水环境污染控制及管理课件.ppt

,环境化学,化学系,第二部分 水环境化学本章要点：1、水体中的污染物及其污染途径；2、简单河段水质模型氧垂曲线；3、河流自净作用耗氧有机物的降解；4、影响重金属在水体中迁移转化的主要因素；5、水环境污染控制及管理。,主要内容：,第一节 水环境概述 第三节 污染物在水体中的迁移转化 第四节 水污染控制及管理,第一节 水环境概述 一.水环境的概念 水环境是指自然界中由水量、水质、水能及水循环等要素组成的整个水圈的总称，包括大气水环境、地表水环境和地下水环境。水环境是自然界一切生命赖于生存的基本条件，水环境质量 的优劣，对生态环境、大气环境、土壤环境及社会环境等都有直接和间接的影响。要点：水环境的范围及组成整个水圈；与人类关系最密切、最直接的是陆地水环境中的淡水河 流、湖泊；由于自然界的水具有循环性，因此水环境也具有动态特 征。,二.天然水及水循环 地球上的水总储量为：13.8108km3，其中96.5%为海洋水。地球上含盐量不超过1g/l的淡水仅占总水量的2.5%，其余97.5%为咸水。地球上淡水储量仅0.35108km3，淡水中有67.8%被固定在两极冰改和高山冰川中，约30.9%储存在下含水层中，而河流、湖泊、沼泽、土壤中所容纳淡水还不到0.5%。据统计，可以供人开发的淡水总量约占地球水总储量的0.7%。,地球上的水储量是指某一瞬时储存在地球上的各种水的体积。实际上这些水在太阳辐射和地心引力作用下不断地运动循环，反复交替着。海洋水蒸发进入大气圈，随大气运动输送至地球各地，一部分深入内陆，一部分在海洋上空。在适当条件下又凝结形成降水，落在陆地的降水，又以地表流、地下流的形式进入海洋。由海洋到陆地，再到海洋的水分循环成为大循环。由海洋海洋上空又回到海洋或由陆面蒸发上空 陆地的局部水循环为小循环。大循环包含着许许多多的小循环。水循环作用使水成为自然界中 的可更新资源。据估算，全世界河川年平均径流量为46.8103km3，大部分以洪水形式流走，可供人类利用的稳定可靠的水资源，每年约141012m3。按50亿人口平均，每人占有稳定的水资源量不到3000m3。,三.水环境与人类社会经济发展的关系 水环境是人类生活、生产的物质基础，在某种意义上讲，水环境对人类社会的发展、经济的繁荣起着决定性作用，人们总是把河流称为人类文明的摇篮。从城市发展的角度来看，古人类遗址或古城池总是与水源（河流）有关，他们的分布具有流域性。就是现代繁华的大都市，几乎都分布在水环境优越的地域。从农业发展来看，富庶的农业区主要分布在水源充沛的流域、三角洲、冲积平原、河流一二级阶地。不论是城市还是农村，不论是工业还是农业，不论是古代还是现代，不管人们是否认识到水环境对人类生存发展的重要性，在客观上，水环境对人类社会经济发展起着极其重要的作用。,人类社会经济的发展，一方面依赖于水环境，另一方面又影响着水环境，这种影响主要是人类生产、生活活动向水环境大量排放废物，造成水环境的恶化。如工业生产和城市供水取自水环境中的淡水资源，大量的消耗性用水可以减少淡水资源的量，城市污水排放又使水环境受到污染。跨领域调水、修建水库、农业灌溉等生产活动在局部对水环境进行改造、利用，对人类有着积极意义，但如果不遵循环境规律，就会导致水环境恶化，造成生态平衡破坏，从而使人类的生存和发展受到不良影响。总之，优越的水环境有利于人类社会经济发展，不良的水环境限制和影响人类社会的发展。人类在发展经济的同时，必须保护水环境，走可持续的发展道路。,四.天然水的基本特征 1.天然水的组成(1)主要离子组成(2)金属离子(3)气体在水中的溶解性五.天然水的水质标准 1.物理性指标 2.化学性指标 3.生物性指标 4.发射性指标,第二节.水污染与水环境问题 一.水污染 目前人们已经发现水中溶解有90多种元素成分，有些成分是人体必须的，有些成分对人体有害。对人体有害的元素进入水体就认为该水体受污染了，就是对人体无害的物质在水中的含量超过了某一标准值，也会造成水质恶化或水污染，造成水污染的物质称为污染物。总而言之，水污染是指某种污染物进入水体，改变了水体原有物理、化学性质，使水体使用价值降低或丧失的现象称为水污染。,水污染按形成原因可分为自然污染和人为污染两大类。自然污染是指现代工业出现之前，自然环境中受特殊地质、地貌、矿藏等条件的影响，某种化学元素异常富集或天然动植物腐烂产生的物质而引起的水污染。人为污染指人类生活、生产活动排放的废物引起的水污染。人为活动造成水污染的污染物来源主要有以下几个方面：工业废水；生活废水；农业退水；废气；废渣；农药、化肥。