第二章水体环境 第一节水资源与水环境 、天然水在环境中的循环 1、地球上水资源的分布 全球总贮水量估计为13.9亿立方千米,淡水总量仅为0.36亿立 方千米除冰川外,可利用淡水总量不足世界总贮水量1% 、水的自然循环和社会循环 地球表面的水在太阳辐射和地心引力的相互作用下,水分通过蒸 发、降水、渗透及径流,水分不断循环往复作用:热量输送、调节气 候 3、天然水的物质组成 与水体接触的物质的成分和溶解度,两相相互作用的条件在天然 水体中进行的化学和物理化学作用 ①固体物质的溶解和沉淀;②酸碱反应;③水化学平衡体系中离 子成分与气相间的平衡;④氧化还原作用⑤固体物质与水中离子 成分之间的交换作用;⑥有机物的矿化作用;⑦生物化学作用 天然水的化学组成 主要离子:K+、Na+、Ca2、Mg2+HCO、CO32-、SO42、Cr; 微量元素:I、Br、Fe、Cu、Ni、Ti、Pb、Zn、Mn 溶解气体:N2、O2、CO2、H2S、CH4、H2、He; 营养元素:N、P胶体:无机胶体、有机胶体 二、水灾害 水过多、过少所形成的对人类生存发展的不利影响。水过多:洪 灾、涝灾、潮灾……;水过少:旱灾。 第二节水污染 水体概念 以相对稳定的陆地为边界的天然水域
第二章 水体环境 第一节 水资源与水环境 一、天然水在环境中的循环 1、地球上水资源的分布 全球总贮水量估计为 13.9 亿立方千米，淡水总量仅为 0.36 亿立 方干米除冰川外，可利用淡水总量不足世界总贮水量 1%。 2、水的自然循环和社会循环 地球表面的水在太阳辐射和地心引力的相互作用下，水分通过蒸 发、降水、渗透及径流，水分不断循环往复作用：热量输送、调节气 候。 3、天然水的物质组成 与水体接触的物质的成分和溶解度，两相相互作用的条件在天然 水体中进行的化学和物理化学作用。 ① 固体物质的溶解和沉淀；② 酸碱反应；③ 水化学平衡体系中离 子成分与气相间的平衡；④ 氧化-还原作用⑤ 固体物质与水中离子 成分之间的交换作用；⑥ 有机物的矿化作用；⑦ 生物化学作用 天然水的化学组成： 主要离子：K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+ HCO3-、CO3 2 -、SO42-、Cl- ； 微量元素：I、Br、 Fe、 Cu、 Ni、Ti、 Pb、Zn、Mn ； 溶解气体：N2、O2、CO2、H2S、CH4、H2、He； 营养元素：N、P 胶体：无机胶体、有机胶体 二、水灾害 水过多、过少所形成的对人类生存发展的不利影响。水过多：洪 灾、涝灾、潮灾……；水过少：旱灾。 第二节 水污染 一、水体概念 以相对稳定的陆地为边界的天然水域
、水体污染 指一定量的污水、废水、各种废弃物等污染物质进入水域,超出 了水体的自净和纳污能力,从而导致水体及其底泥的物理、化学性质 和生物群落组成发生不良变化,破坏了水中固有的生态系统和水体的 功能,从而降低水体使用价值的现象。 水体污染源和污染物 水体污染源:指向水体排放污染物的场所、设备和装置等 )水体污染物质的来源 工业废水、生活污水、农业退水;水体污染的主要污染物: 1、物理性污染 ①颜色:透明度;②热污染:DO、生物耗氧↑、生物繁殖受到影 响;③悬浮物:固体颗粒和胶体物质→透明度→影响光和作用,影 响观赏价值;④放射性污染:238U、26Ra10-6~10-7μCL 2、化学性污染 ①无机无毒物质:酸、碱及无机盐→提高矿化度生活污水及部分工 业废水;②无机有毒物质重金属:铅、汞、镉、铬、砷、镍、锰..“舍 猪舍牛,不舍鸡头”,“十年鸡头赛砒霜”。③有机耗氧物质:有机物 进入水体后,通过微生物的生物化学作用而分解为简单的无机物质 CO2和水,在分解过程中需要消耗水中的溶解氧,故称这类有机物为 有机耗氧物质种类繁多,实际逐项测定存在困难通常利用一系列指标 来表征有机耗氧物质含量的高低。主要有: BOD:生化需氧量 Biochemical Oxygen Demand COD:化学需氧量 Chemical Oxygen Demand TOC:总有机碳 Total organic carbon TOD:总需氧量 Total oxygen Demand BOD:生化需氧 Biochemical Oxygen Demand 水中有机物由于微生物的生化作用进行氧化分解,使之无机化或
