水環(huán)境與生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、第2章 水環(huán)境與生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)要求1.與水環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的水質(zhì)化學(xué)的基本概念及相關(guān)知識(shí)；2.了解水的物理化學(xué)特征及天然水的成分與分類；3.了解氮、磷、有機(jī)污染物、金屬離子對(duì)水質(zhì)的化學(xué)影響；4.明確水化學(xué)條件對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響，掌握主要水質(zhì)指標(biāo)的定義及度量方法；5.明確生態(tài)系統(tǒng)的概念及其構(gòu)成，理解生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)；6.了解水環(huán)境與自然生態(tài)間的相互關(guān)系及生態(tài)學(xué)在環(huán)境水利中的應(yīng)用。本章重點(diǎn)1. 水質(zhì)指標(biāo)及度量方法；2. 水化學(xué)條件對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響；3. 生態(tài)系統(tǒng)的功能及生態(tài)平衡的意義；4. 水環(huán)境與自然生態(tài)的相互關(guān)系。2.1 水體及水體環(huán)境條件 了解水資源短缺的現(xiàn)狀

2、，明確學(xué)習(xí)本章的意義。水是構(gòu)成生命的基本物質(zhì)之一，是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)不能缺少的物質(zhì)，是地球上不可替代的自然資源。我們所說的水資源，是指可供人們經(jīng)常取用的那部分淡水量，即在大陸上由大氣降水補(bǔ)給的各種地表水、淺層地下淡水和動(dòng)態(tài)水量。從廣義上說，水是地球上分布最廣的物質(zhì)，水在地球上的總量約為13.6億km3，覆蓋了地球70.8%的表面。其中97.5%的水是咸水，無法直接飲用，在余下的2.5%的淡水中，有89%是人類難以利用的極地和高山上的冰川和冰雪。因此，人類能夠直接利用的水僅占地球總水量的0.26%。水的循環(huán)過程是無限的，它具有補(bǔ)給的循環(huán)性，是一種可再生的資源，但人類活動(dòng)的干預(yù)、嚴(yán)重的環(huán)境污染會(huì)

3、使似乎“用之不竭”的水資源受到嚴(yán)重?fù)p害（降低或破壞其使用價(jià)值），從而造成一些地區(qū)的水資源短缺甚至枯竭。我國人口眾多，人均水資源量非常少，目前有400多個(gè)城市缺水，其中近50個(gè)百萬以上人口的大城市的缺水程度極為嚴(yán)重。這不僅影響居民的正常生活用水，而且制約著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。因此注意對(duì)水資源的保護(hù)和合理的開發(fā)利用，防止各種形式的水體污染，具有十分重要的意義。 在環(huán)境水利學(xué)中，水和水體是兩個(gè)不同的概念，請(qǐng)注意分清。2.1.1 水環(huán)境1. 水環(huán)境定義水環(huán)境是地球表面各種水體的總稱，包括河流、海洋、湖泊、水庫以及淺層地下水等貯水體。在環(huán)境領(lǐng)域中，水體是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)或自然綜合體，除了貯水體中的水外，它

4、還包括水中的懸浮物、溶質(zhì)、水生生物和底泥，必須認(rèn)清水和水體是相互有聯(lián)系的兩個(gè)不同概念。2. 自然界的水循環(huán) 水的重要性可以高度概括為：“民以食為天，食以水為先”。水是生命的源泉、農(nóng)業(yè)的命脈、工業(yè)的血液、城市的生命線、環(huán)境的要素、生態(tài)環(huán)境的支柱和社會(huì)安定的因素。水循環(huán)的周期性使整個(gè)水環(huán)境成為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，淡水資源就是由水循環(huán)產(chǎn)生的。水資源開發(fā)越多，規(guī)模越大，對(duì)水循環(huán)的影響就越大。水分在地球上的流動(dòng)和再分配方式有大氣環(huán)流、海洋洋流、河流輸移三種形式，依靠這種動(dòng)力方法維持著自然界的水循環(huán)。因而無論哪個(gè)局部地區(qū)發(fā)生污染，都可能通過水循環(huán)影響其他地區(qū)，甚至波及全球。另外，水通過循環(huán)處于經(jīng)常的運(yùn)動(dòng)中，不斷

5、被消耗著、污染著，同時(shí)又不斷恢復(fù)著、更新自凈著。各種水體更新期限是不一樣的，生物體內(nèi)水分交換十分迅速，常只需幾小時(shí)；河水一般需半個(gè)月；但地下水的更新期則長達(dá)數(shù)十年甚至上千年，因此這種水體一旦被污染就很難恢復(fù)。3. 水的功能與作用水與人類生活息息相關(guān)，水的功能可分為自然功能和生活與社會(huì)功能兩大類（如圖21所示）。水的功能圖2-1 水的功能與作用水的自然功能：水的侵蝕和堆積等物理作用形成了多種地貌的陸地和水域等國土框架，培養(yǎng)了生物，凈化了污染物，維持著生態(tài)平衡作用，構(gòu)成氣象和氣候的重要因素。水的生活和社會(huì)功能：水為生活和生產(chǎn)活動(dòng)提供必要的用水、能量等資源；排除、稀釋、擴(kuò)散污染物質(zhì)，維持船舶航運(yùn)，為

6、人們提供娛樂和觀賞場(chǎng)所，形成水空間環(huán)境等。水的功能與作用可歸納為以下幾點(diǎn)：（1）水是人類及生物的重要組成物質(zhì)（構(gòu)成體）；（2）利用水的熱容量來調(diào)節(jié)溫度；（3）利用水體的密度差進(jìn)行浮上或下沉；（4）利用水的溶解性，對(duì)金屬、鹽類及營養(yǎng)物進(jìn)行輸送；（5）利用水的清掃力，進(jìn)行沖刷清洗；（6）形成自然景觀；（7）形成生物生活棲息地。4.水環(huán)境帶來的利益水環(huán)境帶給人類的利益，綜合起來可用圖22說明。圖22 水環(huán)境帶來的利益2.1.2 水的物理化學(xué)特征水在常溫下以液態(tài)存在，有一般液體的共性，但與其他物質(zhì)比較，又有許多物理化學(xué)特性，由于這些特性，水在自然界和人類生活中發(fā)揮著巨大的作用，成為決定自然和人類環(huán)境的

7、重要因素。1. 溫度體積效應(yīng)“熱脹冷縮”是物質(zhì)變化的一般規(guī)律，但水在04ºC這段溫度范圍內(nèi)不服從這一規(guī)律，而是隨著溫度升高其體積反而縮小，密度增大。在4ºC時(shí)，相對(duì)密度最大，為1.0000。0ºC的水的相對(duì)密度為0.9999，而0ºC的冰的相對(duì)密度為0.9168，故結(jié)冰時(shí)水的體積變大，浮于水面形成冰層，隔絕冰層以下水體與外界的熱量交換，保持深水水溫，使水生生物在冬季得以生存。2. 融點(diǎn)與沸點(diǎn)在1.0133×105 Pa的壓強(qiáng)下，水的融點(diǎn)（凝固點(diǎn)）為0ºC，沸點(diǎn)為100ºC，常溫下水以液體狀態(tài)存在，而且以液體存在的溫度范圍較廣

8、，因此自然界中絕大部分水都以液體狀態(tài)存在。水具有異常高的融點(diǎn)和沸點(diǎn)是水能夠在自然界中發(fā)生巨大作用的原因之一。3. 壓強(qiáng)對(duì)熔點(diǎn)的影響冰融化時(shí)體積縮小，壓強(qiáng)增加時(shí)熔點(diǎn)就要降低。因?yàn)閴簭?qiáng)的增加會(huì)促使物質(zhì)體積的縮小，有利于固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?。例如，冰?.01325×105 Pa下的熔點(diǎn)是0ºC，而當(dāng)外界壓強(qiáng)每增加1.01325×105 Pa，它的熔點(diǎn)就要下降0.0075ºC。4. 熱容量大在所有的液體和固體物質(zhì)中，水具有最大的比熱，即溫度升高或降低1ºC時(shí)，1g水所吸收或放出的熱量比1g其他物質(zhì)要多。由于水的比熱大，江、河、湖、海等水體白天吸收太陽輻射的

