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环境学概论教案Teaching Plan for Introduction to Environment Science学时：48 学分：3适用专业：环境科学地理科学地理信息系统资源环境与城乡规划管理环境与规划学院 环境学概论教案第一章 绪 论教学目标：认识和掌握环境的科学涵义，掌握环境的组成及其分类。了解环境问题的产生和发展过程，掌握环境问题的分类，认识和理解环境问题的实质。理解环境科学的研究对象和任务,了解环境科学的产生和发展，理解环境科学的学科体系。重点和难点：重点是环境科学中环境的含义，环境问题的分类，环境问题的产生，环境问题的实质，环境科学的研究对象和任务。难点是环境的概念和环境问题的实质。教学时数：4学时教学方法：课堂讲授为主辅助多媒体教学教学内容：（下划线部分表示讲课提纲)第一节 环境及其组成一、环境(environment)的概念环境一词最早见于元史 余阙传“环境筑堡寨，选精甲外捍，而耕稼于中。”环：围绕；境：疆土。从哲学的角度来定义：相对于主体的客体。环境科学研究的环境，是指以人为中心的，影响人类生存和发展的各种自然因素和社会因素的总和。中华人民共和国环境保护法中的定义：“环境是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。”二、环境的分类1 按环境的组成分类（1）自然环境包括物质、能量和自然现象（2）社会环境人工的创造物；人与人的关系2 按环境的空间结构分类居室环境；聚落环境；区域环境；全球环境；宇宙环境三、环境的基本特性1 整体性和区域性2 变动性和稳定性3 资源性和价值性四、人类与环境的关系第二节 环境问题一、环境问题的概念环境问题是指因自然原因或人类活动而引起的环境资源破坏和环境质量变化，以及由此给人类的生存和发展带来不利影响的现象。二、环境问题的分类按成因分为：（1）第一类环境问题（原生环境问题）（2）第二类环境问题（次生环境问题；人为环境问题）包括环境污染和生态破坏两个方面。思考：第一类环境问题与第二类环境问题的区别和联系。三、环境问题的由来和发展1 远古时代（环境问题的萌芽阶段）人与环境的关系：自然为主，人类为奴隶；人类被动的适应和利用环境，主要依赖自然而生活；对环境的影响较小第一个环境问题解决方法：人类迁徙影响：自然界的自发调节作用2 农业文明时代农业和畜牧业的出现和发展，铁器的使用，人类改造自然的作用越来越明显自然与人“平起平坐”相互抗衡 由于农业砍伐围垦造成水土流失、荒漠化，对自然有较大伤害，但限于局部区域解决方法：人类被动地接受环境惩罚或逃避环境灾难影响：局部的，区域性的，但造成的环境问题一直延续到今天以古巴比伦文明为例；以我国的黄河流域为例恩格斯给予人类以告诫：“我们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利，对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。每一次胜利，在第一步都确实取得了我们预期的结果，但是在第二步和第三步却有了完全不同的、出乎预料的影响，常常把第一个结果又取消了。”3 近代工业文明时代机械化，对自然进行掠夺式开发城市化、产业化进程加快人把自然当奴隶环境问题日趋严重，重大公害事件屡屡发生，形成了环境问题高潮八大公害事件马斯河谷烟雾事件（1930年，比利时）多诺拉烟雾事件（1948年，美国）伦敦烟雾事件（1952年，英国）洛杉矶光化学烟雾事件（1943年，美国）水俣事件（1953年，日本）富山事件（骨痛病） （1931年，日本）四日事件（1970年，日本）米糠油事件（1968年，日本）思考：公害事件发生的地点、类型、污染源和污染物及其对人体的影响。演示有关图片，解答思考的问题。4 知识经济时代（后工业时代）科学技术得到了前所未有的发展人视自然为朋友 环境问题依然十分严峻，对人类的生存和发展仍然构成了极大的威胁从1972年至1992年间环境污染的十大事件(1) 北美死湖事件(2) 卡迪兹号油轮事件(3) 墨西哥湾井喷事件(4) 巴西库巴唐“死亡谷”事件(5) 西德森林枯死病事件(6) 印度博帕尔公害事件(7) 切尔诺贝利核漏事件(8) 莱茵河污染事件(9) 雅典“紧急状态事件” (10)海湾战争油污染事件1998年7月，联合国环境规划署的负责人克劳斯特普费尔概括了威胁人类发展的十大环境资源问题(1) 气候变化和能源浪费(2) 淡水资源受到威胁(3) 空气污染(4) 土壤遭到破坏(5) 森林面积减少(6) 生物多样性的减少(7) 化学污染(8) 混乱的都市化(9) 海洋的过渡开发和沿海地带被污染(10)极地臭氧层空洞演示环境污染和生态破坏的图片环境公平与效率污染转移：发达国家发展中国家；城市农村污染迁徙的中国路径：向西向欠发达地区向农村以电子垃圾和有害固体废物的污染转移为例新技术、新材料的环境效应冰箱制冷剂氟利昂不粘锅涂层转基因技术纳米技术第三节 环境科学的研究对象和研究任务一、环境科学的研究对象研究对象：人类环境系统环境科学是研究“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。