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环境学教学内容 第一部分绪论 第1章 第二部分环境与环境污染问题 第2章 第5章 第三部分全球环境问题 第6章 第四部分环境问题原由剖析 第7章 第五部分解决环境问题的环境科学技术 第8章 ContentofDiscussion 第一章绪论 环境概述环境问题的由来及发展环境科学的产生及学科体系环境科学的研究对象 性质和任务环境学的教学内容及要求 summarize 第一节环境概述 1 环境的概念2 环境的组成要素和分类3 环境的结构 一 环境的概念环境是指以某一事物为中心而存在于周围的事物 在环境科学中 指的是以人类为主体的外部世界 中华人民共和国环境保护法 明确指出 本法所称环境是指 大气 水 土地 矿藏 森林 草原 野生动物 野生植物 水生生物 名胜古迹 风景游览区 温泉 疗养区 自然保护区 生活居住区等 第一节环境概述 二 环境的分类和组成 第一节环境概述 三 环境的结构 由自然环境 工程环境 社会环境共同组成各级人类生存环境结构单元 它由近及远 由小到大可分为聚落环境 区域环境 全球环境和星际环境 第一节环境概述 1 聚落环境 聚落环境是人类群居生活的场所 是人类利用和改造自然而创造出来的与人类关系最密切 最直接的生存环境 按其性质 功能和规模大小可分为 2 区域环境区域环境是包括人工环境在内的占有一定地域空间的自然环境以自然环境为主体的区域环境有森林 草原 沙漠 冰川 海洋 湖泊 河流 山地 平原等多种类型 2 区域环境以人工环境为主体的区域环境有城市 农村 工业区 旅游区 开发区等多种类型现实社会中 区域环境往往兼具二者的特点 是一种结构复杂 功能多样的环境 3 全球环境又称地球环境 范围包括大气圈中的对流层和平流层的下部 水圈 土壤岩石圈和生物圈 它是人类生活和生物栖息繁衍的场所 是向人类提供各种资源的场所 也是不断受到人类活动改造和冲击的空间 4 宇宙环境指的是大气层以外的环境 它是人类生存环境的最外圈部分 即大气层以外的宇宙空间 这是人类活动进入大气层以外的空间和地球邻近的天体的过程中提出来的概念 也称空间环境 5 环境的共同性 首先 环境是一个以人类社会为主体的客观物质体系 对人类社会的生存和发展 它既有依托作用 又有限制作用 因此 有合适与否 或优劣之分 其次 环境是一个有机的整体 不同地区的环境由其若干个独立组成部分 环境要素 以其特定的联系方式构成一个完整的系统 环境还具有明显的区域性 变动性特征 区域性在于各个不同层次或不同空间的地域 其结构方式 组成程度 能量物质流动规模和途径 稳定性程度等都具有相对的特殊性 从而显示出区域特征 环境的变动性是指在自然和人类社会行为的共同作用下 环境的内部结构和外在状态始终处于不断变化地过程中 第二节环境问题的由来及发展 一 环境问题指由于人类活动所引起的环境质量变化 以及这种变化对人类生产 生活以至健康和生命造成危害的问题 第二节环境问题的由来及发展 二 环境问题的由来及发展 四个阶段 环境问题萌芽阶段 工业革命以前 环境问题恶化阶段 工业革命至20世纪50年代 环境问题的第一次高潮 20世纪50年代 80年代 环境问题的第二次高潮 20世纪80年代后 第三节环境科学的产生及学科体系 一 环境科学的产生和发展环境工程学 20世纪50 70年代末环境规划学 环境经济学 环境法学 20世纪70年代末 90年代初环境管理学 20世纪90年代初以来 表1 1环境科学思想与方法演变 二 环境科学学科体系 第四节环境学的研究对象 性质和任务 一 环境学的研究对象以 人类 环境 系统为其特定的研究对象研究 人类 环境 系统的发生和发展 调节和控制以及改造和利用的科学探讨人类社会持续发展对环境的影响及其环境质量的变化规律 从而为改善环境 实现可持续发展提供科学依据 二 环境学的性质为解决环境问题而诞生的一门新兴科学多学科到跨学科的庞大科学体系组成的新兴学科介于自然科学 社会科学和技术科学之间的边缘学科现代科学技术向深度 广度进军的标志 是人类认识自然 改造自然进一步深化的表现 探索全球范围内环境演化的规律 了解人类环境变化的过程 环境的基本特性 环境结构和演化机理等 以便应用这些认识使环境质量和生态环境向有利于人类的方向发展 避免对人类不利的变化揭示人类活动同自然环境之间的关系 以便协调社会经济发展与环境保护的关系 使人类社会和环境协调发展探索环境变化对人类生存的影响 发挥环境科学的社会功能 探索污染物对人体健康危害的机理及环境毒理学研究 为人类正常 健康的生活服务研究区域环境污染和生态破坏综合防治的技术措施和管理措施 三 环境学的任务 第五节环境学的内容及要求 1 环境学的研究内容环境学的研究内容共八章 重点是第二至七篇2 学好环境学的要求学好环境学的基本要求 掌握基本概念 基本知识和基本原理 发挥学习的主体作用 大量阅读参考书 并做好读书笔记 上课时积极参与课堂讨论 课外积极参与社会实践 提高分析解决问题的能力 TheEnd Thanks 第二部分环境与环境污染问题 大气环境与污染水环境与污染土壤环境与污染固体废弃物与环境 第二章大气环境与污染 第一节大气的组成与结构第二节大气污染和污染物第三节大气环境中污染物的迁移转化第四节大气中污染物的扩散第五节大气污染综合防治与管理 