第三章 水环境化学

1、第三章第三章 水环境化学水环境化学 Water Environmental Chemistry青海大学生态环境工程学院2 水环境化学水环境化学是研究化学物质在天然水体中的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。它是律与化学行为及其对生态环境的影响。它是环境化学的重要组成部分，这些研究将为水环境化学的重要组成部分，这些研究将为水污染控制和水资源的保护提供科学依据。污染控制和水资源的保护提供科学依据。3教学要求教学要求 理解水的基本性质及无机污染物在水体中进行沉淀理解水的基本性质及无机污染物在水体中进

2、行沉淀溶解、溶解、氧化氧化还原、配合作用、絮凝还原、配合作用、絮凝沉降等迁移过程的基本原沉降等迁移过程的基本原理。理。 掌握水体掌握水体pEpE计算，了解计算，了解pEpEpHpH图的制作。图的制作。 掌握水体中有机物、重金属等污染物的来源、危害及其迁掌握水体中有机物、重金属等污染物的来源、危害及其迁移转化的基本原理。移转化的基本原理。 掌握水体富营养化的来源、防治与水污染的防治对策。掌握水体富营养化的来源、防治与水污染的防治对策。 4天然水的基本特征及污染物的存在形态第一节第一节水中无机污染物的迁移转化第三节第三节水质模型第四节第四节第二节第二节水中有机污染物的迁移转化5第一节第一节 天然水

3、的基本特征及天然水的基本特征及污染物的存在形态污染物的存在形态一、天然水的基本特征一、天然水的基本特征二、水中污染物的分布和存在形态二、水中污染物的分布和存在形态 三、水中营养元素及水体富营养化三、水中营养元素及水体富营养化6一、天然水的基本特征一、天然水的基本特征1、天然水的组成2、天然水的性质71 1、天然水的组成、天然水的组成（离子、溶解气体、水生生物）（离子、溶解气体、水生生物） 天然水是含有可溶性物质和悬浮物的一种天天然水是含有可溶性物质和悬浮物的一种天然溶液。可溶性物质非常复杂，主要是岩石风化然溶液。可溶性物质非常复杂，主要是岩石风化过程中，经过水溶解迁移、搬运到水中的地壳矿过程中

4、，经过水溶解迁移、搬运到水中的地壳矿物质。物质。8（1 1）天然水中的主要离子组成天然水中的主要离子组成天然水中常见的八大离子：天然水中常见的八大离子：K K+ +、NaNa+ +、CaCa2+2+、MgMg2+2+、HCOHCO3 3- -、NONO3 3- -、ClCl- -、SOSO4 42-2-。常见的八大离子占天然水中离子总量的常见的八大离子占天然水中离子总量的95%-99%95%-99%。水中这些主要离子，常用来作为表征水体主要化学特征性指标。水中这些主要离子，常用来作为表征水体主要化学特征性指标。 硬硬 度度酸酸碱碱 金金 属属阳阳 离离 子子CaCa2+ 2+ MgMg2+2+

5、H H+ +NaNa+ +HCOHCO3 3- - COCO3 32- 2- OH OH- -SOSO4 42 2 Cl Cl- - NONO3 3- -阴阴 离离 子子碱碱 度度酸酸 根根9 除上述的八大离子之外，还有H+、OH-、NH4+、HS-、S2-、NO2-、NO3-、HPO4-、PO43-、Fe2+、Fe3+等。 一般水体中的特征离子海水中：一般Na+、Cl-占优势；湖水中：Na+、Cl-、SO42-占优势；10矿化过程和矿化度矿化过程和矿化度矿化过程：天然水中主要离子成分的形成过程，称为矿化过矿化过程：天然水中主要离子成分的形成过程，称为矿化过程；程；矿化度：矿化过程中进入天然水

6、体中的离子成分的总量，以矿化度：矿化过程中进入天然水体中的离子成分的总量，以总含盐量（总含盐量（TDS-Total dissolved SolidTDS-Total dissolved Solid）表示。）表示。一般天然水中的一般天然水中的TDSTDS可以表示为：可以表示为：TDS=CaTDS=Ca2+2+Mg+Mg2+2+Na+Na+ +K+K+ +Fe+Fe2+2+Al+Al3+3+HCO+HCO3 3- -+SO+SO4 42-2-+Cl+Cl- -+CO+CO3 32-2-+NO+NO3 3- -+PO+PO4 43-3- 11经常，近似地天然水中常见主要离子总量可以粗略地作为水经常，

7、近似地天然水中常见主要离子总量可以粗略地作为水的总含盐量（的总含盐量（TDSTDS）: :TDS CaTDS Ca2+ 2+ + Mg+ Mg2+ 2+ + Na+ Na+ + + K+ K+ + + HCO + HCO3 3- - + SO + SO4 42-2- + Cl + Cl- - 12(2)(2)天然水中溶解的金属离子天然水中溶解的金属离子 水溶液中金属离子的表示式常写成水溶液中金属离子的表示式常写成M Mn+n+, ,预示着是简单的水合金预示着是简单的水合金属阳离子属阳离子M(HM(H2 2O)O)x xn n+ +。 它可通过化学反应达到最稳定的状态。酸它可通过化学反应达到最稳

