第四章-水环境化学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 水环境化学,一、天然水的基本特征,二、水中污染物,人类的生存离不开水，人体的59-66由水组成工农业生产也离不开水水的环境化学涉及环境科学各个方面,是环境化学的最基本最重要的内容。,一、天然水的基本特征,1,水的数量和分布,地球上水的总量是巨大的，达到1.410,21,kg,淡水占总水量的2.7。,但是这些淡水的99却难以直接被人们利用因为地球南、北极的冰帽和高山的冰川储存了淡水的77%，地下水占22，容易利用的江河湖水及浅层地下水仅约占总淡水量的1人们正是利用这些少量淡水，解决生活和工农业生产的用水要求,分布,我国淡水资源年供应量约为2.810,15,kg，居世界各国的第六位但由于人口众多，国土辽阔，平均每人占有的水资源量远远低于世界的平均水平我国水资源的分布随地域和季节有很大差异洪涝灾害和干旱缺水在我国普遍而经常地出现供水短缺，将是我国在21世纪所面临的重大问题,当前我国解决水短缺的基本措施是：,(1)巩固和改善现有水利工程，疏浚河湖，并新建必要的工程，,增强蓄水,、防洪和供水能力,(2)加强,污水处理,，有效保护水源,(3)注意,节约用水,和综合利用水源，提高水的使用价值,(4)加强,水资源的管理,长远的根本措施：,除切实做好上述几点外，要加强种树种草，绿化国土，保持水土,例如,l dm,3,水中含CaO为100mg，MgO为50mg，则该水的硬度可计算如下：,CaO：100mg10mg10,MgO：(50mg,/M,MgO,),(M,CaO,)/10mg,50mg,(56gmol,-1),/(40gmol,-1,)/10mg,7,该水硬度为17,通常规定水的硬度如下：,04 48 8一16 1630 30,很软水 软水 中硬水 硬水 很硬水,含HCO,3,-,的水称为,暂时硬水,，因加热时它会发生如下化学反应而使之软化：,Ca,2+,+2HCO,3,-,CaCO,3,+CO,2,+,H,2,O,含Cl,-,，SO,4,2-,的水不能通过加热除去，叫,永久硬水,硬水有,两大危害,：,i)Ca,2+,、Mg,2+,、Fe,2+,等离子能和肥皂(C,17,H,35,COONa)产生沉淀(C,17,H,35,COO),2,Ca，能和许多化学试剂配位络合，影响产品的品质,ii)暂时硬水加热时产生的碳酸盐在锅炉内壁上形成锅垢，不但阻碍传热，消耗燃料，而且会堵塞管道，导致爆炸,水的软化,将钙、镁等可溶盐从硬水中除去的过程叫做水的软化软化方法很多，例如：,a)加入药剂软化法,加入一定数量的碳酸钠、石灰乳Ca(OH),2,、磷酸三钠(Na,3,PO,4,)、磷酸二氢钠(NaH,2,PO,4,)，使钙、镁离子沉淀出来使水软化：,CaSO,4,+Na,2,CO,3,CaCO,3,+Na,2,SO,4,Ca(HCO,3,),2,+Ca(OH),2,2CaCO,3,+,2H,2,O,3Ca,2+,+2 Na,3,PO,4,Ca,3,(PO,4,),2,+,6Na,+,若在水中加入少量三聚磷酸钠(Na,5,P,3,O,10,)，它将和硬水中的Ca,2+,，Mg,2+,络合,不再和肥皂产生沉淀，也不会生成锅垢,b)离子交换软化法,使水通过钠型的聚苯乙烯磺酸型离子交换树脂，使水中Ca,2+,置换树脂上的Na,+,而除去Ca,2+,当树脂被Ca,2+,饱和而失去交换能力时，通浓食盐水让Na,+,置换Ca,2+,而再生。,从长远看，海水最有价值的组分是淡水海水淡化已在某些地区进行工业化生产主要方法有二：,一.,蒸馏法脱盐,充分利用热能的物理过程；,二.,反渗透法脱盐,依靠选择性薄膜(如醋酸纤维素膜)，只让水通过而不让盐通过，将盐水加压(大于3MPa)超过海水渗透压，盐不能通过，水可通过，就得到淡水,B 海水,反渗透法脱盐示意图,海水,含盐多的海水,淡水,3MPa,H,2,O,（2）水中的气体,水中氧溶量,天然水中一般溶入的气体有O,2,，CO,2,，N,2,，H,2,S，CH,4,等，其中最重要的是O,2,和CO,2,可用亨利定律,(Henrys law),表示：,P,g,K,H,C,equil,式中：,P,g,溶液中溶质在气相中的平衡分压，,kPa,；,K,H,亨利常数，,kPam,3,/g,；,C,equil,液相中污染气体的浓度，,g/m,3,。