第一节大气的组成与结构 一 大气的组成大约在100km高度以下气体混合均匀 称为均匀层 此层以上称为非均匀层 均匀层中的大气主要是由干洁大气 水汽 气溶胶质粒子三部分组成 1 干洁空气 干洁空气的主要成分是氮 78 1 氧 20 9 和氩 0 9 合占干洁空气总容积的99 9 还有少量的CO2 O3 NOx 及其他一些惰性气体 大气中的N O丰富 对生物有重大意义 大气中O3和CO2含量虽然很少 但它们对人类活动和天气 气候变化有很大影响CO2来源于有机物的燃烧 腐烂以及生物的呼吸 矿泉 地裂隙和火山喷发 所以大气中的CO2也随着时间和空间而变化 由于人类活动的影响 CO2含量在急剧增加 在过去104年内由190 10 6增至280 10 6 近200年增至357 10 6 2 水汽来源于海 湖 江河 沼泽 潮湿地面及植物表面的蒸发或蒸腾作用 随时间 空间和条件而有较大变化 一般为低纬 高纬地区 沿海 内陆地区 夏季 冬季 按容积计 其变化范围在0 4 之间 在垂直方向水汽含量迅速减少 观测表明在1 5 2KM高度处空气中水汽含量只有地面附近的1 2 在 5KM高度只有地面的1 10 3 气溶胶粒子指悬浮于空气中的液体和固体粒子 包括水滴 冰晶 悬浮着的固体灰尘微粒 烟粒 微生物 植物的孢子花粉以及各种凝结核和带电离子等 它是低层大气的重要组成部分 是自然现象和人类活动的产物 二 大气的结构 地球大气的总质量估计为5 27 1015吨 它在垂直方向的分布是不均匀的 主要集中在大气圈的底部 其中一半在0 5公里高度范围内 10公里以下集中了75 30公里以下集中了90 大气上界在2000 3000公里之间 根据温度 成分 电荷等物理性质 以及大气的垂直运动状况 可将大气分为五层 对流层 平流层 中间层 暖层 电离层 散逸层 外层 大气的结构 对流层平流层中间层热成层散逸层 散逸层 热层 中间层 平流层 对流层 1 对流层 厚度 下界 地面上界因纬度和季节而异 其平均厚度一般是低纬17 18公里 中纬10 12公里 高纬8 9公里 冬季厚度小 夏季厚度大 季节变化中纬度地区最明显 特征 A 对流层中气温随高度增加而降低 一般为 0 65 100m B 空气对流运动显著 且低纬夏季强 高纬冬季弱 C 气象要素水平分布不均匀 由于受地表性质差异影响大 因些温度 湿度的水平分布不均 于是可产生一系列物理过程 形成复杂的天气现象 2 平流层厚度 对流层顶 55公里特点 25公里以下气温不变或微有上升 25公里以上升温快到50公里形成一个暖区 至顶达 30 170 由于O3作用 3 中间层厚度 55公里 80 85公里特点 气温随高度上升而迅速下降 并有强烈的垂直运动 在这一层顶部 气温降到 830 以下 4 暖层 电离层 厚度 中间层顶 800公里特点 气温随高度上升而迅速升高 在300公里处达10000 5 散逸层 外层 即800公里以上的大气层 气温随高度而升高 由于温度高 空气粒子运动速度很快 又距地球较远 地球引力作用小 大气质点经常散逸至星际空间 第二节大气污染和污染物 一 大气污染1 大气污染的概念 由于大气中某些气体异常增多 或者又增加了某些新的成分 从而破坏其物理 化学和生态平衡体系 危害人类生活 生产 健康 损害自然资源及财产 设备的现象 第二节大气污染和污染物 一 大气污染2 造成大气污染的因素造成大气污染的因素 主要是自然因素和人为因素 尤其是人为因素 如工业废气 燃烧 汽车尾气和核爆炸等 二 大气污染源 1 工业污染源 工业生产过程 工业燃料的燃烧2 农业污染源 农业燃料 有机农药3 生活污染源 民用炉灶 生活取暖 垃圾焚烧4 交通污染源 汽车尾气排放 第二节大气污染和污染物 表2 2以煤 石油为燃 原 料产生的废气量 三 大气污染物 1 大气污染物概念指由于人类活动或自然过程排入大气的并对环境或人类产生有害影响的那些物质 目前已认识到的对环境已产生影响的主要大气污染物种类相当多 据不完全统计 大约有100种左右 其中对人类环境威胁较大 危害较严重的有颗粒物质 二氧化硫 氮氧化物 一氧化碳 碳氢化合物 硫化氢 氟化物及光化学氧化剂等 第二节大气污染和污染物 2 大气污染物类型 3 主要大气污染物简述 1 颗粒污染物 TSP PM10 尘粒 75um粉尘 降尘 10um 75um 可吸入颗粒 飘尘 10um烟尘 1um煤尘 75um 危害 对人体健康的影响 影响日照时间和地面的能见度 改变局部地区的小气候条件环境 2 气态污染物 硫氧化物 形式 可燃性硫 S O2 SO22SO2 O2 2SO3非可燃性硫 以SO42 的形式存在 存于灰中 危害 对人体的健康的影响 缩短金属寿命 在空中可形成酸雨 对大面积森林 水体有不利影响 单体硫燃烧 S O2 SO2SO2 O2 SO3 硫铁矿的燃烧 4FeS2 11O2 2Fe2O3 8SO2SO2 O2 SO3 硫醇 硫醚等有机硫化物的燃烧 CH3CH2CH2CH2SH H2S 2H2 2C C2H4分解出的H2S再氧化为 2H2S 3O2 2SO2 2H2O 氮氧化物 氮氧化物是氮的氧化物的总称 种类很多 包括NO NO2 N2O NO3 N2O4 N2O5等 其中N2O5是固体 大气中除NO NO2较稳定外 其他氮氧化物都不太稳定 故通常所指的氮氧化物 主要是NO和NO2的混合物 