,二.主要水环境问题 水环境问题是指由于自然因素和人为因素的作用，引起的水量缺乏、水污染、水环境恶化及其水资源系统失调对人类的生存和发展产生不良影响的现象。目前主要水环境问题有：世界性水资源缺乏问题；水体污染问题；水土流问题；次生水环境问题，草场退化，沙化，盐渍化，水生物减少或灭绝，地 面下沉，海水入侵等。,水资源十分缺乏的中国西部干旱区 1999年甘肃定西地区发生百年一遇的大旱，春小麦因干旱不能下种，通渭县的冬小麦因干旱而枯死。,中国西部沙漠化趋势严峻,中国西部干旱引起土地盐渍化,甘肃定西打井抗旱现场,黄土高原水土流失,敦煌大泉河源头林草正在退化,三.造成水污染的主要污染物 1.无机无毒物质：酸、碱及无机盐类，这些物质含量高可以增加水的矿化度，改变水的PH值，增加水的硬度，影响水的利用。生活生产用水要求水的PH=6.58.5，矿化度1.0g/l，硬度25德度；氮磷含量过高可造成水体富营养化。2.无机有毒物质：重金属 Hg、Cd、Pb、Cr、As、Zn、Cu、Mn、Ni、Co、Sn、Se、V、Sb，氟（F）。3.有机无毒物质（耗氧有机物）：碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素、木质素等。4.有机有毒物质：酚、苯、多环芳香烃（PAH）、人工合成有机化合物（农药、多联苯PCB）、氰化物(CN-)5.生物污染物：细菌、病毒、寄生虫。6.物理性污染物：色、悬浮物、热等，放射性污染。,四、水体有机物污染指标 化学耗氧量（COD）：又称化学需氧量（Chemical Oxygen Demand）。在规定条件下，使水样中能被氧化的物质氧化所需用氧化剂的量。以每升水消耗氧的克数（mg/l）表示。其值用于反映水体受有机物污染的程度。生化需氧量（BOD）:(Biochemical Oxygen Demand)指在好气条件下，微生物分解水体中有机物的生物化学过程中所需溶解氧的量，是反映水体中有机污染程度的综合指标之一。由于微生物分解有机物是一个缓慢的过程，往往需要20天以上时间，且与环境温度有关。实际中生物需氧量指标普遍采用20培养5天的生物化学过程需要氧的量为指标，它大约只占最终生化需氧量的65%80%。记为BOD5，以mg/l为单位。溶解氧量（DO）：（disolued Oxygen）指水体中所含溶解氧的量。天然水体中溶解氧浓度一般为510mg/l。,总有机碳量（TOC）：（Total Organic Carbon）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。溶解氧量（DO）：（disolued Oxygen）指水体中所含溶解氧的量。天然水体中溶解氧浓度一般为510mg/l。总有机碳量（TOC）：（Total Organic Carbon）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，碳被氧化为二氧化碳，而氢、氮、硫则被氧化为水、一氧化氮、二氧化硫等。此时氧化所需要的氧量称为总需氧量。生物化学作用：在微生物作用下，水体中的有机物可以发生分解而转化为无机物的过程叫生物化学作用。这种作用能进行的原因是微生物把各种有机物作为生长繁殖的营养来源，具有分解有机物的微生物主要是细菌。,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 污染物在水体的运动形式有三种：推移迁移；扩散；衰减。三种运动的作用使污染物浓度降低，称 水体“自净作用”。1.推移 只改变污染物位置，而不降低其浓度，模式：fx=uxc,f y=uyc,fz=uzc,2.分散作用（扩散）分子扩散：由分子随机运动引起的质点分散现象。c c c Ix=-Em,Iy=-Em,I z=-Em x y z Ix，Iy，Iz，：扩散通量；Em：分子扩散系数；c：浓度。湍流扩散：由湍流物质点状态瞬时值相对平均值的随机脉动引起；c c c I x=-EX,I y=-Ey,I z=-Ez x y z,.弥散：由横断面流速不均引起，即由湍流时平均值与时均值的空间平均值的系统差列所产生的分散现象。c c c I”x=-Dx,I”y=-Dy,I”z=-Dz x y z 三种扩散系数的量质范围（数量级）：分子扩散Em：10-510-4 m2/s 湍流扩散系Ex,Ey,Ez：10-2100 m2/s 弥散系数Dx,Dy,Dz：101104 m2/s,3.衰减 衰减发生在非持久污染物的溶解氧化过程中和放射性物质衰变过程中。