第二章天然水的性質(zhì)和組成Chapter2.AquaticEnvironmentalChemistry第二章天然水的性質(zhì)和組成2.1、水在地球上的分布及水循環(huán)2.2、水的特性及環(huán)境效應(yīng)2.3、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)2.4、天然水的組成2.5、水中的主要污染物

2.天然水的性質(zhì)和組成第二章天然水的性質(zhì)和組成一、天然水的分布二、水循環(huán)三、我國(guó)水資源狀況2.1水在地球上的分布及水循環(huán)2.1水在地球上的分布及水循環(huán)第二章天然水的性質(zhì)和組成全球水量分布比例2.1水在地球上的分布及水循環(huán)第二章天然水的性質(zhì)和組成序號(hào)類別水儲(chǔ)量(萬(wàn)億m3)占總儲(chǔ)量的(%)占淡水儲(chǔ)量的(%)12

海洋水地下水其中①地下咸水②地下淡水23400128701053096.51.70.940.76

30.13456

78910

土壤水冰川與永久雪蓋永凍土底冰湖泊水其中①咸水②淡水沼澤水河網(wǎng)水生物水大氣水總計(jì)其中淡水16.524064.1300.0176.485.491.011.472.121.1212.91385984.6135029.210.0011.740.0220.0130.0060.0070.00080.00020.00010.0011002.530.0568.70.86

0.260.080.0060.0030.04

100表2-1地球上各種水的儲(chǔ)量2.1水在地球上的分布及水循環(huán)第二章天然水的性質(zhì)和組成在水循環(huán)中，蒸發(fā)、降水和徑流是三個(gè)最重要的組成。地球表面的水，主要靠太陽(yáng)照射的能量蒸發(fā)到大氣中，然后又通過(guò)冷凝成為降水而重返地表。其中海洋的蒸發(fā)量比降水量多(44.7＞40.9)，在陸地上，降水量大于蒸發(fā)量(11.0＞7.2)。

水循環(huán)第二章天然水的性質(zhì)和組成影響水循環(huán)的因素1.地理因素

在地理因素中起主導(dǎo)的是氣象因素。因?yàn)樗h(huán)中的蒸發(fā)，水氣輸送和降水都取決于氣象過(guò)程。徑流(runoff)雖受地質(zhì)、地貌、土壤和植被的影響，也受氣象的影響。

2.人為因素

人類可以調(diào)節(jié)徑流(例如修水庫(kù))，加速蒸發(fā)(例如種植水田等)，增加滲透(例

如修筑梯田和魚鱗坑等)等來(lái)影響水循環(huán)。

2.1水在地球上的分布及水循環(huán)第二章天然水的性質(zhì)和組成我國(guó)水資源狀況

我國(guó)水資源——約為27210億m３，居世界第六位，人均水量——約為1/4，水資源分布不均———占全國(guó)土地面積62.2%的北方流域，其水資源僅占全國(guó)水資源的20.11%，占全國(guó)土地面積僅37.8%的南方流域，水資源卻占約80%，尤其是黃淮海流域，水資源只占8.05%，而耕地面積卻占39.7%。2.1水在地球上的分布及水循環(huán)第二章天然水的性質(zhì)和組成20080016002.1水在地球上的分布及水循環(huán)第二章天然水的性質(zhì)和組成我國(guó)水資源分布圖2.1水在地球上的分布及水循環(huán)第二章天然水的性質(zhì)和組成中路水輸線東輸路水線2.1水在地球上的分布及水循環(huán)第二章天然水的性質(zhì)和組成2.2水的特性及環(huán)境效應(yīng)水是氧的氫化物，它與氧族元素的其他氫化物相比，有其不尋常的特性

表2-3水的幾種特性參數(shù)化合物

凝固點(diǎn)(攝氏度)沸點(diǎn)（攝氏度）

偶極矩(德拜)

汽化熱(千焦/摩)

融化熱(千焦/摩)

生成熱(千焦/摩)H2OH2O推測(cè)H2SH2SeH2Te0(-95)-85.2-65.7-51100(-80)-60.3-41.3-2.21.84(2.58)1.100.40＜0.2040.67（12.55）18.6619.3323.226.02（2.09）2.382.514.81-286.26（-8.56）-22.02-66.14-142.032.2水的特性及環(huán)境效應(yīng)第二章天然水的性質(zhì)和組成性質(zhì)同其他物質(zhì)比較物理、化學(xué)和生物的各種環(huán)境效應(yīng)溶解潛熱熱容蒸發(fā)潛熱熱膨脹

表面張力

溶解能力

介電常數(shù)

電離度

密度透明度

熱傳導(dǎo)

氫鍵

偶極矩存在狀態(tài)

液體中最大(氨除外)所有液體和固體中最高(氨除外)所有物質(zhì)中最高密度最高時(shí)的溫度隨鹽度增加下降，在4℃時(shí)體積最小，密度最大

所有液體中最高(汞除外)