,C,equil,K,H,P,g,表31 25时一些气体在水中的亨利定律常数,气体,K,H,mol/(LPa),气体,K,H,mol/(LPa),O,2,O,3,CO,2,CH,4,C,2,H,4,H,2,H,2,O,2,1.2610,-8,9.1610,-8,3.3410,-7,1.3210,-8,4.8410,-8,7.8010,-9,7.0110,-1,N,2,NO,NO,2,HNO,2,HNO,3,NH,3,SO,2,6.4010,-9,1.9710,-8,9.7410,-8,4.8410,-4,2.07,6.1210,-4,1.2210,-5,例；与水接触大气压力101.325千帕时，计算25时氧气在水中溶解度（mg/L）？25水的饱和蒸汽压为3.167千帕。,解：查出25时K,H,=1.263310,-5,mol/升千帕，O,2,在干空气中的含量为20.95%（V/V）。,氧气在空气中分压为Po,2,=（P-P,H2O,）V/V,总,=（101.325-3.167）0.2095=20.5622（千帕）,根据亨利定律，O,2,=1.263310,-5,20.562232,=8.31（mg/L）,水中溶解氧的数量DO(dissolvedoxygen)是水质的重要指标,碳酸平衡,在水体中存在着CO,2,、H,2,CO,3,、HCO,3,-,、CO,3,2,等四种化合态，常把CO,2,、H,2,CO,3,合并为H,2,CO,3,，H,2,CO,3,含量极低，主要是溶解性气体CO,2,。,图32,All gases are also in a equilibrium between air and water,Calculate,HCO,3,-,CO,3,2-,and H,2,CO,3,when the pH is known.,Carbonate equilibrium in Natural Water Systems:,Compounds that are sparingly soluble in water are in equilibrium between an ionic form and a non-ionic form.Calcium carbonate is an example of such a substance,The equilibrium expression that governs this reaction is called the solubility product,or K,sp,.K,sp,is a constant value for any substance,and if known,can be used to calculate the solubility of that substance in water.,For Calcium Carbonate:,The solubility of calcium carbonate in pure water(in a system not exposed to air and ignoring reactions with water)can be calculated as follows:,Let X be the concentration of Ca,2+,in solution-at equilibrium since the number of moles of Ca,2+,is equal to the number of moles of CO,3,2-,X is also equal to the number of moles of CO,3,2-,.,Then:,Therefore,the solubility of calcium carbonate in water if not open to the air,is,6.69 x 10,-5,moles CaCO,3,/Liter.,By allowing the water to mix with air,the value for CO,3,2-,would change to reflect CO,3,2-,from dissolved calcium carbonate and from CO,3,2-,from dissolved carbon dioxide.,（3）水中异相物质,悬浮(suspended)、,悬浮固体的尺寸较大时，可以通过沉降或过滤从水中除去，此时有固液两相存在。