污染物在环境中的迁移和转化.ppt

第一章 污染物在环境中迁移 和转化,第一章 污染物在环境中迁移和转化,第一节 环境污染物的迁移 第二节 环境污染物的转化,第一节 环境污染物的迁移,污染物在环境中所发生的空间位置的移动及其所引起的富集、分散和消失的过程。 迁移伴随着转化 污染物在环境中迁移常伴随着形态的转化。,汞的迁移和循环,如通过废气、废渣、废液的排放，农药的施用以及汞矿床的扩散等各种途径进入水环境的汞(Hg)，会富集于沉积物中。 元素汞由于比重大,不易溶于水,在靠近排放处便沉淀下来。 二价汞离子在迁移过程中能被底泥和悬浮物中的粘粒所吸附，随同它们逐渐沉淀下来。 富集于沉积物中的各种形态的汞又可能转化为二价汞。二价汞离子在微生物的作用下,被甲基化，生成甲基汞(CH3Hg+)和二甲基汞【(CH3)2Hg】。 甲基汞溶于水中，可富集在藻类、鱼类和其他水生生物中。 二甲基汞则通过挥发作用扩散到大气中去。 二甲基汞在大气中并不是稳定的，在酸性条件下和在紫外线作用下将被分解。如果被转化为元素汞，又可能随降雨一起降落到水体中或陆地上，元素汞可以进行全球性的迁移和循环,汞循环(mercury cycle),火山活动,化石 燃烧,降水,挥发,挥发,沉积物,农田风化和淋溶作用,农药喷洒,径流,(CH3)2Hg,Hg2,CH3Hg,鱼,水生植物,水鸟,工厂 汞的废物,捕鱼,由河水带走,(中性pH),(酸性pH),二、污染物迁移的方式,1. 机械迁移 2. 物理化学迁移 3. 生物迁移,1. 机械迁移,1. 机械迁移：根据污染物在环境中发生机械迁移的作用力不同可以分为： （1）气的机械迁移作用：污染物在大气中的扩散作用和被气流搬运。 影响因素：气象条件、地形地貌特征、排放浓度和排放高度等因素。,1. 机械迁移,（2）水的机械迁移作用：污染物在水体中的扩散作用和被水流搬运。 影响因素：水文条件、排放浓度和距离排放口距离的远近等因素。 （3）重力的机械迁移作用：污染物和它的搬运载体在重力作用下的迁移运动。 粒径比较大的颗粒状污染物经常发生重力的机械迁移作用。,2. 物理化学迁移,对无机污染物而言，是以简单的离子、络离子或可溶性分子的形式在环境中通过一系列物理化学作用，如溶解沉淀作用、氧化还原作用、水解作用、络合和螯合作用、吸附解吸作用等所实现的迁移。 对有机污染物而言，除上述作用外，还有通过化学分解、光化学分解和生物化学分解等作用所实现的迁移。,3. 生物迁移,生物迁移是污染物通过生物体的吸收、代谢、生长、死亡等过程所实现的迁移，是一种非常复杂的迁移形式，与各生物种属的生理、生化和遗传、变异等作用有关。 某些生物体对环境污染物有选择吸取和积累作用，某些生物体对环境污染物有降解能力。 生物通过食物链对某些污染物（如重金属和稳定的有毒有机物）的放大积累作用是生物迁移的一种重要表现形式。,生物累积、生物浓缩和生物放大,生物累积、生物浓缩和生物放大三个概念，既有联系，又有区别。 生物累积指同一生物个体在其整个代谢活跃期中的不同阶段，机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数不断增加的现象； 生物浓缩指生物机体通过对环境中元素或难分解化合物的浓缩，使这种物质在生物体内的浓度超过环境中浓度的现象； 生物放大指在同一食物链上，高位营养级生物机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数比低位营养级生物增加的现象。,生物累积、生物浓缩和生物放大,中国科学院水生生物研究所的研究人员还发现，我国典型湖泊底泥中19世纪早期已存在微量二恶英，主要存在土壤的表层，一旦沉积很难通过环境物理因素再转移，但却可通过食物链再传给其它生物，转移到环境中。 因此，湖泊底泥中高浓度的二恶英可通过生物富集或生物放大对水生物和人类的健康产生极大威胁。 通过实验还发现了二恶英在食物链中生物放大的直接证据，并提出了生物放大模型，从而否定了国际学术界过去一直认为二恶英在食物链中只存在生物积累而不存在生物放大的观点。