《环境工程学》第七章特定水体的污染及自净.doc_大学文库

第七章特定水体的污染及自净第一节水体自净水体是地面水(河流、湖泊、沼泽、水库)、地下水和海洋的总称。它不仅仅指水,还包括水中的溶解物、悬浮物、水生生物和底泥等,是一个完整的生态系统。在环境污染研究中,“水” 和“水体”是两个不相同的概念,应当区别开来。例如,重金属污染物易于从水中转移到底泥里, 水中的重金属含量一般都不高,若着眼于水,似乎水污染并不严重,但是从整个水体看,污染就可能很严重。可见,水体污染不仅仅是水污染,还包括底泥污染和水生生物污染水体具有消纳一定量的污染物质,使自身的质量保持洁净的能力,人们常常称之为水体的自净。水体的自净过程十分复杂,它包括了物理过程,如稀释、扩散、挥发、沉淀等:;化学和物理化学过程,如氧化、还原、吸附、凝聚、中和等反应;以及生物和生物化学过程,如微生物对有机物的分解代谢,不同生物群体的相互作用等。这几种过程互相交织在一起,可以使进入水体的污染物质迁移、转化,使水体水质得到改善水体不同,自净能力也不同。一旦进入水体的污染物造成了该水体中某些物质(特别是对生物有毒性的或造成水体水质恶化的物质)超过了水体的本底值或水体的自净能力,而使得该水体部分或全部失去了它的功能或用途,那么水污染就发生了。地球上的各类水体有其自身的形态特征及环境条件,影响着水中化学物质的组成及污染物质的迁移转化,使各类水体的污染与自净各具特点。以下将分别介绍几种对典型水体的污染及自净机理。第二节河流的污染与自净河流是地面水系的主体,与人类的关系十分密切。它是人类主要的水源,除了为人类提供生产和生活用水外,河流的功能还包括:航运、灌溉、补给地下水、水产养殖、观赏以及作为地表径流和废水的最终受纳体。、河流的水质特征与湖泊、海洋相比,河流的水量和水质随季节的变化较大,水体更新期短,水质随枯水期和丰水期的不断交替,更新也快。水质遭受污染后,易于稀释扩散和自净。此外,由于水流与地表物质接触时间不长,水面蒸发面小,因此与其它陆地水体相比河水矿化度较低。天然河水的化学成分受到降水、地形、地质、水生生物以及水流补给源等多方面因素的控制, 河水不仅与地表水及大气水之间有交换过程,而且与地下水也相互关联,因此河水的化学成分复杂多样,沿程变化及时间变化强烈河流不仅是人类社会主要的供给水源,也是人类活动频繁的场所,它被污染的机会多,几乎各种污染源中的污染物,通过各种途径都可进入河流,并向下游汇集。而它一旦遭受污染就会严重影响到人类生活和工农业生产。二、河流的污染及其特点地面河流与大气、土壤(或岩石圈)紧密相连,又与人类的生活、生产直接相关,其污染物质来源于:大量生活污水和工业废水的直接排放:地表径流将地表上的污染物质大量携带进河水中;大气中的污染物质随降雨而进入河流:水上航运过程中的油脂泄漏等

第七章特定水体的污染及自净第一节水体自净水体是地面水（河流、湖泊、沼泽、水库）、地下水和海洋的总称。它不仅仅指水，还包括水中的溶解物、悬浮物、水生生物和底泥等，是一个完整的生态系统。在环境污染研究中，“水” 和“水体”是两个不相同的概念，应当区别开来。例如，重金属污染物易于从水中转移到底泥里，水中的重金属含量一般都不高，若着眼于水，似乎水污染并不严重，但是从整个水体看，污染就可能很严重。可见，水体污染不仅仅是水污染，还包括底泥污染和水生生物污染。水体具有消纳一定量的污染物质，使自身的质量保持洁净的能力，人们常常称之为水体的自净。水体的自净过程十分复杂，它包括了物理过程，如稀释、扩散、挥发、沉淀等；化学和物理化学过程，如氧化、还原、吸附、凝聚、中和等反应；以及生物和生物化学过程，如微生物对有机物的分解代谢，不同生物群体的相互作用等。这几种过程互相交织在一起，可以使进入水体的污染物质迁移、转化，使水体水质得到改善。水体不同，自净能力也不同。