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环境科学概论第三章水体环境 武汉大学动力与机械学院 第一节水体环境概述第二节水污染第三节污染物在水中的转化第四节水环境污染的控制与管理 第一节水体概述 地球上水的分布全球总贮水量估计为13 9亿立方千米其中淡水总量仅为0 36亿立方千米除冰川和冰帽外 可利用的淡水总量不足世界总贮水量的1 一 地球水资源所谓水体是指河流 湖泊 沼泽 水库 地下水 冰川和海岸等 储水体 的总称 狭义 地球上河水和湖水的数量很少 只有101700km3 但是由于它们直接供人类生产生活需要 与人类的关系密切 因此是水资源中最为重要的组成部分 中国是世界水资源大国 河流 湖泊和水库的总水面积约1 67 108m2 水资源总量2 8 1012m3 占全球径流总量的6 左右 居世界第六位 我国人均水资源量很少 人均占有水资源2545m3 只相当于世界平均水平的四分之一 世界排名第110位 被列为全球13个人均水资源贫乏的国家之一 中国属于季风气候 水资源时空分布不均匀 南北自然环境差异很大 南方水较多而北方的9个省区人均水资源还不到500m3 实属少水地区 中国的水资源短缺华北平原 西北 云贵高原 东南沿海普遍缺水 与此同时 江河湖海许多水域普遍受到不同程度污染 78 的城市河段已不适宜做饮用水源 50 的城市地下水受到污染 地下水因过量开采导致地面下沉和水质恶化 东海 渤海 黄海和南海四大海域的近岸海域污染加重 在全国600多个大中城市中约有一半缺水 其中严重缺水的有108个 主要是北方的一些城市 京 津地区和石家庄 西安 兰州等城市的供水尤为紧张 首都北京是全国10大缺水城市之一 人均水量在世界120多个国家的首都中名列百位之后 二 生命与水 现代科学证明 人的体重的60 都是水 血液中的90 亦是水 每人每天至少要摄入2000mL的水才能维持生命 断水7 10天就会导致死亡 失水15 20 就要产生脱水症状 水能溶解各种各样的电解质 使生命中的生物化学反应得以正常进行 水是大部分有机物质的溶剂 水可向全身供给营养物质 把体内多余热散发出去 以防体温上升 1 水的分子结构水的分子结构特异性氢键引起的分子间缔合 水的特异性 2水的性质特异性2 1熔点和沸点 2 2体积随温度变化异常 4 时密度最高 2 3热容量最大生成热 285 83kJ mol 汽化热 40 67kJ mol 熔化热 6 02kJ mol 摩尔热容 20 时为75J mol K 均很大在2000K的高温下仪解离0 588 2 4溶解和反应能力被称做 万用溶剂 能不同程度地溶解各种物质 当然其中也包括大量的污染物质 离子型化合物溶于水时 均以离子状态存在 2 5具有很大的表面张力水的表面张力 72 75x10 3N m 仅次干汞表面张力是垂直地通过液体表面任一单位长度并沿着与液面相旬的方向的收缩裴面的力 因此水有明显的毛细 润湿和吸附等作用 使水能在土壤微粒间的小空隙中长期存留 也与大的蒸发热有关 土壤靠此作用可以保持水分 通过根细胞壁输送大量水分和营养隶 为进行光合作用 提供运输介质 不会使植物因吸收大阳能而将液体蒸发殆尽 3有机物和生命物质中H的来源一切有机化合物都是以碳 氢 氧 氮等元素为基础 而这些元素的主要来源就是CO2和水 在自然环境中 水对地球的绿色植物是至关重要的 绿色值物利用光能分解H2O 放出O2并将CO2还原为有机物 三 水的循环1 水的自然循环 水的自然循环过程 是指地球上各种形态的水在太阳辐射 地心引力等作用下 通过蒸发 水汽输送 凝结降水 下渗和径流等环节 不断地发生相态转换和周而复始运动的过程 太阳辐射和重力作用是水循环的基本动力 这种动力不消失 水循环便永恒存在 水循环路径并不是单一的 而是通过无数条路线实现循环和相变的 由于水循环的存在 使地球上的水不断地得到补充和更新 成为一种可再生资源 水的自然循环过程示意图 2 水的社会循环 人类社会为了生产和生活需要 从居住区附近的天然河流 湖泊等水体取水 供人们用于工业 农业和日常生活 用过的水又排回天然水体 由于在这一过程中人类所用的水取之于附近水体还之于附近水体 因此形成一种受人类社会活动作用的水循环 这即是水的社会循环 水的社会循环 四 天然水的水质 天然水的物质组成在自然界并不存在化学概念上的纯水 