02章水环境化学

1、第二章第二章 水环境化学水环境化学物质在水体中的存在、反应、迁移转化、归趋规律。以物质在水体中的存在、反应、迁移转化、归趋规律。以及对生态环境的影响。及对生态环境的影响。水污染控制、水资源保护。水污染控制、水资源保护。主要内容：主要内容：1.水的重要理化性能水的重要理化性能2.天然水基本特征天然水基本特征3.水中重要污染物的存在形态及分布水中重要污染物的存在形态及分布4.水中无机物污染物的迁移转化水中无机物污染物的迁移转化5.水中有机物污染物的迁移转化水中有机物污染物的迁移转化2.1 水的重要理化性能水的重要理化性能水是生命之源水是生命之源水中的氢键水中的氢键 水分子间形成氢键；水分子间形成氢

2、键； 水是良好的溶剂；水是良好的溶剂； 溶解、转运物质溶解、转运物质 与土壤及空气中的颗粒物、气体相互作用与土壤及空气中的颗粒物、气体相互作用 为生态系统提供物质场所；为生态系统提供物质场所； 大部分生物圈处于水体当中大部分生物圈处于水体当中 水质决定生物种群水质决定生物种群比热容比热容 使1克指定物质温度升高1oC所需要的热量。 不同物质比热容比较： 水: Cp =1 cal/oC/g 酒精: 0.535 cal/oC/g 丙酮: 0.506 cal/oC/g 硫酸: 0.411 cal/oC/g 苯: 0.389 cal/oC/g 四氯化碳: 0.198 cal/oC/g 汞: 0.033

3、46 cal/oC/g 水的热容作用水的热容作用 吸、放热温度变化小；吸、放热温度变化小； 海洋夏季吸收太阳热量、海洋夏季吸收太阳热量、冬季释放热量，不会导致冬季释放热量，不会导致温度急剧变化；温度急剧变化； 没有水的恒温作用，地球没有水的恒温作用，地球上昼夜温差可达数百度；上昼夜温差可达数百度； 稳定有机体温度。稳定有机体温度。熔解热和汽化热熔解热和汽化热 氢键使水的熔解热和汽化热比其他物质高；氢键使水的熔解热和汽化热比其他物质高； 夏季，水从洋面气化并从附近陆地吸热，冬季则因夏季，水从洋面气化并从附近陆地吸热，冬季则因凝固而放热；凝固而放热； 海滨气候海滨气候内陆内陆气候气候。温度温度-密

4、度关系密度关系 水在水在4oC时密度最大。时密度最大。 冰漂于水面，降低水体热量散失；冰漂于水面，降低水体热量散失； 岩缝里的水结冰，能膨胀撑开岩石：岩缝里的水结冰，能膨胀撑开岩石：风化风化。水的特性水的特性-总结总结2.2 天然水体的基本特征天然水体的基本特征 淡水湖泊淡水湖泊 1.3108 咸水湖及内海咸水湖及内海 1.0108 河流河流 1.6106 浅层地下水浅层地下水 6.7107 深层地下水深层地下水 8.4108 冰山和高山积雪冰山和高山积雪 2.91010 大气大气 1.3107 海洋海洋 1.31012 生物体生物体 6.0105自然界水的分布自然界水的分布(Mm3)水循环水

5、循环 地球引力地球引力+太阳能和地表热能太阳能和地表热能蒸发、降水、径流蒸发、降水、径流，周而，周而复始的过程。复始的过程。 小循环：小循环：局部地区局部地区(陆地或海洋陆地或海洋)完成的水循环过程。完成的水循环过程。 大循环大循环：海洋蒸发水汽：海洋蒸发水汽陆地陆地降水降水江河湖泊或渗入江河湖泊或渗入地下地下海洋。海洋。 大、小循环交织，全球范围。大、小循环交织，全球范围。水循环影响因素水循环影响因素 太阳辐射：水循环源动力；太阳辐射：水循环源动力； 水的物理性质水的物理性质水循环；水循环； 循环路线（尤其地质地貌、土壤、生物类型等）循环路线（尤其地质地貌、土壤、生物类型等）会影响会影响降水

6、分布、输送、下渗。降水分布、输送、下渗。水循环量水循环量 降水降水 蒸发蒸发海洋海洋 3.24108 3.60108陆地陆地 0.98108 0.62108(单位：单位：Mm3/a)2.2.1 水和水体水和水体 水体：河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、水体：河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等海洋等贮水体贮水体的总称。的总称。 区分水和水体是重要的区分水和水体是重要的 重金属重金属(如如Pb、Cu、Cr、Zn、Cd等等)污染物通过沉淀、吸污染物通过沉淀、吸附、螯合等途径，很容易从水相转移到底泥中，水中含量附、螯合等途径，很容易从水相转移到底泥中，水中含量都不高。如果光从水来看，似乎

7、没有受到污染，但整个水都不高。如果光从水来看，似乎没有受到污染，但整个水体可能受到严重污染。体可能受到严重污染。天然水体天然水体 降水降水 pH=5-7；饱和氧气、氮气、二氧化碳；含盐量；饱和氧气、氮气、二氧化碳；含盐量50mg/L 江河水江河水 矿化度矿化度100-500mg/L；化学成分易变（汛期？流域？）；化学成分易变（汛期？流域？） 湖泊水湖泊水 矿化度：矿化度：淡水湖淡水湖35g/L；不同区域湖水不同区域湖水成分成分差别大差别大 地下水地下水 矿化度高、矿化度高、成分成分复杂；复杂；溶解氧溶解氧含量低；含量低；生物生物作用小；作用小；水水温相对恒定温相对恒定 海水海水 矿化度很高（矿

8、化度很高（35g/L）；组成比较恒定）；组成比较恒定海水淡水比较海水淡水比较 淡水：固溶物 0.1%（饮用水 0.05%） HCO3- SO42- Cl- Ca2+ Na+ Mg2+ 海水：固溶物 3.5% (死海：25%) Cl- SO42- HCO3- Na+ Mg2+ Ca2+ Cl- 主要成分Cl- 19,000 ppm Na+10,600 ppmSO42- 2,600 ppm Mg2+ 1,300 ppmHCO3- 140 ppm Ca2+ 400 ppmBr- 65 ppm K+ 380 ppm淡水分布淡水分布 地球上极少部分地球上极少部分 (3%) 水为淡水；水为淡水； 人类目前

