第七讲-水体自净.ppt

第二章水体污染与水体自净 2 1水体及水体环境条件2 1 1水体概念2 1 1 1水体 水环境 的概念 具有二种含义 一般指海洋 河流 湖泊 水库 沼泽及地下水等贮水体 载体 的总称 从环境学概念 水体不仅包括水 H2O 还包括水中悬浮物 溶解物质 底泥及水生生物等 故称水体是一完整的生态系统 或称为是一个完整的自然综合体 天然水的特点 天然水是成份十分复杂的溶液 含有三大类物质 悬浮性物质 10 7 10 3m um mm 1 无机悬浮物质 主要来自地表 由于降雨径流的冲刷与搬运带入水体中 为非溶性矿物微粒 2 有机悬浮物质 指水中浮游生物 包括浮游植物和浮游动物 及微生物 指水中细菌 真菌等 悬浮性物质 透光性 光合作用 水中溶解氧 2 胶体物质 d 10 9 10 7m um nm 1 无机胶体 硅酸盐 水合氧化物 氧化铁 氧化铝等 粘粒矿物 蒙脱土 伊利土等 2 有机胶体 有机腐殖质 主要由C H O组成 达98 5 及少量的N P K Ca等3 有机无机复合胶体 3 溶解性物质 d 10 9m 1 无机物类 系指八大离子 八大离子含量可达溶解固体总量的95 2 气体 主要指O2 CO2 N2 H2S NH4其中 O2 CO2对水体的质量及水生生物的生长影响很大 天然水体中的溶解氧 以DO DissolveOxgyen 表示 DO的来源 空气中氧气的溶解 水生植物光合作用产生的氧气 DO的消耗 水体中有机物降解过程中的耗氧 水中水生生物呼吸作用过程中的耗氧 以上二个方面的综合作用确定了水中DO的实际含量 一般DO介于1 14mg L之间 水中DO浓度达到最大值时称作饱和溶解氧浓度 以Os表示 可与温度建立经验关系 mg L 式中 T为温度 天然水体中DO对水环境的影响 DO是水生生物生活的必要条件 如鱼类要求DO 5mg L 若DO 1mg L 则会造成鱼类的死亡 如水体缺少DO 则水中厌气性细菌会繁殖并活跃起来 会使有机物发生腐败分解 同时产生甲烷 CH4 硫化氢 H2S 等恶臭气体 并使水体发臭变黑 水体中DO含量较多的情况下 DO可促使好氧性细菌对有机污染物的降解 可见 水体中DO含量是反映水体水质好坏的一个重要参数 地表水环境质量标准规定 I类水 7 5mg L II类水 6mg L III类水 5mg L IV类水 3mg L V类水 2mg L 天然水体中的二氧化碳CO2 水体中CO2的来源 有机物分解时产生的CO2 水生生物的呼吸作用而释放出来的CO2 来自大气中CO2在水中的溶解 特殊的地质条件使水体中CO2含量增加 水体中CO2的影响 是水生植物光合作用不可缺少的原料 水体中CO2过多 会造成对水生生物的麻醉作用和毒害作用 水中CO2又称为侵蚀性CO2 会对水下混凝土及金属产生腐蚀 水体中水生生物的特征 由于水生生物的空间分布和生活方式不同 一般可以将水生生物分为以下几个的生态类群 1水微生物 Micro Organism 水中微型生物的总称 主要指水中的细菌 真菌 霉菌和酵母菌 等 其结构简单 形体微小 以微米计 但繁殖快分布广 对水质有极大的影响 2浮游生物 Plankton 指在整个水层中能浮游生活的植物和动物的统称 它们的个体都比较小 一般无运动能力 只能在水中随波逐流 其包括 海水藻 A 浮游植物 指各种浮游性的藻类 如绿藻 兰藻 硅藻等 构成万紫千红的水中植物世界 颤藻 螺旋藻 B 浮游动物 有四大类 原生动物 是动物界最原始最低等的单细胞动物 轮虫 多细胞低等无脊椎动物 身体多为圆筒形或纵长状 技角类 是小型甲壳动物 统称水蚤 体短 分节不明显 桡足类 亦为小型浮游甲壳动物 身体纵长 可明显地分为头胸部和腹部 以藻类为食物 轮虫技角类桡足类浮游动物 3水底生物 是指生活在水体底部的各种动植物总称 根据生存的场所和生活方式的差别 又细分为 A 固着生物 指以根或胶质柄固着在水底底泥或各种附着物上生活的水草和藻类 还有某些原生动物亦可在水底固着生活 B 底栖生物 指栖息在水底底泥上或埋在底泥中稍能活动的各种动物 如蠕虫动物 水蚯蚓 水生昆虫 摇蚊幼虫 浮游稚虫等 几种水蚯蚓 摇蚊幼虫 4浮泳动物 这是一类有发达运动器官和很强运动能力的水生生物 如各种鱼类 水体底泥 水体底泥是水体的组成部分 未受到人为污染的水体底泥其组成情况与邻近的陆地基本相同 底泥来自各种外来物 如地面径流的冲刷 污水排放 废弃物的倾倒 起初主要以悬浮形式存在于水中 由于流速的降低及吸附聚沉等作用而沉积水底形成了底泥的组成部分 悬浮物质的沉降包括 固体粒子的沉降其与粒径 比重等有关 溶解物质的沉降其途径有 被固体粒子的吸附后沉入水底 水生生物的吸收聚集于体内 最终随残体沉淀于底泥 通过化学反应生成不溶的物质而沉淀 研究水体中底泥的意义 污染物可被底泥固定或被消除 成为消纳污染物场所 可使水本身得到自净 但另一方面 在一定条件下底泥中的污染物也可以重返到水中 造成水的二次污染 水体底泥是水生底栖生物的良好生活环境 底泥各层的情况可以反映水体污染的状况 历史的和现在的 2 1 2水生态系统 能量流动 太阳辐射能被绿色植物吸收后 通过光合作用 转变成化学能固定在有机物中 然后转移到草食性动物 再向更高级的消费者流动 这些有机物质 最后由细菌所分解 将植物光合作用所固定的能量散逸到环境中 此外 各种生物在新陈代谢作用中 