比其他液體能溶解更多的物質(zhì)，并有較大的溶解度所有液體中最高

很小

在液態(tài)時(shí)最大(3.98℃時(shí)極大)相對(duì)的大

所有液體中最高(汞除外)

十分容易形成氫鍵，只有少數(shù)液體具有這種性質(zhì)液體中最大在室溫±20℃左右就能順利進(jìn)行固、液、汽三態(tài)轉(zhuǎn)化由于吸收或放出潛熱，故在凝固點(diǎn)有恒溫作用，可以調(diào)節(jié)氣候能防止大氣溫度變化過(guò)大；對(duì)水體運(yùn)動(dòng)的熱能傳輸能力大；能使體溫保持均一對(duì)環(huán)境中熱量的傳遞和輸送起著非常重要的作用，如植物葉面蒸騰時(shí)，使葉面冷卻，以防陽(yáng)光灼傷組織淡水和稀海水最高密度時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度在凝固點(diǎn)以上，在控制湖泊中溫度分布和垂直循環(huán)中起著重要作用控制某些表面現(xiàn)象和液滴的形成及行為；毛細(xì)現(xiàn)象和潤(rùn)濕能力強(qiáng)，對(duì)生物細(xì)胞的滲透和活性等均有重要作用在生物細(xì)胞活動(dòng)過(guò)程中傳遞營(yíng)養(yǎng)物和排泄廢棄物，并給生物反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)介質(zhì)對(duì)離子化合物的溶解有重大作用，并能使其發(fā)生最大的電離，便于生化反應(yīng)和溶解吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是真正的中性物質(zhì)，并能同時(shí)提供微量的H＋和OH-，有利于維持生物體液的酸堿平衡使冰可以浮起；控制垂直循環(huán)；防止水體分層，保護(hù)冰下生物繼續(xù)生存對(duì)紅外和紫外的輻射能吸收大，對(duì)可見(jiàn)光的選擇吸收比較小，既是無(wú)色的又透明度大，這種特征性的吸收，能保護(hù)浮游生物等不受紫外線的傷害在活細(xì)胞里中等小尺度范圍內(nèi)有重要作用，其分子熱傳導(dǎo)過(guò)程遠(yuǎn)不如渦動(dòng)熱傳導(dǎo)過(guò)程劇烈不僅對(duì)物質(zhì)在水體中的遷移反應(yīng)影響很大，而且在生物體內(nèi)許多生命物質(zhì)的活性都有賴于氫鍵的存在容易形成水化物，有利于生物體內(nèi)元素的傳遞和交換便于水在環(huán)境中和生物體內(nèi)的循環(huán)和調(diào)節(jié)溫度，有利于促進(jìn)細(xì)胞的新陳代謝和廢物的排泄

水的物理化學(xué)特性對(duì)環(huán)境的效應(yīng)第二章天然水的性質(zhì)和組成2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)一、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分。所謂環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)就是環(huán)境中的污染物具有法律效力的限量。包括環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和污水排放標(biāo)準(zhǔn)兩大類。前者又分為飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、漁業(yè)用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等多種；后者如工業(yè)“三廢”排放標(biāo)準(zhǔn)等。理論上講，排放標(biāo)準(zhǔn)首要應(yīng)當(dāng)以保障環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基本目標(biāo)。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的確定是以保護(hù)人體健康和生態(tài)平衡為目的，用客觀的科學(xué)數(shù)據(jù)表示各污染物在適合于一種較高要求的生態(tài)系統(tǒng)生存的水體中所允許的限量。同時(shí)還要考慮具體的自然條件和國(guó)家的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件等因素。所以各國(guó)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)有明顯的差異2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是由具體的水質(zhì)指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)的。盡管不同國(guó)家和地區(qū)，采用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可能不同，但水質(zhì)的控制指標(biāo)卻大致相同。水質(zhì)指標(biāo)有多種，如物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物學(xué)指標(biāo)、微生物指標(biāo)、放射性指標(biāo)等。常規(guī)的控制指標(biāo)主要是前三類。物理指標(biāo)有溫度、氣味、味、色度、透明度(渾濁度)和懸浮物等；化學(xué)指標(biāo)有pH、Eh、游離CO２、侵蝕性CO２、酸度、總堿度、硬度、總含鹽量等；生物學(xué)指標(biāo)有COD、BOD、DO、TOD、TOC和三氮等。2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成二.水質(zhì)物理指標(biāo)1、溫度由于地表氣候條件影響和地下地質(zhì)條件不同，地表水及地下水的溫度變化范圍很寬，從零下幾十度到高于100℃不等。水溫對(duì)水中鹽份的含量和各種雜質(zhì)的存在及遷移都有影響。測(cè)定水溫時(shí)將溫度計(jì)插入水中3分鐘以上，等讀數(shù)穩(wěn)定后記錄。在野外作業(yè)時(shí)，常采用深水溫度計(jì)。2、嗅和味由于水中有機(jī)物質(zhì)的分解，溶解氣體、礦物成分及其它污染物等原因而產(chǎn)生水臭，稱為天然臭氣。由某些工業(yè)污染水所引起的稱為人為臭氣。若水中含有礦物質(zhì)和有機(jī)物時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生水味。一般僅對(duì)極清潔的水或已經(jīng)消毒的水進(jìn)行測(cè)定。作為飲用水時(shí)應(yīng)無(wú)異嗅和異味。2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成3、色度水的顏色主要是由水中含膠質(zhì)懸浮物和溶解性有機(jī)物和無(wú)機(jī)物所形成。通常是通過(guò)原水與特配的色度標(biāo)準(zhǔn)色階比色而得。常用的標(biāo)準(zhǔn)是用氯鉑酸鉀和氯化鈷配成的標(biāo)準(zhǔn)色階。1個(gè)色度單位相當(dāng)于每升水樣中含1毫克鉑(以［PtCl６］２－形式計(jì))所形成的顏色。水樣的色度應(yīng)以除去懸浮物后清液的色度為準(zhǔn)。4、濁度水體的濁度一般用透明度來(lái)代表。它是水中懸浮物含量多少的指標(biāo)。懸浮物含量愈多，水的透明度愈低。懸浮物是由不溶于水的淤泥、粘土、有機(jī)物、微生物及礦物質(zhì)等的微小粒子組成。懸浮物的含量用毫克/升表示。所以常用測(cè)定水體的透明度或渾濁度來(lái)代替。2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成5、懸浮物將水樣在一定溫度下蒸發(fā)至干，所得的殘留物質(zhì)稱為蒸發(fā)殘?jiān)?。蒸發(fā)殘?jiān)撬畼又械膽腋∥?SS)和可溶性固體之總和。這里包括無(wú)機(jī)物、有機(jī)物和生物體。蒸發(fā)殘?jiān)?、懸浮物和可溶性固體三者之間有下列關(guān)系：蒸發(fā)殘?jiān)綉腋∥?可溶性固體2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成三、水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)內(nèi)容很多，并因?qū)λ|(zhì)的要求不同而有所區(qū)別。1、Eh

