【2】第一章-水质与水体自净

环境工程学第一章水质与水体自净第一节水的循环与污染1第二节水质指标与水质标准2第三节废水的成分与性质3第四节水体自净作用与水环境容量4第五节水处理的基本原则和方法5第一节水的循环与污染1我国水资源的特点：a总量丰富，人均量少；b时空分布不均衡。地球水体13.9亿km3海洋咸水（97.3%）淡水（3%）冰川、冰帽（77.2%）地下水、土壤水(22.4%)江河、湖泊（0.36%）一、地球上水的分布二、水循环（一）自然循环水的自然循环（二）水的社会循环抽提处理河流、湖泊生产、生活三、自然污染和人为污染通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，水体在一定程度下具有自我调节和降低污染的能力——水体的自净能力。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——《中华人民共和国水污染防治法》关于“水污染”的定义武汉东湖大面积死鱼原油污染的海岸海底油田井喷赤潮微山湖被污染云南滇池爆发蓝藻太湖天下秀龙头马迹太湖春晓太湖蓝藻爆发四、水污染的分类和影响能使水体的水质、生物质、底泥质量恶化的各种物质化学性污染物理性污染生物性污染根据其性质水体污染受污染的长江流域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（一）化学性污染物受污染的长江流域（二）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、I131（三）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。受石油污染的海鸟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1.点污染源工业废水补充一、水污染的主要来源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2.面污染源农业面源污染城市径流污染1.悬浮物使水体变浑，影响水生植物的光合作用，吸附有机毒物、重金属等，形成危害更大的复合污染物沉入水底，日久形成淤积，妨碍水上交通或减少水库容量，增加挖泥负担。2.耗氧有机物排入水体后能在微生物作用下分解为简单的无机物，在分解过程中消耗氧气，使水体中的溶解氧减少。影响鱼类和水生生物的生存，造成水体变黑发臭。二、主要的水污染物质3.植物性营养物主要指含有氮、磷的无机、有机化合物，易引起水中藻类及其他浮游生物大量繁殖，形成富营养化，使自来水处理厂运行困难，造成饮用水的异味，严重时会使水中溶解氧下降，鱼类大量死亡，甚至会导致湖泊的干涸灭亡。4.重金属重金属是具有潜在危害的重要污染物质，从20世纪50年代前后日本出现的水俣病和骨痛病，均已查明是由于汞、镉污染引起的公害病。重金属的环境污染已受到人们极大的关注。5.难降解有机物指难以被微生物降解的有机物，能在水中长期稳定地存留，并通过食物链富集，最后进入人体。它们中的一部分化合物即使在十分低的含量下仍具有致癌、致畸和致突变的作用。6.石油类主要来源于船舶废水、工业废水、海上石油开采及大气石油烃沉降。它会阻止氧进入水中，妨碍水生植物的光合作用。同时，石油还会粘附在鱼鳃上，使之呼吸困难直至死亡，还会抑制水鸟产卵和孵化。食用在含有石油的水中生长的鱼类等水产品，会危及人体健康。7.酸碱主要来自矿山排水及许多工业废水。它会破坏水生生态系统的平衡；影响渔业生产，腐蚀船只、桥梁及其他水上建筑。用酸化或碱化的水浇灌农田，会破坏土壤的理化性质，对工业、农业、渔业和生活用水都会产生不良的影响。8.病原体生活污水、医院污水和屠宰、制革、洗毛、生物制品等工业废水，常含有各种病原体，如病毒、病菌、寄生虫，会传播霍乱、伤寒、胃炎、肠炎、痢疾以及其他病毒传染的疾病和寄生虫病。三、水污染特征河流污染湖泊（水库）污染海洋污染地下水污染特点：■污染程度随径流量变化■染物扩散快■污染影响大我国的河流污染状况：中国主要河流有机污染普遍，面源污染日益突出。辽河、海河污染严重，淮河水质较差，黄河水质不容乐观，松花江水质尚可，珠江、长江水质总体良好。各大流域片的主要污染河段均集中在城市河段，63.8%的城市河段为IV至劣V类水质。河流污染——Ⅰ类：主要适用于源头水、国家自然保护区；Ⅱ类：主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场等；Ⅲ类：主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区；Ⅳ类：主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；Ⅴ类：主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）特点：■污染来源广、途径多、种类复杂■污染稀释和搬运能力弱■生物降解和累积能力强我国主要湖泊富营养化状况：主要湖泊富营养化问题突出：滇池、太湖湖泊（水库）污染——特点：■污染来源广泛■污染难于治理■污染危害严重我国地下水污染状况：主要集中在北方地区地下水污染——我国近海污染状况：渤海、东海、南海以渤海为例：60年代以前：3次；70年代：9次；80年代：74次90年代：1990年34次，1998年22次，1999年7月3日，出现了1500km2面积的严重赤潮，7月15日更扩大到了6500km2。2000年仅辽宁、浙江两次较大赤潮造成的渔业损失就近3亿元。