第三章 水环境化学Word下载.docx
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1、天然水的组成
天然水体——包括水、水中的溶解物、悬浮物以及底泥和水生生物。
天然水的组成按形态分为:
可溶性物质和悬浮物。
悬浮物包括:
细菌、藻类及原生动物、泥沙、粘土、其他不溶物质。
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,或是被水覆盖地段的自然综合体。
(1)悬浮物和沉积物
细菌——有致病的,也有对人体健康无关的;
藻类及原生动物——嗅味、色、浑浊;
泥沙、粘土——浑浊;
其他不溶物质
悬浮物:
藻类、微小水生动物
沉积物:
颗粒度不等的砂粒、黏土、淤泥、生物的排泄物等。
(2)水中的主要离子
水环境中已测出70多种元素
天然水:
Cl-SO42-NO3-HCO3-CO32-
Na+K+Ca2+Mg2+Fe2+Al3+95~99%
海水:
Cl-Na+为主
湖水:
Na+SO42-Cl-占优势
地下水:
Ca2+Mg2+
苦咸水:
HCO3-Na+
(3)气体在水中的溶解性
溶解气体主要有:
O2CO2H2S
极少有:
N2CH4He
有毒有害气体有:
HClSO2NH3等
亨利定律:
[G(aq)]=KH·
PG
氧在水中的溶解度:
二氧化碳的溶解度:
(4)水生生物:
生态系统、食物链中的一个重要环节;
生产者、消费者、分解者;
自养生物、异养生物;
生产率、富营养化、C、N、P;
影响因素:
DO、BOD、CO2等。
2、天然水的性质
(1)碳酸平衡
CO2+H2O==H2CO3
H2CO3==HCO3+H+
HCO3-==CO32-+H+
碳酸化合态分布图开放体系的碳酸平衡
(2)天然水中的碱度和酸度
总碱度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]–[H+]
酚酞碱度
苛性碱度
总酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3]-[OH-]
CO2酸度
无机酸度
在封闭体系中加入强酸或强碱,总碳酸量(CT)不受影响,而加入[CO2]时,总碱度值不变。
例题:
三、水中污染物的分布和存在形态
1、有机污染物:
(1)有机农药:
杀虫剂包括有机氯、有机磷、氨基甲酸酯和拟除虫菊酯等类型。
第一代含氯农药,对环境危害最大。
第二代含磷农药,毒性虽大但容易降解,在环境中残留量低。
第三代拟除虫菊酯类(syntheticpyrethrins)农药,是天然有机化学产品,毒性低,但合成路线较长(8-12步)。
(2)多氯联苯(polychlorinatedbiphenyls,PCBs):
性质及用途:
剧毒,不溶于水,脂溶性大,易被生物吸收;
通过食物链而富集,具有蒸汽压较低,难挥发,在环境中残留期长等特性。
不易燃烧,强碱、强酸、氧化剂难以破坏它们,有高度的耐热性,良好的绝缘性。
(3)多环芳烃(polycyclicaromatichydrocarbon,PAHs)
这类化合物很多,其中至少有20多种有致癌作用。
最典型的是苯并(a)芘(以BaP表示)。
源:
大气中的煤烟随雨水降落,及煤气发生站、焦化厂、炼油厂等排放含多环芳烃的废水进入水体。
(4)二恶英:
2,3,7,8-四氯二苯对二恶英(TCDD)是迄今为止所知的毒性最强的环境污染物之一。
TCDD对哺乳动物具有较大的毒性,IARC(国际癌症研究机构)把TCDD列为人类可疑化学致癌物。
TCDD还与某些生育缺陷相关。
(5)酞酸酯类化合物(phthalateesters):
用途:
主要用做塑料的增塑剂。
污染:
已成为全球性污染物,我国部分土壤和底泥中增塑剂的积累已相当可观。
危害:
有致畸作用和致突作用,可引起多发神经炎和感觉迟钝、麻木等症状。
(6)石油:
在石油开采、炼制、贮运、使用过程中,进入环境。
当前,石油对海洋的污染已成为世界性的问题。
影响渔业生产;
降低海滨环境的使用价值;
阻碍水体同大气之间的物质交换;
油膜影响大气与海洋的热交换;
对海洋生物的影响。
(7)其他有机化合物
如酚类、腈类化合物均具毒性。
