04环境科学概论-水体环境
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• 水资源则一般仅指地球表层中可供人类利用并逐年 得到更新的那部分水量。 如大气降水，江河、湖 泊、水库、土壤和含水层的淡水。
• 淡水资源：能够利用20%；易于利用0.3%（9000 km3）
• 水资源十分有限，且分布并不均匀
1.世界水资源
国家 世界 美国 俄罗斯 法国 意大利 中国 印度 日本 巴西 澳大利亚 埃及 人均 6918 8983 29112 3065 2785 2231 1896 4334 31424 18596 43
• 水体富营养化的限制因子：N、P
（2）N、P在水体中的转化
• 含N化合物在水体中的转化 • 有机氮：矿化作用，包括氨化作用（NH3、NH4+）和硝
化作用（NO3-） • 无机氮：反硝化作用
NH3
NO3-
NO2-
N2
N2O
含P化合物在水体中的转化
溶解的Pi
溶解的Po
颗粒态Pi
水
输入
沉积物
颗粒态Pi
a.大气降水
• 是由海洋和陆地蒸发水蒸气凝结而成。水质组成与地区条件有很大的 关系。
• 一般来说,是杂质较少而矿化度很低的软水 b.河水： • 河水的化学成分受多种因素的影响
• 受河流集水面积内被侵蚀的岩石性质的影响
• 受河流的流动过程中补给水源成分的影响
• 受流域面积地区的气候条件的影响
• 受生物活动的影响
（2）天然水的化学组成
分类
主要物质
N2, O2, CO2, H2S等溶解气体 溶解物质 Ca, Mg, Na, K, Fe, Mn等离子的卤化物、碳酸盐
和硫酸盐等，其它可溶性有机物
胶体物质 Si, Al, Fe的水合氧化物、粘土矿物、腐殖质等
悬浮物质 细菌、病毒、藻类、原生物、泥沙、粘土等
（3）天然水的水质
常用有机污染指标 化学需氧量（COD）：规定条件下，使水样中能被氧化的 物质氧化所需耗用氧化剂的量，用mg/L表示，可粗略表示 水中有机物的含量，用以反映水体受有机物污染的程度。 CODCr和CODMn
生化需氧量（BOD）：好气条件下，微生物分解水体中有机 物质的生物化学过程中所需溶解氧的量，反映生物可利用有机 污染物污染程度的指标 BOD5和BOD20 有机污染物的生物化学氧化作用 第一阶段：RCH(NH2)COOH+O2=RCOOH+CO2+NH3 第二阶段：NH3+O2=HNO2+H2O
总磷负荷量[g/(m2a)]
允许水平 危险水平
0.07
0.13
0.10
0.20
0.25
0.50
0.40
0.80
0.60
1.20
日本：总氮、总磷、叶绿素、悬浮物、耗氧量、细菌总数 我国：总氮、总磷、BOD、COD、透明度
水体富营养化的危害
• 水体外观呈现颜色、混浊，影响景观 • 水体散发不良的气味。藻类和其它生物产生土
耗氧有机物主要存在生活污水和部分工业污水中： 有机合成原料 有机酸碱 油脂类 高分子化合物 表面活性剂 生活污水
有机有毒物质 酚类化合物 有机农药 多环芳烃（PAHs） 多氯联苯（PCBs） 洗涤剂（表面活性剂） PPCPs
生物污染物
大
肠 杆 菌
霍 乱 菌
B(a)P PCBs
葡 萄 球 菌
3.水体自净
年内年际分 配不匀，旱 涝灾害频繁
海水西调 引渤入新
视频：水问（一）危机何时到来
3.天然水循环
液体
受热
冰
受冷
水蒸气
水循环的主要方式：蒸发和输运
水的社会循环对自然（原始）循环的影响
平衡 破坏
给水 处理
自然循环
取水
排放 社会循环
平衡 破坏
水污染控 制工程
4.天然水的水质
