1、第三篇第三篇 水环境化学水环境化学1.水环境及水环境化学水环境及水环境化学2.水体污染及水处理水体污染及水处理3.有机物污染化学有机物污染化学4.沉积物污染化学沉积物污染化学5.重金属污染化学重金属污染化学6.膜化学应用膜化学应用1.水环境及水环境化学水环境及水环境化学1.1 水环境化学水环境化学水圈，水体，水循环，水环境，水环境化学水圈，水体，水循环，水环境，水环境化学1.2 水环境中化学物质的存在形态水环境中化学物质的存在形态离子，溶解性气体，生源物质，微量元素，有机物质离子，溶解性气体，生源物质，微量元素，有机物质1.3 天然水的性质天然水的性质碳酸化学平衡，酸碱度，缓冲能力，硬度碳酸化
2、学平衡，酸碱度，缓冲能力，硬度 水分子是由具有水分子是由具有105角的氢角的氢-氧氧-氢组成，其形状导致有氢组成，其形状导致有氢的一边显正电荷（正电性氢的一边显正电荷（正电性的），而另一边显负电荷（的），而另一边显负电荷（负电性的）。具有很好的溶负电性的）。具有很好的溶解性能解性能 水强烈地吸收红外线辐射水强烈地吸收红外线辐射。u 水有高的热容量，水有高的热容量，4时水的密度最大。高热容量意味着时水的密度最大。高热容量意味着它能吸收热能，而只增加很少的温度。其结果使水生生物减它能吸收热能，而只增加很少的温度。其结果使水生生物减少了受温度波动的影响。在较低温度时，水的密度增加，因少了受温度波动的
3、影响。在较低温度时，水的密度增加，因而也更重，最大的密度发生在而也更重，最大的密度发生在4。因此，冰浮在水上，水体。因此，冰浮在水上，水体从上向下冻结。这种现象保护了水生生物，因为冰作为一种从上向下冻结。这种现象保护了水生生物，因为冰作为一种绝热体，阻止下层水的温度进一步降低。绝热体，阻止下层水的温度进一步降低。在陆地温度中，水在陆地温度中，水很容易从蒸汽转化成液相和固相，同时释放或吸收大量的热很容易从蒸汽转化成液相和固相，同时释放或吸收大量的热。水圈的结构水圈的结构 水圈是覆盖地球的水层，包括海洋、所有的湖泊、河流、地下水圈是覆盖地球的水层，包括海洋、所有的湖泊、河流、地下水以及大气圈的水蒸
4、气。水以及大气圈的水蒸气。中国大百科全书中国大百科全书-地理学地理学认为：水圈是液态和固态水体所覆认为：水圈是液态和固态水体所覆盖的地球空间，水圈中的水上界可达大气对流层顶部，下界至深盖的地球空间，水圈中的水上界可达大气对流层顶部，下界至深层地下水的下限，包括大气中的水汽、地表水、土壤水、地下水层地下水的下限，包括大气中的水汽、地表水、土壤水、地下水和生物体内的水。和生物体内的水。由此可见，水圈的概念有狭义水圈和总水圈之分由此可见，水圈的概念有狭义水圈和总水圈之分 大大 气气 圈圈 总总 水水 圈圈 雨雨 雹雹，冻冻 雨雨，雪雪 水水 蒸蒸 气气 第第 二二 相相 体体 液液 (外外 部部)细
5、细 胞胞 液液 (内内 部部)水水 合合 生生 物物 聚聚 合合 物物 岩岩 石石 圈圈 地地 下下 水水 岩岩 浆浆 源源 水水 水水 合合 物物 水水 狭狭 义义 水水 圈圈 陆陆 地地 水水 泉泉 水水，沼沼 泽泽 水水 池池 塘塘 水水，湖湖 水水，冰冰 盖盖 和和 雪雪 盖盖 溪溪 流流，河河 流流，冰冰 川川 海海 湾湾 海海 洋洋 海海 大大 洋洋 海海 洋洋 沉沉 积积 物物 间间 隙隙 水水 生生 物物R.A.Horne 1978年提出年提出了总水圈了总水圈(total hydrosphere)的概念，认的概念，认为水圈是地为水圈是地球表面和接球表面和接近地球表面近地球表面各
6、类贮水体各类贮水体中水的总称中水的总称天然水的分布天然水的分布 全球天然水分布的特点：全球天然水分布的特点：海洋水占海洋水占97.41%，淡水只占，淡水只占2.59%淡水中的淡水中的76.6%储存在冰帽和冰川中储存在冰帽和冰川中 可供人类使用的淡水只占可供人类使用的淡水只占0.64%降水是维持人类和其它陆栖生物所需淡水的主要来源降水是维持人类和其它陆栖生物所需淡水的主要来源 海洋97.41%2.59%冰帽和冰川 1.984%地下水0.592%0.014%生物水0.0001%河流0.0001%大气水蒸气 0.001%湖泊0.007%土壤水0.005%地球上水的分布地球上水的分布 年可利用水总量年