酚类化合物是有机化工的基本原料,用途广泛,但毒性较大,其中苯酚是高毒物质,能溶于水,能使细胞蛋白质发生变性和沉淀。
丙稀腈是合成纤维的原料,具有较强的毒性,被列为致癌物。
有机物污染程度的指标:
1、DO:
水中溶解氧是水质重要指标。
2、BOD:
微生物分解有机物过程消
耗水中的溶解氧的量。
3、COD:
能被氧化的物质进行氧化
过程中所消耗氧化剂的量。
4、TOC:
总有机碳,以碳表示。
5、TOD:
总需氧量,以氧表示。
2、金属污染物:
Cd
Cd污染主要来自采矿、金属冶炼、废物焚化处理、磷肥制造、矿物燃料燃烧、电镀及其他工业部门。
存在形态:
在水体中镉主要以Cd2+状态存在。
可形成多种配位体。
Cd不是生物体必需元素,人体中的Cd全部是出生后从外界环境中摄取的。
Cd主要通过消化系统进入人体。
中毒症状主要为:
动脉硬化,肾萎缩或慢性球体肾炎。
过多吸入Cd可导致Cd进入骨骼取代部分Ca,使骨骼软化、变形,导致骨折,如“痛痛病”。
此外,Cd可能有“三致”作用。
Hg
仪器仪表、电气设备、催化剂、化工等。
水体:
Hg2+、Hg(OH)2、CH3Hg+、CH3Hg(OH)、CH3HgCl、C6H5Hg+。
悬浮物或沉积物:
Hg2+、HgO、HgS、CH3Hg(SR)、(CH3Hg)2S。
汞的甲基化(methylation)反应:
CH3-+Hg2+→CH3Hg+
2CH3-+Hg2+→CH3—Hg—CH3
甲基汞具有脂溶性和高神经毒性,在细胞中可以整个分子原形积蓄。
脂溶性的甲基汞对类脂质有很强的亲和力,所以容易蓄积在细胞中,主要部位为大脑皮层和小脑,故有向心性视野缩小运动失调、肢端感觉障碍等临床表现。
日本的水俣病事件:
Pb
采矿、冶炼、铅的加工和应用过程中。
水中:
PbOH+、Pb2OH3+、Pb(OH)42-等
海水中:
Pb2+、PbCl+和PbSO4。
毒害作用:
主要是损害骨髓造血系统和神经系统,对男性生殖腺亦有一定的损害。
铅对于儿童尤其危险,铅接触能降低儿童智商。
孕妇体内过量的铅可使胎儿死亡、畸形或造成流产。
As
主要来自工农业生产,其中,以冶金、化工排砷量较高。
As(Ⅲ)As(Ⅴ)
H3AsO4H3AsO4
无机砷————有机砷毒性降低。
毒性:
不是必须的元素,但是环境中含有砷而成为人和动、植物的构成元素。
元素砷的毒性极低,而砷的化合物则均有毒性。
As(Ⅲ)的毒性最强,0.1gAs2O3就能使人致死。
我国规定生活饮用水的砷含量不得超过0.04mg/L;
工业废水最高允许排放浓度为0.5mg/L。
Cr
铁路、耐火材料生产和煤燃烧排放含铬废气,电镀工业排放含铬废水,皮革鞣制、金属酸洗、染料、制药厂等排放含铬的生产废水等。
Cr3+、CrO2-、CrO42-、Cr2O72-。
人体必需的微量元素,但高浓度铬将使人体和动物产生严重危害。
Cr(Ⅵ)毒性远比Cr(Ⅲ)大。
Cr(Ⅵ)能导致呼吸道疾病,肠胃病变,皮肤损伤等。
Cr(Ⅵ)有致癌作用,且有较长的潜伏期。
DO值越小,BOD5和COD值越高,则还原作用越强。
Tl
矿物
毒害:
铊和铊的氧化物都有毒,中毒后出现视力减退、脱发等症状。
1995、1997、2007年,清华大学、北京大学和中国矿业大学分别发生铊中毒事件。
3、环境激素
是指排放到环境中,起到类似于激素作用,导致内分泌障碍的化学物质。
动物世界生殖能力下降,雌性化,出现全球性的“阴盛阳衰”。
目前约有200多种化学物质已被证实而列入环境激素黑名单,如船的涂料三丁锡、三苯锡以及垃圾焚烧排出的剧毒物质二恶英等。
三、水中的营养元素及水体富营养化
来源:
生活污水、工业废水、农业、家畜、水产养殖、大气。
使水中藻类恶性繁殖,藻类死亡腐败后被微生物分解,消耗大量溶解氧,严重影响鱼类生存。
大量藻体可使水流变缓,长期下去可使河流湖泊变浅、淤塞。
去除:
在除磷方法中,广泛使用的是化学沉淀法、生物除磷法。
赤潮(Redtide)是海水中某些微小浮游植物、原生动物或细菌在一定的环境条件下突发性的增殖,引起一定范围一段时间的海水变色现象。
起始阶段:
存在诱发的物质条件,表面现象不明显;
发展阶段:
赤潮生物迅速繁殖,水体颜色开始转变,稍微不同于周围水体;
维持阶段:
赤潮现象出现后所持续的时间,颜色较深;
消亡阶段:
消失的过程,水体表面出现较多泡沫。
为什么会发生赤潮?
