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1、2023/2/12,1,水 环 境 化 学,Whoever saves one life,Saves the entire world!,2023/2/12,2,第二章 水环境化学,第一节天然水的水质标准,2023/2/12,3,物理性质指标,温度、嗅味 色度(1单位=1mg Pt+0.5mg Co 颜 色/L)浊度(1=1mg白陶土/L 所产生的 浑浊度),2023/2/12,4,悬浮物（坩埚抽滤恒重法）电导率 S/cm pH值 氧化还原电位,物理性质指标,2023/2/12,5,化学性质指标（I）,酸度、碱度硬度重金属 Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、Fe、As、Cr、Tl、Ni、Be,20
2、23/2/12,6,化学性质指标（II）,三氧和总氧 溶解氧（DO）Dissolved Oxygen 溶解于水中的分子态氧 mg/L 化学需氧量（COD）Chemical Oxygen Demand 氧化水中有机物(或其它还原性物质)所需化学氧化剂的量，以氧的 mg/L计。,2023/2/12,7,常用的氧化剂有：重铬酸钾（CODCr），主要测定污染水体；高锰酸钾（CODMn），主要测定清洁水体或饮用水中的还原性物质，现常称作高锰酸钾指数。,化学性质指标（II）,2023/2/12,8,生物需氧量(BOD)Biochemical oxygen demand 好气条件下水中有机物被微生物所氧化，
3、在一定期间内所消耗的溶解氧的量单位 mg/L，BOD5称五日生物耗氧量。,化学性质指标（II）,2023/2/12,9,总需氧量（TOC）Total Oxygen Demand 水中有机物完全氧化所需氧的量（燃烧法）,化学性质指标（II）,2023/2/12,10,无机碳和有机碳 游离的 CO2(CO2+H2CO3)侵蚀性的CO2，包括碳酸盐 总有机碳(TOC)（燃烧法）Total organic carbon 三氮 NH3-N,NO2-N,NO3-N,化学性质指标（II）,2023/2/12,11,有机污染物 挥发性酚、农药残留、洗涤剂、多环芳烃、多氯联苯等,化学性质指标（II）,2023/
4、2/12,12,水中总大肠杆菌群 指能在35，48h内发酵乳糖、产酸产气的、需氧的及兼性厌氧的革兰氏阴性的无芽孢杆菌。,生物性质指标,2023/2/12,13,第二节 天然水的组成和基本特征,一、天然水的组成1.主要离子组成 Ca2+Mg2+H+Na+K+HCO3-CO32-OH-SO42-Cl-NO3-总含盐量（TDS）=Ca2+Mg2+Na+K+HCO3-+SO42-+Cl-,2023/2/12,14,水中金属离子以M(H2O)xn+以及各种络合态化合物存在。以金属Fe为例，在中性水体中各形态存在如下平衡:(1)(2)(3),2.水中金属离子,2023/2/12,15,如果考虑到存在固体
5、Fe(OH)3(S)，则(4)当 pH=7 时,2.水中金属离子,2023/2/12,16,将这一数据代入上面的方程中，即可得到其它各形态的浓度：Fe(OH)2+=8.11014 mol.L-1Fe(OH)2+=4.51010 mol.L-1Fe2(OH)24+=1.021023 mol.L-1,2.水中金属离子,2023/2/12,17,气体在水中的溶解度服从亨利定理，即：一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压。,3.气体在水中的溶解性,2023/2/12,18,则溶于水的气体的量为：G(aq)=KH PG KH 气体在一定温度下的亨利定理常 数(mol/L.Pa)PG 各
6、种气体的分压(Pa),3.气体在水中的溶解性,2023/2/12,19,溶解的气体若有进一步的化学反，如：CO2+H2O=H+HCO3-SO2+H2O=H+HSO3-则亨利定律并不能说明进一步的化学反应。,3.气体在水中的溶解性,2023/2/12,20,计算示例,氧在水中的溶解度：(25)PO2=(1.0130-0.03167)1050.2095=0.2056105（Pa）O2(aq)=KHPo2=1.261080.2056105=2.610-4 mol.L-1氧的分子量32，溶解度 8.32 mg.L-1(DO),2023/2/12,21,二氧化碳在水中的溶解度：(25)Pco2=(1.0
7、130-0.03167)1053.1410-4=30.8(Pa)CO2(aq)=KH Pco2=3.3410-730.8=1.02810-5 mol.L-1,计算示例,2023/2/12,22,CO2在水中离解，则：H+=HCO3-=4.4510-7 H+=（1.02810-5 4.4510-7）1/2=2.1410-6 mol.L-1 pH=5.67,计算示例,2023/2/12,23,CO2在水中的溶解度：CO2+HCO3-=1.02810-5+2.1410-6=1.2410-5 mol.L-1=0.55 mg.L-1,计算示例,2023/2/12,24,水生生物直接影响水中许多物质的存在
