水化学基础知识.ppt
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1、提纲:一、水体的溶解氧一、水体的溶解氧二、水体的二、水体的pH及酸碱平衡及酸碱平衡 三、水体的硬度和碱度三、水体的硬度和碱度四、水体的氮、磷等营养物质四、水体的氮、磷等营养物质(一)氧气在水中的饱和浓度和饱和度(一)氧气在水中的饱和浓度和饱和度1. DO的饱和浓度的饱和浓度定义:一定条件下,水中DO达到饱和时的含量,称该条件下DO的饱和浓度“一定条件” 氧气在空气中的分压 水的温度 水的含盐量 影响水中DO饱和浓度的因素(1)与氧气分压P分的关系 当水温、含盐量 一定时,P分 则CS(饱和浓度) P分与CS的关系可用亨利定律来表达,即: CS = KP分 式中:K气体的吸收常数(ml/Latm
2、) 当P空= 1 atm时,P分 = 0.21 atm 影响水中DO饱和浓度的因素(2)与水T的关系 当P、含盐量一定时,CS随T升高而减少 (因为 T升高,吸收系数K减小)(3)与含盐量的关系 当T、P分一定时,含盐量 则CST、P分一定时,海水及硬水中的DO比淡水、软水低(仅为淡水、软水的82%左右)2. DO的饱和度的饱和度饱和度即饱和程度,表示水中溶解物质的实际含量 饱和度% = (C/CS )100%式中:C 实测浓度 CS 一定条件下的饱和浓度溶解物质是气体,则要考虑压力变化,即 饱和度% = (C/CS)(P/760)100%式中:P实际大气压(二)水中(二)水中DO的来源与消耗
3、的来源与消耗1. DO的来源的来源DO的来源与消耗近海水体溶氧动力学。绿色方框中表示的是能提高水体溶氧的反应过程;橙色方框中表示的是降低水体溶氧的反应过程。(1) 空气溶入 特点: 只要未达到饱和状态,溶解可持续进行 不同的水体,氧气溶解的差异很大 不是鱼池内部的主要增氧方式 一般占总增氧量的7%-8%(2) 浮游植物光合作用 是养殖水体(特别是精养鱼池)中DO的主要来源,有明显的日变化和水层差。光合作用产生的氧气是池塘中DO最大的补给者(晴天,上层DO有时可超过200%) 增氧不稳定(受光照、PP数量、水温等影响),但一般占80%以上,多的可达90%(3) 机械、化学增氧 a. 叶轮式增氧机
4、、水车式增氧机、射流式增氧机等b. 过氧化钙、过氧化氢等 (4) 水源补给一般占全部增氧的3-4%2. DO的消耗的消耗(1)物理作用耗氧 指水中DO达到饱和时向空气中逸散光合作用产生的氧气是池塘中DO最大的补给者(晴天,上层DO有时可超过200%)DO垂直分布不均及水的热阻力的影响,上层过饱和的氧气无法及时输送到下层逸散(2)水呼吸耗氧 指水中化学物质的氧化及ZP、PP和细菌等小型生物的呼吸耗氧。 化学物质的氧化:指某些无机还原性物质和低分子的有机物的氧化,与细菌呼吸耗氧关系密切。 ZP、PP、细菌等小型生物耗氧是水中主要的耗氧因子 原因:生物个体越小,呼吸耗氧强度(单位时间、单位体重的呼吸
5、耗氧量)越大例:在24,鲤鱼的呼吸强度为 0.105g/Kg.h 原生动物 1.94g/Kg.h 微小生物增殖快、密度大(则生产量大)(3)鱼虾等养殖动物呼吸耗氧 一般只占10-15%,载鱼量大可达20%(4)底质耗氧 即底质中无机还原性物质(如H2S、NH3等)及有机物在细菌作用下的耗氧 池塘的具体情况不同,底质耗氧也不同水中水中DO的来源与消耗的来源与消耗2. DO的消耗的消耗 生物耗氧中,浮游生物、细菌等小型生物耗氧最大 在各种耗氧中,水呼吸耗氧最大例:池鱼呼吸耗氧20%,水呼吸耗氧71%,底质耗氧9%,其余可忽略不计3. 决定水中决定水中DO实际含量的因素实际含量的因素 P、R(1)
