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1、环境科学概论 第三章 水体环境,武汉大学动力与机械学院,第一节 水体环境概述 第二节 水污染 第三节 污染物在水中的转化 第四节 水环境污染的控制与管理,第一节 水体概述,地球上水的分布 全球总贮水量估计为13.9亿立方千米 其中淡水总量仅为0.36亿立方千米 除冰川和冰帽外，可利用的淡水总量不足世界总贮水量的1%,一、地球水资源 所谓水体是指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川和海岸等“储水体”的总称（狭义）。,地球上河水和湖水的数量很少，只有101700km3，但是由于它们直接供人类生产生活需要，与人类的关系密切，因此是水资源中最为重要的组成部分.,中国是世界水资源大国，河流、湖泊和水库的
2、总水面积约1.67108m2，水资源总量2.81012m3，占全球径流总量的6%左右，居世界第六位。 我国人均水资源量很少，人均占有水资源2545m3,只相当于世界平均水平的四分之一、世界排名第110位，被列为全球13个人均水资源贫乏的国家之一。 中国属于季风气候，水资源时空分布不均匀，南北自然环境差异很大，南方水较多而北方的9个省区人均水资源还不到500 m3 ，实属少水地区。,中国的水资源短缺 华北平原、西北、云贵高原、东南沿海普遍缺水。与此同时，江河湖海许多水域普遍受到不同程度污染，78%的城市河段已不适宜做饮用水源，50%的城市地下水受到污染，地下水因过量开采导致地面下沉和水质恶化；东
3、海、渤海、黄海和南海四大海域的近岸海域污染加重。 在全国600多个大中城市中约有一半缺水，其中严重缺水的有108个，主要是北方的一些城市，京、津地区和石家庄、西安、兰州等城市的供水尤为紧张。首都北京是全国10大缺水城市之一，人均水量在世界120多个国家的首都中名列百位之后。,二、生命与水,现代科学证明，人的体重的60%都是水，血液中的90%亦是水，每人每天至少要摄入2000mL的水才能维持生命，断水710天就会导致死亡，失水15%20%就要产生脱水症状。 水能溶解各种各样的电解质，使生命中的生物化学反应得以正常进行。 水是大部分有机物质的溶剂。 水可向全身供给营养物质。 把体内多余热散发出去，
4、以防体温上升。,1、 水的分子结构 水的分子结构特异性 氢键引起的分子间缔合,水的特异性,2 水的性质特异性 2.1 熔点和沸点,2.2 体积随温度变化异常，4时密度最高,2.3 热容量最大 生成热（285.83kJmol），汽化热（40.67kJmol），熔化热（6.02kJmol），摩尔热容（20时为75J/molK ）均很大 在2000K的高温下仪解离0.588。,2.4 溶解和反应能力 被称做“万用溶剂”。 能不同程度地溶解各种物质，当然其中也包括大量的污染物质。 离子型化合物溶于水时，均以离子状态存在。,2.5 具有很大的表面张力 水的表面张力（7275 x 10-3Nm）仅次干汞
5、表面张力是垂直地通过液体表面任一单位长度并沿着与液面相旬的方向的收缩裴面的力。 因此水有明显的毛细、润湿和吸附等作用，使水能在土壤微粒间的小空隙中长期存留（也与大的蒸发热有关），土壤靠此作用可以保持水分、通过根细胞壁输送大量水分和营养隶。 为进行光合作用。提供运输介质。不会使植物因吸收大阳能而将液体蒸发殆尽。,3 有机物和生命物质中H的来源 一切有机化合物都是以碳、氢、氧、氮等元素为基础，而这些元素的主要来源就是CO2和水。 在自然环境中，水对地球的绿色植物是至关重要的，绿色值物利用光能分解H2O，放出O2并将 CO2还原为有机物。,三、水的循环 1.水的自然循环,水的自然循环过程，是指地球上