用NOx表示 NOX 产生 大气中50 的NOx由人为污染产生 来源 化石燃料的燃烧过程HNO3及与之有关的生产过程 由燃料燃烧生成的NOx 主要是NO 碳的氧化物 碳的氧化物在大气中主要包括CO2和CO CO 来源 人为污染源固定源 锅炉 移动源 汽车尾气排放 自然污染源CO2 不属于大气污染物 但其浓度的高低影响大气质量及气候 对温室效应及全球的气候变暖有直接贡献 碳氢化合物 碳氢化合物是以碳元素 C 和氢元素 H 形成的化合物总称 碳氢化合物种类很多 包括烷烃 烯烃和芳烃等复杂多样的含碳和氢的化合物 大气中的碳氢化合物通常是指C1 C8可挥发的所有碳氢化合物 又称烃类 碳氢化合物在大气中以CH4为主约占80 85 甲烷在大多数光化学反应中是惰性的 是一种无害烃 而人们关心的主要是非甲烷碳氢化合物NMHC 因此 在大气污染研究中通常把碳氢化合物区分为甲烷和非甲烷两类 其他化合物 进入大气的污染物是复杂的 除了上述几类外 还有重金属类 如铅及铅化合物 镉及镉化合物 以及其他气体如氟及氟化氢 氯及氯化氢等 对环境和人类健康构成严重威胁 主要大气污染物的来源 部分 四 大气污染类型 大气污染类型主要取决于所用能源的性质和污染物的化学反应特性 但气象条件也起着重要的作用 如光 温度 湿度等 大气污染可以从不同角度进行类型划分 1 以污染物的化学性质及它们存在的大气环境状况为依据 大气污染类型可分为还原型和氧化型 2 根据燃料性质和大气污染物的组成和反应 可将大气污染划分为以下四种类型 煤炭型 石油型 混合型 特殊型 第三节大气环境中污染物的化学转化 一 大气污染物的 化学转化 概念 1 大气污染的化学转化 包括光化学过程和热化学过程 2 大气污染的特点 污染物含量低 污染物反应速度慢 污染物传递距离长 反应系统大 被污染了的空气组分复杂多变 常受固定污染源和移动污染源的排放量多少而变动 又受气象条件 阳光照射强弱等因素的影响 二 大气层光化学特性 1 大气环境中的污染物能否进行光化学反应 要取决于两个方面 污染物本身的性质 在大气层中 必须有能吸收太阳光 使其发生初期反应的物质 才能在大气中引起光化学反应 具备一定波长的光 一般可可见光或紫外光 表2 4化合物的吸光性质 波长300nm 700nm区域 2 原子 分子 自由基或离子吸收光子的反应物质A接受光子h 则被激发成A A h A A为基态分子 A 为激发态分子 一定的分子或原子只能吸收一定能量的光子 吸收光能以后的激发态分子是不稳定的 可立即发生如下某种变化 发生离解A B1 B2直接与其它物质发生反应 A B C1 C2发生荧光回到基态 A A h 通过碰撞消耗活化能又回到基态 A M A M式中M为吸收能量分子 B1 B2 C1 C2为反应产物 三 硫酸烟雾 二氧化硫可氧化成硫酸雾或硫酸盐气溶胶 是环境酸化的重要前驱物 在污染大气中 通过复杂的物理过程和化学反应形成烟雾 烟雾是固液混合态气溶胶 1 二氧化硫氧化作用二氧化硫在大气中发生氧化作用 有两个途径 触媒氧化作用和光氧化作用 1 二氧化硫的触媒氧化作用首先二氧化硫溶解在水滴中 SO2 H2O H HSO3 其次在铁 锰的硫酸盐和氧化物的触媒下 亚硫酸氧化为硫酸 2HSO3 2H O22H2SO4上边两式合并 则为2SO2 2H2O O22H2SO4 Fe Mn Fe Mn 2 二氧化硫的光氧化作用 二氧化硫在大气中有两个大于290nm的吸收光谱 一个在290nm处 一个在380nm处 当SO2在大气中吸收不同光波时 可形成不同激发态的SO2 SO2在可见光作用下 可吸收光量子 形成激发态SO2 然后与氧分子化合形成SO3 后者再与水结合形成硫酸 当被污染了的大气中有碳氢化合物 氮氧化合物等物质存在时 SO2的光氧化速率大大超过在洁净空气中的光化学反应速率 可超过数10倍以上 由SO3进一步形成硫酸及硫酸盐气溶胶 2 硫酸气溶胶形成过程 1 物理过程气体极小微粒小微粒 0 001 0 01 m 0 01 0 1 m 液滴 2 化学过程在硫酸气溶胶中含有大量的硫酸盐 其中以硫酸铵为主 在微粒上吸附氨 NH3 和SO2与水气和O2等 会发生如下反应 NH3 气 SO2 NH3 SO2 气 NH3 SO2 固 黄色 NH3 SO2 气 NH3 NH3 2 SO2 固 白色 NH3 2 SO2 固 O2 NH4 SO3 NH2 固 NH4 SO3 NH2 固 H2O 气 NH3 2SO4 固 硫酸气溶胶形成过程中 如遇大气中有机化合物 硫酸与有机化合物作用 可形成有机硫微粒 如 C3H4S2O3 3n和 C5H8SO n等 四 光化学烟雾 1 光化学反应光化学反应主要有三个过程 1 臭氧生成光化学烟雾的形成过程 是从二氧化氮起动的 首先将N O键断裂 新生成氧原子 其反应式是 NO2NO O O2 O O3O3 NO NO2 O2这样使上述一系列反应形成 封闭 循环 hv 2 碳氢化合物氧化 自由基OH基等形成 自由基形成是光化学反应中的重要过程 它的形成过程中 一氧化碳 氮氧化物 碳氢化合物都有重要作用 一氧化碳在光化学反应中的作用亚硝酸是由氮氧化物相互作用而成 NO NO2 H2O 2HNO2HNO2NO OHCO与羟基自由基反应 引起系列反应 CO OH CO2 HH O2 HO2HO2 NOOH NO2HO2 HO2H2O2 