(完整版)第三章水環(huán)境化學

第三章水環(huán)境化學

水環(huán)境化學是研究化學物質在天然水體中的存在形態(tài)、反應機制、遷移轉化、歸趨的規(guī)律與化學行為及其對生態(tài)環(huán)境的影響。解決哪些問題？

1.進入天然水體的化學物質有哪些？其來源怎樣？

2.天然水體由哪些物質組成，具有哪些基本性質？

3.化學物質進入水體后存在哪些遷移、轉化方式、最終的存在形態(tài)怎樣？

4.天然水體受到化學物質污染后，會對生態(tài)環(huán)境和人體健康產生哪些影響？第一節(jié)天然水的基本特征和存在狀態(tài)第二節(jié)水中無機物的遷移轉化第三節(jié)水中有機物的遷移轉化第四節(jié)水質模型第三章水環(huán)境化學概述水的概述地球上水的總量約13.86萬億立方米，但其中97.5%的水是海水咸水，2%的水被冰川、冰帽所覆蓋，剩下的部分則儲藏在地下深處人們難以取用?？晒┤祟惱玫牡Y源僅有0.26%左右。水危機！據聯(lián)合國公布的《世界水資源開發(fā)報告》：全球用水量在20世紀增加了6倍，其增長速度是人口增速的2倍。40%的人缺乏基本衛(wèi)生設施。每年有310萬人因不潔飲用水引發(fā)相關疾病而死亡，其中近90%是不滿5歲的兒童。世界水日：3月23日我國水資源現狀：總量豐富，人均較少我國水資源總量約為2.8萬億立方米，居世界第6位。但由于人口眾多，人均水資源占有量不足僅為2200立方米，約為世界人均占有量的1/4，被列為世界幾個人均水資源貧乏的國家之一。水資源時空分布不均，南多北少比如，黃淮海流域人口占全國的34.7％，水資源量卻只占全國的7.6％，人均水資源量僅有474m3，屬于嚴重缺水地區(qū)；而首都北京，人均水資源量不足３００m3，是世界上最嚴重缺水的特大城市之一。水體污染和浪費現象嚴重目前，長江區(qū)的太湖水系、西北諸河、淮河區(qū)、黃河區(qū)和海河區(qū)有近一半的水源地水質不合格；松花江區(qū)和遼河區(qū)不合格水源地占三分之一，我國有1.9億人飲用水有害物質含量超標。

2003年我國萬元GDP用水量為465m3，是世界平均水平的4倍；農業(yè)灌溉用水有效利用系數為0.4～0.5，是發(fā)達國家的1/2；水的重復利用率為50％，發(fā)達國家已達到了85％；全國城市供水管網漏損率達20％左右。水危機的出現根據水利部《21世紀中國水供求》分析，2010年我國工業(yè)、農業(yè)、生活及生態(tài)環(huán)境總需水量在中等干旱年為6988億立方米，供水總量6670億立方米，缺水318億立方米。這表明，2010年后我國將開始進入嚴重的缺水期。

這份報告還稱，2030年，我國將缺水400億立方米至500億立方米，缺水高峰將會出現。第一節(jié)天然水的基本特征和存在狀態(tài)一、天然水的基本特征在水污染化學中，水體指河流、湖泊、沼澤、水庫、地下水、冰川、海洋等貯水體的總稱。水體的組成不僅包括水，而且也包括其中的懸浮物質、膠體物質、溶解物質、底泥和水生生物，所以水體是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)。圖水環(huán)境體系（水體）（1）主要離子陽離子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+陰離子：HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-總含鹽量（TDS）：

TDS=[Ca2+＋Mg2+＋Na+＋K+]＋

[HCO3-＋SO42-＋Cl-]（2）微量元素和營養(yǎng)物質金屬離子：Fe、Cu、Cd、Hg、As等營養(yǎng)元素：氮、磷、硅等其存在形態(tài)與水的酸堿性、氧化還原性有關。（3）可溶性氣體一般情況下，天然水中存在的氣體主要有氧氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷等?？扇苄詺怏w對于水生生物的生存非常重要?？扇苄詺怏w溶解度計算：

亨利定律

X(g)X(aq)[G(aq)]＝KH×pGKH:各種氣體在一定溫度下的亨利定律常數。pG：各種氣體的分壓。溶解于水中氣體的量可能高于亨利定律表示的量。氧在25℃，1.013X105Pa下溶解度計算：由亨利定律[G(aq)]=KH*pG

不同溫度下，氣體在水中溶解度的計算：

CO2在25℃，1.013X105Pa下溶解度計算

（4）水體富營養(yǎng)化(eutrophication)

由于水體中氮磷營養(yǎng)物質的富集，引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖，使水體溶解氧含量下降，造成藻類、浮游生物、植物、水生物和魚類衰亡甚至絕跡的污染現象。

