第三章 地下水污染问题

1、第三章第三章 地下水污染问题地下水污染问题第一节第一节 概述概述地下水污染：在人类活动的影响下，地下水质（物理性质、化学组分、生物性状）朝着不利于人类生活或生产的水质恶化方向发展的现象。地下水污染判定条件：（1）地下水水质朝着恶化方向发展；（2）水质变化由人类活动引起的；（3）地下水是否污染的判别标准是地区背景值。一、地下水污染的概一、地下水污染的概念念二、地下水污染来源及主要污染物二、地下水污染来源及主要污染物地下水污染物：地下水污染物：人类活动导致进入地下水环境，引起水质恶化的人类活动导致进入地下水环境，引起水质恶化的各种物质（溶解物或悬浮物）。各种物质（溶解物或悬浮物）。地下水污染源：地

2、下水污染源：地下水污染物的来源或发源地。地下水污染物的来源或发源地。地下水污染源分类：地下水污染源分类：（1）根据形成原因：）根据形成原因：人为污染源人为污染源和和天然污染源天然污染源两大类；两大类；（2）根据污染源的作用空间：）根据污染源的作用空间：点状、线状和面状点状、线状和面状污染源；污染源；（3）根据作用时间：）根据作用时间：连续污染源、间断性污染源和瞬时污染源连续污染源、间断性污染源和瞬时污染源；（4）根据污染源的相态：）根据污染源的相态：液体污染源和固体污染源液体污染源和固体污染源；（一）人为污染源（一）人为污染源包括：包括：1.1.工业污染源；工业污染源；2.2.农业污染源；农业

3、污染源；3.3.城市污染源城市污染源1.1.工业污染源工业污染源1)1)工业废水工业废水包括废水、污水和废液。包括废水、污水和废液。废水指工业冷却水废水指工业冷却水污水指与产品直接接触受污染严重的排水污水指与产品直接接触受污染严重的排水废液指生产工艺中流出的废液废液指生产工艺中流出的废液工业废水根据性质的差别：工业废水根据性质的差别：含有机物的废水、含无机物废水和两者的混含有机物的废水、含无机物废水和两者的混合废水合废水2)2)固体废物和废气固体废物和废气包括加工过的残渣、废料、食品加工的有机残包括加工过的残渣、废料、食品加工的有机残渣、设备损坏、原材料泄漏以及工业废气等渣、设备损坏、原材料泄

4、漏以及工业废气等 、 环 境 问 题 和 可 持 续 发 展、 环 境 问 题 和 可 持 续 发 展冶金工业废水冶金工业废水冷却水油、铁氧化物、悬浮物冷却水油、铁氧化物、悬浮物洗涤水酚、氰、硫化氰酸盐、硫化物、钾盐、焦油、洗涤水酚、氰、硫化氰酸盐、硫化物、钾盐、焦油、悬浮物、氧化铁、石灰、氟化物、硫酸等悬浮物、氧化铁、石灰、氟化物、硫酸等冲洗水酸、碱、油脂、悬浮物、和金属冲洗水酸、碱、油脂、悬浮物、和金属矿山工业废水矿山工业废水采矿和选矿废水矿物质悬浮物、有关金属溶解离子采矿和选矿废水矿物质悬浮物、有关金属溶解离子矿渣经过雨水淋洗形成的二次污染物矿渣经过雨水淋洗形成的二次污染物炼焦厂和城市煤

5、气厂等工业废水炼焦厂和城市煤气厂等工业废水酚、氨、硫化物、氰化物、焦油等酚、氨、硫化物、氰化物、焦油等化学工业废水化学工业废水氰、酚、砷、汞、氰、酚、砷、汞、N、P、酸、碱和有机化合物、酸、碱和有机化合物电力工业废水电力工业废水 冷却水冷却水石油工业废水石油工业废水 石油开采废水、含硫废水和含碱废水石油开采废水、含硫废水和含碱废水造纸工业废水造纸工业废水 木质素糖类、纤维素、挥发有机酸木质素糖类、纤维素、挥发有机酸纺织工业废水纺织工业废水 印染废水染料、助染剂、淀粉、纤维素、木质素、印染废水染料、助染剂、淀粉、纤维素、木质素、洗涤剂等有机物和碱、硫化物、各种盐类等无机物洗涤剂等有机物和碱、硫化