天然水 是在特定自然条件下形成的 含有许多溶解性物质和非溶解性物质 组成成分极其复杂的综合体 目前 在各种水体里已发现80多种元素 天然水中各种物质按性质通常可分为三大类 悬浮物质 胶体物质和溶解物质 悬浮物质 粒径大于100nm 10 9m 的物质颗粒在水中呈悬浮状态 如泥沙 粘土 藻类 细菌等不溶物质 悬浮物的存在使天然水有颜色 变浑浊或产生异味 胶体物质 粒径为100 1nm的多分子聚合体 为水中的胶体物质 其中 无机胶体主要是次生粘土矿物和各种含水氧化物 有机胶体主要是腐殖酸 溶解物质 粒径小于1nm的物质 在水中呈分子或离子溶解状态 包括各种盐类 气体和某些有机化合物 2 天然水的化学性质地壳中含有87种化学元素 目前在天然水中基本都已经被发现 这些元素在天然水中的含量与岩石圈的平均组成相差很大 多种化合物均溶于水 又随着水循环一起迁移经历不同环境 其数量 组成和存在形态均处于不断变化之中 这一过程受到两方面因素制约 一是元素和化合物的物理化学性质 二是各种环境因素 如天然水的酸碱性质 氧化还原状况 有机质的数量和组成以及各种自然环境条件等 水质 水质指标和水质标准1 水质的概念水的品质 是指水和其中所含杂质共同表现出的物理学 化学和生物学的综合特性 2 水质指标 4 2水质指标4 2 1水温4 2 2臭阈值 臭阈值是相对的臭阈值的平均数 4 2 3颜色和色度 表色 包括悬浮杂质 胶体 溶解物在内的3所构成的水色 真色 除去悬浮杂质后的水 由胶体及溶解杂质所造成的颜色 色度的测定 较清洁水样 如天然水和饮用水 可用铂钴标准比色法和铬钴比色法 水样较浑浊 可事先静置澄清或离心分离除去浑浊印质后 进行测定 但不得用滤纸过滤 水的颜色往往随pH值的改变而不同 因此测定时必须注明PH值 铬钴比色法 是以重铬酸钾和硫酸钴 配制标推比色系列采用目视比色法测定水样的色度 该法所用重铬酸钾便宜易得 但标准色列不易长久保存 铂钴比色法 是以氯铂酸钾和氯化钴 配制标推比色系列采用目视比色法测定水样的色度 该法标准色列可长久保存 但较贵 4 2 4浊度表示水中含有悬浮及肢体状态的杂质 引起水的浑浊程度 一般标准浊度单位 规定Im L漂白土所产生的浊度为1度 近年来 多采用硫酸肼与六次甲基四胺形成的白色高分子聚合物标准溶液为浊度单位 并规定1 25mg L硫酸肼 L和12 5mg L六次甲基四胺溶于水中形成的聚合物所产生的浊度为1度 称为FTU 4 2 5残渣 总残渣 总过滤残渣 总不可过滤残渣总残渣 将水样混合均匀后 在己称至恒重的蒸发皿中于水浴或蒸气浴上蒸干 然后在103 105 烘箱中烘至恒里 增加的重量为总残渣 总可滤残渣总可滤残渣又称可溶性固体或可溶性蒸发残渣分为103 105 烘干和180 烘干两种 将混合均匀的水样 通过标准玻璃纤维滤膜 o 45Pm 的滤液 于蒸发皿中蒸发并在设定温度下烘干后称至恒重的物质为总可滤残渣 总不可过滤残渣将充分混均水样过滤后 截留在标准玻璃纤维滤膜 0 45 m 上的物质 在103 105 烘干至恒重 如果悬浮物堵塞滤膜并难于过滤 总不可滤残渣可由总残渣与总可滤残渣之差计算 挥发性残渣又称总残渣灼烧减重 该指标可粗略地代表水中有机物含量和铵盐及碳酸盐等部分含量 测定方法 水样测定总残渣后 于600 下灼烧30min 冷却后用2mL蒸馏水湿润残渣 在103 105 烘干至恒重 所减少的重量即为挥发性残渣 可沉降物用体积法或重量法测定 用于地面水 咸水及生活污水和工业废水中的可沉降物的测定 体积法 水样在特制锥形筒内静置1h后所沉下的总污物数量 单位ml L 重量法 由总不可滤残渣与上层液中不可沉降物浓度之差求得 单位mg L 其中上层被中不可沉降物浓度测定 将充分混匀水祥例人玻璃容器中 静置1h后 虹吸沉降面与液面一半处上层液 103 105 烘干的总不不可滤残渣程序求得 4 2 6电导率又称比电导 表示水溶液传导电流的能力 可间接表示水中可滤残渣 即溶解性固体 的相对含量 电导率的标准单位是西门子 米 s m 多数水样的电导率很低 所以 一般实际使用单伦为毫西门子 米 mS m 电导率用电导率仪测定 4 2 7紫外吸光度值由于生活沼水 工业废水 尤其石油废水的排放 天然水中含有许多有机污染物 这些污染物 尤其含有芳香烃和双键或碳基的共扼体系 在紫外光区都有强烈吸收 