水环境和水污染.ppt

第四章水环境和水污染,第一节水环境概述,一.水环境的一些基本概念1水体水体是江河湖海、地下水、冰川等的总称，是被水覆盖地段的自然综合体。它不仅包括水，还包括水中溶解物质、悬浮物、底泥、水生生物等。2.水圈地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在于空中、地表和地下，包括大气水、海水、陆地水（河、湖、沼泽、冰雪、土壤水和地下水），以及生物体内的生物水。这些水不停地运动着和相互联系着，共同构成水圈。我们通常所说的水圈一般是指地球上被冰雪、液态水和水汽所占据而构成的壳层。水圈的上限可视为对流层顶，下限为深层地下水所及的深度。,3.水环境在水圈中，水的大部分是以液态和固态的形式在地面上聚集在一起的，构成各种水体，如冰川、海洋、河流、湖泊、水库等等。通常情况下，一个水体就是一个完整的生态系统，包括其中的水、悬浮物、溶解物、底质和水生生物等。此时我们也称其为水环境。水与水体是两个紧密联系又有区别的概念，由水体由水组成，全部水体构成水圈，一个水体也称为水环境。从水体概念去研究水环境污染，才能得出全面、准确的认识。,二.全球水资源状况地球上的水是由海洋、冰川、地下水、河流、湖泊等不同类型的水体组成的。水是宝贵的自然资源，一方面是水少，另一方面是水是不能用其他任何物质所代替的。全球水的总储藏量约为13.9亿立方千米，其中97.47%是海水或咸水，只有2.53%是淡水，而淡水中的约77%是以极地冰帽和高山积雪和冰川形式存在的。它们在各种存在形态之间和各水体之间不断地转化和循环，形成水的大循环和相对稳定的分配。陆地上所有的动物和植物需要的水是淡水。,只有地下水、湖泊、河流与小溪中的淡水可以被人、动物和植物利用。由于大部分地下水难以开采，因此，地球可供人类、植物和动物竞争使用的淡水量不到地球总水量的0.3。,图2.水体分布及储量比例,图3其它淡水中各水体储量,三.水循环1.概念水循环是指自然界中的水在水圈、大气圈、岩石圈、生物圈四大圈层中通过各个环节连续运动的过程。地球上的水循环通过三条主要途径完成，即降水、蒸发和水蒸汽输送。从空中以雨或雪的形式降落的水量（每年约385000立方千米）中的大部分降落到海洋，然后又蒸发到大气中。还有一部分以径流或地下水的形式从陆地流向海洋。另一条途径是大气中的气流带着水蒸气从海洋到陆地。,图4水循环,2.分类A、海陆间循环-海陆B、海上内循环-海洋C、内陆循环-陆地3.水循环的作用a、能量交换，物质迁移；b、水资源更新。,4.水量平衡水量平衡是指，在一个足够长的时期里，全球范围的总蒸发量等于总降水量。降水、蒸发和径流是水循环过程的三个最主要环节，这三者构成的水循环途径决定着全球的水量平衡，也决定着一个地区的水资源总量。,5.径流是一个地区（流域）的降水量与蒸发量的差值。多年平均的大洋水量平衡方程为：蒸发量=降水量+径流量多年平均的陆地水量平衡方程为：降水量=径流量+蒸发量,但是，无论是海洋还是陆地，降水量和蒸发量的地理分布都是不均匀的，这种差异最明显的就是不同纬度的差异。据估计，全球每年总的循环水量，不到全球总储水量的万分之四。在这些循环水中，约有22.4%成为陆地降水，这其中的约三分之二又从陆地蒸发掉了。但总的来说蒸发量小于降水量，这才形成了地面径流。,第二节水体污染、水体污染源与污染物,一.天然水的化学组成是多种多样的，不同的水体及不同的环境条件下形成的天然水的化学组成和含量差别很大，它是含有许多溶解性物质和非溶解性物质所组成的极其复杂的综合体。天然水中所含物质，根据溶质粒径大小和形态可分成四大类：溶解气体、溶解性物质、胶体物质、悬浮物质。