关于水的一些基本知识

1.1水资源1.1.1水资源分布概况水是自然界分布最广的一种资源。它以气、液、固三种状态存在。自然界的水，主要指海洋、河流、湖泊、地下水、冰川、积雪、土壤水和大气水分等水体，其总量共约1.4x1019m³，将其平铺在地球表面上，水层厚度可达到约3000米深。但是绝大部分是咸的海水，加上内陆地表咸水湖、地下咸水，共约占总水量的98%。而冰川、积雪约占总水量的1.7%，目前尚难以利用和开发。实际上可供开发利用的淡水只占总水量的0.3%，约为4x1016M³。因此，淡水是有限的宝贵资源。我国河流、湖泊众多，水量丰沛，根据一些特征，基本上可分为四个区：潮湿区、湿润区、过渡区和干旱区。这是由气候、地形、土壤、地质等各种条件决定的，它们的降水和径流量、混浊度、含盐量及化学组成等各有特点，见下表：潮湿区湿润区过渡区干旱区年降水量/(mm)16001600-800800-400400年径流量/(108m³)10001000-100100-2525平均含沙量/(kg/m³)0.1-0.30.2-51-30-常见混浊度/(mg/L)10-300100-2000500-20000-含盐量/(mg/L)100100-300200-500500总硬度/(mmol/L)0.50.5-1.51.5-3.03.0PH值6.0-7.06.5-7.57.0-8.07.5-8.0以上地区范围东南沿海长江流域、西南地区、黑龙江、松花江流域黄河流域、河北地区、辽河地域内蒙地区、西北地区1.1.2各行业用水的各种水源及特点水是各行业生产中最重要的原料之一，没有合格的水源，任何行业都不能维持下去。作为各行业用水的水源主要来自地表的江河水、湖泊和水库水、地下水(井水)、海水以及自来水。1.1.2.1江河水河流是降水经地面径流汇集而成的，流域面积十分广阔，又是敞开流动的水体，其水质受地区、气候以及生物活动和人类活动的影响而有较大的变化。河水广泛接触岩石土壤，不同地区的矿物组成决定着河水的基本化学成分，此外，河流水总混有泥沙等悬浮物而呈现一定混浊度，可以从几十mg/L到数百mg/L。夏季河水上涨混浊度还要高，冬季又可降到很低。水的温度则与季节、气候直接有关。河流水中主要离子成分构成的含盐量，一般在100-200mg/L，不超过500mg/L，个别河流也可达30000mg/L以上。一般河水的阳离子中[Ca2+][Na+]，阴离子中[HCO3-][SO42-][Cl-]；也有一些河水中[Na+][Ca2+]；个别河水中[Cl-[HCO3-]。我国主要河流的水质组成见下表：成分含量/(mg/L)珠江长江黄河黑龙江闽江塔里木河松花江Ca2+1828.939.111.62.6107.612.0Mg2+1.19.617.92.50.6841.53.8Na++K+16.18.646.36.76.7102656.8HCO3-32.9128.9162.054.920.2117.264.4SO42-34.813.482.66.04.960525.9Cl-7.34.230.02.00.5143681.0含盐量110.2193.6377.983.735.531751.393.91.1.2.2湖泊和水库水湖泊是由河流及地下水补给而成的，它的水质与补给水水质、气候、地质及生物等条件有密切关系，同时流入和排出的水量、日照和蒸发强度等也在很大程度上影响湖水的水质。如果流入和排出的河流水量都较大，湖水蒸发量较小，则湖水含盐量较低，形成淡水湖，其含盐量一般在300mg/L以下。通常淡水湖泊在湿润地区形成。水库实际上是一种人造湖，其水质也与流入的河水水质和地质特点有关，但最终会形成与湖泊相似的稳定状态。通常取淡水湖和低度咸水湖作水源，其水质离子组成与内陆淡水河流相似，多数是[Ca2+][Na+]，[HCO3-][SO42-][Cl-]的类型；少数的[Na+][Ca2+]，个别的有[Cl-][HCO3-]的情况。