第一章-水质与水体自净

第一章水质与水体自净第一节水的循环与水污染一、水资源的分布地球上水的总储量约为13.9亿Km3，其中97.3％为海洋咸水，不能为人类所直接利用；而不足地球总水量3％的淡水其总量仅为0.36亿Km3：其中77.2％以冰川和冰帽的形式存在于极地和高山上，也难以为人类直接利用；22.4％为地下水和土壤水；江河、湖泊等地面水占淡水总量的0.36%，总量大约23万Km3。因此，只有约20％的淡水是人类易于利用的，而直接取用的河、湖淡水仅占淡水总量的0.3%。可见，可供人类直接利用的淡水资源十分有限。我国的水资源：（A）总量丰富，人均量少；（B）时空分布不均衡。二、水循环水循环分为自然循环和社会循环两种。1、自然循环——地球表面的水在太阳辐射能和地心引力的共同作用下，不断地蒸发和蒸腾到大气中，形成水汽，并在空中凝结成云，在大气环流的作用下移运到各处，再以降雨或降雪等形式回到陆地或海洋中。这些降水，一部分渗入地下，成为地下水或土壤水；一部分形成地表径流汇入江河湖海，再经蒸发进入大气圈；还有一部分直接蒸发或经植物吸收蒸腾进入大气。这种周而复始，循环往复的过程就是水的自然循环。通过循环水资源得以不断的更新。在较长的时间内，全球范围内的蒸发量与降水量保持平衡，大约为每年57.7万立方公里，也即每年的自然循环水量仅约占地球上总水量的万分之四。2、社会循环——人类社会为满足生活和生产的需要，从各种天然水体中取用大量的水，经使用后又以生活和生产废水的形式排入天然水体。水在人类社会中形成的此局部循环就是水的社会循环。三、水污染自然环境是一动态平衡体系，它对进入其中的各种物质的变化具有一定的调节能力。经过体系内部一系列的物理、化学和生物学的连锁反应和相互作用，可以建立新的平衡。水体在一定程度下具有的自我调节和降低污染的能力，通常称为水的自净能力。进入水体的污染物，经过物理、化学和生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经过一段时间水体恢复到受污染前的状态。这一现象称为“水体的自净作用”。但当进入水体的外来杂质含量超过了水体的自净能力时，水质就会难以恢复，趋于恶化，对人类环境和水的利用产生不良影响，这就是水的污染。《中华人民共和国水污染防治法》中关于“水污染”下了明确的定义：水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。造成水污染的原因有自然和人为两个方面。前者如有火山爆发产生的尘粒落入水中，天然植物腐烂产生有害物质溶入水中引起的污染；后者如生活污水，生产废水未经处理而大量排放水体所产生的污染。但通常所说的水体污染均指对水体危害较大的人为污染。我国水污染的特征：1、污染不断加剧，水质恶化日趋严重；2、各流域水体自南向北水质逐渐变差。3、湖泊水库水体富营养化不容轻视四、水体污染物能使水体的水质、生物质、底泥质量恶化的各种物质均称为水体污染物（水污染物）。根据其性质的不同可分为化学性、物理性和生物性污染物。1、化学性污染物1）无机污染物质：酸、碱及一些无机盐类2）无机有毒物质：重金属（汞、镉、铅等）3）有机有毒物质：有机农药、多环芳烃、芳香胺等4）需氧污染物质：碳水化合物、蛋白质、脂肪和酚等5）植物营养物质：含氮、磷的化合物6）油类污染物质2、物理性污染物质1）悬浮污染物质：固体物质2）热污染：热电厂、核电站及各种工业过程中的冷却水3）放射性污染：Sr90、Cs137、I1313、生物性污染生活污水、医院污水和某些工业废水中的病原微生物、病毒、寄生虫等。第二节水质指标与水质标准一、水质指标图1-19按颗粒尺寸进行物质分类水质即水的品质。自然界中的水并不是纯粹的氢氧化合物，因此水质就是指水与其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合特性。各项水质指标则表示水中杂质的种类、成分和数量，是判断水质的具体衡量标准。一般可分为三大类：物理性指标化学性指标、生物学指标。