第二章天然水的基本特征和水污染.ppt

1,第二章 天然水基本特征和水污染,内容提要:水在地球上的分布和循环;水的特性和环境效应;天然水的组成;水体的污染物；水质指标,2,第二章 天然水基本特征和水污染,地球上水的总量是巨大的，达到1.41021kg地球表面的总面积为516106km2若地表平滑而没有起伏，地球表面将形成平均水深为2713m无边无际的汪洋虽然淡水仅占总水量的2.7，数量仍然很大,3,马里亚纳海沟（Mariana Trench）是世界最深的海沟，它位于菲律宾东北、马里亚纳群岛附近的太平洋底，这条海沟的形成据估计已有6000万年,是太平洋西部洋底一系列海沟的一部分。它位于北纬11 20，东经14211.5;，亚洲大陆和澳大利亚之间，北起硫黄列岛、西南至雅浦岛附近。其北有阿留申、千岛、日本、小笠原等海沟，南有新不列颠和新赫布里底等海沟。全长2550千米，为弧形，平均宽70千米，大部分水深在8000米以上。最大水深在斐查兹海渊，为11034米，是地球的最深点。如果把世界最高的珠穆朗玛峰放在沟底，峰顶将不能露出水面。,4,地球上存在的淡水有99是难以直接被人们利用因为地球南、北极的冰帽和高山的冰川储存了淡水的77%，地下水占22，容易利用的江河湖水及浅层地下水仅约占总淡水量的1人们正是利用这些少量淡水，解决生活和工农业生产的用水要求,5,表2-1自然环境中的水量分布,注:地下水包含有淡水和咸水,6,我国淡水资源年供应量约为2.81015kg，居世界各国的第六位由于人口众多，国土辽阔，平均每人占有的水资源量远远低于世界的平均水平我国水资源的分布随地域和季节有很大差异洪涝灾害和干旱缺水在我国普遍而经常地出现供水短缺，将是我国在21世纪所面临的重大问题,7,洁净的淡水资源是十分珍贵的社会财富解决水资源的供应，要从数量和品质两方面同时着手当前我国的基本措施是：(1)巩固和改善现有水利工程，疏浚河湖，并新建必要的工程，增强蓄水、防洪和供水能力(2)加强废污水处理，有效保护水源(3)注意节约用水和综合利用水源，提高水的使用价值(4)加强水资源的管理 长远的根本措施，除切实做好上述几点外，要加强种树种草，绿化国土，保持水土,8,水的物理化学特性及环境的效应,9,水的物理化学特性及环境的效应,10,水的物理化学特性及环境的效应,11,第一节 天然水的性质和组成,一 天然水系的类别,具有环境相对重要性的有地面水、地下水和大气水，它们分别属于水圈、岩石圈和大气圈,12,二、自然界的水循环,水的三个物理状态之间的变化是自然界水循环的基础。在太阳的热辐射作用下，部分地表水被蒸发成水气，水气随大气气流运动而转移，遇冷凝结成云，继而以降水形式回到地表。然后，到达地表的水又重新蒸发、凝结、降落。这种过程周而复始，循环不已，这就是水循环。,显然，决定水循环的基础是水的物理性质和太阳辐射能量，此外，地质地貌、土壤和生物群落的种类和性质对水循环也有很大的影响。,l,g,s,水从某储层流出时，该储层称为源；水自外流入储层时，该层称为汇。通量表示在一定时期内（一般为一年）沿特定径路传质的数量。,13,方框内表示储层中水物质的总量(即储存量),14,地球表面水经吸收太阳辐射热而蒸发，进入大气的水中有83%来自海洋，但通过雨雪而返回海洋的水量仅为70%左右；陆地水的情况正好与海水相反，也就是说，有一部分海水是通过河川归流入海而得到补足的。在河川水归海的过程中还有一部分渗入土壤或岩层，为植物吸收或转入地下水，缓慢流动后才归流海洋。,15,生物圈含水总量少得几乎不能与其它圈层相比，但组成生物体的主要成分还是水。例如活细胞中含水分约6090%，其他生物体含水量大约是：脊椎动物为66%、哺乳动物平均为85%、木材为60%、干的种子为10%。氧、碳、氢依次是生物圈中丰度最大的三元素，且氧和氢的比例接近水中该两元素之比。因此，生物体中含有如此大量的水是可以理解的。,16,水在环境中平均滞留时间为：大气：910天；海洋：浅层为100150年、最深层为30 00040 000年、世界范围平均为3 000年；大陆：冰川为23周、湖泊10100年、冰冠和冰川为10 00015 000年；深地下水为几千年、浅地下水为几百年。,17,大气中一般含1%3%（体积）水蒸气，这部分水分子能强烈吸收红外线，由此影响地球热平衡；大气中水分形成云层后还有反射太阳光而降温的作用；到了晚间，覆盖在地球表层的水蒸气又起了“被褥”的作用，使地面在白天所吸收到的热量不至于大量散发到空间中去。