自身也会消耗掉一部分有机物 并以热的形式散逸到环境中 能量的这种通过生物系统流动的现象仅是单向的 故称为能量单向流动 1 生产者 亦称自养者 Producer Autotrophs 是指水体中的绿色植物 它们可以依靠体内叶绿素的特殊功能 光合作用 利用太阳能 将水中简单无机物 CO2 H2O 化合成有机物质 碳水化合物 同时释放出氧气 其中 CH2O 代表合成的以碳水化合物为主的有机物 2 消费者 亦称异养者 Consumer Heterotrophs 是指本身不能制造有机物 在水体中靠吞食其他生物来维持生命活动的各种生物 消费者按其食性及取得食物先后次序分为若干等级 初 第一等级消费者 草食动物 次 第二等级消费者 第一级肉食动物 第三级消费者 第二级肉食动物 以此类推 一般不超过4 5级 各种细菌的形态 3 分解者 Decomposor 指水体中微生物 真菌 细菌等 其功能专门是将有机物分解为无机物 水生态系统示意图 按类型划分 在地球上分为二类 1 海洋水体 2 陆地水体 A 地表水体 B 地下水体 2 1 3水体类型 海洋水97 4 淡水2 53 按流动特征划分 1 流动水体 2 静水水体 1 河流水环境条件 属动水水体 动水条件 污染物可随水流动 易于迁移 动水面与大气交界面可以相互混渗 氧气易于进入水中 即复氧条件好 有利于有机污染物的降解 水生生物的生长 使水质向好的方向转化 河底不同底泥对水生生物 植物与动物 影响较大 2 湖泊水环境条件 属静水水体 夏季 典型的深水湖泊有明显的垂直分层现象 其原因是太阳辐射随水深而减弱 可分为 2 1 4水体环境条件 河流 湖泊水库 等温层 Isothermallager 亦称作暖水层 位于湖泊的上层 水温一致 温跃层 Thermocline 亦称温度突变层 位于等温层以下 温度迅速下降 通常水深每增加一米 温度至少下降1 冷水层构成湖水下层 是一个接近于4 39 的冷水层 冬季 呈上层温度低 下层温度稍高 由于夏冬水温分布不同 溶解氧含量随水深变化亦不同 夏季 溶解氧上层最多 底层最少 冬季 沿水深溶解氧浓度都较高 变化不大 从生物学观点 湖沿水深分为2个带 补偿深度 当光照强度等于水面日光辐射的1 的相应深度 这个深度上的光能正好足以使光合作用产生的氧与自养生物的呼吸作用需要的氧相平衡 1 水面日光照辐射 补偿深度将湖水分为两个带 光亮带 层 在补偿深度以上 自养生物占优势 2深暗带 层 因该带光线弱 异养生物占优势 3 水库水环境条件其环境条件介于湖泊与河流之间 2 2水体污染及其危害 2 2 1水体污染定义与水体自净的定义主要是由于人类活动排放的污水进入河流 湖泊 海洋或地下水等水体 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 引自 中国大百科全书 环境科学分册 美国关于水污染法定的定义 Theterm Pollution meansman madeorman inducedalternationofchemical physical biological andradiologicalintegrityofwater Thetermintegritymeans beingunimpaired therefore alternationofintegritymeansimpairmentorinjury QuotedfromtheCleanWaterActSec 502 19 U S Congress1987 以上两个水污染的定义都强调 2 2 2不同天然水体的污染特点 河流污染特点 1 属污染物易于搬运的开放型污染物质在河流中运移的方式主要是随流运动及扩散运动 水污染主要是人为因素造成的而不是自然因素造成的 污染造成了水 水体底泥的物化性质以及生物群落组成发生变化 降低了使用价值 2 污染程度随径流量变化而异径流量Q 稀释能力 污染程度 3 河流的自净能力强主要由于水流动快 与大气混掺能力强 故复氧能力大 4 河流的污染易于控制 2 湖泊水库污染的特点 湖泊稀释和搬运能力弱 属于污染物循环中易于沉积封闭类型 湖泊对污染物质的转化和富集作用强 湖泊的富营养化 是湖泊污染易发生的一种类型 湖泊水温分布随季节变化而异 在夏季有分层现象 则对水的生物特性及化学活性都有影响 地下水是存在于地表以下 充满在土壤岩石孔隙和裂缝中的水 水流动十分缓慢 故其污染不同于地表水 其特点是 地下水污染过程十分缓慢 污染物随水分下渗达地下水之前 沿程会被土壤颗粒截留 过滤 吸附和分解 故地下水不易被污染 地下水污染途径有直接污染和间接污染两种情况 直接污染 污染物直接随水分渗入地下水 如工业废水的渗入 氮素随灌溉水渗入地下水等 3 地下水污染 地下水一旦受污染 难以净化复原 故地下水保护重在预防 间接污染 地表污染物随水分下渗过程中 可作用于土壤中的其它物质 产生化学反应生成另一种污染物而污染地下水 如 地表的酸碱盐类在下渗过程中会使土壤中的钙鎂溶解并带入地下水使得地下水硬度增加 地表水中有机物在下渗过程中 被土壤微生物降解而耗氧 故带入的溶解氧较少 2 2 3水体污染物质的主要来源 1 水体污染源的定义 引起天然水体水质变化的物质称为污染物 而任何向天然水体排放污染物的场所 设备和装置 称为水体污染源 2 水体污染源的分类 按污染物生成特点污染源可以分成两类 