教案水环境化学

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,*,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,*,第三章 水环境化学,1,本节内容要点:,水资源和利用,地球上的水分布,水循环,天然水的组成等。,2,我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4。水资源不足，水体污染和水环境生态恶化已成为经济、社会发展的制约因素。,水是人类宝贵的自然资源，水是,万物之本,3,第,31,个世界环境日主题是水,为了让人们关注日益严重的水危机，,2003,年,6,月,5,日第,31,个世界环境日，联合国环境规划署将宣传活动主题确定为“水,20,亿人生命之所系”。,4,珍惜生命从饮水开始净化水质 健康一生,水是生命之源-约占人体,70%,。,根据最近卫生组织公布的资料表明，目前，因为水污染：全世界每年有,7000,万人患胆结石、肾结石！全世界每个有,3500,万人患心血管病！全世界每年有,3000,万人死于肝癌、胃癌、,尿中毒！ 全世界每年有,5000,万人儿童死亡！,5,荷兰海牙开幕的第二届世界水资源论坛部长级会议-到,2025,年，不管那一个国家，当你拧开水龙头时，里面流出的将是符合卫生标准的可供直接饮用水。,如果人们继续无节制的浪费水,这一地球上最为宝贵的自然资源，这个人人饮用健康水的计划将很难成为现实。,6,目前，实际安全饮用水目标的前景并不乐观:,21,世界水资源报告,显示-,2025,年，全世界人口将达,80,亿-估计在今后,20,年里，人类用水将增长,40%,左右-,20%,将得不到满足-浪费水资源-缺水人口的比例将提高到,50%,。,7,专家指出，长期以来，地中海沿岸、非洲北部和撒哈拉沙漠以南地区、中东以及印度和中国的部分地区都存在着相当严重的水资源缺乏问题。中东地区，由于水资源奇缺，甚至由此导致国家间争端。,8,根据调查，利比亚和印度目前的水资源开采量分别是其合理利用量的四倍和两倍。,泰国首都曼谷由于长期超量开采地下水，致使城市地面出现下沉的危险。,9,目前，全世界有,14,亿人生活在缺乏洁净饮用水的地区，全球每年有,700,万人因缺水或引用不卫生水而致病死亡。生活在第三世界国家的居民所患的疾病中，大约,80%,直接或间接与引用水不合格水有关。,不洁之水,14,亿人喝,10,全世界因水污染而引发的疾病有,15,种，包括：腹泻、蛔虫病、丝虫病，血吸虫病、霍乱等，在水传染病中，最常见是腹泻，全世界每年患腹泻的人数在,20,亿病死人数为,400,万（多数为婴儿），血吸虫病正在全球蔓延其年患病和病死人数为,6,亿和,100,万。通过幼虫孳生于积水中的蚊子而传播的疟疾，其年发病和死亡人数在,5,亿和,270,万，,90,的疟疾发病于非洲。,为了唤起全人类对水资源的关心，有效保护、节约和合理利用水资源，,从,1993,年起，联合国把每年的,3,月,22,日定为“世界水日”。,11,第一节 天然水的基本特征,一、水资源及其利用,地球-,“,水的行星,”,之称-地球表面约有,70,以上被水所覆盖-水的总量约,13.86,亿,km3（,分布在海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川、雪地、以及大气、生物体、土壤和地层,）,-淡水为,0.35,亿,km3,，占总水量的,2.35%,（海水占,96.5%）,-可利用的淡水只占水总量的,0.3,12,由于开发困难或技术、经济的限制，到目前为止，海水、深层地下淡水、冰雪固态淡水、盐湖水等很少被直接利用。