,流动在大气中的水分有调节气温的巨大能力,18,由于水具有溶解许多物质及具有流动的特性，因此通过其本身循环能载带和推动其它物质循环。岩石中的很多组分受水体侵蚀后随水流归入大海是最显而易见的例子；海水中所溶解的盐分能以喷沫形式转入大气，从而使近海地区降雨中含有相当数量盐分也是一个例子。,载带和推动其它物质循环,19,影响水循环的作用有三个基本因素：(1)水的物理性质决定了水的循环成为可能；(2)太阳辐射是水循环的源动力；(3)循环路线的结构和性质，特别是地表循环途径的结构和性质，如地质地貌、土壤和生物等的类型和性质，它不但影响降水的分布和输送，而且还影响下渗及输水道的特性。,20,三、天然水体的组成,水体的定义在水污染化学中，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，或是被水覆盖地段的自然综合体。区分水和水体是重要的。例如，重金属(如Pb、Cu、Cr、Zn、Cd等)污染物通过沉淀、吸附、螯合等途径，很容易从水相转移到底泥中，所以水中重金属的含量一般都不高。如果光从水来看，似乎没有受到污染，但整个水体可能受到严重污染。,21,在水的自然循环中，地表径流部分水量虽然不大，但是它在自然界所起的作用十分巨大，在风化(包括物理、化学、生物风化)过程和水迁移过程中，输送了土壤中的矿物质和有机质，使天然水具有各种组分。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,22,天然水体的组成,23,海水的主要组成,24,河水中部分元素的含量及其可能存在的形态,25,(1)主要离子天然水体中的主要阳离子有Ca2+、Mg2+、Na+、K+等，主要阴离子有Cl-、SO24-、HCO3-、CO32-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HCO3-SO42-Cl-，Ca2+Na+Mg2+，而海水中相应的含量顺序为Cl-SO42-HCO3-，Na+Mg2+Ca2+。地下水受局部环境地质条件限制，其优势离子变化较大。,26,(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。微量元素多数属于重金属元素。,27,(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/mLng/mL之间，它们存在的形态与水体酸碱性、氧化还原性有关。,氮、磷是水生生物生长和繁殖所必需的营养元素，但如果水中氮、磷含量过高，会发生富营养化现象。铁是常见的一种矿物元素；地下水中的铁主要以Fe()形态存在，含量可达每升几十毫克；在地表水中由于溶解氧充足，铁常以Fe()价态存在。天然水中硅主要来自硅酸盐和铝硅酸盐的水解。,28,(4)有机物质天然水体中有机物的种类繁多。它们是水生植物光合作用的产物和水生动物在不同阶段分解产物的混合物。通常将水体中有机物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。水体中大部分有机物是呈褐色或黑色无定形腐殖质，它们的分子量范围为几百至几万。通常根据腐殖质在酸、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。,29,30,(5)溶解气体 一般情况下，天然水中存在的气体有氧气、二氧化碳、硫化氢、氮气和甲烷等。它们来自大气中各种气体的溶解、水生动植物的活动、化学反应等。海水中的气体还可来自海底火山爆发。表2-6列出了海水中主要溶解气体的含量范围。,31,海水中主要溶解气体的含量范围,32,溶解于水中的气体以氧(O2)和二氧化碳(CO2)比较重要，它们能影响水生生物的生存和繁殖及水中物质的溶解、化合等化学和生化行为。水中氧:当水中含氧量小于其饱和含量时才能使水进行富集氧；水生植物光合作用逸出的氧。水中氧的消耗部分包括有机物的氧化、有机体的呼吸和生物残骸的发酵腐烂作用等。天然水中氧的含量一般在014 mg/L之间。水中二氧化碳来源于有机体氧化分解、水生动植物的新陈代谢作用及空气中二氧化碳的溶解；消耗于碳酸盐类溶解和水生植物的光合作用。