水体污染与控制

水体污染与控制第1页，共54页，2023年，2月20日，星期六本章的主要内容第一节水体污染第二节水体自净作用与水环境容量第三节主要污染物在水体中的化学变化第四节水体污染的控制第2页，共54页，2023年，2月20日，星期六第一节水体污染一、水体及水体污染的概念

1、水体的概念水体是指河流、湖泊、池塘、水库、沼泽、海洋以及地下水等水的积聚体。在环境学中，水体不仅包括水本身，还包括了水中的悬浮物、溶解物质、胶体物质、底质(泥)和水生生物等。应把它看作完整的生态系统或完整的综合自然体来看。水体按其类型不同可以分成陆地水体和海洋水体以及地表水体和地下水体等。第3页，共54页，2023年，2月20日，星期六第4页，共54页，2023年，2月20日，星期六2、水体污染的概念人类的活动使得大量污染物质排入水体。一般排入的方式有两种，一种是直接向水体排入污染物质，另一种是随降水将大气污染物带到地面，再经雨水冲刷到水体中。这种方式也包括了将土壤中的污染物冲入水体的情况。排入水体的污染物质使水和水体底泥的物理、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，这种现象称为水体污染。

第5页，共54页，2023年，2月20日，星期六二、水质指标与水质标准1、水质指标水质是指水和其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合特性。水质指标则表示水中杂质的种类、成分和数量，是判断水质的具体衡量标准。水质指标项目繁多，总共可有上百种。它们可以分为物理的、化学的和生物学的三大类。第6页，共54页，2023年，2月20日，星期六●物理性水质指标●化学性水质指标●生物学水质指标第7页，共54页，2023年，2月20日，星期六几种常用的和主要的水质指标简单介绍：●悬浮物●污水的细菌污染指标●pH值●溶解氧●有机物含量●有毒物质指标第8页，共54页，2023年，2月20日，星期六2、水质标准无论是作为生活饮用水、工业给水、农业用水、渔业用水，还是作为航运、旅游或水能利用等等，都有一定的水质要求。即针对不同的用途，要建立起相应的物理、化学和生物学的质量标准，对水中的杂质加以一定的限制。此外，为了保护环境、保护水体的正常用途，也需要对排入水体的生活污水和工农业废水水质提出一定的限制和要求。这些要求就是水质的标准。第9页，共54页，2023年，2月20日，星期六三、水体污染源在向水体排放污染物的过程中，根据人类活动的不同形式，可以将水体污染源分成下面几种类型。

第10页，共54页，2023年，2月20日，星期六1、工业污染源2、城市生活污水3、农村污水和灌溉水4、船舶废水第11页，共54页，2023年，2月20日，星期六四、水体污染物1、病原体污染物2、需氧物质污染物3、有毒化学物质4、酸性、碱性物质和盐类5、石油污染6、放射性污染7、热污染第12页，共54页，2023年，2月20日，星期六第二节水体自净作用与水环境容量未经妥善处理的废水任意排入天然水体，会使水中的物质组成发生变化，破坏了原有的物质平衡造成水质恶化。但是，与此同时，污染物质也参与水体中物质转化和循环过程。经过一系列的物理、化学和生物学的变化，污染物质被分离或分解，水体基本上或完全地恢复判原来的状态，这个自然净化的过程就叫做水体自净。水体自净的过程十分复杂，受很多因素的影响。从机理上看，水体自净主要由下列几种过程组成：第13页，共54页，2023年，2月20日，星期六●物理过程：其中包括稀释、扩散、挥发、沉淀等过程；●化学和物理化学过程：其中包括氧化、还原、吸附、凝聚、中和等反应，●生物学和生物化学过程：进入水体中的污染物质，特别是有机物质，由于水中微生物的代谢活动而被分解氧化并转化为无机物的过程。第14页，共54页，2023年，2月20日，星期六一、废水在水体中的稀释和扩散稀释实际上只是将废水中的污染物质扩散到水体中去，从而降低这些物质的相对浓度。单纯的稀释过程并不能除去污染物质。第15页，共54页，2023年，2月20日，星期六1、稀释机理污染物质进入河流水体后，产生了两种运动形式：一是污染物质由于河水流速的推动沿着水流前进的方向运动。这一水流输送污染物质的形式，可称为推流或平流。以公式表示为：

Q1=vC

第16页，共54页，2023年，2月20日，星期六式中：Q1：污染物质推流量(mg／m2·s)；

v：河流流速(m／s)；

C：污染物质浓度(mg／m3)。由上式可见，河流流速越大，单位时间内通过单位面积输送的污染物质数量(污染物质推流量)越多。第17页，共54页，2023年，2月20日，星期六二是由于污染物质的进入，使水流产生了浓度的差异。污染物质就会由高浓度处向低浓度处迁移。这一物质的运动形式称为扩散。浓度差异越大，单位时间内通过单位面积扩散的污染物质的量(污染物质的扩散量)也越多。以公式表示为：

