环境学概论--第三章水体环境.ppt

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,天然水在环境中的循环,天然水的水质,水体的概念和水体污染,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,5,3.,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,(water resources),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,6,4.,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,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,11,工业废水,(Industrial wastewater),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）,12,生活污水,(Domestic wastewater),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,7.2-7.8,C,污染效应：,引起水体富营养化,农业退水,(Agricultural wastewater),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,13,2.,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,（,thermal pollution,）,。,（,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:Chemical Oxygen Demand),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。,17,COD,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,COD,Mn,，而仅将酸性重铬酸钾法测得的值称为,COD,，通常记为,COD,Cr,B,生化需氧量,(BOD,:,Biochemical Oxygen Demand,),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,BOD,5,，,BOD,5,约等于,BOD,20,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,CO,2,，,H,2,O,和,NH,3,等；,硝化阶段：,NH,3,进一步被转化为,HNO,2,和,HNO,3,18,C,总有机碳量,(TOC:,Total Organic Carbon,),：,D,总需氧量,(TOD:,Total Oxygen Demand,),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,、,、,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（,Water Quality Model,）,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：简单的一级衰变模型，如,BOD,的衰变；,衰变和恢复相结合的水质模型，如,DO,在水体中,的平衡过程,SP,模型：,描述一维稳态河流中的,BODDO,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。,23,SP,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；,K,d,河水中,BOD,衰减（耗氧）速度常数；,K,a,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：,L,0,河流起始点的,BOD,值；,D,0,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,SP,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（,D,C,）：,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,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。