对特定水系来说 其所含物质组成一般变化不大 所以 利用紫外吸光度作为新的评价水质有机物污染综合指标 将有普遍意义 4 2 8氧化还原电位 ORP mv 氧化还原电位 0RP 是水体中多种氧化性物质与还原性物质进行氧化还原反应的综合指标 在水处理尤其废水生物处理中越来越受到重视 是厌氧治化过程中一个较为理想的过程控制参数 80年代之后 人们发现ORP在脱氮 N 除磷 P 过程中起到重要的指示作用 近年来 在好氧活性污泥法降解含碳有机物过程中 其数值或变化率作为反应时间的计算机控制参数的研究 氧化还原电位 0RP 用毫伏计或pH计测量 指示电极用铂电极 参比电极用饱和甘汞电极或银一氯化银电极 4 2 9细菌总数 BacterulTotalCount 指lmL水样在营养琼脂培养基中 于37 培养24h后 所生长细菌菌落的总数 水中细菌总数用来判断饮用水 水源水 地面水等污染程度的标志 4 2 10肠菌群大肠菌群可采用多管发酵法 滤膜法和延迟培养法测定 4 2 11游离性余氯饮用水氯消毒之后剩余的游离性有效氮为游离性余氯 采用碘量法 N N一二乙基对苯二胺一硫酸亚铁胺滴定法和N N一二乙基对苯二胺光度法测定 国家饮用水规定 集中式给水出厂水游离性余氧不低于0 3mg L 管网末稍水不应低于O 05mg L 4 2 12pH值对水中化学过程具有重要影响用pH计测量 4 2 13酸度和碱度水的酸度是水中给出质子物质的总量 水的碱度是水中接受质子物质的总量 4 2 14有机化合物 化学需氧量是指水样在一定条件下 氧化1L水样中还原性物质所消耗的氧化剂的量 以氧的mg L表示 化学需氧量的测量方法有重铬酸钾法和库仑滴定法 化学需氧量 COD 重铬酸钾法 COD 反应式 Cr2O72 6e 14H 2Cr3 7H2OCr2O72 6Fe2 14H 2Cr3 6Fe3 7H2OFe2 试亚铁灵 红褐色计算公式 CODCr O2 mg L V0 V1 C 8 1000 V 高锰酸盐指数的测定 高锰酸盐指数 是指在一定条件下 以高锰酸钾为氧化剂 氧化水样中的还原性物质 所消耗的量以氧的mg L来表示 测定过程 取水样100mL 原样或经稀释 于锥形瓶中 1十3 H2SO45mL 混匀 0 0lmol L高锰酸钾标液 1 5KMn04 10 0mL 沸水浴30min 0 0lmol L草酸钠标液 1 2Na2C2O4 l0 00mL 退色 0 01mol L高锰酸钾标液回滴 终点微红色 生化需氧量 BOD 的测定 生化需氧量是指在有溶解氧的条件下 好氧微生物在分解水中有机物的生物化学氧化过程中所消耗的溶解氧量 1 五天培养法 1 方法原理水样经稀释后 在 20 1 条件下培养5天 求出培养前后水样中溶解氧含量 二者的差值为BOD5 如果水样五日生化需氧量未超过7mg L 则不必进行稀释 可直接测定 很多较清洁的河水就属于这一类水 2 测定结果计算a 对不经稀释直接培养的水样 BOD5 mg L D1 D2式中D1 水样在培养前溶解氧浓度 D2 水样培养后剩余溶解氧浓度 b 对稀释后培养的水样 BOD5 mg L D1 D2 B1 B2 f1 f2其中 f1 V1 V1 V2 f2 V2 V1 V2 式中 B1 B2 稀释水在培养前后的溶解氧浓度 mg L V1 V2 分别为稀释水和水样的体积 mL f1 f2 分别为稀释水和水样在培养液中所占比例 总有机碳 TOC 的测定 总有机碳是以碳的含量表示水体中有机物质总量的综合指标 由于TOC的测定采用燃烧法 因此 能将有机物全部氧化 它比BOD或COD更能反映有机物的总量 测定原理是 将一定量水样注入高温炉内的石英管 在900 950 温度下 以铂和三氧化钴或三氧化二铬为催化剂 使有机物燃烧裂解转化为二氧化碳 然后用红外线气体分析仪测定CO2含量 从而确定水样中碳的含量 因为在高温下 水样中的碳酸盐也分解产生二氧化碳 故上面测得的为水样中的总碳 TC 两种方法 1 一是将水样预先酸化 通入氮气曝气 驱除各种碳酸盐分解生成的二氧化碳后再注入仪器测定 2 另一种方法是使用高温炉和低温炉皆有的TOC测定仪 将同一等量水样分别注入高温炉 900 和低温炉 150 则水样中的有机碳和无机碳均转化为CO2 而低温炉的石英管中装有磷酸浸渍的玻璃棉 使无机碳酸盐在150 分解为CO2 有机物却不能被分解氧化 将高 