地下水污染与防治复习大全课案.docx
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地下水污染与防治复习大全课案
第1章总论
第二节水与生态系统
一水与自然生态系统
1.地球上动物、植物和微生物所存在和活动的圈层称为生物圈。
2.自然生态系统是在一定的空间内由生物—化学—物理学活动所组成的,是物质、能量、信息相互依存和作用的一个整体系统。
3.在地球上,生态系统分为生命系统和环境系统,进一步又可以分为四个基本成分包括:
生产者,消费者,分解者,环境要素。
其中,人是其中的高级消费者。
4.水汽循环过程为各种化学反应的发生和生命的进化提供了条件。
水是进行生物化学反应的优良介质。
5.对于生态系统来说,水和土壤是生态环境存在的重要环境要素。
第三节水环境修复的基本原则和内容
一、水环境现场调查
1.现场调查内容如下:
外部污染源范围和类型,内在污染源变化规律,积泥土壤环境形态和性质,水动力学特征等。
2、设计原则
1.制定合理的修复目标以及遵循法律法规方面的要求;明确设计概念思路,比较各种方案;进行现场研究;考虑可能遇到的操作和维修方面的问题,公众的反应,健康和安全方面的问题;
估算投资、成本和时间等因素的限制,结构施工容易程度以及编制取样检测操作维修手册。
三主要设计程序
1、项目设计计划:
综述已有的项目材料数据和结论;确定设计目标;确定设计参数指标;完成初步设计;收集现场信息;现场勘察;列出初步工艺和设备名单;完成平面布置草图;估算项目造价和运行成本。
2、项目详细设计:
重新审查初步设计;完善设计概念和思路;确定项目工艺控制过程和仪表;详细设计计算、绘图和编写技术说明相关设计文件;完成详细设计评审。
3、施工建造:
接收和评审投标者并筛选最后中标者;提供施工管理服务;进行现场检查
4、系统操作:
编制项目操作和维修手册;设备启动和试运转:
5、验收和编制长期监测计划。
第2章湖泊水库污染控制与修复
第1节湖泊水库的基本特征
2、湖泊与水库形态特征
不同:
湖泊一般都是天然形成的,而水库一般是在河流水系基础上人为设计和建造的。
相对来说,天然湖泊水深比较浅,而水库通过建造水坝形成,水深度比较大。
水库通常具有更大的流域面积,比较大的水面面积,更深的平均和最大深度,比较短的水力停留时间,水体流动形态相差比较大。
相似:
例如,其生物过程和一此物理过程是类似的,具有相同的动物群落和植物群落,两者都可能发生分层现象,其富营养化现象也是类同的。
第2节湖泊水库水动力学(本节重点是吞吐量、水团运动、水体分层)
1、水来源
1.流域降水、汇流是湖泊水库水的主要来源。
2.入湖径流水量的计算分为两类:
①通过各级河流汇合进入湖泊,可以在河口设置观测站,实际测量;
②散流,即沿湖泊周围陆地分散进入湖泊。
3、吞吐量
1.湖泊水库吞吐量一般用水力停留时间或者换水周期表示。
2.水力停留时间指汇流水在湖泊水库中的平均滞留时间。
3.换水周期表示湖泊水库水量吐故纳新一次平均所需要的时间。
4.溶解性污染物的浓度在很大程度上依赖于湖泊水体的交换和稀释过程。
因此,湖泊水平均停留时间的倒数又称为“水力冲刷率"或者“水体交换率"。
5.由入流和出流的水质可推算湖泊污染物或者营养盐的累积量。
4、水团运动
1.湖泊水库中水体在多种因素的推动下,形成不同形式的流动。
主要划分为密度流、吞吐流(又称为倾斜流)和风生流。
(1)密度流是由于水体温度分布不均匀所导致的密度不均匀引起的。
(2)吞吐流是湖泊水库与河道相连的出、入流所延伸的湖泊水库内部的水流。
河流径流速度比较大,因此,当河流汇入湖泊水库时,由于惯性力而形成对湖泊水库水体的冲击,同时由于水量堆积而形成重力梯度。
重力梯度与惯性力合在一起形成了湖泊水库内的局部推流,自入湖口向内呈扇形分布。
(3)风成流对湖泊水库水体混合和传质具有重要的影响。
风成流是由风对水面的摩擦力和风对波浪背面的压力作用引起的。
风成流实际上具有双向大范围的传质搬运特征。