9、能够使用的江河湖泊淡水只占地球总人类目前能够使用的江河湖泊淡水只占地球总水量的水量的 0.1%。海洋海洋97.2%2.8%极地、冰川极地、冰川2%地下水地下水0.5%0.3%咸水湖咸水湖0.167%淡水湖、河淡水湖、河0.12%13.86亿km3淡水危机淡水危机原因：原因：地球总水量固定，可利用淡水有限；淡水资源时空分布不均。地球总水量固定，可利用淡水有限；淡水资源时空分布不均。水污染日益严重，工、农业和生活用水量增加。水污染日益严重，工、农业和生活用水量增加。后果：后果：经济损失经济损失。缺水危及农作物生长、影响工业生产。缺水危及农作物生长、影响工业生产。威胁和危害威胁和危害生物生物（包括人

10、类）生存。人体健康、生态、（包括人类）生存。人体健康、生态、国家安全。国家安全。当前主要的缺水类型：当前主要的缺水类型：资源型缺水资源型缺水、工程型缺水工程型缺水和和水质型水质型缺水缺水。中国严重缺水中国严重缺水水资源总量世界第六。水资源总量世界第六。 100100个个严重缺水。严重缺水。中国水危机中国水危机 时空分布非常不均时空分布非常不均，东南多，西北少东南多，西北少，耕地面积只，耕地面积只占全国占全国33的长江流域和长江以南地区，水资源的长江流域和长江以南地区，水资源占全国的占全国的70。 水源不足；水源不足；污染污染严重、水质下降。严重、水质下降。南水北调南水北调2.2.2 天然水的组

11、成 水、草、鱼、虾、蟹、泥水、草、鱼、虾、蟹、泥被水覆盖地段的自然被水覆盖地段的自然综合体。完整综合体。完整生态系统生态系统。 根据存在状态不同，可将这些物质分为三类：根据存在状态不同，可将这些物质分为三类：溶解物溶解物质质、悬浮物质悬浮物质、胶体物质胶体物质。 溶解物质溶解物质离子离子溶解气体溶解气体营养物质营养物质微量元素和有机物质微量元素和有机物质 主要离子主要离子 占占离子总量离子总量95%-99%95%-99%，粗略代表水的矿化度（总溶解固体，粗略代表水的矿化度（总溶解固体TDSTDS）：）： TDSTDS Ca Ca2+2+Mg+Mg2+2+Na+Na+ +K+K+ +Fe+Fe2

12、+2+Al+Al3+3+HCO+HCO3 3- -+SO+SO4 42-2-+Cl+Cl- -+CO+CO3 32-2-+NO+NO3 3- -+PO+PO4 43-3-NaNa+ + +K +K+ + + Ca + Ca2+2+ + Mg + Mg2+2+ + Cl + Cl- - + + SOSO4 42-2- + HCO + HCO3 3- - + NO+ NO3 3- - 可溶性无机物可溶性无机物溶解气体溶解气体 氧气、二氧化碳、硫化氢、氮气、甲烷氧气、二氧化碳、硫化氢、氮气、甲烷 来源：来源：大气大气溶解、溶解、水生动植物水生动植物、火山火山爆发爆发大气中的气体分子与溶液中同种气体分

13、子间的平衡服从亨利定律，亨利定律，即一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分即一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压压。G(aq)=KHPGKH各种气体在一定温度下的亨利定律常数；PG各种气体的分压。氧气氧气二氧化碳二氧化碳O2CO2大气大气呼吸作用呼吸作用光合作用光合作用有机物氧化有机物氧化海水中主要溶解气体海水中主要溶解气体营养物质营养物质 与生物生长有关的元素与生物生长有关的元素 氮、磷氮、磷 必要营养元素必要营养元素 “水体富营养化污染水体富营养化污染” 铁、硅、锰、铁、铜铁、硅、锰、铁、铜有机物质有机物质 种类繁多。通常将水体中有机物分为两大种类繁多。

14、通常将水体中有机物分为两大类：类： 非腐殖质非腐殖质 碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素及其他低分子碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素及其他低分子量有机物等。量有机物等。 腐殖质（详见腐殖质（详见“土壤环境化学土壤环境化学”）水生生物水生生物自养生物自养生物利用利用太阳能太阳能或或化学能化学能把简单无生把简单无生命的无机物引进复杂的生命分子中，组成生命的无机物引进复杂的生命分子中，组成生命体。命体。异养生物异养生物利用自养生物产生的有机物作为利用自养生物产生的有机物作为能源及合成它自身的原始物质。能源及合成它自身的原始物质。2.2.3 天然水的性质天然水的性质2.2.3.1 水的水的酸碱性酸碱性

15、大多数天然水体大多数天然水体pH值值5-9； 河水河水4-7； 海水海水7.7-8.3。pH柠檬汁柠檬汁纯水纯水氨水氨水牛奶牛奶番茄汁番茄汁血液血液正常降雨正常降雨酸雨酸雨碳酸平衡碳酸平衡 CO2 水生生物体之间的生物化学转化水生生物体之间的生物化学转化 调节天然水调节天然水pH 值值 水体中可能存在的碳酸组分：水体中可能存在的碳酸组分： H2CO3*(CO2+H2CO3) CO32- HCO3-COCO2 2的溶解和电离的溶解和电离二氧化碳的气二氧化碳的气-液平衡及离解：液平衡及离解：CO2 + H2O H2CO3（aq） pK0=1.46H2CO3（aq） H+ + HCO3- pK1=6

