第二章水体环境化学与环境保护

1、第二章第二章 水体环境化学与环境保护水体环境化学与环境保护第一节第一节 概述概述一、水和水体一、水和水体什么是水什么是水? 我们把分子式为我们把分子式为H2O的物质称为水的物质称为水。 氢和氧都有同位素，氢有氢和氧都有同位素，氢有3种稳定同位素种稳定同位素H（氕（氕）、）、D（氘）和（氘）和T（氚），氧也有（氚），氧也有3种稳定的同位素种稳定的同位素，16O、17O和和18O。所以，水实际上是氢和氧组成的所以，水实际上是氢和氧组成的18种水分子的种水分子的混合物，其中混合物，其中H216O是最普通的水分子，含量为是最普通的水分子，含量为99.745%(摩尔百分数摩尔百分数)。我们就把由氢和氧的

2、各种同位素原子组成的没我们就把由氢和氧的各种同位素原子组成的没有其他任何物质混进的物质叫做有其他任何物质混进的物质叫做“纯水纯水”。这种。这种“纯水纯水”在自然界中是不存在的。在自然界中是不存在的。1 自然界中的水称为天然水，它从来就是溶液，并自然界中的水称为天然水，它从来就是溶液，并且是成分极其复杂的溶液。且是成分极其复杂的溶液。环境化学中研究的水是天然水，即水的溶液。环境化学中研究的水是天然水，即水的溶液。什么是水体？什么是水体？ 被水覆盖地段的自然综合体称为水被水覆盖地段的自然综合体称为水体。水体不仅包括水，而且包括水中的悬浮物、底泥体。水体不仅包括水，而且包括水中的悬浮物、底泥和水生生

3、物。和水生生物。水体具有多种类型。不同类型的水体具有不同的水体具有多种类型。不同类型的水体具有不同的物理、化学和生物学的特性。物理、化学和生物学的特性。水体一般分为海洋水体和陆地水体两大类。水体一般分为海洋水体和陆地水体两大类。海洋水体：海、洋。陆地水体：河流、湖泊、沼海洋水体：海、洋。陆地水体：河流、湖泊、沼泽、地下水。泽、地下水。2也可分为自然水体和人工水体两大类。后者包括也可分为自然水体和人工水体两大类。后者包括水库、拦河坝、人工渠道、池塘等。水库、拦河坝、人工渠道、池塘等。也可根据水的含盐量分为咸水体和淡水体。也可根据水的含盐量分为咸水体和淡水体。在环境保护中，分清水和水体的概念很重要

4、。二在环境保护中，分清水和水体的概念很重要。二者的区别是：者的区别是： 水的概念仅着眼于和限于水本身的情况，而水体水的概念仅着眼于和限于水本身的情况，而水体却包括了自然综合体中其他所有因素。例如，只着眼却包括了自然综合体中其他所有因素。例如，只着眼于水，则可把水中污染物经沉淀、生物富集等向底泥于水，则可把水中污染物经沉淀、生物富集等向底泥和生物体内的转移称为水的自净。但若从整个水体来和生物体内的转移称为水的自净。但若从整个水体来看，这种转移可成为潜在的污染源或污染物。看，这种转移可成为潜在的污染源或污染物。3二、水的分布和组成二、水的分布和组成 (一一)水的分布水的分布地球表面约有地球表面约有

5、70%以上被水所覆盖，所以地球素以上被水所覆盖，所以地球素有有“水的行星水的行星”之称，总水量之称，总水量(包括大气水和生物水包括大气水和生物水)约约13.86亿亿km3。地球的表层，除了我们所熟悉的江河湖海之外，地球的表层，除了我们所熟悉的江河湖海之外，陆地表面以下也埋藏着水。如果将所有的水平均铺盖陆地表面以下也埋藏着水。如果将所有的水平均铺盖在地球表面，水圈的厚度可达在地球表面，水圈的厚度可达2700m。然而，水圈中的水主要集中在海洋，占水圈总量然而，水圈中的水主要集中在海洋，占水圈总量的的96.5%。淡水占总水量的。淡水占总水量的2.53%，而比较容易开发利，而比较容易开发利用的，对人类

6、生活和生产关系密切的淡水储量仅仅占用的，对人类生活和生产关系密切的淡水储量仅仅占总水量的总水量的0.3%。水圈的水量分布和全球的淡水分布分别见表水圈的水量分布和全球的淡水分布分别见表21和表和表22。4水的类型水的类型 水量水量(km3) 比例比例(%) 海 水 1,338,000,000 96.5 地下水 23,716,500 1.71 冰雪水 24,064,100 1.74 湖泊水 176,400 0.013 沼泽水 11,470 0.0008 河 水 2,120 0.0002 大气水 12,900 0.001 生物水 1,120 0.0001 总 计 1,385,984,610 5 表表

7、21 水圈的水量分布水圈的水量分布水的类型水的类型 水量水量(km3) 比例比例(%)地下水 10846500 30.96 冰雪水 24064100 68.70湖泊水 91000 0.260沼泽水 11470 0.033河 水 2120 0.006大气水 12900 0.037生物水 1120 0.0032总 计 35029210 1006 表表22 全球淡水分布全球淡水分布 (二二)水的组成水的组成 1.水中的各类物质水中的各类物质天然水的化学组成及其特点是在长期的地质循环天然水的化学组成及其特点是在长期的地质循环、短期的水循环以及各种生物循环中形成的。、短期的水循环以及各种生物循环中形成的