9、熱量，夜晚又將熱量釋放至大氣中，使環(huán)境溫度變化幅度不致過分劇烈。此外，利用水的這一特性，在生產(chǎn)中可作為冷卻物體或儲(chǔ)存及傳遞熱量的優(yōu)良載體。水還具有較高的蒸發(fā)熱，每1g水的蒸發(fā)熱比1g其他液體的蒸發(fā)熱要大，這是維持地表溫度相對(duì)恒定的另一原因。據(jù)估計(jì)，到達(dá)地表的太陽輻射熱量約有1/3為海洋、河流、湖泊和冰川等水體中水的蒸發(fā)所抵消。因此，由于水的熱容量大，天然水體具有調(diào)節(jié)氣溫的作用。5. 常溫附近可有三相變化常壓下，在0100ºC范圍內(nèi)水可出現(xiàn)固、液、氣三相變化，這樣范圍的溫度一般不難達(dá)到，故可利用水的相變熱轉(zhuǎn)換能量。6. 溶解及反應(yīng)能力極強(qiáng)水是一種良好的溶劑，它能溶解很多種固體、液體和氣

10、體物質(zhì)。許多物質(zhì)特別是某些離子型無機(jī)鹽類在水中不僅有很大的溶解度，而且還能離解為離子。酸、堿、鹽等無機(jī)化合物和有機(jī)化合物都能不同程度地溶于水，因此天然水體中往往溶有各種為水生生物生長和發(fā)育所需要的營養(yǎng)物質(zhì)。此外，水能溶解氣體，由于水中溶有氧氣，為水生生物在天然水體中生存提供了基本的條件。但是，由于水的溶解能力強(qiáng)，當(dāng)工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中排出的污染物質(zhì)溶于水后，則隨水流遷移而擴(kuò)大污染范圍，因此，這一特性又是造成天然水體污染的主要因素。在水溶液中可以進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)，水本身也參與多種反應(yīng)，并可起催化作用。鹽類的水解以及許多氧化物與水反應(yīng)生成酸或堿。此外，水化物廣泛存在于晶體及溶液中。7. 表面張力大液體

11、中除汞外，水的表面張力最大，由此產(chǎn)生毛細(xì)、潤濕、吸附等一系列界面物理化學(xué)現(xiàn)象。8. 純水導(dǎo)電性差純水幾乎不導(dǎo)電，但在一般水中由于溶解了電解質(zhì)，所以一般水是導(dǎo)電的。9. 對(duì)熱的穩(wěn)定性水對(duì)熱的穩(wěn)定性很高，在2000K的高溫下，其離解百分?jǐn)?shù)還不到百分之一，這是水能夠經(jīng)過地球初期熾熱氣溫而存在下來的重要原因。2.1.3 天然水的成分與分類1. 天然水的成分 天然水是由水和各種介質(zhì)組成的極其復(fù)雜的綜合體。天然水中除了水生物外，還含有許多溶解性物質(zhì)和非溶解性物質(zhì)，這些介質(zhì)可以是固態(tài)的、液態(tài)的或是氣態(tài)的，當(dāng)其進(jìn)入水中則將呈現(xiàn)均勻或非均勻混合狀態(tài)。根據(jù)介質(zhì)粒徑大小，天然水可有如下成分：（1）懸浮物質(zhì)懸浮物質(zhì)是

12、指粒徑大于10-7m的物質(zhì)，它們與水呈機(jī)械混合，在水中呈懸浮狀態(tài)，如泥沙、粘土、藻類及原生動(dòng)物、細(xì)菌及其它不溶物質(zhì)。這些物質(zhì)的存在使水著色、渾濁或產(chǎn)生異味，在靜水中，懸浮物易于沉積。 水中懸浮顆粒物和沉積物都具有很大的比表面，是水中眾多污染物在水環(huán)境中遷移、轉(zhuǎn)化的載體、儲(chǔ)庫和歸宿。（2）膠體物質(zhì)水中的膠體物質(zhì)是指粒徑在107109m范圍內(nèi)的物質(zhì)，它們?cè)谒谐矢叨确稚顟B(tài)，不易沉降。膠體可以是硅、鋁、鐵等氧化物和氫氧化物及次生粘土礦物等礦物膠體，也可能是以腐殖質(zhì)為主的有機(jī)膠體，或者由礦物膠體和有機(jī)膠體相互結(jié)合而成的有機(jī)礦物膠體（高分子化合物）。（3）溶解物質(zhì)水中的溶解物質(zhì)包括有：溶解性氣體、一些

13、離子、微量元素、有機(jī)物、放射性元素等，一般粒徑小于109m。 水中溶解性氣體天然水體表面與大氣接觸，在氣水界面間不斷地進(jìn)行氣體交換。各種氣體既可進(jìn)入水中，也可逸出水面。此外，某些氣體如氧、二氧化碳、硫化氫等，也可以來源于水中的生物作用和化學(xué)反應(yīng)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水中溶解性氣體含量隨水溫升高而降低，在恒溫下溶解性氣體含量隨壓力增加而上升。另外，增加水氣交換面積，也可增加水中氣體溶解量，故流動(dòng)水比靜水溶解氣體含量高。（a）溶解氧（DO）溶解于水中的分子態(tài)氧，稱為溶解氧。它是水生物生存和水中物質(zhì)的分解、化合的必要條件。溶解氧的來源一是空氣中的氧溶解于水；二是水生植物光合作用放出的氧。水中溶解氧的數(shù)量是

14、評(píng)價(jià)水體有機(jī)污染的重要標(biāo)志。（b）二氧化碳（CO2）天然水體中的二氧化碳主要來源于有機(jī)物的分解和大氣向水中的溶入。溶解在水中呈分子狀態(tài)的二氧化碳稱為游離二氧化碳。（c）硫化氫（H2S）缺氧的天然水體，往往由于有機(jī)物無氧（嫌氣）分解而產(chǎn)生H2S，無機(jī)的硫化物或硫酸鹽在缺氧條件下也可以還原成H2S。由于H2S易被水中氧氣所氧化，且當(dāng)水體擾動(dòng)時(shí)易從水中逸出，所以天然水體中H2S的含量不高，但含有H2S的水有惡臭味。 主要離子和微量元素水中形成各種鹽類的主要陰離子有氯離子Cl-、硫酸根離子SO42-、重碳酸根離子HCO3-和碳酸根離子CO32-；主要陽離子有鉀離子K+、鈉離子Na+、鈣離子Ca2+、鎂

15、離子Mg2+。陰離子中的氯離子和硫酸根離子屬高礦化水中的主要離子，重碳酸根和碳酸根離子則為低礦化水的主要離子。鈣鎂離子是低礦化水中的主要陽離子。天然水體中鈉比鉀多得多，鈉離子與氯離子相似，是表征高礦化水的主要陽離子。天然水中常見的微量元素有溴Br、氟F、碘I、鐵Fe、磷P、銅Cu、鋅Zn、鉛Pb、鎳Ni、錳Mn、鈦Ti、鉻Cr、砷As、汞Hg、鎘Cd、鋇Ba、鈾U等。 有機(jī)物溶解在天然水中的有機(jī)物大多是生物生命過程中及生物遺體分解過程中所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)。另外，水中有機(jī)物還包括構(gòu)成各種水生生物的物質(zhì)，這些水生物如魚、浮游動(dòng)物、浮游植物、底棲動(dòng)物、巨型植物以及各種藻類、菌類及微生物。2. 天然水的

