第二講

水體自凈1.水體自凈

(self-purificationofwaterbody)

水體自凈是指受污染的水體由于物理、化學、生物等方面的作用，使污染物濃度逐漸降低，經過一段時間后恢復到受污染前的狀態。這一過程即水體自凈。2.水體自凈機理

物理作用：稀釋、沉淀（強）化學作用：氧化、還原等對污染物的降解（弱）生物作用：生物降解（食物鏈）（強）廢物、排泄物物理自凈污染物在水體中混合稀釋和自然沉淀過程。混合稀釋只能降低水中污染物的濃度，不能減少其總量。沉淀作用指排入水體的污染物中含有的微小懸浮顆粒，如重金屬、蟲卵等由于流速較小逐漸沉到水底。化學自凈氧化還原反應是化學凈化的重要作用,溶解氧與水中的污染物將發生氧化反應，生成難溶物而沉降析出。如Fe鹽氧化。Fe+Fe3+Fe(OH)3還原作用:如Cr6+還原為Cr3+

O2生物自凈水中微生物在溶解氧充分的情況下，將一部分有機污染物當作食餌消耗，同時將另一部分有機污染物氧化分解成無害的簡單無機物。影響生物自凈作用的關鍵是：溶解氧的含量和有機物的性質、濃度及微生物的種類、數量等。提問：水體自凈速度有哪些限制因素？物理？凈水流量、流速、污染物物理性質化學？地域、季節、天氣生物？生物種類、數量（營養物濃度、環境因子）、代謝的極限速度因此水體的自凈速度是有限的。在正常情況下，水體單位時間內通過正常生物循環中能夠同化有機污染物的最大數量稱為自凈容量。在自凈容量范圍內水體的凈化是如何進行的呢？3.自凈的過程水體自凈過程大致如下a.污水排入河流的混合過程b.持久污染物的稀釋擴散物理作用有機污染物排入水體后被水稀釋，有機和無機固體沉降到河底；c.非持久污染物的稀釋擴散d.水體的氧平衡生物作用溶氧↓溶解氧↑好氧菌↑好氧菌↓有機物降解厭氧菌↑自然溶氧、藻類產氧

污水排入河流的混合過程(1)豎向混合階段污染物排入河流后因分子擴散、湍流擴散和彌散作用逐步向河水中分散，從排放口到深度上達到濃度分布均勻。(2)橫向混合階段當深度上達到濃度分布均勻后，在橫向上還存在混合過程。經過一定距離后污染物在整個橫斷面達到濃度分布均勻。(3)斷面充分混合后階段在橫向混合階段后，污染物濃度在橫斷面上處處相等。河水向下游流動的過程中，持久性污染物濃度將不再變化，非持久性污染物濃度將不斷減少。河流污染和自凈過程圖污水自凈提問：原理？被污染的水體都是自凈水體！但自凈恢復的程度不同，或稱污染現狀不同。4．衡量水體污染與自凈的指標

提問：用什么指標可以衡量河段水體污染與自凈所處的階段?水體外觀、化學指標、溶解氧等山東小清河水體外觀外觀特征：混濁程度、顏色及氣味等原因：水中細菌種類數量、懸浮物種類數量污染前污染

凈化開始

持續結束

外觀:無色暗灰色

灰色

繼續變清

無色澄清透明很混濁、臭

混濁

濁度下降澄清透明

水面有泡沫

泡沫減少溶解于水中的分子態氧稱為溶解氧，它是水生生物主要的生存條件之一。天然水中溶解氧的含量與大氣壓力、空氣中氧的分壓和水溫等因素密切相關。大氣壓力減小，溶解氧量也減小。溫度升高，溶解氧量也顯著下降。水中含鹽量增加，也會使溶解氧量降低。表1列出在101.3Kp的大氣壓力下，空氣中氧含量20.9%時，氧在水中的溶解度。溶解氧溫度℃溶解氧mg/L014.6512.81011.31510.2209.225308.47.6表1不同溫度下氧在水中的溶解度污染前污染凈化開始持續結束

溶氧變化：穩定迅速下降快速增大緩慢增大穩定溶解氧可以用溶解氧測定儀隨時測定并迅速地得出結果。

在這個過程中，復氧和耗氧同時進行。溶解氧的變化狀況反映了水體中有機污染物凈化的過程，因而可把溶解氧作為水體自凈的標志。溶解氧的變化可用氧垂曲線表示。

5.水體的氧平衡（氧垂曲線，OxygenSagCurve）核心：有機物耗氧分解（微生物作用）氧垂曲線作用：反映河流中耗氧過程和復氧過程的綜合作用。臨界點：污染最嚴重的一點。（臨界點前后為水質惡化區）溶解氧DO的變化情況：當耗氧速率>復氧速率時溶解氧曲線呈下降趨勢當耗氧速率=復氧速率時溶解氧曲線最低點，即最缺氧點當耗氧速率<復氧速率時溶解氧曲線呈上升趨勢P

