第三章 水体环境

第三章水体环境地球上的水水圈：海洋、陆地、大气中固态水、液态水、气态水构成的一个大体连续、相互作用又相互不断交换的圈层。第一节

水体环境概述水的分布水的循环1.水的自然循环2.水的社会循环抽提处理河流、湖泊生产、生活给水系统排水系统人与水的关系－水的用途1、生活用水2、生产用水3、生态用水农业用水工业用水维持人的生命活动及卫生需求。分为城镇生活用水和农村生活用水两类。维系生态系统平衡与发展所需消耗的水量 天然水的化学组成是多种多样的,它没有统一的化学组成.不同水体及不同的环境条件下形成的天然水其化学组成和含量的差别是很大的。

①溶解气体：进一步划分为主要气体和微量气体 ②溶解性物质：再细分为主要离子/微量元素/生源物质 ③胶体物质：又分为无机胶体和有机胶体 ④悬浮物质：根据物质性质分细菌/藻类及原生动物/泥沙/粘土和其他不溶物质.水的化学组成１.大气降水杂质较少矿化度很低的软水.各种类型天然水水质各种类型天然水水质2、河水（1）河水的矿化度普遍低（一般小于1g/L）（2）河水中各种离子的含量差异很大 八大离子含量顺序： HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-；Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+（3）河水化学组成的空间分布有差异性（4）河水化学组成的时间变化明显3、湖水

(1)湖水的矿化度差异大

(2)湖中生物作用强烈

(3)湖水交替缓慢，深水湖心分层性4、地下水的化学性质（1）地壳中所有元素，地下水中都有（2）水的矿化度变化程度大，从淡水直到盐水。（3）地下水的化学成分的时间变化极为缓慢，常需以地质年代衡量。水质指标物理性水质指标感官物理性状指标：温度、色度、嗅和味、混浊度、透明度等其他物理性状指标：总固体、悬浮固体、溶解固体、电导率等化学性水质指标一般的化学性水质指标：pH、硬度、各种阴阳离子、总含盐量等有毒的化学性水质指标：重金属、氰化物、多环芳烃、各种农药等。有关氧平衡的水质指标：DO、BOD、COD、TOC等生物性水质指标：细菌总数、总大肠菌群数、各种病原细菌、病毒等。水体污染的概念.主要是人类生产和生活活动造成的。水体自净：水体有消纳一定量污染物质，使自身质量保持洁净的能力。 水体自净过程十分复杂，包括物理过程，如稀释、扩散、挥发沉淀等；化学和物理化学过程，如氧化、还原、吸附、凝聚、中和等；生物和生物化学过程，如微生物对有机物分解代谢，不同生物群体相互作用等。水体污染和水体自净水环境容量：一定水体的所能容纳污染物的最大负荷。可用下表示：

W=V(cs-cb)+c

上式中，W--水环境容量；V--水体体积，m3；cs--水质标准，mg.L-1；cb--背景值，mg.L-1；c--水体对该污染物的自净能力，g。 概念:

1.水体一般是指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等地表贮水体中的水本身及水体中的悬浮物、溶解物质、底泥,甚至还包括水生生物等

2.在环境污染的研究中,将水与水环境(水体)加以区别是十分重要的。

3.水体污染：

水体概念及水体污染2000年3月上旬，数千条死鱼漂在巴西里约热内卢的一个湖面上。一只因超负荷而破裂的污水管中流淌出来的污水是杀死鱼儿的元凶。水体污染源与污染物（一）水体污染物的来源