低温炉中生成的CO2依次导入非色散红外气体分析仪 分别测得总碳 TC 和无机碳 IC 二者之差即为总有机碳 TOC 总需氧量 TOD 的测定 总需氧量是指水中能被氧化的物质 主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧化物时所需要的氧量 结果以O2的mg L表示 用TOD测定仪测定TOD的原理是将一定量水样注入装有铂催化剂的石英燃烧管 通入含已知氧浓度的载气 氮气 作为原料气 则水样中的还原性物质在900 下被瞬间燃烧氧化 测定燃烧前后原料气中氧浓度的减少量 便可求得水样的总需氧量值 五 水质标准 1 生活饮用水水质标准GB5749 85生活饮用水标准制定原则主要体现以下三个方面 感官性状和化学组成对人体无害 即要求水中某些物质浓度对人体健康不应产生毒害或不良影响 在毒理学 心理学上都应有益无害 对人体的感官无不良刺激 卫生上安全可靠 饮用水中不应含有各种病原微生物和寄生虫卵 以防止水生传染病的传播 使用时不致造成其他影响 2 地表水环境质量标准GB3838 2002水域功能分类 该标准依据地面水水域使用目的和保护目标将其划分为5类 I类 源头水 国家自然保护区 II类 集中式生活饮用水地表水源地一级保护区 珍贵鱼类保护区 鱼虾产卵区 仔稚幼鱼的索饵区 III类 集中式生活饮用水地表水源地二级保护区 鱼虾类越冬场 洄游通道 水产养殖区 IV类 一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区 V类 农业用水区及一般景观要求水域 3 污水综合排放标准GB8978 1996该标准是对GB8978 88 污水综合排放标准 的修订 修订的内容主要是提出年限制标准 用年限制代替原标准 它把污染物分为两大类 第一类污染物是指能在环境或动植物体内积蓄 对人类健康产生长远的不良影响 规定的取样口一律在车间或者车间处理设施的排放口 有13种 只有一个标准 第二类物质的长远影响小于第一类 规定的取样地点是排污单位的排出口 其最高允许排放浓度要按地面水使用功能的要求和污水排放去向 分别执行一 二 三级标准 其他标准 污水排入城市下水道水质标准GJ18 86 农田灌溉水质标准GB5084 92 渔业水质标准GB11607 1989 城市污水处理厂污水污泥排放标准GJ3025 93 生活杂用水水质标准GJ25 1 89 城市污水再生后回用作生活杂用水 第二节水污染 一 水体自净及水体污染二 主要水污染物三 水体污染的特征 一 水体自净及水体污染 1 水体的两种含义一是指以相对稳定的陆地为边界的天然水域 包括有一定流速的沟渠 河流和相对静止的塘堰 湖泊 沼泽 水库 地下水 海洋在环境学领域中 把水体当作包括水中的悬浮物 溶解物质 底泥相 水生生物等完整单元的生态系统或完整的综合自然体 二 水体污染源是指造成水体污染的污染物的发生源 通常是指向水体排入污染物或对水体产生有害影响的场所 设备和装置 2水体污染 一 水体污染定义 排入水体的污染物在数量上超过了该物质在水体的本底含量和环境容量 而导致其物理 化学 生物或者放射性等方面特性的改变 从而影响水的有效利用 危害人体健康或破坏生态环境 造成水质恶化的现象 污染源的类型 按污染物的产生的原因可分为天然污染源和人为污染源 按污染物产生的类型分工业污染源 生活污染源和农业污染源 按排放污染物空间分布方式 可分为点源和非点源 面源 点源是指以点状形式排放而使水体造成污染的发生源 非点源也称面源 是以面积形式分布和排放污染物而造成水体污染的发生源 污染源的特点工业污染源 悬浮物质含量高 可达30000mg l左右需氧量高 有机物一般难于降解 对微生物有毒害作用COD可达400 10000mg l BOD可达200 5000mg lpH值变化大 pH在2 13之间温度高 排入水体可造成热污染易燃 含低沸点的挥发性液体 易酿成水面火灾含多种多样有毒有害成分 酚 氰 农药 多环芳烃 重金属和放射性物质等 农业污染源 污水面广 分散 难收集 难治理 有机质 植物营养素 病原微生物 悬浮物及杂质含量高 含较高的化肥 农药 生活污染源 含有大量合成洗涤剂 水质成分有日变化规律 含N P S 纤维素 淀粉 糖类 脂肪和蛋白质等 在厌气细菌作用下易产生恶臭 含有多种微生物 三 水体污染物化学污染物 