目的二、环境科学的研究任务1 探索全球范围内环境演化的规律2 揭示人类活动同自然环境之间的关系3 探索环境变化对人类生存的影响4 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思考：如何理解环境科学的研究任务。第四节 环境科学的发生和发展一、环境科学的产生和发展1 人类关于环境必须加以保护的认识可以追溯到人类社会早期逸周书大聚篇记载：“禹之禁，春三月山林不登斧，以成草木之长；入夏三月川泽不网罟，以成鱼鳖之长”。孔子倡导“天命论”，主张“尊天命”、“畏天命”荀子主张“制天命而用之”，认为“人定胜天”2 环境科学作为一门科学，产生于20世纪5060年代背景：全球性的环境污染和破坏，引起了人类思想的极大震动和反省解决环境问题，两方面的需求：（1）公害产生的原因和机理；（2）治理污染基础学科参与到环境问题的研究，产生了：环境地学、环境化学、环境生物学、环境物理学、环境医学、环境工程学等新的边缘性分支学科。思考：在该时期，人们对于环境问题的认识。技术问题1972年6月5日至16日，联合国在瑞典斯德哥尔摩召开了人类环境会议，并通过了人类环境宣言等文件。这次会议成为环境保护工作的转折点，人们改变了对环境问题的认识，表现在：（1）加深了人们对环境问题的认识，扩大了环境问题的范围，即环境问题不仅仅是环境污染问题，还应该包括生态破坏；（2）冲破就环境论环境的狭隘观点，把环境与人口、资源和发展联系在一起，从整体上来认识和解决环境问题；（3）从治理的手段来看，对环境污染问题，开始实行建设项目的环境影响评价制度和污染物排放总量控制制度，从单项治理发展到综合防治。1972年，第27届联合国大会接受并通过了联合国人类环境会议的建议，并将6月5日定为世界环境日。1973年，成立了联合国环境规划署，负责处理联合国环境方面的日常事务。1992年6月，在巴西里约热内卢召开了联合国环境与发展大会，并通过了里约环境与发展宣言、21世纪议程，提出了“可持续发展战略”。背景：科学技术飞速发展，回顾20多年走过的环境保护历程，进一步加深了对环境问题本质的认识环境问题的本质社会经济问题环境问题的解决还需要认识和调节人类活动和社会关系，于是涉及到许多社会科学的知识领域，由此产生了环境经济学、环境管理学、环境法学、环境规划学等边缘分支学科。什么是环境科学（1）为解决环境问题而诞生的一门新兴科学（2）多学科到跨学科的庞大科学体系组成的新兴学科（3）介于自然科学、社会科学和技术科学之间的边缘学科（4）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二、环境科学的学科体系1 教材上的划分（1）理论环境学（2）综合环境学全球环境学；区域环境学；聚落环境学（3）部门环境学自然环境学；社会环境学；工程环境学2 其它划分（1）环境学（2）基础环境学（3）应用环境学该分类参见：环境学导论，何强 主编，北京：清华大学出版社，1997。对本章进行复习75第二章 大气环境教学目标：掌握大气中的主要污染物和大气污染类型；熟悉并掌握主要大气污染物SO2、NO2在大气环境中的迁移转化，掌握光化学烟雾的概念、特征及其形成过程。熟悉并掌握影响大气污染物扩散的主要因素；了解高斯模型；熟悉主要的大气污染物的控制技术，掌握大气污染综合防治的对策和措施；熟悉大气环境标准的类型；了解空气环境质量标准。重点和难点：重点是大气污染物及大气污染类型，大气污染物SO2、NO2在大气环境中的迁移转化，光化学烟雾的形成，影响大气污染物扩散的主要因素，高斯模式，主要的大气污染物的控制技术，大气污染综合防治的对策和措施，大气环境标准。难点是大气污染类型，光化学烟雾，不同温度层结下的烟型，高斯模式。教学时数：12学时教学方法：课堂讲授为主辅助多媒体教学教学内容：（下划线部分表示讲课提纲)*研究环境污染问题的主线索：污染源污染物控制和管理措施及对策污染物在环境中的迁移、转化、扩散规律溯源第一节 大气的结构和组成一、大气的结构1 对流层(1)大气边界层(atmospheric boundary layer, ABL)(2)自由大气层2 平流层3 中间层4 暖层5 散逸层二、大气的组成1 恒定组分2 可变组分3 不定组分第二节 大气污染和污染物一、大气污染的发生1.