6、各种形态的水在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗和径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。 太阳辐射和重力作用是水循环的基本动力。这种动力不消失，水循环便永恒存在。 水循环路径并不是单一的，而是通过无数条路线实现循环和相变的。 由于水循环的存在，使地球上的水不断地得到补充和更新，成为一种可再生资源。,水的自然循环过程示意图,2.水的社会循环,人类社会为了生产和生活需要，从居住区附近的天然河流、湖泊等水体取水，供人们用于工业、农业和日常生活，用过的水又排回天然水体。由于在这一过程中人类所用的水取之于附近水体还之于附近水体，因此形成一种受人类社会活动作用的水
7、循环，这即是水的社会循环。,水的社会循环,四、天然水的水质,.天然水的物质组成 在自然界并不存在化学概念上的纯水。天然水，是在特定自然条件下形成的、含有许多溶解性物质和非溶解性物质、组成成分极其复杂的综合体。目前，在各种水体里已发现80多种元素。 天然水中各种物质按性质通常可分为三大类：悬浮物质、胶体物质和溶解物质,悬浮物质： 粒径大于100nm(10-9m)的物质颗粒在水中呈悬浮状态，如泥沙、粘土、藻类、细菌等不溶物质。悬浮物的存在使天然水有颜色、变浑浊或产生异味。 胶体物质： 粒径为1001nm的多分子聚合体，为水中的胶体物质。其中，无机胶体主要是次生粘土矿物和各种含水氧化物；有机胶体主要
8、是腐殖酸。 溶解物质： 粒径小于1nm的物质，在水中呈分子或离子溶解状态，包括各种盐类、气体和某些有机化合物。,2.天然水的化学性质 地壳中含有87种化学元素，目前在天然水中基本都已经被发现。这些元素在天然水中的含量与岩石圈的平均组成相差很大。多种化合物均溶于水，又随着水循环一起迁移经历不同环境，其数量、组成和存在形态均处于不断变化之中。这一过程受到两方面因素制约： 一是元素和化合物的物理化学性质； 二是各种环境因素，如天然水的酸碱性质、氧化还原状况、有机质的数量和组成以及各种自然环境条件等。,水质、水质指标和水质标准 1.水质的概念 水的品质，是指水和其中所含杂质共同表现出的物理学、化学和生
9、物学的综合特性。 2.水质指标,4.2水质指标 4.2.1 水温 4.2.2 臭阈值,臭阈值是相对的 臭阈值的平均数：,4.2.3 颜色和色度： 表色：包括悬浮杂质、胶体、溶解物在内的3所构成的水色。 真色：除去悬浮杂质后的水，由胶体及溶解杂质所造成的颜色。,色度的测定：较清洁水样，如天然水和饮用水，可用铂钴标准比色法和铬钴比色法。水样较浑浊，可事先静置澄清或离心分离除去浑浊印质后，进行测定，但不得用滤纸过滤。水的颜色往往随pH值的改变而不同，因此测定时必须注明PH值。,铬钴比色法：是以重铬酸钾和硫酸钴(配制标推比色系列采用目视比色法测定水样的色度。该法所用重铬酸钾便宜易得，但标准色列不易长久
10、保存。 铂钴比色法：是以氯铂酸钾和氯化钴(配制标推比色系列采用目视比色法测定水样的色度。该法标准色列可长久保存，但较贵。,4.2.4 浊度 表示水中含有悬浮及肢体状态的杂质，引起水的浑浊程度。 一般标准浊度单位，规定Im/L漂白土所产生的浊度为1度； 近年来，多采用硫酸肼与六次甲基四胺形成的白色高分子聚合物标准溶液为浊度单位。 并规定125mg/L硫酸肼L和125mg/L六次甲基四胺溶于水中形成的聚合物所产生的浊度为1度，称为FTU。,4.2.5 残渣：总残渣、总过滤残渣、总不可过滤残渣 总残渣：将水样混合均匀后，在己称至恒重的蒸发皿中于水浴或蒸气浴上蒸干，然后在103105烘箱中烘至恒里，增
11、加的重量为总残渣。,总可滤残渣 总可滤残渣又称可溶性固体或可溶性蒸发残渣分为103105烘干和180烘干两种。 将混合均匀的水样，通过标准玻璃纤维滤膜(o45Pm)的滤液，于蒸发皿中蒸发并在设定温度下烘干后称至恒重的物质为总可滤残渣。,总不可过滤残渣 将充分混均水样过滤后，截留在标准玻璃纤维滤膜(0.45m）上的物质，在103105烘干至恒重。如果悬浮物堵塞滤膜并难于过滤，总不可滤残渣可由总残渣与总可滤残渣之差计算。,挥发性残渣又称总残渣灼烧减重。该指标可粗略地代表水中有机物含量和铵盐及碳酸盐等部分含量。 测定方法：水样测定总残渣后，于600下灼烧30min，冷却后用2mL蒸馏水湿润残渣，在1