自然污染源：

人为污染源：工业废水；生活污水； 农业退水

废水中污染物浓度大废水成分复杂且不易净化带有颜色或异味废水水量和水质变化大工业废水生活污水

主要来自家庭、商业、学校、旅游服务业及其他城市公用设施，包括厕所冲洗水、厨房洗涤水、洗衣机排水、沐浴排水及其他排水等。生活污水中99.9%是水，固体物不到0.1%大量合成洗涤剂农业退水主要指农作物栽培、牲畜饲养、食品加工等过程中排出的污水和液态废物。过量施加化肥和农药是水体污染的主要方面。(二)水体中的主要污染物及其影响无机无毒物:酸、碱及一般无机盐无机有毒物:重金属和氰化物、氟化物有机无毒物:碳水化合物、脂肪、蛋白质等；有机有毒物:苯酚、多环芳香烃生物污染物：细菌、病毒、原生生物、寄生蠕虫放射性物质：（１）酸碱及一般无机盐类改变水体的PH值植物营养物引起水体富营养化现象水体富营养化是由于水体中氮、磷等植物营养物质的富集，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，使鱼类或其他生物大量死亡、水质恶化的现象。富营养化显著的危害：一是促使湖泊老化；二是破坏水产资源；三是危害水源，硝酸盐、亚硝酸盐对人、畜有害。水体出现富营养化时，大量繁殖的浮游生物往往会使水面呈现红色、棕色、蓝色等各种颜色，这种现象发生在海域称为“赤潮”，发生在江河湖泊中则叫“水华”。（2）无机有毒物质重金属一般认为金属的比重大于5者为重金属。重金属在环境中的特征：①重金属是构成地壳的元素，在自然界具有非常广泛的分布。②重金属作为有色金属，在人类的生产和生活中有着广泛的应用，各种各样的重金属污染源由此而存在于环境中。重金属污染③重金属大多属于过渡性元素，在自然环境中具有不同的价态、活性和毒性效应。④重金属的危害特点：第一，毒性效应。第二，生物不能降解，却能将某些重金属转化为毒性更强的金属有机化合物。第三，食物链的生物富集放大作用；第四，通过各种途径进入人体，并积蓄在某些器官中，造成慢性中毒。氰化物污染(1)水体中氰化物的来源主要源于工业企业排放的含氰废水，焦炉和高炉的煤气洗涤水中碳与氨或甲烷与氨化合物生成氰化物(2)氰化物污染的危害 剧毒物质，大多数氰的衍生物毒性更强，在体内产生氰化氢,使细胞呼吸受到麻痹引起窒息死亡。天然水中的含氰废水，对鱼类的生存威胁较大.许多国家规定饮用水标准是0.01mg/L，世界卫生组织订出鱼的中毒限量为游离氰0.03mg/L。（３）耗氧有机物①概念:②有机物质好氧(气)性分解反应方程式一般形式可记为:有机物质+细菌+O2→CO2+H2O+新的细菌细胞③危害：大量消耗水中的溶解氧溶解氧（DO）溶于水中自由状态氧分子的量。

水体中溶解氧减少有三个方面：一是耗氧有机污染物在降解时，耗氧；二是生物呼吸过程吸收氧。

氧补给=消耗：水体中溶解氧处于平衡，属正常状态。氧补给>消耗：水体中溶解氧呈饱和状态。氧补给<消耗：水体缺氧，水质处于恶化状态。水质变化表现为:水体能见度下降水体发黑、发臭有气体从水中冒出水体表面有浮渣④常用的有机物污染指标

a.化学需氧量(简称COD) 是指用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量。 测量方法：重铬酸钾作为氧化剂和高锰酸钾作为氧化剂 b.生化需氧量(简称BOD) 表示水中有机污染物全部经微生物分解所需的氧量。（以毫克/升为单位） c.总有机碳(简称TOC)包括水体中所有有机污染物的含碳量.将水样在高温下燃烧,有机碳即氧化成CO2,测量所产生的CO2的量,便可求得水样的总有机碳,单位以碳的mg/l表示.

d.总需氧量(简称TOD) 有机物中除含有碳外，还含有氢、氮、硫等元素当有机物全部被氧化时，碳被氧化为二氧化碳，氢、氮及硫则被氧化为水、一氧化氮、二氧化硫等，此时需氧量称为总需氧量。

一条假定的被污染河流中生化需氧量和溶解氧的变化曲线

溶解氧耗氧复氧BOD

清洁区水质恶化区恢复区清洁区

-39-1901939587797ppm2610141821012345678910（日）116135154174（公里）横坐标从左至右表示河流的流向和距离（流经的距离以公里计，流经的时间以日计）。纵坐标表示溶解氧和生化需氧量的浓度，单位是ppm。将污水排入河流处定为基点O，向上游去的距离取负值，向下游去的距离取正值。污水源于四万人口的小城市的下水道。由BOD曲线可以看出：在上游未受污染的区域，BOD很低，在0点有污水注入后，BOD急剧上升。由此向下，随着分解作用的进行，BOD逐渐降低，慢慢恢复到污水注入前的水平。

由溶解氧曲线可以看出：溶解氧与BOD有非常密切的关系。在污水未注入前，河水中溶解氧很高，污水注入后因分解作用耗氧，溶解氧从0点开始向下游逐渐降低，从0点流下2.5日，降至最低点。以后又回升，最后恢复到近于污水注入前的状态。在污染河流中溶解氧曲线呈下垂状，称为溶解氧下垂曲线。根据BOD和DO曲线，可以把该河划分为污水注入前的清洁水区，注入后的水质恶化区、恢复区和恢复后的清洁水区。在污染河段两组作用影响着水中溶解氧的含量:一组作用使水中溶解氧含量降低，即有机污染物分解作用耗氧和有机体呼吸作用耗氧，这一组作用简称耗氧作用；

