环境学概论第三章水体环境

第三章水体环境2主要内容第一节水体环境概述第二节污染物在水体中的扩散第三节污染物在水体中的转化第四节水环境污染控制及管理补充：海洋油污染3第一节水体环境概述一.天然水在环境中的循环二.天然水的水质三.水体的概念和水体污染四.水体污染源和污染物4第一节水体环境概述一.天然水在环境中的循环1.水循环的环境意义净化作用冲刷、侵蚀------水土流失酸雨------腐蚀地面、污染水体、土壤径流------地面净化降水-------大气净化负面作用53.水资源的特性（与其它自然资源相比）A资源的循环性B储量的有限性C分布的不均衡性E利害的两重性(图)D利用的多用性2.水资源(waterresources)的定义：水资源：是指地球表层中可供人类利用并逐年得到更新的那部分水量。水资源：可以利用或有可能被利用的水源，具有足够的数量和可用的质量，并能在某一点为满足某种用途而可用。——《水资源评价活动----国家评价手册》64.地球上局部存在水荒的原因B城市、工业区高度集中，耗水量大。C水污染严重，“水质型缺水”突出。(图A)(图B)二.天然水的水质1.天然水化学成份的形成3.各种类型的天然水质2.天然水的化学组成4.天然水体的自净作用A淡水在地球上的分布极不平衡A物理净化B化学及物理化学净化C生物化学净化7三、水体的概念和水体污染2.水体分类3.水体与水质的区别按区域分：某一具体的被水覆盖的地段水质(waterquality)：指水相的质量1.水体：指以相对稳定的陆地为边界的天然水域水体(waterbodies)：在环境学中是一体系。不仅包括水，也包括水中的悬浮物、溶解物、水生生物和底泥。即为液相和固相的混合体。地下水体按类型分海洋水体陆地水体地表水体84.水体污染(Pollutionofwaterbodies)：是指排入水体的污染物含量超过了水体的自净能力，导致水体的物理、化学和生物特征发生不良变化，从而影响水的有效利用、危害人体健康、破坏生态环境，造成水质恶化的现象。(图)5.水体污染的特征(1)地表水污染特征①河流污染(图)A污染程度随径流量变化B污染扩散快C污染影响大②湖泊污染(图)A污染来源广、途径多、种类复杂B污染稀释和搬运能力弱C生物降解和累积能力强9(2)地下水污染特征(图)A污染来源广泛(图)B污染难于治理C污染危害严重（图）(3)海洋污染特征(图)A污染源多而复杂B污染持续性强C污染扩散范围大10四、水体污染源和污染物1.水体污染源(根据不同的方法有不同的分类)按照水污染源的分布特征：点污染源面污染源扩散污染源按受污染的水体:地面水污染源地下水污染源海洋污染源按污染源释放的有害物质种类:物理性污染源化学性污染源生物性污染源11①工业废水(Industrialwastewater)A来源：工业企业在生产过程中排出的废水（表)B特点：量大、面广；成份复杂、毒性大；不易净化、难处理按造成水体污染的原因自然污染源人为污染源工业废水(点源)生活污水(点源)农业退水(面源)C污染效应（耗氧、有毒）12②生活污水(Domesticwastewater)A来源：生活中各种洗涤水B特点：主要是城市生活污水；杂质很多，以N、P、S为主；一般呈弱碱性，PH值约7.2-7.8C污染效应：引起水体富营养化③农业退水(Agriculturalwastewater)A来源：牲畜粪便、农药、化肥B特点：农药、化肥、有机质含量高C污染效应：水体富营养化；农药污染132.主要污染物按释放的污染种类可分为物理、化学、生物等几方面（表）*物理类（1）颜色：可以说明水中污染物的含量；纺织、印染、染料、造纸等废水排入水体后，可使水色变得极为复杂。（2）浊度：由胶体或细小的悬浮物引起；生活污水中铁和锰的氢氧化物引起的浊度十分有害。（3）温度：因工业废水的排放引起天然水体温度上升，严重的可形成热污染（thermalpollution）。（4）悬浮固体：指水体中胶体或细小的悬浮固体；可降低水体的透明度和藻类的光合作用，限制水生生物的正常运动，减缓水底活性，导致水体底部缺氧，使水体同化能力降低。