,胶体溶液是指一定大小的固体颗粒药物或高分子化合物分散在溶媒中所形成的溶液。其质点一般在1100纳米之间，分散媒大多数为水，少数为非水溶媒。高分子化合物是指那些由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量在一万以上的化合物。,二.水体污染、水体自净作用与水体污染源1.水体污染1984年颁布的中华人民共和国水污染防治法为“水污染”下了明确的定义：即水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特征的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象称为水体污染。,2.水体自净作用水体是一个环境生态系统，对污染物质有一定的自动调节能力，即所谓的环境容量。进入水体的污染物，经过水体的物理、化学和生物等方面的作用，使污染物浓度逐步自然降低和消除，经过一段时间后，水体恢复到受污染前的状态，这一现象称为水体的自净作用（self-purification）。这种作用可分为物理净化、化学净化和生物净化三种。,（1）物理净化是指水体中污染物经过稀释、混合、扩散、沉降、挥发等物理过程，其浓度得以降低。其中稀释扩散作用是环境实现物理自净化作用的主要表现形式。（2）化学净化是指污染物质进入水体后，通过氧化、还原、化合、中和、络合和吸附、凝聚等一系列化学和物理化学作用过程，使浓度降低。其净化程度受污染物自身因素和水温、PH值等条件影响。,（3）生物净化是指污染物中的有机物由于水体中微生物的代谢作用而被分解，最终转化为稳定无害的无机物，使水体净化的过程。物理净化、化学净化和生物净化三种过程同时发生，相互影响并交互进行，其中，物理净化、化学净化在水体自净中占主要地位。,3、水体污染源水体污染源向水体排放或释放污染物的来源和场所都称为水体污染源。因此，各种水体及其循环过程中几乎涉及各种污染源,常见四大水污染源,水体污染源可分为点污染源和面污染源。点污染源：通过沟渠管道集中排放，有固定排放点，排放量和浓度随生产、生活活动呈规律性周期变化的污染源，称点污染源。如：工业污染源和生活污染源是水体污染的主要点源面污染源：无固定排放点，由广大的流域面积上或从一个城市区域汇集而来，排放量和浓度随降雨而有变化的污染源称面污染源。如：农村污水和灌溉水是水体污染的主要面源,工业对水的污染源主要有：1）未经处理的工业废水；2）矿山污水；3）把固体工业垃圾堆放在水边。农业对水的污染源主要有：1）过量使用化肥、农药、除草剂的农田污水；2）养殖场排放的畜禽污水。,生活对水的污染源主要有：1）把生活垃圾倒在水边；2）未经处理的生活污水；3）把餐饮泔水直接或间接排入水体中；4）车油泄漏和在河边洗车其他污染源随着石油工业的发展、河口及海底油田的开发以及石油在水上运输过程中的泄漏事故和排放压舱水等，均可造成石油污染。,水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。当前对水体危害较大的是人为污染。水污染可根据污染物质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。