定义：是指大气中某些物质的含量远远超过了大气自净能力，以至对人体、生态、材料造成危害的现象。重点解释：物质；大气自净能力；材料；危害2.大气污染的发生输入输出由人类活动造成的大气污染已成为全球性的环境问题人类活动污染大气的表现有两方面：(1) 增加了某些物质的含量（CO2、尘埃）(2) 增加了物质的种类（不定组分：放射性气体，氟里昂、NO）二、大气污染的来源1.定义： 2.分类：按照不同的方法有不同的分类(1)按照污染物质的来源天然污染源自然尘火山喷发森林火灾森林植物释放海浪飞沫人为污染源交通运输过程排放 燃料燃烧工业生产过程排放农业活动排放分为天然污染源和人为污染源(2)按污染源性状特点固定式和移动式(3)按污染源的空间分布方式 点源，线源，面源(4)按污染源排放时间 (5)按污染源排放点高度 三、大气污染物及大气污染类型1.大气污染物及其分类(1)定义指由于人类活动或自然过程排入大气的并对环境或人产生有害影响的那些物质。(2)分类按存在的物理状态：气态污染物和固态污染物按形成过程：一次污染物和二次污染物（重点内容）一次污染物(primary pollutant)指直接从污染源排放的污染物质。二次污染物(secondary pollutant)由一次污染物在大气中互相作用经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物还强。 主要气态污染物的来源及所产生的一次，二次污染物 污染物 主要来源 一次污染物 二次污染物 硫化物 煤、石油的燃烧 SO2, H2SSO3, H2SO4, MSO4气溶胶碳氧化物 汽车尾气CO, CO2无含氮化合物 汽车尾气NO, NH3NO2, HNO3, MNO3气溶胶，O3碳氢化合物汽车尾气及石油化工工业CMHN（形成光化学烟雾前体物）醛、酮、过氧乙酰硝酸酯卤素化合物有机合成工业，化工厂，塑料厂HF, HCL 无2.主要的大气污染物 (1) 气溶胶(aerosol)状态污染物 粒径0.002微米100微米总悬浮颗粒物（total suspended particles;TSP）飘尘(floating dust)降尘(falling dust)可吸入粒子(inhalable particle; IP)(2)硫氧化物主要指SO2和SO3危害，表现在：参与了硫酸烟雾和酸雨的形成腐蚀性，损害植物的叶片刺激人的呼吸系统促癌作用来源燃料的燃烧过程：SO2= SO2 硫化物矿石的焙烧、冶炼过程：4FeS211 O2=2Fe2O38SO2(3)氮氧化物NO和NO2来源燃料燃烧过程生产过程生物源危害形成酸雨NO2具有腐蚀性和生理刺激作用形成光化学烟雾的主要物质之一(4)碳氧化物CO的危害及其来源CO2的危害及其来源(5)碳氢化合物CH4温室气体；来源NMHC(non-methane hydrocarbon)形成光化学烟雾的前体物来源(6)含卤素化合物卤代烃其它含氯化合物氟化物3.大气污染类型(1)根据污染物的性质还原型和氧化型大气污染的比较(2)根据燃料性质和大气污染物的组成第三节 大气环境中污染物的化学转化大气污染物“化学转化”概念从条件、反应物和反应结果三方面理解包括光化学过程和热化学过程均相反应和非均相反应一、大气光化学特性1.光辐射特点光的波长越小，能量越高只有到达对流层的光才能参与对流层的光化学反应（380nm）2.光化学特性具备一定波长的光污染物本身的性质吸光物质3.光化学反应原子、分子、自由基或离子吸收光子而发生的反应，称为光化学反应。补充：自由基自由基在其电子壳层的外层有一个不成对的电子，因而具有很高的活性，具有强氧化作用。大气中存在的重要自由基有OH、HO2、R、RO和RO2等。自由基的来源4. 光化学过程初级过程次级过程二、硫氧化物在大气中的化学转化（一）二氧化硫的氧化作用1 光化学氧化(1)直接光氧化(2)间接光氧化2 催化氧化(1)反应过程(2)影响因素催化剂；溶液的酸碱度；大气湿度；（二）硫酸气溶胶的形成过程1 物理过程2 化学过程三、氮氧化物在大气中的化学转化（一）二氧化氮的光化学反应在大气中无其它反应干预下,O3的浓度取决于NO2/NO.低层大气压中O3增加的前提是NO向NO2的转化.（二）二氧化氮的化学反应NO2与OH的反应NO2与O3的反应四、大气污染“光化学烟雾”的形成（一）光化学烟雾的特征1 特征烟雾呈蓝色，具有强氧化性，刺激人们眼睛，伤害植物叶子，能使橡胶开裂，并使大气能见度降低。