8、。天然水与大气、岩石、土壤和生物相互接触时进行天然水与大气、岩石、土壤和生物相互接触时进行频繁的化学与物理作用，同时进行物质和能量的交换频繁的化学与物理作用，同时进行物质和能量的交换。所以，水的化学组成经常在变化，并且成为极其复。所以，水的化学组成经常在变化，并且成为极其复杂的体系，有固相、有液相、有气相杂的体系，有固相、有液相、有气相(多相多相)，水的组分，水的组分分别以溶解状态、悬浮状态或胶体状态存在于水中。分别以溶解状态、悬浮状态或胶体状态存在于水中。水中的各类物质及其对水质的影响如下：水中的各类物质及其对水质的影响如下：（1）悬浮物质）悬浮物质: 细菌细菌有致病的，也有与人体健康无关的

9、。有致病的，也有与人体健康无关的。 藻类及原生动物藻类及原生动物嗅、味、色、浑浊。嗅、味、色、浑浊。 泥沙、粘土泥沙、粘土浑浊。浑浊。 其它不溶物质。其它不溶物质。7（2）胶体物质）胶体物质: 无机胶体无机胶体硅酸溶胶等。硅酸溶胶等。 有机胶体有机胶体腐植酸胶体等。腐植酸胶体等。（3）溶解物质）溶解物质: 盐类：盐类：A.钙镁盐：钙镁盐：a.酸式碳酸盐酸式碳酸盐碱度、硬度。碱度、硬度。 b.碳酸盐碳酸盐碱度、硬度。碱度、硬度。 c.硫酸盐硫酸盐硬度。硬度。 d.氯化物氯化物硬度、腐蚀性、味。硬度、腐蚀性、味。 B.钠钠 盐：盐：a.酸式碳酸盐酸式碳酸盐碱度。碱度。 b.碳酸盐碳酸盐碱度。碱度。

10、 c.硫酸盐。硫酸盐。 d.氯化物氯化物味。味。 e.氟化物氟化物致病。致病。 C.铁盐及锰盐：味、硬度、腐蚀金属。铁盐及锰盐：味、硬度、腐蚀金属。 8气体：气体：A.氧氧腐蚀。腐蚀。 B.二氧化碳二氧化碳腐蚀、酸度。腐蚀、酸度。 C.硫化氢硫化氢腐蚀、酸度。腐蚀、酸度。 D.氮。氮。有机物。有机物。其它溶解性物质其它溶解性物质但由于水是流体，水体中的物质经常相互作但由于水是流体，水体中的物质经常相互作用、交换和混合，所以，在一定条件下的水体具有相用、交换和混合，所以，在一定条件下的水体具有相对稳定的化学组成，并形成各自的特点。对稳定的化学组成，并形成各自的特点。例如，一个湖水的组成比较均匀、

11、稳定；海例如，一个湖水的组成比较均匀、稳定；海水有稳定的组成。但湖水与海水的化学组成却明显不水有稳定的组成。但湖水与海水的化学组成却明显不同。同。9 2海水的组成海水的组成 海水是一种多组分电解质和少量的非电解质共处一体海水是一种多组分电解质和少量的非电解质共处一体的溶液，是一个复杂的多相、多组分的自然体系。的溶液，是一个复杂的多相、多组分的自然体系。 迄今为止，已发现海水中含有迄今为止，已发现海水中含有80多种元素，其化合物多种元素，其化合物的种类则更多。这些物质以溶解状态、胶体状态、悬浮状的种类则更多。这些物质以溶解状态、胶体状态、悬浮状态和气泡等形式存在于海水之中。态和气泡等形式存在于海

12、水之中。 处于溶解状态的物质有简单的阳离子、阴离子，也有处于溶解状态的物质有简单的阳离子、阴离子，也有配合离子、分子等形式。根据组分含量的不同，大体上把配合离子、分子等形式。根据组分含量的不同，大体上把海水化学成分海水化学成分(水本身除外水本身除外)分为五类：分为五类： (1)常量元素。常量元素。 海水中的常量元素及其主要存在形式如下所示：海水中的常量元素及其主要存在形式如下所示：Na Mg Ca K Sr Cl S C Br B F Na+ Mg2+ Ca2+ K+ Sr2+ Cl SO42 HCO3 (CO32) Br H2BO3 F这些成分占海水中溶解性盐类的这些成分占海水中溶解性盐类的

13、99.8%99.9%，而且它们在海水，而且它们在海水中的含量比例基本不变，故又称为中的含量比例基本不变，故又称为“恒量元素恒量元素”。10(2)营养元素营养元素 营养元素是指那些对生物生长和繁殖有重大影响的营养元素是指那些对生物生长和繁殖有重大影响的元素，主要是指元素，主要是指N、P、Si，还有微量营养元素，还有微量营养元素Mn、Fe、Cu。它们在海水中的含量见表。它们在海水中的含量见表24。表表24 海水中营养元素的含量海水中营养元素的含量成成 份份 含含 量量 亚硝酸盐N 02.0 m molm3铵N 03.5 m molm3活性硅Si 0200 m molm3磷酸盐P 0250 m mo

14、lm3铁（可溶性） 020 mgm3Mn 010 mgm3Cu 010 mgm311 (3)微量元素微量元素 海水中微量元素种类很多，但总量却非常少，海水中微量元素种类很多，但总量却非常少，仅占总量的仅占总量的0.1%左右。它们含量之微，浓度在左右。它们含量之微，浓度在109、1012级，甚至更低，准确测定有相当困难。级，甚至更低，准确测定有相当困难。 但尽管含量很微，而总量仍是相当可观的，因但尽管含量很微，而总量仍是相当可观的，因为海水体积很大。如铀为海水体积很大。如铀(U)在海水中的浓度仅为在海水中的浓度仅为3mgm3，但其总贮量达，但其总贮量达42000亿亿kg，而陆地上的，而陆地上的铀