,藻（alga）,细菌（bacterium）,属于尺寸较小的悬浮固体，大小约0.11.0m之间。可被玻璃纤维滤盘（glass fiber filter disc）分离的固体颗粒，称为,悬浮颗粒,，也称为可过滤颗粒（filterable solids）。,胶体（colloidal）,胶体颗粒的尺寸介于溶解性物质与悬浮固体之间。胶体颗粒会产生,丁达尔（Tyndall）,现象,水的特性,1常温常压条件的三态变化,2异常热力学性质 较高的热稳定性 异常物理性质包括沸点高、蒸发热大、热容高,3 特殊的体温效应,4异常的表面张力,5水的良好溶解作用,6适中的化学活性,二 水体的污染,水体是指水和水中溶解物质、水中悬浮物质、水生生物和底泥的总称,水体污染与自净,水体污染,水体污染是指水体中污染物的含量超过水体的本体含量及其自净能力，造成水质恶化，破坏水体的正常功能，降低水体的使用价值,水体自净,指受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经一段时间后恢复到受污染前状态的过程。,自净作用,：,物理自净,污染物进入水体后，可沉性固体逐渐沉至水底形成污泥，悬浮物、胶体和溶解性污染物则因混合稀释而逐渐降低浓度。,化学自净,污染物进入水体后经络合、氧化还原、沉淀反应等而得到净化。,生物自净,在生物的作用下，污染物的数量减少，浓度下降，毒性减轻或消失.,(1)水体中的污染物,水体污染包括无机和有机有毒物质、耗氧有机物、石油类、放射性物质、热污染以及病原微生物等。,病原体污染物,生活污水、畜禽饲养场污水以及制革、洗毛、屠宰业和医院等排出的废水，常含有各种病原体，如病毒、病菌、寄生虫。,第一节 污染物的概述,耗氧污染物,耗氧有机物浓度常用单位体积水中耗氧物质生化分解过程所消耗的氧量表示，即以生化需氧量(BOD,5,)表示。,石油污染,石油是烷烃、烯烃和芳香烃混合物。,石油污染物主要来自工业排放，清洗石油运输船只的船舱、机件及发生意外事故，海上采油等均可造成石油污染。,植物营养物,植物营养物主要指氮、磷等能刺激藻类及水草生长、干扰水质净化，使BOD,5,升高的物质。,富营养化,是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。,重金属污染物,重金属 Pb、Cr、Cd、Hg、As,1.汞,汞蒸气和大多数汞盐都是有毒的，有机汞化合物如甲基汞Hg(CH,3,),2,的毒性更大。水体中的汞和汞化合物主要来自有关工业生产中的排放废物。,中毒的主要症状有：头痛、头晕、肢体麻木和疼痛、肌肉震颤和运动失调等，严重的可致死。,2.镉,水体中镉污染的主要来源为冶锌厂（锌矿常含有镉元素，而独立的镉矿极为少见）及镀镉厂。引起骨质疏松、骨质软化等病症而使人体感到骨痛，镉中毒的其它症状有高血压、肾脏病，镉还可能引起癌变。,3.铅,铅和可溶性铅盐都是有毒的，水体中铅污染的主要来源是从冶铅厂等排出的废水。铅主要损害造血系统、神经系统，能引起贫血、头痛、头晕、疲乏、记忆力减退、失眠等。对婴幼儿的影响更大，可造成婴幼儿智力低下，发育异常。,4.铬,污染水体的铬化合物中的铬有两种价态，+3和+6价，+6价铬的毒性是+3价铬毒性的100倍，+3价铬可对胎儿产生致畸作用，而+6价铬有致癌作用，但是铬却是人体必需的微量元素之一，成年人每天对铬的正常摄入量需20-50微克，缺铬可引起糖尿病、动脉粥样硬化症。,5.砷,砷属非金属元素，砷元素常与上述重金属元素相提并论。一般说来，+3价砷的毒性比+5价砷的毒性大，三氧化二砷As,2,O,3,（砒霜）微溶于水，有剧毒，致死最小量是0.060.2克，急性中毒常见于口服一小时后发生，表现为恶心、呕吐、腹泻、脱水等，严重时出现痉挛、昏迷以至死亡。慢性中毒引起食欲不振、头痛、四肢酸痛、脱发、肝肿大等。,放射性污染物,放射性污染是由放射性物质进入水体造成。,放射性污染物主要来源于核动力工厂排出的冷却水，向海洋投弃的放射性废物，核爆炸降落到水体的散落物，核动力船舶事故泄漏的核燃料；开采、提炼和使用放射性物质时，如果处理不当，也会造成放射性污染。,酸、碱、盐无机物污染,热污染,热污染是一种能量污染，是由工矿企业向水体排放高温废水造成。,颗粒物,水环境中污染物，总体上可划分为,金属污染物,和,有机污染物,两大类,。