7、可利用水总量/km3/a 全球的年降水量为全球的年降水量为110305km3，其中，其中65%通过地面蒸发回到大气层，通过地面蒸发回到大气层，其余部分补给地下含水层、河流和湖泊，最后流入海洋。其余部分补给地下含水层、河流和湖泊，最后流入海洋。我国水资源的特点：我国水资源的特点：我国属贫水国，按人均占有径流量计算，每人每年平我国属贫水国，按人均占有径流量计算，每人每年平均大约均大约2600吨，只相当世界人均占有量的吨，只相当世界人均占有量的1/4。淡水资源分布不均：绝大多数河流分布在东部湿润多淡水资源分布不均：绝大多数河流分布在东部湿润多雨的季风区；西北、内蒙古和青藏高原中西部干燥少雨的季风区；
8、西北、内蒙古和青藏高原中西部干燥少雨，河流较少，并有面积广大的无流区。雨，河流较少，并有面积广大的无流区。天然水的化学组成天然水的化学组成 天然水是海洋、江河、湖泊、沼泽、冰雪等地表水地下水天然水是海洋、江河、湖泊、沼泽、冰雪等地表水地下水的总称。的总称。1、淡水的化学成分、淡水的化学成分 淡水的化学成分受诸多因素的影响，一般有以下特点：淡水的化学成分受诸多因素的影响，一般有以下特点：离子强度较低离子强度较低(一般一般10-210-3mol/L)；pH值的变化范围比较大，一般为值的变化范围比较大，一般为7 3；淡水中主要的离子有淡水中主要的离子有Na+、Mg2+、Ca2+、K+、NO3、SO4
9、2、Cl、HCO3，它们的含量易变；它们的含量易变；河流和湖泊中的悬浮物含量变化大。河流和湖泊中的悬浮物含量变化大。海水的化学成分海水的化学成分海水的化学成分有以下特点：海水的化学成分有以下特点：具有较高的离子强度具有较高的离子强度(约约0.7 mol/L)；公海中盐浓度的范围变动不大，一般保持在公海中盐浓度的范围变动不大，一般保持在3237.5之间；之间；海水的海水的pH值变化不大，整个值变化不大，整个pH值的范围在值的范围在7.58.3，大多数处于大多数处于7.88.2；海水中的主要离子有海水中的主要离子有Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+、Cl、SO42、Br、F，含量比较恒定，
10、其中含量比较恒定，其中Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Cl、SO42占海盐的占海盐的99%；颗粒物的浓度比较恒定，有机碳颗粒物通常占全部颗粒物的浓度比较恒定，有机碳颗粒物通常占全部颗粒物的颗粒物的3050。水循环水循环 地球表面的水是十分活跃的，江、河、湖、海蒸发的水汽地球表面的水是十分活跃的，江、河、湖、海蒸发的水汽进入大气圈，通过降水过程返回陆地和海洋；在陆地，部分被进入大气圈，通过降水过程返回陆地和海洋；在陆地，部分被生物吸收，部分下渗为地下水，部分成为地表径流。地表径流生物吸收，部分下渗为地下水，部分成为地表径流。地表径流和地下径流大部分回归海洋。和地下径流大部分回归海洋。水循环是指
11、水在生物圈、大气圈、岩石圈和水圈之间的贮存水循环是指水在生物圈、大气圈、岩石圈和水圈之间的贮存和运动，可用概念模型说明。此外，地球上的水在不同贮存库和运动，可用概念模型说明。此外，地球上的水在不同贮存库中的停留时间各不相同。中的停留时间各不相同。水循环水循环自然循环和社会循环自然循环和社会循环 水的自然循环：水的自然循环：指自然界的水在水圈、大气圈、岩石圈、生指自然界的水在水圈、大气圈、岩石圈、生物圈四大圈层中通过各个环节连续运动的过程。物圈四大圈层中通过各个环节连续运动的过程。这个过程包括了：这个过程包括了：蒸发、水汽输送、降水、地表蒸发、水汽输送、降水、地表径流、下渗、地下径流径流、下渗、