,许多国家和地区出现了水资源严重短缺的局面。水的短缺和污染不仅影响了生物生存。,当前主要的缺水类型有：资源型缺水、工程型缺水和水质型缺水。,13,水量/,km,3,滞留时间,海水 1.321.3710,9,2500年,大气水 1050015500 8天,冰雪水 16.548.0210,6,山地冰川1600年,极地冰帽9700年,湖泊水 30000177000 17年,地下水 733010,6,1400年,内海 85400125000,土壤含水量 16500150000 1年,生物水 60050000 12小时,河水 10202120 16天,14,总之：,地球表面的7071%覆盖着水，淡水仅占其中的2.32.7%。人们可以利用的淡水量还不足世界总贮量的0.3%。我国占地面积50%的北方只有10%的地表径流和30%的地下径流。,15,水资源按年径流总量,巴西,前苏联,加拿大,美国,印尼,中国,我国-世界第六位,但中国年人均用水量仅为世界人均用水量的,1/3,，为美国的,1/5,，俄罗斯，印尼的,1/7,，加拿大的,1/50,。联合国据此已把中国列为,13,个缺水的国家之一。,16,“水球”缺水？,17,世界总水量,100%,海洋水,96.53%,陆地咸水,0.94%,陆地淡水,2.53%,世界淡水储量,100%,冰川,68.69%,地下淡水,30.06%,其他淡水,1.25%,其他淡水（占世界淡水总储量,%,）,永冻土底冰,0.86%,湖泊淡水,0.26%,生物水,0.003%,河水,0.006%,大气水,0.04%,沼泽水,0.03%,土壤水,0.05%,地球上的水体组成,河水仅占水体总量的,0. 0001518%,18,水等于水资源吗？,19,水资源,一、通常所说的水资源,二、我国水资源基本国情,数量特点,空间分布,时间分配,三、合理利用和保护水资源,1,、节约使用水资源、防治水污染,3,、兴修水库调节水资源的季节分配不均、年际变化大,南多北少、东多西少,北方、西北干旱地区严重缺水,黄淮海流域水土资源配合不协调,总量大、人均少,夏秋多、冬春少；年际变化大,2,、兴建跨流域调水工程，调节水资源的地区分布不均,20,水资源时间分配不均匀,我国：年际变化大，年内雨季又比较集中，水旱灾害频繁发生-旱灾甚于水灾。干旱已成为我国农业最主要的自然灾害。,据,1950,年,1990,年资料统计，我国年平均干旱受灾面积,2085,万,hm,2,，洪涝受灾面积,842. 5,万,hm,2,。即使在,1991,年，江淮地区发生了特大洪涝灾害，这一年全国旱灾面积仍大于水灾面积。,21,1887,年至,1890,连续三年干旱，遍及河南、山西、陕西、甘肃、山东、安徽等,18,个省。这次干旱是我国近代各次自然灾害中最严重的一次灾害。,22,世界七个水资源总量丰富国家比较,468700,巴 西,俄罗斯,加拿大,美 国,印度尼西亚,中 国,印 度,世 界,0,30000,60000,120000,90000,人均径流量（立方米,/,人）,径流总量（亿立方米）,23,24,严重缺水区,缺水区,供需基本平衡或有余区,中国水资源的供需现状,25,耕地面积,径流量,南北方水资源比较,26,27,28,29,30,广州,上海,北京,哈尔滨,降水量的月份分配,降水量的年际变化,31,跨流域调水路线示意图,引黄济青,中线方案,东线方案,西线方案,西线方案,引滦入唐,引滦入津,32,33,著名的都江堰灌区面积为,75,万公顷,34,南水北调东线枢纽工程,江都抽水站,35,“引滦入津”工程水源地,潘家口水库,36,水,生命之源,请您珍惜每一滴水,节水从我做起，从今日开始,37,让我们共同创造一个美好的家园！