环境化学 第三章 水环境化学

图3-2
大气降落物 污水排入
1 稀释扩散迁移
3 转化过程
2 生物等活动迁移 4 停留过程
5 富集过程
吸附
共沉淀
离子交换
鱼
浮游植物 藻类 底栖 动物 浮游 动物
凝聚沉降至 海底堆积
鱼
人类
第三节 天然水的酸碱平衡
• 3.1天然水的pH • 纯水的pH=7.0，天然水受CO2及其它物质的 影响，pH在5-9 之间。 • 低pH水体：工业酸性废水排放 • 水体、土壤中亚硝化、硝化过程 • 黄铁矿氧化，亚铁盐矿坑Baidu Nhomakorabea • 高pH水体：工业排放废水 • 盐湖
6.1引起富营养化的物质
1.营养盐类
水体中过量的氮、磷等营养物质主要来 自未加处理或处理不完全的工业废水和 生活污水、有机垃圾和家畜家禽粪便以 及农施化肥，其中最大的来源是农田上 施用的大量化肥。
6.2 N和P在水体中的存在及其形态
• • • • • 1.N 天然水：NH4+为主要价态 高电位水：NO3-为主要价态 还原环境：NO2-为主要价态 E高时，水中硝酸盐过量，会引起儿童血液中变 性血红蛋白增高， • E低时， NO3NO2-(致癌物质） • 我国规定饮用水中硝酸盐以氮计不得超过10mg/L
4.2重金属元素在水体中的迁移和转化
• 重金属迁移:指的是重金属在自然环境中 随着时间的改变而发生的空间位置的改 变。 • 重金属的转化:指的是随着介质条件的改 变而使重金属的存在状态发生变化。
1.吸附作用
• 水体中胶体物质对重金属的吸附作用 • 天然水体中悬浮颗粒物类别:
– 黏土矿物、水合氧化物等无机高分子化合物； – 腐殖质等有机高分子化合物；水体悬浮沉积物 等。它们是天然水体中存在的主要胶体物质。
第五节几种重要的重金属污染 元素的水环境化学
• 5.1 汞 • 主要来源：工业排放、金属冶炼、燃料燃烧
无机汞：Hg、HgCl2、HgS
• 存在形式
有机汞：CH3Hg、C2H5Hg
5.2 镉
• 人体中的镉全部是出生后从外界摄取的。 吸烟者可从烟草中吸入10ug/d • 进入体内的镉与血红蛋白结合，随血液输 送到内脏，蓄积在肝脏、肾脏中导致镉中 毒，引起动脉硬化，肾萎缩，骨骼软化、 变形骨折，得骨痛病，还有致癌、致畸作 用。
Chapter 3 Aquatic Environmental Chemistry
第一节 天然水体的组成和性质
• 本节内容要点：
地球上的水资源 水的组成和结构 水的物理化学性质
1.1 地球上的水资源
• ������ 地球上水的总量是固定的，约13.86亿 km3，但可利用的淡水只占水总量的0.3％。
• 2007年10月以前，阳宗海水体砷污染检出率不高， 2007年10月以后，水体中持续检测到砷污染物， 且浓度值较以前出现明显异常升高的现象。 • 2008年4月以来，水体中砷浓度持续上升，6月份 超过三类水质标准。7月16日，砷浓度值超过五 类水质标准。7月30日，全湖平均值为0.116毫克/ 升，超过五类水质标准0.16倍，类别为劣五类。
6.3氮和磷的发生源
• • • • • • • •
1.城镇生活污水 2.工业废水 3.农业排水 4.家畜排泄 5.水产养殖 6.固体废物处理 7.大气 8.底泥
全球每年向河流排放 的
溶解氮 700-3500万吨
溶解磷60-375万吨
6.4氮、磷污染的危害
• 1.主要体现在引起水体的富营养化 （1）使水味变得腥臭难闻
5.5 砷
• 砷的污染主要来自人类的工农业生产活动、 化工、冶炼、炼焦、火力发电、造纸、皮 革、玻璃及电子工业，含砷农药。 • 在E较高的水体中，砷以各种形态的砷酸根 离子存在，它们与水体中的其它阳离子 （如Fe2+ 、Fe3+ 、Ca2+、Mg2+）形成难溶 的砷酸盐而被沉淀至底泥中。
云南阳宗海砷污染事件
3.3 天然水中的碱度和酸度
(Acidity and Alkalinity in Natural Waters)
碱度（Alkalinity） 指水中能与强酸发生中和作用 的全部物质，即接受质子的物质总 量，包括强碱、弱碱及强碱弱酸盐。
第四节水中重金属污染