污染物从独立的可以确定的位置进入水体 污染物可被测定 例 城市生活污水的集中排放 工矿企业 工业废水的集中排放 牲畜集中喂养场污水的排放 污水处理场的出水 集中垃圾场的渗滤水 1 点污染源 pointsourcesofpollution 定义 污染物从大面积范围产生的 污染物从四面八方排入水体 并不是从某一个固定的位置进入水体 污染物产生在广阔的面积上 以扩散形式 可以是不连续的进入水体 而且在进入水体之前已经在地面上输移 对污染物进行测定较难 扩散型污染的范围与气象事件 地貌地质条件有关系 例 农业地区 牧区 草原或森林地区的地面径流 城市地面的径流 大气中湿的或干的沉降 包括酸雨 降尘等 施工工地的地面径流 2 非点污染源 面污染源 NonpointSourcesofPollution 1 自然污染源 指因自然因素造成的污染源 例 特殊的地质条件 如有的温泉水中富含硫元素 火山爆发 可使某些化学元素富集 天然植物在自然死亡腐烂过程中会产生某种毒性物质 以上这些物质进入水体中会造成污染 2 人为污染源 指人类的活动 生活和生产活动 中直接或间接把污染物排入水体而形成的污染源 如工业废水 生活污水等 按形成原因分类 1 工业废水 其特点是量大 污染物种类多 成分复杂 毒性强 工业废水是当前水体污染的主要来源 其排放形式集中 故为点污染源 2 城市污水 城市污水包括生活污水 通过城市下水道并与工业废水及城市降水形成的径流混合后排入水体 故其成分十分复杂 3 人为污染源简介 生活污水的成份十分复杂 包括 有机污染物 淀粉 脂肪 蛋白质 糖类 尿素等 植物营养物 N P等 病源微生物 主要来自医院污水 无机污染物 N Ca Mg 碳酸氢盐 氯化物 硫化物 磷酸盐等 3 农田排水 农田施用各种化肥 农药 除被作物吸收或被分解与发挥外 大部分残留在土壤和水中 可随农田排水或降雨径流排入水体造成污染 它属非点污染源 往往会造成水体的富营养化问题 4 大气沉降物 降沉与降水 大气污染物主要来自矿物燃烧及工业生产过程中产生的二氧化硫 氮氧化物 碳氢化合物以及排出的有害有毒气体和粉尘等 它属非点污染源 这些污染物可以自然降落或随降水带入水体而造成污染 例如湖泊酸化问题 5 工业废渣和城市垃圾 工业废渣指工业生产过程中产生的固体废弃物 城市垃圾指生活垃圾 商业垃圾等 水体中主要污染物的分类 按化学毒性分 1 无机无毒物 酸碱及一般无机盐 氮磷等植物营养物 2 2 4水体中的主要污染物及其危害 2 无机有毒物 主要指各类重金属 汞 镉 铅 铬 砷 及氰化物 氟化物 3 有机无毒物 水中易被分解的有机化合物 如碳水化合物 糖类 脂肪 蛋白质 纤维素等 肺炎杆菌 4 有机有毒物 苯酚 多环芳烃及各种人工合成的具累积性的稳定有机化合物 如有机氯 有机磷 农药 有机汞等 5 致病的微生物 主要指生活污水 屠宰工厂及医院等排出的废物水 都含有各类的病原体 病菌 病毒及寄生虫等 大肠杆菌 致病的微生物污染造成的污染事故 1848年 1854年英国发生霍乱 各死亡约万余人 1892年德国汉堡霍乱流行 死亡7500余人 1991年1 4月 南美秘鲁发生霍乱 30万人染病 死亡达750人 经济损失达10亿美元 1995年 非洲津巴布韦爆发疟疾 25万人染病 50500人死亡 据统计 全球有1 4可预防的疾病是由于环境污染造成的 1 7的死亡仅仅是由于没有干净的饮水和卫生设施造成的 2 2 4 1 需氧污染物 Aerobicorganicpollutant包括碳水化合物 蛋白质 脂肪 糖类 木质素等有机化合物 大部分有机物呈胶体微粒状 主要由碳 氢 氧组成 占全部重量的98 5 其特点是 一般不具有毒性 容易被微生物所分解 最终分解为简单的无机物 如二氧化碳和水 但在分解过程要消耗水中的溶解氧 故称需氧污染物 例如葡萄糖的分解 主要污染物可归纳成以下几种 降低水中的溶解氧 水中含10mg L有机污染物 若全部分解掉 则要消耗水中约12mg L氧 一般情况下 水温20 正常大气压 水中氧含量为9 17mg L 需氧污染物的危害 在缺氧的水环境中 有机物经厌氧微生物不完全分解则会是放出硫化氢 氨及甲烷等有毒难闻的气体 使水色变黑发臭 需氧污染物的表示法 由于需氧污染物化学组成十分复杂 主要由C O H 占98 5 组成 还有其他元素 S N P K Ca等 如氨基酸 是蛋白质的基本单元 分子式 RCH NH2 COOH 式中 R表示氢氧根 因此 对每种有机污染物中各种成份进行定量测定相当困难 如何定量确定 根据需氧污染物分解要耗氧的特点 故采用有机污染物完全分解时氧的需要当量或其他物质当量来表示需氧污染物的含量 一般采用以下几个指标 水中有机污染物在微生物分解下消耗氧可分为二个阶段 第一阶段 炭化阶段 其有机污染物分解反应速度dL dt与有机污染物当时t时刻的浓度L成正比关系 即符合一级动力学反应规律 1 生 物 化 学 需氧量 BOD Bio ChemicalOxygenDemand 式中 L 碳化阶段有机污染物在t时刻的浓度 即水中剩余的有机污染物含量 以BOD mg L 表示 即要分解这部分有机污染物的所需的耗氧量 dL dt 表示为碳化阶段有机污染物的反应速度 右式负号表示有机污染物在不断减少 mg L d K1 碳化阶段反应速度常数 耗氧系数 1 day 若已知初始时刻t 0 L L0 求解上式一阶常微分方程得 