一旦进入水体的污染物造成了该水体中某些物质（特别是对生物有毒性的或造成水体水质恶化的物质）超过了水体的本底值或水体的自净能力，而使得该水体部分或全部失去了它的功能或用途，那么水污染就发生了。地球上的各类水体有其自身的形态特征及环境条件，影响着水中化学物质的组成及污染物质的迁移转化，使各类水体的污染与自净各具特点。以下将分别介绍几种对典型水体的污染及自净机理。第二节河流的污染与自净河流是地面水系的主体，与人类的关系十分密切。它是人类主要的水源，除了为人类提供生产和生活用水外，河流的功能还包括：航运、灌溉、补给地下水、水产养殖、观赏以及作为地表径流和废水的最终受纳体。一、河流的水质特征与湖泊、海洋相比，河流的水量和水质随季节的变化较大，水体更新期短，水质随枯水期和丰水期的不断交替，更新也快。水质遭受污染后，易于稀释扩散和自净。此外，由于水流与地表物质接触时间不长，水面蒸发面小，因此与其它陆地水体相比河水矿化度较低。天然河水的化学成分受到降水、地形、地质、水生生物以及水流补给源等多方面因素的控制，河水不仅与地表水及大气水之间有交换过程，而且与地下水也相互关联，因此河水的化学成分复杂多样，沿程变化及时间变化强烈。河流不仅是人类社会主要的供给水源，也是人类活动频繁的场所，它被污染的机会多，几乎各种污染源中的污染物，通过各种途径都可进入河流，并向下游汇集。而它一旦遭受污染就会严重影响到人类生活和工农业生产。二、河流的污染及其特点地面河流与大气、土壤（或岩石圈）紧密相连，又与人类的生活、生产直接相关，其污染物质来源于：大量生活污水和工业废水的直接排放；地表径流将地表上的污染物质大量携带进河水中；大气中的污染物质随降雨而进入河流；水上航运过程中的油脂泄漏等

随着城市化和工业化的进程,河流作为废水最主要和直接的受纳体的负担日益加重,导致了严重的河流污染历史上城市废水对河流、湖泊等水体的污染大致经历了三个时期: (1)病原污染期在工业尚不发达时,城市废水主要是生活污水,富含有机质、微生物污染物等,以此作为饮用水源,则由于病原菌的存在很容易导致传染病的流行,这个时期的污染就称为病原污染期。例如,横贯英国的泰晤士河在19世纪之前,还是河水清澈,碧波荡漾,水中鱼虾成群,河面飞鸟翱翔。但随着工业革命的兴起及两岸人口的激增,每天排放的大量生活污水和工业废水使泰晤士河迅速变得污浊不堪,水质严重恶化。到上世纪50年代末,泰晤士河的污染进一步恶化,水中的含氧量几乎等于零,除少数鳝鱼外,其它鱼类几乎绝迹。美丽的泰晤士河变成一条死河,肮脏的河水还成为沿岸疾病流行的祸首,从1849年到1954年,滨河地区约有 25000人死于霍乱。 (2)总体污染期随着工业规模的不断扩大和快速发展,排入地面水体中的工业废水的比重不断增加,造成河、湖水中的悬浮物及生化需氧量越来越高,使水体中溶解氧耗尽,水生生物灭绝,生态平衡被破坏,达到总体污染的程度,这个时期可称为总体污染期 3)新污染期工业生产和科学技术的进一步发展,特别是石油、化工、核能等新型工业的出现,生产中排放出的新污染物质和毒物不断增多,水质更趋复杂,这就是所谓新污染期。目前一些发达国家正处于新污染期发达国家在20世纪50年代就进入了河湖严重污染的总体污染期。他们经过二十多年的努力治理了一些严重污染的河流湖泊,基本上控制了以有机物为主的水污染。而许多发展中国家,目前水体污染的状况仍很严重,一些国家甚至还处于病原污染期,直接威胁着人们的身体健康。近些年来,随着我国国民经济的快速发展、城市人口的迅速增加,以及农业生产中农药化肥的大量使用以及乡镇企业规模的不断扩大,对地面河流的污染日益严重。根据我国1998年对全国109700公里河流进行的评价,我国河流长度有706%被污染,其中有机污染是一个不可忽视的因素相对于其它水体的污染来说,河流的污染易于发生,但也比较容易自净恢复:河流的污染途径多,污染物种类复杂,但耗氧有机物的污染最具普遍性。同时,河流可能穿逾不同的社会环境和自然地理环境,使不同河段的纳污状况和自净能力有明显差异。