持久性污染物不发生衰减。衰减过程基本符合一级反应动力学规律：dc=kc dt 综上所述可知：推移作用：总量不变，分布状态也不变；推移+分散：总量不变，分布状态发生变化；推移+分散+衰减：总量变化，分布状态变化。,二.河水中污染物扩散的稳定解 所谓稳态指：dc/dt=0 1、一维稳态模型 Dx2c/x2uxc/xKc=0 其特征方程为：Dx2 ux k=0 特征根为：1,2=ux/2Dx(1+m)式中：m=(1+4kDx/ux2)1/2 当x=0，c=c0 时，上式的解为（取负值）C=c0expuxx/2Dx1(1+4kDx/ux2)1/2 弥散项忽略，则一维稳态模型为 Uxc/x=kc,c/c=k/uxdx,lnc=k/uxx 其解为：c=c0exp(-Kxx/ux)式中c0=(Qc1+qc2)/(Q+q),2、二维稳态模型：Dx2c/x2+Dy2c/y2uxc/xuyc/ykc=0 其解析解为：C(x,y)=2*Q/(ux*h(4Dxx/ux)*exp(-uxy2/4Dyx)+exp(-ux(2nB-y)2/4Dyx+exp(-ux(2nB+y)2/4Dyx*exp(-kx/ux)h_水深；B河宽；其它符号同前。,三、河流水质模型 1、混合 污水排入河流，通过三维扩散后混合均匀。由于水深较河宽要小，故先完成竖向混合，后完成横向混合。混合均匀后水质模型可简化为一维问题。2、有机物降解模式 一般模式：dL/dt=-kL dL/L=-kdt，lnL=-kt 解为 L=L0ekt K有机物降解速度常数，其值是温度的函数。稳态条件下，河水BOD 变化规律 uxdL/dx=kL 解为L=L0exp(-Kxx/ux),3、大气复氧 水中溶解氧的主要来源是大气。大气中氧进入水中的质量传递速度可以表示为：dc kLA=(Cs-C)dt V C河水中溶解氧浓度；CS河水中饱和溶解氧的浓度；KL质量传递系数；A气体扩散的表面积；V水的体积，对于河流，A/V=1/H；H为水深；CsC溶解氧不足量，称氧亏（D）。上式可改写为：dD/dt=KaD Ka大气复氧速度常数。Kar=Ka20QT20 Cs=468/(31.6+T)Q大气复氧速度常数的温度系数；T温度。,4、简单河段水质模型（SP模型）该模式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衰减和复氧都是一级反应，反映速度定量；耗氧由BOD衰减引起，复氧来自大气。耗氧模式：dL/dt=KdL 复氧模式：dD/dt=KdL-KaD 耗氧速率与复氧速率之差，即氧亏速率。上式耗氧模式的解为：L=L0eKdt 代入复氧模式积分得D=KdL0/(Ka-Kd)e-Kdt-e-Kat+D0e-Kat 若以河水中溶解氧表示，则 O=OsD=Os-KdL0/(Ka-Kd)eKdt-e-Kat-D0e-Kat 据此式绘制的溶解氧沿程变化曲线称为氧垂曲线。,溶解氧氧垂曲线图,溶解氧浓度最低点临界点的计算：dD=KdL KaDc=0 dt 由此得：Kd Dc=L0e-Kd tc Ka 临界点的发生时间：1 Ka D0（Ka-Kd）tc=-ln1-Ka-Kd Kd L0Kd 临界氧亏发生地点：Xc=u tc,第三节 污染物在水体中的转化 一.水体中耗氧有机物降解 有机物降解的过程实质上就是生化作用过程。即：在微生物作用下，水中的有机物发生分解转化为无机物的过程叫生物化学作用。有机物的降解通常有以下几种作用：1.碳水化合物的降解 2.脂肪和油类的降解 3.蛋白质的降解 4.硝化作用和硫化作用,水体中有机物能发生降解作用，其原因是微生物把 水中各种有机物作为生长繁殖的营养来源，使有机 物不断分解。具有分解有机物的微生物主要是细菌。有机物主要由碳、氢、氧、氮组成。细菌对有机物 的分解主要是脱氢氧化作用，即把有机物中 的氢脱 去而放出适当的能量。当然，脱出的氢要相应的受 氢体来接受，反应才能完成。如果水中有游离的氧 分子O2作受氢体则称为有氧氧化。如果是分子氧以 外的化合物作为受氢体，反应在缺氧或无氧条件下 进行，则称为无氧氧化。在两种情况下作用的细菌 称为兼氧细菌。只有缺氧或无氧条件下作用的细菌 称厌氧菌。,细菌分解有机物的最终产物CO2和H2O。下面举例说明：.碳水化合物的降解（糖类的降解）碳水化合物由C、H、O组成，不含N。有多糖（C5H10O5）n、二糖（蔗糖）（C12H22O11）、单糖（葡萄糖）（C6H12O6）之分。细菌的养分或能量来源于碳水化合物的降解。细菌首先在细胞膜外通过水解使碳水化合物由多糖转化为二糖。