可见L随时间t按指数函数规律递减 若令被微生物分解的那部分有机污染物含量为y 亦以BOD表示 则 第二阶段 硝化碳化阶段 Nitrification 在该阶段 硝化阶段也符合一级动力学反映规律 式中 Ln 硝化阶段t 时刻有机污染物的含量 以BOD表示 mg L Kn 硝化阶段的反应速度常数 1 day Kn K1 若已知硝化阶段初始时刻t 0 即t tc tc为碳化结束的时刻 有机污染物含量为LN LN0 则方程的解为 那么在这二个阶段 炭化 硝化 在t时刻被分解的有机污染物总量 以BOD表示 mg L 应为 在硝化阶段 在t t tc时刻被分解的有机污染物含量为 碳化硝化阶段的有机污染物分解过程示意图 L 有机污染物在t时刻的浓度 即水中剩余的有机污染物含量 y 在t时刻被分解的有机污染物总量 由于Kn K1 故与碳化阶段比较 在硝化阶段有机污染物分解的耗氧量很少 yn y 对水环境影响不大 因此 水体中生化需氧量BOD通常指碳化阶段的生化需氧量 采用实验方法测定水中有机污染物量主要测定碳化阶段的耗氧量作为水体中有机污染物含量的指标 碳化阶段一般历时20天 但在实际工作中仍嫌时间过长 故统一规定测定时间为5天作为测定BOD的标准时间 简称5日生化需氧量 记为BOD5 测定BOD5的方法 将需要测定的水样置于恒温箱中 应用SXI 1A生化需氧量测定仪来测定水样中的初始时刻的DO0及第五天的DO5 则五日生化需氧量为 BOD5 DO0 DO5 2 化学需氧量 ChemicalOxygenDemand COD 指在一定严格条件下 用化学氧化剂与水中有机污染物反应所消耗的氧量 记为COD 目前常用二种测定方法 高锰酸钾法 即以高锰酸钾 KMnO4 作为氧化剂 加入待测定的水样中 煮沸10分钟后 测定KMnO4的消耗量 折算成单位体积水样的耗氧量 以CODMn表示生化需氧量 重铬酸钾法即以重铬酸钾 K2Cr2O7 亦称为红矾 是制造火柴的一种原料 为氧化剂 测定时 将K2Cr2O7加入水样中 以硫酸银作为催化剂 经过2小时后 测定K2Cr2O7的消耗量 折算成单位体积水样的耗氧量 以CODCr表示生化需氧量 优点 COD测定时间较短 一般2 3h即可 且不必受恒温条件 如测BOD5 的限制 不受水样水质条件的限制 不足点 利用化学氧化剂测出的CODcr 或CODMn 值都不能反映天然水体中微生物分解那一部分有机污染物量 高锰酸钾法和重铬酸甲法的优点与不足 若水体中各种有机污染物组成较稳定 则各种方法测出的需氧量的相对大小是 3 总有机碳 TOC Totalorganiccarbon 有机污染物为各种形式的碳水化合物 若直接测定有机物中的C量 也可以反映有机污染物的含量 采用燃烧法 将水高温燃烧 900 以铂为催化剂 则水中的C CO2 采用红外线分析仪测定CO2 经过换算可以确定出水样中的总C量 扣除水样中碳酸盐的无机碳的含量 则可以得出总有机碳TOC mg L 有机污染物中除含C元素外 还有S N H等元素 当有机物全部被氧化时 反应过程都要耗氧 此时全部所消耗的氧量称为总需氧量 采用燃烧法测定 以铂为催化剂测定耗氧量 以此来表示有机物量 4 总需氧量 TOD TotalOxygenDemand 水体中有机污染物的主要来源 城市生活污水 如未经处理的生活污水BOD5 300 500mg L 工业废污水 主要来自食品 制革 印染 焦化 石油等产业 如 皮革厂 BOD5 220 2250mg L 焦化厂 BOD5 1420 2070mg L 牲畜污水 如牛圈 4300mg L 猪圈 1200 1300mg L 2 2 4 2水体植物营养物及其危害 1 富营养化 定义 Eutrophication 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 引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖 水体溶解氧量下降 水质恶化 鱼类及其他生物大量死亡的现象 在自然条件下 湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态 沉积物不断增多 先变为沼泽 再变为陆地 不过这种自然过程非常缓慢 常需几千年甚至上万年 而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化现象 可以在短时期内出现 水体富营养化表观现象 水体中浮游生物大量繁殖 因占优势的浮游生物颜色不同 水体可以呈现不同颜色 蓝色 红色 棕色等 这种现象发生在湖泊称水华 Waterbloom 发生在海湾 洋 称赤潮 Redtide 是水体富营养化的主要标志 富营养化造成的湖泊水华现象 海湾河口的富营养化现象 1 水质恶化 具体表现在 水中藻类大量繁殖 浮游植物个体数量剧增 使水中悬浮物量增加 严重的形成 水华 致使水透明度降低 影响水中植物的光合作用和氧气的释放 使水中DO减少 深层的DO一旦接近于零 处于还原状态 有机物在厌氧菌作用下产生不完全分解 产生甲烷 CH4 硫化氢 H2S 氨 NH3 等有害有臭气体 水质变黑变臭 另外 水中硝酸盐 NO3 还原成亚硝酸盐 NO2 再形成亚硝酸胺 胺为NH3中H被其它离子取代后形成的化合物 如NaNH2 可致癌 2 水体富营养化的危害 