8、定的状态。酸- -碱，沉淀、配合及氧碱，沉淀、配合及氧化化- -还原等反应是他们在水中达到最稳定状态的过程还原等反应是他们在水中达到最稳定状态的过程。水中金属离子常常以多种形态存在。例如铁水中金属离子常常以多种形态存在。例如铁: Fe(OH): Fe(OH)2+2+, , Fe(OH)Fe(OH)2+2+, Fe, Fe2 2(OH)(OH)2 24+4+, Fe, Fe3+3+ , , 在近于中性的天然水溶液中，水合铁离子的浓度可忽略不计。在近于中性的天然水溶液中，水合铁离子的浓度可忽略不计。13（3 3）天然水中溶解的重要气体）天然水中溶解的重要气体 天然水中溶解的气体有氧气、二氧化碳、氮

9、气、甲烷等。天然水中溶解的气体有氧气、二氧化碳、氮气、甲烷等。 水表面以水表面以COCO2 2、N N2 2、O O2 2为特征，不流通的深海中为特征，不流通的深海中COCO2 2过饱和、有时过饱和、有时还有硫化氢。还有硫化氢。 气体溶解在水中，对于生物种类的生存是非常重要的。气体溶解在水中，对于生物种类的生存是非常重要的。 例如：鱼需要溶解氧，一般要求水体溶解氧浓度不能低于例如：鱼需要溶解氧，一般要求水体溶解氧浓度不能低于4mg/L4mg/L14大气中的气体分子与溶液中同种气体分子间的平衡服从大气中的气体分子与溶液中同种气体分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

10、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。气体在水中的溶解度可用以下平衡式表示：气体在水中的溶解度可用以下平衡式表示：G(aq)=KG(aq)=KH HP PG G 式中：式中：K KH H各种气体在一定温度下的亨利定律常数；各种气体在一定温度下的亨利定律常数； P PG G各种气体的分压。各种气体的分压。15 在计算气体的溶解度时，需要对水蒸气的分压加以校正（在温度较低时，这个数值很小）。根据水在不同温度下的分压，就可按亨利定律计算出气体在水中的溶解度。 氧在水中的溶解氧在水中的溶解 氧在干燥空气中的含量为20.95%，大部分元素氧来自大气，因此水

11、体与大气接触再复氧的能力是水体的一个重要特征。 藻类的光合作用会放出氧气，但这个过程仅限于白天。 所以水中溶解氧的主要来源有两个：水中藻类的光合作用释放氧气和大气再复氧作用。16例子：氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压等有关。氧在例子：氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压等有关。氧在1.01301.013010105 5PaPa、2525（标准状态）饱和水中的溶解度，可按下面步骤计算。（标准状态）饱和水中的溶解度，可按下面步骤计算。水在水在2525时的蒸汽压为时的蒸汽压为0.031670.0316710105 5PaPa，由于干空气中氧的含量为，由于干空气中氧的含量为20.95%

12、20.95%，所以氧的分压为：所以氧的分压为：=(1.0130-0.03167)=(1.0130-0.03167)10105 50.2095=0.20560.2095=0.205610105 5PaPa代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为：代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为：OO2 2(aq)= K(aq)= KH HPOPO2 2=1.26=1.261010-8-80.20560.205610105 5=2.6=2.61010-4-4 mol/L mol/L 氧的分子量为氧的分子量为3232，因此其溶解度为，因此其溶解度为8.32mg/L8.32mg/L。17式中：式中： 用绝对温

13、度用绝对温度 和和 时气体在水中的浓度；时气体在水中的浓度； 溶解热，溶解热，J/mol;J/mol; R R气体常数气体常数8.314J/8.314J/（molmolK K）。）。 因此，若温度从因此，若温度从00上升到上升到3535时，氧在水中的溶解度将从时，氧在水中的溶解度将从14.74mg/L14.74mg/L降低到降低到7.03mg/L7.03mg/L，由此可见，与其他溶质相比，溶解氧的，由此可见，与其他溶质相比，溶解氧的水平是不高的，一旦发生氧的消耗反应，这溶解氧的水平可以很快的水平是不高的，一旦发生氧的消耗反应，这溶解氧的水平可以很快的降至零。降至零。)11(303. 2lg21

14、12TTRHcc21,cc1T2TH 气体溶解度随温度升高而降低，这种影响可由气体溶解度随温度升高而降低，这种影响可由Clausius-ClapeyronClausius-Clapeyron（克拉帕龙）方程式显示出：（克拉帕龙）方程式显示出：181920COCO2 2的溶解的溶解 2525时水中时水中COCO2 2 的值可以用亨利定律来计算。已知干空气中的值可以用亨利定律来计算。已知干空气中COCO2 2的含量为的含量为0.0314%0.0314%（体积），水在（体积），水在2525时蒸汽压为时蒸汽压为0.031670.03167，COCO2 2的亨的亨利定律常数是利定律常数是3.343.34

15、1010-7-7mol/(Lmol/(LPa)( 25)Pa)( 25)，则，则COCO2 2在水中的溶解度为：在水中的溶解度为：PaPco8 .301014. 310)03167. 00130. 1 (452所以：所以： mol/Lmol/L57210028. 18 .301034. 3co21(4)(4)水生生物水生生物水生生物可直接影响许多物质的浓度，其作用有代谢、摄取、转水生生物可直接影响许多物质的浓度，其作用有代谢、摄取、转化、存储和释放等。化、存储和释放等。水生生态系统生存的生物体，可以分为自养生物和异养生物。水生生态系统生存的生物体，可以分为自养生物和异养生物。自养生物利用太阳能