风成流以风浪的形式还影响水体垂直方向的混合。
风浪是风力作用与水面而产生的水团周期性振荡起伏运动,引起水体在垂直方向运动迁移和混合。
这种现象对于浅层湖泊影响非常显著。
5、水体分层
(一)温度是影响水动力学的一个重要参数,通过各种途径影响湖泊水库的物理化学和生物过程。
水体温度是热量平衡的结果。
1、热量输入来源:
太阳辐射,约占90%以上;其余来自底部热量等。
2、热量的散失途径:
水面热反射,约占30%;蒸发,约占45%~75%;以及对流,引起部分传导热量损失。
3、热量传输特征:
在实际湖泊中,还有各种因素影响温度变化,主要因素有风力、汇流、季节、水密度引起的重力流等。
4、水体分层
在风力比较小和水体比较平静的状态,温度沿水体深度分布存在着温跃现象,水体呈现分层现象,垂直方向的传质受到抑制,形成了一年一度中具有周期性特征的温度循环和水体分层现象。
(1)在夏末秋初季节,水体上层受太阳辐射,温度比较高,而密度比较轻,形成自我不断循环的水层;而底部深层水(>7~10m)温度比较冷,密度比较重,形成相对静止的水层;在两层之间是一层温度变化比较剧烈的水层,称为变相层,又称为“斜温层"。
(2)到秋冬季节交替时,湖泊表层水体温度容易迅速下降。
当表层水体温度下降到4℃左右时,水体密度最大。
此时表层水体密度大于深层水体密度,导致表层水下沉,而深层水上浮,发生垂直方向的混合传质。
(3)在冬季,表层水由于受寒冷气流的影响,温度比较低,小于4℃,而密度反而比较轻,形成稳定表层水体;深层水由于没有与气流交换热量以及底部深层的保温作用,温度相对比较高,密度比较大,形成稳定的深水层,从而形成冬季水体分层现象。
(4)在冬春季节交替时,湖泊表层水体温度随着气流温度的上升而首先上升,当温度达到4℃左右时,表层水体密度大于深层水体密度,由此又导致表层水下沉,而深层水上浮,发生垂直方向的混合传质,俗称“翻底”现象。
每次发生这种现象,都会将深层污染物携带至表层,导致水质下降。
(5)春天频繁的刮风和夏季猛烈的降雨是破坏湖泊水库水体分层现象主要因素。
5、水体分层对水环境的影响
(1)水体分层现象会加剧藻类的繁殖生长。
(2)湖泊水库分层的另一个后果是导致生态失衡
6、水体分层的其他影响因素
一些因素例如突然一场冷雨可能会扰乱水的分层,而和煦的阳光可能恢复水分层。
在比较浅的湖泊水库,水分层租乱层循环可能交替发生。
在分层时,氮磷从底泥中释放,而在乱层时,释放的氮磷通过循环比较快地进入表层,可能加快了富营养化现象。
7、水体分层的水化学表现
具体的水体分层现象和温度分布可以采用相关的数学模型进行计算和预测。
度和深层温度都比较稳定,而中间温度过渡比较大,温度相差15℃以上。
相应地,在深层水体,溶解氧被逐渐消耗,但是由于分层而得不到及时补充,溶解氧降为零。
8、水体分层的一般判断
根据水深可以大概判断湖泊水库的水体分层状态。
(1)当水深小于10m时,水体中难以形成长期稳定的分层,即使某一特定时间内形成一些分层,也非常脆弱,非常不稳定,风或者其他因素的作用很容易破坏这种弱分层,使水体混合。
随着水体深度增加,分层也越来越稳定。
(2)当水深大于30m时,水体通常会形成时间的比较稳定的分层。
(3)当湖泊水库的水深位于10~30m之间的范围,属于弱分层,容易形成分层,也容易受到风力、气温等因素的影响。
第三节水质化学特征
1.水体主要成分包括无机金属和非金属物质,有机化合物,颗粒态悬浮物和底泥以及微生物等。
1、氮
1.水体中的氮包括有机态氮、氨氮、硝酸态氮和亚硝酸态氮。
2、磷
1.磷以化学形态分为正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷三种,以存在形态划分为溶解态、悬浮态和胶体三种。
2.磷的主要来源三个方面:
含磷矿物例如磷灰石、城市污水和工业废水、农田排水以及大气沉降。
湖泊水库周围的农田是水体磷污染的一个重要污染源。
一般来说,草地和林地径流中的磷以溶解态磷为主,农田土壤流失总磷中以颗粒态磷为主。
