《地下水污染》PPT课件.ppt

第七章 地下水污染,7.1 地下水污染（含义、特征） 7.2 污染物、污染源、污染途径 7.3 常见地下水污染 7.4 地下水环境质量评价,目 录,7.1 地下水污染,人类活动造成水体质量恶化,天然环境下，地下水中某些组分 含量较高，不适宜人类饮用,一、地下水污染的含义 关于地下水污染，目前还没有统一的的定义。 不一致或矛盾之处主要集中在： 污染的属性：污染是人类活动的结果，还是包括天然的水文地质作用？ 污染的标准：以何种标准确定地下水是否受污染？ 明确的标准：地下水某些组分超过水质标准的现象； 抽象的标准：“限制或阻碍了水的应用”，“适用性遭到破坏”,到底如何定义地下水污染，或者说地下水污染的含义是什么呢？ 污染属性 成因（科学性）：天然环境和漫长地质历史过程中，地下水中某些组分在某些地方可能富集或者贫化，不适用于人类饮用或其它用途（卤水，咸水，高氟水，高砷水等）；人类活动的结果，也可能产生类似的现象。成因不同，不能混在一起。 水质保护（实用性）：天然环境和漫长地质历史过程中某些地方某些组分含量高，是已经发生了的过程，是不能防止的；人类活动造成的组分含量增加，可以通过适当的措施，控制和防止。 地下水污染是由“人类活动引起的或影响的”,污染标准 应用水质标准作为污染标准，在实用上不可取。 判别地下水是否受污染的主要目的，是为了防止。而污染在许多情况下是一个渐变的过程，如果待污染组分超过水质标准才定为污染，就失去了预防的意义。 地下水水质朝着恶化方向发展,地下水污染的含义： 凡是在人类活动影响下，地下水水质朝着恶化方向发展的现象，统称为“地下水污染”。不管此种现象是否使水质恶化达到影响使用的程度，只要这种现象一发生，就应视为污染。天然水文地质环境中出现不宜使用的水质现象，不应视为污染，而应称为天然异常。 水质变化是人类活动引起的；水质发生变化，且其变化是朝着恶化方向发展的。,实际工作中，污染的判断一般应用背景值或者对照值。 背景值（或本底值） 地下水各种组分的天然含量范围。不是单值，是区间值 （环境背景值演化） 对照值 某历史时期地下水中有关组分的含量范围；或者地表环境污染相对较轻地区地下水有关组分的含量范围。,河北平原某地地下水水质变化表,离子含量: mg/L; TDS: g/L,据: 水环所科研报告,7.2 污染物、污染来源、污染特点及污染途径 一、 地下水中的污染物 凡是人类活动导致进入地下水并使水质恶化的溶解物或悬浮物，无论其浓度是否达到使水质明显恶化的程度，均称为地下水污染物。 化学污染物 生物污染物 放射性污染物,化学污染物 无机污染物 最常见的是NO3-，其次是Cl-、硬度、SO42-、TDS等。它们的特点是大面积的污染多，局部的污染少。金属污染物比较少见。 有机污染物 最常见、检出率高的是氯代烃类 (TCE，PCE, TCA, DCE, DCA), 其次是单环芳烃(BETX等）。它们的特点是浓度低，ppb级或ppt级，大多是有毒的“三致”物；局部污染的多，大面积的污染少。,ppm, Parts per million 百万分之几， 10-6 ，相当于mg/L ppb，Parts per billion 十亿分之几， 10-9 ，相当于ug/L ppt, Parts per trillion 万亿分之几, 10-12 ，相当于ng/L,放射性污染物 如226Ra、238U、232Th等，这类污染物只在局部地方发现。铀矿开采和精炼，原子能工业、放射性同位素的使用等。 生物污染物 细菌和病毒, 地下水中已发现了20多种。多出现在农村 复合污染物，共存污染物,二、污染来源 污染来源众多，分类不同 1、按成因：人为污染源，天然污染源 天然污染源：天然存在的，由于人类活动影响进入地下水环境。过量开采引起海水入侵，采矿活动造成酸性水和重金属污染 2、按分布形式：点污染源、线污染源、面（分散）污染源,3、五类主要污染源 地下储存罐 化粪池 农业活动 城市垃圾填埋 污水坑,三、污染特点 1、隐蔽性 污染物浓度低，往往无色无味，难以觉察和发现； 2、难以逆转性（难恢复性；一旦污染，难以恢复和治理） 由于含水层水交替缓慢，因此，污染的地下水往往难以自身净化恢复； 地下水深埋地下，难于治理。