,天然水除氧、二氧化碳以外，在通气不良的条件下，有时还会有硫化氢气体存在。水体中硫化氢气体来自厌氧条件下，含硫有机物的分解及硫酸盐的还原，而大量硫化氢则是火山喷发的产物。由于H2S易于氧化，所以只能在缺氧条件下存在，同时空气中硫化氢分压很低，水中硫化氢容易逸出，所以地表水中硫化氢含量甚微或为零，否则就表明已遭受人为污染。,33,四、天然水体的层次及其存在物质,天然水体是一种不可准确描述的复杂体系，实验室根本无法获得与其完全一致的模拟体系。天然水体中存在许多杂质（沾污物），且按其密度差异，可分别分散在上、中、下三个层次之中。,34,四、天然水体的层次及其存在物质,1、表层例如与空气交界的河流表层富含脂肪酸、脂类等化合物，这些物质的分子大多是疏水性的，是造成这一水层表面张力增大的原因。因此，一些微小水生动物（如水蜘蛛）能在这类似蹦床的表层水面上活动。,35,四、天然水体的层次及其存在物质,2、中间层 表层与底层之间有一个含多糖、蛋白质等营养物质的薄层。在薄层中，溶解性有机物质浓度可达2 g/L9 g/L，所以是河水中微生物的一个重要活动场所，每毫升水中可含108个细菌个体。,36,四、天然水体的层次及其存在物质,3、底层 底层的沉积物中含有各种颗粒度不等的砾、砂、粘土、淤泥、生物排泄物和尸体以及各种天然和人造的化学物质（金属、颗粒状有机物等）。,37,天然水中颗粒物质大小及其在静水中的沉降速率,在占大体积比率的中间层中所含的杂质主要是溶解性的分子和离子、胶体微粒和悬浮颗粒物，其种类之多达到不可计数的程度。溶解性分子和离子的粒度一般不大于10-3m，这类组分不可能通过过滤或沉降的方法从水中分去；胶体粒子可通过丁达尔效应观察其在水体中的存在，这类粒子能穿过大多数过滤介质的孔目，且沉降速度很慢，同样不能用过滤或沉降的方法从水中分去；直径大于1m的悬浮性颗粒能够被一般过滤介质阻留，也能较快沉降，这些颗粒能阻碍日光透过，是造成水体外观浑浊的原因。水体中大多数微生物也属于此类。悬浮颗粒物沉降、淀积在水底，即转为天然水体沉积物的组成部分。,38,天然水体中除自然分层外，还含有包括生物体在内的种种异相物质。在考虑对一个污染水体作水质分析时，必须考虑待测污染物在水体中的分布状态，以便采到有代表性的样品。,39,40,41,第二节 水体污染,一、基本概念水体污染 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。水体自净 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状态的过程。,环境本底：自然环境未受到污染的情况下，各种环境要素中的化学元素或化学物质的基线含量。,湖水富营养化Eutrophication of water quality,42,第二节 水体污染,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.,43,第二节 水体污染,二、水体中的污染物 水体污染包括无机和有机有毒物质、耗氧有机物、石油类、放射性物质、热污染以及病原微生物等。1、病原体污染物：生活污水、畜禽饲养场污水以及制革、洗毛、屠宰业和医院等排出的废水，常含有各种病原体，如病毒、病菌、寄生虫。病原体污染的特点（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（6）传统的二级生化污水处理及加氯消毒后，某些病原微生物、病毒仍能大量存活。,44,第二节 水体污染,2、耗氧污染物 耗氧有机物浓度常用单位体积水中耗氧物质生化分解过程所消耗的氧量表示，即以生化需氧量(BOD5)表示。3、植物营养物 植物营养物主要指氮、磷等能刺激藻类及水草生长、干扰水质净化，使BOD5升高的物质。富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。,45,第二节 水体污染,有毒污染物质对生物的作用 有毒污染物质是指进入生物体后累积到一定数量能使体液和组织发生生化和生理功能的变化，引起暂时或特久的病理状态，甚至危及生命的物质。,有毒污染物对生物的综合效应相加作用：两种以上毒物共存时，其总效果大致是各成分效果之和。协同作用：两种以上毒物共存时，一种成分能促进另一种成分毒性急剧增加。