16、或化学能量，把简单、无生命的无机物元素自养生物利用太阳能或化学能量，把简单、无生命的无机物元素引进至复杂的生命分子中即组成生命体。引进至复杂的生命分子中即组成生命体。异养生物利用自养生物产生的有机物作为能源及合成它自身生命异养生物利用自养生物产生的有机物作为能源及合成它自身生命的原始物质。的原始物质。22生产率生产率：水体产生生物体的能力称为生产率。水体产生生物体的能力称为生产率。生产率是由化学的及物理的因素相结合而决定的。生产率是由化学的及物理的因素相结合而决定的。水中营养物通常决定水的生产率，水生植物需要供给水中营养物通常决定水的生产率，水生植物需要供给适量适量C(C(二氧二氧化碳化碳)

17、)、N(N(硝酸盐硝酸盐) )、P(P(磷酸盐及痕量元素磷酸盐及痕量元素)()(如如Fe)Fe)，在许多情况下，在许多情况下，P P是限制的营养物是限制的营养物。决定水体中生物的范围及种类的关键物质是决定水体中生物的范围及种类的关键物质是氧氧，氧的缺乏可使许，氧的缺乏可使许多水生生物死亡，氧的存在能够杀死许多厌氧细菌。在测定河流及多水生生物死亡，氧的存在能够杀死许多厌氧细菌。在测定河流及湖泊的生物特征时，首先要测定水中溶解氧的浓度。湖泊的生物特征时，首先要测定水中溶解氧的浓度。23生物生物( (或生化或生化) )需氧量需氧量BODBOD是另一个水质的重要常数，它是指在一定体是另一个水质的重要常

18、数，它是指在一定体积的水中有机物降解所要消耗的氧的量。一个积的水中有机物降解所要消耗的氧的量。一个BODBOD高的水体，不可能高的水体，不可能很快的补充氧气，显然对水生生物是不利的。很快的补充氧气，显然对水生生物是不利的。COCO2 2是由水及沉积物中的呼吸过程产生的，也能从大气进入水体。藻类是由水及沉积物中的呼吸过程产生的，也能从大气进入水体。藻类生命体的光合作用需要生命体的光合作用需要COCO2 2，由水中有机物降解产生的高水平的，由水中有机物降解产生的高水平的COCO2 2，可能引起过量藻类的生长以及水体的超生长率，因此，在有些情况下可能引起过量藻类的生长以及水体的超生长率，因此，在有些

19、情况下COCO2 2是一个限制因素。是一个限制因素。24细菌等其他微生物细菌等其他微生物水环境中主要微生物：原生动物、藻类、真菌、放线菌、细菌；水环境中主要微生物：原生动物、藻类、真菌、放线菌、细菌；细菌等微生物关系到水环境自然净化和废水生物处理过程的重细菌等微生物关系到水环境自然净化和废水生物处理过程的重要的微生物群体；要的微生物群体；一般污水处理中，根据氧化过程需要氧的不同，分为：厌氧菌一般污水处理中，根据氧化过程需要氧的不同，分为：厌氧菌（油酸菌、甲烷菌）、好氧菌（醋酸菌、亚硝酸菌）、兼氧菌（油酸菌、甲烷菌）、好氧菌（醋酸菌、亚硝酸菌）、兼氧菌（乳酸菌）；（乳酸菌）；25（1 1）碳酸平

20、衡碳酸平衡 二氧化碳在水中形成酸二氧化碳在水中形成酸, ,可同岩石中的碱性物质发生反应可同岩石中的碱性物质发生反应, ,并可并可以通过沉淀反应变为沉淀物而从水中除去以通过沉淀反应变为沉淀物而从水中除去. .在水和生物体之间生物化在水和生物体之间生物化学交换中学交换中, , 溶解的碳酸盐化合态与岩石圈大气圈进行酸碱和交换反溶解的碳酸盐化合态与岩石圈大气圈进行酸碱和交换反应应, ,对调节天然水的对调节天然水的pHpH和组成有重要作用和组成有重要作用。26CO2 (g) CO2 (aq) +H2O H2CO3 H+ + HCO3- H+ + CO32- CaCO3(s)， MgCO3(s)碳酸盐体系

21、与水的酸度、碱度密切相关；是天然水中优良的缓冲系统，碳酸盐体系与水的酸度、碱度密切相关；是天然水中优良的缓冲系统，避免避免pHpH值急剧变；与水处理有关，如水质软化等；与水生生物的光合值急剧变；与水处理有关，如水质软化等；与水生生物的光合作用、呼吸作用等有关。作用、呼吸作用等有关。碳酸盐系统中存在的碳酸盐系统中存在的平衡关系平衡关系2728同理：同理： 以上属封闭的水溶液体系的情况，没有考虑大气交换过程。以上属封闭的水溶液体系的情况，没有考虑大气交换过程。 100 CO2+H2CO3 HCO3- CO32- 80 60 40 20 0 2 4 6 8 10 12 pH29碳酸化合态分布图的理解

22、：碳酸化合态分布图的理解：a a、总体分布态势：、总体分布态势：pHpH6 6时，溶液中主要组分是时，溶液中主要组分是H H2 2COCO3 3pHpH在在6-106-10之间时，溶液中主要组分之间时，溶液中主要组分HCOHCO3 3- -pHpH10.310.3时，溶液中主要组分是时，溶液中主要组分是COCO3 32-2-b b、交界点的意义、交界点的意义： pH = pKpH = pK1 1=6.35=6.35时，时，a a0 0 = a = a1 1 = 0.50 = 0.50 pH = pK pH = pK2 2=10.33=10.33时，时，a a1 1 = a = a2 2 = 0