2 概念指含有氮氧化物和烃类的大气,在阳光中紫外线的照射下发生反应所产生的产物及反应物的混合物被称为光化学烟雾（二）光化学烟雾的形成1 光化学反应的过程(1) NO转化为NO2(2) 碳氢化合物（HC）氧化消耗(3) 二次污染物的生成简化机制：引发反应；基传递过程；终止反应2 光化学烟雾的形成条件(1)地理条件纬度、季节、气象条件有关副热带高压控制地区的夏季和早秋季节(2) 污染源条件石油为动力燃料的工厂、汽车排气等污染源第四节 大气中污染物的扩散下垫面条件(地理因素)：地形和地物、山谷风、海陆风和城市热岛环流其它因素：污染物的性质和成分、污染源的几何形状和排放方式动力因子:风和湍流热力因子:大气温度层结和大气稳定度天气形势：降水、雾影响因素气象条件讨论影响大气污染的因素 一、大气边界层的温度场1 两个基本概念（1）气温的垂直递减率(vertical temperature lapse rate)表达式和含义（2）干绝热递减率(dry adiabatic lapse rate)表达式和含义2 温度层结(temperature stratification)（1）正常分布层结（2）中性层结（3）等温层结（4）逆温思考两个问题：（1）温度层结会不会影响污染物的扩散？（2）如何影响？举例说明温度层结对污染物影响的扩散三种情况减速运动 加速运动 等速运动或静止3 大气稳定度(atmospheric stability)（1）稳定（2）不稳定（3）中性思考：如何判断大气的稳定度？气块法理想气体状态方程：PVnRT（1）当d0，则a0，气块加速运动，大气不稳定；（2）当d0，则a0，气块减速运动，大气稳定；（3）当d=0，a=0，大气为中性。读图判断大气稳定度大气不稳定 中性 不稳定思考：大气稳定度一般的日变化规律？4 逆温(inversion layer)（1）概念：气温随高度增加而增加的现象（2）特点大气是稳定的不利于污染物的扩散（3）逆温的生成辐射逆温生成过程下沉逆温生成过程平流逆温湍流逆温锋面逆温5 不同温度层结下的烟型（1）扇型（亦称为平展型）性状：烟流垂直方向扩散很小，俯视烟流呈扇形展开，故又称扇型。大气状况：大气处于稳定状态，0，0，d，发生在中性条件或弱稳定条件下。发生情况：多出现于阴天或多云风力又比较大的天气地面污染情况：污染物垂直扩散速度比波浪型低，但污染物输送距离比较远。（3）波浪型（亦称为链条形）性状：烟流呈翻卷状，故又称翻卷型、链条型。大气状况：0，d。发生情况：多发生在晴朗的白天，中午前后明显。地面污染情况：污染物扩散良好，地面最大落地浓度地点距烟囱较近，浓度较高，所以对附近居民一般伤害较大，但一般不会造成烟雾污染事件。（4）熏烟型（亦称为漫烟型）性状： 烟羽上侧边缘清晰，下部有强烈的湍流扩散。大气状况：烟流下部d，上部d，下部0。发生情况：一般在日落后出现。但持续时间较短。地面污染情况：对近处地面污染较小。（6）受限型性状： 大气状况：发生在烟囱出口上方和下方的一定距离内大气不稳定区域，在这范围以上和以下的大气为稳定的。发生情况：多出现在易于形成上部逆温的地区的日落前后。地面污染情况：因污染物只在空间的一定范围内扩散，而不到达地面，所以地面几乎不受到污染；但当贴地逆温破坏时，便发生熏烟型污染，地面浓度会很大。二、大气的水平运动和湍流1 大气的水平运动（1）风（2）风速廓线：平均风速随高度变化的曲线。风速廓线模式对数律模式和指数律模式表达式及其应用条件2 大气的湍流运动（1）湍流(Turbulence)（2）大气湍流比较有无湍流时的污染物的扩散无湍流情况下的烟团扩散 湍流情况下的烟团扩散（3）大气湍流的形成热力湍流机械湍流在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用，而在中性层结情况下，动力因子往往起主要作用。（4）湍流扩散理论简介 梯度输送理论是根据泰勒、费克提出的分子扩散理论建立的，它假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程来描述。 湍流统计理论假设条件流体中的微粒呈连续运动物质的质量守恒大气湍流场是均匀、稳定的 相似理论三、影响大气污染的地理因素1 地形和地物的影响演示图片2 山谷风演示图片3 海陆风演示图片4 城市热岛环流演示图片四、影响大气污染的其它因素1 污染物的性质和成分2 污染源的几何性状和排放方式五、大气中污染物扩散模式1. 风向坐标系x轴与平均风向一致，y轴在水平面上与风向垂直，z轴指向天顶的直角坐标系。2. 高斯模式假设(1)污染物浓度在y、z方向上的分布符合高斯正态分布；(2)风速是稳定和均匀的；(3)源强是连续排放；(4)扩散过程中污染物质量守恒。3. 