（C5H10O5）n+n/2H2O n/2(C12H22O11)此时细菌则进入细胞膜内，继续水解使二糖转化为单糖 C12H22O11+H2O 2C6H12O6 这两步反应过程中的能量变化很小。,单糖不论在有氧或无氧条件下均能转化为丙酮酸，期间有许多反应步骤，但总反应是：C6H12O6 2CH3COCOOH+4H 此过程称为糖解过程。在有氧条件下，丙酮酸在乙铣辅酸A的作用下，最终转化为CO2和H2O：2CH3COCOOH+4H+6O26CO2+6H2O 在无氧条件下，这种反应不能进行到底则形成各种酸、醇、酮等，此过程称为发酵。2CH3COCOOH+4H CH3CH2COOH+CH3COOH+HCOOH（丙酸发酵）3CH3COCOOH+H2O CH3（CH2）2COOH+CH3COOH+3CO2+H2（丁酸发酵）多糖二糖 单糖 丙酮酸氧化，或者发酵,.脂肪和油类的降解 脂肪和油类也是不含氮的有机物，只由C、H、O组成。脂肪多来自于动物，油类多来源于植物，均不溶于水。它比碳水化合物难以被生物所降解。这可能是由于不溶于水而聚集成团，缺少其它元素，细菌不易生长和繁殖。若有乳化剂存在，把它们分散开，将有利于发生降解。脂肪的降解过程为：脂肪甘油丙酮酸有氧氧化，无氧发酵 CH2OOCR1 CH2OH R1COOH CH2OOCR2+3H2O CHOH+R2COOH CH2OOCR3 CH2OH R3COOH（脂肪）（甘油）（脂肪酸）,甘油可首先转化为丙酮酸：C3H5（OH）3 CH3COCOOH+4H 在有氧条件下，可达到完全氧化 2CH3COCOOH+4H+6O2 6CO2+6H2O 在无氧条件下就会发酵，生成各种有机酸。.蛋白质的降解 蛋白质是由多种氨基酸分子组成的复杂有机物。含有羧基（-COOH）和氨基（-NH2），由肽键（R-CONH-R）连接起来，它的降解首先是肽键的断开和羧基的氨基的脱除，然后逐步氧化。,蛋白质氨基酸丙酮酸有氧氧化，无氧发酵 蛋白质氨基酸氨亚硝酸硝酸 H O H R H O H R H2N-C-C-N-C-COOH+H2O H2N-C-C+N-C-COOH R H R OH H H（蛋白质）（氨基酸）（氨基酸）氨基酸可在有氧或无氧条件下进行脱氨脱碳生成丙酮酸。,有氧脱氨：CH3COOH+1/2O2 CH3COCOOH+NH3 丙酮酸 NH2（丙氨酸）有氧脱氨、脱碳：CHCHCOOH+O2 CH3COOH+CO2+NH3 乙酸 NH2 水解脱氨、脱羧：H3CHCOOH+H2O CH3CH2OH+CO2+NH3 NH2 氨基酸分解生成的有机酸同碳水化合物一样在氧化条件下完全氧化为CO2和H2O，在无氧条件下要产生发酵。,硝化作用 氨基酸分解生成的氨，可在亚硝化和硝化细菌作用下氧化为亚硝酸，再进一步氧化为硝酸。2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+148千卡 2HNO2+O2 2HNO3+48千卡 在缺氧条件下，硝化过程不能进行，相反地却可发生反硝化过程。2HNO3 2HNO2（NOH）2 NO2 N2 在整个蛋白质降解过程中发生的硝酸氮状态的变化,可作为需氧污染物氨氮的出现和自净过程的判断标志。蛋白质（有机氮）NH3-NNO2-NN03-N（有机污染）（自净彻底）硫化作用：2H2S+O2 2H2O+S2+能量 S2+3O2+2H2O 2H2SO4+能量,综上所述，碳水化合物、脂肪、蛋白质等有机物降解的共同规律是：首先在细菌体外发生水解，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，这些有机酸可进行彻底氧化，其最终产物是CO2、H2O及NO3-等；在缺氧条件下，进行发酵、反硝化过程，其最终产物除CO2和H2O外，还有NH3、CH4、有机酸、醇等。这就是有机污染物在水体中进行生物降解的基本概况。,二.水体富营养化 水体富营养化是指由于水体中的氮、磷营养物质的富集，引起藻类和其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，使鱼类和其他生物大量死亡、水质恶化的现象。1.水体富营养化的类型 天然富营养化：由于天然降水、土壤侵蚀和淋溶作用以及水体中水生生物繁衍代谢，使（湖泊）水中的氮、磷等营养物质富集，引起水质变化的过程，称为湖泊（水体）的天然富营养化。人为富营养化：人为活动将含有氮、磷营养物质的污水排入湖泊、河流、水库，使这些水体的营养物负荷增加，造成水质恶化的现象称为人为富营养化。