按污染物或能量（如热污染）所造成的各类型环境问题以及治理措施，对水体污染类型又可作如下分类：,病原体污染生活污水、畜禽饲养场污水及制革、洗毛、屠宰业和医院等排出的废水中，常含有各种病原体导致疾病的传播；需氧物质污染生活污水、食品加工和造纸等工业废水中含有碳水化合物、蛋白质、油脂、木质素等有机物质，可通过微生物的生化作用而分解，在其过程中需消耗氧气，故称为需氧污染物，如上述物质在厌氧条件下分解，则会使水变黑，并产生恶臭物质H2S等；,植物营养物质污染生活污水、某些工业废水、农业退水及含洗涤剂的污水中经常含有一定量的磷、氮等植物营养物质，当它们富集到一定程度时会引起水体富营养化；石油污染主要发生在海洋，危害是多方面的；热污染工矿企业（电厂等）向水体排放高温废水，造成水温升高等一系列危害；放射性污染核动力工厂的冷却水、放射性废物等造成的污染,有毒化学物质污染主要是重金属和难分解的有机污染物，如矿山废水及冶炼排放的汞、铬、铅、镍、钴、钡等及人工合成的高分子有机化合物，如多环芳烃及其衍生物（苯并芘等）、有机氯化合物（PCB）、有机金属化合物（有机汞）等，它们不仅不易消失，而且会在人体内富集或有致癌作用等多种危害；盐污染各种酸、碱、盐等无机化合物、生活污水、工矿废水、废气、废渣及海水倒灌都可能产生盐污染，如酸雨、土壤酸化、水矿化度增加等多种危害。,四.水体中的主要污染物-物理性污染物和化学性污染物1、物理性污染物（1）悬浮物质：悬浮物质是指水中含有的不溶性物质，包括固体物质和泡沫塑料等。它们是由生活污水、垃圾和采矿、采石、建筑、食品加工、造纸等产生的废物泄入水中或农田的水土流失所引起的。悬浮物质影响水体外观，妨碍水中植物的光合作用，减少氧气的溶入，对水生生物不利。（2）热：来自各种工业过程的冷却水，若不采取措施，直接排入水体，可能引起水温升高、溶解氧含量降低、水中存在的某些有毒物质的毒性增加等现象，从而危及鱼类和水生生物的生长。,（3）放射性污染物：由于原子能工业的发展，放射性矿藏的开采，核试验和核电站的建立以及同位素在医学、工业、研究等领域的应用，使放射性废水、废物显著增加，造成一定的放射性污染。,2、化学性污染物-污染杂质为化学物品而造成的水体污染。根据具体污染杂质可分为6类：（1）无机无毒物质：污染水体的无机污染物质有酸、碱和一些无机盐类。酸碱污染使水体的pH值发生变化，妨碍水体自净作用，还会腐蚀船舶和水下建筑物，影响渔业。（2）无机有毒物质：污染水体的无机有毒物质主要是重金属等有潜在长期影响的物质，主要有汞、镉、铅、砷等元素。,（3）有机有毒物质：污染水体的有机有毒物质主要是各种有机农药、多环芳烃、芳香烃、二恶英等。它们大多是人工合成的物质，化学性质很稳定，很难被生物所分解。二恶英(dioxins)是一类多氯代三环芳香化合物，根据其分子中氯原子的取代数目和取代位置，能出现209种异构体，其中2，3，7，8-四氯二苯二恶英(2，3，7，8-TCDD）的毒性相当于氰化钾的1000倍以上，被称为地球上毒性最强的毒物，具有致癌性、生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性等。,（4）需氧污染物质：生活污水和某些工业废水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪和酚、醇等有机物质可在微生物的作用下进行分解。在分解过程中需要大量氧气，故称之为需氧污染物质。（5）植物营养物质：主要是生活与工业污水中的含氮、磷等植物营养物质，以及农田排水中残余的氮和磷。（6）油类污染物质：主要指石油对水体的污染，尤其海洋采油和油轮事故污染最严重。,五、水体污染物的影响水的富营养化1、水的富营养化概念富营养化是湖泊分类和演化学的一个概念，它指的是当湖泊水中的N、P等植物营养物（如氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、尿素、磷酸盐）的浓度超过一定数值时引起的湖泊生态系统的一种恶性循环。