水体自净

第二章水体污染与自净第一节水体污染（Water Contamination）一、向水体排污染物质，在没有超过一定限度的情况下，水体中存在着一种正常的生物循环。

在一定时间、一定条件下表现稳定状态、生态平衡。

二、几个概念在了解水体污染之前，我们来了解下几个概念。

1、自净容量（同化容量）在水体正常生物循环中可以用同化有机废水的最大数量。

2、水环境容量（水体纳污能力）在满足水环境质量标准的条件下，水体所能接纳的最大允汗污染物负荷量。

水环境容量=自净容量（生化作用的去污容量）+差值容量（水体稀释作用）三、水体污染1．概念指排入水体的污染物在数量上超过该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量，从而导致水体的物理、化学、微生物性质发生变化，使水体固有的生态系统和水体功能受到破坏。

2．现象一般情况，影响水体生态平衡的关键是水中的DO。

DO＜4mg/L时，鱼类就会死亡，生态平衡严重破坏。

如果DO↓，甲克类动物、轮虫类会死亡，水体发黑发臭。

3．影响水中氧平衡的因素有（DO）（1）有机污染的进入（BOD物质）→微生物↑，DO↓→缺氧、无氧→水体“黑臭”→有机污染的危害；（2）影响大气复氧的物质→油类污染（形成油膜）；（3）热污染：4．其他影响水体生态平衡造成水体污染的因素（1）有毒物：重金属，氰化物等；（2）酸碱物污染：影响水生生物适宜生长的pH值；影响天机盐的溶解度等等。

（3）悬浮污染：透光性↓→光合作用↓；鱼类呼吸堵塞；各种污染物载体等。

（4）N、P营养性污染：水体富营养化。

四、水体污染及危害1．粪便污水的污染2．城市污水的污染由于造成水体缺氧的污染物是有机体的排泄物和机体残余，故这类污染称有机物污染，简称有机污染。

3．工业废水的污染危害：危害人体健康；破坏水体生态平衡4．水污染危害的严重性对地面水体的任何污染都会造成严重的后果。

第二节水体的自净作用水体自净：污染物进入水体后，通过物理、化学、生物等因素的共同作用，使污染物的总量减少或浓度降低，受污染的水体部分或完全恢复原状。

水体自净的过程很复杂，主要的作用机制有：（1）物理净化：污染物在水体中的稀释、扩散、沉淀等作用而使河水污染物质浓度降低的过程。

其稀释作用是一项重要的物理净化过程。

（2）化学净化：污染物由于发生化学反应（氧化、还原、分解等）而使河水污染物质浓度降低的过程。

（3）生物净化：由于水中生物活动，尤其是水中微生物对有机物的氧化分明作用而引起的污染物质浓度降低的过程。

水生植物等：水葫芦等。

水体的自净作用实际上是这几种作用相互交织一起的。

因此，在具体情况下，研究工作中必然有所侧重。

从控制水体污染的角度来看，水体对污染的稀释作用、水体中DO变化规律是水体自净的变化规律。

一、废水在水体中的稀释单纯的稀释作用只能将废水中的污染物质扩散到水体中，只能降低这些物质的相对浓度，并不能减少污染物的总量。

（一）稀释机理污染物进入水体后，在水流动过程中，逐渐被河水稀释，直到某个断面处与河水完全混合。

污染物进入河流后，有两种运动形式：平流/对流/推流污染物质由于河流流速的影响而沿着水流流动的方向运动。

这种水流输送污染物质的形式，称为平流。

Q1=U*C其中：Q1——污染物质推流量，mg/m2.s；U——河流流速，m/s；C——污染物浓度，mg/m3。

河流流速U越大，单位时间内通过单位面积输送的污染物质的数量越多。

（即：污染物的推流量越大）2、扩散（1）定义：由于污染物进水体后，水体中产生了浓度差异，污染物由高浓度向低浓度处迁移。

污染物的这种运动形式称为扩散。

（2）三种方式分了扩散：Brownian运动引起的；紊流扩散：水体的流态引起的；弥散：水体各层之间流速不同引起的。

三种方式引起污染物浓度降低。

（3）虎克定律（浓度差异越大，污染物扩散量也越大）Q2= —K*dc/dx其中：Q2——污染物的扩散量，mg/m2.s；dc/dx——浓度梯度（单位路程长度上的浓度变化值），mg/m4；（负值）C——污染物浓度；X——路程距离；K——扩散系数，m2/s。