,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,CO,2,、,H,2,O,及,NO,3,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,CO,2,、,H,2,O,外，还有,NH,3,、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,29,30,3.,耗氧有机物对水体的危害,导致水体缺氧，局部水域水质恶化；,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,”,32,33,2.,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,),N,2,NO3,-,NO2,-,N,2,O,NH,3,(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,34,4.,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,湖水营养物质浓度,(,沃伦威德尔总氮、总磷负荷量标准,),藻类所含叶绿素,的量,湖水透明度,溶解氧,N,，,P,富集，藻类繁生，,P,R,状态的水体将依次出现：,藻类占据的空间越来越大，水体中耗氧量大大增加；,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，在底层建立起,RP,的腐化污染状态，,并逐步向表层发展。,藻类种类逐渐减少，并由以硅藻和绿藻为主转为以蓝藻为,主，蓝藻中不少种类有胶质膜，且有毒性。,35,6.,水体富营养化的危害,7.,水体富营养化的控制,(1),控制磷的流入量；,(1),使水质有毒性,(2),使鱼类死亡,(,原因有三,),(2),石灰处理；,(3),疏浚底泥，去除水草和藻类；,(4),引入低营养水稀释或人工曝气；,A,藻类大量繁殖，占据大量空间，鱼类生活空间缩小；,B,蓝藻有胶质膜，且有些蓝藻有毒，影响鱼类生存；,C,水体严重缺氧，鱼类呼吸障碍。,36,三、重金属在水体中的迁移转化,1.,重金属元素在水环境中的污染特征,(1),重金属的定义：,(2),重金属的污染特征：,一般认为比重大于,4,或,5,的金属为重金属,分布广泛，虽含量低，污染危害明显；,是有色金属，被广泛使用，污染源多；,大多是过渡元素，价态变化较多，毒性效应明显；,在水环境中的迁移转化，扩大了污染范围；,对生物体和人体的毒性效应显著。,37,对生物体和人体的毒性效应显著,A,毒性大；,C,生物不能降解，却可在生物体内转化为,毒性更强,的,有机化合物；,B,生物的食物链,富集,可使重金属达到相当高的浓度；,D,通过多种途径进入人体，在某些器官中不断蓄积造成,金属中毒，甚至死亡。,(,图重金属在人体内的富集器官,),38,2.,重金属在水体中的迁移转化,(1),沉淀,溶解作用,A,溶解度大者迁移能力大，有利于水体的自净；,B,重金属沉淀物通常大量沉积于排污口附近的底泥里，,易形成二次污染；,C,沉淀作用限制了重金属的扩散速度和范围,(2),氧化,-,还原作用,可使重金属在不同条件的水体中以不同的价态存,在，而价态不同，其活性与毒性也不同。,39,(4),吸附作用,胶体的吸附作用可使重金属的存在形态、环境行为发生明显变化；是重金属从液相转入固相的最主要途径。,(5),甲基化作用,无机汞的甲基化使其毒性更强，并可通过食物链在人体内积累。,重金属络合物或螯合物的生成，可使重金属在水中的溶解度增大，迁移能力增强；但却促使沉积物中重金属的重新释放，形成二次污染。,(3),络合作用,40,补充：水体污染对人体健康的影响,1.,引起急性和慢性中毒,2,致癌作用,3,发生以水为媒介的传染病,4,间接影响,41,第四节水环境污染控制及管理,一、水体污染的防治和管理,实行“防、治、管”三结合,1.,“,防,”,，污染源控制，减少污染物的排放,(1),调整工业布局，推行清洁生产,清洁生产：,是一种新的创造性的思想，该思想将整体预,防的环境战略持续应用于,生产过程,、,产品,和,服务,中，,以增加生态效率和减少人类及环境的风险。,(2),提高民众节水意识，降低用水量，推广节水用具，以,减少生活污水的排放。,(3),有效控制“面污染源”，发展节水型农业，合理利用农药,和化肥，以减少农田径流中含氮、磷和农药的量。,42,2,“,治,”,，废水无害化,(1),工业废水就地处理,(2),促进工业废水与城市生活污水的集中处理,(3),集中处理与分散处理相结合的原则,(4),大力开发低耗高效废水处理与回用技术，将城市,水污染防治与废水资源化相结合,43,3,“,管,”,，管理控制对策,(1),实行污染物排放总量控制制度及排污许可证制度,(2),进一步完善废水排放标准和相关的水污染控制法规和,条例，加大执法力度，严格限制废水超标排放。,(3),健全环境监测网络，在不同层次进行水质监测，并,增强事故排放的预测与预防能力。,总量控制制度：,是指国家对污染物的排放实施总量控制,的法律制度。,排污许可证制度：,是指凡是需要向环境排放各种污染物,的单位或个人，都必须事先向环境保护部门办理申,领排污许可证手续，经环境保护部门批准后获得排,污许可证后方能向环境排放污染物的制度。,44,二,.,废水处理方法和技术,1.,废水处理的基本方法,(,表,),(1),物理法：,重力分离,(,沉淀；浮选,),法；离心分离法等,(2),化学法：,絮凝法；离子交换和膜分离法等。,絮凝法：是通过加凝聚剂破坏胶体的稳定性，使胶体粒子,发生凝聚，产生絮凝物，并发生吸附作用，将废水中,污染物吸附在一起，然后经沉降（或上浮）而与水分,离的方法。,离子交换法：用离子交换剂的离子交换作用来置换污水中,的离子化物质。,膜分离法：利用隔膜使溶剂同溶质或微粒分离的方法。