16、.35HCO3- H+ + CO32- pK2=10.332525，空气中，空气中COCO2 2的含水量为的含水量为0.0314%0.0314%（体积），水的蒸汽压为（体积），水的蒸汽压为0.031670.03167，COCO2 2的亨利定律常数是的亨利定律常数是3.34mol/(LPa)3.34mol/(LPa)。30.8Pa103.14100.03167)(1.0130P45co2mol/L10028.18.301034.3co572酸雨判别标准酸雨判别标准 由于由于K K2 2特别小，所以只考虑前面两个方程，可得：特别小，所以只考虑前面两个方程，可得： HH+ +=HCO=HCO3 3-

17、 - HH+ + 2 2/CO/CO2 2= K= K1 1=4.45=4.451010-7-7 HH+ +=(1.028=(1.0281010-5-54.454.451010-7-7) )1/21/2=2.14=2.141010-6 -6 mol/Lmol/L pH=5.67pH=5.67（酸雨判别标准的由来）（酸雨判别标准的由来）酸度酸度天然水体的酸度：指水体中所含能与强碱发生天然水体的酸度：指水体中所含能与强碱发生中和作用的物质总量，即能放出质子、或者经中和作用的物质总量，即能放出质子、或者经过水解能产生氢离子的物质总量。过水解能产生氢离子的物质总量。组成水中酸度的物质可归纳为三类：组成

18、水中酸度的物质可归纳为三类： 强酸强酸 弱酸弱酸 强酸弱碱盐强酸弱碱盐总酸度总酸度总酸度总酸度= H+ HCO3- +2H2CO3 - OH- 碱度碱度碱度是指水中所含能与强酸发生中和作用的全部物质，碱度是指水中所含能与强酸发生中和作用的全部物质，即能接受质子的物质总量。碳酸根离子影响金属离子即能接受质子的物质总量。碳酸根离子影响金属离子(如如铅、镉离子等铅、镉离子等)的迁移、转化。的迁移、转化。构成天然水的碱度的物质也可归纳为三类：构成天然水的碱度的物质也可归纳为三类：强碱强碱氢氧化钠、氢氧化钙等；氢氧化钠、氢氧化钙等；弱碱弱碱氨、苯胺等；氨、苯胺等；强碱的弱酸盐强碱的弱酸盐碳酸盐、碳酸氢盐

19、、硅酸盐、磷酸盐、硫化物、腐殖酸盐等。强碱碳酸盐、碳酸氢盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物、腐殖酸盐等。强碱弱酸盐的水解可产生氢氧离子或直接接受质子。弱酸盐的水解可产生氢氧离子或直接接受质子。总碱度总碱度大多数天然水的碱度是由氢氧化物、碳酸盐和酸式碳酸盐等成分大多数天然水的碱度是由氢氧化物、碳酸盐和酸式碳酸盐等成分组成。根据组成。根据电荷平衡及水、碳酸的电离平衡等关系计算。电荷平衡及水、碳酸的电离平衡等关系计算。 若水体中存在的阴离子有：若水体中存在的阴离子有：OH-、HCO3-、CO32-；阳；阳离子有：离子有：H+ + 金属离子。金属离子。 碱碱+ H+ = HCO3-+ OH-+2CO32- 碱

20、碱 = HCO3- + OH-+2CO32- H+ 测定方法：测定方法：酸碱滴定，双指示剂法酸碱滴定，双指示剂法 H+ + OH- = H2O H+ + CO32- = HCO3- (酚酞终点酚酞终点) H+ + HCO3- = H2CO3 (甲基橙终点甲基橙终点)2.2.3.2 沉淀和溶解沉淀和溶解线性关系线性关系一、金属氧化物和氢氧化物一、金属氧化物和氢氧化物nOHM(S)M(OH)nnnnOHMSPKnnOHMSPKnlgHnlgKlgKnlgOHlgKlgMWSPSPnnpHnpKpKpCWSPpHpHlgMlgMn+n+ -1-3-5-7-9-11-131 2 3 4 5 6 7 8

21、 9 10 11 12 13Ca2+Mg2+Ag+Mn2+Cd2+Pb2+Fe2+Zn2+Cu2+Cr3+Al3+Hg2+Fe3+在在pH7的天然水中，的天然水中，Fe3十十离子（离子（Fe(H2O)63+）可发生下列水解反应：）可发生下列水解反应： Fe3+ + H2O =Fe(OH)2+ + H+ K1=8.910-4 Fe3+ + 2H2O =Fe(OH)2+ + 2H+ K2=4.910-7 Fe3+ + 3H2O =Fe(OH)3(s) + 3H+ K3=1.110-4如果水体如果水体pH7，同时有，同时有Fe(OH)3固体存在，则固体存在，则: Fe3+=9.110-18 mol/

22、L Fe(OH)2+=8.110-14 mol/L Fe(OH)2+=4.510-10 mol/L酸碱平衡酸碱平衡Fe金属硫化物沉淀溶解度极小。硫化氢饱和金属硫化物沉淀溶解度极小。硫化氢饱和的的MS溶液中：溶液中：M2+=Ksp/S2-=KspH+2/(0.1K1K2)二、硫化物二、硫化物三、三、碳酸盐碳酸盐 碳酸平衡碳酸平衡CO2 + H2O H2CO3* pK0 = 1.46H2CO3* H+ + HCO3- pKa1 = 6.35HCO3- H+ + CO32- pKa2 = 10.332112111211aaa2a2a12aaa2a1aaa220kkHkHkkkkHkHHkkkHkHH

23、HH2 2COCO3 3 = C = CT T0 0 HCOHCO3 3- - = C = CT T1 1COCO3 32-2- = C = CT T2 2分布系数分布系数碳酸盐碳酸盐封闭体系封闭体系CaCO3 = Ca2+ + CO32-KSP = Ca2+ CO32- = 10-8.232TSP22TSP23SP2lglgClgKlgCaCKCOKCa其中，其中，CT为总浓度，在封闭体系中为一常数。为总浓度，在封闭体系中为一常数。lgc-pH关系关系某些金属碳酸盐溶解度某些金属碳酸盐溶解度(W.Stumm, J.J.Morgan)(W.Stumm, J.J.Morgan)pHpHlgMlg