,四、污染途径 间歇入渗型 （通过大气降水 或灌溉水的淋滤， 固体废物及包气 带中的污染组分 周期性地进入含 水层）。 连续入渗型 （污染物随水的 不断渗入而进入 含水层）。,农田、垃圾填埋场、矿山等,污水坑、漏水排污管、受污染的地表水体,越流型 （污染物通过越流 从一个含水层进入 另一个含水层）。 径流型 （污染物通过各种途径 以地下径流的形式进入 含水层）。,地下水通过弱隔水层、天窗及井管的越流,废水处理井、岩溶管道、海水入侵,7.3 常见的地下水污染 一、地下水氮污染及其转化机理 （一）地下水中氮的来源及其存在形式 氮的来源 天然来源：天然土壤中的硝酸盐； 人为来源：化学肥料（尿素、碳酸铵(NH4)2CO3、硝酸铵 (NH4NO3)、硫酸铵(NH4)2SO4 、铵水等）； 农家肥（动物废物）； 城市生活污水和生活拉圾,明尼苏达州Sand Plain 含水层中地下水样的 15N直方图,氮的存在形式 地下水中的溶解氮除NO3-外，还有NO2- ， NH+ 和溶于水中的气态氮以及有机氮； 一般来说， NO3-是常量组分，其它是微量组分； 不同形式的氮，可以循环转化。,（二） 地下水中氮循环转化机理 有机氮的矿化过程 有机氮转化为无机形式的NH4-N的过程。 铵化细菌将有机物分解（将有机物中有机铵的成分分解出来），因此，有机氮的矿化过程也叫铵化过程。 铵化细菌为异养型菌，可以是好氧菌或厌氧菌。 分解出来的NH4+或者被植物吸收，或者在微生物作用下被氧化成NO3-。,硝化过程 NH4-N通过自养型微生物氧化为NO3-N的过程。反应分两步：,NH4-N通过亚硝化杆菌 转化为NO-2,NO-2-N通过硝化杆菌 转化为NO-3,4,NH4+1.86O2+1.98HCO3-0.02C5H7NO2+1.04H20+0.98NO3-+1.88H2CO3,能量,碳源,反硝化过程 NO3-N通过微生物还原为气态氮（N2 ，N2 O）的过程。参加反硝化作用的微生物通常以异养型细菌为主。 反硝化过程会造成氮的损失。,NO3-NO2-N2,C6H12O6+4NO3- 6H2O+6CO2+2N2,反硝化菌,固氮作用 有机氮矿化过程产生的NH4+，硝化过程产生的NO3- ，反硝化过程产生的N2和N2O，都可以被微生物和植物吸收同化，转变成有机氮。这个过程称为固氮作用，也叫氮的同化作用。,铵吸附作用 在水运动过程中， NH4+被包气带岩土吸附在其表面上（阳离子交换吸附）。 土壤中NH4+的吸附容量计算： AAR为铵吸附比，无量纲；EAR为交换性铵比，无量纲；NH4x为每100克介质中交换性铵的毫克当量数，meq/100g；CEC为阳离子交换容量,NH4+、Ca2+、Mg2+毫克当量浓度,地下水中氮的循环转化过程示意图,（三）影响氮循环转化的主要因素 氮循环转化过程，涉及到细菌生存环境、氧化还原条件、pH、水等，影响因素很复杂。 环境因素：温度；Eh；土壤含水量；土壤和污水的养分； 地质因素：包气带岩性及其结构；含水层类型,二、地下水微量金属及非金属污染 （一） 微量金属污染 地下水中微量金属污染物主要为铬、铅、镉、锌和镍等，它们主要来源于工业废液和废渣（电镀、采矿、废弃电池，化妆品等）。 控制微量金属迁移的主要机理 吸附：地下水中大多数微量金属污染物以阳离子的形式存在，它们很容易被岩土中的吸附剂吸附； 沉淀：主要以难溶的硫化物，碳酸盐和氢氧化物的形式沉淀，与Eh, pH关系密切; 植物吸收：植物选择性地吸收微量金属元素。 吸附、沉淀、植物吸收能有效地阻止微量金属在水中的迁移。,标准状态下 CrO2H2O体系的pE(Eh)pH图,在地下水中，铬有两个氧化态，即Cr（）和Cr（），其毒性前者要比后者大； Cr（）主要以络阴离子形式存在； Cr（）以带正电的络合离子形式存在 3Fe2+ + CrO42- + 8H2O 3Fe(OH)3 + Cr(OH)3 + 4H+,地下水中铬污染 （电镀等工业）,1300 m,铬和镉,纽约长岛浅层地下水中铬和镉的污染,在6年的监测期内，污染晕中Cr（）的最大浓度减少了10倍。 大部分水样点位于Cr()的稳定区内，含水层中的Cr()被还原成Cr()（沉淀、被吸附）。 