O2H2O22OH hv hv 碳氢化合物在光化学反应中的作用A 碳氢化合物在污染空气中的氧化碳氢化合物与 O 的氧化反应碳氢化合物与羟基的氧化反应CH3CH CH2 OH CH3CHCH2OH或CH3CHOHCH2碳氢化合物与臭氧的氧化反应 O3 R1R2C CR3R4R1R2C O R2R4COOB 自由基的反应与O2反应 生成醛类 RO O2 R CHO HO2与NO反应 生成烷基亚硝酸酯 RO NO RONO与NO2反应 生成过氧乙酰硝酸酯 ROO NO2 RNO2 O2ROONO2RCOO2 NO2 RCOO2NO2 PAN 自由基复合反应 ROO ROO R CHO R CH2OH O2ROOR O2 2 光化学烟雾的形成 光化学烟雾的形成 在某种程度上与交通流量随时间变化有关 纬度的高低 季节变化 日变化都影响光化学烟雾的形成 光化学烟雾形成和大气中NO2 CO 碳氢化合物等污染物存在分不开 所以 在以石油为动力燃料的工厂 汽车排气等污染源的存在是光化学烟雾形成的前提条件 第四节大气中污染物的扩散 一 影响大气污染的气象因素1 风和湍流2 温度层结 1 气温的垂直分布 2 逆温 根据逆温层发生的原因可分为辐射逆温 湍流逆温 沉降逆温 锋面逆温和地形逆温等 3 大气稳定度 概念 气温垂直干绝热递减率 大气稳定的判据 4 大气稳定度与大气污染3 云 雾 天气形势4 空气污染 事故日 与污染指数 二 大气污染对气候的影响1 大气中二氧化碳的增加与全球气候变暖2 臭氧层的破坏3 酸沉降问题 三 大气污染与人体健康 大气中有害物质主要通过三个途径侵入人体 通过人的直接呼吸而进入人体 附着在食物或溶于水 随饮水 饮食而侵入人体 通过接触或刺激皮肤而进入到人体 尤其是脂溶性物质更易从完整的皮肤渗入人体 其中通过呼吸而侵入人体是主要的途径 危害也最大 大气污染对人体的影响 首先是感觉上受到影响 随后在生理上显示出可逆性反应 再进一步就出现急性危害的症状 大气污染对人的危害大致可分为急性中毒 慢性中毒 致癌三种 第五节大气污染综合防治与管理 一 我国大气污染的基本情况二 大气污染综合防治与管理对策1 合理利用环境自净能力 保护大气环境2 大气污染控制技术3 主要气体污染物的治理技术4 加强大气环境管理 一 我国大气污染基本情况1 我国大气污染的特点 1 以粉尘和二氧化硫为代表的煤烟型污染 2 大气污染程度有明显的空间和时间上的差异 在空间上 总的说来 北方重于南方城市 冬季重于夏季 但酸雨现象 南方重于北方 3 大气污染对社会经济生活的影响越来越大 2004年 二氧化硫排放量为2254 9万吨 其中工业排放量为1891 4万吨 生活排放量为363 5万吨 烟尘排放量为1095 0万吨 其中工业排放量为886 5万吨 生活排放量为208 5万吨 工业粉尘排放量为904 8万吨 今年第五号台风海棠登陆福建 福建沿海灾情严重 据统计直接经济损失达26亿3300多万元 资料来源 SmogAlert DerekElsom1996 2 我国大气污染严重的原因 1 直接燃煤是我国大气污染严重的根本原因 2 能源浪费严重 燃烧方式落后 加重了大气污染 3 城市和交通沿线 由于车流通量大 道路设施不足 形成交通阻塞 也加重了大气污染 4 城市布局不合理 人口密度过大 工厂集中等都对大气污染产生重要影响 5 生态环境的恶化 使大气污染状况复杂化 见图3 一 合理利用环境自净能力 保护大气环境 1 搞好总体规划 合理布局工业 1 搞好城市规划 完善基础设施建设 2 调整工业结构 合理布局工业2 做好大气环境规划 科学利用大气环境容量3 选择有利污染物扩散的排放方式4 发展绿色植物 增加自净能力 二 大气污染综合防治与管理对策 二 大气污染控制技术 1 改善能源结构 推广新能源和清洁能源如实行用煤向石油的转换 在我国南方大力发展水力应成为选优战略 在有机废物来源丰富的广大农村 应大力推广生物能源 沼气的使用 开发利用太阳能 风能 地热能等清洁能源 研究氢能和高效率的光电转换技术 2 集中供热 发展城市煤气3 开发节能技术 提高能源利用率 三 加强大气环境管理 大气环境管理运用法律 行政 经济 技术 教育等手段 通过全面规划 从宏观上 战略上 总体上研究解决大气污染问题 法律手段是环境管理中的一种重要手段 是以规范性 强制性 稳定性和指导性的方式管理环境 为此我国人大 国务院和各地方 各部门结合国情 区情和部门的具体情况制定和颁布了一系列环境保护的法律 条例和法规 颁布了环境空气质量标准 大气污染综合排放标准 工业锅炉烟尘排放标准 汽车尾气排放标准 各项污染物的浓度限制 1 环境空气质量标准 GB3095 1996 各项污染物的浓度限制 2 环境空气质量标准 GB3095 1996 四 主要气体污染物的治理技术 1 烟尘治理技术 从气体中除去或收集这些固态或液态粒子的设备 称为除尘 集尘 装置 有时也叫除尘 集尘 器 除尘装置的类型 除尘装置的类型 采用润湿剂 粒子分离原理 2 从排烟中去除SO2的技术 湿法排烟脱硫 1 氨法 用氨水 NH3 H2O 为吸收剂吸收烟气中的SO2 2 钠法 此法是用氢氧化钠 碳酸钠或亚硫酸钠水溶液为吸收剂收烟气中的SO2 3 钙法 用石灰石 生石灰 Ca OH 2 的乳浊液为吸收剂吸收烟气中的SO2 回收大量石膏可作建筑材料 因此被国内外广泛采用 