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第三章 水 体 环 境

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第三章 水 体 环 境. 主要内容 : 1, 水体环境概述 ; 2, 污染物在水体中的扩散 ; 3, 污染物在水体中的转换 ; 4, 水污染控制及管理. 教学要求 : 1. 掌握天然水的组成和性质 ; 2. 掌握水体污染及污染物种类 , 了解污染物在水体中的迁移转换特征及模型,了解水质模型及在水体环境中的应用; 3. 掌握重金属污染物的水体环境行为和基本原理; 4 . 掌握水污染的控制措施. 第一节 水体环境概述. 一,水资源及水循环概况. 海水:97 . 4%;

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第三章水 体 环境

主要内容:

1,水体环境概述;

2,污染物在水体中的扩散;

3,污染物在水体中的转换;

4,水污染控制及管理

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教学要求:

1. 掌握天然水的组成和性质;

2. 掌握水体污染及污染物种类,了解污染物在水体中的迁移转换特征及模型,了解水质模型及在水体环境中的应用;

3. 掌握重金属污染物的水体环境行为和基本原理;

4 . 掌握水污染的控制措施

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第一节 水体环境概述

一,水资源及水循环概况

海水:97.4%;

  淡水:2.6%(冰川和冰帽77.2%, 地下和土壤水22.4%,江河,湖泊0.4%)

淡水资源:约23%的淡水供给人类使用.直接利用的0.4%.

  • 可见,可供人类直接利用的淡水资源是十分有限的。
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中国水资源状况
  • 水资源总量:2.8万亿m3,居世界第六位
  • 人均占有量2300m3,是世界人均水平的1/4,列153个国家的121位
  • 世界上13个贫水国家之一
  • 全国600多个城市中,300多个缺水,严重缺水108个
  • 北京年人均水资源量<400m3,居国内严重缺水城市之首,只有全国平均水平的1/7,世界平均水平的1/25
  • 农业缺水量为农业用水量的30.6%
  • 工业缺水量为工业用水量的44%
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2,天然水在环境中的循环

水循环的主要方式:蒸发和输运

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水的社会循环对自然(原始)循环的影响

平衡破坏

给水处理

取水

社会循环

自然循环

排放

平衡破坏

水污染控制工程

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二 天然水的组成

1,天然水化学成分的形成

一方面考虑与水接触进行的条件物质的成分和溶解度;另一方面决定于水接触的关过程。

比如考虑岩石风化和土壤生成等有这一作用

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在天然水中进行的化学及物理化学作用主要有:在天然水中进行的化学及物理化学作用主要有:
  • (1)固体物质的溶解和沉淀
  • (2)酸碱反应
  • (3)水化学平衡体系中离子成分与气相间的平衡
  • (4)氧化-还原作用
  • (5)固体物质与水中离子成分之间的交换反应
  • (6)有机物的矿化作用
  • (7)生物化学作用等
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K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3—、NO3—、Cl—和SO42—为天然水中常见的八大离子,占天然水中离子总量的95~99%。

(1)水中的金属离子

水溶液中的金属离子通过化学反应可以达到最稳定的状态,酸-碱、沉淀、配合及氧化-还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。

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(2)溶解在水中的气体:

N2,O2,CO2,H2S,CH4,H2,He

溶解氧(DO)

水体与大气交换或经化学、生物化学反应后溶于水中的氧称为溶解氧。

水体受污染对其溶解氧反逐渐减少,因此,水中溶解氧的浓度是表明水体污染程度的重要指标之一。地面水要求溶解氧含量不能低于4毫克/升。

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(3)水生生物

水生生物可直接影响许多物质的浓度,包括代谢、摄取、转化、存贮和释放等。

自养生物和异养生物

自养生物利用太阳能或化学能量,把简单、无生命的无机物元素引进其复杂的生命分子中即组成生命体。

异养生物利用自养生物产生的有机物作为能源及合成它自身生命的原始物质。

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3, 天然水的水质

(1)大气降水:是由海洋和陆地蒸发水蒸气凝结而成.水质组成与地区条件有很大的关系.