12、地下径流等各个环节等各个环节 水的社会循环：水的社会循环：指由于人的社会需要而促成的循环，称指由于人的社会需要而促成的循环，称为水的社会循环。水的社会循环是直接为人为水的社会循环。水的社会循环是直接为人类的生活和生产服务的。类的生活和生产服务的。这个过程包括了：这个过程包括了：给水、排水给水、排水两个环节两个环节水循环的意义水循环的意义 水在循环过程中不断释放和吸收热能，调节着地球大气水在循环过程中不断释放和吸收热能，调节着地球大气圈、生物圈和岩石圈的能量，构成了地球上各种形式的物圈、生物圈和岩石圈的能量，构成了地球上各种形式的物质与能量交换系统。质与能量交换系统。水循环对气候有很大的影响，水
13、交换过程导致热量与能量水循环对气候有很大的影响，水交换过程导致热量与能量频繁交换，使地球上发生复杂的天气变化。频繁交换，使地球上发生复杂的天气变化。生物圈中生物的种群分布和聚落形成与水的时空分布有密生物圈中生物的种群分布和聚落形成与水的时空分布有密切关系，植物的蒸腾作用也促进了水循环。切关系，植物的蒸腾作用也促进了水循环。人类的生活、生产发展与经济繁荣都依赖于水。人类大的人类的生活、生产发展与经济繁荣都依赖于水。人类大的活动影响地球上水分循环的过程和水量平衡。活动影响地球上水分循环的过程和水量平衡。水以气态、液态和固水以气态、液态和固态形式存在，成为大态形式存在，成为大气水、海水、陆地水气水、
14、海水、陆地水（河水、湖水、沼泽（河水、湖水、沼泽水、冰雪水、土壤水、水、冰雪水、土壤水、地下水），以及存在地下水），以及存在于生物体内的生物水，于生物体内的生物水，这些水的运动构成了这些水的运动构成了水圈。水圈。水圈的上限算到对流水圈的上限算到对流层顶，下限为深层地层顶，下限为深层地下水所及的深度下水所及的深度。水环境体系（水体）水环境体系（水体）在自然界中水的积聚体称为水体，包括河流、湖泊、水库、在自然界中水的积聚体称为水体，包括河流、湖泊、水库、池塘、沼泽、海洋、冰川、地下水等。池塘、沼泽、海洋、冰川、地下水等。水体是一个完整的生态系统，其中包括水、水中的悬浮物、水体是一个完整的生态系统，
15、其中包括水、水中的悬浮物、溶解物、底质和水生生物等。溶解物、底质和水生生物等。地球表面的水在太阳辐射能和地心引力的相互作用下，水分地球表面的水在太阳辐射能和地心引力的相互作用下，水分通过蒸发、降水、渗透及径流不断循环往复，起到热量输送、通过蒸发、降水、渗透及径流不断循环往复，起到热量输送、调节气候作用。调节气候作用。水环境的概念出现于水环境的概念出现于20世纪世纪70年代，尚有争议。年代，尚有争议。环境科学大辞典环境科学大辞典的解释：的解释：“水环境水环境是地球上分布的各种是地球上分布的各种水体以及与其密切相连的诸环境要素如河床、海岸、植被、水体以及与其密切相连的诸环境要素如河床、海岸、植被、
16、土壤等土壤等”。水环境可根据其范围的大小分为区域水环境（如流域水环境、水环境可根据其范围的大小分为区域水环境（如流域水环境、城市水环境等）、全球水环境。城市水环境等）、全球水环境。对某个特定的地区而言，该区域内的各种水体如湖泊、水库、对某个特定的地区而言，该区域内的各种水体如湖泊、水库、河流和地下水等是该水环境的重要组成部分，因此，水环境河流和地下水等是该水环境的重要组成部分，因此，水环境又可分为地表水环境和地下水环境。又可分为地表水环境和地下水环境。地表水环境包括河流、湖泊、水库、池塘、沼泽等；地表水环境包括河流、湖泊、水库、池塘、沼泽等；地下水环境包括泉水、浅层地下水和深层地下水等。地下水
17、环境包括泉水、浅层地下水和深层地下水等。水环境化学水环境化学是研究化学物质在天然水体中的存在形态、是研究化学物质在天然水体中的存在形态、反应机制、迁移转化和归趋的规律及其化学行为对生态反应机制、迁移转化和归趋的规律及其化学行为对生态环境的影响的科学。水环境化学是环境化学的重要组成环境的影响的科学。水环境化学是环境化学的重要组成部分，为水污染控制和水资源的保护提供了科学依据。部分，为水污染控制和水资源的保护提供了科学依据。研究的特点：研究的特点：（1）体系复杂）体系复杂 离子、分子、胶体微粒离子、分子、胶体微粒（2）界面现象）界面现象 重金属、有机物附着在胶体微粒面上，重金属、有机物附着在胶体微