2 威胁水中生物的生存 藻类大量繁殖 引起水中缺氧 同时也与水生生物争夺生存空间 致使水中鱼类面临生活空间缩小 被窒息死亡的威胁 另外 水生生物群落 种群结构也会发生变化 往往是耐污种 属于劣品种 的个体数增加 而非耐污种数量减少甚至消失 如当水体富营养化时 劣品种的蓝藻会大量繁殖 有的会产生毒素 不利于鱼类生存 中国云南滇池的富营养化现象 3 加速湖泊的消亡过程 藻类属自养型生物 其有机残体被微生物分解会释放出N P等营养物 可供新一代藻类利用 故即使切断外界营养来源 藻类仍可以一代代繁殖下去 藻类属生长期短 繁殖快 死亡快的植物 故如果不防治则会不断繁殖 不断死亡 不断沉积 使湖泊变成沼泽 直至变成干地 某些工业废水的营养物含量 mg L 3 水体中植物营养物来源 来自农田的面污染源 农业废弃物 主要指植物废弃物 牲畜废弃物 生活污水 工业废水 中国是多湖泊的国家 有大小湖泊24 880个 面积达83 400km2 水库83 219个 湖泊的水质污染十分严重 主要是氮 磷污染较重 根据2002年环境公报 在大型淡水湖泊中 处于富营养化状态的湖泊有 太湖 滇池 巢湖 水质较差的有洞庭湖 镜泊湖 类 达赉湖 博斯腾湖 洱海和洪泽湖 类 南四湖 劣 类 华北最大的湖泊白洋淀污染严重 城市内湖水质较差 除北京昆明湖水质达到 类水质外 杭州西湖 武汉东湖和济南大明湖水质均为劣 类 例 太湖营养化问题 60年代以前 湖水较清 透明度 1 0m以上 TN 0 3mg L TP 0 01mg L 70年代以后 TP 0 15mg L TN 1 8mg L 1990年监测显示 2 3的面积达到中富 富营养化过渡状态 1 3为中富营养化状态 2000年以后 富营养化仍然是一严重的问题 2002年12月湖体主要污染指标评价结果主要指标高锰酸总磷总氮营养状态水质类别盐指数湖区五里湖 劣 中度富营养劣 梅梁湖 劣 中度富营养劣 西部沿岸区 劣 轻度富营养劣 东部沿岸区 中营养 湖心区 轻度富营养 全湖平均 轻度富营养 评价标准 6 0 0 05 1 0 GB3838 2002mg Lmg Lmg L 类 国内外主要依据N P在水体中含量进行判断 例 美国托马斯 Thomas 划分标准 4 水体富营养化程度的评价 日本版本划分标准 单位 mg m3 美国环保局划分标准 我国太湖富营养化评价标准总磷 0 11mg L 总氮 1 2mg L 透明度 0 73m 1 杜绝营养物的来源1840年 李毕格 J Liebig 提出 Liebig最小值定律 即 植物生长取决于外界供给它所需养分中数量最少的那一种 故可利用该定律来控制水体富营养化速度 常采用限制N P元素含量的方法 尤其是P的含量是关键因子 具体措施 修建截污与引污工程 可有效地拦截营养物质排入水体 底泥疏浚 杜绝自生营养物 及人工清除水生植物 5 水体富营养化的防治 人工去除水草 LakeBiwaNorthAmerica 2 调水稀释水体 可直接使N P浓度降低 是水体自净的有效方法之一 也是治理湖泊富营养化的重要措施之一 3 生物防治法 种植高等水生植物 如在浅水区栽培芦苇 莲藕等 及养殖食草性鱼类 草鱼 鲢鱼等 来抑制藻类植物生长 以保持水生态系统平衡 4 化学防治法 如施加硫酸铜 CuSO4 去除藻类 加石灰 煤灰处理底泥 可使磷90 转换 以达到去除磷的目的 水葱 净化水体酚 香蒲 净化有机物 芦苇 净化水体砷 凤眼莲 净化有机物及重金属 重金属一般指密度 5g cm3 元素周期表中原子序数大于20的金属元素 从环境污染角度 主要指对生物具有毒性作用的五种金属 俗称 五毒 汞 Hg 镉 Cd 铅 Pb 铬 Cr 及类金属砷 As 水体中重金属的来源 来自自然界 人为污染 2 2 4 3水体重金属污染及其危害 微生物不能降解重金属 相反 水体中某些重金属在微生物作用下会转化成毒性更强的化合物 如无机汞 甲基汞 生物体可吸收重金属 并通过食物链 的放大作用 在较高级的生物体内富集起来 1 重金属的污染的特点 水体中微量浓度的重金属 即可产生毒性效应 重金属产生毒性范围 1 10mg L ppm 有的重金属如Hg Cd甚至在0 01 0 001mg L范围也产生毒性 食物链 食物网 在自然界生物群落中 不同物种生物之间存在甲吃乙 乙吃丙 丙吃丁 的食物关系 形成一连串的链状食物关系 称为食物链 食物链的特点 百分之十 规律 能量随食物链的延长而递减 如丙生物吃掉丁生物10份 有90 左右能量在丙种生物的新陈代谢中被消耗掉 仅10 储存在丙生物中 以此类推 数目金字塔定律 处于食物链较低层次的生物群落 总是数目较多而个体小 反之 其数目少而个体大 形成数目和大小分布为金字塔式的几何关系 1 汞的污染及其危害汞 Hg 是一种银白色唯一成液态的金属元素 比重13 6 20 时 汞在天然水体中浓度 0 1ug L ppb 十亿分之一 在底泥中汞的含量一般为0 01 0 15mg L 几种常见重金属的污染及其危害 水体中汞的污染主要来源是含汞工业废水的排放 制碱及电解法生产氯气 用汞作电解 塑料工业 化肥工业用HgCl2作催化剂 天然汞矿的开采流失 在多数地表水中 含氧多 汞主要以无机化合物如Hg OH 2形式存在 其溶解度大 故易于随水迁移 水体中汞可被无机胶体 有机胶体及矿物胶体等强烈吸附 由于吸附作用可使水中汞由天然溶液转入固相而沉积于悬浮物和底泥中 