12、0 3105烘干至恒重，所减少的重量即为挥发性残渣。,可沉降物 用体积法或重量法测定。用于地面水、咸水及生活污水和工业废水中的可沉降物的测定。 体积法：水样在特制锥形筒内静置1h后所沉下的总污物数量单位ml/L。,重量法：由总不可滤残渣与上层液中不可沉降物浓度之差求得，单位mg/L。 其中上层被中不可沉降物浓度测定：将充分混匀水祥例人玻璃容器中静置1h后，虹吸沉降面与液面一半处上层液103105烘干的总不不可滤残渣程序求得。,4.2.6电导率 又称比电导, 表示水溶液传导电流的能力,可间接表示水中可滤残渣(即溶解性固体)的相对含量。 电导率的标准单位是西门子米(sm)，多数水样的电导率很低，所
13、以，一般实际使用单伦为毫西门子米(mSm). 电导率用电导率仪测定。,4.2.7紫外吸光度值 由于生活沼水、工业废水尤其石油废水的排放，天然水中含有许多有机污染物，这些污染物，尤其含有芳香烃和双键或碳基的共扼体系，在紫外光区都有强烈吸收。 对特定水系来说，其所含物质组成一般变化不大，所以，利用紫外吸光度作为新的评价水质有机物污染综合指标，将有普遍意义。,4.2.8 氧化还原电位(ORP，mv) 氧化还原电位(0RP)是水体中多种氧化性物质与还原性物质进行氧化还原反应的综合指标。 在水处理尤其废水生物处理中越来越受到重视，是厌氧治化过程中一个较为理想的过程控制参数。,80年代之后，人们发现ORP
14、在脱氮(N)除磷(P)过程中起到重要的指示作用。 近年来，在好氧活性污泥法降解含碳有机物过程中，其数值或变化率作为反应时间的计算机控制参数的研究。 氧化还原电位(0RP)用毫伏计或pH计测量。指示电极用铂电极，参比电极用饱和甘汞电极或银一氯化银电极。,4.2.9 细菌总数(Bacterul TotalCount) 指lmL水样在营养琼脂培养基中，于37培养24h后，所生长细菌菌落的总数。 水中细菌总数用来判断饮用水、水源水、地面水等污染程度的标志。,4.2.10肠菌群 大肠菌群可采用多管发酵法、滤膜法和延迟培养法测定。,4.2.11 游离性余氯 饮用水氯消毒之后剩余的游离性有效氮为游离性余氯。
15、 采用碘量法、N，N一二乙基对苯二胺一硫酸亚铁胺滴定法和N，N一二乙基对苯二胺光度法测定。 国家饮用水规定：集中式给水出厂水游离性余氧不低于0.3mg/L，管网末稍水不应低于O05mg/L。,4.2.12 pH值 对水中化学过程具有重要影响 用pH计测量。,4.2.13 酸度和碱度 水的酸度是水中给出质子物质的总量。 水的碱度是水中接受质子物质的总量。,4.2.14 有机化合物,化学需氧量是指水样在一定条件下，氧化1L水样中还原性物质所消耗的氧化剂的量，以氧的mg/L表示。 化学需氧量的测量方法有重铬酸钾法和库仑滴定法。,化学需氧量（COD）,重铬酸钾法（COD） 反应式： Cr2O72-+6
16、e+14H+2Cr3+7H2O Cr2O72-+6Fe2+14H+2Cr3+6Fe3+7H2O Fe2+试亚铁灵红褐色 计算公式： CODCr(O2，mg/L)=（V0-V1）C81000/V,高锰酸盐指数的测定,高锰酸盐指数，是指在一定条件下，以高锰酸钾为氧化剂，氧化水样中的还原性物质，所消耗的量以氧的mg/L来表示。 测定过程： 取水样100mL(原样或经稀释)于锥形瓶中 (1十3)H2SO45mL 混匀 0.0l mol/L高锰酸钾标液(1/5KMn04)10.0mL 沸水浴30min 0.0l mol/L草酸钠标液（1/2Na2C2O4）l0.00mL 退色 0.01 mol/L 高锰酸钾标液回滴 终点微红色,生化需氧量（BOD）的测定,生化需氧量是指在有溶解氧的条件下，好氧微生物在分解水中有机物的生物化学氧化过程中所消耗的溶解氧量。 1.五天培养法 （1）方法原理 水样