二、水体污染 指一定量的污水、废水、各种废弃物等污染物质进入水域，超出 了水体的自净和纳污能力，从而导致水体及其底泥的物理、化学性质 和生物群落组成发生不良变化，破坏了水中固有的生态系统和水体的 功能，从而降低水体使用价值的现象。 三、水体污染源和污染物 水体污染源：指向水体排放污染物的场所、设备和装置等 （一）水体污染物质的来源 工业废水、生活污水、农业退水；水体污染的主要污染物： 1、物理性污染 ① 颜色：透明度；② 热污染：DO↓、生物耗氧↑、 生物繁殖受到影 响；③ 悬浮物：固体颗粒和胶体物质→透明度 →影响光和作用，影 响观赏价值；④ 放射性污染：238U、226Ra 10-6 ～10-7 μC/L 。 2、化学性污染 ① 无机无毒物质：酸、碱及无机盐→提高矿化度生活污水及部分工 业废水；② 无机有毒物质重金属：铅、汞、镉、铬、砷、镍、锰…“舍 猪舍牛，不舍鸡头”，“十年鸡头赛砒霜”。③ 有机耗氧物质：有机物 进入水体后，通过微生物的生物化学作用而分解为简单的无机物质 CO2和水，在分解过程中需要消耗水中的溶解氧，故称这类有机物为 有机耗氧物质种类繁多，实际逐项测定存在困难通常利用一系列指标 来表征有机耗氧物质含量的高低。主要有： BOD：生化需氧量 Biochemical Oxygen Demand COD：化学需氧量 Chemical Oxygen Demand TOC：总有机碳 Total organic carbon TOD：总需氧量 Total oxygen Demand BOD：生化需氧 Biochemical Oxygen Demand 水中有机物由于微生物的生化作用进行氧化分解，使之无机化或
气体化时所消耗水中溶解氧的总数量单位:ppm(毫克/升),其值越 髙说明水中有机污染物质越多,污染也就越严重。若这类污染物质排 入水体过多,将造成水中溶解氧缺乏,同时,有机物又通过水中厌氧 菌的分解引起腐败现象,产生甲烷、硫化氢、硫醇和氨等恶臭气体, 使水体变质发臭。主要指标 BOD计算:BOD5(mg/L)=(D1-D2)/P D1—水样之初始DO; D2——水样经20℃恒温培养箱培养5天之DO COD( Chemical Oxygen Demand):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。它是表示水中还原性物质多 少的一个指标水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、 亚铁盐等,但主要的是有机物因此COD又往往作为衡量水中有机物 质含量多少的指标COD越大,说明水体受有机物的污染越严重COD 的测定,随着测定方法的不同,其测定值也有不同。目前应用最普遍 的是酸性高锰酸钾氧化法与重铬酸钾氧化法。COD的测定方法:重 铬酸钾标准法原理:在水样中加如一定量的重铬酸钾和催化剂硫酸银 在强酸性介质中加热回流一定时间,部分重铬酸钾被水样中可氧化 物质还原用硫酸亚铁铵滴定剩余的重铬酸钾,根据消耗重铬酸钾的量 计算COD的值。 TOC:总有机碳 otal organic carbon,水中的有机物质的含量,以有机 物中的主要元素碳的量来表示,称为总有机碳。TOC的测定, 将水样酸化后曝气,使各种碳酸盐分解生成二氧化碳而驱除后,在 950℃的高温下,使水样中的有机物气化燃烧,生成CO2,通过红外 线分析仪,测定其生成的CO2之量,即可知总有机碳量 TOD:总需氧量 Total oxygen Demand,TOD指水中能被氧化的物质, 主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧化物时所需要的氧量,结果以 O2的mgL表示。用TOD测定仪测定,将一定量水样注入装有铂催