,（2）水体污染的原因和影响,原因：,第一，人类生活,城市生活废水和生活垃圾大量增加，其中有许多是人和动物的排泄物，含有病原体和有机物，它们排入江河湖海或堆放地面，直接或间接污染水体,第二，工、农业生产,农业生产中大量施用化肥、农药;工业生产中排放大量的废水、烟尘、废渣、废液据测算，全世界每天工业生产中排放的废水就有310,8,t这些物质有的未经处理直接排入水体，有的通过风吹雨淋进入水体，有的通过地下水进入水体,第三，人为破坏,由于过度砍伐森林，放牧开荒，破坏草原植被，雨水直接冲刷土地，夹带大量泥砂废物，滚滚浊流，进入江河湖海，造成水体污染,第四，用水量增大,有限的淡水资源难以为继，破坏水的正常循环，破坏生态平衡，超过水的自净能力,影响：,首先关系到人体的健康,现全世界有70左右的人饮用不安全的食用水，平均每天有2.5万人死于因水污染引起的疾病；,涉及工农业生产，对产品的品质和成本有极大影响例如，水质不好，会增加水处理费用、损坏设备，会造成产品不合格；水质不好，也会使水产品产量下降等,（3）水质指标,关于,水的品质有着多种指标来衡量,，除固体污染物用悬浮物数量及浊度指标外，下面列出主要的几点：,(a),水中氧溶量DO,天然水中一般溶入的气体有O,2、,CO,2、,N,2、,H,2,S、CH,4,等，其中最重要的是O,2,和CO,2,(b),生化需氧量BOD,衡量水质的另一个指标是生化需氧量BOD，它是水质污染程度的指标,BOD是指一定量的水体中的有机物质在微生物的作用下氧化分解，从而消耗水中溶解氧的量,一般以20，l dm,3,水中5天所消耗溶解氧的质量(mg)作标准，记为BOD,5,小于3mgdm,-3,，表示水质清洁;,达到7.5mgdm,-3,，水质不好；,大于10mgdm,-3,，水质很差，鱼类不能生存,与此相应的还有,COD,：,化学需氧量是指水样在规定条件下用氧化剂处理时，其溶解性或悬浮性物质消耗氧化剂的量，再换算成氧的量。,采用重铬酸钾（K,2,Cr,2,O,7,）作为氧化剂测定出的化学耗氧量表示为CODcr.,化学耗氧量可以反映水体,受还原性物质污染,的程度。水中还原性物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。,重铬酸钾能够比较完全地氧化水中的有机物，如它对低碳直链化合物的氧化率为8090，因此CODcr能够比较完全地表示水中有机物的含量。,一般来说对于同一水样，CODcrBOD,20,BOD,5,，而CODcr与BOD,5,值之差可大致地表示不能为微生物降解的有机物量。,常用BOD,5,/CODcr比值作为衡量污水是否适宜于采用生物处理法进行处理（即,可生化性,）的一项指标，其值越高，污水的可生化性就越强。,(c),水体的酸碱度,一般认为水体的pH应在 5.6-8.5之间，但由于工业生产排放的酸性废水及大气中硫和氮的氧化物溶于水或形成酸雨降落，使水的酸度增加，pH降低碱性水主要由于造纸厂等工厂排放的废水所引起,(d),氮和磷的含量,生活提高、工业发展随着带来洗涤剂用量增大大量阳离子洗涤剂是含氮化合物，例如R-N(CH,3,),3,+,Cl,-,；洗涤剂中加,三聚磷酸盐(Na,5,P,3,O,10,),可使洗涤剂性能显著强化，故洗涤剂中常含有氮和磷施用化肥也常使水中氮和磷的含量增加,(e),农药,许多杀虫剂是有机氯化物，它不易分解，施用以后，逐渐积累，进入水体和土壤，进而进入食物链，影响农产品品质,(f),有害元素和离子,下表列出若干水中的污染元素和离子，及通常出现的化学状态、来源、毒性及饮水中的限量等情况,水中的若干污染元素,重金属指比重大于4或5的金属，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、钒、铌、钽、钛、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。,其中毒性最大的元素有：铅、汞、镉、铬及砷等,第二节 水中重金属污染物的迁移转化,一、吸附作用,二、溶解和沉淀,三、氧化和还原,四、配合作用,水环境中颗粒物的吸附作用,表面吸附、离子交换吸附和专属吸附,由于胶体具有巨大的比表面和表面能，因此固液界面存在表面吸附作用，胶体表面积愈大，所产生的表面吸附能也愈大，胶体的吸附作用也就愈强，属于一种,物理吸附,。,一、吸附作用,由于环境中大部分胶体带负电荷，容易吸附各种阳离子，在吸附过程中，胶体每吸附一部分阳离子，同时也放出等量的其他阳离子，因此把这种吸附称为,离子交换吸附,，属于,物理化学吸附,。