,45,活性污泥法,(Activated Sludge Process),：是利用悬浮生长的微生,物絮体处理有机废水的一类好氧生物处理方法。,利用絮凝体为生化反应的主体物；,利用曝气设备向生化反应系统分散空气或氧气，为微生物,提供氧源；,对体系进行混合搅拌以增加接触和加速生化反应传质过程；,采用沉淀法去除有机物，降低出水中的微生物的固体含量；,通过回流使沉淀池浓缩的微生物絮体返回到反应系统；,为保证系统内生物细胞平均停留的时间的稳定，经常排出一,部分生物固体。,活性污泥法的基本特征：,(3),生物法：,好氧生物处理,(,活性污泥法和生物膜法,),；,厌氧生物处理,46,生物膜法,(Biofilm),：是利用微生物在固体表面的附着,生长对废水进行生物处理的技术。,47,2.,城市污水处理技术,主要任务是去除城市废水中含有的悬浮物和溶解性有机物,48,(1),一级处理,:,常由筛滤，重力沉淀和浮选等方法组成。主要去除废水中大部分粒径在,100m,以上的大颗粒物质，经过一级处理的废水，一般达不到排放标准。,(2),二级处理,:,常用生物法和絮凝法。主要去除废水中大部分有机物，经过二级处理的废水，一般可以达到农灌标准和废水排放标准。,(3),三级处理,:,综合使用物理，化学生物处理法。主要是去除废水中的营养物质，使废水能够重新回用。,49,复习与思考题：,1.,区别概念：水体与水质；,COD,与高锰酸盐指数；,TOD,和,TOC,2.,简述水体污染的主要人为源及其特点；,3.,水体污染的主要污染物有哪几类，其代表物质有哪些？,4.,耗氧有机物生物降解的共同规律；耗氧有机物进入水体环境后,可能发生的水质作用有那些。,5.,什么是水体富营养化；植物营养物,N,、,P,在水体中如何转化；,如何通过有效的措施预防水体富营养化,6.,根据重金属在水体中迁移转化规律，联系实际找出减轻重金属,污染的有效措施。,7.,简述城市污水的三级处理系统,(,各级处理的目的及处理后的,水质状况,),8.,如何合理利用和保护水资源。,50,补充：海洋油污染,(,图,),一、来源,海上运输,固定设施,(,油井、炼油厂、油轮装卸,),自然来源,生化合成,其它来源,1.,具体包括：,51,2.,通常包括：海源和陆源,1999,年海上油（气）田分布及排污状况,海区,油,(,气,),田（个）,含油污水排放（万吨）,入海油量,(,吨,),渤海,8,204.4,42.3,东海,1,8.8,3.8,南海,16,2961.3,831.0,合计,25,3174.5,877.1,52,二、石油在水体中的迁移转化,1.,扩展过程,(spreading),一方面扩大了污染范围，另一方面加强了油类的降解过程。,2.,挥发过程,(volatilization),是水体中油类污染物质自然消失的途径之一，可去除海洋表面约,50,的烃类。,3.,溶解过程,(dissolution),4.,乳化过程,(emulsification),虽可减少水体表面的油膜，但却加重了水体污染。,可以进一步促进生物对油类的降解作用,53,5.,光化学氧化过程,(photochemistry oxygenation),有利于消除油膜，减少海洋水面油污染。,6.,微生物降解过程,(microorganism,degradation,),7.,生物吸收过程,(biology absorbing),8.,沉积过程,(aggradations),可将石油类降解为各种有机酸，有利于减轻海洋油污染。但降解过程及结果受油的种类、微生物群落、环境条件的控制。,有利于减轻海洋油污染，但油类物质会经食物链进入海产品中，影响深远。,可减轻水中的石油污染，沉入水底的油类物质，可能被进一步降解，也可能在水流和波浪作用下重新悬浮于水面，造成二次污染。,54,三、海洋油污染的危害,1.,使大面积海域缺氧，对生物资源造成严重危害。,2.,使某些致癌物质在鱼、贝类体内蓄积，并通过,食物链危害人类。,3.,溢油的漂移扩散，会荒废海滩和海滨旅游区，,造成极大的社会危害,。,55,四、海洋油污染的控制处理,1.,自然方式处理,(,自净作用,),2.,人工方式处理,B,扩散抑制剂,(,集油剂,),油的包围,A,油障或拦油索,(floating boom),图,油的回收,A,油吸附材料 如：吸油棉；吸油泡沫,B,油回收船,C,油吸引装置,(slick licker),图,1,，,图,2,D,撇取,油的化学处理,(,图,),油的焚烧,(,图,),其他56,57,表,水体中污染物的种类,分类,特性,主要标志物,主要水质指标,物理类,颜色、浊度、,温度,、悬浮固体,色，混浊度，水温，悬浮物质,(SS),化,学,类,无,机,物,无毒,酸、碱及一般的无机盐类,植物营养物,(N,，,P,等,),PH,值，硫酸盐，氯化物，总,N,，总,P,等,有毒,重金属；氰化物；氟化物,总砷，总汞，总铅；氰化物；氟化物等,有,机,物,无毒,耗氧有机物,(,碳水化合物、蛋白质、脂肪、木质素等,),BOD,、,COD,、,TOC,、,TOD,等,有毒,酚类化合物；有机农药；多环芳烃（,PAH,）；多氯联苯（,PCB,）；洗涤剂,挥发酚；苯并芘；石油类；,生物类,细菌、病毒、原生动物、寄生蠕虫等,细菌总数；,总大肠菌群等,放射性,238,U,、,226,Ra,、,90,Sr,、,137,Cs,等,58,