水环境污染控制及管理课件.ppt
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- 水环境 污染 控制 管理 课件
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1、 环境化学化学系 第二部分 水环境化学本章要点:本章要点: 1、水体中的污染物及其污染途径;、水体中的污染物及其污染途径; 2、简单河段水质模型、简单河段水质模型氧垂曲线;氧垂曲线; 3、河流自净作用、河流自净作用耗氧有机物的降解;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、影响重金属在水体中迁移转化的主要因素;因素; 5、水环境污染控制及管理。、水环境污染控制及管理。主要内容: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第一节水环境概述水环境概述 一一.水环境的概念水环境的概念 水环境是指自然界中由水量、水质、水能及水循环等要素
2、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。 二二.天然水及水循环天然水及水循环 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
3、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
4、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。 三三.水环境与人类社会经济发展的关系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
5、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
6、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
7、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,水污水污染是指某种污染物进入水体,改变了水体原有物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
8、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三三.造
9、成水污染的主要污染物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
10、、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四、水体有机物污染指标 化学耗氧量(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(生化需氧量(BOD):(BiochemicalOxygenDemand)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,
11、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(溶解氧量(DO):():(disoluedOxygen)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(总有机碳量(TOC):():(TotalOrganicCarbon)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(溶解氧量(DO):():(disoluedOxygen)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
12、量(总有机碳量(TOC):():(TotalOrganicCarbon)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(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: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。 第二节第二节污染物在水体中的扩散污
13、染物在水体中的扩散一一.污染物在水体中的运动特征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
14、= -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
15、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。二二.河水中污染物扩散的稳定解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)
16、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/
17、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/
18、(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
19、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 第三节第三节污染物在水体中的转化污染物在水体中的转化一一.水体中耗氧有机物降解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。为无机物的过程叫生物
20、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
21、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
22、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) 多糖多糖二糖二糖单糖单糖丙酮酸丙酮酸氧化,或者发酵氧化,或者发酵 .脂肪和油类的
23、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: 脂肪脂肪甘油甘油丙酮酸丙酮酸有氧氧化,无氧发酵有氧氧化,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
24、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。 蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸丙酮酸丙酮酸有氧氧化,无氧发酵有氧氧化,无氧发酵 蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸氨氨亚硝酸亚硝酸硝酸硝酸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
25、) 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
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