（1）天然水的化学成分的形成 取决于形成环境：一方面考虑与水接触物质的成分和溶解度; 另一方面决定于水接触过程的条件 例如矿泉水 在天然水中进行的化学及物理化学作用主要有： a.固体物质的溶解和沉淀 b.酸碱反应 c.水化学平衡体系中离子成分与气相间的平衡 d.氧化-还原作用 e.固体物质与水中离子成分之间的交换反应 f.有机物的矿化作用 g.生物化学作用
• 生物迁移：指重金属通过生物体的新陈代谢、生长、死亡 等过程所实现的迁移，服从生物学规律
• 褐藻对Pb的浓缩系数—70000倍，钼11
• 茶树新芽对氟的吸收能力是红松的5倍
• 食肉蛙鱼体内Hg的浓度比湖水高1~2万倍
d重金属的毒性效应
重金属主要通过与机体内的-SH及其它活性基团形成 稳定复合物而发挥生物学作用。如导致生理或代谢过程的 障碍，或者与DNA等相互作用而致突变
• 受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用，使 污染物浓度逐渐降低，经一段时间后恢复到受污染前状
态的过程，这就叫做水体自净。
• 物理自净
• 污染物进入水体后，可沉性固体逐渐沉至水底形成污泥， 悬浮物、胶体和溶解性污染物则因混合稀释而逐渐降低 浓度
• 化学自净
• 污染物进入水体后经络合、氧化还原、沉淀反应等而得 到净化
BOD5/TOD＝0.1-0.6；COD/TOD＝0.5-0.9
理论上：TOD＝2.67TOC ，若某水样的TOD／TOC为2.67左 右，可认为主要是含碳有机物；若TOD／TOC>4.0，则应考 虑水中有较大量含S、P的有机物存在；若TOD／TOC＜2.6， 就应考虑水样中硝酸盐和亚硝酸盐可能含量较大，它们在 高温和催化条件下分解放出氧，使TOD测定呈现负误差。
2.水体富营养化过程
• 富营养化（Eutrophication）：是氮磷等植物营养物质含量过 多所引起的水质污染现象。湖泊演化过程中逐渐衰亡的一种 标志
(1)水体富营养化类型
• 天然富营养化
• 人为富营养化 • 生活污水 • 工、农业生产 • 水华
巢湖 太湖
滇池 香溪河
赤 潮
厦门赤潮
深圳湾有毒赤潮
视频：应对蓝藻
3.重金属在水体中的迁移转化
Hg, Cd, Pb, Cr, As, Cu, Zn (1)重金属水体污染特征 a背景值低（<0.1%) 污染明显 b多属于过渡元素
c重金属在水环境中的迁移转化
• 机械迁移：以溶解态或颗粒态的形式被水流机械搬运
• 物理化学迁移：以简单离子、络离子或可溶性分子在水环 境中通过一系列物理化学作用所进行的迁移转化过程；决 定了重金属在水环境中的存在形式、富集状况和潜在危害 程度
mt
Dt
c n
c mtx Dtx x
c mty Dty y
c mtz Dtz z
弥散作用：由空间各点湍流流速（或其它状态）的时平均 值与流速时平均值的空间平均值的系统差别所产生的分散 现象，也服从Fick第一定律：
md
Dd
c n
mdx
Dd x
c x
mdy
Ddy
c y
mdz
Dtz
c z
二、污染物的转化
HNO2+O2=HNO3
BOD5=65-80%BOD
总有机碳含量（TOC）：水中溶解性和悬浮性有机物中存 在的全部碳量，是评价水体需氧有机物的一个综合指标。
总需氧量(TOD)：水中有机物中除含有机碳外，尚含有氢、 氮、硫等元素。当有机物全部被氧化时，碳被氧化为CO2， 而氢、氮、硫则被氧化为水、NO和SO2等，此时氧化所需 的氧量称为总需氧量。
1.有机物生物化学分解
• 水解反应：水解反应是指复杂的有机物分子在水解酶 参与下加以水分子，分解为较简单化合物的反应
H3; H2O
NH2 丙氨酸
H
H3C C COOH + NH3
OH 乳酸
• 氧化反应：脱氢作用和脱羧作用
脱氢作用
CH3COCOO + 2H+ + 2e
氧垂曲线（Oxygen Sag Curve）
2001.9.4