6、P、R的含义DO来源与消耗决定水中DO实际含量的一对矛盾 P(Photosynthesis):水中植物光合作用增氧总量或一类光合自养生物的生长速度 R(Respiration):水呼吸耗氧总量或水体中单纯依靠有机物和DO来生长繁殖的呼吸异养生物的生长速度(2)决定P、R相对大小的因素 营养物质的类型 有机形式或无机形式 光照条件例:刚施有机肥的池塘有机物浓度高,细菌光照差,藻类生物量 ,DO ,RP鱼池施有机肥后,容易造成缺氧 经过一段时间有机物浓度 ,藻类无机物浓度 ,光照较好,细菌 ,DO ,P R 可见,水体加入有机物后的分解矿化过程,可以用P和R的关系来说明分布 :指同一时刻、同一水体
7、不同水层、水区的DO差别水平、垂直分布变化:指同一水体、同一水层、水区在不同时刻的DO差别周日、季节变化(三)水中(三)水中DO的分布变化规律的分布变化规律 水深(cm)6时10 203040506070 溶氧(mL/L) 0 2 4 6 8 10 12 140时12时20时18时静水小鱼池DO的垂直变化和周日变化示例1. DO的变化分布的变化分布白天表层:DO高表层光照强,光合作用强,DO在表层水中积累。PR 水深(cm)6时10 203040506070 溶氧(mL/L) 0 2 4 6 8 10 12 140时12时20时18时中层:跃变层DOT下降快,水的密度增加,浮力增大,有机物(碎
8、屑)积累,细菌繁殖大量耗氧(明显大于表层)“跃变层”离表层较近,表层DO可通过扩散补充,故此层不会严重缺氧,但也不易达到饱和度。PR 水深(cm)6时10 203040506070 溶氧(mL/L) 0 2 4 6 8 10 12 140时12时20时18时底层:DO低表层水T高,底层水T低,水体正分层,表层高浓度的DO只能靠分子扩散缓慢向底层迁移,且底层光照较弱。RP 水深(cm)6时10 203040506070 溶氧(mL/L) 0 2 4 6 8 10 12 140时12时20时18时结论白天DO的水层差较大 表层 跃变层 底层 PR PR RP 水深(cm)6时10 20304050
9、6070 溶氧(mL/L) 0 2 4 6 8 10 12 140时12时20时18时夜晚表层DO大幅下降, 上下水层DO较均一原因:光合作用停止,主要为呼吸耗氧,RP表水层受T影响,密度变大,形成密度流,发生垂直流转风力的影响:水陆散热程度不同,在水面形成风,促进上、下层的循环流转,打破分层 水深(cm)6时10 203040506070 溶氧(mL/L) 0 2 4 6 8 10 12 140时12时20时18时清晨特点:整个水体DO都低,经过一夜的RP的耗氧,DO出现最低值 水深(cm)6时10 203040506070 溶氧(mL/L) 0 2 4 6 8 10 12 140时12时2
10、0时18时水平分布:是指同一时间、同一水层、不同水区的DO的变化。造成水体DO水平分布不均的原因 风的影响 进出水处2. DO的水平分布的水平分布风的影响u当水体中DO垂直分布不均时,如受到风的吹动,则出现水平分布不均,下风处DO高,上风处DO低 例:早晨6:30 上风处3.33mg/L 下风处3.33mg/L下午18:30 上风处12.2mg/L 下风处16.9mg/L上下风处DO水平分布不均,垂直分布不均是基本前提池塘进出水处 对于池塘设置网箱有一定的指导意义141210 8 6 4 2 03. DO 日变化日变化表、底层的共同特点清晨傍晚,DO 傍晚夜间清晨 表底层P=0,RP清晨DO出
11、现极小值不同点表水层:DO变幅大,日较差较大底层:日变化较小6 12 16 20 0 6(h)表层水底层水mg/L影响日变化的因素精养鱼池和水库、湖泊比较a. 水质差异有机营养和无机营养都比较充足的水体,日变化大b. 与光照和水温的关系夏季日变化大冬季日变化小在同一季节,通过比较不同池塘DO的日变化,可以判断其水质肥瘦4. DO极小值出现的时间和地点极小值出现的时间和地点黎明或日出前的水表层夏季长期处于停滞分层状态的底、中层水水质过肥,放养量大,底质淤泥很厚的鱼池,在夏季天气闷热、气压低、暴雨强风之后,水体发生混合流转整个水体DO 都低1. DO变化对水质的影响变化对水质的影响(1)决定水质及