（常见的水质指标有数十项，现将有关指标的意义列举如下[3]）1、物理学水质指标（1）感官物理性状指标：温度、混浊度、嗅和味、色度等（2）其它物理性状指标：总固体、悬浮固体、电导率等浊度：水中不溶性物质对光线透过时产生的阻碍程度。（水中悬浮物或胶体状颗粒物质）色度：感官性指标，水中悬浮物、胶体或溶解物质均可生色。表色：由水中悬浮物、胶体物质和溶解物质共同引起的颜色。真色：除去水中悬浮物质后所呈现的颜色。总固体：一定温度下一定体积水样蒸发至干所残留的固体物质总量，单位mg/L。常用蒸发烘干温度：103～105℃；过滤方法可用石棉古氏坩锅或0.45µm滤膜；灼烧温度通常为600℃。水中固体按其溶解性能可分为“溶解固体”/“总可滤残渣”和“悬浮固体”/“总不可滤残渣”；按其挥发性能可分为“挥发性固体”/“灼烧减重”和“固定性固体”。例1-1（p20）：将某污水水样100mL置于重量为46.4718g的古氏坩埚中过滤，坩埚在105℃下烘干后称重为46.5036g，然后再将此坩埚置于600℃下灼烧，最后称重为46.4848g。另取同一水样100mL，放在重量为67.9624g的蒸发皿中，在105℃下蒸干后称重为68.0138g。试计算该水样的总固体、悬浮固体、溶解固体、挥发性悬浮固体和固定性悬浮固体量各为多少mg/L？解：悬浮固体：-33101001046.4718)-(46.5036挥发性悬浮固体：-33101001046.4848)-(46.5036总固体：-33101001067.9624)-(68.0138溶解固体＝总固体－悬浮固体固定性悬浮固体＝悬浮固体－挥发性悬浮固体2、化学水质指标（1）非专一性指标电导率——表示水样中可溶解性电解质总量。总含盐量——水中各种溶解性矿物盐类的总称。碱度——一般来源于水样中OH-、CO32-、HCO3-离子。关系到水的许多化学反应过程。硬度——可溶性钙盐和镁盐组成，引起沉积和结垢现象。（2）非专一性有机物指标化学需氧量(COD)——有机污染物浓度指标。生物化学需氧量(BOD)——水体通过微生物作用发生自然净化的能力标度，废水生物处理效果标度。总需氧量(TOD)——近于理论耗氧量值。总有机碳(TOC)——近于理论有机碳量值。石油类——影响空气—水界面间氧的交换，被微生物降解时耗氧，使水质恶化。（3）无机物指标铝——影响水的可饮用性，对金属有腐蚀作用，对生物有一定毒性。铁——在不同条件下可呈Fe3+或胶粒Fe(OH)3状态，造成水有铁锈味和浑浊，形成水垢，繁殖滋生铁细菌。有毒金属——常见的有镉、汞、铅等，一般来源于工业废水。氯化物——影响可饮用性，腐蚀金属表面。亚硝酸盐氮——是婴幼儿高铁血红蛋白症的病原物，与仲胺类作用生成致癌的亚硝胺类化合物。（4）溶解性气体氧气——生物呼吸所需，腐蚀金属，水体缺氧会产生CH4、H2S等有害气体。二氧化碳——大多数天然水系中碳酸体系的组成物。含盐量——水中各种溶解性矿物盐类的总称。水中主要的阳离子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+；主要的阴离子：HCO3－、CO32－、SO42－、Cl－。碱度——水接受质子的能力，在水中离解或水解后生成可与强酸（或H+）反应的物质总量。此能力可用在水中离解或水解后生成可与强酸（H+）反应当物质总量来量度。这些物质包括强碱、弱碱、强碱弱酸盐、有机碱等。水中的碱度常用中和滴定法测定，即用标准浓度的盐酸溶液滴定水样，用酚酞和甲基橙作指示剂，根据滴定所耗盐酸量求出水样碱度。如用酚酞作指示剂，在pH8.3附近由红色转为无色，所得碱度为酚酞碱度（P）；如用甲基橙作指示剂，在pH4.4附近由黄色转为红色，所得碱度为甲基橙碱度或总碱度（T）。按照水中致碱阴离子的不同，碱度又可分为重碳酸盐碱度，碳酸盐碱度和氢氧化物碱度三种。几种碱度之间的换算可参照表1-3（p23）三种碱度计算表，该算法既简单方便，又足够精确。