16、分類（1）按天然水中總鹽量分類 淡水淡水為每公斤水的總鹽量小于1.0g。大部分河水及一部分湖水、地下水屬于淡水。 微咸水微咸水為每公斤水的總鹽量介于1.025g之間。小部分河水和一部分湖水及地下水屬于此類。 咸水咸水為每公斤水的總鹽量介于2550g之間，如海洋水。 鹽水（鹵水）鹽水為每公斤水的總鹽量大于50g，如鹽湖水、地下鹵水。（2）按天然水中主要無機(jī)離子分類 水的礦化度通常以1升水中含有各種鹽分的總克數(shù)來表示（克/升）。生活用水的礦化度一般應(yīng)小于1克/升。這種分類法是根據(jù)天然水中含量最多的8種無機(jī)離子進(jìn)行分類的。所涉及的三類陽離子是Ca2+、Mg2+、Na+K+，三類陰離子是HCO3-+C

17、O32-、SO42-、Cl-。首先按含量最多的陰離子將天然水劃分為三類：重碳酸鹽類（HCO3-）、硫酸鹽類（SO42-）和氯化物鹽類（Cl-），并分別以C、S、Cl等符號(hào)代表。其次按含量最多的陽離子把每類天然水再劃分為三組，即鈣組（Ca2+）、鎂組（Mg2+）和鈉組（Na+）。然后再按陰離子和陽離子間的相對(duì)含量關(guān)系，把各組分為4種水型。型：HCO3-> Ca2+Mg2+；型：HCO3-< Ca2+Mg2+< HCO3-+ SO42-；型：HCO3-+ SO42-< Ca2+Mg2+或Cl-> Na+；型：HCO3-=0型水是低礦化水，主要存在于含大量Na+和K+的

18、地區(qū)，水中有相當(dāng)數(shù)量的NaHCO3。型水大多為低礦化水和中礦化水，河水、湖水、地下水都屬于這種類型。型水具有很高的礦化度，大洋水、海灣水和許多具有高礦化度的地下水屬于這一類型。型水是酸性水，其特點(diǎn)是缺少HCO3-，酸性沼澤水、硫化礦床水屬此種類型。（3）按天然水的存在形式分類天然水主要以下面的幾種重要形式存在。 海洋海洋覆蓋著70.8%的地球表面，總面積約為361×1012m2，平均深度為3800m，所以總體積為1370×1015m3。海水有很大含鹽量，具有強(qiáng)電解質(zhì)溶液性質(zhì)。與純水相比，海水具有冰點(diǎn)下降特性，且有較大的密度、電導(dǎo)率、折光率、滲透壓等。 河流水的水質(zhì)多屬于重碳

19、酸鹽類型，以碳酸平衡體系作為基本的調(diào)節(jié)因素，化學(xué)成分有一定的穩(wěn)定性。溫度和鹽度是決定海水各種性質(zhì)的決定因素。海洋中的溫度和鹽度隨深度而變化，總體來說，海水的平均溫度不超過4ºC，鹽度可能達(dá)到35，光透過性大約是數(shù)十米。海洋表層是富氧的，這是因?yàn)榇髿庋醯难a(bǔ)充和海中浮游生物的光合作用。在深水地區(qū)直到海底氧含量很低但很均一。 海水不宜直接作為水源，但采用淡化技術(shù)后，利用海水的規(guī)模日益擴(kuò)大。 河流大氣降水及來自地下的水向低洼處匯集，并在重力作用下沿泄水的長條形凹槽流動(dòng)，形成河流。常年性流水和槽床（即河床）是形成河流的基本條件。與地下水相比，河流是敞開流動(dòng)的水體；與海洋相比，河流只有很小的水量

20、（占地球總水量的百萬分之一），所以河流水質(zhì)變動(dòng)幅度很大，因地區(qū)、氣候等條件而異，且受生物和人類社會(huì)活動(dòng)的影響最大。 湖泊 水庫可認(rèn)為是人工湖泊，其水質(zhì)狀況與湖泊近似，但在新建時(shí)期，由于大片土地被淹沒，大量有機(jī)物及可溶鹽進(jìn)入庫內(nèi)，同時(shí)庫內(nèi)水溫升高，有利于浮游生物及高級(jí)水生生物繁殖生長。湖泊是由地面上大小形狀不同的洼地積水而成的。形成湖泊的必須條件是要具有一個(gè)周圍高、中間低的能蓄水的湖盆，以及長期有水蓄積。湖岸線形態(tài)自湖盆形成起就與時(shí)俱變，主要因?yàn)楹媸茱L(fēng)力發(fā)生波浪而侵蝕湖岸，由此產(chǎn)生砂土，沿湖岸流動(dòng)，再通過湖岸流及下層湖水的反流被搬運(yùn)到湖深處，從而形成湖棚和湖棚崖。經(jīng)長期地質(zhì)年代演變，湖盆還有可

21、能被各種來源的砂土或湖內(nèi)產(chǎn)物所埋沒。湖水水流緩慢，蒸發(fā)量大，蒸發(fā)掉的水靠河流及地下水補(bǔ)償。湖水中含有鈣、鎂、鈉、鉀、硅、氮、磷、錳、鐵等元素，其中氮、磷等元素引起的富營養(yǎng)化問題是湖泊的主要污染問題。 地下水地球上的淡水大部分是貯存在地面以下的地下水。鑒于當(dāng)前地面水污染日益嚴(yán)重，所以地下水成為寶貴的淡水資源。地下水的主要水源是大氣降水。降水中的一部分通過巖石和土壤的間隙而滲入地下形成地下水。嚴(yán)格地說，存在于地表之下飽和層的水體才是地下水。降水抵達(dá)地面之后，在與土壤、巖石物質(zhì)及細(xì)菌等長久反復(fù)接觸的天然過程中，發(fā)生了過濾、吸附、離子交換、淋溶和生物化學(xué)等作用，使原降水水質(zhì)發(fā)生很大變化。地下水水質(zhì)有如

22、下特點(diǎn)：（a）懸浮顆粒物含量很少，水體清徹透明；（b）無菌、鹽分高、硬度大、含較多量的有機(jī)物；（c）不與空氣接觸，水體呈還原態(tài)；（d）水溫不受氣溫影響；（e）因有巖石等阻隔，流動(dòng)速度很小，各部位水層的水質(zhì)也可有很大差異。 濃度的另一種表示為ppm（百萬分率），指100萬分的溶液或氣體容積中某一種物質(zhì)所占的分?jǐn)?shù)。盡管ppm單位已經(jīng)廢止，但在工程界及國外文獻(xiàn)中仍在沿用。3. 水的本底自然界中不存在化學(xué)概念上的純水。天然水在其自然循環(huán)過程中都會(huì)溶解一定的環(huán)境物質(zhì)，如Cl-1、Na-1、SO42-等。在生態(tài)平衡狀態(tài)下，水體中這些環(huán)境物質(zhì)的含量與生物的發(fā)展是相適應(yīng)的。通常把未受污染的自然狀態(tài)下，水體中某