特点：■污染源多而复杂■污染的持续性强■污染扩散范围大海洋污染——第二节水质指标与水质标准2一、水质指标水质——水的品质，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。水质指标——水中杂质的种类、成分和数量，是判断水质的具体衡量标准。水中杂质按颗粒大小分类溶解物质胶体物质悬浮物质10-510-410-310-210-111010010-910-710-610-510-410-310-210-1(μm)(mm)物理性指标化学性指标生物学指标1.感官物理性状指标：温度、色度、嗅和味、浑浊度和透明度等。2.其它物理性状指标：总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体和电导率等（一）物理性水质指标（二）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。细菌总数：对饮用水进行卫生学评价时的依据。大肠菌群：水体被粪便污染程度的指标。藻类：水体营养状态指标。（三）生物学水质指标总α、总β、铀、镭、钍等。生物体受过量辐照(特别是内射)可引起各种放射病或烧伤等。（四）放射性指标常用的和主要的水质指标介绍1.浑浊度：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）2.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。3.总固体（TS）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。总固体过滤溶解固体悬浮固体0.45µm挥发性固体固定性固体灼烧600℃常用蒸发烘干温度：103～105℃；单位：mg/L灼烧减重总可滤残渣总不可滤残渣【例题1-1，教材20页】4.电导率：水的导电能力可用电导率来量度。水中所含溶解盐越多，水中的离子数目也越多，水的电导率就越高。总含盐量，也称总矿化度，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+水中主要的阴离子：HCO3－、CO32－、SO42－、Cl－总含盐量（mg/L）＝∑阳离子（mg/L）＋∑阴离子（mg/L）5.总含盐量和离子平衡【例题1-2，教材23页】6.碱度水的碱度是指水接受质子的能力。这个能力的大小可以由水中所有能与强酸发生中和作用的物质所接受质子的总量来量度。在水中离解或水解后生成可与强酸（或H+）反应的物质总量。强碱、弱碱、强碱弱酸盐、有机碱等中和滴定法甲基橙黄→红酚酞红→无甲基橙碱度T酚酞碱度P【例题1-3，教材25页】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。Ca2+Mg2+HCO3－、CO32－、SO42－、Cl－、NO3－、SiO32+碳酸盐硬度——由钙、镁的碳酸盐和重碳酸盐形成（暂时硬度）非碳酸盐硬度——由钙、镁的硫酸盐和氯化物形成（永久硬度）总硬度测定——EDTA络合滴定法7.硬度【例题1-4，教材27页】一定条件下，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mg/L表示。8.化学需氧量（COD）高锰酸钾耗氧量（CODMn）天然水或含易氧化有机物的一般废水重铬酸钾耗氧量（CODCr）污染较严重的水样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（mg/L）。9.生物化学需氧量（BOD）有机物有氧生物分解过程碳化阶段硝化阶段LN(NOD)La(BODu)碳化＋硝化碳化第一阶段BOD图1-6有机物质好氧分解的两个阶段需氧量时间t20℃BOD5碳化阶段的反应速率与当时剩有有机物浓度成正比。LkdLLdta'1=)-(tkatLL1-10×=LkdtdL'1-=La—第一阶段生化需氧量L—任何时日剩余有机物浓度Lt—t时剩余有机物浓度k1=0.434k1'—耗氧速率常数tkLLat′-=ln'1tkLLat1-=lg第一阶段生化需氧量反应动力学公式tkatLL1-10×=)10-1(=-=1-tkatatLLLx)-1(=-=′-1tkatateLLLxxtk与TL与T）1212-()(1)(1=TTTTθkk）20-()20(1)(1)047.1(=TTkk)6.0+02.0(=)20()(TLLaTa【例题1-5，教材32页】10.总有机碳（TOC）和总需氧量（TOD）总需氧量TOD——将水样中的有机物在900℃高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量，常用mg/L表示。总有机碳TOC——将水样在900~950℃高温下燃烧，有机碳即氧化成CO2，测量所产生的CO2的量，即可求出水样的总有机碳值，常用mg/L表示。二、水质标准水质标准——环境标准的一种，它对各种水体的水质提出具体的限制和要求。GB3838-2002地表水环境质量标准GB5749-85生活饮用水卫生标准CJ3020-93生活饮用水水源水质标准GB/T14848-93地下水质量标准GB11607-89渔业水质标准GB5084-92农田灌溉水质标准GB3097-97海水水质标准GB12941-91景观娱乐用水水质标准B8978-96污水综合排放标准依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为五类：I类主要适用于源头水、国家自然保护区；Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