15、资源估计只有铀资源估计只有100亿亿kg。(4)溶存气体溶存气体 在水中溶解的气体主要有氧气、二氧化碳、氦在水中溶解的气体主要有氧气、二氧化碳、氦气、硫化氢和沼气。前三者是大气的组成部分，后气、硫化氢和沼气。前三者是大气的组成部分，后者则是有机物分解产生，只有在特殊情况下才能见者则是有机物分解产生，只有在特殊情况下才能见到。到。 部分气体在海水中的含量见表部分气体在海水中的含量见表25。12(5)有机物质有机物质 海水中的有机物质含量甚少，总有机碳含量在海水中的有机物质含量甚少，总有机碳含量在0.5mgL11.2mgL1范围内范围内,仅是溶解无机碳的仅是溶解无机碳的105。所以所以,人们常把海

16、水当作无机化学体系进行分析和研究。人们常把海水当作无机化学体系进行分析和研究。 总之，我们可以把海水概括为含有多种物质的总之，我们可以把海水概括为含有多种物质的0.5molL1 NaCl和和0.05molL1 MgSO4的水溶液。的水溶液。13表表25 气体在海水中的含量气体在海水中的含量气体O2N2CO2ArHe+NeH2S含量mgL108.58.414.534560.20.41.71040223.陆地水的组成陆地水的组成 陆地上河流、湖泊和沼泽与海洋不一样，它们相互陆地上河流、湖泊和沼泽与海洋不一样，它们相互分离，水不能相互混合，各有其化学特点，反映各水分离，水不能相互混合，各有其化学特点

17、，反映各水域存在地区和流经区域的特点。域存在地区和流经区域的特点。 不过，在整个世界范围内，陆地在其类似地球化学不过，在整个世界范围内，陆地在其类似地球化学过程和淋溶、迁移过程中，物质由大气圈、岩石圈和过程和淋溶、迁移过程中，物质由大气圈、岩石圈和生物圈进入水中，其化学组成仍有某些共同特点，陆生物圈进入水中，其化学组成仍有某些共同特点，陆地水总盐量在地水总盐量在500mgL1以下，比海水低得多。以下，比海水低得多。 陆地水中下列成分含量顺序一般为陆地水中下列成分含量顺序一般为HCO3SO42Cl，Ca2+Na+Mg2+，而海水中相应的含量顺序，而海水中相应的含量顺序为为ClSO42HCO3，N

18、a+Mg2+Ca2+，少数元，少数元素在河水中的浓度高于海水，多数低于或接近于海水。素在河水中的浓度高于海水，多数低于或接近于海水。 14一般，海水中溶解有机碳浓度都低于一般，海水中溶解有机碳浓度都低于2mgL1，而在淡水中都高于此值，尤其在有机物富集的河水而在淡水中都高于此值，尤其在有机物富集的河水中，溶解有机碳浓度普遍高于中，溶解有机碳浓度普遍高于20mgL1。需要注意的是，由于自然和人为的影响较大，需要注意的是，由于自然和人为的影响较大，陆地水化学成分含量的时空差异比海水明显得多。陆地水化学成分含量的时空差异比海水明显得多。如与温带地区相比，热带高温地区河水含有较多的如与温带地区相比，热

19、带高温地区河水含有较多的铝、铁、硅和有机物质，而干燥地区河水往往含有铝、铁、硅和有机物质，而干燥地区河水往往含有较多的较多的Na+、Cl和和SO42。 15第二节第二节 天然水的性质天然水的性质 一、天然水中的碳酸平衡体系一、天然水中的碳酸平衡体系(自学自学) 在大多数天然水体中都含有溶解的二氧化碳。它在大多数天然水体中都含有溶解的二氧化碳。它的主要来源是水体或土壤中有机物氧化的最终产物；的主要来源是水体或土壤中有机物氧化的最终产物；空气中的二氧化碳空气中的二氧化碳(0.035%)也能溶入水中。也能溶入水中。 溶解在水中的溶解在水中的CO2与水化合形成酸，可与岩石中与水化合形成酸，可与岩石中的

20、碱性物质发生反应，并可通过沉淀反应变为沉积的碱性物质发生反应，并可通过沉淀反应变为沉积物而从水中除去；在水和生物体之间的生物化学交物而从水中除去；在水和生物体之间的生物化学交换中，换中，CO2占有重要地位，溶解的碳酸盐化合态与岩占有重要地位，溶解的碳酸盐化合态与岩石圈、大气圈进行均相、多相的酸碱反应和交换反石圈、大气圈进行均相、多相的酸碱反应和交换反应，对于调节天然水的应，对于调节天然水的pH和组成起着重要作用。和组成起着重要作用。16在水中存在着在水中存在着CO2、H2CO3、HCO3和和CO32四种形四种形态的碳酸化合物。态的碳酸化合物。 实际上实际上H2CO3形态的含量极低，主要是溶解性

21、气体形态的含量极低，主要是溶解性气体CO2，所以常把，所以常把CO2和和H2CO3合并为合并为H2CO3*。水中水中H2CO3*HCO3CO32体系可用下面的反应体系可用下面的反应和平衡常数表示：和平衡常数表示： CO2+H2O H2CO3* pK0=1.46 (21) H2CO3* HCO3+H+ pK1=6.36 (22) HCO3 CO32+H+ pK2=10.33 (23) 17根据以上各式，可以计算出不同根据以上各式，可以计算出不同pH值下含碳酸物类值下含碳酸物类各种形态的分布系数。将计算结果绘制成曲线，得到各种形态的分布系数。将计算结果绘制成曲线，得到形态分布系数图，如图形态分布系

22、数图，如图21所示。所示。 在在CT（总碳酸量）值一定时，则又可计算出不同（总碳酸量）值一定时，则又可计算出不同pH值时值时H2CO3*、HCO3、CO32的浓度。将浓度随的浓度。将浓度随pH变化的函数关系绘制成曲线，如图变化的函数关系绘制成曲线，如图22所示。所示。18图图21 H2CO3*HCO3CO32体系的分布系数图体系的分布系数图引自李惕川主编，环境化学，第引自李惕川主编，环境化学，第86页。页。19-2-12-10-8-6-42 4 6 8 10 12 14(Cc=1 10 m ol L )T - 3pHC O32-H C O3-C O2PK1=6.36Pk2 =10.33lg c