6、物、各种盐类等无机物食品工业废水食品工业废水 动物排泄物、血液、皮毛、油脂等动物排泄物、血液、皮毛、油脂等2.2.农业污染源农业污染源农业退水农业退水( (作物栽培、牲畜饲养、食品加工中排出的废水作物栽培、牲畜饲养、食品加工中排出的废水); ); 农农药使用药使用; ; 化肥的使用等；化肥的使用等；3.3.城市污染源城市污染源生活垃圾生活垃圾生活污水各种悬浮物、胶体、盐类和有机物、病原体等；生活污水各种悬浮物、胶体、盐类和有机物、病原体等；废气废气（二）天然污染源（二）天然污染源 岩石或矿物的风化和水解；岩石或矿物的风化和水解； 火山爆发；火山爆发； 大气降尘的降水淋洗；大气降尘的降水淋洗；

7、生物在地球化学循环中释放的物质。生物在地球化学循环中释放的物质。（三）地下水污染物（三）地下水污染物 按其性质大致分三类：化学污染物、生物污染物、放按其性质大致分三类：化学污染物、生物污染物、放射性污染物；射性污染物；2.2. 生物污染物生物污染物主要包括病菌、病毒和寄生虫。主要包括病菌、病毒和寄生虫。来源：来源：生活污水生活污水医院废水医院废水制革、屠宰、洗毛等废水制革、屠宰、洗毛等废水畜牧污水畜牧污水 会造成疾病的传播会造成疾病的传播 3.3.放射性污染物放射性污染物水体的人工放射性物质来源于天然铀矿开采和选矿、水体的人工放射性物质来源于天然铀矿开采和选矿、精炼矿的废水精炼矿的废水原子能工

8、业和反应堆废水核武器制造和核试验的污染原子能工业和反应堆废水核武器制造和核试验的污染放射性同位素应用产生的废水放射性同位素应用产生的废水放射性废物堆放、存储不当造成泄漏引起的水体污染放射性废物堆放、存储不当造成泄漏引起的水体污染 水体中的放射性物质污染可以影响水生生物的生长水体中的放射性物质污染可以影响水生生物的生长, ,并并可以通过食物链进入生物体可以通过食物链进入生物体, ,可以引起贫血、白血球增生、可以引起贫血、白血球增生、遗传性变异和癌症等遗传性变异和癌症等. . 三、地下水污染特点及污染途径三、地下水污染特点及污染途径地下水污染特点地下水污染特点隐蔽性隐蔽性难逆转性难逆转性地下水污染

9、方式地下水污染方式直接污染直接污染间接污染间接污染地下水污染途径地下水污染途径（二）连续入渗型（二）连续入渗型其特点是：污染物随污水或污染溶液不断地渗入含水层。其特点是：污染物随污水或污染溶液不断地渗入含水层。（三）越流型（三）越流型其特点是：污染物通过层间越流的形式进入其它含水层。其特点是：污染物通过层间越流的形式进入其它含水层。（四）径流型（四）径流型其特点是：污染物通过地下径流的形式进入其它含水层。其特点是：污染物通过地下径流的形式进入其它含水层。四、地下水污染与人体健康四、地下水污染与人体健康（一）饮用水水质标准（一）饮用水水质标准 标准（标准（GB5749-2006GB5749-20

10、06）中的组分分为四类：感官性状指标和一般化学指）中的组分分为四类：感官性状指标和一般化学指标；毒理学指标；细菌学指标和放射性指标。标；毒理学指标；细菌学指标和放射性指标。（二）主要污染物与人体健康关系（二）主要污染物与人体健康关系 思考题思考题l1、什么是地下水污染，判别标准是什么？地下水污染有什么特点？l2、地下水的污染方式有几种，污染途径有几种类型，试举例说明。第二节第二节 污染物在地质环境中的水文地球化学效应污染物在地质环境中的水文地球化学效应l污染物在通过包气带向下运移时，会产生一系列复杂的物理、化学及生物作用。其中，对污染物的迁移存在两种水文地球化学效应：阻止迁移效应（或称净化效应