23、.50 = 0.5030在封闭体系中，在封闭体系中，H H2 2COCO3 3* *、HCOHCO3 3- -、COCO3 32-2-等可随等可随pHpH变化而改变化而改变，但总的碳酸量变，但总的碳酸量cTcT始终保持不变。始终保持不变。对于开放体系，对于开放体系，HCOHCO3 3- -、COCO3 32-2-和和cTcT均随均随pHpH的变化而改变，但的变化而改变，但H H2 2COCO3 3* *总保持与大气相平衡的固定数值。总保持与大气相平衡的固定数值。 因此，在天然条件下，开放体系是实际存在的，而封闭体系是因此，在天然条件下，开放体系是实际存在的，而封闭体系是计算短时间溶液组成的一种

24、方法，即把其看成是开放体系趋向平衡过计算短时间溶液组成的一种方法，即把其看成是开放体系趋向平衡过程的一个微小阶段。程的一个微小阶段。31碳酸平衡应用的实例碳酸平衡应用的实例某条河流的某条河流的pH=8.3pH=8.3，总碳酸盐的含量，总碳酸盐的含量C CT T=3=31010-3-3molLmolL-1-1。现在有浓度。现在有浓度为为1 11010-2-2molLmolL-1-1的硫酸废水排入该河流中。按照有关标准，河流的硫酸废水排入该河流中。按照有关标准，河流pHpH不能低于不能低于6.76.7以下，问每升河水中最多能够排入这种废水多少毫升？以下，问每升河水中最多能够排入这种废水多少毫升？解

25、：由于酸碱反应十分迅速，因此可以用封闭体系的方法进行计算：pH=8.3时,河水中主要的碳酸盐为HCO3- -，因此可以假设此时HCO3- -=CT=310-3-3molL-1-1，如果排入酸性废水，则将会使河水中的一部分HCO3- -转化为H2CO3* *，即有反应： HCO3- -+H+ +H2CO3* *当河水的pH=6.7时，河水中主要的碳酸盐类为HCO3- -和H2CO3* *。32因为因为K K1 1= =10= =10-6.35-6.35, ,所以此时：所以此时： =10=100.350.35=2.24=2.24所以所以0 0= =0.3086= =0.3086 1 1= =0.6

26、914= =0.6914所以此时所以此时HH2 2COCO3 3* *=0 0C CT T=0.3086=0.30863 31010-3-3molLmolL-1-1=0.9258=0.92581010-3-3molLmolL-1-1HCOHCO3 3-=-=1 1C CT T=0.6914=0.69143 31010-3-3molLmolL-1-1=2.0742=2.07421010-3-3molLmolL-1-1加酸性废水到加酸性废水到pH=6.7pH=6.7，有，有0.92580.92581010-3-3molLmolL-1-1的的H H2 2COCO3 3* *生成，故每升河水中要加入生

27、成，故每升河水中要加入0.92580.92581010-3-3molmol的的H H+ +才能满足上述要求，这相当于每升河水中加入浓度为才能满足上述要求，这相当于每升河水中加入浓度为1 11010-2 -2 molLmolL-1-1的硫酸废水的量的硫酸废水的量V V为：为：V=0.9258V=0.92581010-3-3mol/(2mol/(21 11010-2-2molLmolL-1-1)=0.0463L=46.3mL)=0.0463L=46.3mL。因此相当于每升河水中。因此相当于每升河水中最多加入酸性废水最多加入酸性废水46.3mL46.3mL。*323COHHHCO7 . 635. 6

28、1*3231010HKCOHHCO124. 213*32*32HCOCOHCOH124. 224. 23*323HCOCOHHCO33（2）天然水的碱度）天然水的碱度和酸度和酸度： 碱度碱度(Alkalinity)(Alkalinity)是指水中能与强酸发生中和作是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子用的全部物质，亦即能接受质子H H+ +的物质的总量。的物质的总量。 组成水中碱度的物质可分为：组成水中碱度的物质可分为： A. A. 强碱，如强碱，如 NaOHNaOH、Ca(OH)Ca(OH)2 2； B. B. 弱碱，如弱碱，如 NHNH3 3、C C6 6H H5 5NHN

29、H2 2； C. C. 强碱弱酸盐，强碱弱酸盐， 如如 NaCONaCO3 3、NaNa3 3POPO4 4等。等。34举例：举例：我们说碱度和pH是两个不同的概念，可以通过一个例子说明：一般pH反应的是水中氢离子的活泼程度，而碱度是能够与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子H+的物质总量。例如摩尔浓度相同的NaOH和NaHCO3与同一浓度的HCl溶液反应。NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2NaOH+HCl=NaCl+H2O二者消耗的HCl溶液是相同的，也就是说二者的碱度是相同的，但是他们的pH肯定不相同，应为一个是强碱，一个是弱碱，其中氢离子的活度肯定不相同。35 水的碱度

30、对于水处理，天然水的化学与生物学作用具有重要意义。通常，在水处理中需要知道水的碱度，例如常用铝盐作为絮凝剂去除水中的悬浮物：Al3+3OH-=Al(OH)3(s)。胶体状的Al(OH)3(s)在带走悬浮物的同时，也除去了水中的碱度，为了不使处理效率下降，需要保持水中一定的碱度。 一般说来，高碱度的水具有较高的pH和较多的溶解固体。36 另外，碱度与生物量之间也存在着关系：简单用下式表示：CO2+H2O+hv(光能)CH2O(表示生物物质的简单形式)+O2HCO3-+H2O+hv(光能)CH2O(表示生物物质的简单形式)+OH-+O2 所以在藻类大量繁殖时，水中CO2消耗很快，以至于不能保持与大