23、-1图图22 H2CO3*HCO3CO32体系的浓度分布体系的浓度分布引自李惕川主编，环境化学，第引自李惕川主编，环境化学，第87页。页。20由以上两图均可看出，当由以上两图均可看出，当pHpK1(6.36)时，体时，体系中系中CO2为主要形态；当为主要形态；当pHpK2(10.33)时，则体系时，则体系以以CO32为主要形态；只有当为主要形态；只有当pK1pHpK2时，才时，才以以HCO3为主要形态。为主要形态。以上的讨论没有考虑溶解性以上的讨论没有考虑溶解性CO2与大气交换过程，与大气交换过程，因而属于封闭的水溶液体系的情况。因而属于封闭的水溶液体系的情况。实际上，根据气体交换动力学，实际

24、上，根据气体交换动力学，CO2在气液界面在气液界面的平衡时间需数日。因此，若所考虑的溶液反应在数的平衡时间需数日。因此，若所考虑的溶液反应在数h之内完成，就可应用封闭体系固定碳酸化合物总量之内完成，就可应用封闭体系固定碳酸化合物总量的模式加以计算。反之，如果所研究的过程是长时间的模式加以计算。反之，如果所研究的过程是长时间的，例如，的，例如，1年期间的水质组成，则认为大气的年期间的水质组成，则认为大气的CO2与水是处于平衡状态，可以更近似于真实情况。与水是处于平衡状态，可以更近似于真实情况。 2121当考虑当考虑CO2在气相和液相之间平衡时，各种碳酸在气相和液相之间平衡时，各种碳酸盐化合态平衡

25、浓度可表示为和盐化合态平衡浓度可表示为和pH的函数。此时，可应的函数。此时，可应用亨利定律：用亨利定律：CO2(aq)=KH （24）溶液中，其它形态碳酸化合物的浓度为：溶液中，其它形态碳酸化合物的浓度为：22)52(PK1(aq)COC2COH002T) 62(PKHKPKHCO22COH1COH013) 72(PKHKKPKCO22COH221COH02-23由这些方程式可知，在由这些方程式可知，在lgcpH图上（图图上（图23）中，中，H2CO3*、HCO3和和CO32三条线的斜率分别为三条线的斜率分别为0、+1和和+2。此时。此时CT为三者之和，它是以三根直线为渐近为三者之和，它是以三

26、根直线为渐近线的一根曲线。线的一根曲线。 由图由图23可看出，可看出，CT是随是随pH值的改变而变化。当值的改变而变化。当pH6时，溶液中主要是时，溶液中主要是H2CO3*组分；当组分；当pH在在610之间时，溶液中主要是之间时，溶液中主要是HCO3组分；当组分；当pH10.3时，时，溶液中则主要是溶液中则主要是CO32组分。组分。2323图23 开放体系的碳酸平衡引自戴树桂主编. 环境化学. 第91页24比较封闭体系和开放体系就可发现，在封闭比较封闭体系和开放体系就可发现，在封闭体系中体系中H2CO3*、HCO3和和CO32等可随等可随pH值值变化而改变，但总的碳酸量变化而改变，但总的碳酸量

27、CT始终保持不变。始终保持不变。 而对开放体系来说，而对开放体系来说，HCO3、CO32和和CT均随均随pH值的改变而变化，但值的改变而变化，但H2CO3*总保持与大总保持与大气相平衡的固定值。气相平衡的固定值。25二、天然水的碱度与酸度（二、天然水的碱度与酸度（讲解讲解）碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子亦即能接受质子H+的物质总量。的物质总量。组成水中碱度的物质可以归纳为三类：组成水中碱度的物质可以归纳为三类：（一）强碱，如（一）强碱，如NaOH、Ca(OH)2等，在溶液中全等，在溶液中全部解离生成部解离生成OH离子；离子

28、；（二）弱碱，如（二）弱碱，如NH3、C6H5NH2等，在水中有一部等，在水中有一部分发生反应生成分发生反应生成OH离子；离子；（三）强碱弱酸盐，如各种碳酸盐、硅酸盐、磷酸（三）强碱弱酸盐，如各种碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物和腐殖酸盐等，它们水解时生成盐、硫化物和腐殖酸盐等，它们水解时生成OH离子或离子或直接接受质子直接接受质子H+。根据溶液质子平衡条件，可以得到碱度的表示式：根据溶液质子平衡条件，可以得到碱度的表示式：总碱度总碱度=HCO3+2CO32+OHH+ (211） 26如果滴定是以酚酞作指示剂，当溶液的如果滴定是以酚酞作指示剂，当溶液的pH值降到值降到8.3时，表示时，表示OH被

29、中和，被中和，CO32全部转化为全部转化为HCO3，作为，作为碳酸盐只中和了一半，因此，得到酚酞碱度表示式：碳酸盐只中和了一半，因此，得到酚酞碱度表示式：酚酞碱度酚酞碱度=CO32+OHH2CO3*H+ (2-12） 达到达到pHCO32-所需酸量时的碱度称为苛性碱度。苛性所需酸量时的碱度称为苛性碱度。苛性碱度在实验室里不能迅速地测得，因为不容易找到终点。碱度在实验室里不能迅速地测得，因为不容易找到终点。若已知总碱度和酚酞碱度就可以用计算方法确定。苛性碱若已知总碱度和酚酞碱度就可以用计算方法确定。苛性碱度表示为：度表示为：苛性碱度苛性碱度=OH-HCO3-2H2CO3*-H+ (2-13) 2