24、M2+2+=lgc=lgcT T-1-2-3-4-5-6-7-85 7 9 11 7 9 11 13Ca2+Sr2+Cd2+ 3 5-2-4-6-8Fe2+Zn2+OH-cT=H2CO3cT=HCO3-cT=CO32-H2CO3HCO3-CO32-02TCOHCpKCaCOCaCO3 3接触空气，接触空气，p pCO2CO2恒定，溶液中恒定，溶液中COCO2 2浓度一定。浓度一定。碳酸盐碳酸盐开放体系开放体系2212COHSPaa2COHSP202pKKkkHpKKCa22COH0223COH013pKCOpKHCOCO2 + H2O H2CO3* pHpHlgclgc0-1-2-3-4-5-

25、6-7-84 6 8 10 12H2CO3HCO3-CO32-Zn2+Cd2+Fe2+Ca2+水体电位pE = -lg(e)还原剂还原剂电子给予体电子给予体氧化剂氧化剂电子接受体电子接受体2.2.3.3 氧化氧化-还原作用还原作用 e：水溶液中电子的活度：水溶液中电子的活度 pE的意义：氧化还原平衡体系电子活度的负对数。 衡量水体接收电子的趋势，pE越小，电子浓度越高，提供电子的倾向越强。 决定于水体中氧化剂、还原剂的电极电位、浓度、pH值。Ox + n e = Red根据根据NernstNernst方程方程 xnFRTEEOdRelog303.20氧化还原电位氧化还原电位反应达到平衡时反应达

26、到平衡时 neKOxdRe ERTEFdKnepE059.01303.2OxRelglg1log标准状态下标准状态下(25) 铁化合物：铁化合物：pE-pHeH1KFe(OH)3(S)Fe(OH)2(S)假定溶解性铁最大浓度为假定溶解性铁最大浓度为1.010-7mol/LFe(OH)3 (S) + H+ + e = Fe(OH)2 (S) pE = lgK pH =4.62 pH (1)Fe(OH)2(S)Fe(OH)+ Fe(OH)2(S) + H+ = Fe(OH)+ + H2O K= Fe(OH)+/ H+ lgK =4.6 无电子得失，无电子得失，pH = 4.6 - lgFe(OH)

27、+ 将将Fe(OH)+ = 1.010-7 mol/L代入代入 pH = 11.6 (2)Fe(OH)3(S)Fe2+ Fe(OH)3(S) + 3H+ + e = Fe2+ + 3H2O lgK =17.9 pE = 17.9 - 3pH - logFe2+ 将Fe2+=1.010-7 mol/L代入 pE = 24.9 - 3pH (3) eHFe32KFe3+Fe2+eFeFeK3213.1FeFelog13.123pEFe3+ + e = Fe2 lgK = 13.1假如：假如：Fe2+ = Fe3+与与pH无关无关铁的铁的pE-pH图小结图小结低低pH、低、低pE（酸性还（酸性还原性

28、介质）原性介质），Fe2+为为主；主；低低pH、高、高pE （酸性（酸性氧化性介质）氧化性介质），Fe3+为主；为主；高高pH、高、高pE（碱性氧（碱性氧化性介质），化性介质），Fe(OH)3为主；为主；高高pH、低、低pE（碱性还（碱性还原性介质）原性介质），Fe(OH)2、Fe(OH)+为为主。主。pE22181410620-2-4-8-100 2 4 6 8 10 12 14pHO2H2H2OFe(HO)3(s)H2OFeOH+Fe(HO)2(s)Fe2+Fe3+FeOH2+天然水天然水pE 若若po2 = 0.21105 Pa, pH = 7.00 则则 pE = 20.75 + lg

29、(po2/1.013105)0.25H+ = 13.58 好氧水，有夺取电子的倾向好氧水，有夺取电子的倾向225. 1 OH21eHO41022E75.200pEH)lg(41O02PpEpE水的氧化限度水的氧化限度厌氧水厌氧水pEOH41CH81eHCO81242 微生物作用产生微生物作用产生CH4及及CO2 如果如果 pco2 = pCH4，pH = 7.00。相关半反应为：。相关半反应为： pE = pEo +，pEo = 2.87814812)(pH)(plgCHCO还原环境，有提供电子的倾向。还原环境，有提供电子的倾向。= 2.87 + lgH+ = -4.1300. 0 2102p

30、EHeHpHpEpEHlg0水的还原限度水的还原限度水体：氧化水体：氧化-还原限度还原限度pEpE20151050-5-10-150 2 4 6 8 10 12 14p pH H水稳定上限水稳定上限O2缺氧区缺氧区富氧区富氧区水稳定下限水稳定下限CH4H2SH2NH3N2NO3-NH4+SO42-CO2矿泉水矿泉水海水海水雨水雨水深层海水、湖水、地下水深层海水、湖水、地下水河水河水湖水湖水决定电位：决定电位：某个单体系的含量比其他体系高得多，某个单体系的含量比其他体系高得多，该单体系的电位几乎等于混合体系的该单体系的电位几乎等于混合体系的pE。 一般水体，溶解氧一般水体，溶解氧“决定电位决定电

31、位”； 有机污染物有机污染物厌氧水体，有机物厌氧水体，有机物“决定电位决定电位”。水水体体中的决定电位中的决定电位 水体主要氧化剂：水体主要氧化剂： O2、Fe(III)、Mn(IV)、S(VI)等等 还原剂：还原剂： Fe(II)、Mn(II)、S(II)、有机物等、有机物等2.2.4.4 配位作用配位作用* 水中多数水中多数金属污染物金属污染物以配合物形态存在以配合物形态存在l天然水体中重要的无机配体：天然水体中重要的无机配体：lH H2 2O O、OHOH- -、ClCl- -、COCO3 32-2-、HCOHCO3 3- -、F F- -、S S2-2-、CNCN- -、NHNH3 3

