环境管理_水体环境概述

第三章水体环境 2 主要内容 第一节水体环境概述第二节污染物在水体中的扩散第三节污染物在水体中的转化第四节水环境污染控制及管理补充 海洋油污染 3 第一节水体环境概述 天然水在环境中的循环天然水的水质水体的概念和水体污染水体污染源和污染物 4 第一节水体环境概述 一 天然水在环境中的循环 1 水循环的环境意义 5 3 水资源的特性 与其它自然资源相比 A资源的循环性 B储量的有限性 C分布的不均衡性 E利害的两重性 图 D利用的多用性 2 水资源 waterresources 的定义 水资源 是指地球表层中可供人类利用并逐年得到更新的那部分水量 水资源 可以利用或有可能被利用的水源 具有足够的数量和可用的质量 并能在某一点为满足某种用途而可用 水资源评价活动 国家评价手册 6 4 地球上局部存在水荒的原因 B城市 工业区高度集中 耗水量大 C水污染严重 水质型缺水 突出 图A 图B 二 天然水的水质 1 天然水化学成份的形成 3 各种类型的天然水质 2 天然水的化学组成 4 天然水体的自净作用 A淡水在地球上的分布极不平衡 A物理净化B化学及物理化学净化C生物化学净化 7 三 水体的概念和水体污染 2 水体分类 3 水体与水质的区别 按区域分 某一具体的被水覆盖的地段 水质 waterquality 指水相的质量 1 水体 指以相对稳定的陆地为边界的天然水域 水体 waterbodies 在环境学中是一体系 不仅包括水 也包括水中的悬浮物 溶解物 水生生物和底泥 即为液相和固相的混合体 8 4 水体污染 Pollutionofwaterbodies 是指排入水体的污染物含量超过了水体的自净能力 导致水体的物理 化学和生物特征发生不良变化 从而影响水的有效利用 危害人体健康 破坏生态环境 造成水质恶化的现象 图 5 水体污染的特征 1 地表水污染特征 河流污染 图 A污染程度随径流量变化 B污染扩散快 C污染影响大 湖泊污染 图 A污染来源广 途径多 种类复杂 B污染稀释和搬运能力弱 C生物降解和累积能力强 9 2 地下水污染特征 图 A污染来源广泛 图 B污染难于治理 C污染危害严重 图 3 海洋污染特征 图 A污染源多而复杂 B污染持续性强 C污染扩散范围大 10 四 水体污染源和污染物 1 水体污染源 根据不同的方法有不同的分类 11 工业废水 Industrialwastewater A来源 工业企业在生产过程中排出的废水 表 B特点 量大 面广 成份复杂 毒性大 不易净化 难处理 C污染效应 耗氧 有毒 12 生活污水 Domesticwastewater A来源 生活中各种洗涤水 B特点 主要是城市生活污水 杂质很多 以N P S为主 一般呈弱碱性 PH值约7 2 7 8 C污染效应 引起水体富营养化 农业退水 Agriculturalwastewater A来源 牲畜粪便 农药 化肥 B特点 农药 化肥 有机质含量高 C污染效应 水体富营养化 农药污染 13 2 主要污染物 按释放的污染种类可分为物理 化学 生物等几方面 表 物理类 1 颜色 可以说明水中污染物的含量 纺织 印染 染料 造纸等废水排入水体后 可使水色变得极为复杂 2 浊度 由胶体或细小的悬浮物引起 生活污水中铁和锰的氢氧化物引起的浊度十分有害 3 温度 因工业废水的排放引起天然水体温度上升 严重的可形成热污染 thermalpollution 4 悬浮固体 指水体中胶体或细小的悬浮固体 可降低水体的透明度和藻类的光合作用 限制水生生物的正常运动 减缓水底活性 导致水体底部缺氧 使水体同化能力降低 14 化学类 1 无机无毒物质 A酸 碱及一般无机盐类 B氮 磷等植物营养物质 来源 生活污水 工业废水 施用磷肥 氮肥的农田排水 危害 引起水体富营养化 来源 酸来自矿山排水 工业废水及酸雨 碱来自碱法造纸 制碱 制革及炼油等工业废水 酸碱废水相互中和并与地表物质反应会产生各种无机盐类污染 危害 水体PH值发生变化 增加水中无机盐类的浓度和水的硬度 15 2 无机有毒物质 A重金属毒性物质 汞 镉 铅 铬 铜 砷 B非重金属的无机毒性物质 氰化物 氟化物 来源 化石燃料的燃烧 采矿和冶炼 来源 氰化物 电镀废水 焦炉和高炉的煤气洗涤水 含氰废水 金银选矿废水 氟化物 电镀加工含氟废水和含氟废气洗涤水 危害 使各种酶失去活性 不能被微生物降解 易富集 危害 