(完整版)第三章水环境化学

第三章水环境化学

水环境化学是研究化学物质在天然水体中的存在形态、反应机制、迁移转化、归趋的规律与化学行为及其对生态环境的影响。解决哪些问题？

1.进入天然水体的化学物质有哪些？其来源怎样？

2.天然水体由哪些物质组成，具有哪些基本性质？

3.化学物质进入水体后存在哪些迁移、转化方式、最终的存在形态怎样？

4.天然水体受到化学物质污染后，会对生态环境和人体健康产生哪些影响？第一节天然水的基本特征和存在状态第二节水中无机物的迁移转化第三节水中有机物的迁移转化第四节水质模型第三章水环境化学概述水的概述地球上水的总量约13.86万亿立方米，但其中97.5%的水是海水咸水，2%的水被冰川、冰帽所覆盖，剩下的部分则储藏在地下深处人们难以取用。可供人类利用的淡水资源仅有0.26%左右。水危机！据联合国公布的《世界水资源开发报告》：全球用水量在20世纪增加了6倍，其增长速度是人口增速的2倍。40%的人缺乏基本卫生设施。每年有310万人因不洁饮用水引发相关疾病而死亡，其中近90%是不满5岁的儿童。世界水日：3月23日我国水资源现状：总量丰富，人均较少我国水资源总量约为2.8万亿立方米，居世界第6位。但由于人口众多，人均水资源占有量不足仅为2200立方米，约为世界人均占有量的1/4，被列为世界几个人均水资源贫乏的国家之一。水资源时空分布不均，南多北少比如，黄淮海流域人口占全国的34.7％，水资源量却只占全国的7.6％，人均水资源量仅有474m3，属于严重缺水地区；而首都北京，人均水资源量不足３００m3，是世界上最严重缺水的特大城市之一。水体污染和浪费现象严重目前，长江区的太湖水系、西北诸河、淮河区、黄河区和海河区有近一半的水源地水质不合格；松花江区和辽河区不合格水源地占三分之一，我国有1.9亿人饮用水有害物质含量超标。

2003年我国万元GDP用水量为465m3，是世界平均水平的4倍；农业灌溉用水有效利用系数为0.4～0.5，是发达国家的1/2；水的重复利用率为50％，发达国家已达到了85％；全国城市供水管网漏损率达20％左右。水危机的出现根据水利部《21世纪中国水供求》分析，2010年我国工业、农业、生活及生态环境总需水量在中等干旱年为6988亿立方米，供水总量6670亿立方米，缺水318亿立方米。这表明，2010年后我国将开始进入严重的缺水期。

这份报告还称，2030年，我国将缺水400亿立方米至500亿立方米，缺水高峰将会出现。第一节天然水的基本特征和存在状态一、天然水的基本特征在水污染化学中，水体指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等贮水体的总称。水体的组成不仅包括水，而且也包括其中的悬浮物质、胶体物质、溶解物质、底泥和水生生物，所以水体是一个完整的生态系统。图水环境体系（水体）（1）主要离子阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+阴离子：HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-总含盐量（TDS）：

TDS=[Ca2+＋Mg2+＋Na+＋K+]＋

[HCO3-＋SO42-＋Cl-]（2）微量元素和营养物质金属离子：Fe、Cu、Cd、Hg、As等营养元素：氮、磷、硅等其存在形态与水的酸碱性、氧化还原性有关。（3）可溶性气体一般情况下，天然水中存在的气体主要有氧气、二氧化碳、硫化氢、甲烷等。可溶性气体对于水生生物的生存非常重要。可溶性气体溶解度计算：

亨利定律

X(g)X(aq)[G(aq)]＝KH×pGKH: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。溶解于水中气体的量可能高于亨利定律表示的量。氧在25℃，1.013X105Pa下溶解度计算：由亨利定律[G(aq)]=KH*pG

不同温度下，气体在水中溶解度的计算：

CO2在25℃，1.013X105Pa下溶解度计算

（4）水体富营养化(eutrophication)