,SO,3,-,+Ca,2+,SO,3,-,+,Na,+,Na,+,Ca,2+,专属吸附,是指吸附过程中，除了化学键的作用外，尚有加强的憎水键和范德华力或氢键在起作用。,专属吸附作用不但可使表面电荷改变符号，而且可使离子化合物吸附在同号电荷的表面上。,O,H,2,N-R,M,2+,H,2,O,H,2,O,H,2,O,H,2,O,H,2,O,二、溶解和沉淀,表4-1难溶铅化合物的溶解度,化合物,溶解度（g/100gH,2,O）,温度（）,溶度积（K,SP,）,温度（）,PbCO,3,4.810,-6,18,3.310,-14,18,PbCrO,4,4.310,-6,18,1.810,-14,18,Pb(OH),2,2.810,-16,25,Pb,3,(PO,4,),2,1.310,-5,20,1.510,-32,18,PbS,4.910,-12,18,3.410,-26,18,PbSO,4,4.510,-3,18,1.110,-8,18,M,n+,+H,2,O M(OH),n,+nH,+,图4-1,图4-2,水中的氢氧根影响,例：采用通硫化氢的方法除去水中的Pb,2+,，使其小于0.01mmol/L，水中的pH值应控制在多少范围？（K,SP(PbS),=8.610,-28,，硫化氢的电离常数K,a1,=8.910,-8,，K,a1,=1.310,-15,，饱和硫化氢的浓度为0.1mol/L）,解：Pb,2+,+H,2,S 2H,+,+PbS,KH,+,2,（Pb,2+,H,2,S）K,a1,K,a,K,SP(PbS),H,+,2,=8.910,-8,1.310,-15,0.0110,-3,0.1/8.610,-28,=0.134,H,+,=0.366 pH=0.43,控制pH大于0.43即可。,水中硫化物的影响,水中有碳酸根时对金属离子的影响,三、氧化和还原,天然水的pE,天然水中含有许多无机及有机氧化剂和还原剂。,水中主要氧化剂,有溶解氧、Fe,3+,、Mn,4+,和S,6+,，其作用后本身依次转变为H,2,O、Fe,2+,、Mn,2+,和S,2,。,水中主要还原剂,有种类繁多的有机化合物、Fe,2+,、Mn,2+,和S,2,，在还原物质的过程中，有机物本身的氧化产物是非常复杂的。,由于天然水是一个复杂的氧化还原混合体系，其pE应是介于其中各个单体系的电位之间，而且接近于含量较高的单体系的电位。,天然水体的 pE-pH 图,在氧化还原体系中，有H,+,或OH,参与转移。,pE除了与氧化态和还原态浓度有关外，还受到体系pH的影响，这种关系可以用pE-pH 图来表示。,pE-pH 图可显示水中各形态的稳定范围及边界线。,水中能够稳定存在的铁的形态,水中能够稳定存在的氮的化合物形态,水中可溶性铁的浓度与电位关系,水中溶解氧与有机物之间的关系,天然水体的配合作用,天然水体中有许多阳离子和阴离子，其中某些阳离子是良好的配合物中心体，某些阴离子则可作为配位体。,天然水体中重要的无机配位体有OH,、Cl,、CO,3,2,、F,、S,2,。,有机配位体情况比较复杂，天然水体中包括动植物组织的天然降解产物，如氨基酸、腐殖酸，以及生活废水中的洗涤剂、清洁剂、NTA、EDTA、农药和大分子环状化合物。腐殖酸是主要成分，有机物相当一部分具有配合能力。,四、配合作用,M,2+,+OH,-,=M(OH),+,K,1,=-,M(OH),+,M,2+,OH,-,M(OH),+,+OH,-,=,M(OH),2,K,2,=-,M(OH),2,M(OH),+,OH,-,M(OH),2,+OH,-,=,M(OH),3,-,K,2,=-,M(OH),3,-,M(OH),2,OH,-,T,M,2,+=,M,2+,+,M(OH),+,+,M(OH),2,+,M(OH),3,-,+,M,2,+=-=-,M,2+,T,M,2,+,1,1+K1,OH,-,+K1K2 OH,-,2,+,M(OH)+,=-=-,1+K1,OH,-,+K1K2 OH,-,2,+,K1 OH,-,T,M,2,+,M(OH),+,随pH值的增加，镉离子逐渐被OH,-,配位。,水中镉离子与氯离子的配合,腐殖质的配合作用,腐殖质是有机高分子物质，分子量在300到30000以上。,根据其在碱和酸溶液中的溶解度把其划分为三类：,（1）腐殖酸,可溶于稀碱液但不溶于酸,的部分，分子量由数千到数万。,（2）富里酸,可溶于酸又可溶于碱,的部分，分子量由数百到数千。,（3）腐黑物,不能被酸和碱提取,的部分。,富里酸的结构式,金属离子能在腐殖质中的羧基及羟基间螯合成键,或者在两个羧基间螯合,与一个羧基形成配合物,腐殖酸对水休中重金属的配合作用还将影响重金属对水生生物的毒性。