32、l有机配体有机配体l动、植物降解产物：氨基酸、糖、腐殖质动、植物降解产物：氨基酸、糖、腐殖质l废水中的表面活性剂、添加剂如废水中的表面活性剂、添加剂如NTANTA、EDTAEDTA等等水体中配合作用特点水体中配合作用特点各种配体各种配体竞争竞争，影响金属难溶盐的，影响金属难溶盐的溶解度溶解度；不同配体不同配体可能改变重金属的可能改变重金属的化学形态和毒性化学形态和毒性；影响无机阴离子、有机物如影响无机阴离子、有机物如腐殖质腐殖质在水体中的行在水体中的行为。为。2.2.4.5 颗粒物的作用颗粒物的作用 水中的颗粒物的类别水中的颗粒物的类别 无机颗粒物无机颗粒物 矿物微粒和黏土矿物 金属水合氧化物

33、 有机颗粒物有机颗粒物 腐殖质 复合体复合体 悬浮沉积物 其他胶体颗粒的聚集亦可称为凝聚或絮凝。胶体颗粒的聚集亦可称为凝聚或絮凝。凝聚：凝聚：由电介质促成的聚集。由电介质促成的聚集。絮凝：絮凝：由聚合物促成的聚集。由聚合物促成的聚集。水中颗粒物的聚集水中颗粒物的聚集胶体颗粒凝聚方式胶体颗粒凝聚方式1. 压缩双电层的聚集压缩双电层的聚集2. 专属吸附凝聚专属吸附凝聚3. 胶体相互凝聚胶体相互凝聚4. “边对面边对面”絮凝絮凝5. 第二极小值絮凝第二极小值絮凝6. 聚合物粘结架桥絮凝聚合物粘结架桥絮凝7. 无机高分子的絮凝无机高分子的絮凝8. 絮团卷扫絮凝絮团卷扫絮凝9. 颗粒层吸附絮凝颗粒层吸附

34、絮凝10.生物絮凝生物絮凝l吸附：吸附：是指溶质在是指溶质在界面层浓度升高界面层浓度升高的现象。的现象。水体中颗粒物对溶质的吸附是一个水体中颗粒物对溶质的吸附是一个动态平衡动态平衡过程。过程。1. 表面吸附表面吸附2. 离子交换吸附离子交换吸附3. 专属吸附（氢键、疏水作用）专属吸附（氢键、疏水作用）颗粒物的吸附作用颗粒物的吸附作用L型（型（LangmuirLangmuir）等温式）等温式 )/1)(/(/1/1)/(000CGAGGCACGG或G G0 0单位表面上达到饱和时的最大吸附量单位表面上达到饱和时的最大吸附量AA常数常数H型（型（ Henry）等温式（直线型）等温式（直线型）分配系

35、数k kCG F型（型（FreundlichFreundlich）等温式）等温式CnkGkCGnlg1lglg1或吸附等温式吸附等温式l表面吸附量表面吸附量(G)与溶液中平衡浓度与溶液中平衡浓度 (C) 间的关系间的关系水处理中新型絮凝剂水处理中新型絮凝剂 无机高分子絮凝剂无机高分子絮凝剂 以三氯化铁、硫酸铝和碱式氯化铝等为基体制备 如：聚合硫酸铁（poly ferric sulfate，PFS）、含硼聚硅硫酸铁、聚合硅铝酸铁等Al2(SO4)3- CPAM（阳离子聚丙烯胺） 有机高分子絮凝剂有机高分子絮凝剂 聚多胺，聚丙烯酰胺，阳离子型（淀粉二甲基二烯丙基氯化铵接枝共聚物）, 两性絮凝剂等。

36、 复合型絮凝剂复合型絮凝剂 2.3 水体污染及其迁移、转化水体污染及其迁移、转化 水体自净作用水体自净作用 重要污染物重要污染物 存在形态、分存在形态、分布布 迁移、转化迁移、转化 水体污染水体污染(water body pollution)：由于：由于人类人类活动活动排放排放的污的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底泥的泥的物理、化学性质或生物群落组成物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低水发生变化，从而降低水体的体的使用价值使用价值的现象。的现象。 水体自净水体自净(self-purification of wa

37、ter body) 广义：指受污染的水体由于物理、化学、生物作用，使广义：指受污染的水体由于物理、化学、生物作用，使污染物浓度逐渐降低，恢复到受污染前的状态；污染物浓度逐渐降低，恢复到受污染前的状态； 狭义：指水体中狭义：指水体中微生物微生物氧化分解氧化分解有机污染物而使水质净有机污染物而使水质净化的作用。化的作用。2.3.1 水体污染与自净水体污染与自净自净作用分类自净作用分类1.物理自净物理自净污水进入河流污水进入河流混合、稀释、扩散、沉淀、吸附混合、稀释、扩散、沉淀、吸附浓度浓度；2.化学自净化学自净络合络合、氧化还原氧化还原、沉淀沉淀 净化净化生物自净生物自净生物作用生物作用污染物数量

38、减少、浓度下降、毒性减轻、消失。污染物数量减少、浓度下降、毒性减轻、消失。悬浮、溶解的有机物，在需氧微生物作用下，氧化分解悬浮、溶解的有机物，在需氧微生物作用下，氧化分解二二氧化碳、水、硝酸盐和磷酸盐。氧化碳、水、硝酸盐和磷酸盐。微生物：以污染物为营养源，生物化学过程微生物：以污染物为营养源，生物化学过程二氧化碳、水二氧化碳、水藻类和其他绿色植物：藻类和其他绿色植物：光合作用光合作用，有助于水的净化。，有助于水的净化。其他水生生物：摄取较大的固体食物或其他生物，在河水自净中其他水生生物：摄取较大的固体食物或其他生物，在河水自净中也起着重要作用。也起着重要作用。最终净化主要靠微生物的作用。最终净

39、化主要靠微生物的作用。有机污染物，有机污染物，生物自净生物自净作用最重要。作用最重要。自净作用的限制自净作用的限制 原则上，进入水体的污染物原则上，进入水体的污染物最终最终都能被净化。都能被净化。 环境差异、污染物性质、程度不同环境差异、污染物性质、程度不同净化速度不同。净化速度不同。 自净作用自净作用有限有限，当人类直接或间接排放的污染物大，当人类直接或间接排放的污染物大量进入水体，而超过它的自净作用时，就会造成水量进入水体，而超过它的自净作用时，就会造成水体污染。体污染。2.3.2 水污染的主要类型水污染的主要类型一一 病原体病原体二二 耗氧物质耗氧物质三三 植物营养物植物营养物四四 毒物

