理论提升

一、天然水的组成

天然水中一般含有可溶性物质和悬浮物。可溶性物质成分非常复杂，主要是岩石风化过程中，经过化学迁移搬运到水中的地壳矿物质。天然水的组成包括悬浮物质、胶体物质、溶解性物质（气体、离子）、水生生物等。

1. 天然水中的主要离子组成

天然水中常见的八大离子有K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HC、N、Cl^-、S。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（表2-2），常用来作为表征水体主要化学特征性指标。

除上述的八大离子之外，天然水体中还有H⁺、OH^-、N、HS^-、S^2-、N、N、HP、P、Fe²⁺、Fe³⁺等。

（1）一般水体中的特征离子

海水中：一般Na⁺、Cl^-占优势。

湖水中：Na⁺、Cl^-、S占优势。

地下水主要离子成分受地域变化影响很大，一般说地下水硬度高，就是其中Ca²⁺、Mg²⁺含量高，对于一些苦水或咸水地区，地下水中Na⁺、HC含量较高。

河水中所含有的部分Na⁺和大部分的Ca²⁺主要分别来源于硅酸盐和碳酸盐的风化、溶解；水中所含有的S主要来自硫化物矿物和硫酸盐矿物（如石膏）的溶解。

（2）水的矿化度

矿化过程：天然水中主要离子成分的形成过程，称为矿化过程。

矿化度：矿化过程中进入天然水体中的离子成分的总量，以溶解总固体（total dissolved solid，TDS）表示。

一般天然水中的TDS可以表示为：

水的硬度和矿化度的区别：水的硬度是指水中含有的矿物质多少，水的矿化度是指水中所含盐类的数量。水的硬度是指除碱金属以外的全部金属离子浓度的总和，但硬度主要由钙、镁构成，所以水的硬度常指钙、镁离子浓度的总和。

通常把含有一定数量钙、镁、铁、铝、锰的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐及硝酸盐等杂质的水叫硬水。水的软硬程度是以“硬度”来衡量的。由于水中的各种盐类一般是以离子的形式存在，所以水的矿化度也可以表示为水中各种阳离子的量和阴离子的量的和。通常，近似地认为天然水中常见主要离子总量可以粗略地作为水的总含盐量（TDS）：

水的矿化度通常以1L水中含有各种盐分的总克数来表示（g/L）。

2. 天然水中溶解的金属离子

水溶液中金属离子的表示式常写成Mⁿ⁺，其对应的简单水合金属阳离子M（H₂O。它可通过化学反应达到最稳定的状态。酸-碱，沉淀、配合及氧化-还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。

水中可溶性金属离子可以多种形态存在。例如，铁可以Fe（OH）²⁺、Fe（OH、Fe₂（OH、Fe³⁺等形态存在。这些形态在中性（pH=7）水体中的浓度可以通过平衡常数加以计算：

假如存在固体Fe（OH）₃（s），则：

［Fe³⁺］/［H⁺］³=9.1×10³

在pH=7时：

将这个数值代入上面的方程式中，即可得出其他各形态的浓度：

虽然这种处理是简单化了，但很明显，在近于中性的天然水溶液中，水合铁离子的浓度可以忽略不计。

3. 天然水中溶解的重要气体

天然水中溶解的气体有氧气、二氧化碳、氮气、甲烷等。

海水表面以CO₂、N₂、O₂为特征，不流通的深海中CO₂过饱和，有时还有硫化氢。

气体溶解在水中，对于生物种类的生存是非常重要的。

例如，鱼生存需要溶解氧，一般要求水体溶解氧浓度不能低于4mg/L。鱼类呼吸作用的结果是消耗溶解氧的同时又释放出二氧化碳；在被污染的水体，鱼类会死亡，不是由于污染物的直接毒害致死，而是由于在污染物的生物降解过程中大量消耗水体中的溶解氧，导致它们无法生存。

大气中的气体分子与溶液中同种气体分子间的平衡服从亨利定律，即一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压。

4. 天然水中的水生生物

水生生物可直接影响许多物质的浓度，其作用有代谢、摄取、转化、存储和释放等。

水生生态系统生存的生物体，可以分为自养生物和异养生物。自养生物利用太阳能或化学能量，把简单、无生命的无机物元素引进至复杂的生命分子中即组成生命体。异养生物利用自养生物产生的有机物作为能源及合成它自身生命的原始物质。

（1）藻类

藻类是典型的自养水生生物，通常CO₂、N和P多为自养生物的C、N、P源。利用太阳能把无机矿物合成有机物的生物体称为生产者。

我国南方几乎一年四季都可见到“水华”现象，这主要是富营养化形成的藻类引起的。形成水华的藻类主要有微囊藻、项圈藻。藻类是湖泊、水库等流动缓慢的水体中最常见的能够进行光合作用的浮游植物。

藻类尺寸大小差异显著，最大的可长达60m，最小的只有几微米，富营养的水体中1mL水中的藻类细胞达到10万个以上。

水处理过程中由于藻类的大量繁殖，大大增加了污水处理的难度。因为藻类尺寸很小，能够穿透污水处理厂的过滤池，会导致处理后的水中有异味。

（2）细菌等其他微生物

细菌的特点是形体十分微小，内部组织结构简单，大多是单细胞。水环境中主要微生物有原生动物、藻类、真菌、放线菌、细菌。细菌等微生物是关系到水环境自然净化和废水生物处理过程的重要的微生物群体，一般污水处理中，根据氧化过程需要氧量的不同，分为厌氧菌（油酸菌、甲烷菌）、好氧菌（乙酸菌、亚硝酸菌）、兼氧菌（乳酸菌）。