无机无毒物质 颗粒物 矿渣 粉尘 酸碱盐类物质 氮磷等营养物质1酸碱盐类 1 酸碱的来源酸性废水主要来自三个方面 矿山排水是酸性废水主要来源之一 矿山排出水中的酸是由硫化矿物的氧化作用产生的 反应式 4FeS2 15O2 14H2O 8H2SO4 4Fe OH 3 冶金和金属加工酸洗废水 雨水淋洗含SO2烟气后形成酸雨 流入水体 其他如化肥 农药 酸法造纸等工业废水 碱性废水主要来自碱法造纸 人造纤维 制碱 制等工业废水 2 酸 碱污染的危害 酸 碱污染水体pH值发生变化 破坏其自然缓冲作用 消灭或抑制细菌及微生物的生长 妨碍水体自净 还可腐蚀船舶 酸 碱污染物不仅能改变水体的PH值 而且可以大大增加水中的一般无机盐类 水中无机盐类的存在能增加水的渗透压 对淡水生物和植物生长有不良影响 酸 碱 盐造成水的硬度增加 在某些地区非常显著 对地下水的影响尤为显著 植物营养物所谓植物营养物主要是指N P K S及其化合物 1 水体中植物营养物质的来源第一 也是主要方面 来自化肥 施入农田的化肥只有一部分为农作物所吸收 未被吸收的则被农田排水和地表径流携带至地下水与地表水中 第二 来自生活污水的粪便 N的主要来源 和含P洗涤剂 第三 由于雨 雪对大气的淋洗和对磷灰石 硝石 鸟粪层的冲刷 使一定量的植物营养物质汇入水体 2 植物营养物质的危害 水体富营养化水体富营养化 水体中植物营养物质含量的增加 将导致水生生物 主要是各种藻类大量繁殖 藻类过度旺盛的生长繁殖将造成水体溶解氧急剧变化 使水体处于严重缺氧 而造成鱼类大量死亡 这种现象称为水体富营养化一般来说 水体中P超过20mg m3 或无机氮超过300mg m3 即可认为水体处于富营养化状态 可见 对发生富营养化作用来说 P的作用大于N 藻类属于低等浮游水生生物 原生质的组分为C106H263O110N16P 除了C H O元素之外 藻类生长需求最多的营养元素是N和P 其形成可用下式表示 水体中少量的NO 3 7 2克 和磷 HPO2 4 就能产生大量的藻类 115克 3 水体富营养化的特征和主要危害特征 浮游生物大量繁殖 水中溶解氧含量降低 水体中藻类的种类减少 个体迅速增加 因占优势的浮游藻类颜色不同 水面往往呈现蓝 红 棕 乳白等颜色 海水中出现叫 赤潮 淡水中称 水华 危害 藻类大量繁殖 耗去水中溶解氧 造成水中鱼类窒息而无法生存 水产资源遭破坏 水中含氮化合物的增加 对人畜健康带来很大危害 硝酸盐超过一定量时有毒性 亚硝酸盐又能在人体内与仲胺合成亚硝胺 可使人得癌症 生畸胎并影响遗传 赤潮 是水体中某些微小的浮游植物 原生动物或细菌 在一定的环境条件下突发性地增殖和聚集 引起一定范围内一段时间中水体变色现象 通常水体颜色因赤潮生物的数量 种类而呈红 黄 绿和褐色等 水华 waterblooms 是淡水中的一种生态现象 是由藻类引起的 如蓝藻 严格意义上应称为蓝细菌 绿藻 硅藻等 也就是水的富营养化 水华 发生时 水一股呈蓝色或绿色 4 富营养化的防治富营养化的防治的困难表现在 污染源的复杂性 导致水体富营养化的N P来源既有天然源 又有人为源 既有外源性污染源又有内源性污染源 营养物质去除的高难度 富营养化的主要治理技术措施 工程性措施 挖掘底泥沉积物 深层曝气 注水冲稀 化学方法 凝聚沉降方法 用杀藻剂杀死藻类 生物性措施 利用水生生物吸收 投放鲢鱼以控制蓝绿藻的生长 无机有毒物质 氰氟硫的化合物 Hg Cd Cr Pb As等 1氰化物污染水体中氰化物主要来自化学 电镀 煤气 炼焦等工业排放的含氰废水 氰化物是剧毒物质 对一般人来说 只需0 1g左右NaCN或KCN就可致死 对敏感的人仅需0 06g 我国饮用水标准规定 氰化物含量不得超过0 05mg l 水体对氰化物有较强的净化能力 天然水体中净化过程 主要有二个途径 1 挥发去除 CN CO2 H2O HCN HCO3 这一过程的净化量可以占到水体对氰化物自净的90 左右 2 氧化分解2CN O2 2CNO CNO 2H2O NH4 CO32 在一般天然水条件下 微生物氧化过程所造成氰化物的自净量只占水体对氰化物总自净量的10 左右 在夏季 微生物氧化过程的自净量可以达到30 左右 重金属污染在环境污染方面所说的重金属实际上主要是指汞 镉 铅 铬以及类金属砷等生物毒性显著的 也指具有一定毒性的一般金属如Zn