水化學

定義

環境化學 (ENVIRONMENTIAL CHEMISTRY) 為研究化學物種的來源、反應、移動、影響及其在水 、土壤、及空氣環境中之消長，並包括人類活動對上

述活動之影響。

Pollutant 因人類活動而造成濃度高於自然界之物質對其環境及

環境之有價物有一淨損害

Contaminant

引起一個環境正常組成發生改變之物質 (當引起損害之影響時稱之)

Receptor 受影響所及之任何物質

Sink 長時間的汙染累積

定量單位

ppm= weight of solute / weight of solution × 106

= mg solution / liter solution

ppb = weight of solute / weight of solution × 109

= μg solution / liter solution

ppt = weight of solute / weight of solution × 1012

= ng solution / liter solution

地球70%的面積為水覆蓋，其中97.5%是鹹水，只有2.5%是淡水，這些淡水有70%凍結在南北極的冰冠中，其餘泰半是土壤中的水分，或是極深層的地下水，人類不易取用。可供人們使用的水量僅佔全地球水資源的0.007%。

全球水資源全球水資源

Surface water: stream, lake, reservoirs

Ground water

Estuary are arms of the ocean into which streams flow. The mixing of fresh and salt water gives estuaries unique chemical and biological properties.

Wetland

Wetland are flooded areas in which the water is shallow enough to enable growth of bottom-rooted plants

濕地係指水域與陸域之間的交會地帶，經常或間歇地被潮汐、洪水淹沒的土地

紅樹林小檔案

紅樹林是紅樹科植物，樹皮可以提煉出丹寧做為紅色染料，稱「紅樹」。紅樹林的定義是生長在熱帶及亞熱帶沿海潮間帶泥濘地之植物

紅樹林具有高的生產力，決定了紅樹林動物資源豐富，孕育了豐富且多樣的野生動植物及微生物資源，形成紅樹林生態的生物多樣性

紅樹林之功能分為 生態 環境保護 學術教育 經濟 過濾有毒物質

清白招潮蟹 Uca lactea

淡水紅樹林保護區

水筆仔 Kandelia candel

〔H+〕〔HCO3-〕 Ka1= = 4.45×10-7

〔CO2〕 〔H+〕〔CO32-〕

Ka2 = = 4.69×10-11

〔HCO3-〕

Self-purification

Water borne disease

由水所傳染的疾病稱之

最典型的是西半球的傷寒和東半球的霍亂。其他如赤痢、感染性肝炎、腸胃炎、小兒麻痺症等，都是因為水而散播出來的。

水質特性的影響因子

DO Organic substances (BOD，COD，TOC) Solid (suspended solid，total solid) pH value Acidity，alkalinity Hardness Nutrients (nitrogen，phosphate，others) Metal Trace organic compounds Inorganic nonmetals

Alkalinity

The capacity of water to accept H+

ions (protons) is called alkalinity.

HCO3-+ H+ CO2+H2O

CO3- + H+ HCO3

-

OH- + H+ H2O

Total alkalinity

2〔CO32-

〕+〔HCO3- 〕+〔OH- 〕-〔 H+〕

Acidity Acidity as applied to natural water systems is the capacity of the water to neuralized OH-

Acidity generally results from the presence of weak acids such as H2PO4

-， CO2，H2S, proteins，

fatty acids and acidic metal ions， particularly Fe3+

Al(H2O)63++H2O → Al(H2O)5OH

2++H3O+

Al(H2O)63+ → Al(H2O)5OH

2++ H+

水污染評量方式

溶氧(DO)。

生物化學需氧量BOD 〈Biochemical Oxygen Demand〉 污染物質在水中被細菌分解，分解過程中細菌消耗

水中氧氣的量。

化學需氧量COD〈Chemical Oxygen Demand〉 用強氧化劑〈高錳酸鉀、重鉻酸鉀〉氧化水中污染

物質所消耗氧化劑換算成相當氧量。

RPI (River Pollution Index) 生化需氧量、懸浮固體(SS)、銨氯(NH4+)