11、）和增强迁移效应。一、影响污染物迁移的水文地球化学效应一、影响污染物迁移的水文地球化学效应物理吸附：靠静电引力将离子吸附在固体表面。物理吸附：靠静电引力将离子吸附在固体表面。化学吸附：靠化学键结合，被吸附离子进入胶体的结晶骨架。化学吸附：靠化学键结合，被吸附离子进入胶体的结晶骨架。2、吸附作用效应、吸附作用效应 二、溶解和沉淀效应二、溶解和沉淀效应（一）溶解（一）溶解溶解和淋滤往往可使某些污染物从固相转为液相而使地下水溶解和淋滤往往可使某些污染物从固相转为液相而使地下水遭受污染。遭受污染。（二）沉淀（二）沉淀沉淀作用是去除污染物的主要净化效应。沉淀作用是去除污染物的主要净化效应。（三）氧化（三

12、）氧化-还原反应效应。还原反应效应。第二节第二节 主要污染物的相对迁移能力及其主要衰主要污染物的相对迁移能力及其主要衰减机理减机理l污染物的迁移受各种因素的影响。不同污染物其影响程度不同。污染物的迁移受各种因素的影响。不同污染物其影响程度不同。朗迈尔通过试验研究了各种污染物的相对迁移能力和主要衰减机理。朗迈尔通过试验研究了各种污染物的相对迁移能力和主要衰减机理。l思考题1、物理作用效应、化学作用效应和生物作用效应的含义是什么？它们对地下水系统的自净有什么意义？第三节第三节 地下水系统的污染及污染机理地下水系统的污染及污染机理一、地下水系统的氮污染及污染机理（一） 天然来源天然土壤中的有机氮是地

13、下水中NO3-N的主要来源。（二） 人为来源人为来源主要有化学肥料、农家肥（动物废物）、污水及污泥等。二、地下水系统中的氮污染（循环）机理（一）有机氮的矿化过程第一阶段：氨基化阶段，复杂的含氮有机质通过微生物酶的一系列作用逐步形成含氨基的简单有机化合物。第二阶段：铵化阶段，各种简单的氨基化合物分解成氨，同时还可能产生有机酸、醇、醛等较简单的中间产物。地下水氮的来源及其循环途径1、温度硝化作用：最佳温度30-35反硝化作用：最佳温度35-652、PH值硝化作用：最佳PH值6.4-7.9反硝化作用：最佳PH值3.5-11.23、土壤含水量当土壤含水量为最大持水度的1/2到2/3时，硝化作用最强；一

14、般来说，硝化作用最合适的土壤含水量为15%-20%。4 4、 EHEH值值硝化作用随硝化作用随EHEH值的增加而增加，而反硝化作用正相反。值的增加而增加，而反硝化作用正相反。5 5、污水和土壤中的有机质、污水和土壤中的有机质硝化作用的强弱和有机质的多少关系不大。硝化作用的强弱和有机质的多少关系不大。而有机质丰富，反硝化细菌繁殖强，反硝化作用就强。而有机质丰富，反硝化细菌繁殖强，反硝化作用就强。6 6、包气带岩性及地质结构、包气带岩性及地质结构颗粒粗，透水性好的地层有利于硝化作用。颗粒粗，透水性好的地层有利于硝化作用。粗细相间的地层结构有利于反硝化作用，而粗粒的单层结粗细相间的地层结构有利于反硝