另一组作用使水中富集氧，如空气中的氧溶于水，水生植物的光合作用放出氧等。空气氧溶于水的作用简称为曝气作用（复氧作用）。油类物质及危害油类物质及危害(1)水体中油类污染物的来源 a船舶造成的油污染 b工业造成的油污染 c海上石油开采造成的油污染 d大气石油烃的沉降(2)油污染的危害2002年11月16日，“威望”号油轮泄漏的燃油漂浮在西班牙西北方的海面，西班牙加利西亚地区在世界上享有盛名的度假海滩遭受着威胁。载有7.7万吨燃油的“威望”号油轮发生的泄漏事故成为当年最重大的环境灾难。

2002年11月18日，一只满身油污的海鸥在西班牙北部拉科鲁尼亚接受全身清理。①油膜覆盖海面阻碍海水的蒸发，影响大气和海洋的热交换，改变海面的反射率和减少进入海洋表层的日光辐射，对局部地区的水文气象条件将产生一定的影响。②大面积油膜的长期存在，将减少进入海水的氧的数量，从而降低海洋的自净能力。③海洋石油污染的最大危害是对海洋生物的影响。（４）有机有毒物质

酚类污染物及危害(1)水体中酚的来源主要来源于工业企业排放的含酚废水，由于各行业生产的原料、工艺、产品等不同，其含酚废水的水量、成分、性质以及污染程度都有较大差别。(2)酚污染的危害①水体遭受酚污染后严重影响水产品产量和质量。②酚的毒性可大大抑制水微生物的自然生长速度，有时甚至使其停止生长。 当浓度为0.1~0.2mg/L时，鱼肉有酚味，浓度高时引起鱼类的大量死亡甚至绝迹。含酚溶液或废水对鱼的致死浓度臭味感觉浓度含酚溶液或废水对鱼的致死浓度臭味感觉浓度酚甲酚苯二甲酚邻苯二酚间苯二酚对苯二酚ª-萘酚5~2010~155~105~15350.22~415~25101~520000.5酚(在污水中)氯苯酚焦油与煤气混合含酚水焦油废水煤气废水酚(在污染河流中)3~510~203~550.05~5.00.078~0.250.10.10.02~0.10.1__水体中酚及其衍生物浓度对鱼的毒害(mg/L)污染类型化学性污染酸碱污染重金属污染需氧性有机物污染营养物质污染有机毒物污染物理性污染悬浮物污染热污染放射性污染生物性污染：主要指致病及病毒的污染。生活污水，特别是医院污水，往往带有一些病原微生物，如伤寒、霍乱、细菌性痢疾的病原菌等。这些污水流入水体后，将对人类健康及生命安全造成极大威胁。第二节污染物在水体中的扩散一.污染物在水体中的运动特征（一）推流迁移:

只是位置发生改变，并不降低浓度.（二)分散作用

向周围扩散而降低浓度（三）污染物的衰减和转化 保守物质：重金属.很多高分子有机化合物，不会降解.应严格控制排放 非保守物质：可降解而加速浓度的下降.二.河流水体中污染物扩散的稳态解（一）一维模型（二）二维模型三．河流水质模型水质模型（waterqualitymodel）根据物质守恒原理用数学的语言和方法描述参加水循环的水体中水质组分所发生的物理、化学、生物化学和生态学诸方面的变化、内在规律和相互关系的数学模型。

研究水质模型的目的主要是为了描述环境污染物在水中的运动和迁移转化规律，为水资源保护服务。它可用于实现水质模拟和评价，进行水质预报和预测，制订污染物排放标准和水质规划以及进行水域的水质管理等，是实现水污染控制的有力工具。