,三、污染物迁移的制约因素,污染物在环境中的迁移受到两方面因素的制约: 污染物自身的物理化学性质（内因） 外界环境的物理化学条件和区域自然地理条件（外因）,三、污染物迁移的制约因素,内因（主要影响因素）： 由于物理化学性质的差异决定了物质的电离能力、水解能力、形成络合物能力等的不同。 原子的电负性、离子半径、电价、离子电位（电价与离子半径的比值）以及化合物的键性和溶解度是影响污染物迁移的重要化学参数。 共价键组成的污染物易进行气迁移（如H2S、CH4等 ） 离子键化合的污染物易进行水迁移（如NaCl、Na2SO4等） 低价离子的水迁移能力大于高价离子的迁移能力（如Na+Ca2+Al3+ ） 离子半径差别大的离子构成的化合物迁移能力较大（如Ba2+、Pb2+、Sr2+与SO42-构成的化合物较难迁移，而Mg 2+与SO42-组成的化合物易于迁移。 ） 重金属离子由于有较高的离子电位，因而具有较强的水解能力。,三、污染物迁移的制约因素,2. 外因（环境条件）： 酸碱条件（pH） 大多数重金属在强酸性环境中形成易溶性化合物，有较高的迁移能力,而在碱性环境中则形成难溶化合物,难以迁移。所以酸性环境有利于钙、锶、钡、镭、铜、锌、镉、二价铁、二价锰和二价镍的迁移。 碱性环境有利于硒、钼和五价钒的迁移。 ,三、污染物迁移的制约因素,氧化还原条件(Eh) 有些污染物在氧化环境中有较高的迁移能力，而有些污染物在还原环境中有较高的迁移能力。 氧化环境有利于铬、钒、硫的迁移； 还原环境有利于铁、锰等的迁移。,pH和Eh的影响,土壤和水溶液中硒的浓度和形态在很大程度上决定于环境介质中的pH 和Eh 。 一般来说,通气良好的碱性介质中, 元素硒或硒化物可被氧化为SeO32- 或SeO42- ,有机态硒分解后产生的H2Se ,也可经氧化而成SeO32- 或SeO42- ,从而提高介质中硒的有效性。 在强还原或酸性介质中,嫌气微生物可使氧化态硒还原为Se0 和Se2- , 使硒的有效性降低。pH 和Eh 是作为一个整体来影响硒的形态和含量。,三、污染物迁移的制约因素,配位体的种类及数量 无机配位体：Cl-、I-、F-、SO42-、S2-、PO43-等。 当环境中存在大量无机，特别是有大量Cl-、 SO42-时可大大促进汞、锌、镉、铅的迁移。环境中的无机配位体有蒙脱石、高岭石、伊利石等粘土矿物和硅、铝、铁的水合氧化物。 有机配位体：腐殖质、氨基酸等化合物。 环境中的有机配位体主要是腐殖质物质。当环境中有大量难溶性胡敏酸时可大大阻止上述金属的迁移。,三、污染物迁移的制约因素,区域自然地理条件（气候、地形、水文、土壤等）的制约； 气候条件对污染物迁移的影响最为明显，主要表现为两个最重要的因子热量和水分之间的配合状况，直接影响污染物在环境中化学变化的强度和速度。 另外，不同区域的土壤和水体具有不同的酸碱条件和氧化还原条件，具有不同种类和数量的胶体和络合配位体。,四、污染物迁移的环境影响,污染物在环境中的迁移直接影响环境质量，在有些情况下起好作用，在有些情况下起坏作用。 简单的需氧有机污染物和酚、氰等毒物在迁移过程中被水流稀释扩散和被微生物分解、转化,终至消失,就是起好作用； 重金属（汞、镉等）和稳定的有机有毒物质（DDT、六六六等）在迁移过程中，或富集于底泥，成为具有长期潜在危害的污染源,或通过食物链富集于动、植物体内,对人体产生慢性积累性危害，就是起坏作用。,五、污染物迁移的研究方法,物质追踪法 共轭对比研究法 现场试验研究法 模拟试验研究法,物质追踪法,物质追踪研究法是在特定环境下，为达到某一特定目标所进行的对污染物的追踪采样法。 如研究污染物在河流中的稀释扩散和降解作用时，可进行水团追踪取样分析。 这种研究可以查明污染物在环境中的迁移速度、扩散范围和自然净化能力。,共轭对比研究法,共轭对比研究法指在环境调查中对各种相关联的环境要素同时取样分析。 如在对土壤作物系统进行研究时，可同时采集不同层次的土样和生长在这种土壤上的作物的各个部位（根、茎、叶、果实等）的样品，进行对比分析研究。,现场试验研究法,现场试验研究是在现场环境中对污染物的迁移转化进行研究。 如研究地表中的某种污染物通过土壤渗漏向地下水中转移的情况和速度，也可选择典型地段进行渗漏试验，追踪研究不同深度的土壤和渗漏水中污染物的浓度，从而了解这种污染物由地表水中向地下水中转移的可能性和速度。