3、推流和扩散是同时存在而又相互影响的运动形式河流对污染物的稀释能力主要取决于河流的推流和扩散的能力。

而扩散能力主要取决于扩散系数。

紊流扩散系数影响最大，它主要与河流的形状（如弯曲程度，河流流速，水渠等）有关。

（二）水体混合稀释的规律废水排入河流后，并不是马上与全部河水混合，而是由于推流和扩散的作用逐渐与河水相混合，污染物质的浓度逐渐降低。

1．影响混合的因素（1）河水流量与废水流量的比值原因：*比值大，河流流量大，则一般流速也大，使得污染物的推流和扩散速度大；*比值越大，参加到初始稀释中去的那部分河流流量相对整个河流流量的比例就小，这样废水与河水不断混合交换的过程中，将通过较长的距离，才能在整个河流断面上达到完全混合。

（2）废水排放口形式如果废水在岸边集中一点排放入河道，则达到完全混合时间较长；如果分散多点排入水中，则达到完全混合时间较短。

（3）河流的水文条件比如河道深度、河床弯曲状况、水流速度等。

2．混合稀释在没有达到完全混合的河流断面上，只有一部分河水参与废水的稀释。

（1）混合系数α参与混合的河水流量Q 混与河水总量Q 总之比，称为α。

α=Q 混/Q 总（2）在完全混合的河道截面及其下游：α=1；在完全混合的河道截面至排入口：α＜1，可近似采用：α=L 1/L （参考数据P22表2-2）其中：L 1——排放口至计算截面的距离；L ——排放口至完全混合面的距离。

（3）完全混合截面处，污染物平均浓度为：qQ Q Cp q Cw C ++=αα.. 其中：Cw ——原污水中某污染物的浓度，mg/L ；q ——污水流量，m 3/s ；C R ——河水中该污染物的原有浓度，mg/L ；Q ——河水流量，m 3/s 。

若河水中无此污染物，且Q ＞＞q ，则：n Cw Q Cwq C ==α 式中：qQ n α= (河水与污水的稀释比) 二、化学净化作用化学净化是指污染物质由于发生氧化还原反应、分解反应等作用而使水体中污染物质浓度降低的过程。

1．氧化还原反应2．酸碱反应3．吸附与凝聚三、水体的生化自净作用废水入河流之后，污染物质在稀释作用、化学净化作用下，浓度可以大大降低，但是，大部分污染物尤其是有机污染物的总量不会由于这两个作用而得到大幅的减少。

水体的生化自净作用，可以使污染物存在形态发生变化：有机物无机化、有害物无害化，浓度降低，总量减少。

因此，水体真正的净化还得靠微生物的作用，也就是生物化学净化作用。

我们知道微生物是无处不在、无时不存在的，那么，为了保证河流中微生物的作用，河流的生物净化作用，河水必须有充足的溶解氧。

1、氧垂曲线一般地，水生动物、鱼类等在水中生存，水体中DO 是稳定的，它们的耗氧与大气复氧是一个动态平衡过程，耗氧与复氧是同时存在的。

水体受到污染，平衡被破坏，也就是水体中的DO 发生变化。

主要是由于微生物降解有机污染物而大量消耗DO 造成的。

随着污水中有机污染物浓度的变化，微生物消耗水体中DO 也是不断变化的，水体中DO 也是随之变化的。

氧垂曲线就是DO变化曲线，分析污水排入水体后，水体中DO的变化情况。

曲线：①（清洁带）a点之前，即污水排入水体之前，受污染之前，河水中DO 较多，接近饱和，亏氧量很少，耗氧与大气复氧速度较小，而且动态平衡；②（污染带）＜a~O段＞：a点之后，污水排入水体，带入大量有机污染染物，微生物的好氧分解加剧，吸收消耗水体中的DO，大气复氧速度开始小于DO的消耗速度⇒水体中的DO含量逐渐降低，亏氧增加；随着DO↓，亏氧量↓⇒大气复氧速率↑，同时，有机污染物↓⇒耗氧↓⇒则耗氧速率等于复氧速率。

