第三章水體環(huán)境

1、第三章第三章 水體環(huán)境及污染問題水體環(huán)境及污染問題 概述 水體及水體污染 水體污染物的來源 水體中主要污染物及來源和分布 水體水質(zhì)污染指標 污染物在水體中的擴散 水體富營養(yǎng)化問題 代表性耗氧有機物的降解 重金屬在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化1 概述概述 11 環(huán)境中的水環(huán)境中的水 12 天然水的水質(zhì)天然水的水質(zhì)11 環(huán)境中的水環(huán)境中的水1) 環(huán)境中天然水資源的分布 巴基斯坦的水資源問題 珍惜水資源Flash以我國為例，淮河以北所擁有的水資源量僅為全國水資源量的19%，而這一地區(qū)的耕地面積卻是全國耕地面積的64%。 如果有一條斜線將中國分為東南河西北兩大區(qū)，則占據(jù)國土面積53%的東南沿海地區(qū)，擁有了全國水

2、資源的93%，而西北地區(qū)卻只有7%的水資源量。(匱乏的水資源）2）天然水在環(huán)境中的循環(huán)水的循環(huán)：蒸發(fā)、降水、滲透及徑流等。水循環(huán)應包括水的自然循環(huán)和社會循環(huán)。包括：局部的海洋水分循環(huán)、局部的陸地水分循環(huán)以及全球水分循環(huán)。總體在全球范圍內(nèi)蒸發(fā)與降水的總量是平衡的。-水的自然循環(huán)水的社會循環(huán)：是指人類為了滿足生活和生產(chǎn)的需要，不斷取用天然水體中的水，經(jīng)過使用，一部分天然水被消耗，但絕大部分變成生活污水和生產(chǎn)廢水排放，重新進入天然水體。-水體污染（點源和面源） 12 天然水的水質(zhì)天然水的水質(zhì)天然水中的溶質(zhì)成分可大略地分為5組： 溶解氣體：O2、CO2、CH4、H2S等； 主要離子：陰離子-Cl-、S

3、O42-、HCO3-、CO32-； 陽離子-K+、Na+、Ca2+、Mg2+； 微量元素：天然水中含量低于10-3%的陰離子（如I-、Br-、F-）、微量金屬離子及放射性元素等； 生源物質(zhì)：在成因上與生命活動有關的物質(zhì)，主要是N、P化合物； 膠體：無機膠體和有機膠體。 此外，還有懸浮物（如細菌、藻類、原生動物、泥沙、黏土及其它不溶物質(zhì)）。水質(zhì)（WATER QUALITY OR AQUATIC QUALITY） 水的品質(zhì)，是指水與其中所含雜質(zhì)共同表現(xiàn)出來的物理、化學和生物學的綜合特性。反映了水體環(huán)境自然演化過程和人類活動影響的程度?！八|(zhì)”：一是水的性質(zhì)，包括環(huán)境水質(zhì)體系的各種特征和過程，二是水

4、的質(zhì)量，包括人類生活和生產(chǎn)對水質(zhì)提出的需求和保證達到要求的水質(zhì)轉(zhuǎn)化技術。水質(zhì)和水量2 水體及水體污染水體及水體污染 水體水體(Water Body)是指以相對穩(wěn)定的陸地為邊界的天然水域，包括河流、湖泊、沼澤、水庫和海洋等。水體不僅包括水，還包括水中的懸浮物質(zhì)、溶解物質(zhì)、底泥及水生生物等完整的生態(tài)系統(tǒng)，它是地表被水覆蓋的自然綜合體。 水體污染水體污染（water body pollution）指主要是由于人類活動排放的污染物進入水體中，使水和水體底泥的物理、化學性質(zhì)或生物群落組成發(fā)生變化，從而降低了水體的使用價值，這種現(xiàn)象稱為水體污染。飲用水與發(fā)展我國水資源短缺和水體污染我國水資源短缺和水體污染