及溶氧(DO)經過公式換算

目前國際通用的河川污染指標

河川污染程度分類表

2.0以上

15以上

100以上

3.0以上 10

6.0以上

2.0～4.5

5.0～15

50～100

1.0～3.0 6

3.1～6.0

4.6～6.5

3.0～4.9

20～49

0.50～0.99 3

2.0～3.0

6.5以上

3.0以上

20以上

0.05以上 1

2.0以上

溶氧量(mg/L) 生化需氧量(mg/L) 懸浮固體物(mg/L) 氨氮(mg/L) 點數 積分(RPI)

嚴重污染 中度污染 輕度污染 未(稍)受污染

污染程度 項目

河川污染現況

河川：

９１年監測結果，５０條主次要河川，總監測長度２９０４公里中，未或稍受污染長度１８１２公里 〈６２．４%〉輕度污染３４９公里〈１２%〉中度污染３３５公里〈１１．５%〉嚴重污染４０６公里〈１４%〉。約２６%河段為中度以上污染。

水庫污染現況

水庫： 水庫中營養鹽氮、磷的含量如果太高會引起藻類大量繁

殖，水質變差、水庫淤積。91年20個主要水利調查，7個水庫有優養化(eutrophication) 現象，包括澄清湖、鳳山、明德、仁義潭、白河、鏡面、永和山等水庫。

地下水： 地下水是主要水源之一，約佔總用水量 35%，超抽情形

嚴重。近年來監測結果淺層地下水受家庭污水、畜牧廢水、農業肥料等影響，氨氮含量較高深層水質尙好。

水污染之定義

因物質、生物或能量之介入，而變更品質，致影響其正常用途或危害國民健康及生活環境。

水污染來源及現況

水污染來源分為點源污染與非點源污染。

點源－指有固定的排出點，例如工廠廢水、家庭污水、垃圾掩埋場滲出水、畜牧廢水等。

非點源－無固定排出點，例如農業廢水、暴雨沖刷污水等。

水污染來源及現況

污染來源：

生活污水：包括糞尿、洗衣、洗澡、清潔、廚房等排水以每

人每日４０公克BOD5， 估計全國２３００萬人口每天約產生９００公噸BOD5。 工業廢水：全國約９萬餘家大小工廠，產生廢水依其原料、產品及製程而不同，除BOD外尚包括酸鹼、重金屬、毒化物、油脂等。 其中BOD5產量約２１００公噸。 畜牧廢水：全國約７００萬頭豬每隻每天產生１００公克BOD5估計全國豬污染量約７００公噸 非點源污

水的污染物有那些?? 懸浮顆粒，顆粒較大，直徑在1毫米以上，可以離心的方式令其沉澱下來，也可以過濾的方式將之去除。

膠體物，沉澱的速度慢，不能以離心的方式去除。它也會通過大多數的濾器，常有顏色。

溶解物，溶解物是不能以過濾方法去除的，也不呈混濁狀。其直徑小於1毫米。溶解的物質，如酒精、糖。

水中的污染物也可區分為活物和死物、有機物或礦物質、放射性的或非放射性、農藥、多氯聯苯、重金屬等。

水中污染物種類

有機污染物

多氯聯苯

戴奧辛

農藥

PAH

重金屬

Cd: 痛痛病

Hg: 水 病

Pb

Organically bound metals and metalloids

Complexation ML +2H+ M2++H2L

H3AsO4+2H++2e- H3AsO3+H2O H3AsO3

Methylcobalamin C3AsO(OH)2

Methylarsinic acid

CH3AsO(OH)

Methylcobalamin (CH3)2AsO(OH) Dimethylarsinic acid

(CH3)2AsO(OH)+4H++4e- (CH3)2AsH+2H2O

Organometallic compounds

Organic pollutants

Sewage Soaps，detergents Biorefactory organic pollutants Pesticides Polychlorinated biphenyls

Soaps

Detergents

ABS:

LAS:

廢水處理

廢水之物理化學及生物特性

粗大物質及漂浮物質(紙屑、破布、木片、塑膠、PE袋、稻草等)