Cu Co Ni Sn等 目前最引人注意的是Hg Cd Cr Pb As等 也有人称之为 五毒 重金属污染物的最主要的特征是 在水体中不能被微生物所降解 而只能发生各种形态间的相互转化 以及分散和富集的过程 这些过程称为金属迁移 重金属污染物的危害最主要的是生物毒性 重金属污染的特点 在天然水体中 只要微量浓度即可产生毒性效应 一般重金属产生毒性的范围大致在1 10mg l 毒性较强的金属如Hg Cd产生毒性的浓度范围在0 01 0 001mg l 通过食物链的生物放大作用 重金属可以在较高级生物体内成千成万倍地富集 然后通过食物进入人体 在人体某些器官中积累造成慢性中毒 水体中的某些重金属可在微生物的作用下 转化为毒性更强的金属化合物 如甲基化 甲基汞 有机无毒物质 需氧有机物 蛋白质 氨基酸 糖类 脂肪等特点 无毒 在水体中可为微生物分解为简单的无机物 并在生物氧化过程中消耗水中的溶解氧 危害 过多进入水体会导致溶解氧严重不足或耗尽 从而恶化水质 影响和危害水中生物的生存 常用指标 化学需氧量 COD 生化需氧量 BOD 总有机碳 TOC 有机有毒物质 易分解 酚 苯 醛 有机磷 难分解 有机氯 多环芳烃 多氯联苯 致臭物 致色物等1酚类化合物 1 水体中酚的来源 2 酚类化合物在地表水体分解净化过程 酚的生物化学氧化 酚的化学氧化 酚的挥发作用 底泥在水体酚自净过程中的作用 3 酚污染的危害酚属于有机有毒类污染物 可使蛋白质凝固 主要作用于神经系统 酚的毒性可大大抑制水微生物的自然生长速度 有时甚至使其停止生长 水体遭受酚污染后严重影响水产品产量和质量 生物污染物 细菌 病毒 原生动物 原生蠕虫主要来源于生活污水 医院污水 家禽饲养场和屠宰 制革工业废水 水体受病原微生物污染后会传播各种各样的疾病如痢疾 肝炎 伤寒 霍乱 血吸虫等 治理这类污染物主要采用沉淀 过滤 消毒 妥善处理污泥 尽量不使这类这类污水与人体直接接触 放射性物质 天然放射性物质地壳中的铀 235U 钍 232Th 钾 40K 碳 14C 和氚 3H 等 总辐射水平低 人类能适应 人工放射性物质主要来源于原子能工业和反应堆设施的废水 核武器制造和核武器的污染 放射性同位素应用产生的废水 天然铀矿开采和选矿 精炼厂的废水等 对人体有重要影响的放射性物质有90Sr 137Cs 131I等 受辐照剂量大时 短期表现为头晕 头痛 食欲不振 睡眠障碍等 若超剂量在体内长期残留 则可出现肿瘤 白血病和遗传障碍 热污染天然水体接受 热流出物 而使水温升高的现象叫热污染 火力发电厂 核电站的冷却水 炼钢 炼油产生的冷却水是主要来源 废热污染 可能产生的影响包括 1 造成水体温度升高 使水中溶解氧减少 2 影响生产者的物种组成 因而影响整个食物链 3 刺激水中有害物质的反应活性 增强有毒物质 重金属等的生物毒性 4 使鱼类抗病能力下降 变得极易感病 四 水污染的影响与危害1 水的危机 1 水资源告急我国可利用的淡水资源量年均1 1万亿m3 但由于工业废水 生活污水等对水体的污染 至少还要损失3000亿m3 剩下的淡水仅为人均600m3 因此 许多地方出现了用水告急 城市平均日缺水量达1600万m3 据统计 1984年我国缺水约770亿m3 全国688个城市就有400个供水紧张 2 资源性缺水与水质性缺水 资源性缺水 来源于人口众多 工农业用水量的增加 导致 河流上下游争水 湖泊过渡围垦 水质性缺水水环境日趋恶化也是缺水的主要原因之一 2 对工业的影响 水质量下降 引起工业生产的产品质量下降 缺水造成工业的停产 破坏工业设施 影响生产 3 对农业的影响全国农业用水量4195亿m3 占全国用水总量的88 而灌溉农用水又占农业用水总量的95 对农业的影响主要是污灌 污灌有利也有弊 弊为污水进入农田后 一部分被植物吸收 大部分累积于土壤 当有毒受害物质达到一定浓度时 农作物出现有害症状 主要症状为 粮食减产 出现 镉米 铅米 砷米 4 对水产资源的影响 鱼类大幅度减产 捕捞量下降 急性死鱼事件时有发生 鱼质量下降 畸形变异 异味等 降低食用价值 5 对人体健康的危害以水为媒介的疾病 传染病 伤寒 痢疾 阿米巴 甲型和乙型肝炎等 受化学污染引起的病 克山病 大骨节病 地甲病等 此外还有一些重金属 有毒化学品污染 我国主要的水媒疾病 肝吸虫病 姜片虫病 蚊媒传染的疾病等 