23、種污染物質(zhì)的固有含量稱為該物質(zhì)的背景含量或水質(zhì)本底。通過水質(zhì)現(xiàn)狀與水質(zhì)本底的對(duì)比，便可確定河、湖以及其它水體遭受污染的程度。受不同地域的影響，不同水體在各自生態(tài)平衡狀態(tài)下的水質(zhì)本底各不相同，但有一定的變化范圍。某物質(zhì)的水質(zhì)本底，通常用其濃度Cb表示，單位多為mg/L。2.2 水質(zhì)化學(xué)水質(zhì)是決定水體所有其他一切功能的基礎(chǔ)。水體主要成分包括無機(jī)金屬、非金屬、重金屬、有機(jī)化合物、顆粒態(tài)懸浮物、底泥以及微生物等。各種物質(zhì)成分之間相互作用，形成了復(fù)雜的水質(zhì)化學(xué)。2.2.1 氮、磷對(duì)水質(zhì)的化學(xué)影響1. 氮 氮、磷元素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)物質(zhì)。如果水體中氮、磷的濃度過高，就會(huì)使浮游植物大量繁殖，造成水

24、體的富營養(yǎng)化。氮是浮游植物合成蛋白質(zhì)、葉綠素的元素，是衡量水體營養(yǎng)狀態(tài)的關(guān)鍵元素之一。水體中的氮包括有機(jī)態(tài)氮、氨氮、硝酸態(tài)氮和亞硝酸態(tài)氮。不同形態(tài)的氮之間在一定條件下發(fā)生相互轉(zhuǎn)換。例如：有機(jī)態(tài)氮被微生物轉(zhuǎn)化為氨氮，而氨氮被微生物轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮和硝酸氮，如下式所示：以上硝化過程的活性微生物分別為亞硝化毛桿菌屬細(xì)菌和硝化桿菌屬細(xì)菌。在整個(gè)硝化過程中，氧化1g的氨氮需要4.5mg的溶解氧，這會(huì)大量消耗水體中的溶解氧，并可能導(dǎo)致水體轉(zhuǎn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。 在厭氧條件下，水體中會(huì)發(fā)生反硝化作用，即脫氮作用。在反硝化過程中，由于周圍環(huán)境缺乏氧氣，厭氧微生物就以硝酸根代替氧氣進(jìn)行反應(yīng)，致使硝酸鹽被逐步還原，而氮被轉(zhuǎn)

25、化為氮?dú)狻?. 磷磷是構(gòu)成生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移分子如三磷酸腺苷（ATP）及具有遺傳功能分子核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）的基本組分，是生命體的必須元素，也是土壤和水系內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)要素。磷的化學(xué)形態(tài)分為正磷酸鹽、聚合磷酸鹽和有機(jī)磷三種。磷的存在形態(tài)可分為溶解態(tài)、懸浮態(tài)和膠體三種。溶解的正磷酸鹽是浮游植物吸收的主要形式，而懸浮態(tài)或者膠體態(tài)的磷在一定條件下會(huì)轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)的磷。磷是藻類生長速率的主要限制性元素，是影響水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。磷在水生態(tài)循環(huán)中易沉淀進(jìn)入底泥。磷在水中的濃度取決于進(jìn)水中的濃度、沉淀速度、水更換的速度（出水速度）、水稀釋程度、磷從底泥和動(dòng)物體中釋放速度等。底泥中

26、的磷釋放是水體富營養(yǎng)化的一個(gè)重要內(nèi)源。當(dāng)氧化還原電位和pH條件改變，或者在微生物作用下，原來非溶解性的磷轉(zhuǎn)化為溶解性的磷，溶解于孔隙水中，然后再經(jīng)過擴(kuò)散、紊流擾動(dòng)、生物擾動(dòng)、厭氧過程氣態(tài)產(chǎn)物流動(dòng)等作用下遷移至水體中，加劇富營養(yǎng)化現(xiàn)象。2.2.2 有機(jī)污染物對(duì)水質(zhì)的化學(xué)影響有機(jī)物可以籠統(tǒng)地分為容易降解的有機(jī)物和難降解的有機(jī)物。容易降解的有機(jī)物能夠立即被微生物所利用，是導(dǎo)致水體溶解氧下降的主要原因。而難降解的有機(jī)物，除腐殖質(zhì)和纖維素之外，大多是毒性比較大的有機(jī)物，在水體中容易積累，導(dǎo)致長期毒理效應(yīng)。有機(jī)物對(duì)水體中其他物質(zhì)的存在形態(tài)起著重要的調(diào)節(jié)作用。有機(jī)物與粘土顆粒表面的作用主導(dǎo)著其表面的化學(xué)特征

27、。通常，有機(jī)分子的一端或部分吸附在顆粒表面，未吸附的部分則伸展在水中。正是這部分有機(jī)物決定著顆粒表面的動(dòng)電位（zeta電位）。這部分有機(jī)物上的官能團(tuán)容易與其他物質(zhì)作用，例如通過靜電吸引或絡(luò)合從而吸附金屬離子鎂、鈣、錳、銅以及其他重金屬離子，影響這些物質(zhì)的遷移、儲(chǔ)存和釋放等。2.2.3 金屬離子對(duì)水質(zhì)的化學(xué)影響主要金屬元素包括鈣（Ca）、鋁（Al）、鈉（Na）、鉀（K）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、錳（Mn）以及其他微量重金屬元素。1. 活性金屬離子：鐵錳金屬離子鐵和錳性質(zhì)類似，經(jīng)常進(jìn)行頻繁的氧化還原轉(zhuǎn)化，稱為水體中的活性金屬元素。在充氧條件下，或者在弱酸性至堿性條件下，鐵以氫氧化鐵（三價(jià)）形式存在

28、。當(dāng)氧化還原電位降低至200mV以下，或者pH值呈中性特征時(shí)，三價(jià)鐵被還原成為溶解態(tài)的二價(jià)鐵離子。如果氧化還原電位再降低，二價(jià)鐵可能轉(zhuǎn)化為溶解度極低的硫化鐵并沉淀下來。如果條件改變，氧化還原電位上升，則二價(jià)鐵重新被氧化為三價(jià)鐵，形成氫氧化鐵沉淀。2. 重金屬離子 天然水中只要有微量的重金屬離子即可產(chǎn)生毒性。這些重金屬進(jìn)入生物或人的體內(nèi)，會(huì)造成重大的危害。重金屬離子主要是通過懸浮顆粒的吸附和輸送進(jìn)入水體。重金屬離子在水體中的遷移過程包括擴(kuò)散、對(duì)流、沉降和再懸浮等，轉(zhuǎn)化途徑包括吸附、解吸、絮凝、溶解、沉淀等，參與的生物過程包括生物富集、攝取吸收等。重金屬在水中經(jīng)過水解可以生成金屬氫氧化物，也可以與

29、無機(jī)酸反應(yīng)生成硫化物、碳酸鹽。這些化合物的溶解度都比較小，易產(chǎn)生沉淀。因此天然水中的重金屬污染物將聚積于排水口附近的底泥中。重金屬不能被生物降解，具有生物累積特性，而且在一定條件下會(huì)被集中性地釋放出來。釋放的方式之一是通過水體食物鏈，產(chǎn)生生物富集和濃縮作用，最終影響到“食物鏈”的頂級(jí)生物或者人類；另一種方式是底泥的氧化還原條件發(fā)生了變化，由此導(dǎo)致底泥中的重金屬重新轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)而釋放出來，造成再次污染。2.2.4 水化學(xué)條件對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響在用化學(xué)試劑處理廢水的一種被稱為化學(xué)混凝單元操作中，能同時(shí)發(fā)生凝結(jié)和絮凝作用，所產(chǎn)生的絮狀顆粒又進(jìn)一步吸附水溶性物質(zhì)和粘附水中懸浮粒子。所加入的化學(xué)試

