成的時間變化差異河水的礦化度普遍低，平均只有0.15—0.35g/L在各種補給中，地下水的礦化度最高，冰雪融水補給的礦化度最小。由降水形成的地表徑流礦化度也很小。以雨水或冰雪融水補給為主的河流，在汛期礦化度明顯降低；夏季植物繁茂，使NO3_、NO2_、NH4+含量減少?？菟谝缘叵滤a給為主，河水礦化度增大；由于水生生物減少，NO3_、NO2_、NH4+的含量達(dá)到全年最大值。第三章水體環(huán)境3、湖水的化學(xué)組成特性：湖中生物作用強烈，各地的淡水湖都有不同程度的富營養(yǎng)化趨勢。湖水交替緩慢，深水湖有分層性湖水的礦化度有差異淡水湖<1克/升，微咸水湖1-24.7克/升，咸水湖24.7-35克/升，鹽湖>35克/升。不同類型的湖泊其分布具有地帶性規(guī)律。隨著水深的增加，溶解氧的含量降低，CO2的含量增加。在湖水停滯區(qū)域，會形成局部還原環(huán)境，以致湖水中游離氧消失，出現(xiàn)H2S和CH4。在淡水中陰離子HCO3_以為主，陽離子以Ca2+為主。隨著礦化度增大，陰離子按HCO3_→SO42_→

Cl_次序增加；陽離子中Na+逐漸代替Ca2+成為主要成分，而且Mg2+含量也在增加。第三章水體環(huán)境4、地下水的化學(xué)組成特性：礦化度的變化范圍很大，從淡水到鹽水都存在。地下水的化學(xué)成分的時間變化極為緩慢，常需地質(zhì)年代來衡量。地下水與周圍圍巖構(gòu)成地下水圈，從地表到地下深處，使得土壤圈和巖石圈各種元素及化合物都可能存在于地下水中。地下水與大氣接觸有很大局限，僅限于表層，若交替緩慢容易形成還原環(huán)境。第三章水體環(huán)境三、水體概念及水體污染（一）水體的概念（二）水體的自凈作用（三）水體污染第三章水體環(huán)境第三章水體環(huán)境第三章水體環(huán)境第三章水體環(huán)境（一）水體的概念1、描述性定義：水體系河流、湖泊、沼澤、水庫、地下水、冰川、海洋等“地表貯水體”的總稱。水體不僅包括水，還包括水中的懸浮物、底泥及水生生物等。從自然地理角度。水體是指地表被水覆蓋的自然綜合體。第三章水體環(huán)境2、劃分：按類型海洋水體陸地水體地表水體地下水體（深、淺）流動：江河、溪流靜止：湖泊、水庫、塘堰按區(qū)域3、區(qū)別水質(zhì)與水體：水質(zhì)：水相的質(zhì)量。通過水體的物理、化學(xué)和生物的特征及組成狀況，反映水體環(huán)境的演化過程和人類活動影響的程度。水體：包含除水相以外的固相物質(zhì)，內(nèi)容廣泛。（水體污染了，水質(zhì)并不一定差）第三章水體環(huán)境4、水體與水資源：水環(huán)境水水資源可利用能利用水水資源：作為資源的水應(yīng)當(dāng)是可供利用或可能被利用，具有足夠數(shù)量和質(zhì)量，并可適合某地對水的需要而能長期供應(yīng)的水源。第三章水體環(huán)境（二）水體的自凈作用1、描述性定義：以河流為例，河流的自凈作用是指河水中的污染物濃度在河水向下游流動中的自然降低現(xiàn)象。2、類型：按作用機制劃分：物理凈化：稀釋、擴散、沉淀化學(xué)凈化：氧化、還原、分解生物凈化：微生物對有機物的氧化分解第三章水體環(huán)境按發(fā)生場所劃分：水中的自凈：稀釋、擴散、沉淀、氧化、還原、分解和生物活動水與大氣間的自凈：天然水中某些有害氣體的揮發(fā)釋放和氧氣溶入等水與底質(zhì)間的自凈：天然水中懸浮物質(zhì)的沉淀和污染物被底質(zhì)吸收底質(zhì)中的自凈：底質(zhì)中的微生物使底質(zhì)中的有機污染物發(fā)生分解當(dāng)水中的污染物進(jìn)入河流、湖泊、海洋或地下水體后，其含量超過了水體的自然凈化能力，使水體的水質(zhì)和水體底質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物群落組成發(fā)生變化，從而降低了水體的使用價值和使用功能的現(xiàn)象，被稱為水體污染。第三章水體環(huán)境（三）水體污染水體污染的定義：是與水的自凈作用相聯(lián)系的，即認(rèn)為水污染是指排入水中的污染物超過了水體的自凈能力，從而使水質(zhì)惡化。是指進(jìn)入水體的外來物質(zhì)含量超過了該物質(zhì)在水體本底中的含量（背景值）。是指外來物質(zhì)進(jìn)入水體的數(shù)量達(dá)到了破壞水體原有用途的程度。第三章水體環(huán)境三、水體污染源和污染物（一）污水水質(zhì)指標(biāo)（二）水體污染源（三）水體污染物第三章水體環(huán)境（一）污水水質(zhì)指標(biāo)1、有機物（BOD、COD、TOC、TOD）：（1）BOD（BiochemicalOxygenDemand）水中的有機污染物經(jīng)微生物分解所需的氧量。BOD越高，有機物物質(zhì)越多。有機物的生物化學(xué)氧化分兩個階段：第一階段：RCH(NH2)COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3第二階段：2NH3+3O2→2HNO2+2H2O2HNO2+O2→+2HNO3硝化過程