下表为湖泊、水库组成的例子：含量/(mg/L)Ca2+Mg2+Na+HCO3-SO42-Cl-含盐量武汉南湖18.91.8317.970.715.813.7138.7湖北洪湖22.43.1711.475.310.34.55127.12长春立新城水库20.55.613.1779.95.07.1121.31.1.2.3地下水地下水是由降水经过土壤底层的渗流而形成的。地下水按其深度可以分为表层水、层间水和深层水。通常作水源使用的地下水均属层间水，即中层地下水。这种水受外界影响小，水质组成稳定，水温变化很小，水质透明清澈，有机物和细菌的含量较少，但含盐量较高，硬度较大。随着地下水深度的增加，其主要离子组成从低矿化度的淡水型转化为高矿化度的咸水类型，即从[Ca2+][Na+]、[HCO3-][SO42-][Cl-]转化为[Na+][Ca2+]、[Cl-][SO42-][HCO3-]。由于地下水与大气接触不畅通，水中溶解氧很少，有时由于生物氧化作用还产生H2S和CO2。H2S使水质具有还原性。下表为某些地下水的水质组成：成分含量/(mg/L)石家庄井水哈尔滨井水佳木斯井水宁夏同心县井水湖南岳阳井水天津塘沽地下水Ca2+82.978.237.2481.02.838.0Mg2+19.812.812.6437.81.563.7Na++K+16.223.520.42790.05.29317.0HCO3-219.6317.2140.0488.29.76464.0SO42-37.38.015.03938.58.9548.0Cl-28.021.3440.02127.62.55200.0fe2+-0.0210.0-1.4-2.1-Mn2+--1.0---含盐量403.8461.0276.210476.038.01040.7H2S-76.4---含F5.0游离CO2-11.560.0-79.4PH7.66.96.6-5.58.3特点含H2S含铁、锰苦咸水含铁，极软，腐蚀性强含氟矿化水1.2.1.6水中的总固体、溶解固体和悬浮固体水中除了溶解气体之外的一切杂质称为固体。而水中的固体又可分为溶解固体和悬浮固体。这二者的总和即称为水的总固体。溶解固体是指水经过过滤之后，那些仍然溶解于水的各种无机盐类、有机物等。悬浮固体是指那些能过滤掉的不溶于水中的泥沙、粘土、有机物等悬浮物质。总固体的测定是蒸干水分再称重得到的。因此选定蒸干时的温度有很大的关系，一般规定控制在105-110℃1.2.1.7水的含盐量水的含盐量(也称为矿化度)是表示水中所含盐类的数量。由于水中各种盐类一般均以离子的形式存在，所以含盐量也可表示为水中各种阳离子的量和阴离子的量的总和。水中的含盐量与溶解固体的含义有所不同，因为溶解固体不仅包含水中的溶解盐类，还包括有机物质。同时，水的含盐量与总固体的含义也有所不同，因为总固体不仅包括溶解固体，还包括不溶解于水的悬浮固体。所以，溶解固体和总固体在数量上都要比含盐量高。但是，在不很严格的条件下，当水比较清净时，水中的有机物含量比较少，有时候也用溶解固体的含量来近似地表示水中的含盐量。当水特别清净时，悬浮固体的含量也比较小(如地下水)，因此有时也可以用总固体的含量来近似表示水中的含盐量。1.2.1.8总有机碳(TOC)水中的有机物质的含量，以有机物中的主要元素-碳的量来表示，称为总有机碳。TOC的测定和TOD的测定一样。在950℃的高温下，使水样中的有机物气化燃烧，生成CO2，通过红外线分析仪，测定其生成的CO2之量，即可知总有机碳量。在测定过程中水中无机的碳化合物如碳酸盐、重碳酸盐等也会形成CO2，应另行测定予以扣除。若将水样经0.2µm微孔滤膜过滤后，测得的碳量即为溶解性有机碳(DOC)。TOC、DOC是较为经常使用的水质指标。1.2.1.9化学需氧量(COD)所谓化学需氧量，是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。它是表示水中还原性物质多少的一个指标。水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等。