12、底质的氧化还原条件DO ,Eh ,具可变化合价的元素由低价态向高价态转化;反之亦然养殖水体内,对水生生物影响较大的具可变化合价的元素包括N、S、P、C、Fe等水的稳定区限水的稳定上水的氧化区水的还原区限水的稳定下EhpH图(四)(四)DO 变化对养殖生产的影响变化对养殖生产的影响(2) 决定不同种类微生物的活动与分布DO充足:有利于好气分解,氧化产物多为元素的高价态,如CO2、H2O、NO3-、SO42-、PO43-等,为营养元素的有效形式DO不足:有利于嫌气分解,还原产物为CH4、NH3、H2S等,对水生生物有毒(3) DO变化与非保守成分含量的关系非保守成分:含量变化与DO动态和生物关系密
13、切的水化成分O、C、N、P、Si、S等非保守成分保守成分水体内最主要、最基本的生物化学反应:有机物合成光合作用有机物分解呼吸作用以DO变化来估算其它元素变化的计量关系: 植物营养元素的浓度(um)=A0+常数AOUAOU(表观耗氧量):DO饱和含量与现存量之差。当现存量小于饱和含量时,AOU为正值,反之为负值A0:即AOU=0时植物营养元素的浓度常数constant:几种营养元素与氧元素的相对比例水体某时刻的A0、AOU可测定若呼吸耗氧占优势,DO的现存量则可能低于其饱和浓度,则AOU为正值,RP若光合产氧占优势,DO的现存量则可能高于其饱和浓度,则AOU为负值,Ra,基础耗氧率不变(AG线)
14、当PO2 a,鱼类达不到基础耗氧率水平,生存受到威胁,故A点称为窒息点。PO2 a的区域称窒死区DO d a b mPO2耗氧率MBAACBM运动量OIISG窒死区生存区依存区自由区即死区d PO2 a,PO2与耗氧率的关系如AD线,达不到鱼类维持生存最低氧的分压,鱼的呼吸受到严重抑制生产中:处于该状态的鱼浮于水面不游动,或游动极缓慢,对外界的刺激反应不明显。若不采取急救,鱼必然死亡DO d a b mPO2耗氧率MBAACBM运动量OIISG窒死区生存区依存区自由区即死区PO2 =d,鱼类耗氧率为0,故PO2 d的区域称为即死区。PO2 =d时,鱼类立即死亡,D为即死点DO d a b mP
15、O2耗氧率MBAACBM运动量OIISG窒死区生存区依存区自由区即死区a PO2 m, PO2与耗氧率的关系如AM线。鱼类的耗氧率和运动量受氧的分压所控制。分压越高,耗氧率越大,运动量也越大,故a PO2 m的区域称为依存区DO d a b mPO2耗氧率MBAACBM运动量OIISG窒死区生存区依存区自由区即死区PO2 m,鱼类对氧的需要达到自由区。氧的分压再增高,耗氧率也不会再增大。此时,如果其他条件适宜,高产稳产就有了保证DO d a b mPO2耗氧率MBAACBM运动量OIISG窒死区生存区依存区自由区即死区3. 养殖生产对养殖生产对DO的要求的要求目的与对象的差异,对DO的要求也不
16、同温水鱼类,5mg O2 /L以上冷水鱼类,产卵场:7 mg O2 /L以上 生长环境:6 mg O2 /L以上不同水生生物对不同水生生物对DO的最低需要的最低需要鲈鱼美洲河鲱河鲈鳀鱼4. 池鱼可能出现浮头或泛塘的判断池鱼可能出现浮头或泛塘的判断水温26以上水温最高季节: 7月中旬-8月中旬(浮头或泛塘频率最高) 施有机肥之后天气的变化新开鱼池5. 防止防止缺氧的措施缺氧的措施培育优良的藻类,如绿藻、硅藻等增氧: 合理使用增氧机 使用化学试剂天然水中天然水中CO2平衡系统图解平衡系统图解HCO3-水合水合溶解溶解+ OH-CO2(气气)CO2(溶解溶解)H2CO3CO32-Ca2+ Me2+
17、H+ CO2CaCO3MeCO3气相气相液相液相固相固相 - H+ H+ + H2O- H+ H+ (一)天然水体中的(一)天然水体中的CO2平衡系统平衡系统COCO2 2COCO2 2+HCO+HCO3 3- -HCOHCO3 3- -+CO+CO3 32-2-COCO3 32-2-pH4.0pH8.3pH12.0COCO2 2分分量量与与pHpH关关系系图图pH值改变,则游离值改变,则游离CO2、HCO3-、CO32-的相对含量就会的相对含量就会发生变化;反之亦然发生变化;反之亦然pH = 8.3的意义水体pH8.3,则认为不存在H2CO3,计算pH值时,只考虑二级电离,即:H+ = K2