在底泥处于还原的环境中 如有硫离子存在 则可结合生成HgS沉淀 b 汞在水体中的存在形式 汞的甲基化 水中二价汞离子经过微生物作用转变为有剧毒的甲基汞 甲基汞可溶于水 保持稳定 易被鱼 贝类吸收 而且在脂肪中溶解度大于水 故易集蓄在生物体内 汞的生物富集作用 水体的水及底泥中无机汞有机汞均可被水生生物吸收 并通过水生生物食物链作用 逐级积累起来 以至于在食物链高层次的鱼虾类体内达到很高的浓度 如海水中含汞0 1ppb ug L 经生物放大后 到达鱼类体内 浓度高达1000 5000ppb 生物放大倍数达1万 5万 汞离子 无机汞化合物及有机汞对生物体均有毒性效应 尤其是甲基汞 进入人体的甲基汞 约有15 积蓄在脑组织造成对中枢神经系统的损害 且是不可逆的 d 水体汞污染的防治 由于汞一旦进入水体 靠自净难以消除 故严禁向水体中排放汞及其化合物 要求车间实行零排放 饮用水 Hg 7ug L ppb c 汞污染的危害性 汞污染案例 水俣病 Minamatadisease 由于摄入富集在鱼 贝中的甲基汞而引起的中枢神经疾患 它是公害病的一种 因最早 1953年 发现在日本熊本县水俣湾附近渔村而得名 发现经过和病因 1953年在日本熊本县水俣湾附近的渔村中 出现了原因不明的中枢神经性疾病患者症状 其症状有四肢末端和口周围感觉障碍 运动失调 中心性视野缩小等 1956年 这类患者激增到96名 其中18名死亡 此后 以熊本大学水俣病医学研究组为中心 开展了流行病学调查研究 1968年9月确认水俣病是人们长期食用受含有汞和甲基汞废水污染的鱼 贝造成的 污染源则是水俣氮肥厂 由于长期排出的汞渣 污染了该水域 并通过食物链对人造成危害 水俣病病例 镉 Cd 是相对稀少的金属 其化学性质与锌相类似 故二种金属常伴生出现 在大多数情况下镉存在于铅锌矿中 含量约0 2 0 4 在未污染的天然水中Cd的浓度 1ppb ug L 2 镉污染及其危害 a 镉的水污染主要来源 采矿 铅锌矿的选矿废水 和冶炼过程流失 以镉为原料的各种工业 电镀 合金 碱性电池 的废水排放 磷肥中含一定量镉 故施用磷肥的土壤中含镉量也较高 主要存在悬浮物和底泥中 天然水中以简单离子Cd2 存在 底泥对Cd的浓集系数 可达5 000 50 000 因此当被镉污染的水灌溉农田后 极易被土壤吸附并蓄积土壤中 土壤对镉的吸附率可达80 95 b 镉在水体中的主要存在形式 环境受到镉污染后 镉可在生物体内富集 通过食物链进入人体 引起慢性中毒 c 镉的危害性 镉的污染是通过含镉灌溉水 土壤吸附 大米吸收 进入人体的过程造成对人体的危害 引起肾脏功能失调 慢性镉中毒主要影响肾脏 进入骨骼中取代钙 影响骨骼的正常代谢从而造成骨骼疏松 萎缩 变形等 最典型的例子是日本著名的公害病 痛痛病 急性镉中毒 大多是由于在生产环境中一次吸入或摄入大量镉化物引起的 含镉气体通过呼吸道会引起呼吸道刺激症状 如出现肺炎 肺水肿 呼吸困难等 镉从消化道进入人体 则会出现呕吐 胃肠痉挛 腹疼 腹泻等症状 甚至可因肝肾综合症死亡 痛痛病发生在日本富山县神通川流域部分镉污染地区的一种公害病 以周身剧烈疼痛为主要症状而得名 病因 据日本厚生省1968年公布的材料 痛痛病发病的主因是当地居民长期饮用受镉污染的河水 并食用此水灌溉的含镉稻米 致使镉在体内蓄积而造成肾损害 进而导致骨软化症 镉污染案例 痛痛病 本病潜伏期可长达10 30年 一般为2 8年 初期 腰 背 膝关节疼痛 随后遍及全身 由于髋关节活动障碍 步态摇摆 数年后骨骺变形 身长缩短 比健康时约缩短20 30厘米 骨骼严重畸形 如下图所示 患者疼痛难忍 骨脆易折 卧床不起 呼吸受限 最后往往死于其他合并症 截至1968年5月共确诊患者258例 其中死亡128例 到1977年12月又死亡79例 c 镉污染的预防措施 镉一旦排入环境 它对环境的污染就很难消除 因此预防镉中毒的关键在于控制排放和消除镉污染源 中国 生活饮用水卫生标准 规定镉含量不得超过0 01毫克 升 工业企业设计卫生标准 规定地面水中镉最高容许浓度为0 01毫克 升 工业 三废 排放试行标准 规定废水中镉含量不得超过0 1毫克 升 对慢性镉中毒患者体内蓄积的镉 目前尚无安全的排镉方法 铬 Cr 元素广泛地存在于环境中 天然水体中铬的含量 地表水 10mg L 地下水0 5 2mg L 铬是人体不可缺少的微量元素 能增加人体内胆固醇的分解和排泄 铬的缺乏可导致糖尿症 动脉硬化 大量的铬污染环境 也会危害人体健康 水体中铬的污染主要来源 铬铁冶炼 耐火材料 电镀 制革 颜料和化工等工业生产以及燃料燃烧排出的含铬废气 废水和废渣等都是铬污染源 3 铬的污染及危害 铬的污染危害性 自然界中没有纯的金属铬 铬有多种价态 其中仅三价铬和六价铬具有生物学意义 对人和动物可产生毒性效应 如三价铬可透过胎盘对胎儿的生长起抑制作用和致畸作用 尤其是六价铬 其毒性为三价铬的100倍 且溶于水易被生物吸收和积蓄 六价铬是强致突变物质可致肺癌 我国水质标准中规定饮用水 0 01 0 05mg L 铬的污染的防治措施 对环境中铬污染应严加控制 电镀业应尽可能采用低毒和无毒物质以代替铬 中国 生活饮用水卫生标准 规定 六价铬不超过0 05毫克 升 工业企业设计卫生标准 规定 地面水中的六价铬最高容许浓度为0 05毫克 升 三价铬为0 