,2.水体富营养化的影响因素 营养物组成：由氮、磷元素组成营养物质进入水体。这些营养物质主要指有机氮化合物（蛋白质、氨基酸、尿素）、无机氮的化合物（NH3-N、NO2-N、NO3-N），有机磷化合物和无机磷化合物。营养成分比例：日本学者研究指出，湖水总氮与磷的浓度比为121131时，最适宜藻类增殖。我国学者研究武汉东胡富营养化演变过程中发现，湖水中氮与磷浓度比值范围为11.8115.51，平均121。负荷量：造成水体富营养化的关键是连续不断流入水体中的营养物质氮、磷的负荷量。负荷量有两种表示方法：单位体积负荷量（g/m3a）和单位面积负荷量（g/m2a）。,3.水体富营养化的判断标准 水质营养状态标准：总磷0.01mg/L贫营养；0.010.02中营养；0.02 mg/L富营养。水质富营养化负荷标准：湖泊富营养化的临界负荷为：总氮510g/（m2a），总磷0.20.5g/（m2a）。水质富营养化标准除总氮、总磷外，还有BOD、COD、透明度、叶绿素、悬浮物等,4.水体富营养化的负荷模型 沃伦威德尔模型：对于停留时间很长，水质基本处于稳定状态的湖泊和水库，可以被作为一个均匀混合的水体进行研究。沃伦威德尔假设，湖泊中某种营养物质的浓度随时间的变化率是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物质的函数，可以用下述平衡方程式表示：Vdc/dt=Ic-SCV-Qc 式中：V湖泊和水库的容积（m3）；c某种营养物质的浓度（g/m3）；Ic某种营养物质的总负荷（g/a）；S营养物质沉积速度常数（1/a）；Q湖泊出流量（m3/a）。引入冲刷系数r=Q/V，上式可改写为：dc/dt=Ic/V-Sc-rc,当t=0，c=c0时，可得解析解：c=Ic/（V（S+r）+（V（s+r）c0-Ic）/（V（S+r）exp-（S+r）t 当t时，可以达到营养物质的平衡浓度Cp：Cp=Ic/（r+S）V）若令Tw=1/r=V/Q和V=Ash，则 Cp=Lc/（Sh+h/tw）式中：tw水在湖泊、水库中停留时间（a）；As湖泊、水库的水面面积（m2）；h湖泊、水库的平均水深（m）；Lc 单位面积营养负荷 Lc=Ic/As（g/m2a）。,吉柯奈尔-迪龙模式：dc/dt=Ic（1-Rc）/V-rc 式中：Rc某种营养物质在湖泊、水库中的滞留分数；其余符号同前。在稳态条件下，解吉柯奈尔-迪龙模式，可得平衡浓度：Cp=Ic（1-Rc）/（rV）=Lc（1-Rc）/（rh）滞留系数：Rc=1-J出/J入 J出湖泊输入的总磷量（g）；J入湖泊输出的总磷量（g）。,三.重金属在水环境中的迁移转化 前面我们已经讨论了有机污染物在水环境中的迁移转化，与有机污染物相比，重金属污染物对环境以及人体健康形成的威胁或产生的后果更为严重。这是因为有机污染物可发生降解作用，而重金属排入环境后不易除去，而是在环境中长期累积，并且可以把某些重金属转化为毒性更大的金属有机化合物，从而对生物和人体产生更大的毒性作用，为此研究水环境中重金属的迁移转化，对减小或防治其危害有着重要的意义。（一）水体中重金属迁移的形态 1.溶解态：以简单离子或络离子形态迁移 2.吸附态：被吸附于悬浮的胶体颗粒上随悬浮物以机械形式迁移 3.金属胶膜态：以胶膜形态沉淀或共沉淀于悬浮颗粒表面随悬浮物 而迁移。4.固体有机物态：被吸附在固体生物物质中，随固体物质的迁移而迁移。5.结晶矿物态：结合在破碎的矿物晶格中随沉积物一起迁移。,以上五种形式可以总称为两种形式：溶解态 悬浮态 从一定程度上来讲，金属的性质决定着它在水中迁移的形态。一般言之，金属的易溶盐类(K、Na、Zn、Cu)主要以溶解态迁移；其它以悬浮态迁移，主要是一些稀有金属元素；大多数金属元素即可以溶解态迁移，又以吸附态迁移。例如,对黑河流域的研究表明：钒(V)仅以悬浮态形式迁移；Cr、Ni、Be、Ca、Zn等也主要以悬浮态形式迁移，但某些条件下以溶解态迁移。Fe、Mn、Ba、Mo、Sr 以悬浮态和溶解态迁移。有人研究了Fe、Mn、Ni、Co、Cr、Cu 在南美赤道附近的亚马逊河和北美距北极圈不远的育空河中迁移的机制。发现在这两条不同自然地理条件下，上述元素的迁移形态有一定的近似性。,Fe、Ni、Co在这两条河流中的迁移形态主要是结晶矿物态，其次是金属胶膜态，再次是固体有机态，其它方式的很少。