15、化作用，而粗粒的单层结构有利于硝化作用。构有利于硝化作用。7 7、 含水层类型含水层类型六价铬的迁移机理：吸附和氧化还原。六价铬的迁移机理：吸附和氧化还原。思考题思考题1、简述硝化作用、反硝化作用以及地下水系统的氮污染机理。三、微量非金属污染及其污染机理三、微量非金属污染及其污染机理地下水微量非金属污染主要是As、F、Se、P、B、S等元素及氰的污染，其中较常见、危害较大的是As、F、氰的污染。一、砷（As） 砷在地壳中常与硫结合成硫化（矿）物。地下水中砷的天然来源为地壳岩石矿物中的砷的氧化；人为来源为合金冶炼、玻璃、化工、医药等工业和农药等。 砷在水中主要以砷的氧化物存在。砷有四个价态：+5

16、、+3、0、-3，地下水中的砷主要以正三价和五价出现。氧化条件下，地下水中的As为五价，还原条件下为三价。二、氟（二、氟（F）l地下水中氟的人为来源主要为矿山、冶金、钢铁、玻璃地下水中氟的人为来源主要为矿山、冶金、钢铁、玻璃等工业的废水、废渣和废气以及高氟煤燃烧废气等。等工业的废水、废渣和废气以及高氟煤燃烧废气等。三、氰化物（三、氰化物（CN-）氰化物，简称氰，是含有氰化物，简称氰，是含有CNCN- -基（或根）的一类化合物的总称。基（或根）的一类化合物的总称。地下水中的氰化物主要是人为污染造成的，其人为来源主要地下水中的氰化物主要是人为污染造成的，其人为来源主要是电镀、焦化、煤气、冶金、化工

17、等工业废水和某些农药等。是电镀、焦化、煤气、冶金、化工等工业废水和某些农药等。氰化物一般都有很大毒性。氰化物一般都有很大毒性。水体中氰化物存在形式：水体中氰化物存在形式：1 1、简单氰化物盐类，如、简单氰化物盐类，如NaCNNaCN、KCNKCN、NHNH4 4CNCN等。溶解性大，在等。溶解性大，在水中主要以游离水中主要以游离CN- -存在，毒性大；存在，毒性大；2 2、与、与CuCu、FeFe等金属离子形成的络合物。比较稳定，毒性相对等金属离子形成的络合物。比较稳定，毒性相对较小。较小。第四节第四节 有机化合物的污染及其污染机理有机化合物的污染及其污染机理按对水质量的影响和污染危害分有毒有

18、机物：酚、苯、有机氯农药等；耗氧有机物：脂肪、蛋白质、碳水化合物等；按物理化学性质分极性的（离子型的）；非极性的（非离子型的）；其中每一大类又可分为挥发性的和非挥发性的两个亚类。其中每一大类又可分为挥发性的和非挥发性的两个亚类。一、影响有机化合物迁移的主要机理一、影响有机化合物迁移的主要机理 在地下水系统中，控制有机化合物迁移的主要机理是吸附、在地下水系统中，控制有机化合物迁移的主要机理是吸附、化学反应及生物反应。化学反应及生物反应。1、吸附、吸附 极性有机物的吸附过程主要由静电引力的，而非极性难溶有极性有机物的吸附过程主要由静电引力的，而非极性难溶有机物的吸附过程机理尚不清楚。机物的吸附过程

19、机理尚不清楚。2、生物降解、生物降解 有机化合物在土壤及沉积物中迁移过程中，生物降解可能是有机化合物在土壤及沉积物中迁移过程中，生物降解可能是一种重要的机理。在生物降解过程中，必须有细菌参加。一种重要的机理。在生物降解过程中，必须有细菌参加。 一般来说，可生物降解的有机污染物有：卤代烃类、芳烃类一般来说，可生物降解的有机污染物有：卤代烃类、芳烃类等，而氯化烃类多难生物降解。等，而氯化烃类多难生物降解。3 3、化学反应、化学反应l在水溶液系统中，影响有机化合物迁移的主要化学机理是氧化作用、水解及还原作用。二、主要有机化合物简介二、主要有机化合物简介1 1、酚、酚由羟基与芳香环由羟基与芳香环( (