14*化学类(1)无机无毒物质A酸、碱及一般无机盐类B氮、磷等植物营养物质来源：生活污水；工业废水；施用磷肥、氮肥的农田排水危害：引起水体富营养化来源：酸来自矿山排水，工业废水及酸雨；碱来自碱法造纸，制碱，制革及炼油等工业废水；酸碱废水相互中和并与地表物质反应会产生各种无机盐类污染。危害：水体PH值发生变化；增加水中无机盐类的浓度和水的硬度15(2)无机有毒物质A重金属毒性物质（汞、镉、铅、铬、铜、砷）B非重金属的无机毒性物质（氰化物、氟化物）来源：化石燃料的燃烧、采矿和冶炼来源：氰化物—电镀废水、焦炉和高炉的煤气洗涤水，含氰废水，金银选矿废水；氟化物—电镀加工含氟废水和含氟废气洗涤水。危害：使各种酶失去活性；不能被微生物降解，易富集。危害：氰化物可抑制细胞呼吸；氟化物可引起氟斑牙，氟骨症，损害肾脏等16(3)有机无毒物（需氧有机物）：碳水化合物、蛋白质、脂肪等来源：生活污水、食品加工和造纸等工业废水耗氧有机物：有机物的共同特点是，直接进入水体后，通过微生物的生物化学作用而分解为简单的无机物质二氧化碳和水，在分解过程中需要消耗水中的溶解氧，在缺氧条件下就发生腐败分解、恶化水质，故称其为～。常用的有机物污染指标：危害：耗氧，使水质恶化A化学耗氧量(COD:ChemicalOxygenDemand)COD：又称化学需氧量。指在规定条件下，使水样中能被氧化的物质氧化所需耗用氧化剂(酸性重铬酸钾)的量，以每升水消耗氧的毫克数表示。17COD和高锰酸盐指数的区别：二者均为常用的描述废水中化学耗氧量的指标。其中，以高锰酸钾溶液为氧化剂测得的化学耗氧量，新环境水质标准称为高锰酸盐指数CODMn，而仅将酸性重铬酸钾法测得的值称为COD，通常记为CODCrB生化需氧量(BOD:BiochemicalOxygenDemand)目前国内外都以5天作为测定BOD的标准时间，简称5日生化需氧量，记作BOD5，BOD5约等于BOD20的70%。BOD：指在好气条件下，微生物分解水体中有机物质的生物化学过程中所需溶解氧的量。微生物降解有机物通常分为两个阶段：碳化阶段：有机物被转化为无机物CO2，H2O和NH3等；硝化阶段：NH3进一步被转化为HNO2和HNO318C总有机碳量(TOC:TotalOrganicCarbon)：D总需氧量(TOD:TotalOxygenDemand)TOC：水中溶解性和悬浮性有机物中存在的全部碳量，是评价水体需氧有机物的一个综合指标。其测定结果以C含量表示，单位为mg/L。TOD：水中的有机物完全被氧化时的需氧量。(4)有机有毒物质(酚类，农药，PAH，PCB，洗涤剂，石油等)来源：石油化学工业的合成生产过程及其产品的使用过程中排放的污水危害：比较稳定，不易被微生物分解；都有害于人类健康，但危害程度和作用方式不同。危害最大的有两类：有机氯化合物和多环有机化合物19*生物类（细菌、病毒、原生动物、寄生蠕虫等）来源：城市生活污水、医院污水或污水处理厂排水危害：通过多种途径进入人体，并在体内生存，一旦条件适合，就会引起人体疾病。*放射性类来源：核武器试验；原子能工业排放或泄漏。危害：主要通过α、β、γ等射线损害人体组织，并可在人体内蓄积，促成贫血、白血球增生、恶性肿瘤等病症，严重的可导致生命危险。20第二节污染物在水体中的扩散一.污染物在水体中的运动特征1.推流迁移：指污染物在水流作用下产生的迁移作用此过程中污染物质总量不变，浓度也不变2.分散作用：包含分子扩散、湍流扩散和弥散三个方面。此过程中污染物质总量不变，但浓度减小3.污染物的衰减和转化此过程中污染物质总量与浓度均发生变化进入水环境中的污染物可以分为两大类：保守物质和非保守物质21二.河流水体中污染物扩散的稳态解（P78）稳态：污染物在水体某一空间位置的浓度不随时间变化的状态条件：河流水体处于稳定流动状态、污染源连续稳定排放。22三.河流水质模型（WaterQualityModel）水质模型：描述不同水体水质变化规律的数学模型意义：预测、预报水体的污染趋向，研究水体污染的特征及水体环境的自净能力。