气体化时所消耗水中溶解氧的总数量单位：ppm（毫克/升），其值越 高说明水中有机污染物质越多，污染也就越严重。若这类污染物质排 入水体过多，将造成水中溶解氧缺乏，同时，有机物又通过水中厌氧 菌的分解引起腐败现象，产生甲烷、硫化氢、硫醇和氨等恶臭气体， 使水体变质发臭。主要指标： BOD5计算： BOD5（mg / L）=（D1-D2） / P D1——水样之初始 DO； D2——水样经 20 ℃ 恒温培养箱培养 5 天之 DO。 COD(Chemical Oxygen Demand): 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。它是表示水中还原性物质多 少的一个指标水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、 亚铁盐等，但主要的是有机物因此 COD 又往往作为衡量水中有机物 质含量多少的指标 COD 越大，说明水体受有机物的污染越严重 COD 的测定，随着测定方法的不同，其测定值也有不同。目前应用最普遍 的是酸性高锰酸钾氧化法与重铬酸钾氧化法。COD 的测定方法：重 铬酸钾标准法原理:在水样中加如一定量的重铬酸钾和催化剂硫酸银 在强酸性介质中加热回流一定时间, 部分重铬酸钾被水样中可氧化 物质还原用硫酸亚铁铵滴定剩余的重铬酸钾,根据消耗重铬酸钾的量 计算 COD 的值。 TOC：总有机碳 otal organic carbon，水中的有机物质的含量，以有机 物中的主要元素——碳的量来表示，称为总有机碳。TOC 的测定， 将水样酸化后曝气，使各种碳酸盐分解生成二氧化碳而驱除后，在 950℃的高温下，使水样中的有机物气化燃烧，生成 CO2，通过红外 线分析仪，测定其生成的 CO2 之量，即可知总有机碳量。 TOD：总需氧量 Total oxygen Demand，TOD 指水中能被氧化的物质， 主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧化物时所需要的氧量，结果以 O2的 mg/L 表示。用 TOD 测定仪测定，将一定量水样注入装有铂催
化剂的石英燃烧管,通入含已知氧浓度的载气(氮气)作为原料气,则 水样中的还原性物质在900℃下被瞬间燃烧氧化,测定燃烧前后原料 气中氧浓度的减少量,便可求得水样的总需氧量值。 ④有机有毒物质。酚类化合物;有机农药;多环芳烃(PAH);多氯 联苯(PCBs);洗涤剂。 3、生物性污染 城市生活污水、医院污水和污水处理厂排水常含有细菌、病毒 原生动物和寄生蠕虫等。病菌:霍乱、伤寒和痢疾;蠕虫:线虫、绦 虫、蛔虫 第三节污染物在水体中的转化 水体中耗氧有机物降解 有机物生物化学分解 耗氧有机物的生物化学分解首先发生在细胞外,复杂的化合物分 解为简单的化合物,然后再透入细胞内部进一步发生分解有机物。生 物化学分解基本反应分为2类: 水解反应:复杂的有机物在水解酶参与下,加以水分子分解为较简单 化合物的反应 氧化反应:脱氢作用和脱羧作用 脱氢作用:CH3 CHOHCOO→CH3 COCOA+2H++2e 脱羧作用: RCOCOOH→RCOH+CO2 (二)代表性耗氧有机物的生物降解 1、碳水化合物的降解 2、脂肪和油类的降解 3、含氮有机物降解 所有上述有机物在降解过程中(包括水解反应和氧化反应)都消 耗水体中的溶解氧(尤其在氧化反应——脱氢和脱羧),使水质恶化 水体富营养化过程( Eutrophication