總固體量: 懸浮物質 可沉性物質(砂 泥土 10 μ以上) 10-3μ以上 浮游性物質(1~10 μ以上) 浮油、乳化油 膠質性物質(10-3~1 μ) 顏料、

溶解性 膠質 浮游性 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 100 μ

可凝結沉澱除去之因子 沉降粒子

溶解性物質: 溶解性有機物質(有機酸等) 、微量重金屬、酸 (10-3 μ或鹼性物質、氰化物、酚、殺蟲劑、農藥、界面 以下) 活性劑等。

廢水處理方法

1. 物理方法 主要為利用物理原理與機械設備，以去除廢水中可沉下

或浮起之物質，如無機體、砂礫、漂浮物、油脂、泡沫等，以免阻塞沉積及磨損機件以利後續處理其主要處理單元， 計有: 篩除、浮除、重力、沉澱、離心、曝氣等。

2. 化學方法: 主要藉化學藥劑之使用，以去除藥水中顏色、膠體、

懸浮固體、油脂等。

主要處理單元計有: 化學混凝、化學沉降、氧化、還原、 pH調節、複合、吸附、離子交換等。

化學處理

一、中和

(一)目的: 調整廢水pH值以利後續處理 (二)原理 H++OH- H2O H2SO4+Ca(OH)2 CaSO4+2H2O FeSO4+Ca(OH)2 Fe(OH)2+CaSO4 (三)中和設備 依中和劑的種類、中和劑加法、生成物、攪拌條

件、溫度、所需的pH等而定。

(四)中和劑: 1. 酸性廢水之中和劑:NaOH 、 CaO 、石灰石

(CaCO3、MgCO3) 、鹼性廢水之利用。 2. 鹼性廢水之中和劑:H2SO4 、 HCl 、 CO2 3. 中和劑之選擇:價格、反應速度、生成之污泥

及沉澱能力

4. 中和劑加藥量之決定:中和曲線、廢水之酸鹼加量pH變化之關係謂之

二、氧化還原法

(一)目的:破壞廢水中合成物的構造、產生無害物質 (二)原理:氧化還原反應 2H2CrO4 + 6FeSO4．7H2O + 6H2SO4

Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3+50H2O Cr +6 Cr+8

Fe+2 Fe+3

pH＜3

2Cr+6 + 2 Fe+2 + 2 H+ + 1/2O2 2Cr+8 + 8Fe+3+H2O

(三) 氧化劑:Cl2、Ca(OCl)2 、CaOCl、

NaClO

還原劑:FeSO4．7H2O、NaHSO3、SO2

三、化學沉降法

(一)目的: 主要為去除水中的離子性無機物

(二)原理:藉加入化學藥品與廢水中污染物形成不溶性之可沉澱固體，此固體可藉沉澱或過濾去除

四、化學混凝法: (一)目的: 主要用以去除水中膠體污染物(粒徑小於

0.01 mm) 如濁度、色度等 (二)原理: 藉加入混凝劑與助凝劑，使成較大顆粒以

助沉澱去除

(三)混凝劑: Al2(SO4)3．14H2O, FeSO4．7H2O Fe2(SO4)3．9H2O, FeCl2 及 FeCl3

膠體粒子

定義為直徑從0.001μm~1μm

膠體具有: (1)high specific area (2)high interfacial energy (3)high surface charge density 由膠體粒子所形成之膠狀溶液不適於一般溶液定律，因其沸點、冰點不定，且滲透壓力非常小。

分為三大類: 親水性膠體(hydrophilic colloid) 疏水性膠體(hydrophobic colloid) 結合膠(associatioin colloid)

物質粒子的聚集(aggregation)

凝聚(coagulation)

凝集(flocculation)

凝聚(coagulation) 靜電斥力消失或減低，使colloidal particales

相同的物質集合在一起，例如水中加入明礬，而產生氫氧化鋁，使水中懸浮物沉澱。膠體的破壞都是利用凝聚，凝聚是膠體粒子聚集形成二次粒子現象；凝集與凝聚之最大差別在於前者本身並無架橋結構產生。

凝聚形成主要是加入無機鹽界面活性劑、熱或放射線使之凝聚，其中以無機鹽和界面活性劑之加入為重要。例如凝聚現象是由於前面所提分散安定性之因素消失所引起，即疏水性膠體電荷被中和，但親水性膠體除此之外，吸附於膠體粒子表面的水分子脫離亦為產生凝聚的主因。