,表39 腐殖酸配合物稳定常数,来源,LgK,Ca,Mg,Cu,Zn,Cd,Hg,泥煤,3.65,3.81,7.85,8.29,4.83,4.57,18.3,湖水Celyn湖,Balal湖,3.95,3.56,4.00,3.26,9.83,9.30,5.14,5.25,4.57,19.4,19.3,河水Dee河,Conway河,9.48,9.59,5.36,5.41,19.7,21.9,海湾,底泥,海湾污泥,3.65,4.65,3.60,3.50,4.09,3.50,8.89,11.37,8.89,5.87,5,27,4.95,20.9,21.9,18.1,土壤,3.4,2.2,4.0,3.7,5.2,松花江,松花江泥,2.68,3.14,2.76,3.13,2.54,3.01,2.66,3.00,16.02,16.74,16.51,16.39,蓟运河水泥,16.38,16.28,16.41,第三节 水中有机污染物的迁移转化,一、分配作用,二、挥发作用,三、水解作用,四、光解作用,五、生物降解作用,一、分配作用,式中：C,s,、C,w,分别为有机物在颗粒物中和水中的平衡浓度。,水中有机物浓度与土壤中有机物的吸附量之间的关系,二、挥发作用,影响：,1 有机物的性质（挥发性）,2 温度,三、水解作用,RX+H,2,O ROH+HX,可发生水解的物质有：烷基卤、酰胺、胺、氨基甲酸酯、羧酸酯、环氧化物、腈、膦酸酯、磷酸酯、磺酸酯、硫酸酯,变化,1 毒性,2 挥发性,3 生物降解性,四、光解作用,1 直接光解,2 间接光解,2，5-二甲基呋喃,3 氧化光解,五、生物降解作用,1 碳水化合物的降解,糖类先水解为双糖，如蔗糖、麦芽搪；再水解为单糖，如葡萄糖和果糖,转化为丙酮酸,有氧条件下,无氧条件下,2 脂肪和油类的降解,脂肪和油是指动、植物中的油脂,第一步：水解,第二步：甘油经磷酸化路径，转化为丙酮酸,在有氧条件下,3 蛋白质及含氮有机物质的降解,第一步：蛋白质首先发生水解,有氧时,无氧时,4 核苷酸的生物降解,核苷酸的降解,核苷酸+H,2,O 核苷+Pi,核苷+H,2,O 嘌呤（或嘧啶）+戊糖,（核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不起作用。）,核苷+H,3,PO,4,嘌呤（或嘧啶）+1-磷酸戊糖,（,核苷磷酸化酶,存在广泛）,核苷酸酶,核苷水解酶,核苷磷酸化酶,腺嘌呤 鸟嘌呤,H,2,O,H,2,O,NH,3,NH,3,次黄嘌呤,黄嘌呤,H,2,O+O,2,H,2,O,2,H,2,O+O,2,H,2,O,2,尿囊素,尿酸,H,2,O CO,2,+H,2,O,2,2H,2,O+O,2,尿囊酸,尿素,+乙醛酸,H,2,O 2H,2,O,4NH,3,+2CO,2,（人类和灵长类动物、爬虫、鸟类）,（灵长类以外的哺乳动物）,（植物）,（鱼类、两栖类）,（海洋无脊椎动物）,腺嘌呤脱氨酶,鸟嘌呤脱氨酶,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤,氧化酶,尿酸氧化酶,尿囊,素酶,尿囊酸酶,脲酶,别,嘌呤醇,：,别黄,嘌呤,底物类似物经酶,作用后成为酶的,灭活物，称之为,自杀作用物。,自杀性底物,嘧啶的降解,：,这是一个还原降解过程,。,胞嘧啶 尿嘧啶 二氢尿嘧啶,H,2,O NH,3,NAD(P)H+H,+,NAD(P),+,H,2,O,-丙氨酸,-脲基丙酸,H,2,O,胸腺嘧啶 二氢胸腺嘧啶,NAD(P)H+H,+,NAD(P),+,H,2,O,-氨基异丁酸 -脲基异丁酸,H,2,O,胞嘧啶脱氨酶,二氢尿嘧啶脱氢酶,二氢嘧啶酶,脲基丙酸酶,二氢尿嘧啶脱氢酶,二氢嘧啶酶,脲基丙酸酶,NH,3,+CO,2,+,NH,3,+CO,2,+,第四节 污水治理,污水净化技术,物理方法,生物方法,化学方法,A 微生物的作用,不同种类的微生物都具有分解有机物质的能力。微生物将胶体的和溶解性的含碳有机物转化成CO,2,并合成新的微生物菌体。微生物菌体的密度稍微大于水，可以利用重力沉降法将其从处理过的水中去除。,1 生物方法,一、处理方法,B 微生物的分类,：,（1）以界划分：,动物（轮虫、甲壳生物）、植物（苔藓、藻类）、真菌（蘑菇、酵母）、原生生物（阿米巴虫）和细菌（沙门氏杆菌）。,（2）以能源和碳源划分：,异养型微生物（以有机物为碳源）、自养型微生物（仅以CO,2,为碳源）。