我国人口中约有60 的人在饮用不符合卫生标准的水 3水体的自净 3 1水体自净的概念水体自净 是指受污染的水体在物理 化学和生物等作用下水中污染物浓度自然降低的过程 水体自净过程和机制可包括三个方面 1 物理自净过程 是指污染物进入水体后 只改变其物理形状 空间位置 而不改变其化学性质 不参与生物作用 2 化学自净过程 是指污染物在水体中以简单或复杂的离子或分子状态迁移 并发生了化学性质或形态 价态上的转化 使水质亦发生了化学性质的变化 但未参与生物作用 3 生物自净过程 是指水体中的污染物经生物吸收 降解作用使污染物消失或浓度降低的过程 3 2水体有机污染物的生物降解 有机污染物的降解过程 化学氧化 光化学氧化和生物化学氧化生物化学氧化的途径 好气分解好气性微生物在有氧的条件下利用水中的溶解氧使有机物发生分解的过程 厌气分解厌气性细菌在无氧条件下利用有机物分子内的氧使有机物发生分解的过程 1 碳水化合物的降解 微生物首先在细胞膜外通过水解使碳水化合物从多糖转化为二糖后 才能透入细胞膜内 在细胞外部或内部 二糖再水解而成为单糖 单糖首先转化为丙酮酸 这即所谓糖解过程 碳水化合物的降解 C6H10O5 n n 2H2O n 2 C12H22O11 C12H22O11 H2O 2C6H12O6 葡萄糖等单糖 无论在有氧条件还是无氧条件下 单糖都首先转化为丙酮酸 CH3COCOOH在有氧条件下 CH3COCOOH O2 CO2 H2O在无氧条件下 CH3COCOOH 酸 醇 酮 该过程称为发酵 2 脂肪和油类的降解 这类物质较碳水化合物难降解 降解时也首先在细胞外发生水解 生成甘油和相应的各种脂肪酸 甘油进一步降解为丙酮酸 在有氧条件下完全氧化生成水和二氧化碳 在无氧条件下发酵生成各种有机酸 脂肪酸的降解是先生成醋酸 有氧条件则继续完全氧化 无氧条件下亦发酵生成各种有机酸 3 含氮有机物的降解含氮有机物除C H O外 还含有N S P等元素 其生物降解难于不含氮的有机物 其产物污染较重 蛋白质降解的过程亦先水解生成氨基酸 然后再分解成各种有机酸和氨 NHRCHCONHR CHCO n H2O nNH2RCHCOOH nNH2R CHCOOHa 有氧脱氨 b 有氧脱碳 脱氨 c 水解脱氨d 水解脱氨 脱羧 e 无氧时加氢还原脱氨 氨基酸分解生成的有机酸同前面一样 在有氧条件下 氧化为CO2和H2O 无氧条件下进行发酵生成酸 醇 酮 而脱氨基生成的NH3在有氧时在消化细菌的作用下 再进一步分解为亚硝酸盐 硝酸盐 给水体带来新的污染 如富营养化问题 2NH3 3O2 2HNO2 2H2O2HNO2 O2 2NHO3在甲烷细菌作用下进行 2CH3CH2OH CO2 2CH3COOH CH42CH3 CH2 2COOH CO2 2H2O 4CH3COOH CH4CH3COOH CO2 CH4产生的甲烷 如环境转变为有氧条件下 仍可发生氧化降解 最终生成CO2和H2O 碳水化合物 脂肪 蛋白质在降解后期都生成低级有机酸类 在无氧条件下进行酸性发酵 这时最终产物未能完全氧化而停留在酸 醇 酮等化合物状态 此时若pH值过低 可使细菌中断生命活动 而使生物降解不能进行 若条件适宜 可进一步发生甲烷发酵 最终生成甲烷 耗氧有机物在有氧条件下的分解可以分为两个阶段 1 碳化阶段 第一阶段BOD 10 14天 2 氮化阶段 又称硝化阶段 第二阶段BOD 有机物降解与水体氧平衡 河流的耗氧作用 耗氧有机物降解耗氧 水生生物呼吸 底泥厌气分解产生的有机酸和还原型气体释放到水中以及废水中还原性物质等引起水体耗氧 河流的复氧作用 大气复氧 水生植物 藻类 的光合作用产氧 氧垂曲线反映了废水排入河流后溶解氧的变化情况 表示出河流的自净过程以及最缺氧点距离受污点的位置和溶解氧的含量 故可作为控制河流污染的基本数据和制定治污方案的依据 4我国水体污染状况 2006年 全国地表水总体水质属中度污染 在国家环境监测网745个地表水监测断面中I III IV V类 劣V类水质的断面比例分别为40 32 和28 主要污染物为高锰酸盐指数 氨氮和石油类 七大水系水质在408个监测断面中I III IV V类 劣V类水质的断面比例分别为46 28 和26 珠江 长江水质良好 松花江 黄河 淮河为中度污染 辽河海河为重度污染 主要污染物为高锰酸盐指数 石油类和氨氮 