（4）水生生物富營養(yǎng)化：在許多情況下，P是限制的營養(yǎng)物生化需氧量：表示水中有機物經微生物分解時所消耗的溶解氧的數量，以mg/L作單位。2.天然水的性質（1）碳酸平衡CO2在水中的形態(tài)：H2CO3*（CO2、H2CO3

）、HCO3-、CO32-化學反應平衡：

分布分數：α0

、α1、α2分別表示化合物在總量中的比例則：

α0=[H2CO3*]/{[H2CO3*]+[HCO3]+[CO32-]}α1=[HCO3-]/{[H2CO3*]+[HCO]+[CO32-]}α2=[CO32-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}CT=[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]

試計算封閉體系和開放體系中各碳酸形態(tài)的表示式？（1）封閉體系總碳酸量不變（2）開放體系

[H2CO3*]保持不變封閉體系：開放體系：（2）天然水的酸度和堿度堿度(alkalinity)：水中能與強酸發(fā)生中和作用的所有物質。組成水中堿度的物質可分為：

A.強堿，如NaOH、Ca(OH)2；

B.弱堿，如NH3、C6H5NH2；

C.強堿弱酸鹽，如NaCO3、Na3PO4等。測定方法：酸堿滴定，雙指示劑法

H++OH-=H2OH++CO32-=HCO3-

(酚酞終點)

H++HCO3-=H2CO3

(甲基橙終點)總堿度：即加酸至HCO3-、CO32-全部轉化為CO2。此時溶液的pH約為4.3。總堿度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]酚酞堿度：OH-被中和，CO32-全部轉化為HCO3-。此時，溶液的pH約為8.3。酚酞堿度=[CO32-]+[OH-]-[H+]-[H2CO3*]苛性堿度：達到pHCO32-

所需酸量時的堿度?？列詨A度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]酸度（Acidity）：水中能與強堿發(fā)生中和作用的全部物質。組成水中酸度的物質可分為：A.強酸，如HCl、H2SO4；B.弱酸，如CO2、H2CO3、各種有機酸等C.強酸弱堿鹽，如FeCl、Al2（SO4）3等?？偹岫?用堿滴定酸至pH=10.8可得到總酸度總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]CO2酸度:以酚酞為指示劑，滴定到pH=8.3CO2酸度=[H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]無機酸度:以甲基橙為指示劑，滴定到pH=4.3。無機酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]解：總堿度＝cT（α1＋2α2)＋Kw/[H+]-[H+]

cT＝1/(α1＋2α2){[總堿度]+[H+]-[OH-]}設α＝1/(α1＋2α2)

當PH在5－9范圍內、[堿度]>10－3mol/L時，[H+]，[OH-]項可以忽略，從而得到簡化式：

cT＝α[堿度]

當PH=7，查表α1＝0.816,α2=3.83X10－4，則α＝1.22

cT＝α[堿度]＝1.22X1.4=1.71mmol/L

若加強酸將水pH值降到6.0，cT不變，而α查表得3.25[堿度]＝cT/α＝1.71/3.25=0.53mmol/L

堿度降低值就是應加入酸量：加入酸量＝1.4-0.53=0.87mmol/L二、水中污染物的分布和存在形態(tài)水中污染物

耗氧污染物

致病污染物合成有機物植物營養(yǎng)物無機物及礦物質沉積物放射性物質熱污染2.水中污染物來源工業(yè)廢水生活污水其他來源：農業(yè)排水城市垃圾和工業(yè)廢渣大氣降落物天然污染物3.污染物的分布和存在形態(tài)分布溶解態(tài)、懸浮顆粒物、沉積物、水生生物存在形態(tài)離子態(tài)、絡合物、配合物、沉淀物

污染物對水生生物的毒性不僅與污染物的濃度有關，而且與污染物的種類和存在形式有關。4.水污染案例日本水俁病（甲基汞）：經過：1950年在水俁灣附近漁村中，發(fā)現一些貓步態(tài)不穩(wěn)，抽筋麻痹，最后跳入水中溺死，當地人謂之“自殺貓”。1953年水俁鎮(zhèn)發(fā)現一個生怪病的人，開始只是口齒不清，步態(tài)不穩(wěn)，面部癡呆，近而耳聾眼瞎，全身麻木，最后神經失常，一會酣睡，一會興奮異常，身體彎弓，高叫而死。1956年在這個地區(qū)又發(fā)現五十多人患有同樣癥狀的病。經過對病的調查和研究，在1962年才確定水俁病的發(fā)生是由于汞的環(huán)境污染，特別是常期食用被污染的魚和貝類引起的甲基汞慢性中毒。原因：1932年，日本氮肥廠于水俁工廠生產氯乙烯和醋酸乙烯，其制造中需用含汞的催化劑。這些含汞廢水任意排入水俁灣，在魚類身體富集，并轉化為甲基汞。人體食用含有甲基汞的魚后，造成中毒。日本痛痛?。ㄦk污染）