Eh值代表水體的氧化還原電位，是了解地下水地球化學(xué)環(huán)境的重要指標(biāo)之一。實(shí)際上在水環(huán)境中，最基本的化學(xué)變化就是質(zhì)子交換和電子交換。前者的變化可用pH表示。后者的變化Eh表示。測(cè)定Eh現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。通常用鉑電極一和甘汞電極，從毫伏計(jì)上直接測(cè)量讀數(shù)。對(duì)水體中一個(gè)特定的氧化還原反應(yīng)而言，其Eh可以由Nernst方程式算出。標(biāo)準(zhǔn)值可以查表。2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成2.pH天然水的pH值主要取決于水中溶解的CO２和HCO－３，根據(jù)碳酸的一級(jí)電離：溶解的CO２可大略用〔H２CO*３〕表示則當(dāng)水中溶有CO２時(shí)應(yīng)顯酸性。例如在16℃時(shí)蒸餾水中，當(dāng)其與空氣中的CO２達(dá)平衡時(shí)，溶解的CO２為6×10-6克/升，即〔CO２〕＝〔H２CO*3〕＝1.36×10-5M∵〔H＋〕·〔HCO－３〕＝K１·〔H２CO*3〕∴〔H＋〕2＝〔H2CO*3〕·K1∴〔H＋〕＝（〔H２CO*３〕·K１）１／２＝（4.5×10－７×1.36×10－５）１／２＝2.5×10－６

∴pH＝5.62.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成

3、酸度和堿度

堿度(Aikalinity)是指水中能與強(qiáng)酸發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即能接受質(zhì)子H＋的物質(zhì)總量。組成水中堿度的物質(zhì)可以歸納為三類：(1)強(qiáng)堿如:NaOH、Ca(OH)２等在溶液中全部電離生成OH-離子；(2)弱堿如:NH３、C６H5NH2等，在水中有部分發(fā)生反應(yīng)成OH-離子；(3)強(qiáng)堿弱酸鹽如:各種碳酸鹽，重碳酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、硫化物和腐殖酸鹽等，它們水解時(shí)生成OH-或者直接接受質(zhì)子H+。后兩種物質(zhì)在中和過(guò)程中不斷繼續(xù)產(chǎn)生OH-離子，直到全部中和完畢。2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成酸度(Acidity)

是指水中能與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即放出H+或經(jīng)過(guò)水解能產(chǎn)生H＋的物質(zhì)的總量。組成水中酸度的物質(zhì)也可歸納為三類：(1)強(qiáng)酸如HCl、H2SO4、HNO３等；(2)弱酸如CO２及H2CO3、H2S、蛋白質(zhì)以及各種有機(jī)酸等；(3)強(qiáng)酸弱堿鹽如FeCl3、Al2(SO4)3等。在測(cè)定一已知體積水樣總堿度時(shí)，可用一個(gè)強(qiáng)酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，用甲基橙為指示劑，直到溶液由黃色變成橙紅色(pH約4.3)停止滴定，此時(shí)所得的結(jié)果稱為總堿度，也稱為甲基橙堿度。2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成總堿度是水中各種堿度成分的總和，即加酸至HCO-３和CO３２－全部轉(zhuǎn)化為CO２。根據(jù)溶液質(zhì)子平衡條件，可以得到堿度的表示式為：