海域水体的富营养化。
含有有机质和丰富营养盐的污水排入海洋。
尤其是水体交换能力差的河口海湾地区,污染物不容易被稀释扩散。
海域中存在赤潮生物种源。
海洋中有330多种浮游生物能形成赤潮,有毒的种类大约有80多种,目前在中国沿海海域的赤潮生物约有150种。
(4)了解天然水体中的污染物有哪些?
(5)掌握水体中无机污染物的迁移方式和转化途径。
2、金属污染物:
分布广泛:
应用普遍:
具有多种价态:
大多属于过渡元素,不光外层电子参与,次外层、外数第三层均可参与,因此,一般具有多种价态。
在天然水体中,氧化性和还原性环境使重金属能以不同价态存在,价态不同,其活性和毒性效应也不同。
(1)Pb
铅污染的来源:
石油工业的发展,作为汽油防爆剂使用的四乙基铅所耗用的铅已占总生产铅的十分之一以上。
汽车排放废气中铅的含量高达每升20~50μg,其污染已经造成严重的公害。
铅对人体的毒害作用:
铅主要是损害骨髓造血系统和神经系统,对男性生殖腺亦有一定的损害。
铅可以干扰血红素的合成而引起贫血。
铅引起贫血的另一原因是溶血,它可抑制红细胞上的三磷酸腺苷酶,使细胞内外的K+、Na+、和H2O脱失而溶血。
铅可引起神经末梢神经炎,出现运动和感觉障碍。
此外,铅随血液流入脑组织,可损害小脑和大脑皮质细胞,干扰代谢活动,使营养物质和氧气供应不足,引起脑内小毛细管内皮细胞肿胀,进而发展成弥漫性的脑损伤。
经常接触低浓度铅的人,当血铅达到0.6-0.8μg/L,就会出现头痛、头晕、疲乏、记忆力减退和失眠,常伴有食欲不振便秘、腹痛等消化系统的症状。
铅对于儿童尤其危险,铅接触能降低儿童智商,还与7-11岁男孩的攻击行为、不法行为及注意力不集中有关。
孕妇体内过量的铅可通过胎盘输送给胎儿,使胎儿死亡、畸形或造成流产。
我国规定饮用水的铅的最高允许浓度不超0.05mg/L;
工业用水中铅的最高允许排放浓度不超过1.0mg/L。
(2)As
农业方面,曾经广泛利用含砷农药作为杀虫剂和土壤消毒剂,其中有砷酸钙、砷酸铅等,另有一些有机砷用来防治植物病害。
天然水中为H2AsO4-、HAsO42-、H3AsO4和H2AsO3-。
pH>
12.5,可能存在AsO43-甚至HAsO32-及AsO33-,pH<
4的酸性水中则可能存在H3AsO4,乃至AsO+,
H3AsO3+H+=AsO++2H2O
砷化物的毒性:
砷不是人体的必须的元素,但是由于所处环境中含有砷而成为人和动、植物的构成元素。
砷及其化合物一般可通过水、空气和食物等途径进入人体,造成危害。
如摄入量超过排泄量,砷就会在人体的肝、肾、脾、肺、子宫、胎盘、骨骼、肌肉等部位,特别是在毛发、指甲中蓄积,从而引起慢性砷中毒,潜伏期可长达几年甚至数十年。
慢性砷中毒有消化系统症状(如食欲不振、胃痛、恶心、肝肿大)、神经系统症状(神经衰弱、多发性神经炎)和皮肤病等。
地面水中砷的最高允许浓度为0.1mg/L;
(3)Cr
铬的主要污染源:
水体中主要存在形态:
Cr3+、CrO2-、CrO42-、Cr2O72-。
铬污染的危害:
铬一方面是人体内糖和脂肪代谢的必需的微量元素,能增加人体内胆固醇的分解和排泄。
在一般情况下,人体每日从环境(主要是食物)中摄取数微克的铬。
如果缺铬(<
0.1μg/L),人会得糖尿病,还会引起动脉粥样硬化。
有人指出,近视眼的发生和缺铬有关。
铬对植物生长有刺激作用,可提高收获量。
另一方面由于环境铬污染,高浓度铬将使人体和动物产生严重危害。
呼吸道吸收Cr(Ⅵ)能使鼻腔粘膜溃疡,损坏中枢神经,有致癌作用等,且有较长的潜伏期。