,（3）以与氧的关系划分：,专性好氧菌、专性厌氧菌、兼性厌氧菌和反硝化菌。,C 污染物的分解,a 好氧分解,好氧分解过程中必须有分子氧作为最终电子受体。在天然水体中氧以DO形式存在。当氧是唯一的电子受体时，有机物的最终代谢产物主要为CO,2,、水及新的细胞物质。,在正常的天然水体中，好氧分解是水体自净的主要途径。由于好氧氧化过程中有大量的能量释放出来，大部分好氧微生物有很高的生长速率，比其它氧化系统中产生的新细胞多，因此,污泥的产生量就多,。,好氧分解速度快、效率高，产生的臭味少，因此,废水浓度较低,（BOD,5,小于500mg/L）时,可选用此法,。当废水浓度过高时（BOD,5,大于1000mg/L），采用好氧处理不能得到足够的溶解氧，且有大量的生物污泥产生，因此一般不适合于采用该法处理。,b 缺氧分解,在缺少分子氧时，一些微生物能够利用硝酸盐作为最终受体，此时的氧化过程称为反硝化过程。最终产物为氮气、二氧化碳、水及新细胞物质。,c 厌氧分解,为进行厌氧分解，分子氧与硝酸盐不可作为电子受体。硫酸盐、二氧化碳及有机物在厌氧分解中作为最终电子受体而被还原。,厌氧氧化时仅能释放出少量的能量，因此细胞的产生量即,污泥的量很少,。可利用此特性将好氧和缺氧过程产生的污泥通过厌氧分解加以稳定。目前，很多工厂利用此法处理污泥产生沼气，发电。如北京高碑店污水处理厂。,D 影响污染物生物降解的因素,（）被降解化合物的种类及浓度,（）微生物群体的活性,（）环境因素,有机物结构与生物可降解性,(1).链烃比环烃易生物降解,(2).不饱和烃比饱和烃易分解,(3).主链上个别碳原子被其他元素所取代,会增加对生物氧化的抵抗力,(4).碳支链对代谢作用有一定影响,(5).取代基的位置、种类、数量及碳链长短,影响化合物的生物降解性,化学方法主要是针对污水中溶解性的污染物，使其最终和水分离除去，它通常在水中加入化学药剂，进行化学净化处理方法是：,(a)中和法,对酸污染的废水通常加石灰乳等作为中和剂，也可加石灰石(CaCO,3,)粉末，使酸性物质和它反应：,2H,+,+CaCO,3,Ca,2+,+H,2,O+CO,2,2 化学方法,(b)沉淀法,加石灰乳到水中使水呈碱性，大多数重金属离子将生成氢氧化物沉淀：,M,2+,+2OH,-,M(OH),2,对含铬的电镀液废水(其中含CrO,4,2-,)可用钡盐作沉淀剂：,CrO,4,2-,+Ba,2+,BaCrO,4,(c)氧化还原法 ：,氧化法常用以处理氰化物、硫化物、酚、醛以及除色、除臭，处理不易被生物降解的有机物,例如，在碱性条件下，用次氯酸钠(NaClO，漂白粉的主要成分)使之产生Cl,2,，氧化CN,-,：,2CN,-,+5Cl,2,+10OH,-,N,2,+2HCO,3,-,+10Cl,-,+4H,2,O,还原法可用以处理含铬和汞等成分的废水,，例如：,2CrO,4,2-,+3SO,2,+2H,2,O,2Cr,3+,+3SO,4,2-,+4OH,-,Cr,3+,+3OH,-,Cr(OH),3,废水中的Hg,2+,可用铁、锌等还原除去：,Hg,2+,+Zn,Zn,2+,+Hg,城市污水处理的典型流程,污水的来源不同，水中包含的污染物不同，污水处理的方法也就大不相同,二、城市污水处理,1 城市污水处理系统,按照处理程度划分：,预处理,一级处理,二级处理,三级处理,预处理的目的是保护废水处理厂的后续处理设备；,一级处理：通过沉降或气浮去除水中的固体污染物。典型地可去除60%的悬浮固体及35%的BOD,5,，但无法去除溶解性有机物,。,二级处理：生物过程去除溶解性BOD,5,，并进一步去除悬浮固体物质。可以去除85%的BOD,5,和悬浮固体物质，但无法显著地降低氮、磷或重金属。难以完全去除病原菌和病毒。,三级处理：使用化学处理或过滤方法（就象在二级处理的末端加上一个水处理厂），或将二级处理的出水灌入土壤中，利用土壤-作物系统去除污染物。可以去除99%的BOD,5,、磷悬浮固体和细菌，以及95%的含氮物质。,废水中的污染物一部分被分解成无害的二氧化碳和水，而另一部分从废水中去除后成为固体物，即,污泥,。因此，为控制污染将不得不对污泥进行进一步的处理与处置。,2废水预处理：,废水预处理的目的：,防止污染物干扰废水处理厂的运行，包括影响污泥的利用与处置；,防止污染物直接通过处理设备或使这些设备无法运转；,预处理单元操作,A,格栅,废水进入处理厂遇到的第一个设施通常就是格栅。