铜、锌共存时，其毒性为它们单独存在时的8倍.拮抗作用：两种以上的毒物共存时，其毒性可以抵消一部分或大部分。锌可以抑制镉的毒性；又如在一定条件下硒对汞能产生拮抗作用,46,4、石油污染 石油是烷烃、烯烃和芳香烃混合物。石油污染物主要来自工业排放，清洗石油运输船只的船舱、机件及发生意外事故，海上采油等均可造成石油污染。墨西哥湾的石油泄漏事件,47,5、放射性污染物 放射性污染是由放射性物质进入水体造成。放射性污染物主要来源于核动力工厂排出的冷却水，向海洋投弃的放射性废物，核爆炸降落到水体的散落物，核动力船舶事故泄漏的核燃料；开采、提炼和使用放射性物质时，如果处理不当，也会造成放射性污染。,48,6、酸、碱、盐无机物污染7、热污染 热污染是一种能量污染，是由工矿企业向水体排放高温废水造成。水环境中污染物，总体上可划分为金属污染物和有机污染物两大类。,49,50,第三节 水质标准和水质指标,水质、水量和水能是度量水资源可利用价值的三个重要指标.水质指标指水样中除水分子外所含杂质的种类和数量或浓度。天然水(也兼及各种用水、废水)的水质指标，可分为物理、化学、生物、放射性四类。有些指标可直接用某一种杂质的浓度表示其含量，有些指标则是利用某一类杂质的共同特性来间接反映其含量。如有机物杂质可用需氧量（化学需氧量、生物化学需氧量、总需氧量）作为综合指标（也被称为非专一性指标）。,水质标准 国家环境保护局于2002年发布了地面水环境质量标准p17表2-5列出了某些国家水质标准,51,一、水质物理指标 水质物理指标:温度气味味色度透明度（浑浊度）悬浮物,52,一、水质物理指标1、温度 影响水的其它物理性质和生物、化学过程。由于地表气候条件影响和地质条件不同，地表水及地下水的温度变化范围很大，从零下几十度到高于100不等。水温影响水的其他物理性质和生物、化学过程。,53,2、臭和味 属于感官指标，可借以判断某些杂质或有害成分的存在与否。由于水中有机物的分解，溶解气体、矿物成分以及其它污染物等原因而产生水臭，称为天然臭气。由某些工业污染水所引起的称为人为臭气。如果水中含有矿物质和有机物时，会产生水味。一般仅对极为清洁的水或消毒的水进行测定。作为饮用水时应无异嗅和异味。,54,3、色度 属于感官指标，水中悬浮物、胶体或溶解类物质均可生色。通常是通过原水与特配的色度标准色阶比色而得。1个色度单位相当于每升水样中含1 毫克铂所形成的颜色。水样的色度应以除去悬浮物后清液的色度为准。,55,4、浊度 由水中悬浮物或胶体状颗粒物质引起的。浊度可用浊度仪或分光光度计进行测定。浊度的单位1升水中含1毫克白陶土（或高岭土）所产生的浑浊度定为1度。规定白陶土的粒度为200目。我国饮用水标准规定浊度不得超过5度。,56,5、悬浮物 将水样在一定温度下蒸发至干，所得的残留物质称为蒸发残渣。蒸发残渣是水样中悬浮物(SS)和可溶性固体之和。包括无机物、有机物和生物体。蒸发残渣、悬浮物和可溶性固体三者之间有下列关系：蒸发残渣=悬浮物+可溶性固体,57,总残渣可分为挥发性残渣和固定残渣两部分，它们分别与水样中有机物和无机矿物质含量相关。,58,二、水质化学指标（一）非专一性指标1、电导率 表示水样中可溶性电解质总量。2、pH 天然水体的pH值一般在6-9之间，而且对某一水体，其pH值几乎保持不变，表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。一般认为，水含有的各种碳酸化合物水控制水的pH值并具有缓冲作用,59,例如在16时蒸馏水中，当其与空气中的CO2达到平衡时，溶解的CO2为610-6g/L，请计算水的pH值.K1=4.510-7,60,例如在16时蒸馏水中，当其与空气中的CO2达到平衡时，溶解的CO2为610-6g/L，即,正常海水的pH为8.15，淡水pH为6.0-7.5，矿井水 pH为3.0-4.0，土壤pH为4.0-8.5，生物细胞体液pH为7.0-7.5，胃液pH可以低至2.0。,61,3、氧化还原电位 决定水中变价元素的形态。4、硬度 由可溶性钙盐和镁盐组成，引起用水管路中发生沉积和结垢。,62,5、碱度 一般来源于水样中OH-、CO32-、HCO3-离子。关系到水中许多化学反应。6、无机酸度 源于工业酸性废水或矿井排水，有腐蚀作用。