,模拟试验研究法,模拟试验研究法是在实验室中设计某种环境条件所进行的试验研究。 如在风洞中进行的烟气扩散实验，在光化学烟雾箱中进行的光化学烟雾生成机理的研究等。 这种尽可能接近实际环境条件而各种参数又受人工严格控制的试验研究可以有效地探讨污染物在环境中的迁移转化状况。 现代分析测试技术的发展为研究污染物在环境中的迁移提供了基本手段。,第二节 环境污染物的转化,污染物在环境中通过物理的、化学的或生物的作用改变形态或转变成另一种物质的过程。 污染物的转化与迁移不同，迁移只是空间位置的相对移动。不过环境污染物的迁移和转化往往是伴随进行的。 各种污染物转化的过程取决于它们的物理化学性质和所处的环境条件。 大多数情况下，污染物的化学转化是主要的、大量的。,环境污染物转化的形式,污染物的物理转化可通过蒸发、渗透、凝聚、吸附以及放射性元素的蜕变等一种或几种过程来实现。 化学转化在环境中比物理转化更为普遍。污染物的化学转化以光化学氧化、氧化还原和络合水解等作用最为常见。 生物转化是污染物通过生物的吸收和代谢作用而发生的变化。污染物在有关酶系统的催化作用下，可以通过各种生物化学反应过程改变它的化学结构和理化性质。,环境污染物转化的结果,污染物的毒性降低，或者形成更容易降解的分子结构； 污染物的毒性增强，或者形成更难降解的分子结构。,环境污染物转化的分类,大气中的转化 水体中的转化 土壤中的转化,大气中的转化,在大气中，污染物转化以光化学氧化、催化氧化反应为主。 大气中氮氧化物、碳氢化合物等气体污染物（一次污染物）通过光化学氧化作用生成臭氧、过氧乙酰硝酸酯(PAN)及其他类似的氧化性物质（统称为光化学氧化剂）。 气体污染物二氧化硫经光化学氧化作用或在催化氧化作用后转化为硫酸或硫酸盐。 DDT在大气中受日光辐射很易光解为DDE和DDD。,水体中的转化,在水体中，污染物转化主要通过氧化还原、络合水解和生物降解等作用。 环境中的重金属在一定的氧化还原条件下，很容易发生接受电子或失去电子的过程，而出现价态的变化。其结果不仅是化学性质（如毒性）发生变化，而且迁移能力也会发生变化。 环境中的三价铬和六价铬，三价砷和五价砷就是比较突出的例子。水解是有害物质（盐类）同水发生反应，不仅使有害物的性质发生变化，而且也促使这些物质进一步分解和转化。 水中含有各种无机和有机配位体或螯合剂，都可以与水中的有害物质发生络合反应而改变它们的存在状态。 在水体底泥中的厌氧性细菌作用下，无机汞会转化为一甲基汞或二甲基汞。,土壤中的转化,污染物在土壤中的转化及其行为，取决于污染物和土壤的物理化学性质。 土壤是自然环境中微生物最活跃的场所，所以生物降解在这里起重要的作用。 土壤中的固、液、气三相的分布是控制污染物运动和微生物活动的重要因素。,土壤中的转化,土壤的pH值、湿度、温度、通气、离子交换的能力和微生物的种类等，是污染物转化的依存条件。 如水田土壤中缺乏空气，故大都处于还原状态；旱地土壤因通气性能较好，一般都处于氧化状态。土壤的这种氧化或还原条件控制着土壤中污染物的转化状况和存在状态。 例如砷在旱地氧化条件下为五价(As5+ )，在水田还原条件下则为三价(As3+，毒性大)。 金属离子的转化受土壤pH值的影响或控制：pH值小于 7时，金属溶于水而呈离子状态；pH值大于7时,金属易与碱性物质化合呈不溶态的盐类。 有机氯农药如DDT的转化受微生物的代谢作用和降解作用的影响较大。许多有机物通过微生物作用分解转化为其他衍生物或二氧化碳和水等无害物。,土壤中的转化,微生物在合适的环境条件下能使含氮、硫、磷的污染物转化为其他无毒或毒性不大的化合物。 如有机氮可被微生物转化为氨态氮或硝态氮。磷酸(H3PO4)在强还原条件下通过厌氧性细菌的脱氧作用，可转化为亚磷酸(H3PO3)、次磷酸(H3PO2)及磷化氢(PH3)等。硫酸盐还原菌可使土壤中的硫酸盐还原成硫化氢进入大气。,第三节 环境污染物转化的研究方法,各种污染物在环境中的转化过程往往存在着相互制约、相互影响的复杂关系。 研究污染物的物理、化学和生物转化的机制和过程，是阐明污染物的环境行为、迁移、归宿和污染趋势的基础工作。 必须掌握污染物的浓度分布、存在状态、滞留时间和净化机制等有关的资料和数据。,第三节 环境污染物转化的