30、7酸度是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，酸度是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出亦即放出H+或经过水解能产生或经过水解能产生H+的物质的总量。的物质的总量。 组成水中酸度的物质也可归纳为三类：组成水中酸度的物质也可归纳为三类： （一）强酸，如盐酸、硝酸、硫酸等；（一）强酸，如盐酸、硝酸、硫酸等； （二）弱酸，如（二）弱酸，如CO2及及H2CO3、H2S蛋白质以及各种蛋白质以及各种有机酸类；有机酸类； （三）强酸弱碱盐，如（三）强酸弱碱盐，如FeCl3、Al2(SO4)3等。等。 28 以强碱滴定含碳酸水溶液测定其酸度时，其反应以强碱滴定含碳酸水溶液测定其酸度时，其反应过程与上

31、述相反。以甲基橙为指示剂滴定到过程与上述相反。以甲基橙为指示剂滴定到pH=4.3，以酚酞为指示剂滴定到以酚酞为指示剂滴定到pH=8.3，分别得到无机酸度及，分别得到无机酸度及游离游离CO2酸度。总酸度应在酸度。总酸度应在pH=10.8处得到，但此时的处得到，但此时的曲线无明显突跃，难以选择合适的指示剂，故一般以游曲线无明显突跃，难以选择合适的指示剂，故一般以游离离CO2酸度为主要指标。同样也可根据溶液质子平衡条酸度为主要指标。同样也可根据溶液质子平衡条件，得到酸度的表达式：件，得到酸度的表达式： 总酸度总酸度=H+HCO3-+2H2CO3*-OH- (2-14) CO2酸度酸度=H+H2CO3

32、*-CO32-OH- (2-15) 无机酸度无机酸度=H+-HCO3-2CO32-OH- (2-16) 29 如果应用总碳酸量（如果应用总碳酸量（CT）和相应的分布系数来表示，）和相应的分布系数来表示，则有：则有： 总碱度总碱度=CT（1+22）+Kw/H+-H+ (2-17) 酚酞碱度酚酞碱度=CT（2-0）+Kw/H+-H+ (2-18) 苛性碱度苛性碱度=CT(1+20)+Kw/H+-H+ (2-19) 总酸度总酸度=CT(1+20)+H+-Kw/H+ ( 2-20) CO2酸度酸度=CT(0-2)+H+-Kw/H+ (2-21) 无机酸度无机酸度=CT(1+22)+H+-Kw/H+ (

33、2-22) 此时，如果已知水体的此时，如果已知水体的pH、碱度及相应的平衡常数，、碱度及相应的平衡常数，就可算出就可算出H2CO3*、HCO3、CO3 2及及OHOH在水中的浓度在水中的浓度( (假定其它各种形态对碱度的贡献可以忽略假定其它各种形态对碱度的贡献可以忽略) )。 3030 （自学自学）例例1 某水体的某水体的pH=8.00，碱度为，碱度为1.00103molL1。计算。计算H2CO3*、HCO3、CO32及及OH的浓的浓度。度。 解：当解：当pH=8.00时，时，CO32的浓度与的浓度与HCO3相比可以相比可以忽略，此时（总）碱度全部由忽略，此时（总）碱度全部由HCO3贡献。贡献

34、。 HCO3=碱度碱度=1.00103molL1 OH=1.00106molL1 根据酸的离解常数根据酸的离解常数K1，可以计算出，可以计算出H2CO3*的浓度：的浓度： H2CO3*=H+HCO3/K1 =1.001081.00103/(4.45107) =2.25105(molL1) 31代入代入K2的表示式计算的表示式计算CO32的浓度：的浓度： CO32=K2HCO3/H+ =4.6910111.00103/1.00108 =4.69106(molL1) 例例2若水体的若水体的pH为为10.0，碱度仍为，碱度仍为1.00103molL1时时,如何求上述各物质的浓度？如何求上述各物质的浓

35、度？ 解：在这种情况下，解：在这种情况下，OH=104(molL1)，H+=1010（molL1），而对碱度的贡献是由），而对碱度的贡献是由CO32、HCO3和和OH同时提供，总碱度可表示如下：同时提供，总碱度可表示如下： 32 33 碱度碱度=HCO3+2CO32+OHH+ 1103=HCO3+2CO32+1041010整理上式得：整理上式得： HCO3-=0.91-3/1.938=4.6410-4(molL-1) CO32-=(2.6910-114.6410-4)/10-10 =2.1810-4(molL1) 331043231010HHCO2KHCO 在这里需要特别注意的是，封闭体系中加

36、入强酸在这里需要特别注意的是，封闭体系中加入强酸或强碱，总碳酸量或强碱，总碳酸量CT不受影响，而加入不受影响，而加入CO2时，总碱时，总碱度值保持不变。这时溶液度值保持不变。这时溶液pH值和各碳酸化合态浓度虽值和各碳酸化合态浓度虽然发生变化，但它们的代数和保持不变。因此，总碳然发生变化，但它们的代数和保持不变。因此，总碳酸量和总碱度在一定条件下具有守恒特性。酸量和总碱度在一定条件下具有守恒特性。 在环境水化学及水处理工艺过程中，常常会遇到在环境水化学及水处理工艺过程中，常常会遇到向碳酸体系加入酸或碱来调整原有的向碳酸体系加入酸或碱来调整原有的pH值的问题。值的问题。 例例3 若一个天然水的若一

