第七讲 水体自净

第二章水体污染与水体自净2.1水体及水体环境条件2.1.1水体概念2.1.1.1水体（水环境）的概念具有二种含义：一般指海洋，河流，湖泊，水库，沼泽及地下水等贮水体（载体）的总称。从环境学概念，水体不仅包括水(H2O)，还包括水中悬浮物、溶解物质，底泥及水生生物等。故称水体是一完整的生态系统，或称为是一个完整的自然综合体。天然水的特点：天然水是成份十分复杂的溶液，含有三大类物质：1.悬浮性物质（10-7-10-3m,um~mm）1）无机悬浮物质：主要来自地表，由于降雨径流的冲刷与搬运带入水体中,为非溶性矿物微粒。2）有机悬浮物质：指水中浮游生物（包括浮游植物和浮游动物）及微生物（指水中细菌，真菌等）。悬浮性物质透光性光合作用水中溶解氧2.胶体物质（d=10-9~10-7m,um~nm）1）无机胶体:硅酸盐、水合氧化物（氧化铁、氧化铝等）、粘粒矿物（蒙脱土、伊利土等）；2）有机胶体:有机腐殖质，主要由C、H、O组成（达98.5%），及少量的N、P、K、Ca等3）有机无机复合胶体3.溶解性物质（d10-9m）1）无机物类：系指八大离子：八大离子含量可达溶解固体总量的95％KMgCaNaHCOCOSOCl,,,,,,,22323242)气体：主要指O2,CO2,N2,H2S,NH4其中，O2,CO2对水体的质量及水生生物的生长影响很大。天然水体中的溶解氧（以DO(DissolveOxgyen)表示）DO的来源：空气中氧气的溶解；水生植物光合作用产生的氧气。DO的消耗：水体中有机物降解过程中的耗氧；水中水生生物呼吸作用过程中的耗氧。以上二个方面的综合作用确定了水中DO的实际含量，一般DO介于1~14mg/L之间。水中DO浓度达到最大值时称作饱和溶解氧浓度，以Os表示，可与温度建立经验关系：TOs6.31468(mg/L),式中，T为温度天然水体中DO对水环境的影响：DO是水生生物生活的必要条件；如鱼类要求DO5mg/L，若DO1mg/L，则会造成鱼类的死亡。如水体缺少DO，则水中厌气性细菌会繁殖并活跃起来，会使有机物发生腐败分解，同时产生甲烷（CH4）、硫化氢（H2S）等恶臭气体，并使水体发臭变黑。水体中DO含量较多的情况下，DO可促使好氧性细菌对有机污染物的降解。可见，水体中DO含量是反映水体水质好坏的一个重要参数,地表水环境质量标准规定：I类水:7.5mg/L;II类水:6mg/L;III类水:5mg/L;IV类水:3mg/L;V类水:2mg/L天然水体中的二氧化碳CO2水体中CO2的来源：有机物分解时产生的CO2：OHCOO222微生物有机物＋水生生物的呼吸作用而释放出来的CO2；来自大气中CO2在水中的溶解；特殊的地质条件使水体中CO2含量增加。水体中CO2的影响：是水生植物光合作用不可缺少的原料；水体中CO2过多，会造成对水生生物的麻醉作用和毒害作用；水中CO2又称为侵蚀性CO2，会对水下混凝土及金属产生腐蚀。水体中水生生物的特征：由于水生生物的空间分布和生活方式不同，一般可以将水生生物分为以下几个的生态类群：1水微生物(Micro-Organism)：水中微型生物的总称。主要指水中的细菌，真菌（霉菌和酵母菌）等。其结构简单、形体微小（以微米计），但繁殖快分布广，对水质有极大的影响。2浮游生物(Plankton)：指在整个水层中能浮游生活的植物和动物的统称。它们的个体都比较小，一般无运动能力，只能在水中随波逐流，其包括：海水藻A）浮游植物：指各种浮游性的藻类，如绿藻，兰藻，硅藻等，构成万紫千红的水中植物世界。颤藻螺旋藻B）浮游动物：有四大类：原生动物：是动物界最原始最低等的单细胞动物。轮虫：多细胞低等无脊椎动物，身体多为圆筒形或纵长状。技角类：是小型甲壳动物，统称水蚤，体短，分节不明显。桡足类：亦为小型浮游甲壳动物，身体纵长，可明显地分为头胸部和腹部，以藻类为食物。