(完整版)第三章水環(huán)境化學(xué)

第三章水環(huán)境化學(xué)

水環(huán)境化學(xué)是研究化學(xué)物質(zhì)在天然水體中的存在形態(tài)、反應(yīng)機(jī)制、遷移轉(zhuǎn)化、歸趨的規(guī)律與化學(xué)行為及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。解決哪些問題？

1.進(jìn)入天然水體的化學(xué)物質(zhì)有哪些？其來源怎樣？

2.天然水體由哪些物質(zhì)組成，具有哪些基本性質(zhì)？

3.化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入水體后存在哪些遷移、轉(zhuǎn)化方式、最終的存在形態(tài)怎樣？

4.天然水體受到化學(xué)物質(zhì)污染后，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)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(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化第三節(jié)水中有機(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化第四節(jié)水質(zhì)模型第三章水環(huán)境化學(xué)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(chǔ)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(jī)！據(jù)聯(lián)合國公布的《世界水資源開發(fā)報(bào)告》：全球用水量在20世紀(jì)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(shè)施。每年有310萬人因不潔飲用水引發(fā)相關(guān)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(xiàn)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(gè)人均水資源貧乏的國家之一。水資源時(shí)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(yán)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(yán)重缺水的特大城市之一。水體污染和浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)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(zhì)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(zhì)含量超標(biāo)。

2003年我國萬元GDP用水量為465m3，是世界平均水平的4倍；農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)為0.4～0.5，是發(fā)達(dá)國家的1/2；水的重復(fù)利用率為50％，發(fā)達(dá)國家已達(dá)到了85％；全國城市供水管網(wǎng)漏損率達(dá)20％左右。水危機(jī)的出現(xiàn)根據(jù)水利部《21世紀(jì)中國水供求》分析，2010年我國工業(yè)、農(nóng)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(jìn)入嚴(yán)重的缺水期。

這份報(bào)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(huì)出現(xiàn)。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(xué)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(zhì)、膠體物質(zhì)、溶解物質(zhì)、底泥和水生生物，所以水體是一個(gè)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(zhì)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(guān)。（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。可溶性氣體對(duì)于水生生物的生存非常重要?？扇苄詺怏w溶解度計(jì)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(shù)。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(jì)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(jì)算：

CO2在25℃，1.013X105Pa下溶解度計(jì)算

（4）水體富營養(yǎng)化(eutrophication)

由于水體中氮磷營養(yǎng)物質(zhì)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(xiàn)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(jī)物經(jīng)微生物分解時(shí)所消耗的溶解氧的數(shù)量，以mg/L作單位。2.天然水的性質(zhì)（1）碳酸平衡CO2在水中的形態(tài)：H2CO3*（CO2、H2CO3

）、HCO3-、CO32-化學(xué)反應(yīng)平衡：

分布分?jǐn)?shù)：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(jì)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(qiáng)酸發(fā)生中和作用的所有物質(zhì)。組成水中堿度的物質(zhì)可分為：

A.強(qiáng)堿，如NaOH、Ca(OH)2；

B.弱堿，如NH3、C6H5NH2；

C.強(qiáng)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(diǎn))

H++HCO3-=H2CO3

(甲基橙終點(diǎn))總堿度：即加酸至HCO3-、CO32-全部轉(zhuǎn)化為CO2。此時(shí)溶液的pH約為4.3?？倝A度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]酚酞堿度：OH-被中和，CO32-全部轉(zhuǎn)化為HCO3-。此時(shí)，溶液的pH約為8.3。酚酞堿度=[CO32-]+[OH-]-[H+]-[H2CO3*]苛性堿度：達(dá)到pHCO32-

所需酸量時(shí)的堿度。苛性堿度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]酸度（Acidity）：水中能與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)。組成水中酸度的物質(zhì)可分為：A.強(qiáng)酸，如HCl、H2SO4；B.弱酸，如CO2、H2CO3、各種有機(jī)酸等C.強(qiáng)酸弱堿鹽，如FeCl、Al2（SO4）3等。總酸度: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(jī)酸度:以甲基橙為指示劑，滴定到pH=4.3。無機(jī)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(shè)α＝1/(α1＋2α2)

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

cT＝α[堿度]

當(dāng)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(qiáng)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(yīng)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(jī)物植物營養(yǎng)物無機(jī)物及礦物質(zhì)沉積物放射性物質(zhì)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(nóng)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(luò)合物、配合物、沉淀物

污染物對(duì)水生生物的毒性不僅與污染物的濃度有關(guān)，而且與污染物的種類和存在形式有關(guān)。4.水污染案例日本水俁?。谆航?jīng)過：1950年在水俁灣附近漁村中，發(fā)現(xiàn)一些貓步態(tài)不穩(wěn)，抽筋麻痹，最后跳入水中溺死，當(dāng)?shù)厝酥^之“自殺貓”。1953年水俁鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(jīng)失常，一會(huì)酣睡，一會(huì)興奮異常，身體彎弓，高叫而死。1956年在這個(gè)地區(qū)又發(fā)現(xiàn)五十多人患有同樣癥狀的病。經(jīng)過對(duì)病的調(diào)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(chǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(guān)。經(jīng)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(dá)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(tái)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(jù)流行病學(xué)的研究提示，與長期飲用含多量砷的深井水有關(guān)。“鬼剃頭”（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(qiáng)，鉈遇酸便分解為鉈離子，隨雨水的沖刷而浸漬到農(nóng)作物中，人們食用這些農(nóng)作物后，便會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)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(dāng)，人們驚奇地稱之為“鬼剃頭”，醫(yī)學(xué)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(zhì)惡化和富營養(yǎng)化的發(fā)展，與湖體內(nèi)積累營養(yǎng)物有著非常直接的關(guān)系。通常使用N/P值的大小來判斷湖泊的富營養(yǎng)狀況。當(dāng)N/P值大于100時(shí)，屬貧營養(yǎng)湖泊狀況。其值小于10時(shí)，則認(rèn)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(xiàn)象。湖泊由貧營養(yǎng)湖演變成富營養(yǎng)湖，進(jìn)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(zhì)污染后，可以使富營養(yǎng)化進(jìn)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(dòng)的影響下，生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)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(zhì)惡化，魚類及其它生物大量死亡的現(xiàn)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(jī)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(dòng)物或細(xì)菌爆發(fā)性增殖或高度聚集。湖水營養(yǎng)化程度判定標(biāo)準(zhǔn)：總磷：是指正磷酸鹽、聚合磷酸鹽、可水解磷酸鹽以及有機(jī)磷的總濃度?？偟菏侵杆w中氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮和有機(jī)氮的總濃度。葉綠素含量：是指水體中綠色物質(zhì)的含量。一般總磷超過0.02mg/L，無機(jī)態(tài)氮超過0.3mg/L,即處于危險(xiǎn)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(jìn)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(nóng)業(yè)排水4、家畜排水5、水產(chǎn)養(yǎng)殖6、雨水7、底泥3.富營養(yǎng)化形成機(jī)理：（1）流域污染物排入湖泊是湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生最關(guān)鍵的因素之一。（2）富營養(yǎng)化湖泊中化學(xué)平衡發(fā)生變化。（3）湖泊生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，生物群落發(fā)生明顯變化。（4）湖泊內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)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(xué)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(shù)。②除磷：物理除磷法、化學(xué)除磷法和生物除磷法