最早的水质模型是于1925年在美国俄亥俄河上开发的斯特里特－菲尔普斯模型。它是一个DO－BOD模型。第三节污染物在水环境中的迁移转化 通过降解作用实现有机碳由低价向高价的转变，使有机物的构造趋于简单，分子量逐渐降低。 各种有机物都能被氧化，但被氧化的难易程度却有很大差别，这是由有机物本身的特性决定的。 有机物的氧化还原反应的判断： 对有机物凡加氧去氢的反应称为氧化，而加氢去氧的反应称为还原。耗氧有机物的生物化学分解有机物生物化学分解基本反应可分为两大类。（1）水解反应：（2）氧化反应：①脱氢作用又可分两种。一种是从—CHOH—基团脱氢，一种是从—CH2CH2—基团脱氢②脱羧作用:这是生物氧化中产生CO2的主要过程 总之碳水化合物、脂肪、蛋白质等有机物降解的共同规律都是首先在细胞体外发生水解,然后在细胞内部继续水解和氧化。降解的后期产物为各种有机酸,在有氧条件下,其最终产物是CO2、H2O和NO3-、SO42-等,在缺氧条件下进行反硝化、反硫化、甲烷发酵、酸性发酵等,其最终产物除CO2和H2O外,还有NH3、H2S、CH4、有机酸、醇等。制定水环境质量标准水环境污染防治对策减少耗水量建立城市污水处理系统调整工业布局加强水资源的规划管理第四节水环境污染控制及管理

废水的再利用净化后的废水可再利用于：农业灌溉，能充分利用水中养分，但要严格控制水质，以免造成地下水污染及对植物造成危害工业冷却水、锅炉用水，注意水的硬度市政设施用水地面回灌，补充地下水，防地面沉降。注意要严格控制水质废水处理方法去除物质——不溶性的、呈悬浮状态的污染物。主要工艺——筛滤截留、重力分离、离心分离等。处理设备——格栅和筛网、沉砂池和沉淀池、气浮装置、离心机、旋流分离器等。■物理处理法重力分离法：利用污水中呈悬浮状的污染物和水比重不同的原理，借重力沉降（或上浮）作用，使其水中悬浮物分离出来。气浮法：将空气通入污水中，并以微小气泡形式从水中析出成为载体，污水中相对密度接近于水的微小颗粒状的污染物质粘附在气泡上，并随气泡上升至水面，形成泡沫--气、水、悬浮颗粒（油）三相混合体，从而使污水中的污染物质得以从污水中分离出来.离心分离法：含有悬浮污染物质的污水在高速旋转时，由于悬浮颗粒和污水的质量不同，因此旋转时受到的离心力大小不同，质量大的被甩到外围，质量小的则留在内圈，通过不同的出口分别引导出来，从而回收污水中的有用物质），并净化污水。污水集中处理去除物质——呈溶解、胶体状态的污染物。主要工艺——中和、混凝、化学沉淀、氧化还原等。■化学处理法废水处理方法中和法：用于处理酸性废水和碱性废水。向酸性废水中投加碱性物质如石灰、氢氧化纳、石灰石等，使废水变为中性。萃取法（液-液）法：将不溶于水的溶剂投入污水之中，使污水中的溶质溶于溶剂中，然后利用溶剂与水的比重差，将溶剂分离出来。再利用溶剂与溶质的沸点差，将溶质蒸馏回收，再生后的溶剂可循环使用。化学沉淀法：向污水中投加某种化学物质，使它与污水中的溶解性物质发生互换反应，生成难溶于水的沉淀物，以降低污水中溶解物质的方法。絮凝法：水中呈胶体状态的污染物质，通常都带有负电荷，胶体颗粒之间互相排斥形成稳定的混合液，若向水中投加带有相反电荷的电解质，可使污水中的胶体颗粒改变为呈电中性，失去稳定性，并在分子引力作用下，凝聚成大颗粒而下沉。氧化还原法：废水中呈溶解状态的有机或无机污染物，在投加氧化剂或还原剂后，由于电子的迁移，而发生氧化或还原作用，使其转化为无害的物质。常用氧化剂：O2、O3、漂白粉、次氯酸钠、三氯化铁等常用还原剂：FeSO4、XSO3、FeCl2、铁屑、锌粉、SO2等例：还原法利用FeSO4－石灰法处理含铬废水：Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++7H2OCr3++3OH-=Cr(OH)3微生物作用分为：好氧生物处理、厌氧生物处理多种处理方法、多个处理单元有机组合■生物处理法废水处理方法生物法好氧生物处理法：在有氧的条件下，借助于好氧微生物（主要是好氧菌）的作用来进行的。又分为（1）活性污泥法（2）生物膜法厌氧生物处理法：在无氧的条件下，利用厌氧微生物的作用来进行的。

活性污泥法活性污泥：将空气连续鼓入曝气池的废水中，经过一段时间后，水中就形成大量好气性微生物的絮凝体，这絮凝体就是“活性污泥”。

主要设备是曝气池和两次沉淀池。

活性污泥法基本流程图曝气池二次沉淀池空气进水回流污泥剩余污泥出水生物膜法原理：生化降解利用此方法进行生物处理的设备有：生物虑池、生物接触氧化池、生物转盘等。有机物、O2生物膜SO