轮虫技角类桡足类浮游动物3水底生物：是指生活在水体底部的各种动植物总称。根据生存的场所和生活方式的差别，又细分为：A）固着生物：指以根或胶质柄固着在水底底泥或各种附着物上生活的水草和藻类；还有某些原生动物亦可在水底固着生活。B）底栖生物指栖息在水底底泥上或埋在底泥中稍能活动的各种动物，如蠕虫动物（水蚯蚓）水生昆虫（摇蚊幼虫、浮游稚虫等）几种水蚯蚓摇蚊幼虫4浮泳动物：这是一类有发达运动器官和很强运动能力的水生生物，如各种鱼类。水体底泥水体底泥是水体的组成部分:未受到人为污染的水体底泥其组成情况与邻近的陆地基本相同。底泥来自各种外来物，如地面径流的冲刷，污水排放，废弃物的倾倒，起初主要以悬浮形式存在于水中，由于流速的降低及吸附聚沉等作用而沉积水底形成了底泥的组成部分。悬浮物质的沉降包括:固体粒子的沉降其与粒径、比重等有关；溶解物质的沉降其途径有：被固体粒子的吸附后沉入水底；水生生物的吸收聚集于体内，最终随残体沉淀于底泥；通过化学反应生成不溶的物质而沉淀。研究水体中底泥的意义：污染物可被底泥固定或被消除，成为消纳污染物场所，可使水本身得到自净；但另一方面，在一定条件下底泥中的污染物也可以重返到水中，造成水的二次污染；水体底泥是水生底栖生物的良好生活环境；底泥各层的情况可以反映水体污染的状况（历史的和现在的）。2.1.2水生态系统在生态系统中，生物有着巨大的多样性，在生态系统中物质循环和能量流动中各自起到独特的作用，根据它们取得营养方式不同，可将各种生物归为三大类（以水生态系统为例进行说明）：生态系统：自然界一定空间里生物和生物之间，生物与非生物环境（理化环境）之间相互制约，相互作用，通过物质循环和能量单向流动，构成一个具有一定结构与功能的相对稳定的统一体。在水域中的生态环境则称为水生态系统。能量流动：太阳辐射能被绿色植物吸收后，通过光合作用，转变成化学能固定在有机物中，然后转移到草食性动物，再向更高级的消费者流动，这些有机物质，最后由细菌所分解，将植物光合作用所固定的能量散逸到环境中。此外，各种生物在新陈代谢作用中，自身也会消耗掉一部分有机物，并以热的形式散逸到环境中。能量的这种通过生物系统流动的现象仅是单向的，故称为能量单向流动。1）生产者/亦称自养者（Producer/Autotrophs)是指水体中的绿色植物。它们可以依靠体内叶绿素的特殊功能—光合作用，利用太阳能，将水中简单无机物（CO2,H2O）化合成有机物质（碳水化合物），同时释放出氧气。2222OOCHOHCO)(叶绿素光合作用其中，(CH2O)代表合成的以碳水化合物为主的有机物。2）消费者/亦称异养者（Consumer/Heterotrophs）是指本身不能制造有机物，在水体中靠吞食其他生物来维持生命活动的各种生物。消费者按其食性及取得食物先后次序分为若干等级：初/第一等级消费者：草食动物；次/第二等级消费者：第一级肉食动物；第三级消费者：第二级肉食动物；以此类推：……（一般不超过4～5级）。各种细菌的形态3）分解者（Decomposor）：指水体中微生物（真菌，细菌等），其功能专门是将有机物分解为无机物。水生态系统示意图按类型划分，在地球上分为二类：1.海洋水体：2.陆地水体：A.地表水体；B.地下水体。2.1.3水体类型海洋水97.4%淡水2.53%按流动特征划分：1.流动水体；2.静水水体。1.河流水环境条件（属动水水体）动水条件，污染物可随水流动，易于迁移；动水面与大气交界面可以相互混渗，氧气易于进入水中，即复氧条件好，有利于有机污染物的降解，水生生物的生长，使水质向好的方向转化。河底不同底泥对水生生物（植物与动物）影响较大。2.湖泊水环境条件（属静水水体）夏季：典型的深水湖泊有明显的垂直分层现象。其原因是太阳辐射随水深而减弱，可分为：2.1.4水体环境条件(河流,湖泊水库)等温层(Isothermallager)亦称作暖水层，位于湖泊的上层,水温一致。