5、 *我國水資源總量占世界第六位，地表徑流總量為2.7萬億m3，相當于陸地徑流總量的5%。但人均占有水量少，居世界第110位，為世界人均徑流量的1/4。我國城市缺水更為嚴重，我國統(tǒng)計有434個城市缺水，其中50個城市屬水荒城市，是世界13個貧水國之一。 *根據(jù)“國家環(huán)境狀況公報”：全國七大水系、湖泊、水庫、部分地區(qū)地下水及近岸海域都受到不同程度的污染：長江、黃河、海灤河水系和大遼河水系、珠江、淮河以及松花江；主要大淡水湖泊的污染程度次序為：滇池、巢湖、南四湖、洪澤湖、太湖、洞庭湖、鏡泊湖、博斯騰湖、興凱湖和洱海（突出的環(huán)境問題是嚴重富營養(yǎng)化和耗氧有機物增加）；我國近岸海域水體的主要污染指標是無機

6、氮和無機磷，水質(zhì)評價結果表明：I類海水占18.7%，II類海水占21.4%，III類海水占6.5%，超III類海水占53.4%。 表表 中國：死亡率和疾病負擔中國：死亡率和疾病負擔 死亡傷殘調(diào)整的生命年千人占中國死亡總數(shù)（百分比）千人占中國總數(shù)（百分比）中國占世界傷殘調(diào)整的生命年的比例a與水污染有關1341.5604239.6 腹瀉9336854.3 肝炎3462634.7 沙眼34714.2 腸道線蟲7138435.2與大氣污染有關189921.22973414.2 慢性障礙性呼吸道疾病143216.0178108.558.6 下呼吸道感染4675.2119245.79.0合計8885208

7、40715.1表表 我國目前大氣和水污染的經(jīng)濟損失我國目前大氣和水污染的經(jīng)濟損失 （百萬美圓）3 水體污染物質(zhì)的來源水體污染物質(zhì)的來源 水體污染來源一般分內(nèi)源和外源 內(nèi)源是指污染物來源于系統(tǒng)內(nèi)部，即由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生或儲存的有害物質(zhì)被釋放出來引起的污染（化學定時炸彈） 外源是指來自系統(tǒng)以外的污染源（工業(yè)廢水、生活污水和農(nóng)業(yè)退水），又分點源和面源兩種形式。 點源主要指工業(yè)污染源和生活污染源，其變化規(guī)律服從工業(yè)生產(chǎn)廢水和城鎮(zhèn)生活污水的排放規(guī)律，即季節(jié)性和隨機性；面源主要是農(nóng)村污水和灌溉水。 工業(yè)廢水；生活污水；農(nóng)業(yè)退水（劉培桐書6972） 化學定時炸彈（Chemical Time Bomb)水體沉積物

8、或土壤中貯存的化學物質(zhì)由于環(huán)境的緩慢改變而活動化，從而引發(fā)滯后而突發(fā)的有害效應。實例：（中歐國家）土壤pH改變Al釋放中歐森林土壤大面積死亡4 水體中主要污染物及來源和分布水體中主要污染物及來源和分布 物理（懸浮物污染、熱污染和放射性污染等） 化學（營養(yǎng)物質(zhì)污染、酸堿污染、重金屬污染、耗氧有機物污染、有機毒物污染等） 生物（致病細菌及病毒污染） 具體劉培桐書725 水體水質(zhì)污染指標水體水質(zhì)污染指標第一類：物理性水質(zhì)指標，包括：感官物理性狀指標。如溫度、色度、嗅和味、濁度、透明度等。其它物理性狀指標。如懸浮固體、溶解固體、電導率（電阻率）等。第二類：化學性水質(zhì)指標，包括： A一般的：PH、堿度、

9、硬度、各種陰陽離子、總含鹽量等。B有毒的：重金屬、氰化物、多環(huán)芳烴、各種農(nóng)藥等。C 氧平衡：DO、COD、BOD、TOC等。第三類：生物學水質(zhì)指標。 細菌總數(shù)、總大腸桿菌菌落數(shù)、各種病原細菌和病毒等。 水體氧平衡指標 DO、BOD、COD、TOC和TOD 溶解氧（DO，Dissolved Oxygen）指溶解于水中的分子態(tài)氧。是衡量水質(zhì)的一個重要參數(shù)。 生物化學需氧量，簡稱生化需氧量（BOD，Biochemical Oxygen Demand）指水體中的有機物在好氣條件下經(jīng)微生物分解成CO2和H2O時所需要的氧氣。以5d作為測定的標準BOD的標準時間（即BOD5）。 化學耗氧量（COD，Che