• 水体出现富营养化现象时主要表现为浮游生物大 量繁殖，研究富营养化的发生发展过程，在某种 意义上就是研究某种优势藻类的生长过程。
106CO2 + 16NO3- +HPO42- + 122H2O +18H2 + 微 量 元 素 和 能 量
Product
Respiration
C106H263O110N16P1 + 138O2
• 农作物栽培、养殖业、食品加工等过程中排出的污水和液 态废弃物
• 含有微生物、悬浮物、农药、化肥、不溶解固体和盐分等
（2）水体污染的主要污染物
• 物理、化学、生物 • 物理：颜色、浊度、温度、悬浮固体和放射性
化学：无机、有机
无机无毒物质：N、P
无机有毒物质：重金属、氰化物、氟化物
耗氧有机物质：可以被微生物分解，分解过程中消耗DO
2.分散作用
分子扩散、湍流扩散和弥散
分子扩散：由分子的随机运动引起的质点分散现象。分 子扩散过程符合Fick第一定律：
mm
Dm
c n
c mmx Dm x
c mmy Dm y
c mmz Dm z
分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯度成正比
湍流扩散：是由流场中质点的各种状态（流速、压力等） 的瞬时值相对于平均值的随机脉动而导致的质点分散现 象，服从Fick第一定律：
• 联合国《世界水资源开发报告》指出，世界约1/3 人口生活在面临中度和高度水紧张的地区，水资 源的短缺制约了当地经济和社会的发展，如果不 采取行动，预计2025年世界人口的2/3或近55亿将 有面临着这种局面的风险。
2.中国水资源
主要特点：
总量并不丰 富，人均占 有量更低
地区分布不 均，水土资 源不相匹配
腥素及硫醇、吲哚、胺类等物质，从而使得水 体散发土腥味、霉腐味和鱼腥味 • DO下降。由于藻类大量死亡，耗氧微生物分 解藻类而消耗大量；底泥厌氧（甲基化） • 水生生物大量死亡：(1)DO不足；(2)藻类堵塞 鱼鳃 • 藻类毒素直接危害人体健康。水华中主要为微 囊藻毒素—损害肝脏 • 源水引起水厂滤池的堵塞，影响出水质量
• 淡水资源：能够利用20%；易于利用0.3%（9000 km3）
• 水资源十分有限，且分布并不均匀
1.世界水资源
国家 世界 美国 俄罗斯 法国 意大利 中国 印度 日本 巴西 澳大利亚 埃及 人均 6918 8983 29112 3065 2785 2231 1896 4334 31424 18596 43
• 水体富营养化的限制因子：N、P
（2）N、P在水体中的转化
• 含N化合物在水体中的转化 • 有机氮：矿化作用，包括氨化作用（NH3、NH4+）和硝
化作用（NO3-） • 无机氮：反硝化作用
NH3
NO3-
NO2-
N2
N2O
含P化合物在水体中的转化
溶解的Pi
溶解的Po
颗粒态Pi
水
输入
沉积物
颗粒态Pi
a.大气降水
• 是由海洋和陆地蒸发水蒸气凝结而成。水质组成与地区条件有很大的 关系。
• 一般来说,是杂质较少而矿化度很低的软水 b.河水： • 河水的化学成分受多种因素的影响
• 受河流集水面积内被侵蚀的岩石性质的影响
• 受河流的流动过程中补给水源成分的影响
• 受流域面积地区的气候条件的影响
• 受生物活动的影响
（2）天然水的化学组成
分类
主要物质
N2, O2, CO2, H2S等溶解气体 溶解物质 Ca, Mg, Na, K, Fe, Mn等离子的卤化物、碳酸盐
和硫酸盐等，其它可溶性有机物
胶体物质 Si, Al, Fe的水合氧化物、粘土矿物、腐殖质等
悬浮物质 细菌、病毒、藻类、原生物、泥沙、粘土等
（3）天然水的水质
常用有机污染指标 化学需氧量（COD）：规定条件下，使水样中能被氧化的 物质氧化所需耗用氧化剂的量，用mg/L表示，可粗略表示 水中有机物的含量，用以反映水体受有机物污染的程度。 CODCr和CODMn