31、气CO2的平衡，此时水中HCO3-代替CO2参与光合作用，造成水中的pH会很高，碱度也很高。甚至大于10。37总碱度：用一个强酸标准溶液滴定，用甲基橙为指示剂，当总碱度：用一个强酸标准溶液滴定，用甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变成橙红色（溶液由黄色变成橙红色（pHpH约约4.34.3），停止滴定，此时所得的），停止滴定，此时所得的结果，也称为甲基橙碱度。水中各种碱度成分的总和，即加结果，也称为甲基橙碱度。水中各种碱度成分的总和，即加酸至酸至 HCOHCO3 3- -、COCO3 32-2-全部转化为全部转化为COCO2 2。此时溶液的。此时溶液的pHpH约为约为4.34.3。其化学反应的计量关系

32、式如下：其化学反应的计量关系式如下：38因此，总碱度是水中各种碱度成分的总和，即加酸至因此，总碱度是水中各种碱度成分的总和，即加酸至HCOHCO3 3- -和和COCO3 32-2-全部转化为全部转化为COCO2 2。根据溶液质子平衡条件，可以得到碱度。根据溶液质子平衡条件，可以得到碱度的表示式：的表示式： 总碱度总碱度 = HCO= HCO3 3- - + 2CO + 2CO3 32-2- +OH +OH- - -H -H+ + 此时，此时，CT=HCT=H2 2COCO3 3* * ，所有的，所有的HCOHCO3 3- - 和和COCO3 32-2- 全部转化为全部转化为HH2 2COCO

33、3 3* * （即（即COCO2 2(aq)(aq)和和H H2 2COCO3 3）39酚酞碱度酚酞碱度：滴定以酚酞为指示剂，当溶液：滴定以酚酞为指示剂，当溶液pHpH值降到值降到8.38.3时，表示时，表示OHOH- -被中和，被中和，COCO3 32-2-全部转化为全部转化为HCOHCO3 3- -，得到酚酞，得到酚酞碱度的表达式：碱度的表达式：酚酞碱度酚酞碱度= CO= CO3 32-2- +OH +OH- - - H - H+ + - H - H2 2COCO3 3* * 此时所有的此时所有的COCO3 32-2- 被中和，转化为被中和，转化为HCOHCO3 3- - ，因此又称，因此

34、又称为碳酸盐碱度。为碳酸盐碱度。40苛性碱度苛性碱度：中和水中：中和水中OH-OH-，滴定达到终点时，滴定达到终点时COCO3 32-2-并未反应，这时并未反应，这时水中碱度为苛性碱度，但不易测得。水中碱度为苛性碱度，但不易测得。 苛性碱度苛性碱度= OH= OH- - - HCO - HCO3 3- - - 2 H - 2 H2 2COCO3 3* * - - HH+ + =2酚酞碱度酚酞碱度-总碱度总碱度苛性碱度苛性碱度=2=2（COCO3 32-2-+OH+OH- -H-H2 2COCO3 3* *-H-H+ + ）- -（HCOHCO3 3- -+2CO2CO3 32-2-+OH+OH

35、- -H-H+ + ） =OH=OH- -HCO-HCO3 3- -2H-2H2 2COCO3 3* *-H-H+ + 4142（2 2）天然水的天然水的碱度和碱度和酸度酸度： 酸度酸度(Acidity)(Acidity)是指水中能与强碱发生中和作用的是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出全部物质，亦即放出H H+ +或经过水解能产生或经过水解能产生H H+ +的物质的总的物质的总量。量。组成水中酸度的物质可分为：组成水中酸度的物质可分为： A. A. 强酸，如强酸，如 HClHCl、H H2 2SOSO4 4； B. B. 弱酸，如弱酸，如 COCO2 2、H H2 2COCO3

36、3、各种有机酸等；、各种有机酸等； C. C. 强酸弱碱盐，强酸弱碱盐， 如如 FeClFeCl、AlAl2 2（SOSO4 4）3 3等。等。 43有反应：有反应：OH- + H+ H2O OH- + H2CO3* HCO3-+H2OOH- + HCO3- CO32-+H2O水的酸度对于水处理具有重要意义，对于酸性废水，常需要测定水中的酸度以确定需要加入水中的石灰或其他化学药剂的量。以强碱滴定含碳酸水溶液测定其酸度时，其反应过程与上述相反。以甲基橙为指示剂滴定到pH=4.3,得到无机酸度。44无机酸度：无机酸度：以甲基橙为指示剂，滴定到以甲基橙为指示剂，滴定到pH=4.3pH=4.3。 无机

37、酸度无机酸度 = H= H+ + - HCO - HCO3 3- - - 2CO - 2CO3 32-2- -OH -OH- - 无机酸度，又称为矿物酸度，或者甲基橙酸度无机酸度，又称为矿物酸度，或者甲基橙酸度（pH=4.3pH=4.3）。此时溶液中总碳酸盐为）。此时溶液中总碳酸盐为CT=HCT=H2 2COCO3 3* * ，所，所有的有的HH+ + 被被OHOH- -中和。中和。 以酚酞为指示剂滴定到以酚酞为指示剂滴定到pH=8.3pH=8.3，得到游离，得到游离COCO2 2酸度。酸度。45无机酸度：无机酸度：以甲基橙为指示剂，滴定到以甲基橙为指示剂，滴定到pH=4.3pH=4.3。 无