4 镁法 基里洛法用MgxMnOy为吸收剂吸收烟气中的SO2 凯米克法又称氧化镁法 用串联两个文丘里洗涤器除去烟气中微小的尘粒 并用MgO溶液吸收烟气中的SO2 吸收过程中生成的MgSO4 7H2O和MgSO3 6H2O的晶体与焦碳一起在1000 下加热分解得到SO2和MgO 再生的MgO可重新作吸收剂 5 接触氧化法 3 从排烟中去除NOx的技术 1 非选择性催化还原法 该法是应用铂作为催化剂 以氢或甲烷等还原性气体作为还原剂 将烟气中的NOx还原成N2 2 选择性催化还原法 该法是以贵金属铂或铜 铬 铁 钒 钼 钴 镍等的氧化物 以铝钒土为载体 为催化剂 以氨 硫化氢 氯 氨及一氧化碳等为还原剂 选择出最适宜的温度范围进行脱氮反应 3 吸收法 按所使用的吸收剂分为碱液吸收法 熔融盐吸收法 硫酸吸收法及氢氧化镁吸收法等 4 氟化物的治理 1 湿法净化含氟化物烟气 地面排烟净化系统是用水或氢氧化钠水溶液为吸收剂吸收烟气中的氟化物 如以氢氧化钠溶液为吸收剂 在吸收氟化物的溶液中再加入偏铝酸钠 NaAlO2 可回收冰晶石 Na3AlF6 若以水为吸收剂 在吸收氟化物的水溶液中加入氧化铝可回收氟铝酸 如加碱可回收冰晶石 2 干法净化含氟化物烟气 主要是应用固态氧化铝为吸收剂 吸附后的含氟化物的氧化铝可作炼铝的原料 干法净化多用于地面排烟系统 也应用于用磷矿石生产磷 磷酸 磷肥等的过程所发生的氟化物治理 干法的去除效率达98 以上 第三章水环境与污染 第一节水环境概述第二节水体污染源与污染物第三节污染物在水环境中的迁移转化第四节水体污染的控制 第一节水环境概述 一 水环境的概念 1 水环境一般是指河流 湖泊 沼泽 水库 地下水 冰川 海洋等地表贮水体中的水本身及水体中的悬浮物 溶解物质 底泥 甚至还包括水生生物等2 在环境污染的研究中 将水与水环境 水体 加以区别是十分重要的 二 水资源及其特性 1 水资源的概念 在现有的经济技术条件下能被人类利用并产生价值的那一部分水体 2 地球上天然水资源的分布 地球上水的总量 14亿km3地球上水的分配比 3 水资源与其他自然资源相比 具有一些明显的特点 维护生态平衡和环境的基本要素 利用上的多用性 经济上的两重性 补给上的循环性 时空分配上的可变性 三 我国水资源的特点 1 我国水资源储量 2 水资源的主要问题 我国水资源人均和亩均水量少 水资源在地区分布上很不均匀 水土资源组合不平衡 水量年内及年际变化大 水旱灾害频繁 水土流失严重 许多河流含沙量大 我国水资源开发利用各地很不均衡 3 水危机产生的原因 1 自然条件的影响 淡水在地球上分布不均 气候变化的影响 2 城市与工业区集中发展 世界人口趋向于集中在地球较小部分的城镇和城市 41 6 人口集中于占0 3的土地面积的城镇 城市及其周围大量建设工业区 集中用水量很大 超过当地水资源的供水能力 四 水体污染与水体自净 1 天然水的化学性质及水体污染 1 天然水的物质组成 溶解气体 进一步划分为主要气体和微量气体 溶解性物质 再细分为主要离子 生物生成物 微量元素 胶体物质 又分为无机胶体和有机胶体 悬浮物质 根据物质性质分细菌 藻类及原生动物 泥沙 粘土和其他不溶物质 2 环境中水体的水质特征 大气降水的水质特征 地表水的水质特征A 河水的水质特征B 湖泊水的水质特征C 海水的水质特征 地下水的水质特征 3 水体污染水体因接受过多的污染物质而导致其物理 化学及生物学特性的改变和水质的恶化 从而影响水的有效利用 危害人体健康的现象 水污染的危害 危害人体健康降低农作物的产量与质量影响渔业生产的产量和质量制约工业发展的危害加速生态环境的退化与破坏造成经济损失 4 水体自净水体有消纳一定量污染物质 使自身质量保持洁净的能力 水环境容量 一定水体的所能容纳污染物的最大负荷 可用下表示 W V cs cb c上式中 W 水环境容量 V 水体体积 m3 cs 水质标准 mg L cb 背景值 mg L c 水体对该污染物的自净能力 g 第二节水体污染源与污染物 一 水体污染源1 点源 指工业污染源和生活污染源 有季节性和随机性 A 工业污水 量大 面广 含污染物多 成分复杂 在水中不易净化 处理困难 主要特性 SS含量高 3000mg 1 max pH 2 13需氧量高 COD 400 10000mg 1BOD 200 5000mg 1有机物一般难于溶解 对微生物起毒害作用温度较高 排入自然水体会引起热污染易燃 常含有低燃点的挥发性液体 如汽油 苯等多种多样有害成分 硫化物 汞 镉 砷等 B 生活污水 主要是日常洗涤用水 固体物质含量小于1 而且多为无害物质 主要特性 SS含量 200 500mg 1BOD 210 600mg 1含磷 氮 硫高 含大量合成洗涤剂 并含有多种微生物 细菌 病原菌等 2 面源 农村灌溉用水和污水 造成农药污染 富营养化等 第二节水体污染源与污染物 二 水体污染及分类1 化学性污染有 酸碱污染 重金属污染 需氧性有机物污染 营养物质污染和有有机毒物污染等2 物理性污染 常见的物理性污染有 1 悬浮物污染 2 热污染 3 放射性污染3 生物性污染 主要指致病及病毒的污染 如伤寒 霍乱 细菌性痢疾的病原菌等 三 水体中的主要污染物及其影响 一 耗氧污染物的概念及综合指标 二 植物营养物质及富营养化 三 油类物质及危害 四 