温跃层(Thermocline)亦称温度突变层，位于等温层以下，温度迅速下降，通常水深每增加一米，温度至少下降1℃。冷水层构成湖水下层，是一个接近于4℃（39℉）的冷水层。冬季：呈上层温度低，下层温度稍高。温度（℃）深度(m)湖中水温分布温水层温跃层冷水层夏冬4℃由于夏冬水温分布不同，溶解氧含量随水深变化亦不同：湖中DO的分布DO(ppm）水深(m)温水层温跃层冷水层夏冬夏季：溶解氧上层最多，底层最少；冬季：沿水深溶解氧浓度都较高，变化不大。从生物学观点，湖沿水深分为2个带：补偿深度：当光照强度等于水面日光辐射的1%的相应深度。这个深度上的光能正好足以使光合作用产生的氧与自养生物的呼吸作用需要的氧相平衡。深暗带光亮带补偿深度1%水面日光照辐射补偿深度将湖水分为两个带：1光亮带（层）：在补偿深度以上，自养生物占优势；2深暗带（层）：因该带光线弱，异养生物占优势。3.水库水环境条件其环境条件介于湖泊与河流之间。2.2水体污染及其危害2.2.1水体污染定义与水体自净的定义主要是由于人类活动排放的污水进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为水体污染。━引自《中国大百科全书》环境科学分册美国关于水污染法定的定义：Theterm“Pollution”meansman-madeorman-inducedalternationofchemical,physical,biological,andradiologicalintegrityofwater.Thetermintegritymeans“beingunimpaired”,therefore,alternationofintegritymeansimpairmentorinjury.QuotedfromtheCleanWaterActSec.502-19(U.S.Congress1987)以上两个水污染的定义都强调：2.2.2不同天然水体的污染特点：1.河流污染特点：1）属污染物易于搬运的开放型污染物质在河流中运移的方式主要是随流运动及扩散运动。水污染主要是人为因素造成的而不是自然因素造成的；污染造成了水，水体底泥的物化性质以及生物群落组成发生变化，降低了使用价值。2）污染程度随径流量变化而异径流量Q↑→稀释能力↑→污染程度↓3）河流的自净能力强主要由于水流动快，与大气混掺能力强，故复氧能力大。4）河流的污染易于控制2.湖泊水库污染的特点：湖泊稀释和搬运能力弱，属于污染物循环中易于沉积封闭类型。湖泊对污染物质的转化和富集作用强。湖泊的富营养化，是湖泊污染易发生的一种类型。湖泊水温分布随季节变化而异，在夏季有分层现象，则对水的生物特性及化学活性都有影响。地下水是存在于地表以下，充满在土壤岩石孔隙和裂缝中的水，水流动十分缓慢，故其污染不同于地表水，其特点是：地下水污染过程十分缓慢：污染物随水分下渗达地下水之前，沿程会被土壤颗粒截留、过滤、吸附和分解，故地下水不易被污染；地下水污染途径有直接污染和间接污染两种情况：直接污染：污染物直接随水分渗入地下水，如工业废水的渗入；氮素随灌溉水渗入地下水等。3.地下水污染：地下水一旦受污染，难以净化复原，故地下水保护重在预防。间接污染：地表污染物随水分下渗过程中，可作用于土壤中的其它物质，产生化学反应生成另一种污染物而污染地下水，如：地表的酸碱盐类在下渗过程中会使土壤中的钙鎂溶解并带入地下水使得地下水硬度增加；地表水中有机物在下渗过程中，被土壤微生物降解而耗氧，故带入的溶解氧较少。2.2.3水体污染物质的主要来源1.水体污染源的定义：引起天然水体水质变化的物质称为污染物。而任何向天然水体排放污染物的场所、设备和装置，称为水体污染源。2.水体污染源的分类按污染物生成特点污染源可以分成两类：污染物从独立的可以确定的位置进入水体，污染物可被测定，例：城市生活污水的集中排放；工矿企业