5毫克 升 工业 三废 排放试行标准 规定 含六价铬的工业废水最高容许排放浓度为0 5毫克 升 对铬中毒患者尚无特殊疗法 砷 As 是类金属 其物理性质类似金属而化学性质又类似非金属磷 砷的毒性极低 砷化合物则均有毒性 三价砷化合物 砒霜 比其他砷化合物毒性更强 砷在自然界中广泛分布 如民间常用的雄黄 雌黄都是自然存在的含砷化合物 未受污染的河水含量平均值为1ug L 海水0 15 6ug L 一般情况下 土壤 水 空气 植物和人体都含有微量的砷 对人体不会构成危害 如果饮用水含砷量较高 长期饮用就会引起地方性的慢性砷中毒 4 砷的污染及其危害 砷的污染主要来自砷和含砷金属的开采 冶炼 用砷或砷化合物作原材料的玻璃 颜料 药物 纸张的生产以及煤的燃烧等过程中 都可产生含砷废水 废气和废渣 对环境造成砷污染 砷在水环境中主要存在于悬浮物和底泥中 水中砷可进入水生生物体内并累积起来 土壤中砷也能进入陆生植物体内 砷的污染来源 砷的污染的危害 砷致公害病砷和砷化合物一般可通过水 大气和食物等途径进入人体 造成危害 砷通过呼吸道 消化道和皮肤接触进入人体 如摄入量超过排泄量 砷就会在人体的肝 肾 肺 脾 子宫 胎盘 骨骼 肌肉等部位 特别是在毛发 指甲中蓄积 从而引起慢性砷中毒 砷的毒性作用主要会使细胞代谢失调 营养发生障碍 对神经细胞的危害最大 慢性砷中毒有消化系统症状 如食欲不振 胃痛 恶心 肝肿大 神经系统症状 神经衰弱症状群 多发性神经炎 和皮肤病变 发生龟裂性溃疡 有时可恶变成皮肤癌 等 砷的污染的防治措施 应严格控制含砷废气和废水的排放 中国 生活饮用水卫生标准 规定的砷含量不得超过0 04毫克 升 工业企业设计卫生标准 规定地面水中砷的最高容许浓度为0 04毫克 升 工业 三废 排放试行标准 规定砷及其无机化合物最高容许排放浓度为0 5毫克 升 按As计 1 酚类化合物酚有多种化合物 按其化学结构可分为单元酚和多元酚 也可按其性质分为挥发性酚和不挥发性酚 酚在自然界中能被分解 酚类化合物是苯环 即碳氢化合物 上氢原子直接被羟基 即氢氧基 OH 取代后构成的有机化合物 称为酚类化合物 属有机毒物 苯 C6H6是一种碳氢化合物 液态 沸点80 1 蒸气有毒 其结构如右图所示 2 2 4 4水体中酚类化合物与氰 氟化物及其危害 按照羟基取代苯环上的氢原子数目不同 可分为一元酚 二元酚及多元酚等 如 含酚污水中以苯酚和甲酚含量最高 又具毒性 故为环保所重视的酚类化合物 环境中的酚主要来自炼焦 炼油 制取煤气 制造酚及其化合物和用酚作原料的工业排放的含酚废水和废气等 不经处理的含酚废水如通过明渠进行灌溉 酚便会挥发进入大气或渗入地下 污染大气 地下水和农作物 目前 苯酚 甲酚等挥发性酚类的污染特别引起人们的重视 当酚负荷超过自然界的自净能力时 不仅会污染环境 危害各种生物的生长和繁殖 还会危害人体健康 水体中酚污染主要来源 酚可降解 在降解过程中消耗水中溶解氧 具有毒性效应 酚及其化合物可经皮肤 粘膜 呼吸道和口腔等多种途径进入人体 在体内的毒性作用是与细胞中的蛋白质发生化学反应 使细胞失去活性 高浓度时能使蛋白质凝固 长期摄入的酚量将导致全身中毒 引起腹泻 食欲不振 头疼头晕 精神不安等症状 水体受污染后 当水中含酚量达到0 1 0 5mg L时 会导致鱼类带酚味从而严重影响水产品的质量 水体中酚的污染的危害 酚污染的防治措施 含酚废水的净化法较多 效果也较好 应坚持净化以后再排放 中国 生活饮用水卫生标准 规定饮用水中挥发性酚类不得超过0 002毫克 升 工业企业设计卫生标准 规定 地面水中挥发性酚类的最高容许浓度为0 002毫克 升 工业 三废 排放试行标准 规定含挥发性酚废水最高容许排放浓度为0 5毫克 升 氰化物是C和N形成的化合物 如氰化钾 KCN 氰化钠 NaCN 和氰化氢 HCN 都能溶于水 在水溶液中电离出CN 离子 都具有毒性 2 氰化物 氰化物污染来源水体中氰化物污染主要来自工业排放的含氰废水 如电镀 煤气 炼焦 冶金 化纤塑料 农药等工业 如镀铜液含NaCN12 18g L 镀银液含40 60g L 这些废水除含大量氰化物外 往往还含酚类 重金属或其他污染物 其危害往往也不亚于氰化物 有剧毒 对鱼类和人体都构成威胁 使神经中枢麻痹 造成急性中毒 致死量为2g 15g 造成细胞缺氧 缺氧引起呼吸衰竭 最终致死 若长期饮用受氰化物污染的水 含量为0 14mg L 也会造成人的慢性中毒 可出现头痛 头晕 心悸等症神经系统退化及甲状腺肿大等 地面水中氰化物只要含有低浓度的氰化物 氰离子含量达0 3 0 5mgL 就可以对鱼类和水生生物产生毒性效应 致死 世界卫生组织规定鱼中毒限量游离氰为0 03mg L 我国渔业用水规定氰化物最高浓度为0 05mg L 氰化物污染的危害 氰化物污染防治措施 含氰量高的废水必须回收 含氰量低的废水应净化处理后排放 中国 生活饮用水卫生标准 规定氰化物不得超过0 05毫克 升 工业企业设计卫生标准 规定地面水中的氰化物的最高容许浓度 按氰根计算 为0 05毫克 升 工业 三废 排放试行标准 规定含氰废水最高容许排放浓度为0 5毫克 升 以氰游离根计 氟是地壳中分布较广的一种元素 氟以各种化合物的形式广泛分布在自然界中 天然水中含 0 4 95mg L 若水中含氟量 1 5mg L 就会造成毒性效应 氟污染物主要来源 