37、个天然水的pH为为7.0，碱度为，碱度为1.4m molL-1，求需加多少酸才能使原水的求需加多少酸才能使原水的pH值降低到值降低到6.0？ 解：解：碱度碱度=CT(1+22)+Kw/H+-H+ CT=碱度碱度+H+OH (2-23) 其中其中 =1/(1+22) (2-24) 、1、2是是pH的函数，其数值见表的函数，其数值见表26。 34 当当pH在在59范围内，范围内，碱度碱度103molL1或或pH在在68范围内，范围内，碱度碱度104molL1时，时，H+OH两两项可忽略不计，由此得到简化式：项可忽略不计，由此得到简化式： CT=碱度碱度 （225） 当当pH=7.0时，查表时，查表

38、26得得1=0.816, 2=3.83104, =1.22，所以：，所以： CT=碱度碱度=1.221.4=1.71(m molL1) 若加强酸将原水的若加强酸将原水的pH值降低到值降低到6.0，其，其CT值并不值并不变化，而变化，而值则变为值则变为3.25（见表（见表26），这时的碱度），这时的碱度则为：则为： 碱度碱度=CT/=1.71/3.25=0.526(m molL1) 35碱度降低值就是应加入酸量：碱度降低值就是应加入酸量： A=1.40.526=0.874(m molL1)答：需加答：需加0.874m molL-1的强酸。的强酸。碱化时的计算与此类似。碱化时的计算与此类似。 36

39、 37表表26 碳酸平衡系数（碳酸平衡系数（25）pH0124.50.98610.013882.05810872.0624.60.98260.017413.25010857.4474.70.97820.021825.12810845.8374.80.97270.027318.08210836.6154.90.96590.034141.27210729.2905.00.95740.042601.99810723.4725.10.94690.053053.13210718.8505.20.93410.065884.89710715.1795.30.91850.081557.63110712.262

40、 38表表26 碳酸平衡系数（碳酸平衡系数（25）5.40.89950.10051.1841069.9465.50.87660.12341.8401068.1065.60.84950.15052.8101066.6445.70.81760.18244.2861065.4845.80.78080.21926.4871064.5615.90.73880.26129.7291063.8286.00.69200.30801.4441053.2476.10.64090.35912.1201052.7856.20.58640.41363.0741052.4186.30.52970.47034.401105

41、2.126 39表表26 碳酸平衡系数（碳酸平衡系数（25）6.40.47220.52786.2181051.8946.50.41540.58458.6691051.7106.60.36080.63911.1931041.5646.70.30950.69031.6231041.4486.80.26260.73722.1821041.3566.90.22050.77932.9031041.2827.00.18340.81623.8281041.2247.10.15140.84815.0081041.1787.20.12410.87526.5061041.141 40表表26 碳酸平衡系数（碳酸平

42、衡系数（25）7.30.10110.89808.4031041.1117.40.082030.91691.0801031.0887.50.066260.93241.3831031.0697.60.053340.94491.7641031.0547.70.042820.95492.2451031.0427.80.034290.96292.8491031.0327.90.027410.96903.6101031.0248.00.021880.97364.5661031.0188.10.017440.97685.7671031.0128.20.013880.97887.2761031.0078.30

43、.011040.97989.1691031.002三、自然界的水循环体系（三、自然界的水循环体系（讲解讲解） 天然水是江河湖海、沼泽、冰雪等地表水和地下水的天然水是江河湖海、沼泽、冰雪等地表水和地下水的综合。综合。在太阳能和地球表面热能的作用下，地面上的水不在太阳能和地球表面热能的作用下，地面上的水不断被蒸发成水蒸气，进入大气，水蒸气遇冷凝聚成水，在断被蒸发成水蒸气，进入大气，水蒸气遇冷凝聚成水，在重力的作用下以降水的形式落到地面。重力的作用下以降水的形式落到地面。这个周而复始的过这个周而复始的过程，程，称为水循环称为水循环，如图，如图24所示。所示。 41图图24 水循环分为大循环和小循环。

44、水循环分为大循环和小循环。 从海洋蒸发出来的水蒸气，被气流带到陆地上空，凝结为雨、从海洋蒸发出来的水蒸气，被气流带到陆地上空，凝结为雨、雪、雹等落到地面，一部分被蒸发返回大气，其余部分成为地表径雪、雹等落到地面，一部分被蒸发返回大气，其余部分成为地表径流或地下径流等，最终回归海洋。这种海陆之间水的往复运动过程，流或地下径流等，最终回归海洋。这种海陆之间水的往复运动过程，称为水的大循环或称外循环。称为水的大循环或称外循环。 仅在局部地区（陆地或海洋）进行的水循环仅在局部地区（陆地或海洋）进行的水循环称为水的小循环或称为水的小循环或称内循环。称内循环。 环境中水的循环实际上是大、小交织在一起，并在

45、全球范围内环境中水的循环实际上是大、小交织在一起，并在全球范围内和地球上各个地区内不停地进行着。通过降水和蒸发这两种形式，和地球上各个地区内不停地进行着。通过降水和蒸发这两种形式，地球上的水分达到平衡。地球上的水分达到平衡。 另外，因为每年降到地面的雨雪大约有另外，因为每年降到地面的雨雪大约有30%又以地表径流的形又以地表径流的形式流入海洋，同时可将溶解和携带的大量营养物质从一个生态系统式流入海洋，同时可将溶解和携带的大量营养物质从一个生态系统搬迁到另一个生态系统，这对补充某些生态系统营养物质的不足起搬迁到另一个生态系统，这对补充某些生态系统营养物质的不足起着重要作用。着重要作用。 42 影响

46、天然水循环的因素很多。影响天然水循环的因素很多。 自然因素主要有气象条件（大气环流、风向、风速、温度、湿自然因素主要有气象条件（大气环流、风向、风速、温度、湿度等）和地理条件（地形、地质、土壤、植被等）。度等）和地理条件（地形、地质、土壤、植被等）。 人为因素有直接和间接的影响。人类活动不断改变着自然环境，人为因素有直接和间接的影响。人类活动不断改变着自然环境，愈来愈强烈地影响着天然水循环的过程。愈来愈强烈地影响着天然水循环的过程。 修水库、开运河，以及大量开发利用地下水等，改变了水的原修水库、开运河，以及大量开发利用地下水等，改变了水的原来径流路线，引起水的分布和运动状况的变化。农业的发展，