40、毒物1.重金属重金属2.有机物有机物五五 油污油污六六 放射性物质放射性物质七七 无机污染物无机污染物八八 热污染热污染 种类：种类：病毒、病菌、寄生虫病毒、病菌、寄生虫等。等。 后果：水体受到病原体的污染会传播疾病。后果：水体受到病原体的污染会传播疾病。 血吸虫病、霍乱、伤寒、痢疾、病毒性肝炎等。血吸虫病、霍乱、伤寒、痢疾、病毒性肝炎等。 来源：生活污水、畜禽饲养场污水以及制革、洗毛、屠宰来源：生活污水、畜禽饲养场污水以及制革、洗毛、屠宰业、医院。业、医院。 特点特点量大、面广；量大、面广；存活时间长短不一；存活时间长短不一；繁殖速度快；繁殖速度快；易产生抗药性。易产生抗药性。一、病原体污染

41、物一、病原体污染物 二、耗氧污染物二、耗氧污染物 有机物质：有机物质：碳水化合物、蛋白质、油脂、木质素等。碳水化合物、蛋白质、油脂、木质素等。 生活污水、食品加工、造纸等。生活污水、食品加工、造纸等。 溶解、悬浮状态；溶解、悬浮状态； 分解：微生物的生物化学作用。分解过程中需要分解：微生物的生物化学作用。分解过程中需要消耗氧气消耗氧气，因而被，因而被称为耗氧污染物。称为耗氧污染物。 后果：水中溶解氧减少，影响鱼类和其他水生生物的生长。后果：水中溶解氧减少，影响鱼类和其他水生生物的生长。 水中溶解氧耗尽后，厌氧分解，水中溶解氧耗尽后，厌氧分解，硫化氢、氨和硫醇等，水硫化氢、氨和硫醇等，水质进一步

42、恶化。质进一步恶化。三、植物营养物三、植物营养物水水生生生生态态系系统统自自然然营营养养循循环环初级生产者初级生产者光合作用光合作用C:N:P=106:16:1N2(空气空气)硝酸盐（土壤、污水）硝酸盐（土壤、污水）N（通常有限通常有限）CO2(空气空气)C（通常足量）（通常足量）微量元素微量元素(Fe、Mn、Cu等等)磷酸盐（土壤、磷酸盐（土壤、洗涤剂、污水）洗涤剂、污水）P（通常有限通常有限）微生物分解、微生物分解、动植物残骸动植物残骸次级生产者次级生产者残骸沉积残骸沉积CO2、硝酸、硝酸盐、磷酸盐盐、磷酸盐氧气充足氧气充足微量元素微量元素易得；易得；C浮游植物大量提供；浮游植物大量提供；

43、 N固氮菌固氮菌（海中大量固氮藻类）；（海中大量固氮藻类）；P是限制性营养物质是限制性营养物质。植物营养污染物的来源植物营养污染物的来源 生活污水（有机质、洗涤剂）生活污水（有机质、洗涤剂） 氮：每人每天氮：每人每天50 g； 磷：洗涤废水；磷：洗涤废水； 农业（化肥、农家肥）：农业（化肥、农家肥）：50%80%化肥化肥地表、地下水；地表、地下水； 工业废水（汽车、电厂、造纸、制革、食品加工等）。工业废水（汽车、电厂、造纸、制革、食品加工等）。不同水体中营养物含量不同水体中营养物含量富营养化污染富营养化污染 富营养化污染富营养化污染：由于人类活动的影响，氮、磷等营养物质：由于人类活动的影响，氮

44、、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，甚至耗尽，危害浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，甚至耗尽，危害水生生物的生存的现象。水生生物的生存的现象。 江河湖泊：江河湖泊：“水花水花”或或“水华水华”； 海洋：海洋：“赤潮赤潮”或或“红潮红潮”。 蓝色、红色、棕色，乳白色蓝色、红色、棕色，乳白色富营养化污染的危害富营养化污染的危害水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。植物的光合作用，

45、可能造成溶解氧的过饱和状态。溶解氧消耗溶解氧消耗 溶解氧溶解氧 5 ppm 时，鱼类即开始死亡。时，鱼类即开始死亡。 继续下降，无脊椎动物、需氧细菌开始死亡。继续下降，无脊椎动物、需氧细菌开始死亡。 溶解氧耗尽，厌氧细菌分解有机物，放出恶臭物。溶解氧耗尽，厌氧细菌分解有机物，放出恶臭物。硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会中毒致病。标准的水，也会中毒致病。藻类毒素。藻类毒素。富营养化的控制富营养化的控制 限制限制N的排放：液态（生活污水、肥料、食品加工）、气的排放：液态（生活污水、肥料、食品加工）、气态（汽车尾气、发

46、电厂）；态（汽车尾气、发电厂）； 限制含限制含P废水的排放：洗涤剂的无磷化。废水的排放：洗涤剂的无磷化。 三聚磷酸钠STP：Na5P3O10 氨基三乙酸钠：Na3N(CH2COO)3 沸石 层状结晶二硅酸钠四、有毒污染物四、有毒污染物 指进人生物体后，累积到一定数量能使体液或指进人生物体后，累积到一定数量能使体液或组织发生生化和生理的变化，引起暂时或持久组织发生生化和生理的变化，引起暂时或持久的的病理状态病理状态，甚至危及生命的物质。，甚至危及生命的物质。1、有毒的无机污染物、有毒的无机污染物分为：分为：1. 重金属重金属（汞，镉、铅、铬等）（汞，镉、铅、铬等）2. 无机阴离子无机阴离子（如（