1956年神通川下游出現一種全身骨痛的病人，病因不明，故稱痛痛病。直到1961年才查明該病與神岡煉鋅廠排放的含鎘廢水有關。經檢查該地區(qū)的水源和稻米中，以及死亡病例的器官組織中均含有大量的鎘。病人多是年過40歲的婦女，生育過子女，并在流行地區(qū)生活居住長達30年以上。1967～1982年間正式診斷132例，其中90例已死亡。烏腳?。ㄉ椋跄_病就是流行于我國臺灣省西南海岸的地方性末梢血管阻塞性疾病。此病由于下肢的罹患率高于上肢，而且發(fā)病后，患肢的皮膚變黑，故稱為烏腳病。烏腳病的發(fā)病原因，據流行病學的研究提示，與長期飲用含多量砷的深井水有關?！肮硖觐^”（鉈）云貴高原東緣是著名的水銀礦區(qū)，水銀礦中的伴生礦鉈隨水流至貴州銅仁一帶，在雨水多、溫度適宜的春夏季，由于土壤中的酸性增強，鉈遇酸便分解為鉈離子，隨雨水的沖刷而浸漬到農作物中，人們食用這些農作物后，便會產生神經麻痹、脫發(fā)等中毒癥狀，使一些姑娘的滿頭秀發(fā)在一夜之間便全部脫當，人們驚奇地稱之為“鬼剃頭”，醫(yī)學上的名稱叫做“斑禿癥”。三、水中營養(yǎng)元素及水體富營養(yǎng)化1.水中營養(yǎng)元素

水中的N，P，C，O和微量元素如Fe，Mn，Zn是湖泊等水體中生物的必需元素。近年來的研究表明，湖泊水質惡化和富營養(yǎng)化的發(fā)展，與湖體內積累營養(yǎng)物有著非常直接的關系。通常使用N/P值的大小來判斷湖泊的富營養(yǎng)狀況。當N/P值大于100時，屬貧營養(yǎng)湖泊狀況。其值小于10時，則認為屬富營養(yǎng)狀況。2.水體富營養(yǎng)化

富營養(yǎng)化是湖泊分類和演化的一種概念，是湖泊水體老化的自然現象。湖泊由貧營養(yǎng)湖演變成富營養(yǎng)湖，進而發(fā)展成沼澤地和旱地，在自然條件下，這一歷程需幾萬年至幾十萬年。但如受氮、磷等植物營養(yǎng)性物質污染后，可以使富營養(yǎng)化進程大大地加速。這種演變同樣可發(fā)生在近海、水庫甚至水流速度較緩慢的江河。

定義：是指在人類活動的影響下，生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其它浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質惡化，魚類及其它生物大量死亡的現象。分為：天然富營養(yǎng)化和人為富營養(yǎng)化。引起原因：由磷、氮的化合物過多排放，鐵、錳等微量元素及有機化合物的含量大大增加而引起水體中某些浮游植物、原生動物或細菌爆發(fā)性增殖或高度聚集。湖水營養(yǎng)化程度判定標準：總磷：是指正磷酸鹽、聚合磷酸鹽、可水解磷酸鹽以及有機磷的總濃度?？偟菏侵杆w中氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮和有機氮的總濃度。葉綠素含量：是指水體中綠色物質的含量。一般總磷超過0.02mg/L，無機態(tài)氮超過0.3mg/L,即處于危險狀態(tài)。

水體氮、磷營養(yǎng)物的來源：自然源：氮為1500萬噸/年，磷為1000萬噸/年；人為源：氮為700－3500萬噸/年，磷為60－375萬噸/年。其中氮僅有約44萬噸、磷約30萬噸進入深海的懸浮沉積物中。其中：1、生活污水2、工業(yè)廢水3、農業(yè)排水4、家畜排水5、水產養(yǎng)殖6、雨水7、底泥3.富營養(yǎng)化形成機理：（1）流域污染物排入湖泊是湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生最關鍵的因素之一。（2）富營養(yǎng)化湖泊中化學平衡發(fā)生變化。（3）湖泊生態(tài)遭到嚴重破壞，生物群落發(fā)生明顯變化。（4）湖泊內源營養(yǎng)物質的釋放。富營養(yǎng)化的防治：1、減少污染源2、污水中氮、磷的去除。①除氮：物理化學法（氯氣法、吹脫法和選擇性離子交換法去除氨態(tài)氮和生物脫氮技術。②除磷：物理除磷法、化學除磷法和生物除磷法