30、劑稱為化學(xué)混凝劑。污染物在水體中遷移轉(zhuǎn)化是水體具有自凈能力的一種表現(xiàn)。進(jìn)入水體的污染物首先通過水力、重力等作流體動(dòng)力遷移，同時(shí)發(fā)生擴(kuò)散、稀釋、濃度趨于均一的作用，也可能通過揮發(fā)轉(zhuǎn)入大氣。在適宜的環(huán)境條件下，污染物還會(huì)在發(fā)生遷移的同時(shí)產(chǎn)生各種轉(zhuǎn)化作用。主要的轉(zhuǎn)化過程有沉積、吸附、水解和光分解、氧化還原、生物降解等。這些遷移轉(zhuǎn)化過程有物理性的、生物性的，而更多的是化學(xué)性的過程。1. 溶解與沉積水是一種很好的溶劑，許多物質(zhì)都能或多或少地融于水。污染物在水中的溶解度是表征它在水中遷移能力最直觀的指標(biāo)。溶解度大者，大多以離子狀態(tài)存在于水中，遷移能力強(qiáng)；溶解度小者，大多以固體狀態(tài)懸浮于水面或沉積于底泥中，

31、遷移能力弱。由于水是極性分子，它對(duì)極性大的離子型化合物有很強(qiáng)的溶解能力，而對(duì)極性小的化合物溶解能力則較弱。一般把每升水小于0.1g溶解度的物質(zhì)稱為難溶物質(zhì)。大多數(shù)重金屬的氯化物、硫酸鹽都是易溶的，而其碳酸鹽、氫氧化物和硫化物都是難溶物質(zhì)。污染物在天然水中發(fā)生沉積的過程大致有以下幾種：（1）化學(xué)沉淀化學(xué)沉淀是形成水底沉積物的原因之一，如，富磷的廢水進(jìn)入硬性水體中，將生成羥基磷灰石沉積物；在富CO2的水體中，如果排進(jìn)大量Ca2+，將生成碳酸鈣沉積物，同時(shí)放出CO2。（2）膠體顆粒的凝聚沉降水中膠粒大小約為1nm100nm，所以一般不能用沉降或過濾的方法從水中除去這些顆粒物質(zhì)。膠體顆?；居袃深?，即

32、親水膠粒和疏水膠粒。親水膠粒在水體中易分散、溶化，很難凝聚沉降。這一類膠粒多數(shù)是生物性的物質(zhì)，例如可溶性淀粉、蛋白質(zhì)和它們的降解產(chǎn)物以及血清、瓊脂、樹膠、果膠等。水體中的疏水膠粒成分一般由粘土、腐殖質(zhì)、微生物等經(jīng)分散后產(chǎn)生，這些膠粒的表面帶電（正電或負(fù)電），較容易通過某些天然或人為因素的作用而凝聚沉降下來。膠體的凝聚有兩種基本形式，即凝結(jié)和絮凝。膠體粒子表面帶有電荷，由于靜電斥力而難以相互靠攏，凝結(jié)過程就是在外來因素（如化學(xué)物質(zhì)）作用下降低靜電斥力，從而使膠粒聚合在一起。絮凝則是借助于某種架橋物質(zhì)，通過化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)膠體粒子，使凝結(jié)的粒子變得更大。（3）重力沉降顆粒本身的密度、大小和形狀決定顆粒沉

33、降速率的大小。重礦石顆粒的密度較大，而有機(jī)物的顆粒則比較輕。顆粒的形狀也是影響沉降速率的重要因素。在水體中經(jīng)受長期磨洗的粗粒，其沉降速率與相同體積的球形顆粒相近，而越是小的顆粒，其非球形狀的因素越是顯著，例如云母粘片的沉降速率要比等體積球形顆粒小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。2. 吸附水體懸浮物和底泥中都含有豐富的膠體物質(zhì)。由于膠體粒子有很大的表面積和帶有電荷，因而能吸附天然水中各種分子和離子，使一些污染物從液相轉(zhuǎn)到固相中并富集起來。因此，膠體的吸附作用對(duì)污染物的遷移能力有很大影響。膠體的吸附機(jī)理可概括為物理吸附和化學(xué)吸附兩種類型。（1）物理吸附天然水體中存在的無機(jī)和有機(jī)膠體具有很大的比表面，因此它們都具有很大

34、的表面能和很強(qiáng)的吸附能力，能將水中的污染物質(zhì)（分子或離子）吸附在其表面，沉于水底或隨水流而遷移。（2）化學(xué)吸附有機(jī)物水解反應(yīng)可能是其在水中發(fā)生化學(xué)性降解的最重要過程?；瘜W(xué)吸附是由膠粒表面與吸附物之間的化學(xué)鍵或氫鍵以及離子交換等作用而引起的?；瘜W(xué)鍵的形成取決于膠體微粒與吸附物雙方的本性。天然水體中膠體對(duì)污染物的化學(xué)吸附主要是對(duì)重金屬離子的吸附。膠體粒子都是帶電的，而且在自然界中大多數(shù)膠粒都帶負(fù)電，可吸附金屬陽離子，只有少數(shù)膠粒在酸性條件下才帶正電。各種金屬陽離子雖然都能被天然水體中帶負(fù)電荷的膠體吸附，但它們被吸附的能力是不相同的，這與陽離子所帶的電荷、水化陽離子的半徑以及其濃度等因素有關(guān)。陽離子

35、電價(jià)越高，與膠體吸附的親和力就越強(qiáng)；同價(jià)陽離子其離子半徑越大，水化程度就越小，與膠體吸附的親和力也就越強(qiáng)。膠體吸附的作用：膠體的吸附能使水體中的重金屬離子或其他污染物從水中轉(zhuǎn)移到膠體懸浮物上來，從而使水中污染物質(zhì)的濃度大大減少。這些懸浮在水中的膠粒，當(dāng)其遇到帶異電荷的電解質(zhì)離子時(shí)，就能將更多的反離子吸附入吸附層，使擴(kuò)散層厚度變薄，動(dòng)電位（zeta電位）降低。如果zeta電位降低到不足以排斥膠體微粒相互碰撞時(shí)分子間的作用力時(shí)，膠粒就會(huì)聚集變大，形成粗大的絮狀物，在重力作用下沉入底泥中。3. 水解反應(yīng)配位體的特征是能夠提供配合作用所需要的電子，與其他相應(yīng)的離子配合，形成配合物。水解反應(yīng)是化學(xué)物與水

36、的反應(yīng)，反應(yīng)的結(jié)果通常是在化學(xué)物的分子中導(dǎo)入了一個(gè)氫氧根官能團(tuán)，同時(shí)失去一個(gè)官能團(tuán)。某些化合物的水解作用可以被酸或堿進(jìn)行催化，所以這些化合物在水環(huán)境中的水解作用和水體的pH值有很大的關(guān)系。（1）有機(jī)污染物在天然水體中的水解許多有機(jī)污染物在水中能發(fā)生水解反應(yīng)，例如甲酸乙酯，水解后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的甲酸和乙醇。有機(jī)磷酸酯類的農(nóng)藥和殺蟲劑，在酸或堿的催化作用下也容易水解，如敵敵畏在酸催化下逐漸水解，轉(zhuǎn)化為磷酸和二氯甲醇，在堿催化下水解速率增大。由于較多的有機(jī)磷酸酯是比較容易水解的，用它們制成的農(nóng)藥和殺蟲劑可減少對(duì)環(huán)境的污染。不少飽和鹵代烴化合物在堿催化下也可以水解轉(zhuǎn)化為醇和酸，不過它們的水解速率很慢。至于

37、不飽和鹵烴及芳香鹵烴代化合物，如氯乙烯、氯苯、多氯聯(lián)苯等，在一般條件下極難水解，如果無其他途徑轉(zhuǎn)化，則將長期停留在天然水體中。（2）重金屬離子在天然水體中的水解螯合物是由多基配位體和金屬離子同時(shí)生成兩處或更多的配位鍵，構(gòu)成環(huán)狀螯合結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。金屬離子的水解能力與金屬離子電荷數(shù)的多少以及離子半徑的大小有關(guān)。電荷數(shù)少、離子半徑大的金屬離子，如K+、Na+、Rb+、CS+等水解能力很弱，往往以簡單水合離子的形式存在于水中；電荷數(shù)多、離子半徑小的金屬離子，如Cu2+、Zn2+、Pb2+等水解能力較強(qiáng)；高價(jià)金屬離子如Fe3+、Al3+等，在水中則發(fā)生強(qiáng)烈的水解作用。金屬離子的水解反應(yīng)，也可以認(rèn)為是金屬離