47、如NO2-、F-、 CN-）3. 放射性物质放射性物质（238铀、铀、40钾、钾、87铷等）。铷等）。铍、砷、硒铍、砷、硒虽非重金属，但毒性和某些性质类虽非重金属，但毒性和某些性质类似于重金属。似于重金属。直接直接损害、损害、长期累积性损害长期累积性损害重金属重金属地壳中含量地壳中含量6500米米 六氯苯和滴滴涕六氯苯和滴滴涕5860米 (5)多氯联苯多氯联苯 电器行业，冷却剂、绝缘材料、耐腐蚀涂料。电器行业，冷却剂、绝缘材料、耐腐蚀涂料。 无色或浅黄油状物，难溶于水，易溶于有机物。无色或浅黄油状物，难溶于水，易溶于有机物。 难降解难降解 半衰期：水中半衰期：水中2个月，土壤和沉积物中个月，土

48、壤和沉积物中6个月，个月，人、动物体内人、动物体内110年。年。ClnClmn, m = 1-5(6)酞酸酯类酞酸酯类无色油状粘稠液体，易溶于有机溶剂。无色油状粘稠液体，易溶于有机溶剂。二十世纪八十年代初的世界年量超过二十世纪八十年代初的世界年量超过130万吨。万吨。用途：用途： 95% 增塑剂增塑剂。应用最多的是。应用最多的是DEHP、DBP。 5%：农药载体、驱虫剂、燃料助剂、化妆品调配剂及润滑剂。：农药载体、驱虫剂、燃料助剂、化妆品调配剂及润滑剂。R1O2CCO2R2急性毒性不大，急性毒性不大，长期损伤神经系统、长期损伤神经系统、致畸胎、致突变。致畸胎、致突变。欧洲议会于欧洲议会于200

49、5年年6月月5日日决议决议所有玩具、育儿物品塑料中，所有玩具、育儿物品塑料中，DEHP、DBP或或BBP浓度不得超过浓度不得超过0.1%入嘴玩具、育儿物品塑料中，入嘴玩具、育儿物品塑料中，DINP、DIDP和和DNOP浓度不得超过浓度不得超过0.1%* DEHP：二辛酯* DBP：二丁酯* BBP：丁苄酯* （现已全禁）（现已全禁）* DINP：二异壬酯* DIDP：二异癸酯* DNOP：二正辛酯1.艾氏剂（六氯六氢二亚甲基萘）艾氏剂（六氯六氢二亚甲基萘）2.氯丹（八氯六氢亚甲茚）氯丹（八氯六氢亚甲茚）3.狄氏剂和异狄氏剂（立体异构物，六氯环氧八氢二亚甲基苯）狄氏剂和异狄氏剂（立体异构物，六氯

50、环氧八氢二亚甲基苯）4.滴滴涕（双对氯苯基三氯乙烷）滴滴涕（双对氯苯基三氯乙烷）5.呋喃呋喃6.七氯（七氯化茚）七氯（七氯化茚）7.7.六氯苯六氯苯8.8.灭灭蚁灵（十二氯八氢化蚁灵（十二氯八氢化1 1，3 3，4 4甲桥甲桥2H2H环丁并环丁并cdcd戊搭烯）戊搭烯）9.9.毒杀芬（氯化莰烯）毒杀芬（氯化莰烯）10.10.多氯联苯多氯联苯11.11.二噁英（多氯二苯并对二噁英二噁英（多氯二苯并对二噁英PCDDSPCDDS、多氯二苯并呋喃、多氯二苯并呋喃PCDFPCDFS S）(7)持久性有机污染物持久性有机污染物(POPS)2001.5.22,联合国环境会联合国环境会议议，关于持久性有机污染

51、关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约物的斯德哥尔摩公约POPS特点特点 10种农药、2种工业化学品、二噁英是废弃物或垃圾焚烧产物 毒性大 不易降解n稳定性和持久性，生物积累。稳定性和持久性，生物积累。n很多含氯有机物，氯参与众多反应。很多含氯有机物，氯参与众多反应。POPS特点特点二噁英二噁英OO1999年在比利时出口的肉鸡中检出。年在比利时出口的肉鸡中检出。 氯代三环芳香化合物，包括多氯代二苯并二氯代三环芳香化合物，包括多氯代二苯并二噁噁英及多氯代英及多氯代二苯并呋喃。二苯并呋喃。210种异构体。种异构体。 化学性质稳定，一旦摄入，不易排出，不易分解，累积。化学性质稳定，一旦摄入，不易排出，

52、不易分解，累积。 致癌性、生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性等。致癌性、生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性等。 2,3,7,8-四氯二苯二恶英四氯二苯二恶英(2,3,7,8-TCDD）的毒性大于氰化钾）的毒性大于氰化钾1000倍，被称为地球上毒性最强的毒物。倍，被称为地球上毒性最强的毒物。 德国：奶制品中的含量必须小于万亿分之五，相当于德国：奶制品中的含量必须小于万亿分之五，相当于1106t奶制品中二恶英含量小于奶制品中二恶英含量小于5g。dioxinsClClClCl二噁英来源及对策二噁英来源及对策 80一一90源于城市垃圾焚烧源于城市垃圾焚烧 食物链，生物累积。食物链，生物累积。 超痕量检测技术。

53、超痕量检测技术。 垃圾无害焚烧（垃圾无害焚烧（850 C / 2s）。）。五、五、 石油污染石油污染 主要来源：工业排放、海上采油、油船清洗、意外事故。主要来源：工业排放、海上采油、油船清洗、意外事故。 重要水体污染类型之一，特别是重要水体污染类型之一，特别是河口、近海河口、近海水域。水域。 每年排入海洋的石油每年排入海洋的石油106107吨，世界产量的吨，世界产量的千分之五千分之五。 多方面危害：多方面危害： 形成油膜，阻碍水体复氧作用，形成油膜，阻碍水体复氧作用，使水中溶解氧减少。使水中溶解氧减少。 危害生物，抑制生物取食、呼吸活动。危害生物，抑制生物取食、呼吸活动。六、放射性污染物六、放