總堿度＝［HCO-３］+2[CO３２－]+［OH-］-［H+］

如果滴定是以酚酞作為指示劑，溶液由較高pH值降到pH8.3時(shí)，此時(shí)表示OH-被中和，CO３２－全部轉(zhuǎn)化為HCO-３，作為碳酸鹽只中和了一半，因此，得到酚酞堿度表示式：

酚酞堿度＝［CO２－３］+［OH-］-［H2CO*3］-［H+］2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成達(dá)到pH、CO２－３所需酸量時(shí)稱為苛性堿度。在實(shí)驗(yàn)室里不能迅速地測(cè)得，因?yàn)椴蝗菀渍业浇K點(diǎn)。若已知總堿度和酚酞堿度就可用計(jì)算方法確定?？列詨A度表達(dá)式為：

苛性堿度＝［OH-］-［HCO-3］-2［H2CO*3］-［H+］2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成堿滴定含碳酸溶液測(cè)定酸度時(shí)，其反應(yīng)過(guò)程與上述相反，以甲基橙為指示劑滴定到pH4.3，以酚酞為指示劑滴定到pH8.3，分別得到無(wú)機(jī)酸度及游離CO2酸度。總酸度應(yīng)在pH10.8處得到。但此時(shí)滴定曲線無(wú)明顯突躍，難以選擇適合的指示劑，故一般以游離CO2作為酸度主要指標(biāo)。同樣也可根據(jù)溶液質(zhì)子平衡條件，可得到酸度的表達(dá)式：總酸度＝［H+］+［HCO－3］+2［H2CO*3］-［OH-］CO2酸度＝［H+］+［H2CO*3］-[CO2-3]-［OH-］無(wú)機(jī)酸度＝［H+］-［HCO－3］-２[CO2-3]-［OH-］

2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成某水體的pH=8.00,堿度為1.00×10-3mol/L,該水體中[HCO3-],[CO32-],[OH-],[H+]等物質(zhì)的濃度。解：pH=8.00時(shí)，[CO32-]的濃度很低，可認(rèn)為堿度全部由[HCO3-]貢獻(xiàn)，則[HCO3-]=[堿度]=1.00×10-3mol/L；根據(jù)pH值，[H+]=1.00×10-8mol/L;[OH-]=1.00×10-6mol/L總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3]–[OH-]

2.天然水的性質(zhì)第二章天然水的性質(zhì)和組成

2.天然水的性質(zhì)第二章天然水的性質(zhì)和組成解：堿度的貢獻(xiàn)：[OH-]+[HCO3-]+2[CO32-][H+]的濃度可以忽略不計(jì)。

[H+]=1.00×10-10mol/L;[OH-]=1.00×10-4mol/L[OH-]+[HCO3-]+2[CO32-]=1.00×10-3mol/L(1)[H+]=1.00×10-10mol/L;[OH-]=1.00×10-4mol/L(2)(3)若水體的pH為10.0，堿度為1.00×10-3mol/L,則上述各形態(tài)物質(zhì)的濃度為多少？

2.天然水的性質(zhì)第二章天然水的性質(zhì)和組成2×2.18×10-4=4.36×10-4eq/LfromCO32-

4.64×10-4eq/LfromHCO3-

1.00×10-4eq/LfromOH-

Alk=1.00×10-3eq/LSolvingthesethreeequationsgives[HCO3-]=4.64×10-4mol/Land[CO32-]=2.18×10-4mol/L,sothecontributionstothealkalinityofthissolutionarethefollowing:

2.天然水的性質(zhì)第二章天然水的性質(zhì)和組成四、水質(zhì)有機(jī)物指標(biāo)水體中有機(jī)物的種類繁多。不易逐個(gè)辯認(rèn)。難進(jìn)行全面分析。通常采用一種近似的間接處理方法。即利用有機(jī)物容易被氧化分解的特性，用某種氧化劑消耗量來(lái)間接反映水中有機(jī)物的總含量。氧化過(guò)程中消耗的氧化劑與有機(jī)物含量成比例。氧化劑消耗量又換算成水中溶解氧量表示。因而有化學(xué)需氧量，生化需氧量，總需氧量等這類指標(biāo)。

2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成微生物呼吸方式過(guò)程氧化還原電位(毫伏)電子受體產(chǎn)物好氧菌需氧呼吸結(jié)合氧原子+400O２H2O