47、森林来径流路线，引起水的分布和运动状况的变化。农业的发展，森林的破坏，引起蒸发、径流、下渗过程的变化。的破坏，引起蒸发、径流、下渗过程的变化。 水在循环过程中，沿途挟带的各种有害物，可由于水的稀释扩水在循环过程中，沿途挟带的各种有害物，可由于水的稀释扩散，降低浓度而无害化，散，降低浓度而无害化，这是水的自净作用。这是水的自净作用。但也可能由于水的流但也可能由于水的流动交换而迁移，造成其他地区或更大范围的污染。动交换而迁移，造成其他地区或更大范围的污染。 43第三节第三节 水体污染水体污染 一、水体污染类型（一、水体污染类型（讲解讲解） 水体污染有两类：自然污染和人为污染。水体污染有两类：自然污

48、染和人为污染。 自然污染主要是自然原因造成，如特殊地质条件使某自然污染主要是自然原因造成，如特殊地质条件使某些地区有某种化学元素大量富集，天然植物在腐烂过程中些地区有某种化学元素大量富集，天然植物在腐烂过程中产生某种毒物，以及降水淋产生某种毒物，以及降水淋洗大气和地面后挟带各种物质洗大气和地面后挟带各种物质流入水体，都会影响当地水质。流入水体，都会影响当地水质。 人为污染是人类生产和生活活动产生的废污水、废渣人为污染是人类生产和生活活动产生的废污水、废渣等排入水体造成的，水体污染主要是这一类。等排入水体造成的，水体污染主要是这一类。 按水体类型，水体污染可分为江河污染、湖泊污染、按水体类型，水

49、体污染可分为江河污染、湖泊污染、海洋污染和地下水污染海洋污染和地下水污染4种类型。种类型。 江河污染具有污染程度随径流量变化、污染物扩散快江河污染具有污染程度随径流量变化、污染物扩散快及污染影响大等特点。及污染影响大等特点。 湖泊、水库的污染主要表现为富营养化现象。湖泊、水库的污染主要表现为富营养化现象。 44 海洋污染具有污染源多而复杂、污染的持续性强且海洋污染具有污染源多而复杂、污染的持续性强且危害大、污染范围大等特点，靠近工农业生产发达地区及危害大、污染范围大等特点，靠近工农业生产发达地区及沿海大都市的海域污染特别严重。沿海大都市的海域污染特别严重。 地下水污染具有过程缓慢不易发现和难以

50、治理等特地下水污染具有过程缓慢不易发现和难以治理等特点。按人类活动的不同方式点。按人类活动的不同方式,水体污染可分为工业污染、水体污染可分为工业污染、农业污染、生活污染等类型。农业污染、生活污染等类型。 水体工业污染是由工业生产过程中的设备、装置和工水体工业污染是由工业生产过程中的设备、装置和工厂排出的废水所引起的，它是水体污染最重要和危害最大厂排出的废水所引起的，它是水体污染最重要和危害最大的一种。的一种。 水体农业污染是由农业生产过程中农田和各种农业设水体农业污染是由农业生产过程中农田和各种农业设施所引起的；施所引起的； 水体生活污染是人类消费活动产生的污染物引起的。水体生活污染是人类消费

51、活动产生的污染物引起的。城市和人口密集的居住区产生的生活污水是其主要污染源城市和人口密集的居住区产生的生活污水是其主要污染源还有由交通运输过程及运载工具引起的水体交通污染等。还有由交通运输过程及运载工具引起的水体交通污染等。 45二、水体污染物二、水体污染物（讲解讲解） （一）无毒污染物（一）无毒污染物（讲解讲解） 它主要是指本身无毒，但通过生物活动消耗水中溶解氧，甚至它主要是指本身无毒，但通过生物活动消耗水中溶解氧，甚至有可能引起水体有可能引起水体“富营养化富营养化”的一些物质。的一些物质。 1. 耗氧污染物耗氧污染物 生活污水、牲畜污水及食品、造纸、制革、印染、化工等工业生活污水、牲畜污水

52、及食品、造纸、制革、印染、化工等工业废水中，含有大量的碳水化合物、蛋白质、脂肪、木质素等有机物。废水中，含有大量的碳水化合物、蛋白质、脂肪、木质素等有机物。 如不经处理，直接排入河流、湖泊、水库里，它们将被微生物的生如不经处理，直接排入河流、湖泊、水库里，它们将被微生物的生化作用而分解。在其分解过程中需要消耗水中大量的氧，因而被称化作用而分解。在其分解过程中需要消耗水中大量的氧，因而被称为耗氧污染物。为耗氧污染物。 其污染程度可以用溶解氧（其污染程度可以用溶解氧（DO）、生化需氧量（）、生化需氧量（BOD）、化）、化学耗氧量（学耗氧量（COD）、总有机碳（）、总有机碳（TOC）、总需氧量（）、

53、总需氧量（TOD）等各）等各种指标来表示。种指标来表示。溶解氧（溶解氧（DO）反映水体中存在氧的数量，其他反映水体中存在氧的数量，其他几种指标反映水体中有机污染物所消耗的氧量。几种指标反映水体中有机污染物所消耗的氧量。 46 天然水体中天然水体中溶解氧溶解氧DO一般为一般为510mgL1。有机物在水中被好。有机物在水中被好氧微生物分解，使氧微生物分解，使溶解氧溶解氧DO急剧降低，造成水体溶解氧的缺乏。急剧降低，造成水体溶解氧的缺乏。如果水中溶解氧耗尽，有机物又被厌氧微生物分解，产生如果水中溶解氧耗尽，有机物又被厌氧微生物分解，产生CH4、H2S、NH3等恶臭物质，使水变质发臭。等恶臭物质，使水