氰化物可抑制细胞呼吸 氟化物可引起氟斑牙 氟骨症 损害肾脏等 16 3 有机无毒物 需氧有机物 碳水化合物 蛋白质 脂肪等 来源 生活污水 食品加工和造纸等工业废水 耗氧有机物 有机物的共同特点是 直接进入水体后 通过微生物的生物化学作用而分解为简单的无机物质二氧化碳和水 在分解过程中需要消耗水中的溶解氧 在缺氧条件下就发生腐败分解 恶化水质 故称其为 常用的有机物污染指标 危害 耗氧 使水质恶化 A化学耗氧量 COD ChemicalOxygenDemand COD 又称化学需氧量 指在规定条件下 使水样中能被氧化的物质氧化所需耗用氧化剂 酸性重铬酸钾 的量 以每升水消耗氧的毫克数表示 17 COD和高锰酸盐指数的区别 二者均为常用的描述废水中化学耗氧量的指标 其中 以高锰酸钾溶液为氧化剂测得的化学耗氧量 新环境水质标准称为高锰酸盐指数CODMn 而仅将酸性重铬酸钾法测得的值称为COD 通常记为CODCr B生化需氧量 BOD BiochemicalOxygenDemand 目前国内外都以5天作为测定BOD的标准时间 简称5日生化需氧量 记作BOD5 BOD5约等于BOD20的70 BOD 指在好气条件下 微生物分解水体中有机物质的生物化学过程中所需溶解氧的量 微生物降解有机物通常分为两个阶段 碳化阶段 有机物被转化为无机物CO2 H2O和NH3等 硝化阶段 NH3进一步被转化为HNO2和HNO3 18 C总有机碳量 TOC TotalOrganicCarbon D总需氧量 TOD TotalOxygenDemand TOC 水中溶解性和悬浮性有机物中存在的全部碳量 是评价水体需氧有机物的一个综合指标 其测定结果以C含量表示 单位为mg L TOD 水中的有机物完全被氧化时的需氧量 4 有机有毒物质 酚类 农药 PAH PCB 洗涤剂 石油等 来源 石油化学工业的合成生产过程及其产品的使用过程中排放的污水 危害 比较稳定 不易被微生物分解 都有害于人类健康 但危害程度和作用方式不同 危害最大的有两类 有机氯化合物和多环有机化合物 19 生物类 细菌 病毒 原生动物 寄生蠕虫等 来源 城市生活污水 医院污水或污水处理厂排水 危害 通过多种途径进入人体 并在体内生存 一旦条件适合 就会引起人体疾病 放射性类 来源 核武器试验 原子能工业排放或泄漏 危害 主要通过 等射线损害人体组织 并可在人体内蓄积 促成贫血 白血球增生 恶性肿瘤等病症 严重的可导致生命危险 20 第二节污染物在水体中的扩散 一 污染物在水体中的运动特征 1 推流迁移 指污染物在水流作用下产生的迁移作用 此过程中污染物质总量不变 浓度也不变 2 分散作用 包含分子扩散 湍流扩散和弥散三个方面 此过程中污染物质总量不变 但浓度减小 3 污染物的衰减和转化 此过程中污染物质总量与浓度均发生变化 进入水环境中的污染物可以分为两大类 保守物质和非保守物质 21 二 河流水体中污染物扩散的稳态解 P78 稳态 污染物在水体某一空间位置的浓度不随时间变化的状态 条件 河流水体处于稳定流动状态 污染源连续稳定排放 22 三 河流水质模型 WaterQualityModel 水质模型 描述不同水体水质变化规律的数学模型 意义 预测 预报水体的污染趋向 研究水体污染的特征及水体环境的自净能力 两种类型 简单的一级衰变模型 如BOD的衰变 衰变和恢复相结合的水质模型 如DO在水体中的平衡过程 S P模型 描述一维稳态河流中的BOD DO的变化规律 基本假设 河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应 反应速度是定常的 河流中的耗氧是由BOD衰减引起的 而河流中的溶解氧来源则是大气复氧 23 S P模型是关于BOD和DO的耦和模型 可以写作 式中 L 河水中BOD值 D 河水中的氧亏值 Kd 河水中BOD衰减 耗氧 速度常数 Ka 河水中复氧速度常数 t 河段内河水的流行时间 上式的解析解为 式中 L0 河流起始点的BOD值 D0 河流起始点的氧亏值 该式表示河流水中的氧亏变化规律 如果以河流的溶解氧来表示 则 24 式中 O 河水中的溶解氧值 Os 饱和溶解氧值 该式称为S P氧垂公式 根据该式可绘制溶解氧沿程变化曲线即氧垂曲线 临界氧亏点 DC 溶解氧浓度最低的点 式中 Dc 临界氧亏值 tc 由起始点到达临界点的流行时间 25 第三节污染物在水体中的转化 