10、mical Oxygen Demand）指化學氧化劑氧化水中有機污染物時所需的氧氣。測定方法有高錳酸鉀法和重鉻酸鉀法兩種。 總有機碳與總需氧量 總有機碳（TOC，Total Organic Carbon）包括水中所有有機物質(zhì)的含碳量。 總需氧量（TOD，Total Oxygen Demand）是指把水體中的碳、氮、硫、氫等元素全部氧化時所需氧的總量。 6 污染物在水體中的擴散污染物在水體中的擴散61 水環(huán)境的自凈作用水環(huán)境的自凈作用62 污染物在水體（河流）中的混合輸移過污染物在水體（河流）中的混合輸移過程程63 河流水質(zhì)模型河流水質(zhì)模型 6.2和6.3在環(huán)境評價、環(huán)境規(guī)劃與管理中介紹61 水

11、環(huán)境的自凈作用水環(huán)境的自凈作用水環(huán)境的自凈作用是指受污染的各種水體在物理、化學和生物等作用下污染物濃度或總量自然降低的過程。按作用機理可分為物理自凈、化學自凈和生物自凈三類。物理自凈：指水體中污染物濃度的降低是由稀釋、混合、揮發(fā)、沉淀等物理作用所引起的過程?；瘜W自凈：指水環(huán)境中污染物濃度的降低是由氧化還原、分解化合、吸附解吸、沉淀絡合等化學作用造成的。污染物發(fā)生了化學性質(zhì)或形態(tài)、價態(tài)上的轉(zhuǎn)化，水質(zhì)亦發(fā)生了性質(zhì)的變化。生物自凈：指水環(huán)境污染物濃度的降低是由分解、轉(zhuǎn)化和富集等自然界中的生物作用引起的。主要是指懸浮和溶解于水體中的有機污染物在微生物作用下，發(fā)生氧化分解的過程。生物化學過程起著主要作用

12、。7 水體富營養(yǎng)化（水體富營養(yǎng)化（Eutrophication） 71 定義定義 在人類活動的影響下，生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象。 水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時，浮游生物大量繁殖，因占優(yōu)勢的浮游生物的顏色不同，水面往往呈藍色、紅色、棕色、乳白色等。 “水華”和“赤潮”。72 富營養(yǎng)化形成的條件富營養(yǎng)化形成的條件1）營養(yǎng)元素：N、P 在富營養(yǎng)化水體中磷含量的高低決定著藻類繁殖速度和富營養(yǎng)化程度。2）光： 富光帶、光補償帶和深水帶。3）溫度： 影響水體上覆水的運動氧和營養(yǎng)物質(zhì)的垂直

13、運動和在各層分布。73 富營養(yǎng)化的指標富營養(yǎng)化的指標程度總磷（mg/m3）總氮（mg/m3）葉綠素a（mg/m3）透明度/m貧1540034中1525400600372.54富25100600150074012.5過100150040174 富營養(yǎng)化的危害富營養(yǎng)化的危害 1) 感官惡化，不利觀光 2) 魚類窒息或中毒死亡 3) 影響作物生長 4) 水質(zhì)變劣，凈化費用增高 5) 加速湖泊衰老 8 代表性耗氧有機物的降解代表性耗氧有機物的降解 耗氧有機物（或稱易降解有機物） 毒性有機物（或稱難降解有機物或稱持久性有機物） 耗氧有機物是指動、植物殘體和城市污水中的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等容易分解的

14、有機物，其在分解過程中要消耗水體中的溶解氧，造成水質(zhì)惡化。它們的主要危害是通過耗氧過程所造成的，因此統(tǒng)稱耗氧有機物。 毒性有機物是指酚、多環(huán)芳烴和各種人工合成的具有累積性生物毒性的有機化合物，如多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥等。 降解是較高分子量的有機化合物在分解過程中逐步減小分子量，最后變?yōu)楹唵蔚臒o機化合物（水和二氧化碳）的過程。 降解是通過化學氧化、光化學氧化和生物化學氧化來實現(xiàn)的。81 碳水化合物（Carbonhydrate）的降解 通式CX(H2O)Y。其結構：多羥基的醛、酮或可通過水解可生成多羥基醛或酮的化合物。 根據(jù)分子構造的特點，碳水化合物通常分為三類： 1) 單糖：CnH2nOn 不能進一步水