• 4.1重金属在环境中存在和影响 • ������ 重金属元素很多，在环境污染研究中 所说的重金属主要是指汞、镉、铅、铬以 及类金属砷等生物毒性显著的元素，也指 具有一定毒性的重金属，如锌、铜、镍、 钴、锡等。其中最引起人们重视的是汞、 镉、铅、铬等。
湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水 源。富营养水体在作为供给水源时，会给制水厂 带来一系列问题。首先是在夏日高温藻类增殖旺 盛的季节，过量的藻类会给制水厂在过滤过程中 带来障碍，需要改善或增加过滤措施。其次，富 营养水体由于缺氧而产生硫化氢、甲烷和氨等有 毒有害气体，而且水藻产生的某些有毒的物质， 在制水过程中，更增加了水处理的技术难度。既 影响制水厂的出水率，同时也加大了制水成本费 用。
2.有毒污染物
• 有毒污染物指的是进入生物体后累积到一 定数量能使体液和组织发生生化和生理功 能的变化，引起暂时或持久的病理状态， 甚至危及生命的物质。 • 污染物的毒性与摄入机体内的数量有密切 关系； • 另外污染物的毒性还与若干综合效应有密 切关系。
2.2 污染物进入水体后的运动过程
• 污染物进入水体后立即发生各种运动。 下面以海洋为例作一简介，其他水体的 情况，可以类推。污染物排入水体后的 运动过程如图3-2所示。
2.1 水体中的污染物
• 来源 • 天然污染源:
– 包括大气沉降物、岩石风化、有机物自然降解 以及水体由于自然灾害等原因产生的放射性物 质和硫化物、氟化物等。
• ������ 人为污染源:工农业生产过程中产生的 废水以及生活污水等，可以简单的分为点 源、线源和面源。
表3-7 水体中的污染物
污染物类型
• （3）对水生生态的影响
在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处 于相对平衡的状态。但是，一旦水体受到污染 而呈现富营养状态时，水体的这种正常的生态 平衡就会被扰乱，某些种类的生物明显减少， 而另外一些生物种类则显著增加。这种生物种 类演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低， 破坏了湖泊生态平衡。
• 2.影响供水水质并增加给水处理的成 本
• 1.无毒污染物：包括酸碱盐等无机物及 蛋白质、油类、脂肪等有机物。它们一 般虽五生物毒性，但含量过高也会对人 类或生态系统产生不良影响。 • 氮、磷等能刺激藻类及水草生长、干扰 水质净化。水体富养化严重时，湖泊可 被某些繁生植物及其残骸淤塞，成为沼 泽甚至干地。局部海区可变成"死海"， 或出现"赤潮"现象。
第六节水体的氮磷污染和富营养化
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• 50年代淘米洗菜，60年 代洗衣灌溉，70年代水 质变坏，80年代鱼虾绝 代，90年代不洗马桶盖
成因
一 总磷、总氮等营养物质超标
水体中总磷、总氮等营养物质较为充足,超 过地表水环境质量Ⅲ类标准,原因在于: • (1)水库作为开放式系统,周围通常有大量农田 径流或河道径流汇入。汇入的径流中不可避 免地带入总磷、总氮等营养物质; • (2)不合理的养殖方式,增加了水库中的营养盐 的含量 • (3)河道与水库营养盐控制标准差别很大,也是 水库营养物超标的原因。
2、配合作用 (Complexation)
(1) 水中多数金属污染物以配合物形态存在 天然水体中重要的无机配体有： OH-、Cl-、CO32-、HCO3-、F-、S2-、CN-、 NH3
(2)天然水体中配合作用的特点
(Character of Complexation in Natrual Water Bodies)
• 3.影响水体的溶解氧
还原态氮排入水中会因硝化作用而消 耗水中的溶解氧。富营养湖泊的表层，藻 类可以获得充足的阳光，从空气中获得足 够的二氧化碳进行光合作用而放出氧气， 因此表层水体有充足的溶解氧。但是，在 富营养湖泊深层，情况就不同，首先是表 层的密集藻类使阳光难以透射入湖泊深层， 而且阳光在穿射过程中被藻类吸收而衰减， 所以深层水体的光合作用明显受到限制而 减弱，使溶解氧来源减少。
4.水解作用