一般来说,是杂质较少而矿化度很低的软水.

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(2)河水:河水的化学成分受多种因素的影响

A 受河流集水面积内被侵蚀的岩石性质的影响

B 受河流的流动过程中补给水源成分的影响

C 受流域面积地区的气候条件的影响

D 受生物活动的影响

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(3) 湖泊:水的化学成分与它的补给和形成条件有关,也与湖泊所处的气候、地质、生物等条件相关

(4) 地下水:在地下以滴状液体填充于构成地壳的岩石及沉积孔隙的水.由于与岩石接触紧密,含有较多的铁、锰、硝酸根离子、亚硝酸根离子、氢离子等,相对硬度较大。

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三 水体概念及水体污染

1,定义:一般指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋的总称,在环境学领域中则 把水体当作包括水中悬浮物、溶解物质、底泥和水生生物等完整的生态系统或完整的综合自然体来看。

注意:区分“水”与“水体”的概念。

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2,分类:

按类型分类:海洋水体

陆地水体:地表水体

地下水体

按区域分:指按某一具体的被水覆盖的地段而言):

如:太湖、洞庭湖、鄱阳湖。

如: 长江、黄河、珠江。

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3,水体污染:污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后,其含量超过了水体的自然净化能力,使水体的水质和水体底质的物理、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和使用功能的现象.3,水体污染:污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后,其含量超过了水体的自然净化能力,使水体的水质和水体底质的物理、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和使用功能的现象.
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四 水体污染源和污染物

(一)水体污染源(定义):向水体排放污染物的场所、设备和装置等和污染物进入水体的途径。主要是人类生产和生活活动造成的。

(二)水体污染物质的来源:

1,工业废水;

2,生活污水;

3,农业退水。

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(三)水体污染的主要污染物

1,物理方面:颜色、浊度、温度、悬浮固体和放射性。

2,化学方面:

无机无毒物质(酸,碱及无机盐类);

无机有毒物质(重金属,氰化物及氟化物);

耗氧有机物;(*)

有机有毒物质。 (*)

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生物(或生化)需氧量(BOD5 ):

生物(或生化)需氧量BOD5是另一个水质的重要参数,它是指在一定体积的水中有机物降解所要耗用的氧的量。

化学需氧量(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。用以反映水体受有机物的污染程度。

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总有机碳(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。总有机碳(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。
  • 总需氧量(TOD):水中有机物中除含有机碳外,尚含有氢、氮、硫等元素。当有机物全部被氧化时,碳被氧化为CO2,而氢、氮、硫则被氧化为水、NO和SO2等。此时氧化所需的氧量称为总需氧量。
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耗氧有机物主要存在生活污水和部分工业污水中:耗氧有机物主要存在生活污水和部分工业污水中:

(1)有机合成原料;

(2)有机酸碱;

(3)油脂类;

(4)高分子化合物;

(5)表面活性剂;

(6)生活污水。

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有机有毒物质:酚类化合物;

有机农药;

多环芳烃;

多氯联苯;

洗涤剂;

生物污染物;

放射性物质。

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第二节污染物在水体中的迁移

受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用,在水体中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,这就叫做水体自净。

根据自然界水体的不同运动特点,可以形成不同的扩散模型,如河流,湖泊,海湾等。

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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.

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一、污染质的的迁移扩散过程

分为:推流迁移、分散作用;

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污染物质在环境的迁移过程和转化过程
  • 推流迁移------推流过程中横断面上各点流速处处相等,推流作用只能改变污染物的位置,并不稀释污染物浓度;
  • 分散稀释------分子扩散、湍流扩散、弥散扩散;
  • 转化和运移——污染物质吸附于解吸、颗粒的沉淀与再悬浮等过程。
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分子扩散
  • 是由分子的随机运动引起的质点分散现象,服从Fick第一定理:
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湍流扩散
  • 是由流场中质点的各种状态(流速、压力等)的瞬时值相对于平均值的随机脉动而导致的质点分散现象,服从Fick第一定理:
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弥散扩散
  • 是由于横断面上实际的流速分布不均匀引起的,在用断面的平均流速描述实际的运动时,就必须考虑一个附加的、由流速不均匀引起的弥散作用,服从Fick第一定理:
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污染物的转化降解过程
  • 沉淀作用;
  • 气液交换作用;
  • 吸附作用;
  • 化学转化;
  • 生物作用。
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二,污染物的衰减和转化