湖泊 水库水质2006年 26个国控重点湖 库 中 满足II类水质的2个 7 III类水质的6个 22 IV类水质的1个 4 V类水质的5个 19 劣V类水质的13个 48 巢湖水质为V类 太湖和滇池为劣V类 主要污染指标为总氮和总磷 地下水水质2006年163个城市地下水监测结果显示主要监测点以良好 较差为主 废水和主要污染物排放量2006年全国废水排放总量为537亿吨 比上年增长2 4 COD排放量1428 2万吨 比上年增长1 0 海水水质2006年全国近岸大部分海域水质良好 局部海域污染严重 远海海域水质良好 四大海区中南海 黄海近海海域水质良好 渤海近海海域水质为轻度污染 东海近海海域水质为中度污染 赤潮2006年中国海域发生赤潮93次 较上年增加13 累计面积19840平方公里 较上年约减少27 引发赤潮的生物种类主要为具有毒害作用的米氏凯伦藻 棕囊藻和无毒性的中肋骨条藻 具齿原甲藻 夜光藻等 思考题 1 什么叫水体污染 2 生活污水及工业废水各有何特点 3 简述水体中主要污染物及其危害 4 反应有机物总量的的综合指标有哪些 比较它们的区别 5 什么是水体自净作用 其机理有几种 各是什么 6 简述需氧有机物的生物降解过程 7 简述水体富营养化及其危害 第四节水环境污染的控制与管理 一 水环境污染防治对策减少耗水量企业通过技术改造采用先进工艺 制定各行业用水定额 压缩单位产品用水量 一水多用 提高水的重复利用率 研究实现废水资源化 尽可能使污染物消失在生产工艺过程中 以达到最大限度削减排污量的目的 建立城市污水处理系统实现城市污水的集中治理 使城市污水处理与工业废水治理结合起来调整工业布局充分利用水体自净作用加强水资源的规划管理查清水资源总量 二 废水处理方法 水质净化与水污染控制工程的主要任务是研究控制水污染 保护和改善水环境质量 合理利用水资源以及提供不同用途和要求的用水等的工艺技术和工程措施 主要内容应包括 水体污染和自净规律 城市污水与工业废水的处理和利用 生活饮用水和工业给水处理 城市 区域或水系的水污染综合防治等 将污染物分离出来转化为无害稳定物质 防止毒害与病菌的传染 废水处理程度确定以后 就应选择适当的处理方法 可分为 物理法 化学法和生物法等 物理法 利用物理作用来分离废水中呈悬浮状态的污染物质 在处理过程中不改变其化学性质 如沉淀 气浮 过滤等 化学法 利用化学反应的作用来处理水中的溶解性污染物质或胶体物质 如 中和法 氧化还原法 混凝法 电解法等 生物法 利用微生物的作用 使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物转化为无害的物质 根据微生物的类别 可分为好氧生物处理和厌氧生物处理 废水处理的基本方法 按照不同的处理程度 废水处理系统可分为一级处理 二级处理 三级处理等 一级处理 去除废水中较大的悬浮物质 物理法中的大部分方法是用于一级处理的 一级处理有时也称为机械处理或预处理 二级处理 主要任务是去除废水中呈溶解和胶体状态的有机物质 生物处理法是最常用的二级处理方法 因此二级处理也称为生物处理或生物化学处理 通过二级处理 一般废水均能达到排放要求 三级处理 也称为高级处理或深度处理 当出水水质要求很高时 为了进一步去除废水中的营养物质 氮和磷 生物难降解的有机物质和溶解盐类等 以便达到某些水体要求的水质标准或直接回用于工业 一 物理法 主要是利用物理作用来分离废水中呈悬浮状态的污染物质 在处理过程中不改变其化学性质 沉淀法过滤法离心分离法气浮蒸发 结晶与冷冻反渗透法 1 沉淀法 水中悬浮颗粒依靠重力作用 从水中分离出来的过程称为沉淀 颗粒相对密度大于1时表现为下沉 小于1时表现为上浮 沉淀过程简单易行 分离效果又比较好 是水处理的重要过程之一 应用非常广泛 几乎是水处理系统中不可缺少的一种单元过程 2 过滤法 过滤法是用过滤介质截留废水中的悬浮物 过滤介质有钢条 筛网 砂 布 塑料 微孔管等 过滤设备有栅 筛微滤机 砂滤池 真空过滤机 压滤机 后两种多用于污泥脱水 等 3 离心分离法 含悬浮颗粒 或乳化油 的水在高速旋转时 由于颗粒和水分子的质量不同 因此受到的离心力大小也不同 质量比较大的颗粒被甩到外围 质量小的油粒则留在内层 如果适当安排颗粒 油粒 和水的不同出口 就可使颗粒物质与水分离 水质得以净化 用这种