凝集(flocculation)

一種增加粒子大小的操作，使非常細小的固體粒子因分子體中接觸而形成較大的沉澱。即利用架橋化合物(bridge compound) 使colloidal particles 之間形成一個化學鍵而使particles增大。

污水處理 一級污水處理(Primary sewage treatment)

二級污水處理(Secondary sewage treatment)

三級廢水處理

•利用微生物分解廢水中複雜有機物，以代謝 作用處理廢水。此法對家庭及有機性工業廢 水最具經濟效益，分好氧及厭氧生物處理 •好氧生物處理 酵素 有機物+微生物+氧 -----→ 增殖細胞+二氧化碳 +水+硝酸鹽+硫酸鹽

廢水生物處理

產酸菌 有機物 有機酸 + 增殖細菌 + 二氧化碳 + 水、氨、氫 甲烷菌 甲烷 + 二氧化碳 + 增殖細菌

厭氧生物處理

Waste water treatment Aerobic treatment

Trickling filter Activated sludge Rotating Biological Contactor Oxidation Ponds

Anaerobic treatment Septic tank Anaerobic digester tank

Water TreatmentWater Treatment

the removal of colloidal materials as clay and large numbers of virus & bacteria

(= fine suspended particle)

(1) ↓

fine sand or crushed

anthracite coal ⇓

the removal of some protozan

cysts & oocytes

(2) Sand filtration with filters of activated charcoal (carbon)

⇓ the removal of toxic

chemicals (3) low-pressure membrane (0.2 μm) filtration systems are now coming into use

FlocculationFlocculation絮凝

(as alum)

40-60% suspended solids

Primary Sewage TreatmentPrimary Sewage Treatment

organic matter

↓ CO2 & H2O

Secondary sewage treatmentSecondary sewage treatment

Activated Sludge

Figure 27.21

Trickling filter (細流濾水池) → ↓ 80-85% of the BOD less troublesome to operate and fewer problems from overloads or toxic sewage

the sewage is sprayed over a bed of rocksbed of rocks or molded molded plasticplastic

⇓ must 1 be large enough → air penetrates to the bottom 2 be small enough → maximize the surface area available for microbial activity

A biofilm of aerobic microbes grows on rock or plastic surfaces.

aerobic microbes in the slime layer oxidize much of organic matters

Rotating Biological Contactor System (based on biofilm design) a series of disks several feet in diameter & mounted on a shaft rotation provides aeration & contact between the biofilm on the

disks & the wastewater and also tends to cause the accumulated biofilm to slough off = the equivalent of floc accumulation in activated sludge system

Septic tanksSeptic tanks

disposed of

Effluent entering soil is decomposed by soil microorganisms.

（腐化槽） similar in principle to primary treatment

Microbial action can be impaired by excessive amount of products such as antibacterial soaps, drain cleaner …

used in homes and businesses

Anaerobic Sludge Digester

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O CH3COOH → CH4 + CO2

Figure 27.24

Disinfection Disinfection & & ReleaseRelease

Cl2 + H2O → HOCl + HCl HOCl → H+ + OCl–

Chlorine

NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O Monochloramine NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O Dichloramine NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O Trichloramine

Chlorine as HOCl or OCl– is defined as free available chlorine.

HOCl combines with ammonia and organic compounds to form what is referred to as combined chlorine.

水污染防治

訂定放流水標準：

放流水標準，由中央主管機關會商相關目的事業主管機關定訂，內容包括適用範圍、管制方式、項目、濃度或總量限值等。地方政府得視轄境內環境訂較嚴之標準。事業污水下水道系統及建築物污水處理設施排放廢〈污〉水至地面水體，應符合放流水標準。超過者處６萬至６０萬罰鍰，限期改善，按日連罰，情節重大停工，廢止排放許可 。

水污染排放許可

排放許可：事業或污水下水道系統排放廢污水於地面水體，應取得排放許可證，始得排放廢污水。

事業無排放許可證，且其排放廢水含有害健康物質超過放流水標準者，且其排放廢水含有害健康物質超過放流水標準者，處負責人三年以下有期徒刑、拘役、或科或並科新台幣20萬元以上100萬元以下罰金。