两种类型：①简单的一级衰变模型，如BOD的衰变；②衰变和恢复相结合的水质模型，如DO在水体中的平衡过程S—P模型：描述一维稳态河流中的BOD—DO的变化规律。基本假设：河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应，反应速度是定常的；河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。23S—P模型是关于BOD和DO的耦和模型，可以写作：式中：L——河水中BOD值；D——河水中的氧亏值；Kd——河水中BOD衰减（耗氧）速度常数；Ka——河水中复氧速度常数；t——河段内河水的流行时间。上式的解析解为：式中：L0——河流起始点的BOD值；D0——河流起始点的氧亏值。该式表示河流水中的氧亏变化规律。如果以河流的溶解氧来表示，则：24式中：O——河水中的溶解氧值；Os——饱和溶解氧值。该式称为S—P氧垂公式根据该式可绘制溶解氧沿程变化曲线即氧垂曲线临界氧亏点（DC）：溶解氧浓度最低的点式中：Dc——临界氧亏值；tc——由起始点到达临界点的流行时间。25第三节污染物在水体中的转化一.水体中耗氧有机物降解1.有机物生物化学分解代表性有机物：碳水化合物；脂肪和油类；蛋白质(1)碳水化合物2.耗氧有机物的生物降解基本反应包括①水解反应：指复杂的有机物分子与水电离出的H＋或OH－结合生成较简单化合物的反应。②氧化反应：包括脱氢作用和脱羧作用两类26(2)脂肪和油类(3)蛋白质27需氧有机物降解的共同规律是：首先在细胞体外发生水解，然后在细胞内部继续水解和氧化。降解的后期产物都是生成各种有机酸，在有氧条件下，可以继续分解，其最终产物是CO2、H2O及NO3－等；在缺氧条件下则进行反硝化、酸性发酵等过程，其最终产物除CO2、H2O外，还有NH3、有机酸、醇等。2.耗氧有机物降解与溶解氧的平衡在污染河流中耗氧作用和复氧作用影响着水中溶解氧的含量耗氧作用：指有机物分解和有机体呼吸时耗氧，使水中溶解氧降低；复氧作用：也称再曝气作用，指空气中的氧溶于水和水生植物的光合作用放出氧，使水中溶解氧增加。28被生活污水污染的河流中BOD和DO相互关系模式图说明：受到有机物污染的水体，其DO含量变化过程由有机污染物的降解过程所控制29303.耗氧有机物对水体的危害①导致水体缺氧，局部水域水质恶化；②含氮有机物可能导致水体富营养化。主要是对渔业水产资源的破坏31二.水体富营养化过程1.水体富营养化概述(1)定义(2)类型：天然富营养化——湖泊的自然消亡；历时漫长人为富营养化——时间短；营养物质主要来自城市营养化(Eutropbication)是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。水体富营养化：由于水体中氮、磷等营养物质的富集，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，使鱼类或其他生物大量死亡，水质恶化的现象。(图)(表3-8)河流-“水华”海洋-“赤潮”32332.植物营养物氮、磷在水体中的转化(1)含氮化合物在水体中的转化(完全循环)N2NO3-NO2-N2ONH3(2)含磷化合物在水体中的转化(底质循环—动态的稳定体系)3.氮、磷污染与水体富营养化P92有机氮转化：氨化过程+硝化过程；反硝化过程(缺氧)多以难溶沉积物的形式沉积于底泥中斯塔姆(Stumm)得出：水体富营养化的形成，主要取决于水体中磷的供应量。水体氮、磷浓度的比值与藻类增殖有着密切的关系344.水体富营养化状态判断标准5.水体富营养化营养物质负荷模型沃伦威德尔模型①湖水营养物质浓度(沃伦威德尔总氮、总磷负荷量标准)②藻类所含叶绿素α的量③湖水透明度④溶解氧N，P富集，藻类繁生，P＞R状态的水体将依次出现：①藻类占据的空间越来越大，水体中耗氧量大大增加；②藻类过度生长繁殖，大量死亡的藻类沉积于塘底，使厌氧细菌大量繁殖