由于水体中氮磷营养物质的富集，引起藻类及其他浮游生物的迅速繁殖，使水体溶解氧含量下降，造成藻类、浮游生物、植物、水生物和鱼类衰亡甚至绝迹的污染现象。

（4）水生生物富营养化：在许多情况下，P是限制的营养物生化需氧量：表示水中有机物经微生物分解时所消耗的溶解氧的数量，以mg/L作单位。2.天然水的性质（1）碳酸平衡CO2在水中的形态：H2CO3*（CO2、H2CO3

）、HCO3-、CO32-化学反应平衡：

分布分数：α0

、α1、α2分别表示化合物在总量中的比例则：

α0=[H2CO3*]/{[H2CO3*]+[HCO3]+[CO32-]}α1=[HCO3-]/{[H2CO3*]+[HCO]+[CO32-]}α2=[CO32-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}CT=[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]

试计算封闭体系和开放体系中各碳酸形态的表示式？（1）封闭体系总碳酸量不变（2）开放体系

[H2CO3*]保持不变封闭体系：开放体系：（2）天然水的酸度和碱度碱度(alkalinity)：水中能与强酸发生中和作用的所有物质。组成水中碱度的物质可分为：

A.强碱，如NaOH、Ca(OH)2；

B.弱碱，如NH3、C6H5NH2；

C.强碱弱酸盐，如NaCO3、Na3PO4等。测定方法：酸碱滴定，双指示剂法

H++OH-=H2OH++CO32-=HCO3-

(酚酞终点)

H++HCO3-=H2CO3

(甲基橙终点)总碱度：即加酸至HCO3-、CO32-全部转化为CO2。此时溶液的pH约为4.3。总碱度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]酚酞碱度：OH-被中和，CO32-全部转化为HCO3-。此时，溶液的pH约为8.3。酚酞碱度=[CO32-]+[OH-]-[H+]-[H2CO3*]苛性碱度：达到pHCO32-

所需酸量时的碱度。苛性碱度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]酸度（Acidity）：水中能与强碱发生中和作用的全部物质。组成水中酸度的物质可分为：A.强酸，如HCl、H2SO4；B.弱酸，如CO2、H2CO3、各种有机酸等C.强酸弱碱盐，如FeCl、Al2（SO4）3等。总酸度:用碱滴定酸至pH=10.8可得到总酸度总酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]CO2酸度:以酚酞为指示剂，滴定到pH=8.3CO2酸度=[H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]无机酸度:以甲基橙为指示剂，滴定到pH=4.3。无机酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]解：总碱度＝cT（α1＋2α2)＋Kw/[H+]-[H+]

cT＝1/(α1＋2α2){[总碱度]+[H+]-[OH-]}设α＝1/(α1＋2α2)

当PH在5－9范围内、[碱度]>10－3mol/L时，[H+]，[OH-]项可以忽略，从而得到简化式：

cT＝α[碱度]

当PH=7，查表α1＝0.816,α2=3.83X10－4，则α＝1.22

cT＝α[碱度]＝1.22X1.4=1.71mmol/L

若加强酸将水pH值降到6.0，cT不变，而α查表得3.25[碱度]＝cT/α＝1.71/3.25=0.53mmol/L

碱度降低值就是应加入酸量：加入酸量＝1.4-0.53=0.87mmol/L二、水中污染物的分布和存在形态水中污染物

耗氧污染物

致病污染物合成有机物植物营养物无机物及矿物质沉积物放射性物质热污染2.水中污染物来源工业废水生活污水其他来源：农业排水城市垃圾和工业废渣大气降落物天然污染物3.污染物的分布和存在形态分布溶解态、悬浮颗粒物、沉积物、水生生物存在形态离子态、络合物、配合物、沉淀物

污染物对水生生物的毒性不仅与污染物的浓度有关，而且与污染物的种类和存在形式有关。4.水污染案例日本水俣病（甲基汞）：经过：1950年在水俣湾附近渔村中，发现一些猫步态不稳，抽筋麻痹，最后跳入水中溺死，当地人谓之“自杀猫”。1953年水俣镇发现一个生怪病的人，开始只是口齿不清，步态不稳，面部痴呆，近而耳聋眼瞎，全身麻木，最后神经失常，一会酣睡，一会兴奋异常，身体弯弓，高叫而死。1956年在这个地区又发现五十多人患有同样症状的病。经过对病的调查和研究，在1962年才确定水俣病的发生是由于汞的环境污染，特别是常期食用被污染的鱼和贝类引起的甲基汞慢性中毒。原因：1932年，日本氮肥厂于水俣工厂生产氯乙烯和醋酸乙烯，其制造中需用含汞的催化剂。这些含汞废水任意排入水俣湾，在鱼类身体富集，并转化为甲基汞。人体食用含有甲基汞的鱼后，造成中毒。日本痛痛病（镉污染）

