第2章水质与水质标准

第2章水质与水质标准2.1水中的杂质与性质水是溶解能力很强的天然溶剂，在自然界中，它与土壤、空气等接触后不可避免地带入各种物质。在制定水质标准或者进行水处理工程设计中，必须掌握水中的各种杂质及其变化规律，了解水与健康的关系。2.1.1水体中的杂质来源与分类在水处理工程中，首先要了解水中存在的各种杂质及其性质。水中存在的杂质主要来源于其所接触的大气、土壤等自然环境，以及人类活动中产生的各种污染物。水中杂质的种类很多，按其性质又可分为无机物、有机物和生物。按水中杂质的尺寸，可以分为溶解物、胶体颗粒和悬浮物三种；按颗粒大小分可分为悬浮物、胶体、离子和分子（即溶解物质）。其尺寸和外观特征如表2-1所示。表中杂质的颗粒尺寸只是大体的概念，不是严格的界限。表2-1水中杂质的尺寸与外观特征项目溶解物胶体颗粒悬浮物颗粒大小0.1~1.0nm1.0~100nm100nm~1m外观特征透明光照下浑浊浑浊甚至肉眼可见（1）溶解物主要是呈真溶液状态的离子和分子，天然水中的大多数是离子和可溶气体。如Ca2+、Mg2+等离子，Cl-、、HCO3-、SO42-等酸根，O2、CO2、H2S、SO2、NH3等溶解气体。表2-2给出了天然水中的各种离子，其中以第I类最为常见。在外观上，含有这些杂质的水与无杂质的清水没有区别。含盐量较低的天然水中，钙离子通常占阳离子的首位。天然水中的Ca2+主要来自于地层中的石灰石和石膏（CaSO42H2O）的溶解。CaCO3的溶解度很小，但当水中含有CO2时，易转化为溶解度较大的Ca(HCO3)2。Mg2+主要来源于含CO2的水溶解了地层中的白云石（MgCO3CaCO3）。白云石的溶解度和石灰石相似。表2-2溶解在天然水中的各种离子类别阳离子阴离子浓度范围INa+、K+、Ca2+、Mg2+HCO-3、Cl-、SO42-、H3SiO4-几mg/L~几万mg/LIINH4+、Fe2+、Mn2+F-、NO3-、CO32-0.1mg/L~几mg/LIIICu2+、Zn2+、Ni2+HS-、BO2-、NO2-、Br-、I-、HPO42-、H2PO4-小于0.1mg/L天然水中的K+和Na+统称为碱金属离子，其盐易溶于水。碱金属离子主要是岩石和土壤中盐的溶解带来的。Na+的变化幅度很大，从基本为0到上万mg/L；K+的含量一般远低于Na+。由于二者特性相近，通常合在一起测定。HCO3-是天然水中主要的阴离子之一，多数是水中溶解的CO2和碳酸盐反应后产生的。天然水中都含氯离子，Cl-是氯化合物溶解产生的，一般淡水中Cl-浓度为10mg/L到数百mg/L。一般氯化合物溶解度很大，随着河流或地下水带入海洋，海水中的Cl-浓度可达18000mg/L，内陆咸水湖中Cl-浓度高达150000mg/L。天然水中的SO42-主要来自于矿物盐的溶解（如CaSO42H2O）或有机物的分解。NO3-有可能来自它的盐类的溶解，但主要是有机物的分解。铁是天然水中常见杂质。地表水中溶解氧充足，主要以Fe3+形态存在，为氢氧化铁沉淀物或者胶体微粒。沼泽水中铁可被腐植酸等有机物吸附或络合称为有机铁化合物。天然水中硅酸来源于硅酸盐矿物的溶解。硅是地球上第二种含量丰富的元素，硅酸（H4SiO4）又称可溶性二氧化硅，其基本形态是单分子的正硅酸H4SiO4，可以电离出H3SiO4-、H2SiO42-等。天然水中硅酸浓度从约6mg/L到120mg/L。当浓度较高、pH较低时，单分子硅酸可以聚合成多核络合物、高分子化合物甚至胶体微粒。水中硅酸通常以SiO2(mg/L)计算，地下水中的硅酸的浓度高于地表水。（2）可溶性气体多数天然水中都溶有CO2气体，主要是水体或土壤中的有机体在进行生物氧化分解时的产物。深层地下水有时含有大量CO2，是石油的地球化学过程产物。大气中的CO2可溶于水，浓度一般为0.5~1mg/L。地表水中溶解的CO2一般不超过20~30mg/L，地下水中为15~40mg/L，不超过150mg/L。某些矿泉水，CO2浓度可达数百mg/L。