,63,（二）无机物指标1、铝 影响水的可饮用性，对金属有腐蚀作用，对生物有一定毒性2、铁 在不同条件下可以Fe2+或胶体Fe(OH)3状态，造成水有铁锈味和浑浊，形成水垢、繁生铁细菌,64,3、锰 常以Mn2+形态存在，其许多化学行为与铁相似4、铜 影响水的可饮用性，对金属管道有侵蚀作用,65,5、锌 很多化学行为与铜相似6、钠 天然水中主要的易溶组分，对水质不发生重要影响,66,7、硅 多以H4SiO4形态普遍存在于天然水中，含量变化幅度很大8、有毒金属 常见的来源于镉、汞、铅、铬等，一般来源于工业废水,67,9、有毒准金属 常见的有砷、硒等，砷化物有剧度，硒化物产生嗅感和味觉10、氯化物 影响可饮用性，腐蚀金属表面,68,11、氟化物 饮用浓度控制在1 mg/L 可防止龋齿，高浓度有腐蚀性12、硫酸盐 水体中缺氧条件下经微生物反硫化作用转化为有毒的H2S,69,13、硝酸盐氮 通过饮用水过量地摄入婴幼儿体内时，转化为亚硝酸盐而致毒14、亚硝酸盐氮 是婴幼儿高铁血红蛋白症的病原物，与仲胺类作用生成致癌的亚硝胺类化合物,70,15、氨氮 呈NH4+和NH3形态存在，NH3对鱼有危害，用Cl2处理水时可产生有毒的氨氯，又可引起水体富营养问题,71,16、磷酸盐 基本上有三种形态：正磷酸盐、多磷酸盐和有机键合磷酸盐，是生命必须的物质，可引起水体富营养化问题17、氰化物 剧毒，进入生物体后破坏高铁细胞色素氧化酶的正常作用，致使组织缺氧窒息,72,生物化学需氧量(BOD)在好气的条件下，水体中的某些物质通过微生物作用进行生物氧化，在一定时间内所消耗的溶解氧的量。废水生物处理效果标度化学需氧量（COD）有机污染物的浓度指标,（三）非专一性有机物指标,73,化学需氧量COD(chemical oxygen demand)在规定条件下，使水样中能被氧化的物质氧化所需耗用氧化剂的量。常用的氧化剂有重铬酸钾和高锰酸钾,化学需氧量只是一种碳素需氧量，它的氧化范围只包括不含氮的有机物和含氮的有机物中碳素部分，不包括含氮有机物中的氮。对长链有机物也只能部分氧化。对许多芳烃和吡啶则完全不能氧化。,另外，COD指标不能区分有机物的品种中可被生物氧化和难被生物氧化的有机物。,74,生物需氧量BOD(biological oxygen demand)在规定条件下，水中有机物和无机物在生物氧化作用下所消耗的溶解氧。BOD包含的内容一般也是不含氮有机物和含氮有机物中的碳素部分。总体上，BOD氧化不如COD氧化彻底,所以BOD值COD值。BOD是唯一能反映水体中生化有机物含量的指标。,75,COD和BOD都是表示水体中有机污染物的重要指标。虽然不能代表有机污染物的具体品种和绝对量，但能相当清楚地表示水体受有机物污染的程度和负荷。,76,高锰酸盐指数(PV)易氧化有机污染物及还原性无机物的浓度指标总需氧量（TOD）水体中有机物完全氧化所需要的氧量。近于理论耗氧量值,TOD测定方法：在特殊的燃烧器中，以铂为催化剂，在900温度下，使一定水量气化，其中有机物燃烧，然后测定气体中氧的减少量作为有机物完全氧化所需的氧量。,77,总有机碳(TOC)近于理论有机碳值,总有机碳测定方法：在一定的条件下，使水样气体燃烧，测定其中二氧化碳的含量，从而确定水中碳元素的含量，在此总量中减去碳酸盐等无机碳元素的含量，就可以得到总有机碳的含量,酚类 多数酚类化合物对人体毒性不大，但有臭味（特别是氯化过的水），影响可饮用性,78,洗涤剂类 仅有轻微毒性，有发泡性石油类 影响空气-水界面间氧的交换，被微生物降解时耗氧，使水质恶化,79,（三）溶解性气体氧气 为大多数高等水生生物呼吸所需，腐蚀金属，水体中缺氧时又会产生有害的CH4、H2S等二氧化碳 大多数天然水系中碳酸体系的组成物,80,(四）生物指标细菌总数 对饮用水进行卫生评价时的依据大肠杆菌 水体被粪便污染程度的指标藻类 水体营养状态指标,81,（五）放射性指标总、总、铀、镭、钍等 生物体受过量辐射时（特别是内照射）可引起各种反射病或烧伤等,82,四、水质分析方法大致分为：金属类化合物比色法（或称分光光度法）、原子吸收法、ICP-AES非金属类化合物比色法、离子选择性电极法、容量法有机化合物比色法、容量法、色谱法,83,84,第四节 溶解在水体中的气体,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，藻类就是一种典型的自养水生生物。