,38,天然水总称为水体,水体-指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等贮水体的总称。,水体的组成-不仅包括水，而且也包括其中的悬浮物质、胶体物质、溶解物质、底泥和水生生物，所以水体是个完整的生态系统,二、天然水的基本特征,39,天然水体中除水以外，还有其他各种物质；根据它们在水中存在的状态不同，可将这些物质分为三类，即,悬浮物质、胶体物质、溶解物质,本节只讨论天然水体中溶解物质的种类及其存在形态。,40,41,溶解在天然水中的物质大致可分为：主要离子、溶解气体、营养物质、微量元素和有机物质。,溶解物质在水中的含量，除与物质和性质有关外，还与气候条件、水文特征、岩石与土壤的组成等因素有关。分别是海水或河水中部分元素的含量及理论上可能存在的形态。,42,(1),主要离子阳离子：,Ca,2+,、,Mg,2,、,Na,+,、,K,+,等,阴离子：,Cl,-,、,SO,4,2-,、,HCO,3,-,、,CO,3,2-,等。,这八种离子可占水中溶解固体总量的,95%,99%,以上。,海水中又以,Na,+,与,Cl,-,离子含量占优势，河水中以,Ca2+,、,HCO3-,离子含量占优势。,陆地水中下列成分的含量顺序一般为,HCO,3,-,SO,4,2-,Cl,-,，,Ca,2,Na,+,Mg,2+,，,海水中相应的含量顺序为,Cl-,SO,4,2-,HCO,3,-,，,Na,+,Mg,2,Ca,2,。地下水受局部环境地质条件限制，其优势离子变化较大。,43,(2),微量元素微量元素是指含量在,ng/mL,级的元素。天然水体中微量元素的种类很多，如,As,、,Cd,、,Hg,、,Ni,、,Pb,、,Sb,、,Sn,、,Zn,、,Mn,、,Cu,等。,44,(3),营养物质营养物质是,指与生物生长有关的元素,，包括,氮、磷、硅,等非金属元素以及某些微量元素,(,如,Mn,、,Fe,、,Cu,等,),。这些元素的含量一般在,mg/mL,ng/mL,之间，它们存在的形态与水体酸碱性、氧化还原性有关。,45,氮、磷-水生生物生长和繁殖-必需营养元素-含量过高，会发生,“,富营养化,”,现象。,铁-常见矿物元素；地下水：铁-,Fe(),形态存在，含量可达每升几十毫克；地表水：以,Fe(),价态存在。,硅主要来自硅酸盐和铝硅酸盐的水解。,46,(4),有机物质分为非腐殖质和腐殖质。,非腐殖质：包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素及其低分子量有机物等。,腐殖质：水体中大部分有机物是呈褐色或黑色无定形腐殖质，分子量-几百至几万。,根据其在酸、碱中溶解情况，可将腐殖质分为,胡敏素,(,腐黑物,),、腐殖酸,(HA),，后者又可分为富里酸,(,黄腐酸、,FA),和胡敏酸,(,腐黑物,),等，如图示 。,47,48,腐殖质含有：大量苯环外，还,-OH,、,-COOH,、,-C=O,等活性基团，-弱酸性、离子交换性、配位化合及氧化还原等化学活性。,络合金属离子-还能与有机物相互作用。,49,(5),溶解气体氧气、二氧化碳、硫化氢、氮气和甲烷等。,来自：气体溶解、水生动植物的活动、化学反应等、海底火山爆发等。,50,51,水体的组成：,(1)水主要物质。,(2)悬浮物质细菌、病菌、藻类及原生物，泥沙、粘土等颗粒物。,(3)胶体物质硅、铝、铁的水合氧化物胶体物质(如：,Fe(OH),2,+,)，,粘土矿物胶体物质；腐殖质等有机高分子化合物。,52,(4)溶解物质,a.,氧、二氧化碳、硫化氢、氮等溶解气体；,b.,钙、镁、钾和钠等离子的卤化物、碳酸盐、硫酸盐和硝酸盐类,。