8、，具有代谢、摄取、转化、存储和释放等的作用。,4水生生物,2023/2/12,25,如藻类的生成和分解(p104)106CO2+16NO3+HPO42-+122H2O+18H+(痕量元素)(respiration)RP(photosynthesis)C106H263O110N16P+138 O2,4水生生物,2023/2/12,26,自养生物利用太阳能或化学能把简单无生命的无机物引进复杂的生命分子中，组成生命体。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的原始物质。,4水生生物,2023/2/12,27,利用太阳能从无机矿物合成有机物的生物体称为生产者，水体产生生物体的能力称为生产率
9、，生产率是由化学及物理的因素相结合而决定的。在高生产率的水体中藻类生产旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低，这就是水体的富营养化。,4水生生物,2023/2/12,28,决定水体中生物的范围和种类的关键物质是氧，氧的缺乏使水生生物死亡，氧的存在杀死许多厌氧细菌，因此水中溶解氧的浓度(DO)是天然水体的重要参数。,4水生生物,2023/2/12,29,生物需氧量（BOD）是水质的另一个重要参数，一个高BOD的水体，不可能很快补充氧气，显然不利于水生生物。,水中的CO2的增多可引起过量藻类的生长，因此 CO2常常是一个限制因素。,4水生生物,2023/2/12,30,二、天然水的性质,1碳酸平
10、衡 在水生生物体之间的生物化学转化中，CO2占有独特的位置，同时对调节天然水pH 值也起着重要作用。水体中可能存在的碳酸组分：CO2、CO32-、HCO3-、H2CO3(H2CO3*),2023/2/12,31,水体中可能存在的碳酸平衡：CO2+H2O=H2CO3*pK0=1.46 pKS=2.84 H2CO3*=H+HCO3-pK1=6.35 HCO3-=H+CO32-pK2=10.33,二、天然水的性质,2023/2/12,32,分布分数：,二、天然水的性质,2023/2/12,33,H2CO3=CT0，HCO3-=CT1，CO32-=CT2,二、天然水的性质,2023/2/12,34,以
11、上为封闭体系，未考虑溶解性CO2与大气的交换，CT不变，其余各浓度变化。,二、天然水的性质,2023/2/12,35,考虑到CO2在气液相之间的平衡H2CO3*不变。根据亨利定律：CO2(aq)=KH Pco2,开放体系,2023/2/12,36,开放体系,2023/2/12,37,自己推导一下！,开放体系,2023/2/12,38,在开放体系中，H2CO3、CO32-、CT 随 pH 而变化，H2CO3*保持与气相平衡的数值。各组分的浓度与CO2的分压、溶液的pH值有关。,开放体系,2023/2/12,39,lgH2CO3*=lgCO2(aq)=lg KH+lg Pco2=-4.9 lgH2
12、CO3=lgCO2(aq)+lgKS=-7.7（KS=H2CO3/CO2(aq)=10-2.8）,开放体系的碳酸平衡,2023/2/12,40,lgHCO3-=lg K1+lg H2CO3*+pH=-11.3+pHlgCO32-=lgK1+lgK2+lgH2CO3*+2pH=-21.6+pH,开放体系的碳酸平衡,2023/2/12,41,2023/2/12,42,假设只考虑雨水中的CO2溶解：CO2(g)+H2O=H2CO3*平衡时CO2形态占主要地位，H2CO3 只占游离分子1%以下。,例：计算雨水的pH值,2023/2/12,43,1大气压，25时，可以近似看作：H2CO3*CO2已知：,
13、K1,例：计算雨水的pH值,2023/2/12,44,又：H2CO3*=KH Pco2,H+=,mol/L,=,pH=5.66,例：计算雨水的pH值,2023/2/12,45,2天然水中的碱度和酸度,碱度 alkalinity 接受质子的总物质的量，包括强碱、弱碱及强碱弱酸盐。测定方法：酸碱滴定，双指示剂法 H+OH-=H2O H+CO32-=HCO3-(酚酞终点)H+HCO3-=H2CO3(甲基橙终点),2023/2/12,46,总碱度=HCO3-+2CO32-+OH-H+（由H2CO3的质子条件PBE导出 H+=OH-+HCO3-+2CO32-）酚酞碱度=OH-+CO32-H2CO3*H+
14、（由 HCO3-的质子条件PBE导出 H+=OH-+CO32-H2CO3*）,2天然水中的碱度和酸度,2023/2/12,47,苛性碱度=OH-HCO3-2H2CO3*H+（由CO32-的质子条件PBE导出 H+=OH-HCO3-2H2CO3*）,2天然水中的碱度和酸度,2023/2/12,48,总碱度=CT(1+22)+KW/H+H+酚酞碱度=CT(2-0)+KW/H+H+苛性碱度=-CT(1+20)+KW/H+H+,酸度 Acidity 总酸度、CO2酸度和无机酸度（推导、表达方法同碱度）,2天然水中的碱度和酸度,2023/2/12,49,某水体pH=8.00,碱=1.0010-3mol.