厭氧菌

厭氧呼吸反硝化作用反硫作用甲烷發(fā)酵-100-160～200-300NO-3SO2-4CO２NO-2、N2、HN3HS-、H2SCH４需氧呼吸和厭氧呼吸的比較2.天然水的性質(zhì)和組成第二章天然水的性質(zhì)和組成下面討論幾種常用的反映水體中有機(jī)物含量的指示。1、溶解氧溶解氧簡(jiǎn)稱DO(dissolvedoxygen)。是指溶解于水中的分子態(tài)氧。主要來(lái)源于空氣或藻類的光合作用。常溫時(shí)(20℃)一般清潔的水體中，溶解氧的含量約9毫克/升。氧在水中的溶解度服從亨利定律。也與水溫和水中鹽分的含量有密切關(guān)系。當(dāng)溫度和氣體的分壓一定時(shí)，隨著水中鹽分的增加，溶解氧的濃度降低。所以海水中的溶解氧一般僅有淡水中的80%左右。

2.天然水的性質(zhì)和組成第二章天然水的性質(zhì)和組成氧在水中的溶解度可根據(jù)亨利定律計(jì)算。亨利定律指出，氣體在液體中的溶解度和氣體的平衡壓力成正比。其數(shù)學(xué)形式為：

X

(aq)=KHPX

式中:X(aq)

為氣體X在水(或液體)中溶解達(dá)平衡時(shí)的濃度；PX為氣體X與溶液接觸的氣相中的平衡分壓；

KH為亨利常數(shù)。2.天然水的性質(zhì)和組成KH是各種氣體在一定溫度下的亨利定律常數(shù)(mol/L·Pa);第二章天然水的性質(zhì)和組成

河流中的溶解氧變化，可以用氧垂線來(lái)說(shuō)明。

曲線1表示水體污染后溶解氧逐漸減少的過(guò)程，叫脫氧作用(deoxygenation)。但大氣中的氧與溶解到水中的氧必須相平衡，故水體中的氧會(huì)不斷得到補(bǔ)充而形成曲線2，稱為復(fù)氧作用(reaeration)。河流中溶解氧的實(shí)際變化就是脫氧和復(fù)氧協(xié)同作用的綜合，是一個(gè)馬鞍形曲線3，叫氧垂線。第二章天然水的性質(zhì)和組成熱污染對(duì)水體溶解氧的影響水溫升高，氧的溶解度降低；水生生物代謝速度加快(每升高10℃約加快一倍)，對(duì)氧的需要量增加；此外，水溫升高還使污染物的分解速度加快，即加快了脫氧速度。這三方面協(xié)同作用的結(jié)果，使氧垂線的最低點(diǎn)大大下落2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成不同溫度下，氣體在水中溶解度的計(jì)算：2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成

氧在干燥空氣中的含量為20.95%，大部分元素氧來(lái)自大氣。氧在水中的溶解度與水的溫度、氧在水中的分壓及水中含鹽量有關(guān)。水在25℃時(shí)的蒸汽壓為0.03167×105Pa。大氣壓

1.013×105Pa，25℃飽和水中的溶解度：氧在水中的溶解度2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成CO2在干燥空氣中的含量為0.0314%，水在25℃時(shí)的蒸汽壓為0.03167×105Pa，CO2的亨利定律常數(shù)為3.34×10-7mol/L.Pa。則CO2在水中的濃度為：CO2的溶解度2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成2、化學(xué)需氧量化學(xué)需氧量(或稱化學(xué)耗氧量)簡(jiǎn)稱COD(ChemiCaloxygendenand)。用強(qiáng)氧化劑(如重鉻酸鉀、高錳酸鉀或碘酸鉀等)在強(qiáng)酸和加熱回流條件下對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化，并加入銀離子作催化劑，把反應(yīng)中氧化劑的消耗量換算成氧氣量即為化學(xué)需氧量。單位為毫克/升。這種方法迅速簡(jiǎn)便，可使大多數(shù)有機(jī)物氧化達(dá)85～95%，某些碳水化合物可以100%氧化。但也有局限性，如化學(xué)需氧量只是一種碳素需氧量，它的氧化范圍只包括1不含氮的有機(jī)物和含氮的有機(jī)物中的碳素部分，不包括含氮有機(jī)物(如蛋白質(zhì))中的氨。2對(duì)長(zhǎng)鏈有機(jī)物也只能部分氧化。3對(duì)許多芳烴和吡啶則完全不能氧化。4而水體中許多還原態(tài)的無(wú)機(jī)物卻能包括在化學(xué)需氧量之中，例如Cl－就有嚴(yán)重的干擾。

有機(jī)物的氧化程度隨加入的氧化劑的種類、濃度、反應(yīng)時(shí)間、溫度以及有機(jī)物本身的性質(zhì)而有很大差別。第二章天然水的性質(zhì)和組成3、生化需氧量