含水层（对地下水的）自净能力,美国得克萨斯州一含水层中铬酸盐 水样点在EhpH图的分布,标准状态下FeH2OO2体系的EhpH图,地下水中 铁污染 （采矿，油田水等）,高铁地下水一般是含Fe2+比较高的地下水； 含铁的酸性水进入弱碱性介质中， 会发生Fe(OH)3沉 淀。导致水中铁浓度减少。,（二） 微量非金属污染 砷（采矿、冶炼、农药；天然来源） （1） As是变价元素，有As5+、As3+、As0和As3-四个氧化态； （2）毒性大，不同形态砷毒性不同，As3+比As5+毒性大； （3）现行饮用水标准从为10 g/L （1986年标准为50 g/L）； （4）地下水砷异常是一个世界性的环境问题。,(1) 在地下水中主要以As(V)和As(III)出现。 As在地下水中的存在形态严格受pH-Eh的控制。 (2) 在氧化条件下，地下水中As(V)多以络合阴离子出现；在还原条件下，地下水中的As(III)以带负电或不带电络合离子存在。,pH: 7.01-8.43 Eh: -15383 mV HCO3-: 1600 mg/L NO3-: mostly 60% As Fe: 5.9 mg/L Mn: 1.27 mg/L Mostly Na-Cl-HCO3 (Guo et al., 2008),内蒙古河套平原高砷地下水,氟（冶金工业排放的“三废”、含氟磷灰石开采；天然来源） 饮用水标准： 1.0 mg/L （最优浓度） 氟含量低（ 1.5 mg/L），斑釉症,三、地下水盐污染 地下水盐污染是指地下水受总硬度、Cl-和TDS的污染。其污染来 源主要是城市的生活废水和垃圾。,四、地下水微量有机化合物污染 （一） 地下水中有机污染物 地下水中已检出的有机污染物种类繁多，有170多种，主要的是氯代烃类、芳烃类、农药等。,氯代烃类： 化工原料和有机溶剂；广泛应用于金属清洗、脱脂和干洗等现代工业中。 三氯乙烯（TCE） 四氯乙烯（PCE） 三氯乙烷（TCA） 1.2-二氯乙烯（DCE） 挥发性有机化合物（VOCs) 1.1-二氯乙烷（DCA） 氯乙烯（VC）,Trichloroethylene, perchoroethylene, trichloroethane, dichloroethylene, dichloroethane, vinyl chloride,单环芳烃 单环芳烃主要来源于燃料油，由于燃料油储存、加工、运输过程中的跑、冒、滴、漏而对地下水造成的污染威胁也很大。 苯 乙苯 甲苯 二甲苯,Benzene Ethylbenzene Toluene Xylenes,BETX,多环芳烃（PAHs） 锅炉、焦碳生产、石油裂解、垃圾焚烧等，常见的有16种。 我国优先控制污染物黑名单中于7个，包括萘、荧蒽、苯并b荧蒽、苯并K荧蒽、苯并a芘、茚并1,2,3-c,d芘、苯并ghi芘。,农药 随着农业的发展，农药使用量的增加，同样也会使地下水受到污染。美国的优先控制污染物中包括18种农药。我国的优先控制污染物中包括8种农药（包括六六六、滴滴涕、敌敌畏、乐果、对硫磷、甲基对硫磷、除草醚、敌百虫）。,（二）影响有机污染物迁移的主要机理 挥发 吸附 生物降解 沉淀 生物吸收等,挥发 亨利常数KH（也称为气水分配系数）是表征有机化合物挥发性的参数。 KH定义为有机化合物的气体分压与在水中溶解度之比： KH = P/S 式中，KH为亨利常数，atmm3mol-1；P为一定温度下有机化合物的气体分压（也称蒸汽压），atm；S为有机化合物的水溶解度，mol/m3。,一般认为， 当KH 10-3时，化合物是很易挥发的。,水溶解度 有机化合物水溶解度变化也很大。从完全与水混溶，如丙酮；到几乎不溶于水，如苯并a芘，其水溶解度仅为4g/L。,常见有机化合物物理性质表,LNAPLs （Light non-aqueous phase liquids ） NAPLs （Dense non-aqueous phase liquids）,A cross sectional view of a hypothetical LNAPL spill,LNAPL 污染场地采样,吸附作用 土壤或含水层介质的有机质含量与有机化合物的吸附密切相关，微量有机化合物主要吸附在土壤和含水层介质当中的有机质颗粒上。土壤有机质的含量越高，其吸附量也越大。 