Q2=-KdC/dx

第18页，共54页，2023年，2月20日，星期六式中：

Q2

：污染物质扩散量(mg／m2·s)；

dC/dx：单位路程长度上的浓度变化值(mg／ms·m)；

C：污染物质浓度，x为路程长度。由于x值增大时C值相应变小，故dC/dx为负值；

K：扩散系数(m2／s)，它与河流的弯曲程度、河床底部的粗糙程度以及流速、水深有关。

推流和扩散是两种同时存在而又相互影响的运动形式，由此而产生污染物质的浓度从排入口往下游逐渐降低的稀释现象。第19页，共54页，2023年，2月20日，星期六2、水体混合稀释废水排入河流后，会因推流和扩散作用而逐渐与河水相混合，污染物质的浓度逐渐降低，此过程是逐渐的而不能马上与全部河水混合，其影响因素主要有：第20页，共54页，2023年，2月20日，星期六●河水流量与废水流量的比值。此值大时，就需要通过较长的距离，才能在整个河流断面上，达到完全均匀的混合；●废水排放口的形式。如果废水在岸边集中排放，则完全混合所需的时间和距离较长，如果是分散地排放于河流中央，则完全混合所需时间较短；●河流的水文条件，如河深、流速、河道弯曲状况、是否有急流、湍流等都会影响混合程度。第21页，共54页，2023年，2月20日，星期六显然，在未达到完全混合的河道断面上，只有一部分河水参与了对废水的稀释。参与混合稀释的河水流量与河水总流量之比称为混合系数：第22页，共54页，2023年，2月20日，星期六式中：a：混合系数；Q1：参与混合稀释的河水流量；Q：河水总流量。在完全混合的河道断面上及其下游，混合系数，而从废水排放口到完全混合断面的这段距离内，a＜1。第23页，共54页，2023年，2月20日，星期六当河道较为平直且无局部急流险滩的地段，混合系数也可以近似地用下式表示：式中：L1：废水排放口至计算断面的距离；L2：废水排放口至完全混合断面的距离。第24页，共54页，2023年，2月20日，星期六废水被河水稀释的程度，用稀释比n表示。它是参与混合稀释的河水流量Q1与废水流量q的比值：第25页，共54页，2023年，2月20日，星期六在实际工作中需根据具体情况来确定混合系数值。一般情况下可按经验，对于流速在0.2－0.3m／s的河流，取a=0.7：0.8，流速较低时，a=0.3：0.6左右；流速较高时，则可取a为0.9左右。如果能较好地设计废水排放口以促进废水与河水的混合，例如采用分散式排放口或将排放口伸入水体，并装置多孔出口等设备或把废水送到水流湍急的地方，则可以考虑取a=1。第26页，共54页，2023年，2月20日，星期六二、水体的生化自净废水进入河流后，除得到稀释外，其中的有机污染物质还会在水中微生物的作用下进行氧化分解，逐渐变成无机物质。这一过程称为水体生化自净。有机污染物质可以通过生化自净而消除或减少，而大多数无机污染物质只能通过稀释而降低其浓度，却并未减少其总量。第27页，共54页，2023年，2月20日，星期六1、水体中氧的消耗与溶解在有机物质被微生物氧化分解的过程中需要消耗一定数量的氧。这部分氧用于碳化作用和硝化作用之中。除此以外，废水中的还原性物质(如等)、沉积水底的淤泥在分解时，以及一些水生植物在夜间呼吸时，都要从水中吸收氧气，从而降低水中的溶解氧含量。由于这些原因，水体中的溶解氧会不断消耗着。第28页，共54页，2023年，2月20日，星期六上述各个过程所消耗的氧一般有三个来源：●水体和废水中原来含有的氧；●大气中的氧向含氧不足的水体扩散溶解，直到水体中的溶解氧达到饱和；●水生植物白天通过光合作用放出氧气，溶于水中，有时还可使水体中的氧达到过饱和状态。第29页，共54页，2023年，2月20日，星期六因此，水体中的氧气在被消耗的同时，又逐渐得到补充和恢复。这就是水体中的耗氧和复氧过程。所以当河流接纳废水以后，排入口(受污点)下游各点处溶解氧的变化是十分复杂的。在一般情况下，紧接着排入口的各点，溶解氧逐渐减少(见图6—1)。第30页，共54页，2023年，2月20日，星期六图6-1耗氧、复氧和氧垂曲线示意图第31页，共54页，2023年，2月20日，星期六因为废水排入后，河水中有机物较多，它的耗氧速度超过了河流的复氧速度。随着河水中有机物的逐渐氧化分解，耗氧速度逐渐降低。在排入口下游某点处终于出现耗氧速度与复氧速度相等得情况。这时，溶解氧的含量最低，过了这一点以后，溶解氧又逐渐回升。这一点称为最缺氧点。再往下游，复氧速度大于耗氧速度。如果不再受到新的污染，河水中的溶解氧会逐渐恢复到废水排入口之前的含量。第32页，共54页，2023年，2月20日，星期六2、氧垂曲线公式废水排入水体后，耗氧与复氧是同时进行的。将耗氧与复氧两条曲线叠合起来就可以得到氧垂曲线（图6-1）。氧垂曲线公式（称为Streeter-Phelps方程）如下：