生化需氧量(或稱生化耗氧量)，簡(jiǎn)稱BOD(bioChemiCaloxygendemand)。生化需氧量是在好氣條件下，水中有機(jī)物由微生物作用進(jìn)行生物氧化，在一定期間內(nèi)所消耗溶解氧的量。單位為毫克/升。因?yàn)槲⑸锏幕顒?dòng)與溫度和時(shí)間有關(guān)，所以測(cè)定生化需氧量時(shí)必須規(guī)定一個(gè)溫度和時(shí)間，一般以20℃作為測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度，以五天作為生化氧化的時(shí)間，這樣測(cè)得的結(jié)果，稱為五日生長(zhǎng)需氧量，以BOD５表示。相應(yīng)還有BOD10、BOD20等。嚴(yán)格說(shuō)，徹底的生物氧化大約需要100天以上，但20天后一般已經(jīng)變化不大，在實(shí)際工作中為了方便，常用BOD5作為統(tǒng)一控指標(biāo)，用BOD20作為最終生化需氧量。對(duì)于生活污水和許多工業(yè)廢水而言，BOD5約為總BODT的70～85%。

2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成4、總需氧量

總需氧量簡(jiǎn)稱TOD(totaloxygendemand)。水體中有機(jī)物完全氧化所需要的氧量。其測(cè)定方法是在特殊的燃燒器中，以鉑為催化劑，在900℃溫度下，使一定量水樣氣化，其中有機(jī)物燃燒，然后測(cè)定氣體載體中氧的減少量作為有機(jī)物完全氧化所需的氧量。在這種場(chǎng)合下，有機(jī)物中除碳、氫二元素燃燒成CO2和H2O外，氮、硫等元素也氧化成NO和SO2。所以TOD包括全部穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的有機(jī)污染物的需氧總量，比COD和BOD更接近理論需氧量。一般認(rèn)為可以真正代表有機(jī)物完全氧化的總需氧量。2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成5、總有機(jī)碳總有機(jī)碳簡(jiǎn)稱TOC(totalorganiCCarbon)。是在一定條件下，使水樣氣體燃燒(方法同TOD的測(cè)定)，測(cè)定其中二氧化碳的含量，從而確定水中碳元素的含量，在此總量中減去碳酸鹽等無(wú)機(jī)碳元素含量，就可以得總有機(jī)碳的含量。目前各國(guó)尚未制定出TOC指標(biāo)。從表示水質(zhì)有機(jī)污染的各種指標(biāo)看出，它們都是綜合指標(biāo)，雖然能表示水體被有機(jī)物污染的相對(duì)程度，但都不能區(qū)別有機(jī)污染物的性質(zhì)和解決有機(jī)污染物的直接測(cè)定問(wèn)題，這是一個(gè)很大的缺點(diǎn)。2.3水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)指標(biāo)第二章天然水的性質(zhì)和組成一、水體中的元素及其存在形式宏觀看，化學(xué)元素在水體中是以真溶液、膠體或懸浮狀態(tài)三種形式而存在的。從微觀上看，水體中物質(zhì)存在形式有以下幾類：1、

游離離子和水合離子。如NH+4、K+、Na+、Mg(H2O)2+6、Fe(H2O)3+6、Cl-、HCO-3、CO2-3、SO2-4等；2、無(wú)機(jī)絡(luò)離子或無(wú)機(jī)絡(luò)合物，如Fe(OH)2+、CaCl+、Hg(SO4)2-2、Ag(SO4)3-2、Cu(CO3)2-2、AlF-4、AlCl3-6、CaH2PO+4、MgH3SiO+4、CaH2SiO4等。2.4天然水的組成2.4天然水的組成第二章天然水的性質(zhì)和組成5、高度分散的膠體形式。如FeOOH,Fe(OH)3、Cr、Mn、Al等水合氧化物溶膠，各種硫溶膠硅酸溶膠等；6、吸著形式。主要是吸著在膠體上或粘土上。離子、氧化物、碳酸鹽、硫化物等都可以吸著的形式存在；7、與活的生物體相結(jié)合形式。如含碘的藻類、海帶、富集鎘和鉻的貽貝、富含釩的海鞘等.水合離子和絡(luò)離子是主要存在形式3、有機(jī)絡(luò)合物或螯合物。如RCOOM、氨羧螯合物等簡(jiǎn)單有機(jī)配位體形成的絡(luò)合物；

4、金屬與大分子有機(jī)物相結(jié)合形式。如M—腐植酸、M—多糖、M—類脂聚合物等；2.4天然水的組成第二章天然水的性質(zhì)和組成K+,Na+,Ca2+,Mg2+,HCO3-,NO3-,Cl-,SO42-