• 在实际应用中，人们常常控制水体的pH，使其中 的重金属离子生成氢氧化物沉淀，以除去废水中 的重金属。若要除去废水中两性金属离子，则必 须严格控制其pH值。如在pH＜5时，Cr3+以水合 络离子形式存在；pH＞9时，则生成羟基络离子； 只有在pH为8时，Cr3+最大限度地生成Cr(OH)3， 水中Cr3+量最小。 • 即去除污水中的Cr3+，应控制pH为8。
5.3 铅
• 铅污染来自采矿、冶炼、铅加工和应用过 程。作为汽油抗爆剂使用的四乙基铅所耗 的铅占生产的铅的1/10。所以。汽车尾气 排放的铅已造成公害。目前，汽油中采用 甲基叔丁基醚代替四乙基铅作抗爆剂
5.4 铬
• 污染源：铁路、耐火材料生产、煤燃烧、电镀、 皮革、染料及制药厂 • 铬是人体内糖和脂肪代谢的必需元素，缺铬会得 粥状动脉硬化症，但体内铬含量过高对人体有危 害。 • 毒性:Cr(Ⅵ) ＞＞ Cr(Ⅲ) • HCrO4-比Cr2O72-和CrO42-毒性大，因只带一个电 荷比带两个电荷的阴离子更容易透过生物膜。 • 有致癌作用。
雨、雪、露
天 然 水 系 类 别
大气圈中的水
雾、雹、水 水蒸气 泉水、沼泽水 池水、塘水、湖水 江水、河水、冰川
陆地水 地表圈中的水 海洋水
地下水
河口区水 浅海水 大洋水 海洋沉积物孔隙水
岩石圈中水 岩浆水 聚合水
体液
生物圈中水
细胞水
生物聚合水化物
第二节水体污染和污染物
本节内容要点：
• 水体污染与自净 • 水体中的主要污染物、污染物在水体中 的迁移转化 • 水污染对人体健康的影响等
在富营养状态的水体中生长着很多藻 类，其中有一些藻类能够散发出腥味异臭。 藻类散发出这种腥臭，向湖泊四周的空气 扩散，直接影响、烦扰人们的正常生活， 给人以不舒适感觉，同时，这种腥臭味也 使水味难闻，大大降低了水质质量。
（2）降低水体的透明度
在富营养水体中，生长着以蓝藻、 绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻 浮在湖水表面，形成一层 “绿色浮渣”， 使水质变得浑浊，透明度明显降低，富 营养严重的水质透明度仅有0.2米，湖水 感官性状大大下降。
• 地球上仅有不到1％的淡水为人类所利用， 估算约为300万立方千米。
截至到2009年2月5日，全国作物 受旱面积达到1.55亿亩
1.2水的组成和结构
• 水分子呈V形结构，分子中O-H键之间的夹 角为104.5。。结构不对称，时极性分子。 • 水分子间易形成氢键。
1.3水的物理化学性质
• 1.水的比热容 水的比热容为4.1868*103J/（Kg.K），在所 有液态和固态物质中，水的比热是最大的， 这是由于水分子中存在缔和分子的缘故。 当水受热时，须消耗更多的热量以使缔和 水分子离解，才能使水温升高。
• 2.水的密度 4℃时水的密度最大，为1000kg/m3； 4℃以下，水的密度随温度降低反而减小。 • 3.水的高沸点和高熔点 水的熔点和沸点大约分别为-100 ℃和℃ -80。由于水分子中存在氢键，因此水分 子的熔、沸点高于同族其他元素的氢化 物。
1.4天然水的分类和成分
• • • • • 水体的定义 在水污染化学中，水体指河流、湖泊、沼 泽、水库、地下水、冰川、海洋等贮水体的总 称。 水体的组成不仅包括水，而且也包括其中的悬浮 物质、胶体物质、溶解物质、底泥和水生生物， 所以水体是个完整的生态系统，或是被水覆盖地 段的自然综合体。
（a）大多数配合物稳定地存在于水中；
（b）羟基、卤素配体的竞争配位作用， 影 响金属难溶盐的溶解度； （c）重金属离子与不同配体的配位作用， 改变其化学形态和毒性。
3.氧化还原作用
• 水体的氧化还原条件，对在水相及底泥中 发生的化学反应和生化反应起着重要作用， 对重金属离子在水体中的存在形态及迁移 转化也有重要的影响。 • ������ 环境化学中常用水体电位(pE)来描述 水环境的氧化还原性质。它决定于水体中 氧化剂、还原剂的电极电位及水体pH值。
主 要 污 染 物
重金属污染物 Hg Cd Pb Cr As Be Co Ni V Cu Zn Se 非金属污染物 N 、P、 F 、B 等
放射性物质 有机污染物 农药污染物 U Th Ra Sr Cs I Co Cu P Na等 酚 丙烯腈 氰 多氯联苯 稠环芳烃 六六六 敌百虫 敌敌畏 DDT 对硫磷等