这三种形态占迁移量的百分比分列为：亚马逊河(%)Fe Ni Co 45.5 37.7 43.9 结晶矿物态 47.2 44.1 27.3 金属胶膜态 6.5 12.7 19.3 固体有机态 育空河(%)Fe Ni Co 48.2 31.0 51.4 结晶矿物态 40.6 47.8 29.2 金属胶膜态 11.0 16.0 12.9 固体有机态,Cr和Cu的迁移形式最主要为结晶矿物态，占迁移总量的6487%；其次为溶解态(Cr为10.212.6%,Cu为3.36.9%)；再次是固体有机物态(Cr为7.613.2%,Cu为3.35.8%)。Mn的迁移以金属胶膜态为主，占迁移总量的45.750%，其次为结晶矿物态27.231.7%；再次为溶解态10.117.3%；需要说明的是：以上六种金属在上述两条河流中的迁移态是在一定的环境条件下得出的（该两条河流均为受污染）。只能说明在一定条件下的某种规律性。但随着环境条件的变化和水溶物质的变化（气温、水温、PH、水中所含物质浓度等变化）其迁移形态或规律性也要随之发生变化。,（二）地表水体中重金属迁移转化的影响因素 1、天然水中Cl-的含量 氯离子是天然水体中最易迁移的离子之一，其迁移形态为溶解态。氯离子是一些重金属离子的络合剂，它与重金属的络合程度取决于氯化物自身的浓度，也取决于被络合金属离子的性质。水中氯离子的存在，可使氢氧化汞（Hg（OH）2）和硫化汞（HgS）的溶解度分别增加105 倍和3.6107倍。可见，水中Cl-的存在，可增加水中重金属的溶解态，从而加速了重金属在水中的迁移。2、水中CO 32-与硫化氢的含量 当水中有CO32-、H2S、HS-、S2-存在时，可使重金属元素和离子以碳酸盐和硫化物的形式沉淀至底泥，从而起到了阻止重金属元素在水中迁移的作用。3、pH值 pH值控制着水中金属氢氧化物的形成，在适当的pH条件下，可生成Cr（OH）3、Cd（OH）2、Fe（OH）3等金属氢氧化物沉淀。从而，影响重金属元素在水中的迁移。,4、Eh值 水体的氧化还原条件，决定了金属离子化合价态的变化。如氧化条件下金属铬呈六价Cr6+，还原条件下为Cr3+，价态的变化改变了离子和化合物的溶解度，因此，影响着重金属污染物在水体中的存在形式和迁移速度。5、水体中的胶体成分 水体中以胶体状态存在的物质种类很多，主要有：粘土矿物等悬浮物；金属氢氧化物等无机胶体；腐殖质等有机胶体；细菌、病毒、水藻等生物胶体。它们可产生种种胶体化学效应，影响重金属在水中的迁移转化。如：矿物微粒的吸附作用、有机胶体的螯合作用等，都可以使重金属进入底泥暂时固定下来。但是，当条件发生变化时，沉积在底泥的重金属可泛起再次进入水中。6、水温、水的流动状态、水生生物等,第四节 水环境污染控制及管理 一、水体污染的防治和管理 1、制定标准 关于水体污染防治控制的标准，目前我国已制定了水环境质量标准、污染物排放标准和有关基础标准。水环境质量标准 地面水环境质量标准（GB383888）海水质量标准（GB307982）渔业水质标准（GB1160789）景观娱乐用水水质标准（GB1294191）农田灌溉水质标准（GB508492）地下水质量标准（GB/T1484893）,污水排放标准：分综合性排放标准和行业性排放标准两类。如：污水综合排放标准（GB897896）船舶污染物排放标准（GB355283）造纸工业水污染物排放标准（GB354492）钢铁工业水污染物排放标准（GB1345692）有关基础标准 水质 词汇（GB681686）（GB1191589）环境保护图形标志 排放口（源）（GB15562.195）,2、采取对策 减少污水及污染物排放量 建立污水处理系统 加强水环境规划 加强水环境监测 强化法律意识，依法管理水环境 二、废水处理技术 1、废水处理基本方法 物理法：沉淀法（重力分离法）过滤法（滤网 沙层 活性碳）离心分离法 汽浮（浮选）法 高梯度磁分离法 化学法：中和法 混凝法 氧化还原法 化学沉淀法 物理化学法：吸附法 离子交换法 萃取法 膜析法 蒸发法 生物法：活性污泥法 生物膜法 生物塘法 污泥土地处理法：污水灌溉 慢速下渗 快速下渗,一、废水的来源及特征 化工废水是从每一种化工产品生产过程中排放出来的废水(包括工艺废水、冷却水、废气洗涤水、设备及场地冲洗水等)。(一)化工废水的主要来源(1)化工生产的原料和产品在生产、包装、运输、堆放的过程中因一部分物料流失又经雨水或用水冲刷而形成的废水。(2)化学反应不完全而产生的废料。一般的反应转化率只能达到7080。(3)化学反应中副反应生成的废水。(4)冷却水。(5)一些特定生产过程排放的废水。如：酸洗或碱洗过程排放的废水，溶剂处理中排出的废溶剂，(6)地面和设备冲洗水和雨水，因常夹带某些污染物，最终也形成废水。