地面天然水体中的总氮和总磷含量一般都较低，因而湖泊生态系统的生产能力被限制在一个较低的水平。然而，当大量含有氮磷的污水进入一个湖泊时会大大提高湖水中氮和磷的浓度，充足的氮磷供应造成湖泊中的主要生产者藻类的快速生长，藻类的尸体则为湖泊微生物提供了充足的养料，它们也因而大量繁殖并快速消耗水中的溶解氧。,由于微生物集中于底泥之中，结果造成水的底层缺氧。随着这种情况的继续，缺氧层的厚度越来越大，从而把好氧微生物的活动范围更加限制在表层，直到最后，只有水面薄薄的一层还有藻类生长，其他需氧生物统统死亡。藻类生长进一步限制了阳光的入射深度和氧气补充速度，更加剧了这一过程。最后系统终于崩溃，藻类也由于缺氧而开始大量死亡，形成赤潮。这样的生态循环过程是湖泊富营养化的主要标志。,2、富营养化的原因（1）植物营养物太多；（2）湖泊的水力条件水流缓慢（3）阳光照射造成水温的垂直分布阻碍水的垂直混合湖泊到了富营养化阶段，湖泊就进入了老化阶段，开始走向消亡湖底逐渐升高，以至于变成沼泽，最后变为陆地。水污染对湖泊的危害就在于使水中的植物营养物过快积累起来，使得湖泊提前进入富营养化阶段，加快它的消亡过程。,六.水质指标-衡量水体受污染的程度1、常用水质指标（1）物理性质指标：温度、色度、浊度、电导率、固体含量（2）无机化学指标：PH值、硬度（3）有机化学指标：生物化学需氧量、化学需氧量、总有机碳、总需氧量、溶解氧（4）细菌污染指标：细菌总数、大肠杆菌数、游离余氯（5）毒理学指标：氟化物、氰化物、砷、汞、铬、硝酸盐等（6）放射性物质浓度,2、生物化学需氧量（1）生化需氧量（BOD）指表示水中有机化合物等需氧物质含量的一个综合指标。当水中所含有机物与空气接触时，由于需氧微生物的作用而分解，使之无机化或气体化时所需消耗的氧量，即为生化需氧量。以毫克升表示。有机污染物经微生物氧化分解的过程，一般可分为两阶段，第一阶段主要是有机物被转化为CO2、H2O和NH3等RCH(NH2)COOH+O2=RCOOH+CO2+NH3,第二阶段主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐：2NH3+3O2=2HNO2+2H2O2HNO2+O2=2HNO3因为氨已是无机物，它的进一步氧化对水体污染的影响较小，所以，废水的BOD，通常指第一阶段有机生物化学氧化所需的氧量。它是通过往所测水样中加入能分解有机物的微生物和氧饱和水，在一定的温度（20）下，经过规定天数（20天）的反应，然后根据水中氧的减少量来测定。,因为微生物的活动与温度有关，在测定BOD时一般以20作为测定的标准温度，这时，一般生活污水中的有机物需要20天左右才能基本上完成第一阶段的氧化分解过程，即要测定第一阶段的生化需氧量至少需要20天时间，这在实际工作中是困难的，目前国内外普遍采用的是20下培养5天的生物化学过程需要氧的量（mg/L）作为指标，简称五日生化需氧量（BOD5表示）。一般有机物的BOD5约为第一阶段生化需氧量的70%左右。总的来说，BOD不如COD进行得彻底，而BOD5又只是一部分BOD，所以，BOD5比COD值要低得多，只能相对反映可氧化有机物的含量。,BOD愈高，表示水中需氧有机污染物愈多。BOD5值愈高，水质愈差，低于3毫克/升时，水质较好，纯水或近乎纯水的BOD5值在1到3之间，BOD5值高于5即表明水的纯度可疑，大于10时水质很差。未经处理的城市污水的BOD5值一般在100至400之间，有的甚至高达10000，对于一般工业废水的BOD5最高容许排放值为60mg/L。,3、溶解氧（DO）空气中的分子态氧溶解在水中称为溶解氧。