18、粒面上，化学、生物等变化也在界面发生化学、生物等变化也在界面发生 发展趋势：发展趋势：“三微三微”微量、微观、微粒微量、微观、微粒研究对象研究对象“三模三模”模型、模式、模拟实验模型、模式、模拟实验研究手段研究手段1.2.1 主要离子主要离子1.2.1.1 天然水的主要离子成分9599%Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、Na+、Ca2+、K+、Mg2+海水中 Cl-、Na+占优势湖水中 Na+、SO42-占优势地下水 受地域变化影响大污水中 HCO3-、Ca2+占优势1.2.1.2 天然水的主要离子成分的形成天然水的主要离子成分的形成-矿化过程矿化过程矿化度矿化度（总含盐量，（总含盐
19、量，TDS）：水中的离子）：水中的离子成分总量成分总量TDS=（Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-）+（Na+、Ca2+、K+、Mg2+）1.2.1.2.1 水对岩石、土壤中盐类的溶解作用水对岩石、土壤中盐类的溶解作用岩石的化学风化：岩石圈深部高温、高岩石的化学风化：岩石圈深部高温、高压、缺氧、缺水、缺压、缺氧、缺水、缺CO2条件形成的火成条件形成的火成岩，进入地表在低温、低压、有氧、水、岩，进入地表在低温、低压、有氧、水、CO2、生物有机体条件下失去平衡被破坏、生物有机体条件下失去平衡被破坏分解的过程。分解的过程。（a）水合作用）水合作用 水分子结合到矿物质晶格水分子结合到矿物质晶格
20、中形成含不同水的晶体中形成含不同水的晶体（b b）氧化作用）氧化作用 空气中的氧把岩石中低空气中的氧把岩石中低价元素氧化并形成可溶性盐类价元素氧化并形成可溶性盐类CuFeS2O2CuSO4FeSO4+黄铜矿+O2FeS2H2OFe(OH)3H2SO4黄铁矿+CaCO3H2SO4CaSO4H2OCO2+CO2H2OCaSO4H2SO4+MgCO3MgSO4+H2SO4+2H2O2H2O+H2Al2Si2O8CaAl2Si2O8（c）水解作用）水解作用 岩石中矿物质在水和岩石中矿物质在水和CO2共同作用下，铝硅酸盐类（特别是长石类）共同作用下，铝硅酸盐类（特别是长石类）发生水解形成可溶性盐发生水解
21、形成可溶性盐K2Al2Si6O16H2OCO2H2Al2Si2O8H2OSiO22H2OKHCO3+钾长石高岭石+H2O2SiO2H2OH2Al2Si2O8CO2H2ONa2Al2Si6O16NaHCO3钠长石+H2OH2Al2Si2O8CO2H2O钙长石CaAl2Si6O16Ca(HCO3)2+H2O2SiO2H2OH2Al2Si2O8H2OAl2O3H2O硅藻+H2O2SiO2CO2H2OMgSiO4Mg(HCO3)2橄榄石+CO2H2ONa3Al3(SiO4)2NaClHAlSiO4NaClNaHCO3方蜡石1124211242323244233331.2.1.2.2 水中各种盐类之间的
22、化学反应水中各种盐类之间的化学反应（a）碱金属的硅酸盐与其它盐类反应）碱金属的硅酸盐与其它盐类反应Na4SiO4Ca(HCO3)2Ca2SiO4NaHCO3+2442+NaHCO3Na4SiO4Mg(HCO3)2Mg2SiO4Ca2SiO4CO2H2OSiO2H2OCa(HCO3)2+44222244+H2OSiO2H2OCO2Mg2SiO4Mg(HCO3)2（b）碱金属碳酸盐与其它盐类反应（不同成分径流）碱金属碳酸盐与其它盐类反应（不同成分径流相交时发生）相交时发生）（c）天然水镁盐或钾盐与其它盐类反应（天然水中）天然水镁盐或钾盐与其它盐类反应（天然水中没有富含没有富含Mg、K的）的）Na2