第33页，共54页，2023年，2月20日，星期六式中：Dt--废水排入河流t日后，河水与废水的混合水中亏氧量；D0--废水排入点处（受污点），河水与废水的混合水中亏氧量；La——废水排入点处，河水与废水的混合水的第一阶段BOD。

第34页，共54页，2023年，2月20日，星期六三、水环境容量水体的自净作用说明了自然环境中存在着对污染物质的一定的容纳能力。从城市或工业企等排放出来的污水、废水并不一定要处理到完全达到相应的水环境质量标准的程度才能排入水体。一定水体在规定的环境目标下所能容纳污染物质的最大负荷量就称为水环境容量。其容量的大小与下列因素有关：第35页，共54页，2023年，2月20日，星期六1、水体特征水体的各种水文参数(河宽、河深、流量、流速等)，背景参数(水的pH值、碱度、硬度、污染物质的背景值等)，自净参数(物理的、物理化学的、生物化学的)和工程因素(水上的工程设施，如闸、堤、坝以及污水向水体的排放位置、排放方式等)。第36页，共54页，2023年，2月20日，星期六2、污染物特征污染物的扩散性、持久性、生物降解性等都影响环境容量。一般来说，污染物的物理化学性质越稳定，环境容量越小。耗氧有机物的水环境容量最大，难降解有机物的水环境容量很小，而重金属的水环境容量则甚微。第37页，共54页，2023年，2月20日，星期六3、水质目标水体对污染物的纳污能力是相对于水体满足一定的用途和功能而言的。水的用途和功能要求不同，允许存在于水体的污染物量也不同。根据我国地面水环境质量标准可将水体分为五类，每类水体允许的标准决定着水环境容量的大小。另外，由于各地自然条件和经济技术条件的差异较大，水质目标的确定还带有一定的社会性，因此，水环境容量还是社会效益参数的函数。第38页，共54页，2023年，2月20日，星期六假如某种污染物排入某地面水体，此水体的水环境容量可用下武表示：式中：W——某地面水体的水环境容量，

V——该地面水体的体积；

S——地面水中某污染物的环境标准(水质目标)’

B——地面水中某污染物的环境背景值；

C——地面水的自净能力。第39页，共54页，2023年，2月20日，星期六污染物进入水体以后会发生一系列变化，通过各种变化，污染物向以下几个方向转化。(1)分散在水体中，逐渐稀释；(2)分解和转化为其他物质；(3)沉淀在底泥中；(4)消耗水中的溶解氧，使水质恶化；(5)富营养化。污染物不同，迁移转化的方式也不相同，并且污染物的迁移转化有时可以沿几个方向同时进行。例如，某一污染物质在转化为其他物质的同时也会被分散和稀释等。了解污染物在水体中的迁移转化规律十分重要。第三节主要污染物在水体中的化学变化第40页，共54页，2023年，2月20日，星期六一、天然有机物的降解进入水体的天然有机化合物，如糖类、纤维素、脂肪、蛋白质等，一般较易通过生物降解。第41页，共54页，2023年，2月20日，星期六1、碳水化合物在水中的降解2、脂类降解3、蛋白质的降解第42页，共54页，2023年，2月20日，星期六二、碳氢化合物的降解石油中含有烷烃、烯烃和芳香烃等。石油进入水体后，就浮于水面，在水面扩展、漂流。其中一部分挥发在大气中，另一部分则形成乳化油滴，这些油滴附着在水体中的颗粒物或水生生物上下沉或扩散，逐步扩展污染范围。第43页，共54页，2023年，2月20日，星期六烃类在水中的变化主要有两种：一种是在光照下氧化，这种方式作用缓慢；另—种是依靠微生物降解。通过微生物的作用将其转化为酸类、醇类以及其他较易分解的化合物。然后再进一步降解。第44页，共54页，2023年，2月20日，星期六三、重金属的迁移转化1、重金属在水体中的转化方式2、几种主要重金属元素在水体中的迁移和转化第45页，共54页，2023年，2月20日，星期六四、农药的降解农药是水体中常见的污染物。有些农药在水体中较易分解，有些则比较稳定，能长期保持在水体中，对水体影响很大。第46页，共54页，2023年，2月20日，星期六1、非生物降解2、生物降解第47页，共54页，2023年，2月20日，星期六一、控制废水排放的措施1、改革或改进生产工艺，减少污染物质2、重复利用废水，使废水排放量减到最低水平3、回收废水中有用物质4、加强对水体及污染源的监测与管理第四节水体污染的控制第48页，共54页，2023年，2月20日，星期六二、充分利用水体自净能力水体受到污染后，在物理、化学和生物的作用下，逐步消除污染