,c.,一些可溶性的有机物质。,53,三、人类用水及水资源危机,(1)人类的生活用水,我国城市每人每天生活用水量：40350,L,之间，美国芝加哥、华盛顿市：700800,L。,(2),工业用水。如：清洗、溶解、冷却、加热、加工、传递等。,生产1吨电炉钢，需水1825,m,3,生产1吨纸需水130165,m,3,生产1吨氮肥，需水600,m,3,(3)农业生产用水,种一亩蔬菜年耗水量2535,m,3,，种一亩小麦需4050,m,3,，全国有45%的耕地需要经常性的灌溉。,54,水资源危机产生原因 ：,(1) 分布不均匀性及气候变化的影响；,(2)人口的急剧增长和生产力的提高；,(3)水体污染。,55,水体污染触目惊心,56,57,第二节 水中污染物的分布和存在形态,水体污染与自净,水体污染,(water body pollution),：主要是由于人类活动排放的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为,水体污染,。,58,水体自净,(self-purification of water body),广义的是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的状态；狭义的是指水体中微生物氧化分解有机污染物而使水质净化的作用。,59,水体自净作用可分为三类：,(1),物理自净。污染物进入水体后，不溶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。,60,(2),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。如在一定条件下水中难溶性硫化物可以氧化为易溶性的硫酸盐。,61,(3),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、直至消失。例如，悬浮和溶解在水体中的有机污染物，在需氧微生物作用下，氧化分解为简单、稳定的无机物，如二氧化碳、水、硝酸盐和磷酸盐等，使水体得到净化。,一般说来，物理和生物化学过程在水体自净中占主要地位,。对有机物来说，生物自净作用是最重要的。,62,一、水体污染物的来源,1. 工业生产废水,它有以下几个特点：,(1)排放量大，污染范围广，排放方式复杂；,(2)污染物种类繁多，浓度波动幅度很大；,(3)污染物质有毒性、腐蚀性、,pH,值变化幅度大，悬浮物和富营养物多；,(4)污染物排放后迁移变化规律差异大；,(5)恢复比较困难。,63,2. 生活污水,生活污水有如下特点：,(1)含氮、磷、硫高；,(2)含有纤维素、淀粉、糖类、脂肪、蛋白质、尿素等，在厌氧性细菌作用下易产生恶臭物质；,(3)含有多种微生物，如细菌、病原菌，易使人传染上各种各样疾病；,(4)由于洗涤剂的大量使用，使它在污水中含量增大，对人体也有一定危害。,3. 农业生产污水,64,上个世纪60年代，美国学者曾把水体中的污染物划分为八类,：(1),耗氧污染物,（一些能较快被微生物降解成,CO,2,和,H,2,O,的有机物）；(2),致病污染物,（一些可使人类、动物患病原微生物与细菌）；(3),合成有机物,；(4),植物营养物,；(5),无机物及矿物质,；(6)由土壤、岩石等冲刷下来的,沉淀物,；(7),放射性物质,；(8),热污染,。,总的可以分为,两大类,：,化学污染物,和,生物性污染物,。,二、水体中的主要污染物、存在的形态及对人体的危害,65,化学污染物,有毒污染物主要有以下几类：,(1)重金属及其化合物,主要有,汞、镉、铬、铅、,钒、钴、铜、镍、锰等重金属。