目的：去除会阻塞或卡住泵、阀及其它机械设备的,大颗粒物质,，下水道废水中的,破布、木材,等物质。,以机械方式清除格栅上的拦截物。定期填埋。,B 沉砂池,作用：去除惰性的、较重的物质，如,沙子、碎玻璃、淤泥及卵石,。若这些物质在废水中未被去除，将会磨损泵及其它机械设备。,主要类型,：平流沉砂池、曝气沉砂池,（1）,平流沉砂池,也称为流速控制型沉砂池，,可用STOKES定律分析并进行设计。,（2）,曝气沉砂,池,在曝气沉砂池内液体以螺旋滚动方式运动，较重的颗粒被甩向外层而下沉，较轻的颗粒被水流带走。气泡的剪切作用可剥除粘附在沙砾表面的有机物质。,（3）破碎机,用旋转切割棒破碎机破碎水中的固体物质（破布、纸张、塑料等）破碎，破碎机置于沉砂池之后，以避免切割棒的磨损。,（4）调节池,调节池并不是一种处理过程，但是可提高二级与三级废水处理的效率。流量调节池的任务就是减少水量波动。使废水以几乎固定的流速进入废水处理厂。,3 一级处理,经过格栅与沉砂池后，废水中仍含有较轻的有机悬浮固体，其中一部分可在沉淀池中通过重力沉降除去，沉淀下来的固体称为初污泥（raw sludge）。,4 二级处理单元过程,二级处理主要目的是去除一级处理出水中的溶解性BOD及悬浮固体。,处理的条件：,有大量微生物；,微生物与有机物之间接触良好；,有提供充足的氧和维持其它需要的设施。,方法：,滴滤池法,活性污泥法,氧化塘法,生物转盘法,滴滤池法,滴滤池是由石头、条板或塑料材料（介质）构成的滤床。废水由上向下流过滤床。最常设计的是13m深的简单砾石床。利用,旋转布水器,将水分散到石头表面。滤床直径可高达60m。,废水滴流进入滤床时，微生物生长于石头表面形成一层固定生物膜。废水经过生物膜时其中的有机物与微生物接触，从而被去除。,滴滤池设计中最重要的是将部分出水返回滤池，称为回流。回流水与进水的比例称为回流率。,回流的主要作用：,（1）使废水再次接触微生物，以提高有机污染物的去除率；,（2）减少24小时内的负荷变化；,（3）提高进水DO；,（4）改善滤床表面分布；,（5）防止在夜间废水流入量很低时滤床上生物膜干化或微生物死亡。,回流也应用于塑料介质滴滤池中，以提供微生物生存所需的润湿率。,活性污泥法,微生物与有机物完全混合，微生物利用有机物为食物而生长。当微生物随空气的搅拌而混合在一起时，单个微生物就会凝聚而形成微生物团块（生物絮体），称为,活性污泥,。,将废水与活性污泥（微生物）混合搅拌并曝气，使废水中的有机污染物分解，生物固体随后从已处理废水中分离，并可根据需要将部分污泥,回流,到,曝气池,中。,该工艺中污泥产生量通常多于需要量，多余的污泥排放到污泥处理系统中被进一步处置或利用。,氧化塘法,生物转盘法,消毒,二级处理厂的最后处理步骤是向水中添加消毒剂。氯气通过自动添加系统注入水中，随后在槽体中保持约15min，使氯气与病原菌反应。,氯气消毒的结果可能弊大于利，原因有三个：,（1）使用氯气或臭氧可能会产生有机致癌物；,（2）消毒对杀死扑食动物比消灭致病性的胞囊及病毒更为有效；,（3）氯气对鱼类有毒性作用。,5 废水三级处理,虽然二级处理加上消毒工艺可去除85%以上的BOD,5,和悬浮固体以及几乎所有的致病菌,但对氮、磷、溶解性COD、重金属等污染物的去除较少。在许多情况下，这些污染物可能更令人关心。,（1）过滤,利用与水处理厂相似的过滤工艺可以去除残留的悬浮固体，包括未被沉淀的微生物。去除微生物也可降低残留的BOD,5,。应用于水处理厂的传统砂滤池通常会很快地被堵塞，因此经常需要反冲洗。,（2）活性炭吸附,一些生物无法分解的溶解性有机物质仍存在于经过二级处理、混凝、沉淀及过滤等工艺处理后的出水中，这些物质称为难分解有机物(refractory organics)。出水中的难分解有机物表现为溶解性COD，二级处理出水的COD值经常在3060mgL,去除难分解有机物实际可行的方法是用活性炭(activated carbon)吸附。,再生：,当活性炭达到吸附饱和后，可以在高温炉中加热，将吸附的有机物驱出。,炉内的,氧量,必须很低以避免碳燃烧。,驱出的有机物需通过,燃烧,以避免造成空气污染。,小处理厂因成本原因而无法设置现场再生炉，用过的活性炭可运送到再生中心处理。,（3）除磷,所有的聚磷酸盐(分子间脱水的磷酸盐)在水中逐渐水解形成正磷酸盐(PO,4,3-,)。在废水中以含一个氢的磷酸盐(HPO,4,2-,)为主。,三种沉淀法：,利用氯化铁：,利用明矾：,利用石灰：,注意：,使用氯化铁和明