為天然水中常見(jiàn)的八大離子，占天然水離子總量的95-99%。天然水的主要離子組成：組成海水的十大主要元素是：O、H、Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br和C。它們的總量占海水中溶解鹽類的99.9%以上。2.4天然水的組成第二章天然水的性質(zhì)和組成二.主要陽(yáng)離子Ca2+離子在天然淡水中或許是含量最多的陽(yáng)離子，一般變化在25～636mg/L間(X＝95mg/L)Mg２＋離子在天然淡水中變化幅度約在8.5～242mg/L間(x-＝38mg/L)Na＋離子在天然水中的變幅約在1.0－124mg/L(x-＝11.0mg/L)K＋離子在天然水中的變幅約在0.8－2.8mg/L(x-＝1.6mg/L)Al３＋、Fe３＋、Mn2＋離子，Al3＋盡管分布很廣但溶解在水中的Al3＋很少，一般不超過(guò)0.5mg/L堿金屬中的Li、Na、K、Rb、Cs；堿土金屬中的Be、Mg、Ca、Sr、Ba、鋰在水中對(duì)植物有毒；鍶和鈣很相似，在某些生理作用中鍶可取代鈣；鋇有毒，在飲用水中不得大于1.0mg/L.2.4天然水的組成第二章天然水的性質(zhì)和組成三.主要陰離子

SO4２－離子在天然水中變幅約在5.6～817mg/LCl-離子在未污染的淡水中，是一種微量元素。在天然淡水中通常為幾毫克/升～100mg/L

HCO3-和CO32-離子是天然水中的主要陰離子，HCO-3離子的變幅約為17～622g/L在自然界中，Ca2+、CO2-3、HCO-3和CO2間存在著一定的關(guān)系。存在著下列平衡：當(dāng)水中含有CO2時(shí)，促使平衡向右移動(dòng)，碳酸鈣溶解。在水分蒸發(fā)或溫度升高、CO2逸出時(shí)平衡左移，CaCO3又沉淀出。第二章天然水的性質(zhì)和組成碳酸平衡在水體中存在著CO2、H2CO3、

HCO3-、

CO32-等4種物質(zhì);常把CO2和H2CO3合并為H2CO3*;實(shí)際上H2CO3的含量極低，主要是溶解性的氣體CO2。

以下將H2CO3*略寫為H2CO32.4天然水的組成第二章天然水的性質(zhì)和組成CT=[H2CO3]+[HCO3-]+[CO32-]

2.4天然水的性質(zhì)第二章天然水的性質(zhì)和組成還存在下列平衡：若把K1K2代入

021Tα0α2α1**第二章天然水的性質(zhì)和組成

根據(jù)K1及K2值，就可以制作以pH為主要變量的

H2CO3*—HCO3-—CO32-體系的形態(tài)分布圖

becadfCO2+H2CO3HCO3-CO32-10080604020024681012pH

碳酸化合態(tài)分布圖α

2.4天然水的性質(zhì)第二章天然水的性質(zhì)和組成從圖可見(jiàn)：pH＝1-6時(shí)，在Ⅰ區(qū)的H2CO3是占優(yōu)勢(shì)的離子；pH＝6-10時(shí)，在Ⅱ區(qū)的HCO-3是主要離子；pH＝10-14時(shí)，在Ⅲ區(qū)的CO2-3是主要離子。以上的討論沒(méi)有考慮溶解性CO2與大氣交換過(guò)程，為封閉的水溶液體系，[H2CO3*

]、[HCO3-]、

[CO32-]等隨pH變化而改變，但總的碳酸量CT始終不變。對(duì)于開(kāi)放體系[HCO3-]、

[CO32-]和CT隨pH變化而變化，但[H2CO3*

]

總保持與大氣相平衡的固定數(shù)值。第二章天然水的性質(zhì)和組成對(duì)于開(kāi)放體系，應(yīng)考慮大氣交換過(guò)程：

2.4天然水的性質(zhì)當(dāng)考慮CO2在氣相和液相之間平衡時(shí)，各碳酸鹽化合態(tài)的平衡濃度可表示為pCO2

和pH的函數(shù)2第二章天然水的性質(zhì)和組成H2CO3*

、HCO3-、

CO32-三條線的斜率分別為0、+1、+2--8-7-6-5-4-3-2gcpHH2CO3*HCO3

-CO32-CTpkpk1pk2開(kāi)放體系的碳酸平衡第二章天然水的性質(zhì)和組成五、水環(huán)境中的腐植質(zhì)