一 水体中耗氧有机物降解 1 有机物生物化学分解 代表性有机物 碳水化合物 脂肪和油类 蛋白质 1 碳水化合物 2 耗氧有机物的生物降解 基本反应包括 水解反应 指复杂的有机物分子与水电离出的H 或OH 结合生成较简单化合物的反应 氧化反应 包括脱氢作用和脱羧作用两类 26 2 脂肪和油类 3 蛋白质 27 需氧有机物降解的共同规律是 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 降解的后期产物都是生成各种有机酸 在有氧条件下 可以继续分解 其最终产物是CO2 H2O及NO3 等 在缺氧条件下则进行反硝化 酸性发酵等过程 其最终产物除CO2 H2O外 还有NH3 有机酸 醇等 2 耗氧有机物降解与溶解氧的平衡 在污染河流中耗氧作用和复氧作用影响着水中溶解氧的含量 耗氧作用 指有机物分解和有机体呼吸时耗氧 使水中溶解氧降低 复氧作用 也称再曝气作用 指空气中的氧溶于水和水生植物的光合作用放出氧 使水中溶解氧增加 28 被生活污水污染的河流中BOD和DO相互关系模式图 说明 受到有机物污染的水体 其DO含量变化过程由有机污染物的降解过程所控制 29 30 3 耗氧有机物对水体的危害 导致水体缺氧 局部水域水质恶化 含氮有机物可能导致水体富营养化 主要是对渔业水产资源的破坏 31 二 水体富营养化过程 1 水体富营养化概述 1 定义 2 类型 天然富营养化 湖泊的自然消亡 历时漫长 人为富营养化 时间短 营养物质主要来自城市 营养化 Eutropbication 是一种氮 磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象 水体富营养化 由于水体中氮 磷等营养物质的富集 引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖 水体溶解氧量下降 使鱼类或其他生物大量死亡 水质恶化的现象 图 表3 8 河流 水华 海洋 赤潮 32 33 2 植物营养物氮 磷在水体中的转化 1 含氮化合物在水体中的转化 完全循环 2 含磷化合物在水体中的转化 底质循环 动态的稳定体系 3 氮 磷污染与水体富营养化P92 有机氮转化 氨化过程 硝化过程 反硝化过程 缺氧 多以难溶沉积物的形式沉积于底泥中 斯塔姆 Stumm 得出 水体富营养化的形成 主要取决于水体中磷的供应量 水体氮 磷浓度的比值与藻类增殖有着密切的关系 34 4 水体富营养化状态判断标准 5 水体富营养化营养物质负荷模型 沃伦威德尔模型 湖水营养物质浓度 沃伦威德尔总氮 总磷负荷量标准 藻类所含叶绿素 的量 湖水透明度 溶解氧 N P富集 藻类繁生 P R状态的水体将依次出现 藻类占据的空间越来越大 水体中耗氧量大大增加 藻类过度生长繁殖 大量死亡的藻类沉积于塘底 使厌氧细菌大量繁殖 在底层建立起R P的腐化污染状态 并逐步向表层发展 藻类种类逐渐减少 并由以硅藻和绿藻为主转为以蓝藻为主 蓝藻中不少种类有胶质膜 且有毒性 35 6 水体富营养化的危害 7 水体富营养化的控制 1 控制磷的流入量 1 使水质有毒性 2 使鱼类死亡 原因有三 2 石灰处理 3 疏浚底泥 去除水草和藻类 4 引入低营养水稀释或人工曝气 A藻类大量繁殖 占据大量空间 鱼类生活空间缩小 B蓝藻有胶质膜 且有些蓝藻有毒 影响鱼类生存 C水体严重缺氧 鱼类呼吸障碍 36 三 重金属在水体中的迁移转化 1 重金属元素在水环境中的污染特征 1 重金属的定义 2 重金属的污染特征 一般认为比重大于4或5的金属为重金属 分布广泛 虽含量低 污染危害明显 是有色金属 被广泛使用 污染源多 大多是过渡元素 价态变化较多 毒性效应明显 在水环境中的迁移转化 扩大了污染范围 对生物体和人体的毒性效应显著 37 对生物体和人体的毒性效应显著 A毒性大 C生物不能降解 却可在生物体内转化为毒性更强的有机化合物 B生物的食物链富集可使重金属达到相当高的浓度 D通过多种途径进入人体 在某些器官中不断蓄积造成金属中毒 甚至死亡 图重金属在人体内的富集器官 38 2 重金属在水体中的迁移转化 1 沉淀 溶解作用 A溶解度大者迁移能力大 有利于水体的自净 B重金属沉淀物通常大量沉积于排污口附近的底泥里 易形成二次污染 C沉淀作用限制了重金属的扩散速度和范围 2 氧化 还原作用 