高斯模式(1) 一般表达式(2) 高架连续点源扩散的高斯模式地面浓度；地面轴线浓度；地面最大浓度(3) 地面连续点源地面浓度；地面轴线浓度；地面最大浓度思考：高斯模式表达式中需要求解的关键参数有效源高：He扩散参数x、y的确定4.烟气的有效源高(1)影响烟气抬升的因素初始动量；浮力；风(u)和湍流；大气的稳定度；下垫面状况(2)烟囱有效高度的计算制定地方大气污染物排放的技术原则和方法（GB384083）。制定地方大气污染物排放标准的技术方法（GB/T384091）。该标准替代了GB384083。（GB/T384091）中规定的公式例题：某城市远郊区有一高架源，烟囱几何高度为100m，实际排烟率20m3/s，烟气出口温度为200，求在有风不稳定条件下，环境温度为10，大气压力1000hPa，10m高度处风速为2.0m/s的情况下，烟囱的有效源高。5.扩散参数的确定(1)确定扩散参数的方法(2) Pasquill扩散曲线法（P-G曲线法）思路稳定度分类法适用范围和局限性(3)我国的国家标准规定的扩散参数的计算和选用步骤例题：在D级大气稳定度条件下，求出在某市工业区高架点源下风向800m处的扩散参数。6.高斯模式的应用例题：某厂烟囱有效高度为60m，烟囱排出80g/s的SO2，烟囱出口处的平均风速为6m/s。求：D稳定度条件下下风向500米处的SO2地面一次浓度。该500米处，原本底浓度为0.08mg/m3。请按大气质量标准 (0.5mg/m3) 进行比较分析。第五节 大气污染综合防治与管理结合图片的演示讲解大气污染的危害一、主要大气污染物控制技术1 烟气治理的基本流程2 烟尘控制技术(设备除尘)依除尘机制机械式除尘过滤式除尘湿式除尘静电除尘重力除尘惯性力除尘离心力除尘动画演示并讲解各种除尘装置的优缺点3 气态污染物的控制常用治理方法：吸收法、吸附法、催化转化法、燃烧法、冷凝法。(1)二氧化硫净化技术(2)汽车尾气的催化净化二、大气污染综合防治1全面规划，合理布局工业2区域采暖和集中供热3选择高烟囱和集合式烟囱排放4改变燃料构成5大气污染控制技术6绿化造林，大气净化措施结合图片演示三、大气环境标准(1)大气环境标准的类型和作用类型按用途划分为：大气环境质量标准、大气污染物排放标准、大气污染控制技术标准、大气污染警报标准按适用范围：国家标准、地方标准和行业标准举例说明：大气污染物综合排放标准(GB3095-1996)火电厂大气污染物排放标准(GB13223-2003)山东省环保局编制了火力发电厂大气污染物排放标准，2007年2月27日正式发布，2007年5月1日开始实施。其中SO2的排放浓度由GB13223-2003标准中的2100mg/Nm3，加严为1200 mg/Nm3，第一时段机组烟尘排放限值由GB13223-2003标准中的300 mg/Nm3，加严为200 mg/Nm3。同时为配合“十一五”的要求，对氮氧化物第一、二时段给予三年左右时间，到2010年各指标值适当加严。作用(2)大气环境质量标准讲解一些常用的标准环境空气质量标准(GB3095-1996)环境空气质量(GB3095-1996)标准修改单大气污染物综合排放标准(GB16297-1996)室内空气环境质量标准(GB/T18883-2002)中国环境标准网 /第三章 水体环境教学目标：掌握水体、水体污染的概念及水体污染源的类型；掌握水体中的主要污染物；掌握污染物在水体中的运动特征；了解一维模型及其稳态解；掌握SP模型的假设条件及其基本表达式；掌握氧垂曲线及临界点的含义；掌握耗氧有机物降解的共同规律；掌握水体富营养化的概念，熟悉水体富营养化的影响因素及其判别标准；掌握重金属在水体中的迁移转化；了解地表水环境质量标准（GB3838-2002）和污水综合排放标准（GB8978-1996）；掌握水环境的污染防治对策；掌握废水处理的基本方法及其应用范围，熟悉城市污水处理的方法和过程（活性污泥法），掌握水环境污染的防治对策。重点和难点：重点是水体污染源和污染物；污染物在水体中的运动特征；一维模型及其稳态解；S-P模型；耗氧有机物降解的规律；水体富营养化的形成；重金属在水体中的迁移转化；地表水环境标准；水污染的防治对策；城市污水处理的方法和过程。难点是污染物在水体中的运动特征；一维模型及其稳态解；S-P模型。