因此,对河流的污染和自浄规律必须按不同河段进行研究三、河流水体的自净机理河流的自净作用是指河水中的污染物浓度在随河水向下游流动过程中在多种机理的作用下自然降低的过程。废水中污染物种类繁多,进入河流后消除的机理也是多种多样的。从净化机制来看,污染物自行消除的过程可分为以下几类 1.物理净化过程物理净化是指由于稀释、扩散、沉淀等作用而使河水中的污染物浓度降低的过程。其中稀释作用是一项重要的物理净化过程。河水中的悬浮固体,在重力作用下,逐渐沉降到河底,成为淤泥。而河流对溶解态污染物的稀释能力,是因为污染物进入河流后同时存在两种运动形式:一是由于受河水的推动而沿水流方向的运动,这种水流输运污染物的方式,称为推流:二是由于污染物质的进入,在水流中产生了浓度差异,污染物将由高浓度处向低浓度处迁移,这一污染物的运动形式称为扩散。污染物进入水体后正是在推流和扩散这两种同时存在而又相互影响的运动形式的作用下,才使得其浓度从排放口开始往下游逐渐降低,得以不断净化稀释

随着城市化和工业化的进程，河流作为废水最主要和直接的受纳体的负担日益加重，导致了严重的河流污染。历史上城市废水对河流、湖泊等水体的污染大致经历了三个时期：（1）病原污染期在工业尚不发达时，城市废水主要是生活污水，富含有机质、微生物污染物等，以此作为饮用水源，则由于病原菌的存在很容易导致传染病的流行，这个时期的污染就称为病原污染期。例如，横贯英国的泰晤士河在 19 世纪之前，还是河水清澈，碧波荡漾，水中鱼虾成群，河面飞鸟翱翔。但随着工业革命的兴起及两岸人口的激增，每天排放的大量生活污水和工业废水使泰晤士河迅速变得污浊不堪，水质严重恶化。到上世纪 50 年代末，泰晤士河的污染进一步恶化，水中的含氧量几乎等于零，除少数鳝鱼外，其它鱼类几乎绝迹。美丽的泰晤士河变成—条死河，肮脏的河水还成为沿岸疾病流行的祸首，从 1849 年到 1954 年，滨河地区约有 25000 人死于霍乱。（2）总体污染期随着工业规模的不断扩大和快速发展，排入地面水体中的工业废水的比重不断增加，造成河、湖水中的悬浮物及生化需氧量越来越高，使水体中溶解氧耗尽，水生生物灭绝，生态平衡被破坏，达到总体污染的程度，这个时期可称为总体污染期。（3）新污染期工业生产和科学技术的进一步发展，特别是石油、化工、核能等新型工业的出现，生产中排放出的新污染物质和毒物不断增多，水质更趋复杂，这就是所谓新污染期。目前一些发达国家正处于新污染期。发达国家在20世纪50年代就进入了河湖严重污染的总体污染期。他们经过二十多年的努力，治理了一些严重污染的河流湖泊，基本上控制了以有机物为主的水污染。而许多发展中国家，目前水体污染的状况仍很严重，一些国家甚至还处于病原污染期，直接威胁着人们的身体健康。近些年来，随着我国国民经济的快速发展、城市人口的迅速增加，以及农业生产中农药化肥的大量使用以及乡镇企业规模的不断扩大，对地面河流的污染日益严重。根据我国 1998 年对全国 109700 公里河流进行的评价，我国河流长度有 70.6%被污染，其中有机污染是一个不可忽视的因素。相对于其它水体的污染来说，河流的污染易于发生，但也比较容易自净恢复；河流的污染途径多，污染物种类复杂，但耗氧有机物的污染最具普遍性。同时，河流可能穿逾不同的社会环境和自然地理环境，使不同河段的纳污状况和自净能力有明显差异。因此，对河流的污染和自净规律必须按不同河段进行研究。三、河流水体的自净机理河流的自净作用是指河水中的污染物浓度在随河水向下游流动过程中在多种机理的作用下自然降低的过程。废水中污染物种类繁多，进入河流后消除的机理也是多种多样的。从净化机制来看，污染物自行消除的过程可分为以下几类： 1．物理净化过程物理净化是指由于稀释、扩散、沉淀等作用而使河水中的污染物浓度降低的过程。其中稀释作用是一项重要的物理净化过程。河水中的悬浮固体，在重力作用下，逐渐沉降到河底，成为淤泥。而河流对溶解态污染物的稀释能力，是因为污染物进入河流后同时存在两种运动形式：一是由于受河水的推动而沿水流方向的运动，这种水流输运污染物的方式，称为推流；二是由于污染物质的进入，在水流中产生了浓度差异，污染物将由高浓度处向低浓度处迁移，这一污染物的运动形式称为扩散。污染物进入水体后正是在推流和扩散这两种同时存在而又相互影响的运动形式的作用下，才使得其浓度从排放口开始往下游逐渐降低，得以不断净化稀释