(1)保守物质:如金属、很多高分子有机物;

(2)非保守物质:小分子有机物、放射性物质等

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三 河流中污染物的扩散

(一)零维模型

  • 如果将一顺直河流划分成许多相同的单元河段,每个单元河段看成是完全混合反应器。设流入单元河段的入流量和流出单元河段的出流量均为Q,入流的污染物浓度为C0,流入单元河段的污染物完全均匀分布到整个单元河段,其浓度为C。当反应器内的源漏项,仅为反应衰减项,并符合一级反应动力学的衰减规律,为 –k1C,根据质量守恒定律,可以写出完全反应器的平衡方程,即零维水质模型:
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当单元河段中污染物浓度不随时间变化,即dC/dt =0,为静态时,零维的静态水质模型为:
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(二)一维水质模型

当河流中河段均匀,该河段的断面积A、平均流速、污染物的输入量 Q、扩散系数D都不随时间而变化,污染物的增减量仅为反应衰减项且符合一级反应动力学。此时,河流断面中污染物浓度是不随时间变化的,即dC/dt=0。一维河流静态水质模型基本方程变化为:

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四 河流水质模型

(一)污染物与河水完全混合

在水质完全混合断面以下的任何断面,处于均匀混合段,a、n、C均为常数,有a =1;n = Q/q;

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(二) Streeter-Phelps(S-P)模型
  • S-P模型基本方程及其解
  • 描述河流水质的第一个模型是由斯特里特(H.Streeter)和菲尔普斯(E.Phelps)在1925年提出的,简称S-P模型,S-P模型迄今仍得到广泛的应用,它也是各种修正和复杂模型的先导和基础。S-P模型用于描述一维稳态河流中的 BOD- DO 的变化规律。
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S-P模型的建立基于两项假设:
    • (1)只考虑好氧微生物参加的BOD衰减反应,并认为该反应为一级反应。

(2)河流中的耗氧只是BOD衰减反应引起的。BOD的衰减反应速率与河水中

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S-P模型的基本方程为:
  • 式中:L—河水中的BOD值,mg/L;
  • D—河水中的亏氧值,mg/L,是饱和溶解氧浓度Cs (mg/L)与河水中的实际溶解氧浓度C(mg/L)的差值;
  • k1—河水中BOD衰减(耗氧)速度常数,1/d;
  • k2—河水中的复氧速度常数,1/d;
  • t—河水中的流行时间, d。
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这两个方程式是耦合的。当边界条件 时,上式的解析解为:
  • 根据 S-P模型的解就可以获得 BOD-DO 随 x 的变化情况
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在河流的某一距离x,处,溶解氧具有最小值。此处水质最差,是人们较为关注的。此处的亏氧值(或溶解氧值)及发生的距离,可通过求极值的方法求得,即可由(6-26)式,令dC/dx=0,得到:
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第三节污染物在水体中的转化

无机污染物主要通过沉淀-溶解、氧化-还原、配合作用、胶体形成、吸附-解吸等一系列物理化学作用进行迁移转化,参与和干扰各种环境化学过程和物质循环过程,最终以一种或多种形态长期存留在环境中,造成永久性的潜在危害。

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第三节污染物在水体中的转化

有机污染物在水体中经微生物的生物化学作用可逐步降解无机化,从而消耗水中的溶解氧,一些难降解的人工合成有机物形成水体特殊污染问题;

一些重金属污染物在水体中可发生形态或状态的迁移转化。

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一 水体中耗氧有机物降解
  • 耗氧有机物:动植物残体和生活污水及某些工业废水中的碳水化合物、脂肪、蛋白质等易分解的有机物,他们在分解过程中要消耗水中的溶解氧,使水质恶化。
  • 降解过程:化学氧化、光化学氧化和生物化学氧化。
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(一)有机物生物化学分解
  • 水解反应:有机物分子在水解酶参与下加以水分子分解为较简单化合物的反应。

e.g.(发生在细菌体外)

蔗糖(C12H22O11) +H2O -> 葡萄糖+果糖

e.g. (发生在微生物细胞内)

丙氨酸+H2O-> 乳酸

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氧化反应

脱氢作用 e.g.