化剂的石英燃烧管，通入含已知氧浓度的载气(氮气)作为原料气，则 水样中的还原性物质在 900℃下被瞬间燃烧氧化，测定燃烧前后原料 气中氧浓度的减少量，便可求得水样的总需氧量值。 ④ 有机有毒物质。酚类化合物；有机农药；多环芳烃（PAH）；多氯 联苯（PCBs）；洗涤剂。 3、生物性污染 城市生活污水、医院污水和污水处理厂排水常含有细菌、病毒、 原生动物和寄生蠕虫等。病菌：霍乱、伤寒和痢疾；蠕虫：线虫、绦 虫、蛔虫。 第三节 污染物在水体中的转化 一、水体中耗氧有机物降解 （一）有机物生物化学分解 耗氧有机物的生物化学分解首先发生在细胞外，复杂的化合物分 解为简单的化合物，然后再透入细胞内部进一步发生分解有机物。生 物化学分解基本反应分为 2 类： 水解反应：复杂的有机物在水解酶参与下，加以水分子分解为较简单 化合物的反应； 氧化反应：脱氢作用和脱羧作用。 脱氢作用：CH3CHOHCOO→CH3COCOO + 2H+ + 2e 脱羧作用：RCOCOOH→ RCOH + CO2 （二）代表性耗氧有机物的生物降解 1、碳水化合物的降解 2、脂肪和油类的降解 3、含氮有机物降解 所有上述有机物在降解过程中（包括水解反应和氧化反应）都消 耗水体中的溶解氧（尤其在氧化反应——脱氢和脱羧），使水质恶化。 二、水体富营养化过程（Eutrophication）
)水体富营养化的发生 主要是由于水体中氮、磷等营养元素的增多所引起的。从现象看, 富营养化现象的发生与水体中藻类的多寡密切相关在适宜的光照、温 度、pH和具备充分营养物质的条件下,天然水体中藻类进行光合 作用,因而水体中的氮、磷含量的高低与水体富营养化程度有密切关 系水体中氮、磷营养物质的最主要来源: 雨水:雨水中的硝酸盐氮含量在0.16~1.06mgL间,氨氮含 量在004~1.70mg/L间;磷含量在O.l0mgL至不可检测的范围 间。 农业排水:由于天然固氮作用和农用氮、磷肥的作用,使在土壤 中累积了相当数量营养物质,它们可随农田排水流入邻近的水体。 生活污水:生活污水含有丰富的氮、磷等营养物质生活污水中的 营养物浓度与生活水平有关,发达国家每人每天排入生活污水的磷 氮量分别为1.3~50g和12~14g:我国目前城市居民该数值 约为0.5g和10g左右 其他来源:包括城镇和乡村的径流、工业废水、地下水等 (二)湖水的营养化程度判断标准 湖泊可依据湖水营养化程度大小分贫营养化湖、低营养化湖、中 营养化湖和富营养化湖。一般地,总磷和无机氮分别超过20mg/m3 和300mg/m3就认为水体处于富营养化状态。水体富营养化评价方 法: Carlson指数(TSIM)。 三、重金属在水体中的迁移转化 一)重金属元素在水环境中的污染特征 比重>5的金属(一般指密度>4.5g/cm3) 1、重金属元素在自然界的分布:<0.1% 2、重金属属于过渡性元素; 3、重金属在水体环境中的迁移转化;
（一）水体富营养化的发生 主要是由于水体中氮、磷等营养元素的增多所引起的。从现象看， 富营养化现象的发生与水体中藻类的多寡密切相关在适宜的光照、温 度、 pH 和具备充分营养物质的条件下，天然水体中藻类进行光合 作用，因而水体中的氮、磷含量的高低与水体富营养化程度有密切关 系水体中氮、磷营养物质的最主要来源： 雨水：雨水中的硝酸盐氮含量在 0.16 ～ 1.06mg/L 间，氨氮含 量在 0.04 ～ 1.70mg/L 间；磷含量在 0.10mg/L 至不可检测的范围 间。 农业排水：由于天然固氮作用和农用氮、磷肥的作用，使在土壤 中累积了相当数量营养物质，它们可随农田排水流入邻近的水体。 生活污水：生活污水含有丰富的氮、磷等营养物质生活污水中的 营养物浓度与生活水平有关，发达国家每人每天排入生活污水的磷、 氮量分别为 1.3 ～ 5.0g 和 12 ～ 14g ；我国目前城市居民该数值 约为 0.5g 和 10g 左右。 其他来源：包括城镇和乡村的径流、工业废水、地下水等。 （二）湖水的营养化程度判断标准 湖泊可依据湖水营养化程度大小分贫营养化湖、低营养化湖、中 营养化湖和富营养化湖。一般地，总磷和无机氮分别超过 20 mg / m3 和 300 mg / m3 就认为水体处于富营养化状态。水体富营养化评价方 法： Carlson 指数（TSIM）。 三、重金属在水体中的迁移转化 （一）重金属元素在水环境中的污染特征 比重＞5 的金属（一般指密度＞ 4.5g/cm3） 1、重金属元素在自然界的分布：< 0.1%； 2、重金属属于过渡性元素； 3、重金属在水体环境中的迁移转化；