15、L-1，计算该水体中各碱度成分的浓度。HCO3-=碱度=1.0010-3 mol.L-1，OH-=1.0010-6 mol.L-1 H2CO3*=H+HCO3-/K1（1）=1.0010-81.0010-3/4.4510-7=2.25 10-5 mol.L-1,例 1(p108),2023/2/12,50,CO32-=K2HCO3-/H+（2）=4.6910-111.0010-3/1.0010-8=4.69 10-6mol.L-1,例 1(p108),2023/2/12,51,若水体 pH升高到10.00,碱度仍保持1.0010-3 mol.L-1，再计算该水体中各碱度成分的浓度。碱度=HCO
16、3-+2CO32-+OH-(mol.L-1)OH-=1.0010-4 mol.L-1,例 2,2023/2/12,52,1.0010-3=HCO3-+2CO32-+1.0010-4,CO32-=0.469 HCO3-HCO3-+0.469 HCO3-2=0.0009,例 2,2023/2/12,53,HCO3-=4.6410-4 mol.L-1 CO32-=2.1810-4 mol.L-1对总碱度的贡献仍为1.0010-3 mol.L-1,例 2,2023/2/12,54,天然水pH=7.0,碱度为1.4 m mol.L-1,为使pH=6.加入酸多少？总碱度=CT(1+22)+KW/H+H+C
17、T=1/（1+22）总碱度+H+OH-令 1/（1+22）=(表33）则 CT=碱度,例 3,2023/2/12,55,查表 3-3（p110）1、2，=1.22 CT=1.221.=3.25 4=1.71 m mol.L-1 当加强酸使 pH=6.0，而CT不变时=3.25 碱度=1.71/3.25=0.526 m mol.L-1 A=1.4-0.526=0.874 m mol.L-1,例 3,2023/2/12,56,天然水体的pH值在6-8 之间，是一个很好的缓冲体系，碳酸化合物是水体缓冲作用的重要因素假如仅考虑碳酸体系控制水体pH值，在pH 8.3时（仅考虑碳酸的第一级离解）：,3天然
18、水体的缓冲能力,2023/2/12,57,3天然水体的缓冲能力,若向水中投入B量的碱性废水,2023/2/12,58,B=碱度10pH 1/(1+K1+10pH+pH)（将HCO3-看作碱度，H2CO3作为水中游 离碳酸 CO2）,3天然水体的缓冲能力,2023/2/12,59,1有机污染物 农药 有机氯难化学、生物降解，低水溶性，高辛醇-水分配系数，易沉积到有机质和生物脂肪之中，如食物链积累。有机磷较易生物降解，环境中滞留时间短，溶解度大。,三、水中污染物的分布及存在形式,2023/2/12,60,三、水中污染物的分布及存在形式,多氯联苯(PCBS)化学稳定、热稳定性好，用于电器的冷却剂、绝
19、缘材料、耐腐蚀涂料，极难溶于水，不易分解，易溶于有机质和脂肪之中。卤代脂肪烃 易挥发、地表水中易进行生物或化学降解,2023/2/12,61,三、水中污染物的分布及存在形式,醚 七种醚是EPA优先污染物单环芳烃 挥发、光解酚类、酞酸脂类、多环芳烃、亚硝胺等,2023/2/12,62,三、水中污染物的分布及存在形式,2金属污染物Cd、Hg、Pb、As、Cr、Cu、Zn、Tl、Ni、Be优先污染物“黑名单”(p117),2023/2/12,63,2023/2/12,64,黄河水污染现状（I）,记者行程3000多公里目睹黄河污染（2004.9)2004年初黄河包头段污染严重，挥发酚、氨氮等超标几十倍
20、。污染主要来源于乌梁素总排干（内蒙境内通往黄河的主要排污渠道）的排放，而氨氮的主要来源是宁夏和包头。内蒙古巴彦卓尔市境内的乌梁素海是黄河流域最大的淡水湖，现在每年有5亿立方米的废水注入湖中，其中排入黄河约0.5亿立方米。今年该河水质处于劣五类，已有19种鱼绝种。,2023/2/12,65,黄河水污染现状（II),在甘肃白银市东大沟排放的是白银地区冶炼厂等8，9家污染企业和居民生活污水，每天达5万m3污水进入黄河，每天还有8千m3酸性污水直排黄河。致使重金属超标几十至上千倍。黄河甘肃段年排放废水量2.37亿吨，其中生活污水达1.41亿吨，占废水总排放量的59.3%，黄河流经甘肃四座城市，目前只有兰州有4座污水处理厂，日处理能力仅15.8万吨，致使黄河沿岸大量污水直接排入黄河。,2023/2/12,66,请就您所关心的某一环境污染问题简述它的污染原因、现状、可能存在的危害以及有哪些治理途径和防治措施。例如，黄河兰州段水质污染问题的原因和可能机理与解决对策。,