每月清洗維護一次

每三個月檢驗一次

飲用設備管理 公私場所供公眾飲用之連續供水固定設備之設置者或管理者，應負下列五項管理責任（飲用水設備維護管理辦法第）：

1.維護：每月至 少自行或委託維護一次（本條例第九條及辦法第六條），維護的內容並未限定。

2.檢驗：應每隔三個月委託經環保署許可之環境檢驗測定機構檢驗處理後的水質狀況（本條例第十二條及本辦法第七、八條規定）。

飲用水設備管理

3.紀錄：維護內容及水質檢驗狀況，應詳細紀錄在「飲用水設備水質檢驗及設備維護紀錄表」（依本條例第九、十二條及本辦法第六、七條規定）

4.公布：應將「飲用水設備水質檢驗及設備維護紀錄表」公布張貼於飲用水設備的明顯處（本條例第九、十二條及本辦法第十一條規定）。

5.水質管理：飲用水設備水質檢驗，若發現水質不符合飲用水水質標準時，該飲用水設備管理單位應即依序採取下列措施（本辦法第十條規定）：

A .關閉進水水源，停止飲用。

B.懸掛「暫停使用」告示警語。

飲用水水質標準 飲用水水質，應符合飲用水水質標準。

飲用水水質標準，由中央主管機關定之。（本條例第十一條）

飲用水水質標準管制項目共有54項： 一、細菌性（大腸桿菌群、總菌落數）

二、物理性（臭度、濁度、色度）

三、化學性

（一）影響健康物質（砷、鉛、鎘、汞、總三鹵甲烷、 揮發性物質、農藥等３３項）

（二）可能影響健康物質（氟鹽、硝酸鹽氮、銀）

（三）影響適飲性物質（鐵、錳、銅、鋅、酚類、氯鹽、氨氮、總硬度、總溶解固體量）

（四）自由有效餘氯

（五）氫離子濃度指數

飲用水水質與健康

大腸桿群密度

水中出現大腸桿菌群時，表示可能會有其他致病菌同時出現。

總菌落數

為評估消毒效率的要項。

臭度

影響適飲性項目，與水中藻類及微生物生長有關。

飲用水水質與健康

砷

對皮膚、神經系統等造成危害。

對人體之致癌性已被證實，發生腫瘤器官以皮膚及肺臟等易直接接觸或吸入者為主，其餘部位較少出現。

根據研究長期飲用砷含量偏高的深井水， 已被懷疑是烏腳病的主要成因。

鎘

對腎臟有急性之傷害。

對動物之致癌性已被證實，對人體引發腫瘤亦有部分研究證實。

總三鹵甲烷

三鹵甲烷在自來水中常見的有四種，即氯仿、 溴仿、二溴一氯甲烷、一溴二氯甲烷等，其中以氯仿之出現頻率最高，對健康的影響亦最大。

致癌性方面最常發生的是膀胱癌。

目前總三鹵甲烷的標準值為0.1mg/L，其終身的致癌風險為10-5（即每人每天平均飲用二公升的水，連續喝七十年，大約每十萬人中有一人可能有致癌風險）。

飲用水水質與健康

飲用水水質與健康

總硬度（以CaCO3計）

水中之硬度乃源於溶解多價之金屬離子，主要包括鈣、鎂離子，其餘如Sr2+、Fe2+、Mn2+均屬之。 由於鈣及鎂均為人體必要之微量元素，每人每日都必須自飲食中攝取相當量，方能維持生理機能（鈣：0.7~2.0公克，鎂：3.6~4.2毫克）。 人體對水中鈣與鎂離子之吸收效率尚不明確，總硬度過高之飲水與泌尿系統結石疾病間之相關性尚無法確定。 硬度在飲水中之影響主要為味覺口感，而水質之味覺閾值則因人而異。 水中總硬度太低，可能加速管線腐蝕作用，而太高時(超過200mg/L)，可能在加熱過程中形成鍋垢或水垢。