氟污染主要来自铝的冶炼 磷矿石加工 磷肥生产 钢铁冶炼和煤炭燃烧等过程 陶瓷 玻璃 塑料 农药 铀分离等工业也排放含氟化合物 在自然条件下 有的地区土壤和水以及农作物氟含量较高 有时可达有害健康的水平 水中氟的污染主要来自农田施用磷肥 炼铝炼钢等工业废水 3 氟化物 氟污染的危害 高浓度氟 如氟化氢 污染可刺激皮肤和粘膜 引起皮肤灼伤 皮炎 呼吸道炎症 低浓度氟污染对人畜的危害主要为牙齿和骨骼的氟中毒 牙齿氟中毒表现为牙齿着色 发黄 牙质松脆 缺损或脱落 骨骼氟中毒表现为腰腿疼 骨关节固定 畸形 2 2 4 5水体内的农药和化肥污染及其危害 农药的主要类型 无机农药和有机农药无机农药 由汞 砷 硒 铅等组成的无机化合物 是最早使用的农药 毒性大 在土壤及人体内残留量大 时间长 现已禁用 1 农药污染及其危害 农药是防治农业病虫害和控制杂草的化学药品 也是控制某些疾病的病媒昆虫 如蚊 蝇等 的重要药剂 但由于农药种类多 用量大 农药污染已成为环境污染的一个重要方面 有机农药 一般可分为两大类 有机氯农药 如DDT和六六六 六氯化苯 杀毒芬等 其特点 A 化学性能稳定 不易分解 在土壤及生物体内残留期长达数年 残留期 化学物质在土壤中含量降解减少75 100 所需的时间 B 不易挥发 C 疏水性 但易积累在脂肪中 有机磷农药 含磷有机化合物 如杀虫剂 敌百虫 敌敌畏等 杀菌剂 稻瘟净 克瘟散等 杀线虫剂 除线特 线虫磷 其特点是 A 可在水中分解 不易残留 残留期仅几天 几周 B 在动植物体内受酶的作用可分解 不易积累 农药的污染路径示意图 99 农药 土壤 叶面 土壤 水体 杀害目标 1 农药对动植物体的危害及其防治 农药是一种化学性环境污染物 可对多方面造成污染 对大气的污染 主要来自农药的喷撒 对水体的污染 主要来自 向水体直接施用农药 含农药的雨水落入水体 植物或土壤粘附的农药 经水冲刷或溶解进入水体 生产农药的工业废水或含有农药的生活污水污染水体 等等 对土壤的污染 直接向土壤或植物表面喷撒农药 是造成土壤污染的重要原因 对农作物的污染 农药可被农作物吸收 进入植物体内 人体 农药 农药对人体造成毒害的途径 农药的富集作用 生物体能从环境中摄取稳定的 脂溶性强的有机氯农药 通过食物链的方式 在生物体内逐级富集 1967年美国G M 伍德韦尔的研究表明 美国长岛水域中DDT的浓度随着营养级的递升而急剧增加 水中DDT 0 00005ppm 浮游生物 0 04ppm 虾类 0 16ppm 鸬鹚体内 26 4ppm 针鱼 2 07ppm 鸥鸟体内 75 5ppm 为水中含量的151万倍 农药对健康造成的危害 环境中的农药进入人体会产生各种危害 急性毒作用 导致神经功能紊乱 出现恶心 呕吐 流涎 呼吸困难 瞳孔缩小 肌肉痉挛 神志不清等症状 慢性毒作用 长期接触农药可以引起慢性中毒 出现头晕 头痛 乏力 食欲不振 恶心 气短 胸闷 多汗 上腹部和胁下疼痛 失眠 噩梦等 严重的会出现肝脏肿大 肝功能异常等症候 有机氯农药的脂溶性决定了它们在人体脂肪中的蓄积作用 引起神经传导生理功能的紊乱 对神经系统的作用 农药对神经系统的作用 可引起患者中枢神经系统功能失常 出现失调 震颤 思睡 精神错乱 抑郁 记忆力减退和语言失常等 对内分泌系统 对免疫功能和生殖机能的都会产生影响 致畸作用 致突变作用和致癌作用 研制高效 低毒 低残留的新农药 限用或禁用剧毒 高残留性农药 安全合理地使用农药 即按规定的用量 施药方法 用药次数和离收获期最后一次施药的天数等使用农药 达到既能防治病虫草害 又可节省农药和减轻污染 发展生物防治 即以虫治虫 如 以赤眼蜂防治松毛虫病 以七星飘虫防治棉蚜虫病 以一种蜘蛛防治茶树上的病虫 等等 农药污染防治措施 水体污染主要是由于农田施用大量化肥而引起的 面源污染 农田化肥被作物的吸收利用率低 N 30 60 P 3 25 K 30 60 剩余部分 随降雨径流或农田排水进入地表水体 随降雨或灌溉水下渗进入地下水体 水土流失 随之流失的有N P K养分 中国每年至少50亿吨土壤流失 伴随流失的N P K达上亿T a 2 水体化肥污染及其危害 化肥造成的水体污染问题 引起静水水体 湖泊 内海 富营养化 由于N P K营养物促使浮游水生生物大量繁殖造成 使水体产生毒性效应 水中含氮化合物增加 N可转化为亚硝酸盐 与胺类结合形成亚硝胺 是一种致癌物质 国标中饮用水要求 以N计 硝酸盐 10 20mg L 亚硝酸盐 0 06 0 1mg L GB3838 2002新标准中规定 硝酸盐 10mg L 酸雨 Acidrain 的定义 pH值小于5 6的雨雪或其他形式的大气降水 是大气受污染的一种表现 最早引起注意的是酸性的降雨 所以习惯上统称为酸雨 酸雨中含有多种无机酸和有机酸 绝大部分是硫酸和硝酸 多数情况下以硫酸为主 2 2 4 6酸雨 雾 污染及其危害 酸雨的成因 酸雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理现象 硫酸和硝酸是由人为排放的二氧化硫 SO2 和氮氧化物 NOx 转化而成的 煤和石油燃烧以及金属冶炼等释放到大气中的SO2 通过气相或液相氧化反应生成硫酸 高温燃烧生成一氧化氮 NO 排入大气后大部分转化成为二氧化氮 NO2 遇水生成硝酸和亚硝酸 使湖泊水库等静水水体酸化 直接危及水