氨已經(jīng)是無機物，所以廢水的BOD通常指第一階段有機物化學(xué)氧化所需氧量。微生物活動一般與溫度密切相關(guān)，一般以20OC作為測BOD的標(biāo)準(zhǔn)溫度。完成第一階段需要20天左右。為了利于測定，一般以5日作為測定標(biāo)準(zhǔn)時間（70%），BOD5溶解氧DODissolvedOxygen第三章水體環(huán)境（2）COD（ChemicalOxygenDemand）化學(xué)氧化劑氧化水中有機污染物所需的氧量。COD越高，有機物物質(zhì)越多。目前常用的氧化劑主要是重鉻酸鉀（K2Cr2O7）或高錳酸鉀(KMnO4)COD與BODBOD在一般情況下能較準(zhǔn)確的反映水污染情況，但受到時間和廢水性質(zhì)的限制COD的測定不受廢水條件的限制，并能在2—3小時內(nèi)完成，但不能完全反映微生物所能氧化的有機物量。BOD5比COD：COD不能區(qū)分可被生物氧化的和難以被生物氧化的有機物不能表示出微生物所能氧化的有機物量，而且化學(xué)氧化劑不僅不能氧化全部有機物，反而會把某些還原性的無機物也氧化了。所以采用BOD作為有機物污染程度的指標(biāo)較為合適，在水質(zhì)條件限制不能做BOD測定時，可用COD代替。水質(zhì)相對穩(wěn)定條件下，COD與BOD之間有一定關(guān)系：一般重鉻酸鉀法COD＞BOD5＞高錳酸鉀法COD。第三章水體環(huán)境（3）TOC（TotalOrganicCarbon）水中溶解性和懸浮性有機物中存在的全部碳量，是評價水體需氧有機物的一個綜合指標(biāo)。（4）TOD（TotalOxygenDemand）有機物中除了含碳外，尚含有氫、氮、硫等元素，當(dāng)有機物全部被氧化時，此時需氧量稱為總需氧量。是指在特殊的燃燒器中，以鉑為催化劑，在900度溫度下使一定量水樣汽化，其中有機物燃燒，再測定氣體載體中氧的減少量，作為有機物完全氧化所需要的氧量2、懸浮物（SSsuspendedsubstance）：污水呈固體狀的不溶物質(zhì)，水體污染的基本指標(biāo)之一。降低水的透明度，降低生活和工業(yè)用水質(zhì)量，影響生物生長。第三章水體環(huán)境3、pH值：污水的pH值對污染物的遷移轉(zhuǎn)化、污水處理廠的污水處理、水中生物的生長繁殖等均有很大的影響。4、細(xì)菌5、有毒物質(zhì)第三章水體環(huán)境（二）水體污染源第三章水體環(huán)境第三章水體環(huán)境第三章水體環(huán)境1、生活污染源是指由人類消費活動產(chǎn)生的污水，城市和人口密集的居住區(qū)是主要的污染源。生活中產(chǎn)生污水，包括廚房、浴室、廁所等場所排出的污水和污物，按其形態(tài)可分為：不溶物質(zhì)，占污染物總量的40%，或沉積到水底或懸浮于水面。膠態(tài)物質(zhì)，占污染物總量的10%。溶解質(zhì)，占污染物總量的50%。第三章水體環(huán)境2、工業(yè)污染源工業(yè)生產(chǎn)排出的廢水、污水、廢液統(tǒng)稱為工業(yè)污水。工業(yè)廢水——工業(yè)用冷卻水。工業(yè)污水——與產(chǎn)品直接接觸、受污染較嚴(yán)重的排水。工業(yè)廢液——從生產(chǎn)工藝中流出的廢液。第三章水體環(huán)境3、農(nóng)業(yè)污染源農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而產(chǎn)生的水污染源。降水所形成的徑流和滲流把土壤中的氮、磷和農(nóng)藥帶入水體。由牧場、養(yǎng)殖場、農(nóng)副產(chǎn)品加工廠的有機廢物排入水體。農(nóng)業(yè)污染特點：面廣、分散、難于治理。第三章水體環(huán)境（三）水體污染物分類特性主要標(biāo)志物無機物無毒酸、堿及一般無機鹽植物營養(yǎng)物（N、P）有毒重金屬（Hg、Cd、Pb、AS等）氰化物、氟化物、硫化物等有機物無毒需氧污染物、（碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等）有毒酚類化合物有機氯農(nóng)藥（DDT、六六六、狄氏劑等）石油其它物質(zhì)放射性物質(zhì)放射性元素或同位素（Sr、Cs、U、Pu等）病原微生物病菌、病毒、寄生蟲致癌物質(zhì)芳香烴、芳香胺亞硝基化合物有機氯化合物第三章水體環(huán)境第三章水體環(huán)境有四種主要類型的化學(xué)反應(yīng)：沉淀反應(yīng)、酸堿反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)。由溶解態(tài)到固態(tài)的相變化反應(yīng)稱為沉淀反應(yīng)。酸堿反應(yīng)：HCl+NaOH