酚类污染物及危害 五 氰化物污染及危害 六 重金属污染及危害 一 耗氧污染物的概念及综合指标 1 耗氧有机物 需氧污染物 1 定义 指生活污水和某些工业废水中所含的碳水化合物 蛋白质 脂肪等有机化合物 可在微生物作用下 最终分解为简单的无机物 CO2和H2O 分解过程中需要消耗大量的氧 正常水体含氧量为 4mg l 故称为耗氧有机物 2 来源 生活污水 牲畜污水以及食品 造纸 制革 石化等工业废水3 BOD 10mg l 正常为 3mg l 2 需氧有机物的综合指标 1 以氧 O2 表示的指标a 生化需氧量 简称BOD 定义 在有氧条件下 好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量 mg 1 是一种间接表示水被有机污染物污染程度的指标 测定条件 20 02充足 不搅动 完全氧化一般为20天 常用5天为测定的标准时间 BOD5 70 BOD20 2 需氧有机物的综合指标 1 以氧 O2 表示的指标b 化学需氧量 简称COD 定义 在酸性条件下能够将有机物氧化为H20和C02 此时所测出的耗氧量 特点 测定时间短 不受水质限制 主要作为工业废水的污染指标 COD BOD COD与BOD的差值可表示不为微生物降解的有机物 c 总需氧量 简称TOD 2 需氧有机物的综合指标 2 以碳表示的指标 总有机碳 简称TOC 包括水体中所有有机污染物的含碳量 将水样在高温下燃烧 有机碳即氧化成CO2 测量所产生的CO2的量 便可求得水样的总有机碳 单位以碳的mg l表示 3 水体中需氧污染物的来源来自于水体外的需氧污染物 主要有下列三种 1 水从土壤 泥炭和其他包含有生物遗体的各种形成物中溶滤出来的物质 2 随污水流到水中的需氧污染物包括生活污水 畜禽污水等 3 工业废水包括造纸 制革 酿造 印染 焦化 石油化工等生产过程中产生的污水注入水体 使水中含有各种复杂的有机污染物 排入水体的需氧污染物中 从排放的量上看 生活污水是需氧污染物的最主要的来源 但畜禽污水及工业废水的生化需氧量一般比生活污水大数倍到数十倍 4 危害 大量消耗水中的溶解氧 DO 水质变化表现为 水体能见度下降水体发黑 发臭有气体从水中冒出水体表面有浮渣 二 植物营养物质及富营养化 1 植物营养物质1 定义 是指促使水中植物生长 从而加速水体富营养化的各种物质 主要指氮 磷 2 来源 自然源 人为源 农田施肥 农业废弃物 植物杆 牲畜粪便等 城市生活污水 某些工业废水 制革 造纸 肉类加工 炼油 3 危害 造成水体的营养化 水体衰老的表现 多发生在湖泊 水库 海湾内的流速相对缓慢的地方 二 植物营养物质及富营养化 2 水体富营养化过程及其危害 1 水体富营养化概念 富营养化是指水体在外界条件的影响下 由于营养盐类不断积聚 引起水体内部物理 化学性状不断改变 水生生态系统发生相应的演替 并由生物生产力低的状态逐步向生物生产力高的状态过渡的现象 二 植物营养物质及富营养化 2 水体富营养化过程及其危害 2 水体富营养化过程湖泊富营养化过程的初始阶段 湖体中营养盐比较少 溶解氧丰富 生物生产力水平低 湖泊呈现贫营养型特征 随着时间的推移 自外部进入湖中的营养盐类逐渐积聚 湖水中营养物质增多 湖泊生物生产能力提高 生物量增加 水中溶解氧含量下降 水色发暗 透明度降低 水生生物种群组成逐步由适合富营养状态下的种群所代替 湖泊相应由贫营养型发展为中营养型 进而演变为富营养型 二 植物营养物质及富营养化 2 水体富营养化过程及其危害 3 水体富营养化危害富营养化现象发展到 定阶段 表现为浮游藻类的异常增殖 以蓝绿藻类为主的水藻泛浮水面 严重时形成 水花 或 湖靛 在迎风湖岸或湖湾处 糜集水面的藻类可成糊状薄膜 湖面呈暗绿色 透明度极低 可散发出腥臭味 而且还会分泌出大量藻类毒素 抑制鱼类和其它生物的生长 对人畜造成危害 并严重污染环境 自本世纪50年代以来 湖泊富营养化现象已成为世界范围内重要的水环境污染问题 二 植物营养物质及富营养化 3 水体富营养化程度与营养元素含量的关系 1 营养因子是指浮游生物等生长所必须的各种营养盐类 据测定 每增殖1g藻类 大约消耗0 009g磷 0 063g氮 0 07g氢 0 358g碳 0 496g氧以及Mn Fe Cu Mo等各种微量元素 Liebig最小值定律 藻类的生长会因湖水中某种元素不足而受到抑制 该规律称为最低量定律 这种元素称为限制性元素 在上述元素中 C H O三种元素来源广泛 因此 湖水中N P的含量与补给量成为影响藻类繁殖的主要限制性因子 据计算 每1gN可增殖10 8g藻类 每1gP可增殖78克藻类 由此可见 水体中N P含量直接决定藻类的繁殖速度 因而影响到湖泊富营养化进程 其中P是最主要的限制性因子 2 环境因子湖水中营养元素的来源与环境有密切关系 通常位于山区的湖泊 其N P的补给有限 所以常处于贫营养状态 位于平原上的湖泊 由于水中营养元素补给丰富 所以常处于中营养型或富营养型状态 在城市或工业区附近的湖泊 由于城市生活污水和工业废水中常含有大量的N P等营养物质 以致加快了湖泊富营养化进程 二 植物营养物质及富营养化 4 成层作用与溶解氧 1 热成层作用 2 成层作用与溶解氧 5 富营养化的类型及判别标准 由于影响富营养化现象的因素很复杂 在不同的生态环境条件下 