1956年神通川下游出现一种全身骨痛的病人，病因不明，故称痛痛病。直到1961年才查明该病与神冈炼锌厂排放的含镉废水有关。经检查该地区的水源和稻米中，以及死亡病例的器官组织中均含有大量的镉。病人多是年过40岁的妇女，生育过子女，并在流行地区生活居住长达30年以上。1967～1982年间正式诊断132例，其中90例已死亡。乌脚病（砷）乌脚病就是流行于我国台湾省西南海岸的地方性末梢血管阻塞性疾病。此病由于下肢的罹患率高于上肢，而且发病后，患肢的皮肤变黑，故称为乌脚病。乌脚病的发病原因，据流行病学的研究提示，与长期饮用含多量砷的深井水有关。“鬼剃头”（铊）云贵高原东缘是著名的水银矿区，水银矿中的伴生矿铊随水流至贵州铜仁一带，在雨水多、温度适宜的春夏季，由于土壤中的酸性增强，铊遇酸便分解为铊离子，随雨水的冲刷而浸渍到农作物中，人们食用这些农作物后，便会产生神经麻痹、脱发等中毒症状，使一些姑娘的满头秀发在一夜之间便全部脱当，人们惊奇地称之为“鬼剃头”，医学上的名称叫做“斑秃症”。三、水中营养元素及水体富营养化1.水中营养元素

水中的N，P，C，O和微量元素如Fe，Mn，Zn是湖泊等水体中生物的必需元素。近年来的研究表明，湖泊水质恶化和富营养化的发展，与湖体内积累营养物有着非常直接的关系。通常使用N/P值的大小来判断湖泊的富营养状况。当N/P值大于100时，属贫营养湖泊状况。其值小于10时，则认为属富营养状况。2.水体富营养化

富营养化是湖泊分类和演化的一种概念，是湖泊水体老化的自然现象。湖泊由贫营养湖演变成富营养湖，进而发展成沼泽地和旱地，在自然条件下，这一历程需几万年至几十万年。但如受氮、磷等植物营养性物质污染后，可以使富营养化进程大大地加速。这种演变同样可发生在近海、水库甚至水流速度较缓慢的江河。

定义：是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。分为：天然富营养化和人为富营养化。引起原因：由磷、氮的化合物过多排放，铁、锰等微量元素及有机化合物的含量大大增加而引起水体中某些浮游植物、原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集。湖水营养化程度判定标准：总磷：是指正磷酸盐、聚合磷酸盐、可水解磷酸盐以及有机磷的总浓度。总氮：是指水体中氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮和有机氮的总浓度。叶绿素含量：是指水体中绿色物质的含量。一般总磷超过0.02mg/L，无机态氮超过0.3mg/L,即处于危险状态。

水体氮、磷营养物的来源：自然源：氮为1500万吨/年，磷为1000万吨/年；人为源：氮为700－3500万吨/年，磷为60－375万吨/年。其中氮仅有约44万吨、磷约30万吨进入深海的悬浮沉积物中。其中：1、生活污水2、工业废水3、农业排水4、家畜排水5、水产养殖6、雨水7、底泥3.富营养化形成机理：（1）流域污染物排入湖泊是湖泊富营养化发生最关键的因素之一。（2）富营养化湖泊中化学平衡发生变化。（3）湖泊生态遭到严重破坏，生物群落发生明显变化。（4）湖泊内源营养物质的释放。富营养化的防治：1、减少污染源2、污水中氮、磷的去除。①除氮：物理化学法（氯气法、吹脱法和选择性离子交换法去除氨态氮和生物脱氮技术。②除磷：物理除磷法、化学除磷法和生物除磷法