铬对水生生物有致死作用。
它能在鱼体内蓄积。
水中含铬1mg/L时可刺激作物生长,1-10mg/L时会使作物生长减缓,到100mg/L时则几乎完全使作物停止生长,濒于死亡。
我国规定,生活饮用水中Cr(Ⅵ)的浓度应低于0.05mg/L;
地面水中Cr(Ⅵ)的最高允许浓度为0.1mg/L,Cr(Ⅲ)为0.5mg/L;
工业废水中Cr(Ⅵ)及其化合物的最高允许排放标准为0.5mg/L。
由于三价铬和六价铬之间能相互转化,所以也以总铬量作为水质标准。
(4)Tl
铊是一种稀有金属元素,铊和铊的氧化物都有毒,能使人的中枢神经系统、肠胃系统及肾脏等部位发生病变。
急性铊中毒患者,有恶心、呕吐、腹绞痛,甚至昏迷、抽搐、休克等症状。
慢性铊中毒患者,初期为全身无力、食欲减退、头晕、头痛、失眠,随后便出现手指震颤、视力减退、脱发等症状。
1995年和1997年,中国的清华大学和北京大学分别发生铊盐中毒事件。
北京清华大学化学系女生朱令在1995年因铊中毒导致全身瘫痪、大脑迟钝。
如今近乎失明,由于脑部萎缩她只能整天坐在轮椅上,朱令中毒原因一直没有定论,比较多的猜测倾向于朱令被同学人为投毒。
1997年,北京大学化学系男生王晓龙给两名同学投了铊盐毒,其中一人是他的投毒目标,而另外一人是实验对象。
中国矿业大学(江苏徐州)材料工程系一名大学生竟然在三名同学的饭里投毒。
3、环境激素(环境荷尔蒙)
排放到环境中,起到类似于激素作用,导致内分泌障碍的化学物质。
例如:
三丁锡(用于船的涂料)可使鱼雌性化,二恶英(垃圾焚烧产生)
目前约有200多种化学物质已被证实而列入环境激素黑名单,如防止海藻和贻贝附着在船底上的三丁锡、三苯锡以及源于塑料添加剂和洗涤剂的壬酚、垃圾焚烧场排出的剧毒物质二恶英、苯乙烯、多氯联苯、石棉及滴滴涕、氯丹、汞、镉、酞酸酯、有机氯、有机磷杀虫剂、除草剂、杀菌剂、汽车尾气等70多种有害物质,其中有7种最危险的是多用来制造人们日常用的涂料、洗涤剂、树脂、可塑剂等。
4、水体的氮、磷污染和富营养化
生活污水,大部分是来自人类的排泄物和洗涤剂。
工业废水:
化肥厂、石油化工厂等废水中含大量氮,而食品加工厂、化肥、洗涤剂生产的废水中含大量的磷。
农业:
肥料、化肥使用、流失。
家畜:
排泄物,随雨水冲刷。
水产养殖:
粪便等。
大气:
硝酸盐随雨水进入水体。
使水中藻类恶性繁殖,大多数藻类会使水产生霉味和腥臭味,许多藻类还会产生毒素,可通过食物链到人类。
藻类死亡腐败后被微生物分解,消耗大量溶解氧,严重影响鱼类生存。
研究表明,藻类的过量繁殖,与磷酸盐的含量之间存在着某些平行关系。
从藻类的生长来看,磷的需要尤为重要。
因为水中氮的补充可以通过各种途径,特别是可以通过固氮微生物和蓝藻等来补充。
椐估计,固氮微生物可满足需氮量的50%左右。
所以控制磷污染对控制和防治富营养化尤为重要。
在除磷方法中,广泛使用的是化学沉淀法,即加入沉淀剂以生成难熔性的磷酸盐或羟基磷酸盐沉淀,进行分离除去水中磷。
此法简单易行,适合水量小,水质成分波动大的废水处理。
但除磷后沉淀污泥量很大,难以处置,因此成本较高。
生物除磷法,即活性污泥过量除磷,原理是由于污泥微生物的代谢作用,导致微生物环境发生变化,结果使废水中的溶解性磷酸盐转化成难溶化合物沉积于污泥上,从而随剩余污水排放一起去除。
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- 第三章 水环境化学 第三 水环境 化学