碱度的计算碱度中和滴定顺序：H++CO32-→HCO3-①H++OH-→H2O②①+②＝PH++HCO3-→H2CO3③①+②+③＝T设：水样中的[CO32-]=xmmol/L，[OH-]=ymmol/L，[HCO3-]=zmmol/L则：x＋y＝Px＋2y＋z＝T（1）P=0因P＝x＋y=0∴x＝0y＝0则z=T（2）PT/2由x＋y＝P；x＋2y＋z＝T；PT/2联立得：xz因OH-，HCO3-不能同时存在∴x＝0y＝Pz=T-2P（3）P=T/2由x＋y＝P；x＋2y＋z＝T；P=T/2联立得：x=z因OH-，HCO3-不能同时存在∴x＝z=0y＝P=T/2（4）PT/2由x＋y＝P；x＋2y＋z＝T；PT/2联立得：xz因OH-，HCO3-不能同时存在∴x＝2P-Ty＝T-Pz=0（5）P=T由x＋y＝P；x＋2y＋z＝T；P=T联立得：y+z=0则y＝z=0x＝T表1-3三种碱度计算表滴定结果氢氧化物碱度[OH-]碳酸盐碱度2[CO32-]重碳酸盐碱度[HCO3-]P=000TPT/202PT-2PP=T/20T0PT/22P-T2(T-P)0P=TT00例1-3（p24）：取某河水水样100mL，用0.1000mol/L的HCl溶液测定其碱度，先以酚酞作指示剂，消耗了HCl溶液0.40mL；另取该水样100mL，以甲基橙作指示剂，用HCl溶液滴定消耗了7.20mL。求该水样的酚酞碱度、甲基橙碱度、总碱度。解：酚酞碱度3101001.04.0P甲基橙碱度（总碱度）3101001.02.7T注意：单位mmol/L硬度——水中的两价金属离子与肥皂作用生成沉淀，和与水中某些阴离子化合生成水垢而产生硬度。水中最主要的致硬金属离子是Ca2+、Mg2+。能与之化合的阴离子主要有HCO3－、CO32－、SO42－、Cl－、NO3－、SiO32－等。由相关阴离子将硬度分为：碳酸盐硬度（暂时硬度）——由钙、镁的碳酸盐和重碳酸盐形成。非碳酸盐硬度（永久硬度）——由钙、镁的硫酸盐和氯化物形成。目前，最普遍采用的总硬度测定方法为EDTA络合滴定法。硬度的单位最常用的是mmol/L。硬度的计算在水处理中，有时要求分别知道碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度的含量。如果已经测得水样的总硬度和各种碱度，就可以用下面的方法来进行计算。设：S＝碳酸盐碱度＋重碳酸盐碱度＝2[CO32－]+[HCO3－]；碳酸盐硬度＝[CO32－]+0.5[HCO3－]则：（1）当0.5S总硬度时：则：碳酸盐硬度＝0.5S，非碳酸盐硬度＝总硬度－0.5S；（2）当0.5S＝总硬度时：则：碳酸盐硬度＝0.5S，非碳酸盐硬度＝0；（3）当0.5S总硬度时：则：碳酸盐硬度＝总硬度，非碳酸盐硬度＝0。此时，0.5S与总硬度的差值称为负硬度（负硬度＝0.5S－总硬度）。负硬度主要是由钠、钾的碳酸盐和重碳酸盐构成的。它们并不致硬，不是硬度。相反，还能抵消部分硬度，如：Na2CO3＋CaSO4→CaCO3↓＋Na2SO4水中的有机物种类繁多，组成复杂，一般不对它们进行单独定量测定，而是利用其共性用某种指标间接的反映其总量或某一分类含量。目前最普通、最重要的有机物质综合指标是：化学需氧量（COD）、耗氧量（OC）和生物化学需氧量（BOD）。化学需氧量（COD）和耗氧量（OC）在一般书籍中是不区分的，其定义为：一定严格的条件下，用化学氧化剂（如KMnO4、K2Cr2O7）将水中各种有机物质氧化所消耗的氧化剂的量，用mgO/L表示。目前常用的氧化剂有两种高锰酸钾和重铬酸钾。高锰酸钾耗氧量（CODMn或OC），适合天然水或含易氧化有机物的一般废水。重铬酸钾耗氧量（CODCr或COD），因重铬酸钾氧化有机物完全，适合污染较严重的水样。生物化学需氧量（BOD）——表示水中有机物在有氧条件下经好氧微生物氧化分解所需氧量。用单位体积污水所耗氧量表示（mgO/L）。其值越高，说明水中需氧有机物质越多。图1－20有机物好氧分解的两个阶段在有氧的条件下，有机物经微生物氧化分解的过程一般可分为两个阶段，第一阶段为碳化阶段，主要是有机物被转化为C