生化需氧量（BOD）：好气条件下，微生物分解水体中有机 物质的生物化学过程中所需溶解氧的量，反映生物可利用有机 污染物污染程度的指标 BOD5和BOD20 有机污染物的生物化学氧化作用 第一阶段：RCH(NH2)COOH+O2=RCOOH+CO2+NH3 第二阶段：NH3+O2=HNO2+H2O
总磷负荷量[g/(m2a)]
允许水平 危险水平
0.07
0.13
0.10
0.20
0.25
0.50
0.40
0.80
0.60
1.20
日本：总氮、总磷、叶绿素、悬浮物、耗氧量、细菌总数 我国：总氮、总磷、BOD、COD、透明度
水体富营养化的危害
• 水体外观呈现颜色、混浊，影响景观 • 水体散发不良的气味。藻类和其它生物产生土
耗氧有机物主要存在生活污水和部分工业污水中： 有机合成原料 有机酸碱 油脂类 高分子化合物 表面活性剂 生活污水
有机有毒物质 酚类化合物 有机农药 多环芳烃（PAHs） 多氯联苯（PCBs） 洗涤剂（表面活性剂） PPCPs
生物污染物
大
肠 杆 菌
霍 乱 菌
B(a)P PCBs
葡 萄 球 菌
3.水体自净
年内年际分 配不匀，旱 涝灾害频繁
海水西调 引渤入新
视频：水问（一）危机何时到来
3.天然水循环
液体
受热
冰
受冷
水蒸气
水循环的主要方式：蒸发和输运
水的社会循环对自然（原始）循环的影响
平衡 破坏
给水 处理
自然循环
取水
排放 社会循环
平衡 破坏
水污染控 制工程
4.天然水的水质
（1）天然水的化学成分的形成 取决于形成环境：一方面考虑与水接触物质的成分和溶解度; 另一方面决定于水接触过程的条件 例如矿泉水 在天然水中进行的化学及物理化学作用主要有： a.固体物质的溶解和沉淀 b.酸碱反应 c.水化学平衡体系中离子成分与气相间的平衡 d.氧化-还原作用 e.固体物质与水中离子成分之间的交换反应 f.有机物的矿化作用 g.生物化学作用
• 生物迁移：指重金属通过生物体的新陈代谢、生长、死亡 等过程所实现的迁移，服从生物学规律
• 褐藻对Pb的浓缩系数—70000倍，钼11
• 茶树新芽对氟的吸收能力是红松的5倍
• 食肉蛙鱼体内Hg的浓度比湖水高1~2万倍
d重金属的毒性效应
重金属主要通过与机体内的-SH及其它活性基团形成 稳定复合物而发挥生物学作用。如导致生理或代谢过程的 障碍，或者与DNA等相互作用而致突变
• 受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用，使 污染物浓度逐渐降低，经一段时间后恢复到受污染前状
态的过程，这就叫做水体自净。
• 物理自净
• 污染物进入水体后，可沉性固体逐渐沉至水底形成污泥， 悬浮物、胶体和溶解性污染物则因混合稀释而逐渐降低 浓度
• 化学自净
• 污染物进入水体后经络合、氧化还原、沉淀反应等而得 到净化
BOD5/TOD＝0.1-0.6；COD/TOD＝0.5-0.9
理论上：TOD＝2.67TOC ，若某水样的TOD／TOC为2.67左 右，可认为主要是含碳有机物；若TOD／TOC>4.0，则应考 虑水中有较大量含S、P的有机物存在；若TOD／TOC＜2.6， 就应考虑水样中硝酸盐和亚硝酸盐可能含量较大，它们在 高温和催化条件下分解放出氧，使TOD测定呈现负误差。
2.水体富营养化过程
• 富营养化（Eutrophication）：是氮磷等植物营养物质含量过 多所引起的水质污染现象。湖泊演化过程中逐渐衰亡的一种 标志
(1)水体富营养化类型
• 天然富营养化
• 人为富营养化 • 生活污水 • 工、农业生产 • 水华
巢湖 太湖
滇池 香溪河
赤 潮
厦门赤潮
深圳湾有毒赤潮
视频：应对蓝藻
3.重金属在水体中的迁移转化