这些重金属都可以通过食物链富集，直接使人体中毒。,汞：水体中汞主要以,Hg,2+,、Hg(OH),2,、CH,3,Hg,+,、CH,3,Hg(OH)、CH,3,HgCl、C,6,H,5,Hg,+,形态存在。,镉：水体中镉主要以,Cd,2+,状态存在。,铅：水体中铅主要以,Pb,2+,状态存在。,66,重金属：如汞、镉、铬、铅、钒、钴、钡等，其中汞、镉、铅危害较大；砷、硒和铍的毒性也较大。重金属在自然界中一般不易消失，它们能通过食物链而被富集；这类物质除直接作用于人体引起疾病外，某些金属还可能促进慢性病的发展。,(2),无机阴离子，主要是,NO,2,-,、,F,-,、,CN,-,离子。,NO,2,-,是致癌物质。剧毒物质氰化物主要来自工业废水排放。,(3),酸、碱、盐无机污染物矿化、土壤酸化,67,(2)有机污染物,酚类和甲酚类,酚类化合物的毒性以苯酚为最大。,芳烃及其衍生物,氰及腈化物,有机氧化物,68,有机氯化物，如多氯联苯（,PCB）,极难溶于水，不易分解，但,易溶于有机溶剂和脂肪,农药，主要为有机氯农药、有机磷农药，还有有机汞农药、有机砷农药、氨基甲酸酯及苯酰胺类农药。,69,(3)油类污染物,每升石油扩展面积可达1001000,m,2,。,(4),无机污染物,无机污染物主要有酸性污染物、碱性污染物及各种无机盐。,(5)氮、磷、钾等营养物质,产生水体“富营养化”现象，导致水生生物（藻类）的大量繁殖和旺盛生长。,(6)放射性物质,主要有锶-90，铯-137等。,70,水中主要的天然放射性元素有,40K,、,238U,、,286Ra,、,210Po,、,14C,、氚等。目前，在世界任何海区几乎都能测出,90Sr,、,137Cs,。,71,2. 生物性污染物,主要是病原微生物,来自生活污水和医院废水，制革、食品加工等工业废水及牲畜污水。,常含有各种病原体，如病毒、病菌、寄生虫。如血吸虫病、霍乱、伤寒、痢疾、病毒性肝炎等。历史上流行的瘟疫，有的就是水媒型传染病。如,1848,年和,1854,年英国两次霍乱流行，死亡万余人；,1892,年德国汉堡霍乱流行，死亡,750,余人，均是水污染引起的。,72,受病原体往往与其他细菌和大肠杆菌共存，所以通常规定用细菌总数和大肠杆菌指数及菌值数为病原体污染的,直接指标,。,特点是：,(1),数量大；,(2),分布广；,(3),存活时间较长；,(4),繁殖速度快；,(5),易产生抗药性，很难绝灭；,73, 热污染热污染是一种能量污染，它是工矿企业向水体排放高温废水造成的。,-使水温升高，水中化学反应、生化反应的速度随之加快,74,我国水中优先控制污染物黑名单,75,三、一些常用的水质指标概念,悬浮固体(,SS),水中呈固体状的不溶性物质。,生物化学需氧量(,BOD),指污水中有机污染物径微生物分解所需氧的量(,mg/L)。,化学需氧量(,COD),表示在一定条件下用化学氧化剂（通常用,KMnO,4,或,KCrO,4,）,氧化水中有机污染物时所需氧的量。,总有机碳(,TOC),和总需氧量(,TOD)。,76,第三节 水体中无机污染物的迁移转化,一、重金属污染的特点,(1)微量重金属都可产生毒性效应；,如汞、镉产生毒性的浓度范围是0.0010.01,mg/L,(2),微生物-不能降解重金属，相反会与之转化为金属有机化合物，产生更大的毒性。,(3)生物体对重金属有,富集,作用。,(4)重金属可通过食物、饮水、呼吸等多种途径进入人体，-积累性危害影响往往需要一二十年才显示出来。,77,二、水体中重金属的迁移转化,迁移可分为：,机械迁移,以溶解态或颗粒态的形式随水流而迁移。