B第三章 水质监测1

水质监测资料水的结构1、水的基本结构水的特性与水的分子结构相关。

根据化学键理论，水分子中氧原子的2S电子和2P电子经sp3不等性杂化形成4个能量相同的sp3杂化轨道。

这四个轨道的对称轴指向正四面体的四个顶点。

氧原子最外层有6个电子,其中两对已经成对的电子（孤电子对）占据着两个杂化轨道，另外两个杂化轨道中各有1个未成对电子。

在氧与氢化合成水时,氧原子杂化轨道中未成对电子与氢原子中1s电子形成两个O-H键。

由于孤电子对的电子云不参与成键作用，其周围电子云应更靠近氧原子核，才能使能量更低些。

因此，这种轨道中所含的s成分比较多，在其他两个成键的杂化轨道中所含的p成分会多些，它们更倾向于相互垂直。

实验测得的两个O-H键间的键角∠HOH，并非刚好与自四面体的中心指向顶点的4个对称轴间夹角的角度（109°28′）相符，而是略小些（104°31′）。

由于O-H键是极性键，水分子又是个键角为104°31′,的非线形的分子，因此单独水分子是极性分子，一个水分子可看成是一个电偶极子，其偶极矩为 6.17³10-30C²m （下图）。

水蒸气主要由单独水分子构成。

第一节天然水的组成与性质一、天然水的组成在自然界中，完全纯净的水是不存在的。

天然水在循环过程中不断地与环境中的各种物质相接触，并且或多或少地溶解它们，所以天然水实际上是一种溶液，而且是成分极其复杂的溶液。

通过分析，发现天然水中含有的物质几乎包括元素周期表中所有的化学元素。

现仅将天然水中的溶质成分概略地分成以下几类。

（一）主要离子组成K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+、 HCO3-、 NO3-、 Cl-和 SO42-为天然水中常见的八大离子，占天然水中离子总量的 95%-99% 。

水中这些主要离子的分类，常用来作为表征水体主要化学特征性指标，如表 4-1 所示。

摘自汤鸿霄， 1979（二）溶解性气体水中溶解的主要气体有： N2、 O2、 CO2、 H2S ；微量气体有： CH4、 H2、 He 等。

（三）微量元素I、 Br、 Fe、 Cu、 Ni、 Ti、 Pb、 Zn、Mn 等。

（四）生源物质NH4+、 NO2-、 NO3-、 HPO42-、 PO43-。

（五）胶体SiO2² nH2O 、 Fe(OH)2² nH2O 、 Al2O3² nH2O 以及腐殖质等。

（六）悬浮物质铝硅酸盐颗粒、砂粒、粘土、细菌、藻类及原生动物等。

受到人类活动影响的水体，其水中所含的物质种类、数量、结构均与天然水质有所不同。

以天然水中所含的物质作为背景值，可以判断人类活动对水体的影响程度，以便及时采取措施，提高水体水质，使之朝着有益于人类的方向发展。

二、天然水的性质（一）碳酸平衡CO2在水中形成酸，可与岩石中的碱性物质发生反应，并可通过沉淀反应变为沉积物而从水中除去。

在水和生物体之间的生物化学交换中， CO2占有独特的地位，溶解的碳酸盐化合态与岩石圈、大气圈进行均相、多相的酸碱反应和交换反应，对于调节天然水的 pH 和组成起着重要作用。

在水体中存在着 CO2、 H2CO3、 HCO3-和 CO32-等四种化合态，常把 CO2和 H2CO3合并为 H2CO3* 。

因此，水中 H2CO3* -HCO3- -CO32-体系可用下面的反应表示：（二）天然水中的碱度和酸度碱度（ Alka-linity ）是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子 H+的物质总量。

组成水中碱度的物质可以归纳为三类：①强碱，如 NaOH 、 Ca(OH)2等，在溶液中全部电离生成 OH-离子；②弱碱，如 NH3、 C6H5等，在水中部分发生反应生成 OH-离子；③强碱弱酸盐，如各种碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物和腐殖酸盐等，它们水解时生成 OH-或者直接接受质子 H+。

弱碱及强碱弱酸盐在中和过程中不断继续产生 OH-离子，直到全部中和完毕。

和碱相反，酸度（ Acidity ）是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出 H+或经过水解能产生 H + 的物质的总量。

组成水中酸度的物质也可归纳为三类：①强酸，如 HCl、 H2SO4、 HNO3等；②弱酸，如 CO2、 H2CO3、 H2S、蛋白质以及各种有机酸类；③强酸弱碱盐，如 FeCl3、 Al2(SO4)3等。

（三）天然水体的缓冲能力天然水体的 pH 值一般在 6-9 之间，而且对某一水体，其 pH 几乎保持不变，这表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。

一般认为，各种碳酸化合物是控制水体 pH 值的主要因素，并使水体具有缓冲作用。

但最近研究表明，水体与周围环境之间发生的多种物理、化学和生物化学反应，对水体的 pH 值也有着重要的作用。

但无论如何，碳酸化合物仍是水体缓冲作用的重要因素。

因而，人们时常根据它的存在情况来估算水体的缓冲能力。

第二节水体污染和重要污染物一、水体污染（一）水体水体有二个含义：一般是指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋的总称，在环境学领域中则把水体当作包括水中的悬浮物、溶解物质、底泥和水生生物等完整的生态系统或完整的综合自然体来看。