38、子與羥基（氫氧基）的配位反應(yīng)。天然水體中除了羥基以外，還存在其他的無機(jī)配位體（如Cl-、CO32-等）和有機(jī)配位體（如腐殖質(zhì)、氨基酸、尿素等），它們都可以和重金屬離子形成配合物。由于重金屬離子在天然水中的水解作用，以及天然水中無機(jī)和有機(jī)配位體的配位作用，使重金屬離子轉(zhuǎn)化成各種穩(wěn)定形態(tài)的可溶性配離子或螯合物，從而增強(qiáng)了重金屬離子污染物在天然水體中的遷移能力。4. 光解反應(yīng)光解反應(yīng)是指化學(xué)物在水環(huán)境中吸收了太陽輻射波長大于290nm的光能所發(fā)生的分解反應(yīng)。天然水環(huán)境中光解反應(yīng)是一種十分重要的過程，因?yàn)榇蟛糠痔烊凰h(huán)境都會(huì)暴露在太陽光下，從太陽光獲得光解反應(yīng)所需要的光能。根據(jù)反應(yīng)歷程的不同可將光解反

39、應(yīng)分為直接光解反應(yīng)和間接光解反應(yīng)兩種類型。（1）直接光解反應(yīng)地球表面眾多物質(zhì)有通過風(fēng)化、燃燒、酶促反應(yīng)等過程而被氧化的傾向。同時(shí)，有一個(gè)極為重要的與之相反的物質(zhì)還原過程，這就是光合作用。由于這兩方面作用過程，組成了自然界的基本氧化還原循環(huán)?；衔镂仗栞椛浜笾苯影l(fā)生反應(yīng)稱為直接光解反應(yīng)。這類反應(yīng)要求化合物的分子能直接吸收光能，繼而開始發(fā)生改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的一系列反應(yīng)。例如NO3-可受光直接分解，生成的O和HO·都具有很強(qiáng)活性，可引發(fā)進(jìn)一步水相反應(yīng)。如原子氧O與水中的O2結(jié)合生成臭氧O3，并旋即參與氧化NO2-的反應(yīng)。（2）間接光解反應(yīng)間接光解反應(yīng)是由光敏劑物質(zhì)首先吸收太陽光能，然后由光

40、敏劑將能量轉(zhuǎn)移給污染物，使污染物發(fā)生反應(yīng)。在間接光解反應(yīng)中，光敏劑起著十分重要的作用，但它并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，起著類似催化劑的作用。天然水體中普遍存在的腐殖質(zhì)是水中光敏劑的主體，存在于海水或廢水中的某些芳香族化合物，如核黃素，雖然濃度很低，也可起光敏劑的作用。在天然水體中還存在著一些濃度很低的強(qiáng)氧化劑，如HO·、O等，它們本來就是直接光分解反應(yīng)的產(chǎn)物，通過它們與水中其它還原性物質(zhì)之間發(fā)生的反應(yīng)也可認(rèn)為是一種間接的光分解反應(yīng)。5. 氧化還原反應(yīng)（1）氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)氧化還原反應(yīng)是發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)，參與反應(yīng)的物質(zhì)，在反應(yīng)前后元素有電子得失而改變其化合價(jià)：失去電子的過程叫做氧化，其化

41、合價(jià)升高；得到電子的過程叫做還原，其化合價(jià)降低。（2）氧化劑和還原劑氧化還原反應(yīng)關(guān)系到氧化劑和還原劑兩方。在發(fā)生電子遷移的過程中，得到電子的一方稱為氧化劑，失去電子的一方稱為還原劑。要完成氧化還原反應(yīng)過程，兩方缺一不可。天然水體中常見的氧化劑有：O2、NO3-、NO2-、Fe3+、SO42-、S、CO2、HCO3-(氧化能力依次遞減)。此外還有濃度甚低的H2O2、O3及自由基HO·、HO2·等，它們大多是水中光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。天然水體中常見的還原劑有：有機(jī)物、H2S、S、FeS、NH3、NO2-（還原能力依次遞減）。（3）氧化還原反應(yīng)的實(shí)例天然地下水中含有溶解性二價(jià)鐵，經(jīng)曝

42、氣溶解氧后，氧化成為三價(jià)鐵，形成Fe(OH)3沉淀而除去：4Fe(HCO3)2+O2+2H2O4Fe(OH)3+8CO2石油煉油廠的含硫廢水，在加熱及曝氣時(shí)，硫化物可氧化為硫代硫酸鹽或硫酸鹽而除去：2HS-+2O2S2O32-+H2O 2S2-+2O2+H2OS2O32-+2OH-2.3 水質(zhì)指標(biāo)與計(jì)量從應(yīng)用角度看問題，水質(zhì)只具有相對(duì)意義。例如經(jīng)二重蒸餾處理后所得純水只是在精密化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中才稱得上是優(yōu)質(zhì)水。相反，對(duì)飲用水則要求其中含有一定數(shù)量的溶解態(tài)二氧化碳，適量鈣、鎂和微量鐵、錳及某些有機(jī)物質(zhì)等。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是指水和水中的雜質(zhì)共同表現(xiàn)的綜合特性，是衡量水質(zhì)的具體尺度。各種水質(zhì)指標(biāo)可以表示水及水中

43、所含各種雜質(zhì)的種類和數(shù)量，從而判斷水質(zhì)的優(yōu)劣程度，以確定其能否滿足各類用水的需要。水質(zhì)指標(biāo)中有的直接用水中所含該種雜質(zhì)的量（即濃度）來表示；有的則是利用這種雜質(zhì)的共同特性來反映其含量，例如利用有機(jī)物容易被氧化的特性，用耗氧量來間接反映有機(jī)物的含量。對(duì)于微生物的含量是直接測(cè)定其數(shù)量的多少。根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)的性質(zhì)可分為物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、毒理學(xué)指標(biāo)、氧平衡指標(biāo)和細(xì)菌學(xué)指標(biāo)。2.3.1 物理指標(biāo)1. 溫度溫度是常用的物理指標(biāo)之一。由于許多物理過程、化學(xué)過程、生物過程都與溫度有關(guān)，所以是必須測(cè)定的項(xiàng)目。2. 嗅與味被污染的水常使人感到不正常的嗅味，根據(jù)水的嗅味可以推測(cè)水中所含的雜質(zhì)及有害成分的情況，這一指

44、標(biāo)主要用于生活飲用水。水中嗅味主要來自：水生動(dòng)植物和微生物的繁殖和死亡；有機(jī)物的腐爛分解；溶解的氣體，如硫化氫；溶解的礦物鹽或混入的泥土；工業(yè)廢水中的各種雜質(zhì)，如石油，酚等；飲用水中消毒用氯過多。我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定原水及煮沸的水都不能有異嗅或異味。3. 顏色和色度天然水經(jīng)常表現(xiàn)出各種顏色。河水、湖水和沼澤水呈黃褐色或黃綠色，這是由于腐殖質(zhì)造成的。水中懸浮泥沙和不溶解的礦物質(zhì)也會(huì)帶有顏色，例如粘土使水呈黃色，鐵的氧化物使水呈黃褐色，硫使水呈藍(lán)色，各類水藻的繁殖可使水呈綠色、紅褐色。工業(yè)廢水和印染造紙等廢水使水呈現(xiàn)很深的各種顏色；新鮮的生活污水呈暗灰色，腐敗的污水呈黑褐色。根據(jù)水的顏色可以推測(cè)水