15、解成更簡單的多羥基醛或酮 2) 二糖：C12H22O11，水解后，每分子可生成2個分子單糖。 C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 主要有三種：蔗糖、麥芽糖和乳糖 蔗糖 + 水 葡萄糖 + 果糖 乳糖 + 水 葡萄糖 + 半乳糖 麥芽糖 + 水 葡萄糖 + 葡萄糖 3) 多糖：水解后可生成許多個分子單糖。（CmH2nOn）X碳水化合物的降解過程 第一步：水解 多糖 二糖 單糖 所有的二糖和多糖水解均生成單糖。如： (C6H10O5)X（淀粉） (C6H10O5)n（糊精） C12H22O11（麥芽糖） C6H12O6（葡萄糖）第二步：糖解過程：單糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸。大

16、致可分為四步：1）酯化過程：葡萄糖 + ATP 葡萄糖-6-磷酸酯 + ADP（酯化酶參與）；2）異構化：葡萄糖-6-磷酸酯 果糖-6-磷酸酯（異構酶參與）如果還有ATP，則異構化過程可繼續(xù)進行： 果糖-6-磷酸酯 +ATP 果糖1，6 二磷酸酯 + ADP（酯化酶）；3）分裂：果糖1，6 二磷酸酯 二羥丙酮磷酸酯 + 3-磷酸甘油醛（縮合酶） 二羥丙酮磷酸酯 3-磷酸甘油醛（異化酶）；4）生成丙酮酸。第三步：丙酮酸的分解：有氧和無氧1）有氧條件下：丙酮酸在乙酰輔酶A的作用下即進入三羧酸循環(huán)，最終被完全分解為二氧化碳和水。2）無氧條件下：丙酮酸本身作為受氫體，反應的產(chǎn)物是酸、醇和酮等，即發(fā)酵。

17、發(fā)酵的種類決定于細菌的種類和環(huán)境條件。如乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵和乙酸發(fā)酵等。碳水化合物發(fā)酵會產(chǎn)生大量有機酸，使PH降低，統(tǒng)稱酸性發(fā)酵。82 脂類的降解 脂類是由碳、氫和氧組成。 脂類可分為三種： 1）脂肪：液態(tài)油，固態(tài)-脂肪，儲存能量，減少熱量散失； 2）類脂化合物：磷脂、糖脂等，構成生物膜的成分； 3）固醇類：膽固醇、VD等。降解過程： 1) 在細胞外水解：生成甘油和脂肪酸 2) 甘油：進入磷酸化經(jīng)略，轉(zhuǎn)化為丙酮酸。 3) 脂肪酸：脂肪酸的降解則采用- 氧化方式。 有氧條件下：經(jīng)過三羧酸循環(huán)，達到完全氧化。如： CH3(CH2)16COOH + 26O2 18CO2 + 18H2O 無氧條件下：

18、發(fā)酵，生成各種有機酸。 83 蛋白質(zhì)的降解 蛋白質(zhì)是由碳、氫、氧和氮組成的復雜化合物，在少數(shù)蛋白質(zhì)中還含有磷和硫。 由許多氨基酸分子通過肽鍵連結而成的。 其降解的第一步，是細胞外水解酶作用下發(fā)生水解。 蛋白質(zhì)水解的過程產(chǎn)物及相應的分子量為： 蛋白質(zhì)（朊）（分子量大于10，000） （5，000） 胨 （2000） 多肽（1000500） 二肽（200） 氨基酸（100）。 第二步是氨基酸的分解： 1）有氧條件下脫氨，生成含有不少于一個碳原子的飽和酸或具有相同碳原子數(shù)目的羥基酸 2）無氧條件下進行加氫還原脫氨 3）含硫的氨基酸（主要是胱氨酸和蛋氨酸）：分解會生成硫化氫。生成的硫化氫在有氧條件下可繼續(xù)氧化，在無氧條件下與水中重金屬反應，生成黑色金屬硫化物。 第三步是氨基酸分解產(chǎn)物的歸宿：在有氧條件下可經(jīng)過三羧酸循環(huán)，完全氧化為二氧化碳和水；在無氧條件下就需