54、射性污染物主要来源：主要来源：1.开采、加工、使用放射性物质不当开采、加工、使用放射性物质不当核电厂核电厂冷却水冷却水放射性废物放射性废物2.核爆散落物核爆散落物3.核动力船舶事故泄漏的核动力船舶事故泄漏的核燃料核燃料水中主要的天然放射性元素：水中主要的天然放射性元素：40K、238U、286Ra、210Po、14C、3H等。在世界任何海区几乎都能测出等。在世界任何海区几乎都能测出90Sr、137Cs。危害：通过危害：通过食物链食物链对人产生对人产生内照射。内照射。七、无机污染物七、无机污染物 来源：自生活污水、工矿废水、废渣。来源：自生活污水、工矿废水、废渣。 水的水的矿化度矿化度 改变水的

55、渗透压，影响淡水生物生长；改变水的渗透压，影响淡水生物生长； 土壤盐碱化。土壤盐碱化。工业废水污染源工业废水污染源八、热污染八、热污染能量污染。能量污染。通常不指影响全球气候变化的各种温室气体、臭氧层损通常不指影响全球气候变化的各种温室气体、臭氧层损耗物质、气溶胶颗粒物等。耗物质、气溶胶颗粒物等。常见的热污染：常见的热污染：1.热岛效应：城市气温高于郊区、农村热岛效应：城市气温高于郊区、农村人口集中，建筑密集（生活、取暖、空调降温排热人口集中，建筑密集（生活、取暖、空调降温排热）工业生产排热工业生产排热大量机动车行驶大量机动车行驶2.水体温度升高水体温度升高溶解氧减少，某些毒物毒性提高，水质恶

56、化溶解氧减少，某些毒物毒性提高，水质恶化鱼类不能繁殖或死亡，某些致病微生物繁殖鱼类不能繁殖或死亡，某些致病微生物繁殖热电厂、核电站、炼钢厂热电厂、核电站、炼钢厂冷却水排放冷却水排放水污染对人类的影响水污染对人类的影响 中毒中毒 饮水或食物链饮水或食物链 急性、慢性中毒急性、慢性中毒 致癌作用致癌作用 砷、铬、镍、铍、苯胺、多环芳烃、卤代烃砷、铬、镍、铍、苯胺、多环芳烃、卤代烃 1997以来，癌症成为中国人第一死因，以来，癌症成为中国人第一死因，130万人万人/年死亡年死亡 引发传染病引发传染病 发生以水为媒介的传染病。发生以水为媒介的传染病。 细菌性肠道传染病：伤寒、痢疾、肠炎、霍乱细菌性肠道

57、传染病：伤寒、痢疾、肠炎、霍乱 病毒：流感、脊髓灰质炎、肝炎病毒：流感、脊髓灰质炎、肝炎 1988年上海甲肝流行年上海甲肝流行 。发病发病292301例，死亡例，死亡11例。例。 间接影响间接影响 农作物、渔业产量下降，质量降低；农作物、渔业产量下降，质量降低； 2005年年11月吉化双苯厂爆炸引起松花江污染月吉化双苯厂爆炸引起松花江污染 饮水饮水 渔业渔业 国际？国际？2.4 水污染物迁移、转化水污染物迁移、转化2.4.1 2.4.1 重金属在水体中的行为重金属在水体中的行为 显著生物毒性显著生物毒性 汞、镉、铅、铬、砷汞、镉、铅、铬、砷 锌、铜、镍、钴、锡锌、铜、镍、钴、锡也有一定毒性。也

58、有一定毒性。 其中最引人注目的是其中最引人注目的是汞、镉、铅、铬汞、镉、铅、铬等。等。一、重金属迁移转化的特点一、重金属迁移转化的特点1. 迁移转化形式多迁移转化形式多 溶解、悬浮、沉积溶解、悬浮、沉积2. 毒害毒害f(数量数量,形态形态)3. 不被微生物分解不被微生物分解富集富集毒害积累性毒害积累性金属有机金属有机化合物（化合物（毒性更大毒性更大）。4. 共存物质影响：协同作用，拮抗作用和相加作用。共存物质影响：协同作用，拮抗作用和相加作用。胶体吸附胶体吸附 胶体具有巨大的胶体具有巨大的比表面比表面、表面能表面能和带和带电荷电荷，强烈吸附各种分，强烈吸附各种分子和离子，对重金属离子在水体中的

59、迁移有重大影响。子和离子，对重金属离子在水体中的迁移有重大影响。 天然水体中存在着大量的悬浮颗粒物，如黏土矿物、水合氧天然水体中存在着大量的悬浮颗粒物，如黏土矿物、水合氧化物、腐殖质等。化物、腐殖质等。 重金属、农药大部分结合各类胶体微粒。重金属、农药大部分结合各类胶体微粒。 胶体絮凝沉降、扩散迁移等过程决定着污染物的去向和归宿。胶体絮凝沉降、扩散迁移等过程决定着污染物的去向和归宿。界面物理化学反应界面物理化学反应。 重金属主要富集于天然水体的固相。重金属主要富集于天然水体的固相。腐殖质腐殖质的吸附的吸附 重金属离子重金属离子锰锰- -离子交换为主；离子交换为主；铜、镍铜、镍- -螯合为主；螯

60、合为主；锌、钴锌、钴- -离于交换离于交换+ +螫合。螫合。R螫合作用螫合作用+离子交换作用离子交换作用OHCOOH+ M2+ ROCO M + 2H+O=二、几种重金属离子在水体中的行为二、几种重金属离子在水体中的行为Hg、Cd、Pb 毒性基础毒性基础 软软Lewis 酸；酸； 与软与软Lewis碱如巯基具有强亲合作用；碱如巯基具有强亲合作用；半胱半胱氨酸氨酸。HCCH2SHCOOHNH2n解毒药物：解毒药物：EDTA、二巯基丙醇等。、二巯基丙醇等。n解毒剂对重金属有强烈亲合力，并与之形成溶解度较大解毒剂对重金属有强烈亲合力，并与之形成溶解度较大的化合物后排除体外。的化合物后排除体外。 汞汞