水体之间富营养化的程度存在很大差别 同一水体在不同阶段也可能相差十分悬殊 为了研究富营养化演替规律 一般将富营养化现象分为贫营养型 中营养型及富营养型三种基本类型 其间又可细分出几个亚型 如特贫营养型 贫一中营养型 中一富营养型等 表3 1水体中氮 磷含量 mg m3 与富营养化程度之间的关系 托马斯 表3 2水体中氮 磷含量 mg m3 与富营养化程度之间的关系 坂本 表3 3水体总氮和总磷允许负荷 g m3 a 日本 三 油类物质及危害 1 水体中油类污染物的来源 1 船舶造成的油污染 2 工业造成的油污染 3 海上石油开采造成的油污染 4 大气石油烃的沉降2 油污染的危害影响水生生物的生长 破坏海滨环境 降低其使用价值 而且会影响局部地区的水文气候条件 降低海洋的自净能力 石油的组成成分中含有有毒物质 其中沸点在300 400 间的稠环芳烃大多是致癌物 而且生物能富集这类致癌物质从而降低其价值 石油对鱼类 海兽 底栖动物都有严重的损害 四 酚类污染物及危害 1 水体中酚的来源主要来源于工业企业排放的含酚废水 由于各行业生产的原料 工艺 产品等不同 其含酚废水的水量 成分 性质以及污染程度都有较大差别 四 酚类污染物及危害 2 酚类化合物在水体中的净化过程分解速度决定于酚化合物的结构 起始浓度 微生物条件 温度及曝气条件因素 在天然水体中的分解可以通过生化氧化和化学氧化等方式进行 其中生化氧化是最重要的分解方式 酚的挥发作用 底泥在水体酚自净过程中的作用 底泥效应 四 酚类污染物及危害 3 酚污染的危害浓度低时 影响鱼类的回游繁殖 当浓度为0 1 0 2mg L时 鱼肉有酚味 浓度高时引起鱼类的大量死亡甚至绝迹 抑制水中微生物的自然生长速度 对鱼类的致死浓度见表3 4 表3 4水体中酚及其衍生物浓度对鱼的毒害 mg L 五 氰化物污染及危害 1 水体中氰化物的来源主要源于工业企业排放的含氰废水 焦炉和高炉的煤气洗涤水中碳与氨或甲烷与氨化合物生成氰化物2 氰化物在水体中的自净作用 1 氰化物的挥发作用与溶于水中的CO2作用产生HCN逸出 CN CO2 H2O HCN HCO3 2 氰化物的生物化学氧化分解在水中游离氧氧化作用下可形成NH4 和CO32 2CN O2 2CNO CNO 2H2O NH4 CO32 五 氰化物污染及危害 3 氰化物污染的危害 各种氰化物分离出CN 及HCN的难易程度不同 因而毒性也不相同 氰的毒性主要表现在破坏血液 影响运送氧和氢的机能而致死亡 天然水中的含氰废水 对鱼类的生存威胁较大 表3 5氰浓度 mg L 对水蚤的危害 总之 氰化物是剧毒物质 亦有快速致死作用 所以在制定饮用水标准 渔业 对氰离子 标准时 以生态学上不产生有害作用为依据 许多国家规定饮用水标准是0 01mg L 世界卫生组织订出鱼的中毒限量为游离氰0 03mg L 六 重金属污染及危害 1 重金属的概念特点 毒性作用大 易引起人们的注意 在水体中不能为微生物降解 只能产生各种形态间的相互转化以及分散和富积 在水中进行迁移 2 水体中重金属的来源 1 在自然环境的各部分均存在着本底含量 在正常的天然水中金属含量均很低 2 采矿和冶炼是向环境释放重金属的最主要的污染源 通过废水 废气 废渣向环境中排放重金属的工业企业举不胜举 由于人工流动量的不均匀 因而在局部地区会造成严重的污染后果 六 重金属污染及危害 3 主要的重金属污染物及危害 汞 Hg 汞的毒性很强 而有机汞化合物的毒性又超过无机汞 无机汞化合物如HgCl2 HgO等不易溶解 因而不易进入生物组织 有机汞化合物如烷基汞 CH3Hg一 C2H5Hg一 苯基汞 C6H5Hg一 等 有很强的脂溶性 易进入生物组织 并有很高的蓄积作用 无机汞在水体中易沉积于底层沉积物中 在微生物作用下可转化为有机汞而进入生物体内 再通过食物链作用逐渐浓集 最后影响到人体 汞在无脊椎动物体中的富集可达10万倍 日本的水俣病就是人长期吃富集甲基汞的鱼而造成的 六 重金属污染及危害 3 主要的重金属污染物及危害 镉 Cd 镉的化合物毒性很大 蓄积性也很强 动物吸收的镉很少能排出体外 受镉污染的河水用作灌溉农田 可引起土壤镉污染 进而污染农作物 最后影响到人体 日本的痛痛病就是吃了被含镉污水生产的稻米所致 镉进入人体后 主要贮存在肝 肾组织中不易排出 镉的慢性毒性主要使肾脏吸收能力不全 降低机体免疫能力及导致骨质疏松 软化 如骨痛病所出现的骨萎缩 变形 骨折等 六 重金属污染及危害 3 主要的重金属污染物及危害 铬 Cr 无机化合物有二价 三价 六价三种 六价铬化合物毒性最大 六价铬具强氧化性 对皮肤 粘膜有强烈腐蚀性 在慢性影响上 六价铬有致畸 致突变与致癌等作用 六 重金属污染及危害 3 主要的重金属污染物及危害 砷 As 砷是传统的剧毒物 As2O3即砒霜 对人体有很大毒性 长期饮用含砷的水会慢性中毒 主要表现是神经衰弱 腹痛 呕吐 肝痛 肝大等消化系统障碍 并常伴有皮肤癌 肝癌 肾癌 肺癌等发病率增高现象 六 重金属污染及危害 4 重金属污染水体的危害 1 在天然水中的毒性效应有时是由微量金属所致 2 毒性几乎都通过与机体结合而发挥作用 3 重金属不能被微生物分解 经生物放大作用被富集 又通过食物链进入人体 4 重金属的毒性与金属的形态有关 第三节污染物在水环境中的迁移转化 一 耗氧有机物在水环境中的降解作用 一 