,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。作为异养生物的一个分支分解者，主要是细菌和真菌组成。分解者的特性是能够把生命起源物最终分解转化成可以被自养生物用来合成简单有机生命物质的原料。,85,（E.Suess）在1875年首次提出的，是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。下11000米处，其中包括大气圈的下层，岩石圈的上层，整个土壤圈和水圈。但绝大多数生物通常生存于地球陆地之上和海洋表面之下各约100 m厚的范围内，如果把地球看作一个足球大小，那么生物圈就比一张纸还要薄。,86,第四节 溶解在水体中的气体,一、溶解在水中的气体 溶解于水中的气体，对于水中生命体的生存是至关重要的。,鱼类摄入溶解氧，同时释放二氧化碳；藻类的情况却正好相反，因为它需要光合作用。溶解氮存在着潜在的危险，鱼类摄入溶解氮，可能会在鱼的血液中产生气泡，引起一种“潜函病”，严重时可置鱼于死地。近年来，鱼类资源日趋率减，鱼类死亡时有发生，溶解氮就是其中的一个原因。,87,第四节 溶解在水体中的气体,大气中气体分子与水溶液中同种气体分子之间的平衡：遵循亨利定律：某种气体在液体中的溶解度与同液体接触的此种气体的分压成正比。,88,第四节 溶解在水体中的气体,必须指出，该定律对于气体在溶液中进一步发生的化学反应未作考虑，例如：显然，若有化学反应存在时，溶于水中气体的量可能比亨利定律给出的数据高得多。,89,第四节 溶解在水体中的气体,根据亨利定律 气体G在水中的溶解度可用下述的平衡式表示：式中，K为G在给定温度下气体常数，亦称为亨利常数；p气为该气体的分压。由于水蒸气本身也产生一种分压，因而在计算气体在水中的溶解度时，应考虑该因素并对此进行校正，尽管这个分压在低温下是微小的。,90,第四节 溶解在水体中的气体,在压力一定的条件下，温度对气体在水中的溶解度的影响可以采用ClausiusClopeyron方程式表示：C1、C2分别是绝对温度下T1、T2气体在水中的溶解度，mg/LH表示溶解热，J/molR气体常数，8.314 J/molL,91,第四节 溶解在水体中的气体,例子：计算在1.01325105 Pa时，氧在被空气饱和的水中溶解度。已知25时，水蒸气的分压为3.171 103 Pa，在干燥的空气中氧的含量为20.95%。解：氧的分压为：,92,第四节 溶解在水体中的气体,解：根据亨利定律，水中氧的摩尔浓度为：,93,第四节 溶解在水体中的气体,因为氧的摩尔克式量为32g，故其溶解度为8.32 mg/L，或者8.32 ppm。,94,二、溶解氧（dissolved oxygen，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。水体受污染其溶解氧将逐渐减少，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。低于2毫克/升，水体就发臭。,95,若水中溶解氧不足，许多水生生物就难以在水中生存。水中有机物降解时需要消耗溶解氧，许多鱼类的死亡常常不是由污染物的毒性直接造成，而是因为污染物的生物降解过程中需要消耗氧而导致水中缺乏氧。,96,水中大部分单质氧是来自空气。因此，通过与空气接触而自动充氧的能力是天然水体的一个重要特性。虽然水中藻类在光合作用中有氧产生，但此过程实际上并非是水体充氧的有效途径，因为白昼光合作用产生的氧，有相当一部分在夜间藻类的代谢过程中消耗掉。藻类死亡后，其尸体降解也要消耗水中的氧。,97,如果生物体起始物质最简单有机物用化学式CH2O来表示，那么，水中有机物耗氧作用可以描述如下：即可算得25时，在与大气达到平衡的1 L水中，降解7.8 mg CH2O，需要消耗8.3 mg的氧气。,98,温度对于水中气体溶解度的影响很大，对氧气而言表现更为明显。当水温从0升至35时，水中氧气的溶解度则由14.74 mg/L下降至7.03 mg/L。随着水温的升高，不仅氧的溶解度下降，而且水生生物的呼吸速率加快。这两种因素结合起来，需氧量增加与溶解氧下降同时发生在水温升高的状态下。