38、机酸度无机酸度 = H= H+ + - HCO - HCO3 3- - - 2CO - 2CO3 32-2- -OH -OH- - 无机酸度，又称为矿物酸度，或者甲基橙酸度（无机酸度，又称为矿物酸度，或者甲基橙酸度（pH=4.3pH=4.3）。）。此时溶液中总碳酸盐为此时溶液中总碳酸盐为C CT T=H=H2 2COCO3 3* * ，所有的，所有的HH+ + 被被OHOH- -中和。中和。 以酚酞为指示剂滴定到以酚酞为指示剂滴定到pH=8.3pH=8.3，得到游离，得到游离COCO2 2酸度。酸度。COCO2 2酸度酸度=H+ +H2 2CO3 3* *-CO3 32-2-OH- -（酚酞酸

39、度）（酚酞酸度）此时此时溶液中总碳酸盐为CT T=HCO3 3- -，所有的H2 2CO3 3* *被OH- -中和，因此称为二氧化碳酸度。或称为酚酞酸度。46总酸度应在pH=10.8处得到。但此时滴定曲线无明显突跃，难以选择适合的指示剂，故一般以游离CO2作为酸度主要指标。同样也根据溶液质子平衡条件，得到总酸度：总酸度总酸度= =H+HCO3-+2H2CO3*-OH-总酸度总酸度=2=2COCO2酸度酸度-无机酸度无机酸度=2（H+H2CO3*-CO32-OH-）- -（H+-HCO3-2CO32-OH-）=H+HCO3-+2H2CO3*-OH-47碱度和酸度计算关系式的推导。碱度和酸度计算

40、关系式的推导。在化学计量点pH=4.3（pH CO2）:水中所有碳酸盐类都要转化为H2CO3*，此时一个HCO3-需要消耗1个H+，一个CO32-需要消耗2个H+，一个OH-需要消耗1个H+因此得到H+平衡方程：H+=HCO3-+2CO32-+OH-滴定前，如果上式右侧左侧，则存在总碱度，而当上式右侧左侧，存在矿物酸度，并得到其计算公式：总碱度总碱度= HCO3-+2CO32-+OH-H+矿物酸度矿物酸度=H+-HCO3-2CO32-OH-48在化学计量点pH=8.3（pH HCO3-）:水中所有碳酸盐类都要转化为HCO3-，此时一个H2CO3*能够提供1个H+，一个CO32-需要消耗1个H+

41、，一个OH-需要消耗1个H+因此得到H+平衡方程：H+H2CO3*=CO32-+OH-滴定前，如果上式右侧左侧，则存在碳酸盐碱度，而当上式右侧左侧，存在二氧化碳酸度，并得到其计算公式：碳酸盐碱度碳酸盐碱度= CO32-+OH-H+-H2CO3*二氧化碳酸度二氧化碳酸度=H+H2CO3*-CO32-OH-49在化学计量点pH=10.8（pH CO32-）:水中所有碳酸盐类都要转化为CO32-，此时一个HCO3-能够提供1个H+，一个H2CO3*能够提供2个H+，一个OH-需要消耗1个H+因此得到H+平衡方程：H+HCO3-+2H2CO3*=OH-滴定前，如果上式右侧左侧，则存在苛性碱度，而当上式

42、右侧7pH7时，以时，以CuCu2+2+、CuOHCuOH+ +形态为主；当形态为主；当pH8pH8以上时，则以上时，则Cu(OH)Cu(OH)2 2、Cu(OH)Cu(OH)3 3- -、CuCOCuCO3 3及及Cu(COCu(CO3 3) )2 22-2-等铜形态逐渐增多。等铜形态逐渐增多。 迁移转化方式：水体中大量无机和有机颗粒物，能强烈的吸附或螯合迁移转化方式：水体中大量无机和有机颗粒物，能强烈的吸附或螯合铜离子，使铜最终进入底部沉积物中。铜离子，使铜最终进入底部沉积物中。67（7 7）锌（）锌（ZnZn）来源：各种工业废水的排放。来源：各种工业废水的排放。存在形态：天然水中锌以存在

43、形态：天然水中锌以ZnZn2+2+状态存在，但在天然水的状态存在，但在天然水的pHpH范围内，范围内，锌都能水解生成多核羟基配合物锌都能水解生成多核羟基配合物Zn(OH)Zn(OH)n n(n-2)(n-2)，还可与水中的，还可与水中的C1C1- -、有机酸和氨基酸等形成可溶性配合物。有机酸和氨基酸等形成可溶性配合物。 迁移转化方式：锌可被水体中悬浮颗粒物吸附，或生成化学沉积迁移转化方式：锌可被水体中悬浮颗粒物吸附，或生成化学沉积物向底部沉积物迁移，沉积物中锌含量为水中的物向底部沉积物迁移，沉积物中锌含量为水中的1 1万倍。水生生物万倍。水生生物对锌有很强的吸收能力，因而可使锌向生物体内迁移，

44、富集倍数对锌有很强的吸收能力，因而可使锌向生物体内迁移，富集倍数达达10103 310105 5倍。倍。 68（8 8）铊（）铊（TlTl）来源：铊主要是从处理硫化矿时所得到的烟道灰中制取。来源：铊主要是从处理硫化矿时所得到的烟道灰中制取。 存在形态：以存在形态：以TlTl2 2O O和和TlTl2 2O O3 3的形式存在于水中。的形式存在于水中。 迁移转化方式：迁移转化方式：TlTl2 2O O溶于水，生成水合物溶于水，生成水合物TlOHTlOH，其溶解度很高，并，其溶解度很高，并且有很强的碱性。且有很强的碱性。TlTl2 2O O3 3几乎不溶于水，但可溶于酸。可在有机体内几乎不溶于水，