20、苯环苯环) )直接相连而成的化合物总称。各种直接相连而成的化合物总称。各种酚类均是强毒性的有机化合物。酚类均是强毒性的有机化合物。 地下水中酚类化合物的人为来源：地下水中酚类化合物的人为来源：炼焦、石油化工、炼油厂、合炼焦、石油化工、炼油厂、合成化工等的工业废水、废气和废渣成化工等的工业废水、废气和废渣。 酚类化合物在地下水系统中较易分解净化，其分解的主要机理是生物化酚类化合物在地下水系统中较易分解净化，其分解的主要机理是生物化学氧化，其次是酚的化学氧化和挥发作用等。学氧化，其次是酚的化学氧化和挥发作用等。2 2、耗氧有机物、耗氧有机物 常用下列指标表示地下水中耗氧有机物的相对含量或地下水被有

21、机物常用下列指标表示地下水中耗氧有机物的相对含量或地下水被有机物污染的程度。污染的程度。 化学需氧量化学需氧量 （CODCOD）：是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样：是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。时，所消耗的氧化剂量。 生物需氧量生物需氧量(BOD)(BOD) ：在好氧条件下，微生物分解水体中有机物质过程中所需在好氧条件下，微生物分解水体中有机物质过程中所需消耗的氧的数量。消耗的氧的数量。 溶解氧溶解氧 (DO)(DO) ：溶解于水中的分子态氧称为溶解氧溶解于水中的分子态氧称为溶解氧 。 五、微生物污染及其污染机理五、微生物污染及其污染机理二、影响

22、细菌和病毒在土壤中存活的因素二、影响细菌和病毒在土壤中存活的因素1 1、温度：低温的冬天存活时间长，高温的夏天存活时间短。、温度：低温的冬天存活时间长，高温的夏天存活时间短。2 2、土壤含水量：含水量大存活时间长。、土壤含水量：含水量大存活时间长。3 3、土壤、土壤PHPH值：值：PHPH值高利于细菌存活，值高利于细菌存活， PHPH值对病毒存活影响不明显。值对病毒存活影响不明显。4 4、其它微生物：其它微生物的大量存在，可能促使细菌和病毒加速死亡。、其它微生物：其它微生物的大量存在，可能促使细菌和病毒加速死亡。六、地下水盐污染及其污染机理六、地下水盐污染及其污染机理地下水盐污染主要是指地下水

23、受总硬度、地下水盐污染主要是指地下水受总硬度、ClCl- -和溶解性总固体的和溶解性总固体的污染。污染。污染地区往往是城市地区；污染来源多为城市的生活废水和生污染地区往往是城市地区；污染来源多为城市的生活废水和生活垃圾。活垃圾。一、地下水硬度升高一、地下水硬度升高（一）地下水硬度升高及水化学特征 水的硬度主要由Ca2+、Mg2+离子构成的。 以硬度升高为主的地下水污染的特征：以硬度升高为主的地下水污染的特征：（二）地下水硬度升高的化学机理（二）地下水硬度升高的化学机理 地下水硬度的升高机理实际上是钙镁离子升高的机理。地下水中不断增长的钙镁离子主要来源于土壤及其下层沉积物中的钙镁易溶盐、难溶盐及

24、交换性钙镁离子。发生的化学作用主要有三种。2、钙镁易溶盐的溶解钙镁易溶盐在土壤中广泛存在，它们的溶解度都较大，易溶于水，随入渗水带入地下水中。3.钙镁难溶盐的溶解钙镁难溶盐的溶解钙镁碳酸盐的溶解，主要取决于CO2分压。而城市生活污水、垃圾、某些工业污水、土壤中的有机物分解可产生大量的CO2。二、地下水开采及其盐污染二、地下水开采及其盐污染 一些地区地下水过量开采，导致潜水位逐年持续下降，也会引起地下水硬度、Cl-、SO4 42-2-、溶解性总固体等升高，使地下水产生盐污染。潜水位持续下降使环境水文地质条件产生改变：潜水位持续下降使环境水文地质条件产生改变：（1）包气带加厚）包气带加厚入渗途径加