水中的溶解氧主要来源于空气，其次是水生生物的光合作用释放的氧。常温时，水中溶解氧的含量约为8~14mg/L。在藻类繁殖的水中，溶解氧可达到饱和状态。海水中含盐量较高，溶解氧含量较低，约为淡水的80%。地表水中很少含有硫化氢，特殊地质环境中的地下水，有时含有大量的硫化氢。（3）胶体胶体颗粒主要是细小的泥砂、矿物质等无机物和腐殖质等有机物，是许多分子和离子的集合体。由于这些微粒的表面积很大，有很强的吸附性，表面常因吸附离子而带电。同类胶体因带相同电荷相斥，在水中不能互相结合形成更大的颗粒，因此以微小胶体颗粒稳定存在于水中。这些胶体主要是腐殖质以及铁、铝、硅等的化合物。（4）悬浮物悬浮物主要是泥砂类、粘土等无机质，以及动植物生存过程中产生的腐殖质等有机质；它们颗粒较大，水静止时，密度较小的悬浮物浮于水面，密度较大的则下沉。（5）无机杂质天然水中的无机杂质主要是溶解性的离子、气体及悬浮性的泥砂。溶解离子有Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子和HCO3-、SO42-、Cl-等阴离子。离子的存在使天然水表现出不同的含盐量、硬度、pH值和电导率等特性，进而表现出不同的理化性质。泥砂的存在则使水变得浑浊。（6）有机杂质天然水中的有机物与水体环境密切相关。一般常见的有机杂质为腐殖质类，以及一些蛋白质等。腐殖质是土壤的有机组分，是植物与动物残骸在土壤分解过程中的产物，属于亲水的酸性物质，相对分子质量在几百到数万之间。腐殖质本身一般对人体无直接的毒害作用，但其中的大部分种类可以与其他化合物发生作用，因而具有危害人体健康的潜能。例如，腐殖酸与氯反应会生成有致癌作用的三氯甲烷。（7）生物（微生物）杂质这类杂质包括原生动物、细菌、病毒、藻类等。它们会使水产生异臭异味，增加水的色度、浊度，导致各种疾病等。2.1.2几种典型水体的水质特点受水体流经地区的地形地貌、地质条件以及气候条件的影响，地表水的水质差异较大。一些流经森林、沼泽地带的天然水中腐殖质含量较高；流域的地表植被不好、水土流失严重，会使水的浊度较高且变化大。天然水体的水质因流域特征、受人类扰动程度等存在较大差异。因地域的自然条件差异，地表水水质差别很大。即使同一条河流，也常因上游和下游、季节、气候等时空不同水质存在差异。江河水的含盐量和硬度都较低。含盐量一般在70～900mg/L之间，硬度通常在50～400mg/L(以CaCO3计)之间。中南、西南与华东地区土质和气候条件较好，草木丛生，水土流失较少，江河水的浊度较低，年均浊度为100~400NTU或更低。东北地区河流的悬浮物含量不大，浊度一般在数百浊度单位以下。而西北和华北地区的河流，尤其是黄土地区，悬浮物变化大，含量高，暴雨时携带大量泥砂，在短短几小时内悬浮物可由几mg/L骤增到几万mg/L。冬季黄河水浊度只有几十NTU，夏季悬浮物含量高达几万mg/L甚至几十万mg/L。由江河水补给的湖泊、水库水，水质特征与江河水类似。因为湖泊、水库水的流动性较小，经过长期自然沉淀，一般浊度较低。水的透明度高、流动性小，为水中的浮游生物，特别是藻类的生长创造了有利条件，尤其是排入的生活污水等中的氮、磷为浮游生物的生长提供了充分的营养源。由于湖泊、水库的蒸发水面较大，水中矿物质不断浓缩，一般含盐量和硬度较江河水高。湖泊、水库水的富营养化已成为严重的水源污染问题。我国滇池、太湖蓝藻爆发就是典型的案例。海水以含盐量高为特征，含量最多的是氯化钠，质量分数约占83.7％，其他盐类还有MgCl2、CaSO4等。地下水通常较少受到外界影响，一般终年水质水温稳定。经过地层的过滤作用，地下水中基本没有悬浮物。水在通过土壤和岩层时溶解了其中的可溶性矿物质，相对而言其含盐量、硬度等比地表水要高。含盐量一般为100～500mg/L，硬度通常在100～500mg/L(以CaCO3计)。北方地区地下水的Ca2+、Mg2+及重碳酸盐含量高于南方地下水，因而北方地区地下水大多为硬度高的结垢型的水；而南方地区地表水中的Cl-、SO42-含量高于北方地区，水的腐蚀性较强。