,99,二、天然水作为碳酸盐体系的性质 碳酸平衡 在水体中存在着CO2、H2CO3、HCO3-、CO32-等四种化合态，常把CO2、H2CO3合并为H2CO3*，H2CO3含量极低，主要是溶解性气体CO2。,100,碳酸平衡系统,101,已知25干燥空气中CO2的体积百分含量为0.0314%,水蒸气压力为3.171103 Pa，CO2的亨利定律常数为3.335 10-7 mol/LPa，大气压力为1.01325 105 Pa，计算水中溶解二氧化碳的浓度及pH。解：,102,溶解于水中的CO2有部分解离，产生相等浓度的H+和HCO3-：根据CO2的酸解离常数：,103,因为由空气溶解于1.00L纯水中的CO2总量等于CO2和HCO3-之和，故其值为(1.028+0.214)10-5=1.24210-5mol/L。由于CO2在水中的化学行为比氧气复杂，存在若干化学平衡过程，同时共存的有关平衡产物对水化学都有一定影响。由于大气中CO2的含量很小，与大气平衡水中CO2的含量也较低，不过，HCO3-和CO32-的形成，可明显增加CO2在水中的溶解度。,104,水中较高的游离CO2浓度对水生生物的气体交换和呼吸不利，严重时可导致水生动物死亡。一般认为，水中CO2含量不应超过25 mg/L。,105,天然水中存在的CO2主要是有机物生物降解的产物，而并非来自大气。藻类在白天光合作用过程中消耗CO2，但在黑暗中的代谢过程有CO2产物。此外，当水流从含有腐烂有机物地层滤过时，其中由土壤微生物呼吸产生的大量CO2随之流入水中。如果这种水进而流经石灰岩层时，岩体将在CO2作用下发生了溶解：因此，天然景观石灰岩溶洞的形成过程中，还有微生物的一份“贡献”。,106,第五节 天然水的酸度和碱度,一、天然水的碱度 碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，即能接受质子H+的物质总量。组成水中碱度的物质：（1）强碱在溶液中全部电离生成OH离子；（2）弱碱在水中发生反应生成OH离子；（3）强碱弱酸盐如各种碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物和腐殖酸 盐等，水解生成OH或者直接接受质子H+。,107,碱度具有缓冲pH和储存无机碳的功效，对于提高水体维持藻类和其他水生生物生长能力也有作用，因此，在生物家看来，碱度也是水的肥力的一种量度。水的碱度通常可用酸碱滴定法来测定。,108,1、酚酞碱度2、总碱度,以酚酞作指示剂，滴定终点的pH为8.3，此时，溶液中HCO3-离子占优势。,以甲基橙作指示剂，滴定终点时溶液的pH值为4.3，此时HCO3-和CO32-均转变成CO2，得到的是总碱度。,109,水的碱度,HO-H+H2O,CO32-H+HCO3-,HCO3-H+H2CO3,110,3、碱性和碱度 碱性和碱度是两个不同的概念，碱性是强度因子，碱度是能力因子。例如比较0.001 mol/L NaOH溶液和0.100 mol/L NaHCO3 溶液的碱性和碱度,111,0.001 mol/L NaOH溶液和，pH=11，是一个强碱性溶液，但1L 溶液仅能中和110-3 mol的酸；0.100 mol/L NaHCO3 溶液的碱性并不强，pH=8.34，然而，1L 0.100 mol/L NaHCO3 溶液却可以中和0.100 mol的酸。因此，0.100 mol/L NaHCO3 溶液的碱度比强碱性的0.001 mol/L NaOH溶液高100倍,112,水的碱度,HO-H+H2O,CO32-H+HCO3-,HCO3-H+H2CO3,113,二、酸度 酸度是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出H+或经过水解能产生H+的物质的总量。组成水中酸度的物质：（1）强酸；（2）弱酸如CO2、H2CO3、H2S、蛋白质以及各种有机酸类；（3）)强酸弱碱盐。天然水体的缓冲能力 天然水体的pH值一般在69之间。水中含有的各种碳酸化合物控制水的pH值并具有缓冲作用。,114,二、酸度通常天然水的酸度较难确定，一个主要的困难在于两个影响酸度的挥发性溶质，CO2和H2S很容易从水中逸出而损失：实践表明，要采集和保存可供这两种气体分析用的水样是比较困难的。