,化学工业废水按成分可分为三大类：第一类为含有机物的废水，主要来自基本有机原料、合成材料(含合成塑料、合成橡胶、合成纤维)、农药、染料等行业排出的废水；第二类为含无机物的废水，如无机盐、氮肥、磷肥、硫酸、硝酸及纯碱等行业排出的废水；第三类为既含有有机物又含有无机物的废水，如氯碱、感光材料、涂料等行业。如果按废水中所含主要污染物分则有含氰废水、含酚废水、含硫废水、含氟废水、含铬废水、含有机磷化合物废水、含有机物废水等。,(三)化工废水的特点,(1)废水排放量大(2)污染物种类多水(3)污染物毒性大(4)废水中有害污染物较多(5)化工废水的水量和水质视其原料路线、生产工艺方法及生产规模不同而有很大差异(6)污染范围广,第三节 废水处理技术 1、按作用原理分 物理法：沉淀法（重力分离法）过滤法（滤网 沙层 活性碳）离心分离法 汽浮（浮选）法 高梯度磁分离法 化学法：中和法 混凝法 氧化还原法 化学沉淀法 物理化学法：吸附法 离子交换法 萃取法 膜析法 蒸发法 生物化学法：活性污泥法 生物膜法 生物塘法,2、按处理程度分 一级处理:一级处理是去除废水中的漂浮物和部分悬浮状态的污染物质，调节废水pH、减轻废水的腐化程度和后续处理工艺负荷的处理方法。污水经一级处理后，一般达不到排放标准。所以一般以一级处理为预处理，以二级处理为主体，必要时再进行三级处理，即深度处理，使污水达到排放标准或补充工业用水和城市供水，一级处理的常用方法如下。(1)筛滤法(2)沉淀法(3)上浮法(4)预曝气法,二级处理 二级处理是污水通过一级处理后，再加处理，用以除去污水中大量有机污染物，使污水进一步净化的工艺过程。相当长时间以来，主要把生物化学处理作为污水二级处理的主体工艺。近年来，采用化学或物理化学处理法作为二级处理主体工艺，并随着化学药剂品种的不断增加，处理设备和工艺的不断改进而得到推广。二级处理的主要方法如下(1)活性污泥法 以污水中有机污染物作为底物，在有氧的条件下，对各种微生物群体进行混合连续培养，形成活性污泥。利用这种活性污泥在废水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，去除废水中有机污染物。,(2)生物膜法 生物膜法是使废水通过生长在固定支承物表面的生物膜，利用生物氧化作用和各相之间的物质交换，降解废水中有机污染物的方法。三级处理 污水三级处理又称污水深度处理或高级处理。为进一步去除二级处理未能去除的污染物质，其中包括微生物未能降解的有机物或磷、氮等可溶性无机物。完善的三级处理由除磷、除氮、除有机物(主要是难以生物降解的有机物)、除病毒和病原菌、除悬浮物和除矿物质等过程单元组成。,物理处理法,废水的物理处理法是利用物理作用来进行废水处理的方法,主要用于分离去除废水中不溶性的悬浮污染物。在处理过程中废水的化学性质不发生改变。主要工艺有重力分离、离心分离、筛滤等,使用的处理设备和构筑物有格栅和筛网、沉砂池和沉淀池、气浮装置、离心机、旋流分离器等。,一、重力分离(一)沉淀法 利用重力作用使废水中重于水的固体物质 下沉,从而达到与废水分离的目的。沉淀法又分为自然沉淀和混凝沉淀两种。一次沉淀池：在生化处理前，废水先要通过沉淀池 进行沉淀，设备在生化处理之前的沉淀池，称为初级沉淀池 二次沉淀池：在生化处理后的沉淀池(二)沉砂池(三)隔油池,图32 附有链条刮泥机的平流沉淀池 1一进水槽；2一进水孔；3一进水挡板；4一出水挡板；5一出水槽；6一排泥管；7一排泥闸门；8一链带；9一排渣,二、离心分离 使含有悬浮物的废水在设备中高速旋转,由于悬浮物和废水质量不同,所受的离心力不同,质量大的被甩到外圈，质量小的则留在内圈，通过不同的出口将它们分别引导出来，从而可使悬浮物和废水分离。三、过滤法 格栅：格栅是由一组平行的金属栅条制成的具有一定间隔的框架。将其斜置在废水流经的渠道上,用于去除废水中粗大的悬浮物和漂浮物。筛网是由穿孔滤板或金属网构成的过滤设备,用于去除较细小的悬浮物。,化学处理法,化学处理法是利用化学反应来分离、回收废水中的污染物,或将其转化为无害物质,利用化学作用来处理废水中的溶解物质或胶体物质，可用来去除废水中的金属离子、细小的胶体有机物、无机物、植物营养素(氮、磷)、乳化油、色度、臭味、酸、碱等，对于废水的深度处理有着重要作用。主要工艺有中和、混凝、化学沉淀、氧化还原、电化学等方法。,一、中和法：中和法是利用化学方法使酸性废水或碱性废水中和达到中性的方法。