23、CO3Mg CaCaMgSO4CO3Na2SO4+CO3Mg CaCaMgNa2CO3Cl2NaCl22+MgSO4CaCO3CaSO4MgCO3CaCO3CaCO3MgCO3CaCO3+2MgCl2CaCl2白云石1.2.1.2.3 水中阳离子与岩石土壤中吸收性阳离子的交换反应水中阳离子与岩石土壤中吸收性阳离子的交换反应 当环境条件如当环境条件如pH、pE、离子相对浓度改变时，、离子相对浓度改变时，平衡会打破，上述反应可能发生逆转。平衡会打破，上述反应可能发生逆转。+胶体Na4SiO4Ca2+Ca2SiO4Na+胶体胶体Na+Ca2+胶体+NaHCO3Ca(HCO3)2+胶体Ca2+Na+胶
24、体Na2SO4CaSO422胶体Na+胶体+MgCl2NaClMg2+22Na2SO4胶体Na+胶体+MgSO4Mg2+1.2.1.3 天然水的化学类型天然水的化学类型 (按主要离子成分变化来划分按主要离子成分变化来划分)先按主要的阴离子划分为三类，再按阳离子分组，先按主要的阴离子划分为三类，再按阳离子分组，再按浓度比分型再按浓度比分型。重碳酸盐类硫酸盐氯化物类类 C HCO3-S SO42-Cl Cl-钙钠镁钙钠镁钙钠镁组CaNaMgCaNaMgCaNaMgIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII型IIIIIIIIIIVIIIIVIVIIIIVu型：型：HCO3
25、-Ca2+Mg2+。型水是低矿化水，系型水是低矿化水，系由火成岩溶滤或离子交换作用形成的。由火成岩溶滤或离子交换作用形成的。u型：型：HCO3-Ca2+Mg2+HCO3-+SO42-）。）。型型水是低矿化和中等矿化水，多由火成岩、沉积岩的风化物与水水是低矿化和中等矿化水，多由火成岩、沉积岩的风化物与水相互作用形成。河水、湖水、地下水大多属于这一类型。相互作用形成。河水、湖水、地下水大多属于这一类型。u型：型：HCO3-+SO42-Ca2+Mg2+或或Cl-Na+。型水包括高矿化度的地下水、湖水和海水。型水包括高矿化度的地下水、湖水和海水。u型：型：HCO3-=0。型水是酸性水，型水是酸性水，p
26、H4.5时，水中游时，水中游离的离的CO2和和H2CO3、CO3-的浓度为零。例如，沼泽水、硫化矿的浓度为零。例如，沼泽水、硫化矿床水和煤田矿坑水床水和煤田矿坑水 型水是弱矿化水，主要形成于含大量型水是弱矿化水，主要形成于含大量Na+与与K+的火成岩地区，的火成岩地区，水中含有相当数量的水中含有相当数量的NaHCO3成分（即主要含有成分（即主要含有Na+与与HCO3-），在某些情况下也可能由），在某些情况下也可能由Ca2+交换土壤和沉积物中的交换土壤和沉积物中的Na+而而形成。此水型多半是低矿化度的。干旱半干旱地区的内陆湖，形成。此水型多半是低矿化度的。干旱半干旱地区的内陆湖，如果由如果由型水
27、特征很强的水所补给，有可能形成微咸水的苏打型水特征很强的水所补给，有可能形成微咸水的苏打湖。湖。型水为混合起源水，其形成既与水和火成岩的作用有关，又型水为混合起源水，其形成既与水和火成岩的作用有关，又与水和沉积岩的作用有关。多数低矿化（与水和沉积岩的作用有关。多数低矿化（200mgL-1以下）和以下）和中矿化（中矿化（200500mgL-1）的河水、湖水和地下水属于这一类）的河水、湖水和地下水属于这一类型。型。型水也是混合起源的水，但一般具有很高的矿化度。在此条型水也是混合起源的水，但一般具有很高的矿化度。在此条件下，由于离子交换作用使水的成分明显变化，通常是水中的件下，由于离子交换作用使水的
28、成分明显变化，通常是水中的Na交换出土壤和沉积岩中的交换出土壤和沉积岩中的Ca2和和Mg2。海水、受海水。海水、受海水影响地区的水和许多具高矿化度的地下水属此类型。影响地区的水和许多具高矿化度的地下水属此类型。型水的特点是不含型水的特点是不含HCO3-。酸型沼泽水、硫化矿床水和火山。酸型沼泽水、硫化矿床水和火山水属此型。在碳酸盐类水中不可能有水属此型。在碳酸盐类水中不可能有型水，在硫酸盐与氯化型水，在硫酸盐与氯化物类的钙组和镁组中也不可能有物类的钙组和镁组中也不可能有型水，而硫酸盐与氯化物类型水，而硫酸盐与氯化物类的钠组一般没有的钠组一般没有型水。型水。1.2.2 溶解性气体溶解性气体1.2.