25、长，溶滤作用时间增长；入渗途径加长，溶滤作用时间增长；原来含水层部分变为氧化环境，岩土中矿物或岩石产生氧化；原来含水层部分变为氧化环境，岩土中矿物或岩石产生氧化；入渗水的含盐量增加。入渗水的含盐量增加。（2）含水层变薄）含水层变薄地下水贮量减少，对污染物的稀释能力也减弱。地下水贮量减少，对污染物的稀释能力也减弱。产生产生“相对浓缩效应相对浓缩效应”第六节第六节 废物处理的环境水文地质问题废物处理的环境水文地质问题废物处置供选方案废物处置供选方案一、污水土地处理系统一、污水土地处理系统一、概述二、污水土地处理系统的处理方式二、污水土地处理系统的处理方式（一）污灌（慢速渗流）（一）污灌（慢速渗流）

26、 污灌主要是把污水直接施用于种植农作物的土地上及牧场、森林地区，利用污水作为灌溉水源及其中的营养组分作为植物的肥料，同时利用土壤的净化能力使污水得到处理利用。 慢速渗流的目的纯粹是处理污水，适用于大片荒地。（二）斜地漫流（二）斜地漫流l把污水喷灌到有植物及草生长的斜坡顶部，污水在向下流把污水喷灌到有植物及草生长的斜坡顶部，污水在向下流通过程中，通过物理、化学和生物作用去除污染物，处理通过程中，通过物理、化学和生物作用去除污染物，处理过的污水在斜坡最下部进行收集再用或排入河道。过的污水在斜坡最下部进行收集再用或排入河道。（三）快速渗滤（三）快速渗滤l污水快速渗滤系统简称“RI”系统。主要目的是处

27、理污水。通过该系统净化的污水用于：补给地下水；作为工农业用水。a、处理后污水排入河流b、处理后污水通过地下水排水管收集b、处理后污水通过地下水抽水井收集快速渗滤系统对水文地质条件的要求是：包气带的土壤及沉积物具有较好的渗透性，较理想的是细砂、粉细砂；在包气带的岩性结构上，最理想的是整个剖面都是比较均质的细砂、粉细砂，厚度至少1m以上 。一般达85%以上；（2）氮：去除率一般为30-70%；（3）细菌和病毒：去除细菌比较有效，其机理主要是过滤和吸附。（4）微量金属和微量有机化合物： 通过吸附使重金属聚集在10cm内的表层砂土中。二、固体废物的土地处理二、固体废物的土地处理三、放射性废物处理三、放

28、射性废物处理一、低放射性废物处理的环境水文地质问题思考题思考题1、COD、BOD、DO的概念和物理意义是什么？2、影响细菌和病毒在地下水系统迁移的因素主要有哪些？3、污水土地处理系统的处理方式和机理是什么？第七节 污染物在地下水中的运移、数学模型及污染预测一、污染物在地下水中的运移污染物在地下水中的运移形式：弥散和对流。1、弥散：由于多孔介质的渗流场中速度分布的不均一性和溶质浓度的不均一性而造成的溶质相对于平均流速扩散运移的现象。gradCDm -m弥散机理弥散机理分子扩散分子扩散机械弥散机械弥散gradCD nn-Fick定律定律gradCDgradCDDPnm-nm）（水动力弥散通量可表示

29、为：水动力弥散通量可表示为：式中：P水动力弥散通量； D水动力弥散系数； C溶质浓度。二、对流（平流）溶质以地下水平均实际流速（亦称平均流速）随水流一起运移传播的现象。可用下式描述：可用下式描述：uCII由对流作用造成的溶质在单位时间内通过单位面积的质量；C溶质在地下水中的浓度；u地下水的平均实际流速。二、影响溶质运移的其它因素三、 溶质在地下水中运移的数学模型一、溶质在地下水中运移的基本微分方程一、溶质在地下水中运移的基本微分方程可得：可得：则溶质运移的基本微分方程为：则溶质运移的基本微分方程为：czyxWzCu-yCu-xCu-)zC(z)yC(y)xC(xtC?zyxDDD弥散项弥散项对流项对流项源汇项源汇项二