在中和处理中,应尽量遵循“以废治废”的原则,优先考虑废酸或废碱的使用,或酸性废水与碱性废水直接中和的可能性。其次才考虑采用药剂(中和剂)进行中和处理。,(一)中和酸性或碱性废水的方法 1酸性废水的中和处理方法 对酸性废水进行中和时，可采用以下一些方法。使酸性废水通过石灰石滤床；与石灰乳混合；向酸性废水中投加烧碱或纯碱溶液；与碱性废水混合，使废水pH近于中性；向酸性废水中投加碱性废渣，如电石渣、碳酸钙、碱渣等。,2碱性废水处理方法 对碱性废水，一般可以采用以下途径进行中和。向碱性废水中鼓人烟道废气；用烟道气中和碱性废水，主要是利用烟道气中的COz和S02两种酸性气体对碱性废水进行中和。向碱性废水注入压缩的二氧化碳气体；向碱性废水投入酸或酸性废水等。,二、混凝沉淀法 混凝法是通过向废水中投入一定量的混凝剂,使废水中难以自然沉淀的胶体状污染物和一部分细小悬浮物形成具有一定大小的絮凝体,在后续沉淀池中沉淀分离,从而使胶体状污染物得以与废水分离的方法。(一)混凝原理 混凝法的基本原理是在废水中投入混凝剂，因混凝剂为电解质，在废水里形成胶团，与废水中的胶体物质发生电中和，形成绒粒沉降。混凝沉淀不但可以去除废水中的粒径为10一310emm的细小悬浮颗粒，而且还能够去除色度、油分、微生物、氮和磷等富营养物质、重金属以及有机物等。废水中投入混凝剂后，胶体因导电位降低或消除，破坏了颗粒的稳定状态(称脱稳)。脱稳的颗粒相互聚集为较大颗粒的过程称为凝聚。未经脱稳的胶体也可形成大的颗粒，这种 现象称为絮凝。不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳、凝聚或絮凝。按机理，混凝可 分为压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕四种。按机理，混凝可 分为压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网四种。,(三)混凝剂和助凝剂 按其化学成分可分为无机及有机两大类。无机盐主要是铝和铁的盐类及其水解聚合物，有机类品种很多，主要是高分子化合物，可分为天然的及人工合成的两部分。无机混凝剂主要是利用其中的强水解基团水解形成的微絮体使脱粒脱稳，无机混凝剂以其价格低廉、原料易得等优点得以大量运用，有机混凝剂分为天然有机混凝剂与人工合成有机高分子混凝剂。天然有机混凝剂是人类使用较早的混凝剂，不过其用量远少于人工合成高分子混凝剂。,(四)混凝处理流程及设备混凝处理流程包括投药、混合、反应及沉淀分离几个部分，,三、化学氧化还原法 废水经过化学氧化还原处理，可使废水中所含的有机物质和无机物质转变成无毒或毒性不大的物质，从而达到废水处理的目的。氧化还原法是利用溶解在废水中的有毒有害物质,在氧化还原反应中能被氧化或还原的性质,把它们转变为无毒无害物质的方法。废水处理使用的氧化剂有臭氧、氯气、次氯酸钠等,还原剂有铁、锌、亚硫酸氢钠等。可以处理废水中的CN-、S2-、Fe2+、Mn2+等。1、空气氧化法（O2）2、氯气氧化法（Cl2）3、臭氧氧化法（O3）,化学沉淀法：化学沉淀法是通过向废水中投入某种化学药剂,使之与废水中的某些溶解性污染物质发生反应,形成难溶盐沉淀下来,从而降低水中溶解性污染物浓度的方法。化学沉淀法一般用于含重金属工业废水的处理。根据使用的沉淀剂的不同和生成的难溶盐的种类,化学沉淀法可分为氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法和钡盐沉淀法。,物理化学处理法,一、吸附法：吸附法是采用多孔性的固体吸附剂,利用固一液相界面上的物质传递,使废水中的污染物转移到固体吸附剂上,从而使之从废水中分离去除的方法。具有吸附能力的多孔固体物质称为吸附剂。根据吸附剂表面吸附力的不同,可分为物理吸附、化学吸附和离子交换性吸附。在废水处理中所发生的吸附过程往往是几种吸附作用的综合表现。废水中常用的吸附剂有活性炭、磺化煤、沸石等。,二、浮选法三、电渗析1、电渗析原理2、电渗析在废水处理中的应用四、反渗透又称膜分离技术：可使溶液中一种或几种成分不能透过,而其他成分能透过的膜,称为半透膜。膜分离是利用特殊的半透膜的选择性透过作用,将废水中的颗粒、分子或离子与水分离的方法。五、超过滤 与反渗透的原理一样，只是压力比较低一般在0.1-0.5MPa,（1）废水处理的物理方法 废水的物理处理法是利用物理作用来进行废水处理的方法,主要用于分离去除废水中不溶性的悬浮污染物。在处理过程中废水的化学性质不发生改变。主要工艺有筛滤、重力分离、离心分离