,物理化学迁移,以简单离子、络合物或可溶性分子在水体中通过一系列物理化学作用所实行的迁移和转化过程。,生物迁移,通过生物的新陈代谢、生长、死亡等过程所实现的迁移。,78,水中存在大量的悬浮颗粒物，如无机或有机胶体,无机颗粒物：,（1）矿物微粒和粘土矿物，其它成分为铝硅酸盐（如膨润土、高岭土、硅藻土）,（2）金属水合氧化物，如铁、铝、锰、硅等水合氧化物,有机颗粒物：,天然和人工合成的有机高分子,腐殖质,蛋白质,湖泊中的藻类，污水中的细菌、病毒，废水排出的表面活性剂、油滴等,79,三、水体中胶体物质对重金属的吸附作用,吸附作用大体可分为：,表面吸附,离子交换吸附,专属吸附,80,胶体微粒作为微量污染物的载体，它们的絮凝沉降、扩散迁移等过程决定着污染物的去向和归宿。,胶体的吸附作用是使重金属从水中转入固相的主要途径。,81,粘土矿物对重金属的吸附,粘土矿物的主要成分是硅铝酸盐，表面存在：,主要通过两种机理进行：,(1)离子交换吸附,+,Me,2+, +M,+,(2),重金属离子先水解，然后与粘土表面的-,OH,反应，形成羟基配合物而被吸附(表面吸附,),Me,2+,+,nH,2,OMe(OH),n,(2-n)+,+nH,+,+ Me(OH),n,(2-n)+,A Me(OH),n+1,(2-n)+,82,83,2. 水合金属氧化物对重金属离子的吸附,重金属离子在水合金属氧化物表面发生配位,化合作用,（专属吸附）,A(OH),n,+ Me,n+,+,nH,+,3. 腐殖质对重金属离子的吸附,表面含有-,COOH、-OH、-C=O,及-,NH,2,，,主要通过螯合作用、离子交换作用来实现对重金属离子的吸附。,通常,Mn,2+,与,腐殖质以离子交换作用为主,Cu,2,+,、Ni,2+,与,腐殖质以螯合作用为主,Zn,2+,、Co,2+,离子交换、螯合作用同时发生,84,腐殖质,(Hum),微粒对重金属离子的吸附-螯合和离子交换。,腐殖质分子中含有羧基,(-COOH),、羟基,(-OH),、羰基,(C=O),及氨基,(NH,2,),。-可质子化，-与重金属起交换吸附作用。,腐殖质的离子交换机理可用下式表示：,85,86,同样，腐殖质也可以与重金属离子起螯合作用：,87,一般认为，当重金属离子浓度较高时，以交换吸附作用为主。,88,可用,NH4Ac,或,EDTA,溶液解吸吸附在腐殖质上的金属离子来定量-重金属与腐殖质离子交换吸附或螯合作用的相对大小结果：,解吸的重金属数量，可以表示腐殖酸离子交换吸附的强弱，解吸数量大，离子交换吸附强,NH4Ac,能与腐殖酸,-,金属体系进行下列反应：,89,离子交换吸附、配位交换、氢键等作用吸附有机物，,90,4. 影响吸附作用的因素,溶液的,pH,值,颗粒物的粒度和浓度,温度变化、几种离子共存时的竞争作用,91,5. 水体中胶体微粒的聚沉,胶体微粒的聚沉碰撞结合发生沉淀现象。,胶体微粒带同号电荷及微粒周围有水化膜稳定。,(1)当加入带相反电荷的电解质时，使,电位绝对值下降；,(2) 去水化膜。,影响因素：电解质的浓度、微粒的浓度、水体温度、,pH,值及流动状况、带相反电荷微粒间相互作用等。,92,6.沉积物中重金属的释放,释放的主要原因：,盐浓度升高,如在0.5,mol/LCa,2+,离子的作用下，悬浮颗粒物中的,Pb、Cu、Zn,可以解吸出来，其顺序为：,ZnCuPb,氧化还原条件的变化,降低,pH,值,增加水中配合剂的含量,93,思考题（8）,天然水的组成如何？,引起水资源危机的原因主要有哪几方面？,重金属污染的特点是什么？,水体中重金属的迁移有哪几种方式？,水体中胶体物质对重金属的吸附作用有哪几类？,沉积物中重金属释放的主要原因是什么？,94,