45、但可溶于酸。可在有机体内积蓄。积蓄。69（9 9）镍（）镍（NiNi）来源：岩石风化，镍矿的开采、冶炼及使用镍化合物的工业排放废水来源：岩石风化，镍矿的开采、冶炼及使用镍化合物的工业排放废水等。等。存在形态：常以卤化物、硝酸盐、硫酸盐以及某些无机和有机配合物存在形态：常以卤化物、硝酸盐、硫酸盐以及某些无机和有机配合物的形式溶解于水。的形式溶解于水。 迁移转化方式：水中镍可被水中悬浮颗粒物吸附、沉淀和共沉淀，最迁移转化方式：水中镍可被水中悬浮颗粒物吸附、沉淀和共沉淀，最终迁移到底部沉积物中，沉积物中镍的含量为水中的终迁移到底部沉积物中，沉积物中镍的含量为水中的3.89.23.89.2万倍。万倍。

46、水中的水生生物也能富集镍。水中的水生生物也能富集镍。 70（1010）铍（）铍（BeBe）来源：主要来自生产铍的矿山、冶炼及加工厂排放的废水和粉尘。来源：主要来自生产铍的矿山、冶炼及加工厂排放的废水和粉尘。 存在形态：一般在接近中性或酸性的天然水中以存在形态：一般在接近中性或酸性的天然水中以BeBe2+2+形态存在为主；形态存在为主；当水体当水体pH7.8pH7.8时，则主要以不溶的时，则主要以不溶的BeBe（OHOH）2 2形态存在。形态存在。迁移转化方式：不溶的迁移转化方式：不溶的BeBe（OHOH）2 2形态存在，并聚集在悬浮物表面，形态存在，并聚集在悬浮物表面，沉降至底部沉积物中。沉降

47、至底部沉积物中。 71三、水中营养元素及水体富营养化三、水中营养元素及水体富营养化1 1、水中营养元素、水中营养元素 水中的水中的N N，P P，C C，O O和微量元素如和微量元素如FeFe，MnMn，ZnZn是湖泊等水体中生是湖泊等水体中生物的必需元素。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。内积累营养物有着非常直接的关系。722 2、水体富营养化、水体富营养化7374 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

48、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。河。 egeg：赤潮：赤潮75 定义：定义：是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等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、

49、河口、海湾等缓流水体，引起藻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。化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。 分为：分为：天然富营养化天然富营养化和和人为富营养化人为富营养化。 引起原因：引起原因：由磷、氮的化合物过多排放，铁、锰等微由磷、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游植物、原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集 。 7

50、6 湖水营养化程度判定标准：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。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。叶绿素含量：是指水体中绿色物质的含量。一般总磷超过一般总磷超过0.02mg/L0.02mg/L，无机态氮超过，无机态氮超过0.3mg/L,0.3mg/L,即处于危险状态。即处于危险状态。 通常使用通常使用N/PN/P值的大小来判断湖泊的富营养状况。当值的大小来判断湖泊的

51、富营养状况。当N/PN/P值大于值大于100100时，属贫营养湖泊状况。其值小于时，属贫营养湖泊状况。其值小于1010时，则认为属富营养状况。时，则认为属富营养状况。 77富营养化发生机制：富营养化发生机制： （1 1）流域污染物排入湖泊流域污染物排入湖泊是湖泊富营养化发生最关键是湖泊富营养化发生最关键的因素之一的因素之一 （2 2）富营养化湖泊中水化学平衡发生变化）富营养化湖泊中水化学平衡发生变化； 湖水湖水pHpH值、溶解氧下降、值、溶解氧下降、COCO2 2 （3 3）湖泊生态遭到严重破坏，生物群落发生明显变化）湖泊生态遭到严重破坏，生物群落发生明显变化； 浅水湖泊生态系统的主要初级生产

52、者从以大型水生植物浅水湖泊生态系统的主要初级生产者从以大型水生植物为主转变为以藻类为主为主转变为以藻类为主 （4 4）湖泊内源营养物质的释放）湖泊内源营养物质的释放78富营养化的防治：富营养化的防治：1 1、减少污染源、减少污染源2 2、污水中氮、磷的去除。、污水中氮、磷的去除。 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。生物脱氮技术。 除磷：物理除磷法、化学除磷法和生物除磷法除磷：物理除磷法、化学除磷法和生物除磷法( (生物诱导的化学沉淀作生物诱导的化学沉淀作用和生物积磷作用：底泥微生物的代谢作用

53、，使微环境发生变化，废水中用和生物积磷作用：底泥微生物的代谢作用，使微环境发生变化，废水中的溶解性磷酸盐转化为难溶化合物而沉积在污泥上的溶解性磷酸盐转化为难溶化合物而沉积在污泥上) )。第二节第二节 水中无机污染物的迁移转化水中无机污染物的迁移转化 一、颗粒物与水之间的迁移一、颗粒物与水之间的迁移二、水中胶体颗粒物聚集的基本原理和方式二、水中胶体颗粒物聚集的基本原理和方式三、溶解和沉淀三、溶解和沉淀四、氧化四、氧化还原还原五、配合作用五、配合作用80无机污染物，特别是重金属和准金属等污染物，一旦进入水环境，不无机污染物，特别是重金属和准金属等污染物，一旦进入水环境，不能被生物降解能被生物降解;