清潔天然水體中，有機(jī)物的含量不多。但有機(jī)物的種類卻十分繁多而且復(fù)雜。大體可以分為兩大類：腐植物質(zhì)和非腐植物質(zhì)。非腐植物質(zhì)有碳水化合物、脂肪酸、蛋白質(zhì)、氨基酸、色素、纖維，以及其他低分子量有機(jī)物，它們都能在生物降解中最后生成簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物，因此水體中大部分的有機(jī)物主要是由腐植物質(zhì)組成的。腐植質(zhì)是一類分布很廣的天然物質(zhì)，它大量存在于土壤、底泥、湖泊、河流以及海洋中。當(dāng)植物殘?bào)w經(jīng)微生物分解時(shí)，容易為微生物利用的部分，如纖維、淀粉、糖類、蛋白質(zhì)等迅速分解而消失，不易分解的部分如油類、臘、樹(shù)脂及木質(zhì)素等殘余物與微生物之分泌相結(jié)合，形成一種褐色或黑色無(wú)定形膠態(tài)復(fù)合物稱為腐植質(zhì)。它們的組成和結(jié)構(gòu)目前還沒(méi)有了解的十分清楚。這類物質(zhì)的分類和命名也不盡統(tǒng)一。第二章天然水的性質(zhì)和組成按照腐植物質(zhì)在堿和酸中的溶解情況，把它們分為三個(gè)主要級(jí)分(1)富里酸(以FA表示)，它是即可溶于堿，又可溶于酸的部分，分子量在幾百到幾千，有人稱作黃腐酸；(2)腐植酸(以HA表示)它只可溶于稀堿中，但堿萃取液酸化后就沉淀，分子量由幾千到幾萬(wàn)，有人稱作棕腐酸；(3)胡敏酸，有人稱為腐黑物，它是用稀堿和稀酸都不能萃取出來(lái)的腐植質(zhì)部分上面三類腐植質(zhì)在結(jié)構(gòu)上是彼此相似的。只是在分子量、元素和官能團(tuán)含量上有差別。富里酸分子量較小，碳和氮含量也較少，分別為40～50%和1～3%，而氧含量較多，為44～50%，氫為6～8%，這表明富里酸中單位質(zhì)量的含氧官能團(tuán)較高；腐植酸和胡敏酸中碳含量為50～60%，氧為30-35%，氫為4～6%，氮為2～4%。腐植質(zhì)分子的最大特點(diǎn)是在三維方向上帶有很多活性基團(tuán)的芳烴，這些活性基團(tuán)有：苯羧基、酚羥基、醇羥基、甲氧基、醛基、醌基和氨基等多種，并以氫鍵組成網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)孔洞很多，具有特別好的吸附表面。第二章天然水的性質(zhì)和組成

2.4天然水的性質(zhì)第二章天然水的性質(zhì)和組成現(xiàn)將腐植質(zhì)具有的共同特征歸納如下：(1)具有抵抗微生物降解的能力。這也是水體常產(chǎn)生污染淤積的重要原因之一。(2)具有同金屬離子和金屬水合氧化物形成絡(luò)合物或螯合物的能力。其絡(luò)合物的穩(wěn)定性一般遵循IrvingWilliams序列。二價(jià)的有：Pb2+＞Cu2+＞Ni2+＞Co2+＞Zn2+＞Cd2+＞Fe2+＞Mn2+＞Mg2+(3)具有與粘土礦物和有機(jī)物相互作用的能力。(4)具有弱酸性。

2.4天然水的性質(zhì)第二章天然水的性質(zhì)和組成(5)具有凝聚作用。腐植質(zhì)可以看作是大離子的真溶液或帶負(fù)電荷的親水膠體。所以它們能為電解質(zhì)所凝聚，等價(jià)的陽(yáng)離子，則離子半徑最大者是最有效的凝聚劑。此外，金屬對(duì)腐植質(zhì)的凝聚力與金屬氫氧化物的溶度積順序相同。溶度積越小，凝聚的越多，次序如下：Al3+＞Fe3+＞Cu2+＞Zn2+＞Ni3+＞Co2+＞Mn2+

(6)不同來(lái)源的腐植質(zhì)具有總體上的性質(zhì)相似性。但不具有確切地結(jié)構(gòu)和固定的化學(xué)組成。它們是由苯羧酸、酚酸、脂肪酸、碳水化合物、縮氨酸等多種高分子有機(jī)物隨機(jī)聚集的多縮物質(zhì)，是一種復(fù)雜的混合體系。會(huì)隨區(qū)域和自然環(huán)境的具體條件不同而在組成和性質(zhì)上有細(xì)微差別。

2.4天然水的性質(zhì)第二章天然水的性質(zhì)和組成2.5水體中的污染物

一、無(wú)機(jī)污染物1、無(wú)幾無(wú)害物包括前述。的八大離子，它們?cè)谝欢舛确秶菬o(wú)害的，但它們是污染存在的背景物質(zhì)，許多有害物質(zhì)的行為往往與它們有關(guān)系。2、無(wú)機(jī)有害物無(wú)毒，但對(duì)人類或生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不良影響，（固體懸浮物、酸、堿、鹽）3、無(wú)機(jī)有毒物氰化物、重金屬、氟等

2.5水中的主要污染物第二章天然水的性質(zhì)和組成二、有機(jī)污染物1、耗氧有機(jī)物2、有機(jī)有毒物含量一般不高，種類多、難降解、殘留時(shí)間長(zhǎng)、有積累性、可促成慢性中毒、三致。三、放射性污染物鈾、鐳、釷、钚等四、生活污水

2.5水中的主要污染物第二章天然水的性質(zhì)和組成我國(guó)水中優(yōu)先控制污染物黑名單1、揮發(fā)性鹵代烴

二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷、1，1，1-二氯乙烷、1，1，