29、2.1 溶解氧溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）溶解在水中的分子氧，来源于空气及水生藻类光合作用。溶解在水中的分子氧，来源于空气及水生藻类光合作用。0，K=2.1810-8 molL-1pa-125，K=1.2810-8 molL-1pa-1Claustus&Klaperon Equation：可求不同温度下溶解度：可求不同温度下溶解度)11(303.2log2112TTRHSS eg.25时与时与1.013105pa空气达成平衡空气达成平衡时氧在水中溶解度，时氧在水中溶解度，（PH2O 0，0.00611105 pa；25，0.03167105pa）2095.010)03167
30、.0013.1(1028.1582aqO11432.8106.2LmgLmol溶解氧的消耗（汇）：溶解氧的消耗（汇）：污水进入水体后，其中有机物在微生物的作用下进行氧化污水进入水体后，其中有机物在微生物的作用下进行氧化分解，需消耗一定数量的氧。分解，需消耗一定数量的氧。有机物的分解产物如氨，氧化成亚硝酸盐和硝酸盐时也要有机物的分解产物如氨，氧化成亚硝酸盐和硝酸盐时也要消耗溶解氧。消耗溶解氧。沉积在水底的淤泥分解时也要从水中吸取氧。沉积在水底的淤泥分解时也要从水中吸取氧。当夜间光合作用停止时，水生植物的呼吸也需要溶解氧。当夜间光合作用停止时，水生植物的呼吸也需要溶解氧。废水中一些还原性物质也会与
31、水中的氧起反应，从而降低废水中一些还原性物质也会与水中的氧起反应，从而降低溶解氧的含量。溶解氧的含量。溶解氧的补充（源）：溶解氧的补充（源）：急流、起伏不平的河床及风力引起的波浪可使水的复氧过急流、起伏不平的河床及风力引起的波浪可使水的复氧过程加快。程加快。雨水和清洁的支流也可带入部分溶解氧。雨水和清洁的支流也可带入部分溶解氧。水体中的藻类等绿色植物通过光合作用放出的氧也是水体水体中的藻类等绿色植物通过光合作用放出的氧也是水体溶解氧的源。溶解氧的源。复氧作用复氧作用（reoxygenationreoxygenation）：水中的溶解氧经常在）：水中的溶解氧经常在消耗着，在消耗水中溶解氧的同时，
32、由于水中的氧不消耗着，在消耗水中溶解氧的同时，由于水中的氧不是饱和状态，空气中的氧也就不断溶入地面水中以补是饱和状态，空气中的氧也就不断溶入地面水中以补充水中的溶解氧，这一过程称为复氧。复氧过程是地充水中的溶解氧，这一过程称为复氧。复氧过程是地面水达到自净的必要条件。面水达到自净的必要条件。1.2.2.2 二氧化碳二氧化碳 产生（源）：空气中产生（源）：空气中CO2溶于水中量很少，溶于水中量很少，0.51.0 mg L-1 去除（汇）：去除（汇）：(CH2O)xO2CO2xH2O细菌+H2OCO2O2(CH2O)xh生物CaCO3MgCO3CO2H2OCa2+Mg2+HCO3-24+分布：分布
33、：湖、河水中，（湖、河水中，（2030）mg L-1；海水中，零点几海水中，零点几mg L-1；地下水，几十至几百地下水，几十至几百mg L-11.2.3 生源物质（成因上与生命活动有关的物质）生源物质（成因上与生命活动有关的物质）1.2.3.1 含氮化合物含氮化合物N2NH3-NNO2-NNO3-N有机 NmgL-10.01n0.001n0.01n0.01n0.1n占 50%以上N2有机NNH3-NNO2-NNO3-N固氮菌腐烂硝化反硝化u来源：水生植物固定空气中氮气来源：水生植物固定空气中氮气1.2.3.2 含磷化合物含磷化合物 正磷酸盐、多磷酸盐、有机磷正磷酸盐、多磷酸盐、有机磷 正（正
34、（H2PO4-、PO43-、H3PO4）+有机有机P=（0.0010.001n）mg L-1来源：含磷酸盐矿物质、鸟粪、动物化石来源：含磷酸盐矿物质、鸟粪、动物化石1.2.3.3 硅化合物硅化合物 SiO(OH)3-、Si4O6(OH)62-来源：矿石的化学风化来源：矿石的化学风化1.2.3.4 铁化合物铁化合物以胶体形式存在，以胶体形式存在，Fe(HCO3)2、FeOH+、Fe(OH)2，易，易氧化、水解成氧化、水解成Fe(OH)31.2.4 微量元素离子微量元素离子10 mgL-1I-、Cl-、BO2-(0.01n）mgL-1Cu2+、Co2+、Ni2+(0.001n）mgL-1Cr、Cd
35、、Pb2+、Zn2+、V5+、Mo、As、Hg放射性元素222Rn、226Ra、3H、14C 海水中有机碳在海水中有机碳在10-6mol L-1 非腐殖物质非腐殖物质 可辨认化学性质的有机物质可辨认化学性质的有机物质 腐殖质腐殖质 占占7080%，分子量从几百到几万的无，分子量从几百到几万的无定型、高分散物质。结构特点是含大量苯环、定型、高分散物质。结构特点是含大量苯环、含氧和含氮官能团。按酸碱中溶解性不同分为含氧和含氮官能团。按酸碱中溶解性不同分为类别碱 酸分子量C%N%S%O%H%富里酸（FA）溶 溶数百数千40501312445046腐殖酸（HA）溶 不数千数万5060240.51303