54、 ;主要通过主要通过吸附吸附解吸、沉淀解吸、沉淀溶解、氧化溶解、氧化还原、配合作用还原、配合作用、胶体形、胶体形成等一系列物理化学作用进行迁移转化，参与和干扰各种环境化学过成等一系列物理化学作用进行迁移转化，参与和干扰各种环境化学过程和物质循环过程；程和物质循环过程；最终以一种或多种形式长期存留在环境中，造成永久性的潜在危害。最终以一种或多种形式长期存留在环境中，造成永久性的潜在危害。81一、颗粒物与水之间的迁移一、颗粒物与水之间的迁移1 1、水中颗粒物的类别、水中颗粒物的类别（1 1）矿物微粒和粘土矿物）矿物微粒和粘土矿物（2 2）金属水合氧化物）金属水合氧化物（3 3）腐殖质）腐殖质（4

55、4）水体悬浮沉积物）水体悬浮沉积物82一、颗粒物与水之间的迁移一、颗粒物与水之间的迁移1 1、水中颗粒物的类别、水中颗粒物的类别（1 1）矿物微粒和粘土矿物：都是原生岩石在风化过程中）矿物微粒和粘土矿物：都是原生岩石在风化过程中形成的。形成的。矿物微粒（非粘土矿物）：天然水中常见为石英矿物微粒（非粘土矿物）：天然水中常见为石英(SiO(SiO2 2) )、长石、长石(KalSi(KalSi3 3O O8 8) )等，晶体交错，结实、颗粒粗，不易碎裂，缺乏粘结性。等，晶体交错，结实、颗粒粗，不易碎裂，缺乏粘结性。粘土矿物：天然水中常见为云母、蒙脱石、高岭石，层状结构，易粘土矿物：天然水中常见为云

56、母、蒙脱石、高岭石，层状结构，易于碎裂，颗粒较细，具有粘结性，可以生成稳定的聚集体。于碎裂，颗粒较细，具有粘结性，可以生成稳定的聚集体。83（2 2）金属水合氧化物：铝、铁、锰、硅等金属的水合氧化物）金属水合氧化物：铝、铁、锰、硅等金属的水合氧化物在天然水中以无机高分子及溶胶等形态存在，在水环境中发在天然水中以无机高分子及溶胶等形态存在，在水环境中发挥重要的胶体化学作用。挥重要的胶体化学作用。天然水中几种重要的容易形成金属水合氧化物的金属：天然水中几种重要的容易形成金属水合氧化物的金属：铝在岩石和土壤中是大量元素，在天然水中浓度低，不超过铝在岩石和土壤中是大量元素，在天然水中浓度低，不超过0.

57、1mg/L0.1mg/L。铝水解，主要形态铝水解，主要形态A Al l3+3+、Al(OH)Al(OH)2+2+、AlAl2 2(OH)(OH)2 24+4+、Al(OH)Al(OH)2 2+ +、Al(OH)Al(OH)3 3和和Al(OH)Al(OH)4 4，随，随pHpH值变化而改变形态浓度比例。一定条件下会发生聚合，值变化而改变形态浓度比例。一定条件下会发生聚合，生成多核配合物或无机高分子，最终生成生成多核配合物或无机高分子，最终生成Al(OH)Al(OH)3 3 n n的无定形沉淀物。的无定形沉淀物。84 铁是广泛分布元素，水解反应和形态与铝类似。在不同铁是广泛分布元素，水解反应和形

58、态与铝类似。在不同pHpH值下，值下，Fe()Fe()的存在形态是的存在形态是FeFe3+3+、Fe(OH)Fe(OH)2+2+、Fe(OH)Fe(OH)2 2+ +、FeFe2 2(OH)(OH)2 24+4+和和Fe(OH)Fe(OH)3 3。固体沉淀物可转化为固体沉淀物可转化为FeOHFeOH的不同晶形物。同样，它也可以聚合成为的不同晶形物。同样，它也可以聚合成为无机高分子和溶胶。无机高分子和溶胶。 锰与铁类似，其丰度虽然不如铁，溶解度比铁高，也是常见的水锰与铁类似，其丰度虽然不如铁，溶解度比铁高，也是常见的水合金属氧化物。合金属氧化物。 硅酸的单体硅酸的单体H H4 4SiOSiO4

59、4，若写成，若写成Si(OH)Si(OH)4 4，则类似于多价金属，是一种，则类似于多价金属，是一种弱酸，过量的硅酸将会生成聚合物，并可生成胶体以至沉淀物。弱酸，过量的硅酸将会生成聚合物，并可生成胶体以至沉淀物。所有的金属水合氧化物都能结合水中微量物质，同时其本身又趋所有的金属水合氧化物都能结合水中微量物质，同时其本身又趋向于结合在矿物微粒和有机物的界面上向于结合在矿物微粒和有机物的界面上。85（3 3）腐殖质：）腐殖质： 属于芳香族化合物，有机弱酸性，分子量从属于芳香族化合物，有机弱酸性，分子量从700-200000700-200000不等；不等； 带负电的高分子弱电解质，其形态构型与官能团

60、（羧基、羰基、羟基）带负电的高分子弱电解质，其形态构型与官能团（羧基、羰基、羟基）的离解程度有关。的离解程度有关。 在在pHpH较高的碱性溶液中较高的碱性溶液中或离子强度低的条件下，溶液中的或离子强度低的条件下，溶液中的OHOH- -将腐殖质将腐殖质理解出的理解出的H H+ +中和掉，因而分子间的负电性增强，排斥力增加，亲水性强，中和掉，因而分子间的负电性增强，排斥力增加，亲水性强，趋于溶解趋于溶解。 在在pHpH较低的酸性溶液较低的酸性溶液（H H+ +多，正电荷多），或有较高浓度的金属阳离子多，正电荷多），或有较高浓度的金属阳离子存在时，各官能团难于离解而电荷减少，高分子趋于卷缩成团，亲水