54、变质发臭。 化学耗氧量化学耗氧量COD指水体中能被氧化的物质在规定条件下进行化指水体中能被氧化的物质在规定条件下进行化学氧化过程中所耗氧化剂的量，以每升水样消耗氧的毫克数表示。学氧化过程中所耗氧化剂的量，以每升水样消耗氧的毫克数表示。 水中各种有机物进行氧化反应的难易程度是不同的，因此水中各种有机物进行氧化反应的难易程度是不同的，因此化化学耗氧量学耗氧量COD只表示在规定条件下水中可被氧化物质和耗氧量的只表示在规定条件下水中可被氧化物质和耗氧量的总和。它主要是反映水体中受有机物污染的程度。总和。它主要是反映水体中受有机物污染的程度。化学耗氧量化学耗氧量COD的测定方法简便、迅速，但不能反映有机

55、污染物在水中降解的实际的测定方法简便、迅速，但不能反映有机污染物在水中降解的实际情况。情况。 水中有机物的降解靠生物的作用。因此比较广泛的是用水中有机物的降解靠生物的作用。因此比较广泛的是用生化需生化需氧量氧量BOD作为评价水体受有机物污染的指标。作为评价水体受有机物污染的指标。生化需氧量生化需氧量BOD是是指地面水体中微生物分解有机物的过程中消耗水中的溶解氧的量，指地面水体中微生物分解有机物的过程中消耗水中的溶解氧的量，又称生物需氧量，全称是生物化学需氧量。又称生物需氧量，全称是生物化学需氧量。 47 微生物在分解有机物的过程中，分解作用的速率和程度同温微生物在分解有机物的过程中，分解作用的

56、速率和程度同温度和时间有直接关系。一般都用水温度和时间有直接关系。一般都用水温2020时时5 5天的生化需氧量天的生化需氧量（BODBOD5 5）作为统一指标。）作为统一指标。 生物需氧量生物需氧量BODBOD反映水中可被微生物分解的有机物总量，反映水中可被微生物分解的有机物总量，以每升水中消耗溶解氧的毫克数来表示。以每升水中消耗溶解氧的毫克数来表示。一个一个BODBOD高的水体不高的水体不可能很快地补充氧气，对水生生物是不利的。可能很快地补充氧气，对水生生物是不利的。一般情况下，一般情况下，BODBOD5 5低于低于3mg3mgL L1 1时，时，水质清洁；水质清洁；达到达到7.5mg7.5

57、mgL L1 1时，时，水质不水质不好；好；大于大于10mg10mgL L1 1时，时，水质已很差，水质已很差，鱼类不能再生存。鱼类不能再生存。 生物需氧量生物需氧量BODBOD能比较确切地说明耗氧有机物的环境影响。能比较确切地说明耗氧有机物的环境影响。但是测定周期长，不便及时指导实践。毒性大的废水可抑制生物但是测定周期长，不便及时指导实践。毒性大的废水可抑制生物活动，影响测定结果，甚至无法进行测定。活动，影响测定结果，甚至无法进行测定。 TOCTOC指溶解于水中的有机物总量，折合成碳计算；指溶解于水中的有机物总量，折合成碳计算；TODTOD指指水中几乎全部可被氧化的物质变成稳定氧化物时所消耗

58、水中的溶水中几乎全部可被氧化的物质变成稳定氧化物时所消耗水中的溶解氧的总量。它们的测定都利用化学燃烧反应，对水中有机物的解氧的总量。它们的测定都利用化学燃烧反应，对水中有机物的氧化接近完全，测定速率很快，可以连续自动进行。氧化接近完全，测定速率很快，可以连续自动进行。 48 2. 植物营养物质植物营养物质 施用氮肥、磷肥的农田水、农业废弃物（植物秸秆、施用氮肥、磷肥的农田水、农业废弃物（植物秸秆、牲畜粪便等）、生活污水及某些工业废水中，常含有过量牲畜粪便等）、生活污水及某些工业废水中，常含有过量的的N、P等营养物质，大量进入湖泊、水库、河口、海湾等营养物质，大量进入湖泊、水库、河口、海湾等缓流

59、水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，使水体等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，使水体溶解氧量下降，水质恶化，以致鱼类及其他水生生物大量溶解氧量下降，水质恶化，以致鱼类及其他水生生物大量死亡的现象，称为死亡的现象，称为水体水体“富营养化富营养化”。水体水体出现出现“富营养富营养化化”现象时，浮游生物大量繁殖，因占优势的浮游生物的现象时，浮游生物大量繁殖，因占优势的浮游生物的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色或乳白色等。颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色或乳白色等。这种现象在江河、湖泊中称为水华，在海中则叫赤潮。这种现象在江河、湖泊中称为水华，在海中则叫赤潮。 3. 酸、碱及一般

60、无机盐类酸、碱及一般无机盐类 水体遭到酸、碱污染后，酸碱度发生变化，当水体遭到酸、碱污染后，酸碱度发生变化，当pH小小于于6.5或大于或大于8.5时，水中的微生物生长受到抑制，致使水时，水中的微生物生长受到抑制，致使水体自净能力受到阻碍，影响各种用水水质。体自净能力受到阻碍，影响各种用水水质。 49 4. 热污染物热污染物 工业生产的水体排放高温废水可造成热污染。它使水工业生产的水体排放高温废水可造成热污染。它使水温升高，水中化学反应、生物反应速率随之加快；会降低温升高，水中化学反应、生物反应速率随之加快；会降低溶解氧的量，影响鱼类的生存和繁殖。溶解氧的量，影响鱼类的生存和繁殖。 5. 悬浮物