NaCl+H2O絡(luò)合反應(yīng)：形成中性絡(luò)合物或離子絡(luò)合物Hg2++2Cl-HgCl2;Al3++OH-Al(OH)n3-n氧化還原反應(yīng)：涉及到價數(shù)改變和電子轉(zhuǎn)移。Fe+2H+Fe2++H2第三章水體環(huán)境第三章水體環(huán)境水的礦化度

水的礦化度通常以1升水中含有各種鹽分的總克數(shù)來表示(克/升)。根據(jù)礦化度的大小，水可分為以一下五種。

類型

礦化度（克/升）

淡水

小于1克/升

弱咸水

1—3克/升

咸水

3——10克/升

強咸水

10—50克/升

鹵水

大于50克/升有關(guān)濃度表示法：(ppm=溶質(zhì)的重量/溶液的重量*106)

質(zhì)量濃度（mg/L），質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%），摩爾濃度（mol/L）。當(dāng)量質(zhì)量=摩爾質(zhì)量除以氧化還原反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)或酸堿反應(yīng)中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)。當(dāng)量濃度（N）是每升溶液里溶質(zhì)的當(dāng)量數(shù)。 濃度轉(zhuǎn)換：Example:1L水中溶解98克H2SO4，試計算硫酸溶液的濃度（質(zhì)量百分比，質(zhì)量濃度，摩爾濃度，當(dāng)量濃度）。假設(shè)溶解過程體積不變。第三章水體環(huán)境Solution:

（1）質(zhì)量百分比=溶質(zhì)質(zhì)量/溶液質(zhì)量100%=98/1098=8.9%;（2）質(zhì)量濃度=溶質(zhì)質(zhì)量/溶液體積=98103/1=98103

mg/L;（3）摩爾濃度=溶質(zhì)摩爾數(shù)/溶液體積=1mol/1L=1mol/L=1M;（4）當(dāng)量濃度=溶質(zhì)的當(dāng)量數(shù)/溶液體積；這里H2SO4的當(dāng)量數(shù)=硫酸質(zhì)量/硫酸的克當(dāng)量硫酸的克當(dāng)量=硫酸的摩爾質(zhì)量/1摩爾硫酸可提供的質(zhì)子數(shù)目=98/2=49；所以硫酸的當(dāng)量數(shù)=98/49=2；當(dāng)量濃度=2當(dāng)量/1L=2N。第三章水體環(huán)境生化需氧量（BOD）物質(zhì)被完全氧化成CO2和H2O所需要的氧氣量稱為理論好氧量(ThOD)。按照化學(xué)反應(yīng)式計算?；瘜W(xué)需氧量（COD）與理論需氧量不同，它是一種測量值，而不是利用水中物質(zhì)的化學(xué)組成計算得來的。在COD的分析過程中，水樣與強氧化劑（重鉻酸）混合并加熱煮沸，可用反應(yīng)前后氧化劑量的差值來計算COD。有機物的氧化是通過微生物進(jìn)行的，所消耗的氧量為生物需氧量（BOD）。BOD分析實際測定的是微生物分解有機物時所消耗的氧量。若水中所有有機物的化學(xué)組成已知，且均可用化學(xué)方法和生物方法完全氧化，則ThOD、COD與BOD這三個值相等。第三章水體環(huán)境水中的氣體氣體溶解在水中，對于生物種類的生存是非常重要的。例如，魚類要利用溶解氧而放出CO2，藻類則進(jìn)行光合作用，釋放出O2。溶解在水中的氮，當(dāng)它在魚血中產(chǎn)生氣泡時，