45、中所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。色度是對(duì)黃褐色天然水或處理后的各種用水進(jìn)行顏色定量測(cè)定時(shí)所規(guī)定的指標(biāo)。目前世界各國統(tǒng)一用氯鉑酸鉀（K2PtCl6）和氯化鈷（CoCl2·6H2O）配制的混合溶液作為色度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。規(guī)定1l水中含2491mg氯鉑酸鉀和200mg氯化鈷時(shí)所產(chǎn)生的顏色為1度（1°）。多數(shù)清潔的天然水色度為1525度，湖沼水色度可在60度以上，飲用水規(guī)定不超過15度。4. 渾濁度水中若含有懸浮物或膠態(tài)雜質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不透明的渾濁現(xiàn)象。水的渾濁程度以渾濁度為指標(biāo)，渾濁度的標(biāo)準(zhǔn)單位是以1l蒸餾水中含1mg SiO2所構(gòu)成的光學(xué)阻礙現(xiàn)象為渾濁度1度。如果某水樣的渾濁度為n度，即指

46、渾濁度相當(dāng)于n·mg/·l-1的SiO2標(biāo)準(zhǔn)溶液。這是我國目前使用的稱為“硅單位”的渾濁度標(biāo)準(zhǔn)單位。渾濁度是從表觀上判斷水體是否遭受污染的主要特征之一。水的渾濁度高，其中有害雜質(zhì)含量必多。生活飲用水一般規(guī)定渾濁度不超過5度。5. 透明度透明度是表示水透明程度的指標(biāo)。它和渾濁度的意義恰巧相反，但卻表明水中雜質(zhì)對(duì)透過光線的阻礙程度。6. 電導(dǎo)率水中各種溶解的鹽類都是以離子狀態(tài)存在的，離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生移動(dòng)，并在電極上產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而傳遞電子，因而鹽類水溶液（電解質(zhì)溶液）具有導(dǎo)電作用。溶液的導(dǎo)電能力稱為電導(dǎo)。導(dǎo)體的電導(dǎo)（L）同它的截面積（A）成正比，同其長度（l）成反比，即

47、。 K稱為電導(dǎo)率，表示長為1cm、截面積為1cm2導(dǎo)體的電導(dǎo)。對(duì)溶液來說，電導(dǎo)率表示相距1cm、面積為1cm2的兩個(gè)平行電極之間的溶液的電導(dǎo)，單位為s·cm-1。電導(dǎo)率的大小可以間接表示出溶解鹽的含量。天然水是一種稀溶液，電導(dǎo)率一般較低，故常用的單位為µs·cm-1。一般天然淡水或處理后的淡水其電導(dǎo)率約為50500µs·cm-1，某些含鹽量高的廢水可達(dá)1.0×104µs·cm-1。2.3.2 化學(xué)指標(biāo)1. pH值pH值可表示水的酸、堿性。pH=7，水呈中性；pH<7,水呈酸性；pH>7,水呈堿性。pH值

48、對(duì)水中其他雜質(zhì)存在的形態(tài)和各種水質(zhì)的控制過程都有廣泛的影響，是最重要的水質(zhì)指標(biāo)之一。2. 堿度水中OH,HCO3、CO32的總量稱為堿度。不同的天然水體中存在的堿度組分及其含量是不相同的。水中堿性物質(zhì)除非含量過高，一般不會(huì)造成很大危害。但是它們?cè)谒型芏嗷瘜W(xué)反應(yīng)都有密切關(guān)系，因此是水質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。3. 硬度硬度較高的水不適合于工業(yè)和生活用水，因?yàn)樗患訜釙r(shí)，能生成碳酸鹽和氫氧化鎂等難溶物質(zhì)，沉積在加熱器的壁上形成水垢。在生活用水及紡織工業(yè)用水中，硬水可與肥皂作用生成沉淀，降低肥皂的去污能力。水的硬度原指沉淀肥皂的程度，一般定義為鈣、鎂離子的總量，包括總硬度、暫時(shí)硬度、永久硬度。水中所含鈣

49、、鎂離子（Ca2+Mg2+）的總量稱為總硬度。Ca2+、Mg2+的碳酸鹽和重碳酸鹽構(gòu)成的硬度，由于煮沸時(shí)容易生成沉淀析出，稱為暫時(shí)硬度；Ca2+、Mg2+的硫酸鹽和氯化物構(gòu)成的硬度，煮沸后不能生成沉淀從水中析出，稱為永久硬度。不同的國家各自采用不同的硬度單位。我國沿用以每升水含10mg·l-1 CaO為1度來表示硬度。4. 其他化學(xué)性指標(biāo)鐵和錳是天然水中常見的雜質(zhì)，鐵含量高的水可使鐵細(xì)菌迅速繁殖，導(dǎo)致地下管道發(fā)生堵塞。錳的氫氧化物成灰黑色，可造成“黑水”現(xiàn)象。鋅和銅在天然水中含量甚微，若水體被Cu2+、Zn2+ 污染，超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，將給人類健康帶來危害。2.3.3 毒理學(xué)指標(biāo)水中有些

50、污染物是難降解的累積性毒物。如汞、鎘、鉻、鉛、砷（類金屬）等重金屬；氰化物、氟化物等有毒無機(jī)物；酚類化合物（可降解有機(jī)物）、有機(jī)氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴（難降解有機(jī)物）等有毒有機(jī)物。2.3.4 氧平衡指標(biāo)氧平衡指標(biāo)是影響水質(zhì)變化的關(guān)鍵指標(biāo)，它表示水中溶解氧的情況，反映水體被有機(jī)物污染的程度。1. 溶解氧（DO）有機(jī)物的生化過程延續(xù)時(shí)間很長，常用20天的生化需氧量BOD20作為總生化需氧量。但在工程實(shí)用上，20天時(shí)間太長，故用5天的生化需氧量BOD5作為可生物降解有機(jī)物的綜合濃度指標(biāo)。溶解氧是反映天然水中氧的濃度指標(biāo)，單位為mg/l。嚴(yán)重污染的水體，DO接近于零，水質(zhì)極差。掌握天然水中DO的含

51、量對(duì)分析水體污染和自凈狀況具有重要意義。2. 生化需氧量（BOD5）BOD5一般是在溫度為20°C的條件下進(jìn)行生物氧化5天，測(cè)定其所消耗的溶解氧的數(shù)量。3. 化學(xué)耗氧量（COD）COD是指1l水中還原物質(zhì)（包括有機(jī)物和無機(jī)物）在一定條件下被氧化時(shí)所消耗的溶解氧的毫克數(shù)。COD的測(cè)定，一般采用高錳酸鉀法或重鉻酸鉀法。4. 總需氧量（TOD）TOD是近年來新發(fā)展的一種水質(zhì)指標(biāo)。其測(cè)定方法是在特殊的燃燒器中，以鉑為催化劑，在900°C的溫度下使一定量的水樣氣化，讓其中有機(jī)物燃燒，然后測(cè)定氣體中氧的減少量，即為有機(jī)物完全氧化時(shí)所需的氧量。5. 總有機(jī)碳（TOC）TOC的測(cè)定方法與T