可使重金属在不同条件的水体中以不同的价态存在 而价态不同 其活性与毒性也不同 39 4 吸附作用 胶体的吸附作用可使重金属的存在形态 环境行为发生明显变化 是重金属从液相转入固相的最主要途径 5 甲基化作用 无机汞的甲基化使其毒性更强 并可通过食物链在人体内积累 重金属络合物或螯合物的生成 可使重金属在水中的溶解度增大 迁移能力增强 但却促使沉积物中重金属的重新释放 形成二次污染 3 络合作用 40 补充 水体污染对人体健康的影响 1 引起急性和慢性中毒 2 致癌作用 3 发生以水为媒介的传染病 4 间接影响 41 第四节水环境污染控制及管理 一 水体污染的防治和管理 实行 防 治 管 三结合 1 防 污染源控制 减少污染物的排放 1 调整工业布局 推行清洁生产 清洁生产 是一种新的创造性的思想 该思想将整体预防的环境战略持续应用于生产过程 产品和服务中 以增加生态效率和减少人类及环境的风险 2 提高民众节水意识 降低用水量 推广节水用具 以减少生活污水的排放 3 有效控制 面污染源 发展节水型农业 合理利用农药和化肥 以减少农田径流中含氮 磷和农药的量 42 2 治 废水无害化 1 工业废水就地处理 2 促进工业废水与城市生活污水的集中处理 3 集中处理与分散处理相结合的原则 4 大力开发低耗高效废水处理与回用技术 将城市水污染防治与废水资源化相结合 43 3 管 管理控制对策 1 实行污染物排放总量控制制度及排污许可证制度 2 进一步完善废水排放标准和相关的水污染控制法规和条例 加大执法力度 严格限制废水超标排放 3 健全环境监测网络 在不同层次进行水质监测 并增强事故排放的预测与预防能力 总量控制制度 是指国家对污染物的排放实施总量控制的法律制度 排污许可证制度 是指凡是需要向环境排放各种污染物的单位或个人 都必须事先向环境保护部门办理申领排污许可证手续 经环境保护部门批准后获得排污许可证后方能向环境排放污染物的制度 44 二 废水处理方法和技术 1 废水处理的基本方法 表 1 物理法 重力分离 沉淀 浮选 法 离心分离法等 2 化学法 絮凝法 离子交换和膜分离法等 絮凝法 是通过加凝聚剂破坏胶体的稳定性 使胶体粒子发生凝聚 产生絮凝物 并发生吸附作用 将废水中污染物吸附在一起 然后经沉降 或上浮 而与水分离的方法 离子交换法 用离子交换剂的离子交换作用来置换污水中的离子化物质 膜分离法 利用隔膜使溶剂同溶质或微粒分离的方法 45 活性污泥法 ActivatedSludgeProcess 是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水的一类好氧生物处理方法 利用絮凝体为生化反应的主体物 利用曝气设备向生化反应系统分散空气或氧气 为微生物提供氧源 对体系进行混合搅拌以增加接触和加速生化反应传质过程 采用沉淀法去除有机物 降低出水中的微生物的固体含量 通过回流使沉淀池浓缩的微生物絮体返回到反应系统 为保证系统内生物细胞平均停留的时间的稳定 经常排出一部分生物固体 活性污泥法的基本特征 3 生物法 好氧生物处理 活性污泥法和生物膜法 厌氧生物处理 46 生物膜法 Biofilm 是利用微生物在固体表面的附着生长对废水进行生物处理的技术 47 2 城市污水处理技术 主要任务是去除城市废水中含有的悬浮物和溶解性有机物 48 1 一级处理 常由筛滤 重力沉淀和浮选等方法组成 主要去除废水中大部分粒径在100 m以上的大颗粒物质 经过一级处理的废水 一般达不到排放标准 2 二级处理 常用生物法和絮凝法 主要去除废水中大部分有机物 经过二级处理的废水 一般可以达到农灌标准和废水排放标准 3 三级处理 综合使用物理 化学生物处理法 主要是去除废水中的营养物质 使废水能够重新回用 49 复习与思考题 1 区别概念 水体与水质 COD与高锰酸盐指数 TOD和TOC2 简述水体污染的主要人为源及其特点 3 水体污染的主要污染物有哪几类 其代表物质有哪些 4 耗氧有机物生物降解的共同规律 耗氧有机物进入水体环境后可能发生的水质作用有那些 5 什么是水体富营养化 植物营养物N P在水体中如何转化 如何通过有效的措施预防水体富营养化6 根据重金属在水体中迁移转化规律 联系实际找出减轻重金属污染的有效措施 7 简述城市污水的三级处理系统 各级处理的目的及处理后的水质状况 8 如何合理利用和保护水资源 50 补充 海洋油污染 图 一 来源 海