18、 HCO3- /CO32-pH = pK2-lgHCO3- + lgCO32-图中:实线为表水层、虚线为底水层图中:实线为表水层、虚线为底水层 水层水层 早晨到午后早晨到午后 午后到傍晚午后到傍晚表层表层 底层底层 11.0010.00 9.00 8.00 7.00 6.00 6 10 14 18 22(时时)pH(二)水体中(二)水体中pH的日变化的日变化(三)水体中(三)水体中pH变化的原因变化的原因光合作用 CO2 C6H12O6 pH呼吸作用 C6H12O6 CO2 pH硝化作用 NH4+ NO3- +2H+ pH反硝化作用 NO3-+H+ CO2+N2 pH甲烷发酵 C6H12O6
19、CH4 + CO2 pH硫化氢氧化 HS- SO4- + H+ pH硫化物还原 SO4-+H+ CO2+HS- pH 7个反应对水体pH值的影响(四)(四)pH对水质及养殖生产的影响对水质及养殖生产的影响1. 对物质存在形式的影响对物质存在形式的影响 pH ,弱酸电离减少,弱酸根CO32-、S2-、PO43-、SiO32-、有机酸根等多数以分子存在,相应的络合物及沉淀分解或溶解,游离态金属离子浓度增加 pH ,弱碱电离减少;弱酸电离增大;金属离子生成氢氧化物、碳酸盐沉淀或胶体,游离态金属离子浓度下降2. 直接直接对鱼类和水生生物的影响对鱼类和水生生物的影响弱酸、弱碱转以H2S、CO2 、NH3
20、等形式存在,对鱼的毒性增强Cu2+、Pb2+等转以络合物或螯合物存在或被胶粒吸附絮凝,毒性多减弱生物还有其自身的pH值生理极限3. 养殖生产不同阶段对养殖生产不同阶段对pH值的要求值的要求清塘消毒,如生石灰消毒养殖4. pH值变化太频繁、变幅过大易引起应激值变化太频繁、变幅过大易引起应激5. pH值在正常范围内,但造成酸碱度的物质有毒值在正常范围内,但造成酸碱度的物质有毒(如(如NH3、H2S等)也不行等)也不行(五)生产中(五)生产中pH不正常的原因、危害及调节措施不正常的原因、危害及调节措施 1. pH过高过高(1)原因:新水肥水后藻类大量繁殖,往往水质不够稳定,下午会偏高;蓝藻爆发,下午
21、pH值往往会升到9.2以上; 受碱性物质污染。 (2)危害:水体呈碱性,晴天下午pH一般值大于9,水体存在许多死藻和濒死的藻细胞;腐蚀鳃组织,使得氨氮毒性加大;能使孵化中的鱼卵卵膜早溶,引起胚胎过早出膜而大批死亡;碱性环境下会使小三毛金藻大量生长繁殖,而小三毛金藻的代谢物中有一种鱼毒素,可使鱼类中毒死亡,盐碱地的鱼池要特别注意小三毛金藻的发生。鱼类中毒症状:受刺激且狂游乱窜;体表大量粘液甚至可拉成丝;鳃盖腐蚀损伤、鳃部大量分泌凝结物;(3)调节措施:海联科105+红糖混合溶于水全塘泼洒用明矾沉降部分藻类适量浓度硫酸铜杀死部分藻类(慎用)工业醋酸调节pH水源好的地方适当换水2. pH过低过低(1
22、)原因:藻类不丰富,池塘DO和氧化还原电位降低,硫化氢等还原性物质增多,底质酸化,一般出现养殖后期;受酸性物质污染。 (2)危害:使硫化氢、二氧化碳的毒性增加;使鱼虾血液pH值下降,降低其载氧能力,造成生理缺氧;使鱼卵卵膜软化,卵球扁塌,失去弹性,在孵化时极易提前破膜;此外,使养殖动物对传染性疾病特别敏感pH过低池塘特征:鱼体色明显发白;水生植物呈现褐色或白色;水体透明度明显增加。(3)调节措施:淡水池塘用生石灰调节,海水池塘用小苏打调节肥水培藻,增强光合作用1. 硬度的定义硬度的定义硬度是指水中二价及多价金属离子含量的总和,如Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、Fe3+、Al3+等。硬度
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