Hg, Cd, Pb, Cr, As, Cu, Zn (1)重金属水体污染特征 a背景值低（<0.1%) 污染明显 b多属于过渡元素
c重金属在水环境中的迁移转化
• 机械迁移：以溶解态或颗粒态的形式被水流机械搬运
• 物理化学迁移：以简单离子、络离子或可溶性分子在水环 境中通过一系列物理化学作用所进行的迁移转化过程；决 定了重金属在水环境中的存在形式、富集状况和潜在危害 程度
mt
Dt
c n
c mtx Dtx x
c mty Dty y
c mtz Dtz z
弥散作用：由空间各点湍流流速（或其它状态）的时平均 值与流速时平均值的空间平均值的系统差别所产生的分散 现象，也服从Fick第一定律：
md
Dd
c n
mdx
Dd x
c x
mdy
Ddy
c y
mdz
Dtz
c z
二、污染物的转化
HNO2+O2=HNO3
BOD5=65-80%BOD
总有机碳含量（TOC）：水中溶解性和悬浮性有机物中存 在的全部碳量，是评价水体需氧有机物的一个综合指标。
总需氧量(TOD)：水中有机物中除含有机碳外，尚含有氢、 氮、硫等元素。当有机物全部被氧化时，碳被氧化为CO2， 而氢、氮、硫则被氧化为水、NO和SO2等，此时氧化所需 的氧量称为总需氧量。
1.有机物生物化学分解
• 水解反应：水解反应是指复杂的有机物分子在水解酶 参与下加以水分子，分解为较简单化合物的反应
H3; H2O
NH2 丙氨酸
H
H3C C COOH + NH3
OH 乳酸
• 氧化反应：脱氢作用和脱羧作用
脱氢作用
CH3COCOO + 2H+ + 2e
氧垂曲线（Oxygen Sag Curve）
2001.9.4
• 水体出现富营养化现象时主要表现为浮游生物大 量繁殖，研究富营养化的发生发展过程，在某种 意义上就是研究某种优势藻类的生长过程。
106CO2 + 16NO3- +HPO42- + 122H2O +18H2 + 微 量 元 素 和 能 量
Product
Respiration
C106H263O110N16P1 + 138O2
• 农作物栽培、养殖业、食品加工等过程中排出的污水和液 态废弃物
• 含有微生物、悬浮物、农药、化肥、不溶解固体和盐分等
（2）水体污染的主要污染物
• 物理、化学、生物 • 物理：颜色、浊度、温度、悬浮固体和放射性
化学：无机、有机
无机无毒物质：N、P
无机有毒物质：重金属、氰化物、氟化物
耗氧有机物质：可以被微生物分解，分解过程中消耗DO
2.分散作用
分子扩散、湍流扩散和弥散
分子扩散：由分子的随机运动引起的质点分散现象。分 子扩散过程符合Fick第一定律：
mm
Dm
c n
c mmx Dm x
c mmy Dm y
c mmz Dm z
分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯度成正比
湍流扩散：是由流场中质点的各种状态（流速、压力等） 的瞬时值相对于平均值的随机脉动而导致的质点分散现 象，服从Fick第一定律：
• 联合国《世界水资源开发报告》指出，世界约1/3 人口生活在面临中度和高度水紧张的地区，水资 源的短缺制约了当地经济和社会的发展，如果不 采取行动，预计2025年世界人口的2/3或近55亿将 有面临着这种局面的风险。
2.中国水资源
主要特点：
总量并不丰 富，人均占 有量更低
地区分布不 均，水土资 源不相匹配
腥素及硫醇、吲哚、胺类等物质，从而使得水 体散发土腥味、霉腐味和鱼腥味 • DO下降。由于藻类大量死亡，耗氧微生物分 解藻类而消耗大量；底泥厌氧（甲基化） • 水生生物大量死亡：(1)DO不足；(2)藻类堵塞 鱼鳃 • 藻类毒素直接危害人体健康。水华中主要为微 囊藻毒素—损害肝脏 • 源水引起水厂滤池的堵塞，影响出水质量