、重金属的毒性效应 (二)重金属在水体中的迁移转化 1、重金属化合物的沉淀-溶解作用溶解度大小; 2、重金属的氧化-还原转化:价态-毒性大小; 3、重金属元素络合作用 、重金属的胶体化学吸附; 5、某些重金属的甲基化作用。 第四节水环境污染控制及管理 、水体污染的防治和管理 )水环境质量标准 GB3838-2002代替GB3838-88,GHZB1-1999,于2002-06-01 开始实施。 (二)水环境污染防治对策 1、减少耗水量 2、建立城市污水处理系统 3、调整工业布局 4、加强水资源的规划管理合理开发+节约使用+防治污染。 二、废水处理方法 (一)废水处理基本方法 1、物理法。利用物理作用沉淀法——悬浮颗粒物浮选法—油状物 过滤法颗粒;蒸发法不可挥发物质 2、化学法。利用化学反应反应—酸或碱萃取法酚类、重金 属等;氧化还原法还原性或氧化性污染物、病原菌等。 3生物法。利用微生物的生化作用去除有机污染物;生物滤膜法、活 性污泥法。 (二)城市污水的处理 城市污水999%是水,固体物质仅占0.03~0.06%
4、重金属的毒性效应。 （二）重金属在水体中的迁移转化 1、重金属化合物的沉淀-溶解作用溶解度大小； 2 、重金属的氧化-还原转化：价态-毒性大小； 3、重金属元素络合作用； 4、重金属的胶体化学吸附； 5、某些重金属的甲基化作用。 第四节 水环境污染控制及管理 一、水体污染的防治和管理 （一）水环境质量标准 GB 3838-2002 代替 GB 3838-88，GHZB 1-1999，于 2002-06-01 开始实施。 （二）水环境污染防治对策 1、减少耗水量 2、建立城市污水处理系统 3、调整工业布局 4、加强水资源的规划管理合理开发 +节约使用 + 防治污染。 二、废水处理方法 （一）废水处理基本方法 1、物理法。利用物理作用沉淀法——悬浮颗粒物浮选法——油状物 过滤法——颗粒；蒸发法——不可挥发物质。 2、化学法。利用化学反应反应——酸或碱 萃取法———酚类、重金 属等；氧化还原法—还原性或氧化性污染物、病原菌等。 3 生物法。利用微生物的生化作用去除有机污染物；生物滤膜法、活 性污泥法。 （二）城市污水的处理 城市污水 99.9%是水，固体物质仅占 0.03～0.06%
一级处理:筛滤、重力沉淀和浮选去除大颗粒物质粒径在100 um一般还达不到排放标准 二级处理 絮凝法—去除一级处理后废水中的无机悬浮物和胶体颗粒物; 通过加凝聚剂,使胶体粒子发生凝聚,产生絮凝物,并发生吸附作用, 将废水中污染物吸附在一起,然后经沉降(或上浮)与水体分离;常 用的絮凝剂有有机高分子絮凝剂、微生物絮凝剂、无机絮凝剂、硫酸 钴、硫酸亚铁FeCB3、聚合氯化铝等; 生物法利用微生物处理废水,利用微生物将废水中可生化的 有机物降解为无机物,以达到净化水质的目的。好养生物法厌氧生物 法;主要有:生物滤膜法:过滤材料表面有发达的微生物膜;活性污 泥法:微生物存在于活性污泥表面:处理时,废水中有机物先被吸附 到生物膜或活性污泥上,然后通过微生物的代谢把有机物氧化分解和 同化为微生物细胞质,微生物细胞质可以自身氧化分解,从而被去除 掉,最后通过将沉淀与脱落的生物膜或活性污泥分离,得到净水
一级处理：筛滤、重力沉淀和浮选去除大颗粒物质 粒径在 100 μm 一般还达不到排放标准。 二级处理： 絮凝法——去除一级处理后废水中的无机悬浮物和胶体颗粒物； 通过加凝聚剂，使胶体粒子发生凝聚，产生絮凝物，并发生吸附作用， 将废水中污染物吸附在一起，然后经沉降（或上浮）与水体分离；常 用的絮凝剂有有机高分子絮凝剂、微生物絮凝剂、无机絮凝剂、硫酸 钴、硫酸亚铁 FeCl3、聚合氯化铝等； 生物法——利用微生物处理废水，利用微生物将废水中可生化的 有机物降解为无机物，以达到净化水质的目的。好养生物法厌氧生物 法；主要有：生物滤膜法：过滤材料表面有发达的微生物膜；活性污 泥法：微生物存在于活性污泥表面：处理时，废水中有机物先被吸附 到生物膜或活性污泥上，然后通过微生物的代谢把有机物氧化分解和 同化为微生物细胞质，微生物细胞质可以自身氧化分解，从而被去除 掉，最后通过将沉淀与脱落的生物膜或活性污泥分离，得到净水