地下水中的铁以Fe2+形态存在，是Fe3+化合物缺氧时经生物化学作用转化为Fe2+进入地下水的。含铁地下水是透明的，但它与空气接触后，Fe2+容易被氧化而转化变成Fe3+，生成氢氧化铁胶体等。当含铁量超过1mg/L时就会呈现黄褐色混浊状态。锰的特性与铁相近，但在天然水中的含量要比铁少得多。水中的锰常以Mn2+形态存在，其氧化反应比铁要困难且进行缓慢，也有以胶体状态存在的有机锰化合物。2.2水体污染与自净2.2.1水中常见的污染物及其来源水环境污染已成为世界性问题,我国的七大水系和许多湖泊、水库，部分地区地下水，以及近岸海域也受到不同程度的污染。同研究天然水体中的杂质类似，通常对水中的污染物可按化学性质和物理性质进行分类，也可以按污染物的污染特征来分类。按化学性质，可以分为无机污染物和有机污染物；按物理性质，可以分为悬浮性物质、胶体物质和溶解性物质。（1）可生物降解有机污染物——耗氧有机污染物耗氧有机污染物包括碳水化合物、蛋白质、脂肪等天然有机物，有机酸碱、表面活性剂等。其性质极不稳定，可以在有氧或无氧的情况下，通过微生物的代谢作用降解为无机物。耗氧有机污染物是城市污水的主要成分，在微生物的降解过程中，将消耗大量的氧，危害水体质量，是污水处理中优先考虑去除的污染物，常用COD、BOD、TOD、TOC等综合性水质指标来表征该类物质的含量。生活污水的BOD5/CODCr比值为0.4~0.65；BOD5/TOC比值为1.0~1.6；工业废水的BOD5/CODCr和BOD5/TOC比值，差异极大。还有一类是可以同化生物降解的有机物（AOC）。（2）难生物降解有机污染物难生物降解有机物，如脂肪和油类、酚类、有机农药和取代苯类化合物等。这类物质化学性质稳定，不易被微生物利用，主要包括一些人工合成化合物及纤维素、木质素等植物残体。人工合成化合物包括农药、脂类化合物、芳香族氨基化合物、杀虫剂、除草剂等。它们化学稳定性极强，可在生物体内富集，多数具有很强的致癌、致畸、致突变“三致”特性，对水体环境和人类有很大的毒害作用。常规的处理工艺对去除这些物质效果不明显。（3）无直接毒害作用的无机污染物这类杂质虽然一般无直接毒害作用，但是，其在水中的存在严重地影响了水体的功能。包括颗粒状无机杂质、氮、磷等营养杂质和酸、碱等。泥砂、矿渣等无机颗粒杂质，虽无毒害作用，但影响水体的透明度、流态等物理性质。水的酸碱度对其使用功能及处理过程影响极大。生活污水一般呈中性或弱碱性，工业废水则酸碱性变化较大。污水中的氮、磷主要来源于人体及动物的排泄物及化肥等，它们是导致湖泊、水库、海湾等水体富营养化的主要原因。（4）有直接毒害作用的无机污染物主要有氰化物、砷化物和重金属离子，这类污染物危害最大，也难以处理，如汞、镉、铬以及锌、铜、钴、镍、锡等。重金属中汞的毒性最大，其次是镉、铅、铬、砷，被称为“五毒”，加上氰化物，是公认为六大毒性物质。这些毒性物质在水中多以离子或络合态存在，在低浓度即表现出毒性，可以在人体大量积累，形成慢性危害。2.2.2水体的富营养化水体的富营养化是指富含磷酸盐和某种形式的氮素的水，在适宜光合作用环境下，水中的营养底物足以使水中的藻类大量繁殖，在后来的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，将会使水中的溶解氧耗尽，造成水质恶化和水生态环境破坏的现象。多数水体的富营养化是水体受到氮、磷污染的结果。人类活动引起的主要氮磷来源有：1）工业废水和生活污水未经适当处理直接排入水体。2）常规城市污水处理厂的出水中常含有相当数量的氮和磷。3）农业生产中的面源性污染，包括肥料、农药和动物粪便等。4）城市来源中，除了粪便、工业污水外，大量使用的高磷洗涤剂是重要的磷的来源。水体的富营养化危害很大，它使水味变得腥臭难闻，消耗水中的溶解氧，向水中释放有毒物质，损害人类健康、水体功能。在富营养化水体中，大量的水藻形成浮渣，使水质变得浑浊，透明度降低，水体的感官性状大大