教学时数：12学时教学方法：课堂讲授为主辅助多媒体教学教学内容：（下划线部分表示讲课提纲)第一节 水体环境概述一、关于水环境的一些基本概念水是宝贵的资源水的状态具有可变性水是可循环的水的分布是不均匀的水体物质组成具有差异性二、地球上天然水资源的分布演示图片：地球上水的分布可利用的淡水资源不足1%三、天然水在环境中的循环演示图片：全球水循环净化作用冲刷、侵蚀-水土流失酸雨-腐蚀地面、污染水体、土壤径流-地面净化降水-大气净化负面作用结合图片讲解水循环的环境意义四、水资源短缺问题人类对水的需求两个方面：数量和质量世界水日：3月22日，联合国确定的今年“世界水日”（十五届）的主题为“应对水短缺”，3月22日28日为第二十届“中国水周”，主题为“水利发展和和谐社会”联合国每三年发表一次世界水资源开发报告，该报告是对全球淡水资源进行最全面评估的报告，最近的一次报告是在去年3月22日发布的，报告中指出，全球用水量在20世纪增加了6倍，是人口增长速度的2倍。由于管理不善，资源匮乏、环境变化及基础设施投入不足，全球约有11亿人无法获得安全的饮用水，26亿人缺乏基本卫生设施。到2025年，全球将有30亿人生活在缺水地区。全球每年有310万人因饮用不洁水患病而死亡，其中近90%是不满5岁的儿童。结合图片演示五、天然水的组成1.天然水的形成(1)成分及其复杂的溶液(2)取决于天然水形成的环境两个方面：与水接触的物质的成分和溶解度；物理化学条件2.天然水的组成(1)主要离子成分(main ion)八大离子：阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+；阴离子：SO42-、Cl-、CO32-、HCO3-(2)溶解气体(dissolved gas)主要气体：N2 (61%) 、O2 (34%) 、CO2、H2S微量气体：CH4、H2、He(3)微量元素(trace element)(4)生源物质(bio-source ion)(5)胶体(colloid)六、水体概念及水体污染1.水体(water body)的概念指以相对稳定的陆地为边界的天然水域。水体包括水中的悬浮物、溶解物质、底泥、水生生物等。水体是一个完整的生态系统或完整的综合自然体。2.水体的分类地下水体按类型分海洋水体陆地水体地表水体 如长江、黄河、珠江它们同属河流(陆地水体中的一表水体)，如按区域划分，则分属于三个流域的三条水系。3.区别水质和水体水质：指水相的质量 水体：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。以重金属为例4.水体污染当污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后，其含量超过了水体的自然净化能力，使水体的水质和水体底质的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值和使用功能的现象，被称作为水体污染。四、水体污染源和污染物1.水体污染源从来源上，分为：天然污染源和人为污染源人为污染源包括：(1) 工业废水(industrial waste water)各种企业在生产过程中排出的废水，包括工艺过程用水、冷却水、烟气洗涤水、设备、场地清洗水以及生产废液等特点：成分复杂、含量变化大、毒性强、净化处理困难演示图片(2) 生活污水(domestic sewage)日常生活中产生的各种污水混合液，包括厨房、洗涤室、浴室、集体单位、公用事业排出的污水。城市污水(municipal sewage)：指排入城市污水管网的各种污水的总和。特点：含氮、磷、硫高，成分主要为纤维素、淀粉、糖、蛋白、脂肪、尿素、微生物。演示图片(3) 农业退水(agricultural waste water)农作物栽培、牲畜饲养、食品加工过程中排出的污水和液态废物特点：含氮、磷高，成分主要为微生物、化肥、农药、不溶解固体和盐分演示图片从污染源的空间分布特征，分为：点源和面源（非点源）2.水体污染物包括物理、化学和生物三个方面。化学方面(1) 无机无毒物质种类：酸、碱及一般无机盐类危害 改变水体的pH 使淡水的矿化度增高，影响用水水质 富营养化(2) 无机有毒物质重金属非重金属无机有毒物质(3) 有机无毒物质主要是需氧有机物特点 可在微生物的作用下最终分解为简单的无机化合物 这些化合物在分解过程中需要消耗大量的氧气 在缺氧条件下发生厌氧分解、恶化水质 种类非常多表示耗氧有机物含量的指标 生物化学需氧量(Biochemical Oxygen Demand, BOD)演示受污染水样的BOD曲线BOD5 化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)目前常用的氧化剂是重铬酸钾或高锰酸钾。CODCr和CODMn思考：COD与BOD的关系如何？ 