CH3CHOHCOOCH3COCOO+2H++2e

e.g.

COOCH2CH2COO  COOCH=CHCOO+2H++2e

脱羧作用

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(二)代表性耗氧有机物的生物降解
  • 碳水化合物的降解
  • 脂肪合油类的降解
  • 含氮有机物的降解
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二 水体富营养化过程
  • 营养化(Eutrophication):氮、磷等营养物质含量过多所引起的水质污染现象。

这是湖泊演化过程中逐渐衰亡的一种标志。

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(一)富营养化类型

1,天然富营养化

2,人为富营养化

此两类共同特点是它们都是由于水体中氮、磷营养物质的富集,引起藻类及其它浮游生物的迅速繁殖,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。

经历了湖泊水体的生长、发育、老化、消亡整个过程。

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(二)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

有机氮化物降解。

无机氮化物降解:氨化和硝化。

2,含磷化合物在水体中的转化

湖泊水体中磷的循环是一个动态的稳定体系。

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(三)氮、磷污染与水体富营养化
  • 表现特征是藻类数量的增多和种类的变化。
  • 藻类的生产量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
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水体富营养化的结果是破坏了水体生态系统的原有平衡水体富营养化的结果是破坏了水体生态系统的原有平衡
  • 促进细菌类微生物的繁殖,一系列异养生物的食物链都会有所发展,水体中耗氧量增加
  • 藻类只是在水体表层能接受阳光的范围内生长,并排出氧气,在深层的水中就无法进行光合作用而出现耗氧,在夜间或阴天也将耗氧。
  • 无机氮的富集,开始是使硝化细菌繁殖,大量消耗溶解氧,在缺氧状态下又会转为反硝化过程
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(四)水体富营养化状态判断标准
  • 湖水营养物质浓度
  • 藻类所含叶绿素a的量
  • 湖水透明度
  • 溶解氧
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三 重金属在水环境中的迁移

环境污染研究中所说的重金属主要指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等。

(一)重金属在水体中的污染特征:

  • (1)重金属在自然界的分布
  • (2)重金属属于过渡性元素
  • (3)重金属在水环境中的迁移转化:机械迁移;物理化学迁移和生物迁移。
  • (4)重金属的毒性效应:能被生物吸收,并与生物体内的蛋白质和酶等高分子物质结合,产生不可逆的变性,导致生理或代谢过程的障碍,或者与脱氧核糖核酸等相互作用而致突变。
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(二)重金属在水环境中的迁移

重金属在水体中进行迁移和转换,主要表现为:

1,重金属化合物的沉淀——溶解:重金属化合物在水体中的溶解度可以直观的表示水体中的迁移能力,溶解度大着迁移能力大,溶解度小着迁移能力小。

比如,对于离子键化合物来说,随着离子半径增大和点价的减少溶解度增加。

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2,重金属化合物的氧化——还原电位

(1)天然水体的氧化——还原电位

氧化-还原电位Eh表示元素的氧化还原能力的大小,电位越大,表示该体系内的 氧化剂的强度越大。

(2)电子活度Pε: Pε越大,体系氧化态相对浓度越高;

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(3)决定电位系统

(4)天然水体的Pε:在多数情况下,溶解氧是决定电位作用的物质。

天然水中含有许多无机及有机氧化剂和还原剂。水中主要的氧化剂有溶解氧、Fe3+、Mn4+和S6+,其作用后本身依次转变为H2O、Fe2+、Mn2+和S2—。水中主要还原剂有种类繁多的有机化合物、Fe2+、Mn2+和S2—,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。

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(5)重金属的氧化还原转化:

无机砷的氧化还原转化

天然水中,砷可能存在的形态是H3AsO3、H2AsO3—、H3AsO4、H2AsO4—、HAsO42—,最主要的是以H2AsO4—和HAsO42—五价形态存在。

在pH 4的酸性水中,则可能存在H3AsO4和AsO+,而在pH l2.5的碱性水中,还可能存在AsO43—,甚至HAsO32—及AsO33—的形态。

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3,重金属元素的络合反应

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—、CO32—、F—、S2—。

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。

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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。

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在腐殖酸和腐黑物中,碳含量为50%~60%,氧含量为30%~35%,氢含量为4%~6%,氮含量为2%~4%,而富里酸中碳和氮含量较少,分别为44%~50%和1%~3%,氧含量较多,为44%~50%.在腐殖酸和腐黑物中,碳含量为50%~60%,氧含量为30%~35%,氢含量为4%~6%,氮含量为2%~4%,而富里酸中碳和氮含量较少,分别为44%~50%和1%~3%,氧含量较多,为44%~50%.

不同地区和不同来源的腐殖质其分子量组成和元素组成都有区别。

腐殖质在结构上的显著特点是除含有大量苯环外,还含有大量羧基、醇基和酚基。富里酸单位重量含有的含氧官能团数量较多,因而亲水性也较强。

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金属离子能在腐殖质中的羧基及羟基间螯合成键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

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(2)重金属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。

腐殖酸与阴离子的作用。

腐殖酸对有机污染物的作用。

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第四节 水体污染的控制

一、控制废水排放的措施

(一)改革或改进生产工艺,减少污染物质

(二)重复利用废水,使废水排放量减到最低水平

(三)回收废水中有用物质

(四)加强对水体及污染源的监测与管理

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二、充分利用水体自净能力

水体自净能力:以河流为例,河流的自净作用是指河水中的污染物质浓度在河水向下游流动中的自然降低现象

这种现象从净化机制来看,可分为以下几类:

1)物理净化

2)化学净化

3)生物净化

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如从河流中形成自净作用的场所上看,又可以分成以下几类:

1)河水与大气间的自净作用 这种作用的表现,如河水中的CO2、H2S等气体的释放

2)河水中的自净作用 污染物质在河水中的稀释、扩散、氧化、还原,或由于水中微生物作用而使污染物质发生生物化学分解,以及放射性污染物质的蜕变等等

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3)河水与底质间的自净作用 这种作用表现为河水中悬浮物质的沉淀,污染物质被河底淤泥吸附等等

4)河流底质中的自净作用 由于底质中微生物的作用使底质中的有机污染物质发生分解等

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四、废水处理方法

(一)物理方法

(二)化学处理法

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(三)物理化学法

1.离子交换法

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2.吸附法

3.萃取法

4.泡沫分离

5.膜分离技术

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(四)生物处理法

1.离子交换法

2.嫌气生物处理法

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(五)土地处理系统法

指污水流经土壤—植物生态系统,经过物理(固定、沉淀、吸附等),化学(中和、还原、氧化)和生物降解等过程,使水中的污染物减少,并达到预期的目标,从而使水资源能够再利用的工程过程。

类型: (1)污水灌溉田:

(2)快速渗滤:

(3)地表漫流:

(4)氧化塘

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四、废水处理程序

一级处理:又称预处理。即采用物理方法除去水体中的悬浮物.使废水初步净化,为二级处理创造良好的条件

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二级处理:即采用物理方法、化学方法和生物处理方法等除去水体中胶体杂质。一般能除去90%左右可降解的有机物和90—95%固体悬浮物.但某些重金属毒物或生物难以降解的高碳化合物去清除不掉的二级处理:即采用物理方法、化学方法和生物处理方法等除去水体中胶体杂质。一般能除去90%左右可降解的有机物和90—95%固体悬浮物.但某些重金属毒物或生物难以降解的高碳化合物去清除不掉的

三级处理:又称高级处理和深度处理。即采用物理化学方法和生物方法等使水质达到排放标准及用水要求