該圖DO曲線反應了耗氧和復氧的協同作用。最低點P為最缺氧點。若P點的溶解氧量大于有關規定的量，從溶解氧的角度看，說明污水的排放未超過水體的自凈能力。若排入有機污染物過多，超過水體的自凈能力，則P點低于規定的最低溶解氧含量（小于3mg/L魚類不能生存），甚至在排放點下的某一段會出現無氧狀態，此時氧垂曲線中斷，說明水體已經污染。在無氧情況下，水中有機物因厭氧微生物作用進行厭氧分解，產生硫化氫、甲烷等，水質變壞，腐化發臭。提問：三個地段中氮元素的形態如何變化？根據：硝化細菌（耗氧）、反硝化細菌（無氧）的特點污染帶：氨高，無亞硝酸和硝酸根離子(厭氧反硝化)恢復帶：氨較少，微量亞硝酸根離子，硝酸根離子逐漸增加清潔帶：氨和亞硝酸根離子濃度很低，有硝酸根離子過程：有機氮—氨—亞硝酸根—硝酸根—氮氣6.

持久污染物的稀釋擴散

持久性有機物持久性物質是指化學穩定性強，難于降解轉化，在環境中不易消失，能長時間滯留的物質，如，重金屬、陰離子等，符合這些條件的有機物，即持久性有機物（PersistentOrganicPollutants,簡稱POPs）。《斯德哥爾摩公約》的附件對持久性的規定是：在水中的半衰期大于2個月或在土壤中、水體沉積物中的半衰期大于6個月。式中：ρ—排放口下游河水的污染物濃度；

ρW，qVw—污水的污染物濃度和流量

ρh，qVh—上游河水污染物濃度和流量。

例題:

某河水流量為0.225m3/s,某持久性污染物A濃度為4.91mg/L,某廠排入河水的廢水量為536m3/d(0.006m3/s),同一持久性污染物A的濃度為25mg/L。假設廢水與河水在廠排污口下游500米處達到完全混合，若此河段無其他廢水排入，試計算在下游500米處河水中污染物A的濃度。解：C=（0.225×4.91+0.006×25）/（0.225+0.006）

=5.43mg/L

式中：u—河水流速；

x—初始點至下游x斷面處的距離；

Mx—縱向分散系數；

K—污染物分解速率常數；

ρ0—初始點的污染物濃度；

ρ—x斷面處的污染物濃度。7、非持久性污染物的稀釋擴散和降解8.水體的氧平衡

需氧污染物排入水體后即發生生物化學分解作用，在分解過程中消耗水中的溶解氧。在一維河流和不考慮擴散的情況下，河流中的可生物降解有機物和溶解氧的變化可以用S-P(Streeter-Phelps)公式模擬。S-P模型是研究河流中溶解氧變化的最早、最簡單的耦合模型。它迄今仍得到廣泛地應用（環評），也是研究各種修正模型和復雜模型的基礎。它假設：氧化和復氧都是一級反應；反應速率常數是一個定常數；虧氧的濃度變化僅是水中有機物耗氧和通過氣-液界面的大氣復氧的函數。氧的消耗

運算后得或1.有機物的生物氧化2.硝化作用：水中存在氨，硝化作用會消耗溶解氧。3.水底沉泥的分解。4.水生植物的呼吸作用。5.無機還原性物質的影響。虧氧量水中氧飽和溶解度C與實際溶解氧含量X的差值

D=C–X復氧速度即空氣中的氧溶入水中的速度，與水中的虧氧量成正比。復氧速度∝虧氧量

∴

d(D0-D)/dt=K2

式中D—起點虧氧量(mg/L)—t時刻水中的虧氧量(mg/L)K2

—

復氧常數（日-1）

dD/dt=-K2ρD

計算后得㏑（D/D0）=-K2

t

D/D0=e-K2t

或lg(D/D0)=-K2tD/D0=10-K2t

其中K2=0.434K2'(復氧常數)D//在,,的初值條件下求得上述微分方程的解為：

D=

D0e-K2tdρD/dt

=K1ρL-K2ρD式中：——x和x=0處的河水BOD5

濃度，mg/L——x和x=0處的河水虧氧濃度，mg/L—x和x=0處的河水溶解氧濃度，mg/L

河水的飽和溶解氧濃度，mg/L；

t初始點至下游x斷面處的河水流行時間，d，t=x/uK1

耗氧系數

K2

復氧系數二、污染物在不同水體中的遷移轉化規律

a.河流污染物在河流中的擴散和分解受到河流的流量、流速、水深等因素的影響。b.河口河流進入海洋前的感潮河段。河口污染物的遷