总有机碳(Total Organic Carbon, TOC) 总需氧量(Total Oxygen Demand, TOD)(4)有机有毒物质酚类化合物有机农药(chemical pesticide)多环芳烃(polyaromtic hydrocarbon, PAHs)多氯联苯(polychlorintated biphenyls, PCBs)洗涤剂(主要组分：表面活性剂surfactant)水体对污染物有净化能力水体自净：水体可以在其环境容量范围内，经过自身的物理、化学和生物作用，使受纳的污染物浓度不断降低，逐渐恢复原有的水质，这种过程叫水体自净。(1)物理净化：包括稀释、混合、挥发等过程，水体中的污染物在这一系列的作用下，其浓度得以降低，稀释和混合作用是水环境中极普遍的现象。(2)化学及物理化学净化：污染物质通过氧化、还原、吸附、凝聚、中和等反应，使其浓度得以降低。(3)生物化学净化：污染物质中的有机物，由于水体中微生物的代谢活动而被分解、氧化，并转化为无害、稳定的无机物，从而使其浓度得以降低。通常三个过程是同时、同地产生，且相互影响，其中，常以生物自净过程为主，生物体在水体自净作用中是最活跃、最积极的因素。水体自净的实质：(1)污染物的迁移和转化过程(2)污染物的衰减过程第二节 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(1)推流迁移通量表达式(2)推流作用只改变水流中污染物的位置，不能降低污染物的浓度。2.分散作用(1)分子扩散(molecular diffusion)由分子随机运动引起的质点分散现象。分子扩散表达式(2)湍流扩散(turbulent diffusion)由湍流物质点状态瞬时值相对平均值的随机脉动引起。湍流扩散表达式(3)弥散(dispersion)由横断面流速不均引起。弥散通量的表达式3.衰减和转化(1)保守物质和非保守物质(2)非保守物质的衰减表达式结合图3-2综述推流作用：总量不变，分布状态不变推流分散：总量不变，分布状态变化推流分散衰减：总量改变，分布状态变化二、河流水体中污染物扩散的稳态解1.稳态和非稳态稳态：；非稳态：2.模型的简化三维二维维零维(1)零维例题：某个建设项目，建成投产以后废水排放量为2.5m3/s，废水中含某污染物为1000mg/L，废水排入一条河流中，河水的流量为100m3/s，该河上游含该种污染物的浓度为300mg/L，问废水排入河水中后，污染物的浓度为多少？（按完全混合考虑）(2)一维根据一个微小体积元的质量平衡推导一维模型稳态条件下的一维模型一维模型求解：在忽略纵向弥散条件下即Dx0，得：例题：废水量q0.15m3/s，BOD5浓度为30mg/L河流流量Q5.5m3/s流速ux0.3m/s， BOD5背景浓度为0.5mg/L，衰减系数K0.2d-1，纵向弥散系数Dx10m2/s。求排放点下游10km处的BOD5浓度。课后练习题：废水量q1.0m3/s，CODCr浓度为58mg/L河流流量Q8.7m3/s流速ux0.1m/s， 河水中CODCr背景浓度为14.5mg/L，CODCr的衰减系数K0.5d-1。求排放点下游10km处的CODCr浓度。三、河流水质模型1.DO(1)来源大气复氧(2)大气复氧表达式(3)饱和溶解氧的计算思考：常温下（20）水体的饱和溶解氧为多少？（9.07mg/L）2.BOD 3.SP模型 (1)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，而在河流中的溶解氧来源则是大气复氧。(2)一般表达式及其解析解 解析解：(3)氧垂曲线演示氧垂曲线（oxygen sag curve）临界点（critical point）及其意义4.SP模型的修正型(1)托马斯（Thomas）模型考虑了沉淀作用对BOD的去除作用(2)欧康奈尔（OConnor）模型含氮有机物对水质的影响(3)康布（ Dobbins-Camp ）模型底泥的耗氧和光合作用5.综合水质模型如美国EPA开发的QUAL，QUAL多组分的水质模型第三节 污染物在水体中的转化一、水体中耗氧有机物降解水体中有机物能发生降解作用，其原因是微生物把水中各种有机物作为生长繁殖的营养来源，使有机物不断分解。具有分解有机物的微生物主要是细菌。 有机物主要由碳、氢、氧、氮组成。细菌对有机物的分解主要是脱氢氧化作用，即把有机物中 的氢脱去而放出适当的能量。当然，脱出的氢要相应的受氢体来接受，反应才能完成。如果水中有游离的氧分子O2作受氢体则称为有氧氧化。如果是分子氧以外的化合物作为受氢体，反应在缺氧或无氧条件下进行，则称为无氧氧化。在两种情况下作用的细菌称为兼氧细菌。只有缺氧或无氧条件下作用的细菌称厌氧菌。 1.耗氧有机物的生物降解(1)酶(enzyme)：生物体产生的一类具有特殊催化能力的蛋白质。(2)主要的反应类型 水解反应：是指复杂的有机物分子在水解酶参与下加以水分子分解为较简单化合物的反应。