36、546腐黑物不 不数千数万5060240.513035461.2.5 有机物质有机物质1.3.1 碳酸化学平衡碳酸化学平衡 CO2H2OH2CO3+k0=2.810-2+H2CO3H+HCO3-K1=4.510-7+HCO3-H+CO32-K2=4.710-11CO32-HCO3-+H2CO3CT=控制天然水控制天然水pH，影响物理、化学、生物过程。，影响物理、化学、生物过程。各形态所占比例（型态分数，分布系数）：各形态所占比例（型态分数，分布系数）：12211320)1(HkkHkCCOHT12131)1(HkkHCHCOT12212232)1(kHkkHCCOT封闭体系碳酸化封闭体系碳酸化
37、合物形态分布合物形态分布pH32COH3HCO23COpk2001.00H2CO3*-HCO3-CO32-体系形态分布图中重要交界点体系形态分布图中重要交界点210*32COHTpkCOHC221013COHCOHpkHkpkHCO222123COHpkHkkCO开放体系碳酸化合物形态分布开放体系碳酸化合物形态分布1.3.2 天然水的碱度和酸度天然水的碱度和酸度碱度碱度（Alkalinity）能够接受能够接受H+的物质的总量。指的物质的总量。指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，即接受质水中能与强酸发生中和作用的全部物质，即接受质子的物质总量，包括强碱、弱碱及强碱弱酸盐。子的物质总量，包括强碱
38、、弱碱及强碱弱酸盐。强碱：强碱：NaOH、Ca(OH)2等；等；弱碱：弱碱：NH3、C6H5NH2；强碱弱酸盐：碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、硼酸盐、强碱弱酸盐：碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、硫化物、腐殖质盐磷酸盐、硫化物、腐殖质盐 H+OH-=H2O H+CO32-=HCO3-(酚酞终点)H+HCO3-=H2CO3 (甲基橙终点)测定方法：酸碱滴定，双指示剂法测定方法：酸碱滴定，双指示剂法主要形态为主要形态为OH、CO32-、HCO3-，因此又分为氢，因此又分为氢氧化物碱度、碳酸盐碱度、酸式碳酸盐碱度氧化物碱度、碳酸盐碱度、酸式碳酸盐碱度；其中、不能共存，共有；其中、不能共存，共有5
39、种组合方式种组合方式.总碱度总碱度=HCO3-+2CO32-+OH-H+酚酞碱度酚酞碱度=OH-+CO32-H2CO3*H+苛性碱度苛性碱度=OH-HCO3-2CO32-H+)2(21HHkCwT0 14甲基橙酚酞4.3HCO3-、CO2H2CO3总碱度/甲基橙碱度 总碱度=HCO3-+2 CO32-+OH-H+8.3CO32-HCO3-酚酞碱度酚酞碱度=CO32-+OH-H2CO3*-H+12CO32-苛性碱度苛性碱度=OH-HCO3-2 H2CO3*-H+酸度酸度（Acidity）能够提供能够提供H+的物质总量。的物质总量。指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，指水中能与强碱发生中和作用的
40、全部物质，亦即放出亦即放出H+或经过水解能产生或经过水解能产生H+的物质的物质的总量。的总量。强酸：强酸：HCl、H2SO4、HNO3；弱酸：弱酸：H2CO3（CO2）、）、H2S、有机酸；、有机酸；强酸弱碱盐：强酸弱碱盐：FeCl3、Al2(SO4)3总酸度总酸度=H+HCO3-+2H2CO3*-OH-CO2酸度酸度=H+H2CO3*-CO32-OH-无机酸度无机酸度=H+-HCO3-2 CO32-OH-)2(01HHkCwT1.3.3 天然水的缓冲能力天然水的缓冲能力 pH=69天然水都有一定的维持本身天然水都有一定的维持本身pH值的能力，即值的能力，即具有一定的缓冲性，原因是水中存在缓冲
41、体具有一定的缓冲性，原因是水中存在缓冲体系。系。缓冲容量（缓冲容量（）：dCb代表加入的强碱的量，代表加入的强碱的量，dCA 代表加入的代表加入的强酸的量，一般用强酸的量，一般用OH-或或H+的量表示，以的量表示，以mol/L作单位。作单位。dpHdCdpHdCAb（1）CO2-HCO3-CO32-缓冲体系缓冲体系pH8.3时，则可仅考虑时，则可仅考虑HCO3-CO32-平衡；在平衡；在pH在在8.3附近，两个平衡都应同时考虑。附近，两个平衡都应同时考虑。天然水的天然水的pH决定于水中决定于水中HCO3-/CO32-或或CO2/HCO3-的含量比。的含量比。pH 8.3时，log3*321HC