概述 二 微生物在有机物生物化学反应中的作用 三 耗氧有机物的生物化学分解二 重金属在水环境中的迁移转 一 重金属迁移转化的基本类型 二 重金属在水环境中的物理化学迁移机理1 重金属化合物的沉淀 溶解作用2 重金属离子的水解作用3 水环境中配位体对重金属的络合作用 一 耗氧有机物在水环境中的降解作用 一 概述 通过降解作用实现有机碳由低价向高价的转变 使有机物的构造趋于简单 分子量逐渐降低 各种有机物都能被氧化 但被氧化的难易程度却有很大差别 这是由有机物本身的特性决定的 有机物的氧化还原反应的判断 对有机物凡加氧去氢的反应称为氧化 而加氢去氧的反应称为还原 电子偏离碳原子的反应就是有机物的氧化 相反电子对移近碳原子的反应就是有机物的还原 二 微生物在有机物生物化学反应中的作用 在有机物的生物化学反应中微生物起着决定性的作用 分解有机物的微生物主要是细菌 生物氧化作用有其特殊性 反应是在生物催化剂酶的作用下完成的 1 生化反应中的微生物 主要是细菌异养细菌中的腐生菌在转化过程中起决定作用 细菌对食物的摄取是以化合物透过细胞膜的方式实现的 对于复杂的有机物首先须经微生物 细菌 的体外分解变为小型简单化合物后才能通过细胞壁进入细菌体内 进一步发生分解反应 主要是氧化反应 并有能量的转化 2 微生物的呼吸作用微生物呼吸作用的实质 通式 基质 氧化了的基质 2H2H 受氢体 还原了的受氢呼吸作用需要有相应的受氢体来接收脱出的氢 反应才能最终完成 以游离的O2作为活化氢的最终受氢体为有氧氧化 如果以O2以外的化合物作为受氢体 反应在缺氧或无氧的条件下进行则称为无氧氧化 3 酶和辅酶的作用酶的催化作用具有高度的专性 但是有许多酶不能单独完成某种催化作用 还须有另一些活性物质参加 这类活性物质称为辅酶 酶与辅酶结合成全酶才具有催化作用 三 耗氧有机物的生物化学分解 有机物生物化学分解基本反应可分为两大类 1 水解反应 2 氧化反应 脱氢作用又可分两种 一种是从 CHOH 基团脱氢 一种是从 CH2CH2 基团脱氢 脱羧作用 这是生物氧化中产生CO2的主要过程总之碳水化合物 脂肪 蛋白质等有机物降解的共同规律都是首先在细胞体外发生水解 然后在细胞内部继续水解和氧化 降解的后期产物为各种有机酸 在有氧条件下 其最终产物是CO2 H2O和NO3 SO42 等 在缺氧条件下进行反硝化 反硫化 甲烷发酵 酸性发酵等 其最终产物除CO2和H2O外 还有NH3 H2S CH4 有机酸 醇等 二 重金属在水环境中的迁移转化 一 重金属迁移转化的基本类型1 定义 2 按照物质运动的形式 可以分为三种基本类型 1 机械迁移指重金属离子以溶解态或颗粒态的形式被水流机械搬运 迁移过程服从于水力学原理 2 物理化学迁移指重金属以简单离子 络离子或可溶性分子在水环境中通过一系列物理化学作用所实行的迁移与转化过程 是最重要的形式 3 生物迁移是重金属通过生物体的新陈代谢 生长 死亡等过程实现的 迁移使某些重金属在有机体中富集起来 再经过食物链而构成对人体的威胁 二 重金属在水环境中的物理化学迁移机理 1 重金属化合物的沉淀 溶解作用在水中的溶解度可以直观地表示其在水环境中的迁移能力 溶解度大者迁移能力大 小者迁移能力小 水是强极性分子 对极性大的离子键化合物的溶解能力比对极性小的共价键化合物的溶解能力更强 对离子键化合物来说 溶解度随着离子半径的增大和电价的减小而增加 相互结合的离子的半径差别愈小 其离子化合物愈牢固 即越难溶解 难溶电解质在饱和水溶液中存在着电离平衡 平衡常数以溶度积 Ksp 表示 在水中的溶解度的大小 首先是由它们的本质来决定的 其次影响溶解度的因素是温度和外加的可溶性盐类等 2 重金属离子的水解作用金属离子的水解作用 可以看作是各种金属离子和质子 H 对于羟基 OH 的争夺作用 羟基与金属离子的络合作用可大大提高某些重金属氢氧化物的溶解度 从而促进重金属的迁移 重金属离子大多数都有较高的离子电位 故能在较低的PH值下水解 在水解过程中 H 离开水合重金属离子的配位水分子 通式如下Me H2O n2 H2O Me H2O n 1OH H3O 金属水解反应也可以看作是OH 置换金属离子的配位水分子 或者可以说是金属离子的配位水分子释放出质子 高价重金属离子能参与一系列的质子传递过程 3 水环境中配位体对重金属的络合作用 在水环境中存在着多种多样的天然和人工合成的无机和有机配位体 它们能与重金属离子形成稳定度不同的络合物或螯合物 对重金属在水环境中的迁移有很大影响 重金属大多数属周期表中的过渡性元素 过渡元素的原子有自己的电子构型特点 其最外层为s电子 数目为2或1 而次外层d电子 电子数一般是1 9未充满 所以仍可以接受外来电子 由于过渡元素具有可接收孤电子对的空轨道 因此具有强烈地生成络合物的能力 1 水环境中的无机配位体对重金属的络合作用 无机水中重要的无机配位体有OH Cl CO32 HCO3 F S2 等 除S2 外均属于路易斯酸碱 近年来 水环境金属化学的研究 人们十分重视OH 和Cl 的络合作用 认为它们是影响一些重金属 难溶盐类溶解度的重要因素 氯离子对Hg Cd Zn Pb的络合力的顺序为Hg Cd Zn Pb氯离子络合作用对重金属迁移的影响 可大大提高难溶重金属化合物的溶解度 由于氯络重金属离子的生成使胶体对重金属离子的吸附作用减弱 对汞尤为突