溶解氧量受水温、气压和溶质（如盐分）的影响，随水温升高而减少，与大气中氧分压成比例增加。由于水被污染，有机腐败物质和其他还原性物质的存在，溶解氧就被消耗，所以越干净的水，所含溶解氧越多；水污染越厉害，溶解氧就越少。一般地面水，正常时，“溶解氧”为510mg/L，而地下水的“溶解氧”的含量则随深度的增加减少，当在一定深度处，地下水中的“溶解氧”差不多为零。生活饮用水一般要求“溶解氧”含量不要少于2mg/L。,耗氧有机物对水体造成的危害，主要表现在其降解过程中需消耗水中的溶解氧，此后，它的降解产物如N、P等又可引起水体富营化，以致又破坏水体的氧平衡。这种现象既可出现在湖泊、水库和海湾等富营养化水体，又可发生在有机污染河流的枯水季节。河流中的耗氧作用主要是耗氧有机物降解时耗氧，此外还包括水生生物的呼吸、底泥厌气分解产生的有机酸和还原性气体释放到水中及废水中还原性物质等引起水体耗氧。河流的复氧作用主要是大气复氧，其次是水生植物（藻类）的光合作用产氧。,第三节污染物在水体中的转化,一、耗氧有机物在水环境中的降解1、概述水环境中的耗氧有机污染物主要是指动物残体和生活污水及某些工业废水中的碳水化合物、脂肪、蛋白质等易分解的有机物，它们在分解的过程中要消耗水中的溶解氧从而使水质恶化造成各种影响。有机物在水环境中的降解是通过化学氧化、光化学氧化和生物化学氧化来实现的，其中生物化学氧化具有最重要的意义。,易于氧化的有机物：酚类，醛类，芳香胺类，有机硫化物硫醇类、硫醚类；在一定条件下可氧化的有机物：醇类，烷基、硝酸基取代的芳香族化合物，不饱和烃基化合物烯类，炔类，脂肪，酮类，酸类，酯类等；难氧化的有机物：饱和烃基化合物，卤代烃类等。,2、微生物在有机物生物化学氧化中的作用有机物的降解主要是通过生化氧化作用来实现的，微生物在有机物的生物化学反应中起着决定性的作用。微生物把各种有机物作为营养物质，把它们分解为简单的无机物，从中摄取构成本身细胞的材料和活动的能量，借以进行生长和繁殖等生命活动。分解有机物的微生物主要是细菌。,细菌对有机物的氧化分解作用往往超过一般的化学氧化作用，在反应的深度和速度方面胜过强的化学氧化剂。大部分生物氧化作用可在比化学氧化低得多的温度条件下进行。一些难以化学氧化的有机物，可顺利地进行生物氧化。生物氧化反应一般要在酶的催化作用下完成：,（1）生化反应中的微生物主要是细菌从营养需要的不同，将细菌分为异养细菌（有机营养型）和自养细菌（无机营养型）；异养细菌能够利用现成的有机碳化物作为营养，又分腐生菌和寄生菌；自养细菌直接利用介质中CO2借着外部能量同化为自己体内的有机碳化物。腐生菌在自然界物质转化过程中起决定作用，只有在有机物降解的后期，硝化作用、硫化作用等过程中的自养细菌才起十分重要的作用。,（2）微生物的呼吸作用细菌氧化各种有机物从中获取能量的过程微生物的呼吸作用的实质是细胞内各种有机污染物的氧化作用，即脱氢过程。把有机物中的氢脱去而放出适当的能量，这时需要有相应的受氢体来接受脱出的氢，反应才能完成。如果是以游离的O2为受氢体则称有氧氧化，如果以分子O2以外的化合物为受氢体，反应在无氧或缺氧的条件下进行则称为无氧氧化。,（3）酶和辅酶的作用与化学氧化不同，生物氧化过程是在微生物体内、在特殊酶系统的参与下，通过呼吸作用实现的物质的氧化。酶是细胞制造和分泌的一种物质，它是生物化学反应的接触剂（催化剂、触媒）它可以改变化学变化的热力学条件，使原来在常温常压下不能进行的化学变化在生物体内外成为能够进行。,3.耗氧有机物的生化降解过程环境中的耗氧有机物是指动植物残体、生活污水及工业废水中碳水化合物、蛋白质、脂肪等易降解的有机物。其生化降解的基本反应是水解反应和氧化反应。