吸附方程：Kd = Koc foc 式中：达到吸附平衡时， Kd：有机污染物在固相和液相之间的分配系数（L/kg）； Koc：有机污染物在纯有机碳（含100%的碳）和水间的分配系数（L/kg）； foc：为土壤或含水层介质中有机碳的百分含量，无量纲。,Kd = Koc foc Koc是有机化合物在有机碳和水中的分配系数，它是达到吸附平衡时，单位重量有机碳所吸附的有机化合物量与单位体积溶液中有机化合物量的比值。对于特定的有机化合物来说，Koc是一个常数。 Koc = C有机碳/C水 式中Koc为有机碳-水分配系数，L/kg ；C有机碳为有机化合物在有机碳上的浓度，mg/kg；C水为有机化合物在水中的浓度，mg/L (1) foc 可通过实验测定。 (2) 当foc大于0.1%时，吸附方程才有效,Kd = Koc foc 如何计算Koc？ 有两种方法： （1）利用辛醇-水分配系数（ Kow）估算Koc （2）利用溶解度S估算Koc,（1）利用辛醇-水分配系数（Kow）估算Koc 辛醇是一种典型的疏水溶剂。研究发现，有机物在辛醇-水间的分配与其在土壤有机质-水间的分配极为相似。所以，当获得有机化合物在辛醇和水中的分配系数Kow以后，就可以估算Koc。 把有机化合物加入到辛醇水混合溶剂中并加以振荡时，分别测定溶于辛醇和水中有机化合物的浓度便可求得Kow： 辛醇-水分配系数：Kow = C辛醇/C水,利用Kow估算Koc的经验方程,利用溶解度（S）估算Koc 研究发现，有机化合物（有机溶质）在土壤或沉积物上的吸附量与其溶解度成反比。由此，获得了利用溶解度S估算Koc的一些经验方程。,利用溶解度S估算Koc的经验方程,生物降解作用 有机污染物在细菌作用下，从大分子分解为小分子，从有毒或有害转变为无毒或无害，最后转变为CO2，CH4，H2O等的过程。 例如：PCETCEDCE 许多有机污染物很难降解，或者过程进行的很缓慢。,有机物的生物降解是一个氧化还原反应，有机物失去电子被氧化，电子受体得到电子被还原。地下水中许多组分可作为电子受体，包括O2、NO3-、Fe()、SO42-和CO2。 反应过程中，微生物只是起氧化还原催化剂的作用。有机化合物既是微生物的碳源，又是能源。在微生物代谢过程中，分解有机化合物，获得生长、繁殖所需的碳及能量。,电子供体,电子受体,碳源,释放能量,C6H6 + 7.5O26CO2+3H2O,生物降解反应（氧化还原反应），为微生物生长代谢提供能源,C6H6 + 1.5HCO3- +1.5NH4+1.5C5H7O2N + 1.5H2O,（合成反应）生成微生物的细胞物质，提供碳源,7.4 地下水环境质量评价,按照一定的评价目的、评价标准和评价方法，对一定区域范围内的地下水环境质量加以调查研究，并在此基础上做出科学、客观和定量的评定或预测（回顾；现状；预测）。 地下水污染现状评价 地下水（环境）质量评价 地下水环境质量影响评价（环境影响评价） 地下水的防污性能评价（地下水污染敏感性、脆弱性评价）,一、地下水污染现状评价 评价目的：旨在说明地下水的污染程度及范围，并不说明地下水的适用性，受污染的地下水并不一定影响其使用。 评价标准：背景值或对照值 计算背景值的方法有多种，最简单的方法如下：,式中：Y 为背景值； 为多个点组分测试浓度的算术平均值； S 为标准偏差。,评价方法 单要素指数法； 多要素综合指数法; 参数分级评分叠加型指数法,单要素指数法（单因子污染指数法）： 式中：I 为单因子污染指数，无量纲；Ci为地下水中某种组分的实测浓度，mg/L；C0i为该组分的对照值或背景值。 如果对照值或背景值为区间值时，Ci值在区间内，令I1，如果I大于区间值的最大值，或小于区间值的最小值时，分别用Ci值除以区间值的最大值或最小值。 ，无污染；I1，有污染 单因子污染指数法优点是能直观、简便地反映单组分的污染状况；缺点是不能反映地下水中多组分污染时的整体污染情况。,多要素综合指数法（多因子；综合污染指数法）：,均值法： 加和法： 内梅罗指数法：,PI 为综合污染指数, 无量刚；Ii 为 i 组分的单因子污染指数，无量刚； n 为评价的组分数；I 为所评价的组分 I 值的平均值，无量刚； Imax为 所评价组分中最大的 I 值。 前两个往往失真；后一个物理意义不明确,参数分级评分叠加型指