一些发生在细菌体外 一些发生在微生物细胞内结合书上的反应式进行讲解 氧化反应：脱氢作用：受氢体脱羧作用：形成CO2的主要过程2.代表性耗氧有机物的生物讲解(1)碳水化合物碳水化合物由C、H、O组成，不含N。有多糖（C5H10O5）n、二糖（蔗糖）（C12H22O11）、单糖（葡萄糖）（C6H12O6）之分。细菌的养分或能量来源于碳水化合物的降解。细菌首先在细胞膜外通过水解使碳水化合物由多糖转化为二糖。 （C5H10O5）n+n/2H2O n/2(C12H22O11) 此时细菌则进入细胞膜内，继续水解使二糖转化为单糖 C12H22O11+H2O 2C6H12O6 这两步反应过程中的能量变化很小。 单糖不论在有氧或无氧条件下均能转化为丙酮酸，期间有许多反应步骤，但总反应是： C6H12O6 2CH3COCOOH+4H 此过程称为糖解过程。 在有氧条件下，丙酮酸在乙铣辅酸A的作用下，最终转化为CO2和H2O： 2CH3COCOOH +4H+6O26CO2+6H2O 在无氧条件下，这种反应不能进行到底则形成各种酸、醇、酮等，此过程称为发酵。 2CH3COCOOH +4H CH3CH2COOH+CH3COOH+HCOOH（丙酸发酵） 3CH3COCOOH+H2O CH3（CH2）2COOH+CH3COOH+3CO2+H2（丁酸发酵）降解过程：多糖二糖 单糖 丙酮酸氧化，或者发酵在有氧条件下，在好氧微生物作用下进行转化，这一转化进程快，产物一般为CO2、H2O等稳定物质。在无氧条件下，则在厌氧微生物的作用下进行转化，这一进程较慢，而且分两个阶段进行。首先在产酸菌的作用下，形成脂肪酸、醇等中间产物，继而在甲烷菌的作用下形成H20，CH4，CO2等稳定物质，同时放出硫化氢、硫醇、粪臭素等具有恶臭的气体。(2)脂肪和油类的降解 脂肪的降解过程为：脂肪甘油丙酮酸有氧氧化，无氧发酵 (3)含氮有机物的降解蛋白质氨基酸丙酮酸有氧氧化，无氧发酵 蛋白质氨基酸氨亚硝酸硝酸硝化作用：2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+148千卡 2HNO2+O2 2HNO3+48千卡反硝化作用：2HNO3 2HNO2 （NOH）2 NO2 N2在整个蛋白质降解过程中发生的氮形态的变化,可作为需氧污染物氨氮的出现和自净过程的判断标志。 蛋白质（有机氮）NH3-NNO2-NN03-N （有机污染）（自净彻底）硫化作用：2H2S+O2 2H2O+S2+能量 S2+3O2+2H2O 2H2SO4 +能量共同的规律：首先在细菌体外发生水解，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，这些有机酸可进行彻底氧化，其最终产物是CO2、H2O及NO3-等；在缺氧条件下，进行发酵、反硝化过程，其最终产物除CO2和H2O外，还有NH3、CH4、有机酸、醇等。生物氧化的顺序:有氧氧化反硝化甲烷发酵酸性发酵(4) 耗氧有机物对水体的危害有机污染物对水体污染的危害主要在于对渔业水产资源的破坏。当水体中有机物浓度过高时，微生物消耗大量的氧，往往会使水体中溶解氧浓度急剧下降，甚至耗尽，导致鱼类及其他水生生物死亡。而水中含有充足的溶解氧是保证鱼类生长、繁殖的必要条件之一，一旦水中溶解氧下降，不能满足鱼类的要求时，它们将力图游离这个缺氧地区，而当溶解氧降至1mgL时，大部分的鱼类就要窒息而死。当水中溶解氧消失时，水中厌氧菌大量繁殖，在厌氧菌作用下有机物会分解并释放出甲烷和硫化氢等有毒气体，更不适于鱼类的生存。 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。二、水体富营养化过程1.概念水体富营养化(eutrophication)是指由于水体中的氮、磷营养物质的富集，引起藻类和其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，使鱼类和其他生物大量死亡、水质恶化的现象。2.类型(1)天然富营养化由于天然降水、土壤侵蚀和淋溶作用以及水体中水生生物繁衍代谢，使（湖泊）水中的氮、磷等营养物质富集，引起水质变化的过程，称为湖泊（水体）的天然富营养化。 (2)人为富营养化人为活动将含有氮、磷营养物质的污水排入湖泊、河流、水库，使这些水体的营养物负荷增加，造成水质恶化的现象称为人为富营养化。演示水体富营养化的图片湖泊水体富营养化的危害： 促使湖泊老化 破坏水产资源 危害水源，藻类、硝酸盐、亚硝酸盐对人、畜有害3.影响因素(1)限制性因素(limit factor) 利贝格最小值定律（Liebig law of the minimum）：植物生长取决于外界供给它所需要的养料中