,115,二、酸度天然水中H+浓度对于水的化学组成和化学过程影响很大，它关系着矿物的形成、溶解和变化，决定着化学反应的方向；相反地，天然水体中发生的各种物理化学反应反过来又会影响水体的pH值。,116,二、酸度生命体的呼吸作用和植物的光合作用，天然和人为的湍流通气作用，都有可能对水中的CO2浓度产生影响，对pH值起着调节作用。,117,二、酸度生物酶引起的反应，直接影响水体的pH值，氧化作用使pH值降低，而反硝化作用和反硫化作用产生的还原性物质则能提高pH值。,118,二、酸度天然水体中存在的二氧化碳、碳酸盐、重碳酸盐、硼酸盐、磷酸盐、砷酸盐及硅酸盐等对水体的pH值均有良好的调节和缓冲作用。因此，在给定的天然水体中，其pH值一般近乎常数。,119,第六节 水的硬度及其它,水的硬度 水中所含钙、镁离子总量称为水的总硬度。水的硬度分级 总硬度 水质 04度 很软水 48度 软水 816度 中等硬水 1630度 硬水 30度以上 很硬水 常用“度”作为硬度单位。例如l0mg/L的CaO称为1德国度，l0mg/L的CaCO3称为法国度。,120,几种天然水体,海洋 海洋覆盖着70.8%的地球表面，总面积约3611012m2，平均深度3800m，总体积为13701015m3。海水离子强度 I 约为0.7。温度和盐度是决定海水各种性质的决定性因数。海水pH值在表层为8.18.3，在深层可下降到7.8。溶解于海水中的物质按它们存在的数量分为三类，即主要离子、少量物质和微量元素。,121,122,123,天然水体-海洋,主要成分依次为Cl、Na+、Mg2+、SO42、Ca2+、K+和（HCO3+CO32）。含氯量包括水样中氯化物、溴化物和碘化物总和(后两者被折算为氯化物)。盐度和含氯量之间的经验关系式为：盐度=0.03+1.805（含氯量）多数海水的盐度在33-37。,124,天然水体-海洋,125,天然水体-海洋,海洋污染问题(1)由汇入海洋的河水夹带的工农业废水以及投弃海洋的各种工业废物；(2)在由河水夹带入海的生活污水中含有很丰富的营养物质，可在河口、海湾地区引起赤潮；(3)海岸建立的核电站、热电站排水中的放射性污染物和热污染；(4)运输船只机房排出的机油，由海难事件中油轮倾翻的大量原油；(5)各种塑料制件(破碎鱼网、船上丢弃人海的废塑料制品)；(6)由旅游事业引起的海滨地区污染等。,126,天然水体河流,二、河流 大气降水及来自地下的水向低洼处汇集，并在重力作用下沿泄水的长条形凹槽流动，且终年有水者称为河流。常年性流水和槽床(即河床)是形成河流的基本条件。有关河流水体的基本综合性质有受纳水量、水位、流速、流量、含固量、矿化度(即以g/kg表示的离子总浓度)等。与地下水相比，河流是敞开流动水体；与海洋相比，河流只有很小的水量(占地球总水量的百万分之一)。,127,天然水体河流,主要离子中，Na+、Ca2+占大多数，阴离子含量一般递减顺序是HCO3、Cl、SO42。河流的主要污染物是各种有毒金属和各类有机物。释入河流的重金属污染物(Hg、Cd、Pb等)很容易被水中悬浮颗粒物吸附，随即沉入水底。当富含有机物的城市污水经排污管释入河流水体后，随水逐流的污染物会引起上下游水段内溶解氧渐次降低的效应，造成种种不良环境后果。,128,天然水体湖泊,三、湖泊 由地面上大小形状不同的洼地积水而成湖泊。形成湖泊必须条件是要具有一个周围高、中间低的能蓄水的湖盆以及长期有水蓄积。湖水中含钙、镁、钠、钾、硅、氮、磷、锰、铁等元素，其中氮、磷等元素引起的富营养化问题是湖泊的主要污染问题。富营养化是湖泊等水体的衰老表现，极端富营养化会使湖泊演化为沼泽或干地。由酸雨引起湖水酸化是湖泊严重污染问题。,129,天然水体地下水,地下水 地下水的主要水源是大气降水。降水中一部分通过岩石和土壤的间隙而渗入地下形成地下水。严格地说，存在于地表之下饱和层的水体才是地下水，即是由水的重力克服了向上的毛细管力从而汇聚在此的水分。,130,天然水体地下水,地下水水质特点：(1)悬浮颗粒物含量很少，水体清沏透明；(2)无菌、盐分高、硬度大、含较多量的有机物；(3)不与空气接触，水体呈还原态，铁、锰等元素以低价形态存在；(4)水温不受气温影响；(5)因有岩石等阻隔，流动速度很小，各部位水层的水质也可有很大差异。,131,目前水资源已成为困扰我们日常生活和工农业生产的环境问题，请查阅有关资料，举例说明保护水源的重要性，并利用掌握的知识，提出建设性的意见。,