水解反应是指复杂的有机物分子在水解酶的参与下加以水分子分解为较为简单化合物的反应，它既可在体外进行又可在细胞内进行。体外水解：,细胞内水解：碳链双烯基加水乙醇基（单键）（烯水解酶）RCH=CHH2ORCH2CHOH氨基酸中的肽键在水解酶作用下分解脱氮过程：,有机物在细菌体内的进一步分解主要是氧化作用，氧化反应主要分为脱氢作用和脱羧作用两类：脱氢作用：CHOH基团（羟基亚甲基）脱氢：如乳酸氧化成丙酮酸CH3CHOHCOOCH3COCOO2H+2e（乳酸）（丙酮酸）CH2CH2基团脱氢如琥珀酸氧化成延胡索酸OOCCHCHCOOOOCCCCOO2H+2e,脱羧（羧基COOH）作用是生物化学氧化中产生CO2的主要过程：,代表性耗氧有机物的生物降解碳水化合物的生物降解（淀粉为例）,脂肪、油类的生物降解,蛋白质的生物降解总之，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。降解的后期为各种有机酸，在有氧条件下，被最终氧化为CO2、H2O、NO3、SO42等；在缺氧条件下下进行硝化、反硫化、甲烷发酵、酸性发酵等，最终常产物除CO2、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）概述重金属的迁移转化是指重金属在自然环境中空间位置的移动和存在形态的转化。水环境中的重金属主要是指汞、铬、镉铅以及类金属砷等毒性较大的元素。重金属在水环境中迁移按物质存运动的形式可分为：机械迁移、物理化学迁移、生物迁移三种基本类型：,机械迁移：重金属离子以溶解态或颗粒态的形式被水流机械搬迁，迁移过程服从于水力学原理。物理化学迁移：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（包括沉淀溶解作用、络合作用、螯合作用、吸附作用、氧化还原作用、介质的作用等）所实行的迁移与转化过程。物理化学迁移是重金属在水环境中迁移最重要的形式，其决定了重金属在水环境中的形式、富集状况和潜在危害程度等。生物迁移指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。,重点讨论重金属在水环境中的物理化学迁移（二）.重金属在水环境中的物理化学迁移1.重金属化合物的沉淀溶解作用重金属化合物在水环境中的迁移能力主要取决于其在水中的溶解度，溶解度越大，迁移能力越大，溶解度越小，迁移能力越小。2.重金属离子的水解作用重金属离子的水解作用可看作各种金属离子与质子（H）之间对于羟基（OH）的争夺。重金属离子的水解作用实际上是羟基对金属离子的络合作用，它可大大提高某些重金属氢氧化物的溶解度，从而促进金属离子在水环境中的迁移。,3.水环境中配位体对重金属的络合作用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，它们能和重金属离子（大多数为过渡元素）形成不同稳定度的络合物或螯合物，对重金属在水环境中迁移转化有很大的影响。配位体是能提供电子对配位化合物（或络合物）中的中心元素相结合的阴离子或中性分子。天然水体中主要的配位体有无机的和有机的两类，前者有CH-、CO32-、OH-、SO42-和PO43-等，后者有腐殖质、氨基酸等。,水环境中无机配位体除OH外，还有Cl、CO32、HCO3、F、S2等，其中人们十分重视OH、Cl的络合作用，尤其被认为是天然水环境中重金属的最稳定的络合剂。水环境中有机配位体包括有机质降解的产物如氨基酸、腐殖质酸以及生活废水中的洗涤剂、农药及大分子环状化合物等。其中腐殖质（胡敏酸、富啡酸等）被认为是水环境中最重要的有机络合剂。许多研究