42、OCOHpkpHloglog3*323*32HCOCOHHCOCOHpHpHpHpHk101 1101碱度对于碳酸缓冲系统，加入一元强碱，可使水的碱对于碳酸缓冲系统，加入一元强碱，可使水的碱度增加相应数值；加入一元强酸，可以水的碱度度增加相应数值；加入一元强酸，可以水的碱度减少相应数值。减少相应数值。值在值在pH6.4-6.5附近有一个极大值；在附近有一个极大值；在pH4.4及及8.4附近有一个极小值。附近有一个极小值。pH从这两极小值向外变从这两极小值向外变化，化，值都较快增加。值都较快增加。CT,CO2的增加，使体系在的增加，使体系在pH6.5（的极大值）附的极大值）附近的缓冲容量有较大增
43、加。在近的缓冲容量有较大增加。在pH4.4的区段，的区段，CT,CO2的增加不提高的增加不提高值值。缓冲容量与缓冲容量与pH的关系的关系（2）Ca2+-CaCO3体系体系水中存在如下平衡：水中存在如下平衡：Ca2+CO32-CaCO3（s）这一平衡可调节水中这一平衡可调节水中CO32-浓度。水中浓度。水中Ca2+含含量足够大时，可以限制量足够大时，可以限制CO32-含量的增加，从含量的增加，从而限制了而限制了pH的升高的升高（3）离子交换缓冲系统）离子交换缓冲系统水中的粘土胶粒表面一般都有带电荷的阴离子或水中的粘土胶粒表面一般都有带电荷的阴离子或阳离子，多数为阴离子。这些表面带负电的基团阳离子
44、，多数为阴离子。这些表面带负电的基团可以吸附水中的阳离子（如可以吸附水中的阳离子（如K、Na+、Ca2+、Mg2+、H+等），建立离子交换吸附平衡等），建立离子交换吸附平衡：此外，如果水中还有其他弱酸盐，比如硼酸盐、此外，如果水中还有其他弱酸盐，比如硼酸盐、硅酸盐、有机酸盐等，也存在相应的电离平衡，硅酸盐、有机酸盐等，也存在相应的电离平衡，这此平衡类似于水中碳酸平衡，也可以调节水的这此平衡类似于水中碳酸平衡，也可以调节水的pH值。值。相对而言由于水中相对而言由于水中HCO3-含量比其他弱酸盐大得含量比其他弱酸盐大得多，水的缓冲性主要还是靠上述三个平衡系统起多，水的缓冲性主要还是靠上述三个平衡系
45、统起调节作用。调节作用。海水由于离子强度很大，水中生成很多离子对，海水由于离子强度很大，水中生成很多离子对，也对也对pH有缓冲作用。另外，水中的有缓冲作用。另外，水中的Mg2+也可限制也可限制pH的上升幅度的上升幅度。1.3.4 天然水的硬度天然水的硬度水的水的硬度硬度：水中二价及多价金属离子含量的总和：水中二价及多价金属离子含量的总和。构成天。构成天然水硬度的主要离子是然水硬度的主要离子是Ca2+和和Mg2+，因此，一般都以，因此，一般都以Ca2+和和Mg2+离子的含量来计算硬度。离子的含量来计算硬度。暂时硬度暂时硬度：又称碳酸盐硬度：又称碳酸盐硬度 Ha，是指水中与是指水中与HCO3-及及
46、CO32-所对应的硬度。这种硬度在水加热煮沸后，绝大部所对应的硬度。这种硬度在水加热煮沸后，绝大部分可以因生成分可以因生成CaCO3而除去。而除去。永久硬度永久硬度：又称非碳酸盐硬度：又称非碳酸盐硬度 Hb，是对应于硫酸盐和氯，是对应于硫酸盐和氯化物的硬度，即由钙镁的硫酸盐、氯化物形成的硬度，用化物的硬度，即由钙镁的硫酸盐、氯化物形成的硬度，用一般煮沸的方法不能从水中除去，用离子交换法（用强阳一般煮沸的方法不能从水中除去，用离子交换法（用强阳性离子交换树脂或磺化煤等）可以除去。性离子交换树脂或磺化煤等）可以除去。总硬度总硬度=暂时硬度暂时硬度+永久硬度永久硬度 即即 HT=Ha+HbMgOCa
47、OHHMgCaMgCaHHHMgOCaOMgCaT05.0036.0041.0025.031.2408.402222一个德国度一个德国度 1G=10mg CaOL-1一个法国度一个法国度 1G=10mg CaCO3L-1换算换算5.6G=10mgL-1 CaCO3=1mmolL-1水的硬度分级（德国度）水的硬度分级（德国度）水硬度单位按我国法定计量单位规定，水硬度单位按我国法定计量单位规定，mmolL表示。表示。eg.某地下水源经测定其具体组分如下某地下水源经测定其具体组分如下HT=14.68 G，Ha=9.8 G，Hb=4.88 G，HCO3-=107.0 mgL-1，Ca2+=47.736 mgL-1，Mg2+=36.08 mgL-1，试检验，试检验上述结果是否正确。上述结果是否正确。解：解：HT=0.02547.736+0.04136.08为为14.95 G 为为9.8 G 该结果是可信的。该结果是可信的。%8.1%10068.1495.1468.1495.1402.613HCOHa