飲用水水質與健康 總溶解固體量

總溶解固體量主要包括碳酸氫根離子、氯鹽、硫酸鹽、鈣、鎂、鈉、鉀等無機鹽及少量可溶性之有機物質。

飲水中總溶解固體量對於該地區民眾患病率及死亡率並無明顯之直接關連，一般將其視為影響適飲性指標項目。

總溶解固體量主要影響在味覺口感，一般認為低於600 mg/L之水質口感最佳，超過1,200 mg/L時，會令消費者無法接受。日本基於飲用水口感的舒適度所訂的飲用水水質標準，規定總溶解固體量的目標值為30-200mg/L。

美國環保署基於影響適飲性，於次要水質標準中，採取較嚴謹之角度來訂定標準值為500mg/L。

飲用水處理方式

傳統處理方式：

混凝〈快混、慢混〉→沉澱→過濾〈快濾、慢濾〉→

消毒〈加氯〉 →配水

高級處理設備：

因應不同水源及水質需要，在傳統處理設備流程中增加處理設備。如臭氧前處理、活性碳吸附設備、結晶軟化、薄膜設備、離子交換、逆滲透設備等。

沉澱物的形成

沉澱物主要由黏土、淤泥、砂、有機物及各種礦物質所組成。沉澱物乃經由許多物理、化學及生物過程而被沉於水中底部。例如、其可經由海岸的侵蝕而被帶入水中主要反應如下：

1.當一富含磷酸鹽的廢水流入一含高Ca2+ 濃度之硬水中將導致下列反應發生：

5 Ca2+ +OH-+3PO43- Ca5OH(PO4)3 (s)

2.碳酸鈣沉澱物的形成: (1)在含Ca2+ 層及富含CO2之水易造成下列反應

Ca2++2HCO3- CaCO3 (S) + CO2+H2O

(2)pH值上升時經由光合作用:

Ca2++2HCO3-+hv {CH2O}+ CaCO3 (S) +O2

3.當Fe2+被氧化成Fe3+時亦產生沉澱 Fe2++10 H2O+O2 4Fe(OH)3 (s)+8H+

4. 在厭氧層許多細菌使SO42- H2S 而其他細菌又使還原成Fe2+， Fe(OH)3(s)

Fe2+淨反應為: Fe2+ + H2S FeS (s) + 2H+

如此造成了FeS的黑色層沉澱

5. 在夏季中由於光合作用，易形成碳酸鈣之沉澱，而冬季時易造成FeS (s)之黑色沉澱。如此一年復一年經過夏冬季交替而產生沉澱層。

一水供應源發現含有碳酸氫根離子濃度為 50 ppm (水溫為25℃)。

(a)若二氧化碳濃度為30 ppm，請估計水中之pH值。

(b)若二氧化碳濃度降為3 ppm，請估計水中之pH值。

Ka 1= 4.3 ×10-7， Ka2 = 4.69×10-11

〔H+〕〔HCO3-〕 Ka1= = 4.45×10-7

〔CO2〕 〔H+〕〔CO32-〕

Ka2 = = 4.69×10-11

〔HCO3-〕

水中pH 值為7.0，鹼度為2×10-3 eq/L，請計算〔CO2〕，〔HCO3－〕，〔CO32-〕和〔OH－〕

Total alkalinity

2〔CO32-

〕+〔HCO3- 〕+〔OH- 〕-〔 H+〕

〔CO2〕: 4.49×10-4M 〔HCO3－〕: 2.00 ×10-3 M 〔CO32-〕: 9.38 × 10-7 M 〔OH－〕: 1.00 × 10-7M

請計算總鹼度為1×10-3 eq/L，在

〔H＋〕為4.69×10-11，〔CO32-〕所占之百分比 ( 52.4%)

〔H+〕〔HCO3-〕 Ka1= = 4.45×10-7

〔CO2〕 〔H+〕〔CO32-〕

Ka2 = = 4.69×10-11

〔HCO3-〕

氧在水中之溶解度0℃為14.74 mg/L，35℃為7.03 mg/L，試估算50℃之溶解度

log C2 / C1 = △H / 2.303R ×〔1/T1 - 1/T2〕 log 14.74/7.03 = △H / 2.303R ×〔1/308 - 1/273〕 log X/7.03 = △H / 2.303R ×〔1/308 - 1/323〕

X = 5.38 mg/L