52、OD的測(cè)定相類似，也是在900°C的溫度下，以鉑作為催化劑，使水樣氣化，然后測(cè)定氣體中CO2的含量，從而確定水樣中碳元素的總量。2.3.5 細(xì)菌學(xué)指標(biāo)水質(zhì)的細(xì)菌學(xué)指標(biāo)以檢驗(yàn)水中的細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌數(shù)來間接判斷水質(zhì)被污染的情況。1. 細(xì)菌總數(shù)細(xì)菌總數(shù)是指1ml水中，在普通瓊脂培養(yǎng)基中于37°C經(jīng)24h培養(yǎng)后所生成的細(xì)菌總數(shù)。水中細(xì)菌總數(shù)越多，說明水體受污染越嚴(yán)重。2. 大腸菌類水中大腸菌類的量，一般以1l水中所含大腸菌數(shù)（又叫腸菌指數(shù)）來表示。水體中大腸菌數(shù)增加，說明水體污染程度增大?？傊w中任何一種污染物質(zhì)，并不是在任何含量的情況下對(duì)機(jī)體都有毒害，而是只有當(dāng)其濃度超過一

53、定限量時(shí)，才會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生有害影響。水體中有害物質(zhì)的最高允許濃度是通過科學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，經(jīng)嚴(yán)格判定后提出的，這種濃度限量就是制定各種水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。2.4 生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2.4.1 生態(tài)學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)1. 生態(tài)學(xué)及其研究內(nèi)容生態(tài)學(xué)是研究生物與其基本生存環(huán)境之間相互關(guān)系的一門科學(xué)。自然界中的一切生物，其生息繁衍都離不開自身所處的環(huán)境。一方面環(huán)境為所有生物提供了賴以生存的必要條件和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，使有機(jī)生物體在其作用和影響下不斷變異、進(jìn)化、發(fā)展，呈現(xiàn)出一個(gè)豐富多彩、色彩斑斕的生命世界；而另一方面所有生物的生命活動(dòng)（包括人類社會(huì)的生產(chǎn)、消費(fèi)等活動(dòng)）又無時(shí)無刻不在影響甚至改造著他們自身所處的環(huán)境。因

54、此生物與其生存環(huán)境間實(shí)際上存在著一種動(dòng)態(tài)的密切聯(lián)系，表現(xiàn)為兩者相互依存，相互制約，相互促進(jìn)，相互影響。探求這種動(dòng)態(tài)聯(lián)系的特點(diǎn)及規(guī)律性，認(rèn)識(shí)其發(fā)生發(fā)展的原因、趨勢(shì)和規(guī)律，對(duì)于人類自身的發(fā)展進(jìn)步，改善自身所處環(huán)境都是至關(guān)重要的。從生態(tài)學(xué)角度分析環(huán)境受污染或生態(tài)系統(tǒng)被破壞的機(jī)理和規(guī)律，尋找防治的有效途徑，這是環(huán)境科學(xué)中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。生態(tài)學(xué)以一般生物為對(duì)象，以其生存環(huán)境為背景，主要從兩方面研究生物和環(huán)境這兩個(gè)系統(tǒng)間相互轉(zhuǎn)換的機(jī)理和規(guī)律。這兩方面一是生物在時(shí)、空上的數(shù)量變化，一是生物在物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換過程中與所處環(huán)境相互依賴、制約的特定關(guān)系。生物通常是指動(dòng)、植物及微生物；而環(huán)境則主要指大氣、水、土壤

55、等自然因素。根據(jù)生物有機(jī)體的組織層次，種類或棲息環(huán)境可將生態(tài)學(xué)分成多種門類（如圖2-3所示）。圖23 生態(tài)學(xué)的分科近年來，隨著人類環(huán)境問題和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，生態(tài)學(xué)已廣泛地?cái)U(kuò)展到了人類生活和社會(huì)形態(tài)等方面，把人類這一個(gè)生物物種也列入生態(tài)系統(tǒng)中，研究整個(gè)生物圈內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的相互關(guān)系問題。同時(shí)，現(xiàn)代的各種新老科學(xué)技術(shù)也已滲透到生態(tài)學(xué)的領(lǐng)域中，生態(tài)學(xué)正與系統(tǒng)工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、工藝學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等相結(jié)合，產(chǎn)生了相應(yīng)的新興學(xué)科，這正是生態(tài)學(xué)的重要發(fā)展趨勢(shì)。2. 生物圈生物圈是指地球上有生命活動(dòng)的領(lǐng)域及其居住環(huán)境的整體，其范圍包括從地球表面向上23km的高空、向下12km的深處。地球上存在著生物并受其生

56、命活動(dòng)影響的區(qū)域叫做生物圈。生物圈主要由生命物質(zhì)、生物生成性物質(zhì)和生物惰性物質(zhì)三部分組成。生命物質(zhì)又稱活質(zhì)，是生物有機(jī)體的總和；生物生成性物質(zhì)是由生命物質(zhì)的有機(jī)-礦質(zhì)作用和有機(jī)作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖質(zhì)等；生物惰性物質(zhì)是指大氣底層的氣體、沉積巖、粘土礦物和水。生物圈的存在需具備下列四個(gè)基本條件：（1）可以獲得來自太陽的充足光能一切生命活動(dòng)都需要能量，這些能量的基本來源是光能，綠色植物通過光合作用產(chǎn)生有機(jī)物而進(jìn)入生物循環(huán)。（2）有可被生物利用的大量液態(tài)水幾乎所有的生物體都含有大量的水分，沒有水就沒有生命。（3）生物圈內(nèi)有適宜生命活動(dòng)的溫度條件在此溫度變化范圍內(nèi)的物質(zhì)存在著氣態(tài)、固

57、態(tài)、液態(tài)三種物態(tài)變化，這也是生命活動(dòng)的必要條件。（4）生物圈內(nèi)提供了生命物質(zhì)所需要的營養(yǎng)物質(zhì)這些營養(yǎng)物質(zhì)包括氧氣、二氧化碳，以及氮、碳、鉀、鈣、鐵、硫等礦物質(zhì)營養(yǎng)元素，它們是生命物質(zhì)的組成成分，并參加到各種生理過程中去?？傊诘厍蛏嫌猩嬖诘牡胤骄鶎偕锶?。在適宜的條件下，生物的生命活動(dòng)促進(jìn)了物質(zhì)的循環(huán)和能量的流通，并引起生物的生命活動(dòng)發(fā)生種種變化。生物要從環(huán)境中取得必要的能量和物質(zhì)，就得適應(yīng)于環(huán)境；環(huán)境因生物的活動(dòng)發(fā)生了變化，又反過來推動(dòng)生物的適應(yīng)性。生物與生態(tài)條件這種交互作用促進(jìn)了整個(gè)生物界持續(xù)不斷的變化。3. 生態(tài)系統(tǒng)及其構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)是自然界一定空間的生物與環(huán)境之間的相互作用、相互影

58、響、不斷演變、不斷進(jìn)行著物質(zhì)和能量的交換，并在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成相對(duì)穩(wěn)定的統(tǒng)一整體，是具有一定結(jié)構(gòu)和功能的單位。一個(gè)生物物種在一定范圍內(nèi)所有個(gè)體的總和在生態(tài)學(xué)中稱為種群，在一定的自然區(qū)域中許多不同種群的生物的總和則稱為群落。任何一個(gè)生物群落與其周圍非生物環(huán)境的綜合體就是生態(tài)系統(tǒng)，即由生物群落及其生存環(huán)境共同組成的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的范圍可大可小，大至整個(gè)生物圈、整個(gè)海洋、整個(gè)大陸，小至一個(gè)池塘、一片農(nóng)田，都可作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)或作為一個(gè)子系統(tǒng)，任何一個(gè)子系統(tǒng)都可以和周圍環(huán)境組成一個(gè)更大的系統(tǒng)，成為較高一級(jí)系統(tǒng)的組成成分。每一生態(tài)系統(tǒng)都處于不停的運(yùn)動(dòng)、變化和發(fā)展之中，運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是系統(tǒng)中進(jìn)行的物質(zhì)循環(huán)和能量流通，從而使系統(tǒng)得以不斷更新，保持一種適于生命的環(huán)境。無數(shù)形形色