但主要的是有机物。因此，化学需氧量又往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标。化学需氧量越大，说明水中受有机物的污染越严重。化学需氧量的测定，随着测定水样中还原性物质以及测定方式的不同，其测定值也不同。目前应用最普通的是酸性高锰酸钾法与重铬酸钾氧化法。高锰酸钾法，氧化率较低，但比较简单，在测定水样中有机物含量的相对比较值时可以适用。重铬酸钾法，氧化率高，在现性好，适用于测定水样有机物的总量。1.2.1.10生化需氧量(BOD)所谓生化需氧量是在有氧的条件下，由于微生物的作用，水中能分解的有机物质完全氧化分解时所消耗的氧的量称为生物化学需氧量简称为生化需氧量。它是以水样在一定的温度(如20℃)下，在密闭容器中，保存一定时间后溶解氧化所减少的量(mg/L)来表示的。当温度在20℃时，一般的有机物质需要20天左右的时间就能基本上完成氧化分解过程，而要全部完成这一分解过程就需100天。但是，这么长的时间对于实际生产控制来说就失去可实用价值。因此，目前规定在20℃下，培养5天作为测定生化需氧量的标准。这时候测得的生化需氧量就称为五日生化需氧量，用BOD5表示。如果是培养20天作为测定生化需氧量的标准时，这时候测得的生化需氧量就称为20天生化需氧量，用BDD20表示。生化需氧量的多少，表明水体受到有机物污染的程度，反映出水质的好坏。1.2.2用水水质要求1.2.2.1软化水软化水是指将水中硬度(主要指水中钙、镁离子)去除或降低一定程度的水。水在软化过程中，仅硬度降低，而总含盐量不变。1.2.2.2脱盐水脱盐水是指水中盐类(主要是溶于水的强电解质)除去或降低到一定程度的水。其电导率一般为1.0-10.0µS/CM，电阻率(25℃)0.1-1.0MΩ·CM，含盐量为1-5mg/L。1.2.2.3纯水纯水是指水中的强电解质和弱电解质(如SiO2、CO2等)去除或降低到一定程度的水。其电导率一般为10.0-0.1µS/CM，电阻率(25℃)0.1-10.0MΩ·CM，含盐量1mg/L。1.2.2.4超纯水超纯水是指水中的导电介质几乎完全去除，同时不离解的气体、胶体以及有机物质(包括细菌等)也去除至很低程度的水。其导电率一般为0.1-0.055µS/CM,电阻率(25℃)10.0MΩ·CM，含盐量0.1mg/L。理想纯水(理论上)电导率为0.055µS/CM，电阻率(25℃)为18.0MΩ·CM。1.2.2.5锅炉用水锅炉用水是将水在一定的温度和压力下加热产生蒸汽，用蒸汽作为传热和动力的介质。一般工矿企业常采用低压或中压锅炉产生蒸汽做热源或动力用，这种锅炉对水质要求稍低；而发电厂或热电站常采用高压锅炉产生蒸汽以推动汽轮机来发电，为保证蒸汽对汽轮机无腐蚀和结垢沉积，这种锅炉对水质要求非常高。因此，锅炉用水的水质要求根据锅炉的工作压力和温度的不同而不同，不论何种锅炉用水，它对水的硬度都有较严格的限制。其它凡能导致锅炉、给水系统及其它热力设备腐蚀、结垢及引起汽水共腾现象，使离子交换树脂中毒的杂质如溶解氧、可溶性二氧化硅、铁以及余氯等都应大部或全部除去。1.2.2.6冷却水作为冷却用水，虽然没有像工业用水、锅炉用水那样对各种指标都有严格的限制、但为了保证生产稳定，不损坏设备，能长周期运转，对冷却水水质的要求还是相当高的，下面分别述之：(1)水温要尽可能低一些在同样的设备条件下，水温越低，日产量图越高。冷却水温度越低，用水量也相应减少。(2)水的混浊度要低水中悬浮物带入冷却水系统，会因流速降低而沉积在换热设备和管道中，影响热交换，严重时会使管道堵塞。此外，混浊度过高还会加速金属设备的腐蚀。为此，在国外一些大型化肥、化纤、化工等生产系统中对冷却水的浑浊度要求不大于2mg/L。(3)水质不易结垢冷却水在使用过程中，要求在换热设备的传递表面上不易结成水垢，以免影响热效果，这对工厂安全生产是一个关键。生产实践说明，由于水质不好，易结水垢而影响工厂生产的例子是屡见不鲜的。(4