水体还有可按类型和区域划分。

按类型可分为：1. 海洋水体2.按区域是指按某一具体的被水覆盖的地段而言的。

如太湖、洞庭湖、鄱阳湖；按类型划分，它们同属于陆地水体中的地表水体内的湖泊；按区域划分，它们是三个区域的三个不同的水体。

又如长江、黄河、珠江，按类型划分，它们同属于陆地水体中的地表水体内的河流；但按区域概念，它们是分属三个流域的三条水系。

在水环境污染的研究，区分“水”与“水体”的概念十分重要。

例如重金属污染物易于从水中转移到底泥中，水中重金属的含量一般都不高，若着眼于水，似乎未受污染，但从水体看，可能受到较严重的污染，使该水体成为长期的初生污染源。

（二）水体污染当污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后，其含量超过了水体的自净能力，使水质和底质的物理、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和使用功能的现象，称作水体污染。

水体污染的类型，从卫生学角度，可分为化学性污染、物理性污染和生物性污染；从化学角度，可分为无机有毒物质污染、无机有害物质污染、有机有害物质和病原体污染等类型；环境工程学基本上是依污染物质或能量（如热污染）所造成的各类型环境问题以及不同的治理措施，将水体污染类型分为病原体污染、需氧物质污染、植物营养物质污染、石油污染、有毒化学物质污染、盐污染、热污染和放射性污染；按水体划分污染类型分为河流污染、湖泊（水库）污染、海洋污染、地下水污染等。

（三）水质指标水体污染有时可以直接地察觉到，例如，水改变了颜色，变得混浊，散发出难闻的气味，某些生物的减少或死亡，某种生物的出现或骤增等。

但有时水体污染是直观察觉不出的，需要借助于仪器观察分析或调查研究。

通常采用水质指标来衡量水质的好坏和水体被污染的程度。

水质指标项目繁多，可以分为三大类：第一类，物理性水质指标，包括① 感官物理性状指标，如温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度等。

② 其他物理性状指标，如总固体、悬浮固体、可见固体、电导率等。

第二类，化学性水质指标，包括① 一般的化学性水质指标，如 pH 、碱度、硬度、各种阳离子、各种阴离子、总含盐量、一般有机物质等。

② 有毒的化学性水质指标，如重金属、氰化物、多环芳烃、各种农药等。

③ 有关氧平衡的水质指标，如溶解氧（ DO ）、化学需氧量（ COD ）、生化需氧量（ BOD ）、总需氧量（ TOD ）等。

第三类，生物学水质指标，包括细菌总数、总大肠菌群数、各种病原菌、病毒等。

以下是对污染防治工作中常用的一些水质指标的简要说明。

1. 悬浮物指水中呈固体状的不溶解物质。

它是水体污染基本指标之一。

如水中的各类矿物微粒，含铝、铁、锰、硅水合氧化物等无机物质，以及腐殖质、蛋白质等有机大分子物质。

2. 有机物含量水体中有机物种类繁多，组成复杂，难以分别对其进行定量、定性分析。

因此，一般不对它们进行单项定量测定，而是利用其共性，用某种指标间接地反映其总量或分类含量。

在实际工作中，常用下列指标来表示水中有机物的含量，即化学需氧量（ COD ）、生化需氧量（ BOD ）、总有机碳（ TOC ）和总需氧量（ TOD ）。

（ 1 ）化学需氧量（ Chemical Oxygen Demand ）指用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量，以每升水消耗氧的毫克数表示（ mg/L ）。

COD 值越高，表示水中有机污染物污染越重。

目前常用的氧化剂主要是高锰酸钾和重铬酸钾。

高锰酸钾法（简记 COD Mn），适用于测定一般地表水，如海水。

重铬酸钾法（简记 COD Cr）对有机物反应较完全，适用于分析污染较严重的水样。

目前，国际标准化组织（ ISO ）规定，化学需氧量指 COD Cr，而称 COD Mn为高锰酸盐指数。

化学需氧量所测定的内容范围是不含氧的有机物和含氧有机物中碳的部分，实际上是反映有机物中碳的耗氧量。

另外，化学需氧量不仅氧化了有机物，而且对各种还原态的无机物（如硫化物、亚硝酸盐、氨、低价铁盐等）亦具氧化作用。

（ 2 ）生物化学需氧量简称生化需氧量（ Bio-chemical Oxygen Demand ），用 BOD 表示。

BOD 表示水中有机物经微生物分解时所需的氧量，用单位体积的污水所消耗的氧量（ mg/L ）表示。

BOD 越高，表示水中需氧有机物质越多。

有机物经微生物氧化分解的过程一般可分为两个阶段：第一阶段为碳化阶段，主要是有机物被转化成为二氧化碳、水和氨；第二阶段为硝化阶段，主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐。

因为微生物的活动与温度有关，一般以20 ℃作为测定的标准温度。

当温度为20 ℃时，一般生活污水中的有机物需要 20 天左右才能完成第一阶段的氧化分解过程，在实际工作中是有困难的。

为了使测定结果有可比性，通常采用在20 ℃的条件下培养 5 天，作为测定生化需氧量的标准时间，简称 5 日生化需氧量，用 BOD5表示。

（ 3 ）总有机碳（ TOC ， Total Organic Carbon ）和总需氧量（ TOD ， Total Oxygen Demand ）TOD 是指水中被氧化的物质（主要是有机碳氢化合物，含硫、含氮、含磷等化合物）燃烧变成稳定的氧化物所需的氧量。

TOC 是指水中所有有机污染物质中的碳含量，耗氧过程是高温燃烧氧化过程，即把有机碳氧化成二氧化碳，然后测得所产生二氧化碳的量，就可算出污水中有机碳的量。

TOC 和 TOD 这两个指标均可用仪器快速测定，几分钟可完成。

由于用 BOD 和 COD 两个指标反映不出难以分解的有机物的含量，加上测定 BOD 和 COD 都比较费时间，不能快速测定水体被需氧有机物污染的程度，国内外正在提倡用 TOC 和 TOD 作为衡量水质有机物污染的指标。