3.在湖泊水库中,磷是一个在生态循环中没有气体状态的元素。
其在水中的浓度取决于进水中的浓度、沉淀速度、水更换的速度(出水速度),水稀释程度、磷从底泥和动物体中释放速度以及其他来源等。
底泥中的磷释放是一个重要的内源。
当氧化还原电位和pH条件改变,或者在微生物作用下,原来非溶解性的磷转化为溶解性的磷。
4.磷循环是一个单向流动过程,大多数磷因沉淀进入底泥。
5.磷被广泛地认为是藻类的生长速率的主要限制性元素。
除此之外,藻类生长还受氮、光线和瞧藻动物等的影响。
3、有机污染物
1、有机物来源:
主要来自生活污水、工业废水、地表径流、降水降尘、水生动植物分解以及养殖饵料等。
在雨季,大量的雨水将地表层的有机物冲刷进人湖水,构成湖水中有机物的主要来源。
在旱季,降雨较少,湖水主要靠地下水补给,补给水中的有机物浓度较低。
2、有机物分类:
有机物可以笼统地分为容易降解的有机物和难降解有机物。
容易降解的有机物能够立即被微生物所利用,是导致水体溶解氧下降的主要原因。
难降解的有机物,除腐殖质和纤维素之外,大多是毒性比较大的有机物,在水体中容易积累,导致长期毒理效应。
3、有机物的作用:
有机物对湖水中其他物质的存在形态起着重要的调节作用。
有机物与粘土颗粒表面的作用主导着其表面的化学特征。
通常,有机分子的一端或部分吸附在颗粒表面,未吸附的部分则伸展在水中。
四、金属离子
1.主要金属元素包括钙(Ca)、铝(灿)、钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、铁(Fe)和锰(Mn)以及其他微量重金属元素。
铁和锰性质类似,而且经常进行频繁的氧化还原转化,称为水体中的活性金属元素。
在充氧条件下,或者在弱酸性至碱性条件下,铁以氢氧化铁(III)形式存在。
(1)、活性金属离子:
铁锰金属离子
1、来源:
铁锰金属主要来自土壤流失、矿山以及采矿冶炼工业废水、地下水等。
2、存在形态:
在含氧水层中,铁以三价铁稳定存在。
氢氧化铁等无定型状。
在缺氧水中,亚铁离子是比较稳定的。
亚铁离子主要以水合形式存在。
亚铁离子与大多数离子形成的盐是溶解性的。
非溶解性的盐有碳酸亚铁、硫化亚铁以及磷酸亚铁。
3、化学与生物化学作用
三价铁在水中能够被还原为二价铁。
在这个异相反应过程中,铁氧化物或氢氧化物的表面过程是控制步骤。
还原过程的速率与有机物在其表面形成的络合物浓度成正比。
有机物与三价铁形成的Fe—O键能够在很大程度上改变其氧化还原电位。
有机化合物分子上的羟基和羧基与铁形成表面络合物,能够加快电子的传递。
表面络合物同时也能够将固态的三价铁转化为溶解性的铁,进而被周围其他类型的还原剂(例如二价硫)所还原。
此外,细菌可以利用同化有机物过程中传递出来的电子直接将三价铁还原。
细菌也能间接还原三价铁,其机理是细菌代谢过程中产生还原剂与三价铁发生化学反应使之还原。
4、铁在湖泊中循环
铁主要以三价铁氧化物颗粒的形式进入湖水中。
三价铁的还原和二价铁的氧化反应主要在湖泊内部的活性反应带内进行。
活性反应带位于好氧带和厌氧带交接区域。
在活性反应带内,反应由好氧氧化向厌氧还原过渡,氧化还原电位变化剧烈。
进入湖水的三价铁
二价铁
三价铁
二价铁,从而形成一个循环,称为“车轮反应”。
在这个循环反应过程中,活性反应带对颗粒状和溶解态的铁起着主要的转化作用。
在大多数湖泊水库中,这个反应带随着水层氧化还原电位的变化而上下迁移,处于非稳定态。
季节性变化和微生物物代谢和分解对水层的氧化还原电位起着关键的决定性作用。
(2)、重金属污染
1.重金属不能被生物降解,具有生物累积特性。
2.重金属离子主要是通过悬浮颗粒的吸附和输送进入水库的,进而产生共沉淀,沉积在底泥层中。
3.重金属离子在水体中迁移过程包括扩散、对流、沉降和再悬浮等,转化途径包括吸附、解吸、絮凝、溶解、沉淀等,参与的生物过程包括生物富集、摄取
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