O点是DO最低，亏氧量最大处。

③＜O~b段＞：复氧速率开始＞耗氧速率⇒水中DO开始回升，亏氧量逐渐减少，直至转折点 b。

④＜b点以后＞：DO续继↑，亏氧量继续↓，直到恢复到排污口前的状态。

这条DO变化曲线——氧曲线反映了：（想想有何意义？排放标准：DO＞4mg/L；自净能力。

）①废水排入河流后DO的变化情况⇒表示河流的自净过程：②最缺氧点的位置及其DO的含氧。

1、氧垂曲线方程——菲里普斯方程的建立（1）有机物耗氧动力学美国斯蒂特——菲里普斯（streeter-phelps ）理论：当河流接受有机物后，沿水流方向产生的输移有机物量远远大于扩散迁移量；如果河水、污水流量稳定，河水温度不变， 微生物降解有机物速度（耗氧速度）与此时有机物量成正比，呈一级反应。

L K dtdL 1−= t=0，L=L 。

t k t k o t o t L L e L L t K Lo Lt 1110..ln 1−−=⇒=⇒−=⇒式中：Lo ——有机物总量，即氧化全部有机物所需的氧量。

Lt ——t 时刻水中残存的有机物所需的氧量。

t ——时间，d.k 1，K 1，——耗氧速率常数，k 1=0.434K 1（与污染性质、温度有关，P39表2-4）20℃时，k 20=0.1不同水温时的k 1可用下式换算：k 1= k 2θ（T1-T2） Or k 1= k 20 （T1-T20）式中：k 1、k 2、k 20——温度T 1、T 2、T 20 时的耗氧速率常数；θ——温度率数，θ=1.047（10℃~30℃时）（2）DO 变化过程动力学大气中的O 2可以不断溶于水中——大气复氧。

当其它条件（水文条件、水温、气压等）一定时，大气对水的复氧速率与亏氧量成正比。

（耗氧与有机物量成正比。

）设河流经过t 后，消耗的氧量为X 1，溶入的氧量为X 2，水中实际溶解的溶解氧量为X ，则X=X 2-X 1。

那么t 时，水中DO 的实际增加速度为：dx/dt = dx 2/dt - dx 1/dt = k 2D- k 1L ①（复氧速度）（耗氧速度）式中：D ——亏氧量；L ——有机物的需氧量。

dt K LdL dt K L dL t o Lt Lo ∫−=∫⇒−=⇒11积分设s 为氧的饱和溶解度，那么亏氧量变化速度为： dD/dt=dt dx dtx s d /)(−=− ② 结合①②，得：dD/dt=k 1L-k 2D（t=0，D=0，L=L 0）积分，得：Dt=t k T k t k D k k L k 2210.)1010(0.1201−−−+−− ☆’（菲里普斯方程） 氧垂曲线到达氧垂点的时间t c ，即当dD/dt=0时，（拐点）12011212)(1/1k k L k k k Do k k g t c − −−= ☆’’ 计算亏氧量最大处：（氧垂点的DO 含量达不到地表水最低DO 要求时，则应对污水进行适当处理。

P40。

—污水处理厂的处理程度）D=k 1/k 2. Lc=k 1/k 2. Lo.10-k1tc ≤S-4 （S-氧的饱和溶解度）一般计算，考虑不超过河流自净能力，则最亏氧量处：DO ≥4mg/L公式☆’，☆’’在使用时应注意：①公式只考虑了有机物生化耗氧和大气复氧两个因素，故仅适用于河流截面变化不大、藻类等水生植物和底泥影响可忽略不计的河段；②仅适用于河水与污水在排入点处完全混合的条件；③所使用的k 1、k 2值必须与水温相适应；④如沿河有几个排放点，则应根据具体情况合并成一个排放点计算或逐段计算。