2.化学净化过程化学净化是指污染物进入水体后在化学(或物理化学)作用下而使其浓度降低的过程。水体中进行的化学或物理化学浄化过程,包括氧化一还原、酸碱中和、沉淀一溶解、分解一化合、吸附一解吸、凝聚一胶溶等。例如,水体中的低价金属离子(如二价铁、二价锰等),可通过氧化作用生成难溶的高价金属氢氧化物而沉淀下来:六价铬可通过还原作用而转化为毒性较小的三价铬:水中的粘土矿物质及腐殖酸胶体颗粒,也可通过吸附、凝聚、沉降等作用转移至底泥中 3.生物净化过程生物净化是指在微生物的作用下,有机污染物逐渐分解、氧化使其含量逐渐降低的过程。进入水体的有机污染物的净化,主要有赖于生物化学过程。在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物,使得水体向净化的方向转变。造成这一转变的生物化学过程常被称作生物降解。生物降解是指在微生物作用下,有机化合物转化为低级有机物和简单无机物的过程生物降解分为好氧生物降解和厌氧生物降解。前者是指在溶解氧(氧分子)存在的条件下, 由好氧微生物完成的生物化学反应:后者是指在氧气不足或无氧气的情况下,由厌氧微生物完成的生物化学反应。有的微生物既能在有氧条件下进行生物化学反应,也能在无氧或缺氧条件下进行生物化学反应,称为兼性微生物从反应的结果看,好氧生物降解与厌氧生物降解的区别是,前者的产物是稳定的无机物(如 CO2、H2O等),后者的产物则不完全是上述稳定的无机物,而是还包括甲烷、乙酸等有机物和 NH3等氧化不彻底的无机物。在未受污染的水体中,水中都有一定浓度的溶解氧。但是,当水体受到有机物的污染后,水体中的微生物就会大量繁殖起来。由于好氧微生物比厌氧微生物生长快,所以好氧微生物首先发展壮大。当好氧微生物发展到一定数量,它们消耗水中溶解氧的速率有可能超过空气中的氧气向水中溶解的速率(称为复氧速率)。一旦如此,水中的溶解氧浓度就开始迅速下降,直到浓度降到接近零,使水体呈现无氧或缺氧状态。在缺氧或无氧状态下,好氧微生物的生长受到抑制,而厌氧微生物则大量繁殖起来,继承了大部分的自净工作。实际上,当一个水体受到较严重的有机污染时,水中的溶解氧是随水的深度变化的,表层水体的溶解氧较高,越往深处溶解氧越低,直至厌氧状态。因此,好氧微生物集中在水体的上部,阻止了从空气中补充进来的溶解氧向下层的传递,从而维持下层水体的厌氧状态,使得厌氧微生物集中在水体的底部大气河流废水腐生细菌 P亚硝化细菌硝化细菡可沉固体 HO 图7-1河流净化的好氧分解过程一般情况下,在天然河流中,对于有机污染物的自净过程好氧生物降解起主要作用,生化过程中消耗的溶解氧,可从大气及水生植物的光合作用中得到及时补充。图7-1给出了正常受污河段生物净化的好氧分解过程:首先,在水中溶解氧的参与下腐生细菌将可生化降解的胶态和溶解

2．化学净化过程化学净化是指污染物进入水体后在化学（或物理化学）作用下而使其浓度降低的过程。水体中进行的化学或物理化学净化过程，包括氧化－还原、酸碱中和、沉淀－溶解、分解－化合、吸附－解吸、凝聚－胶溶等。例如，水体中的低价金属离子（如二价铁、二价锰等），可通过氧化作用生成难溶的高价金属氢氧化物而沉淀下来；六价铬可通过还原作用而转化为毒性较小的三价铬；水中的粘土矿物质及腐殖酸胶体颗粒，也可通过吸附、凝聚、沉降等作用转移至底泥中。 3．生物净化过程生物净化是指在微生物的作用下，有机污染物逐渐分解、氧化使其含量逐渐降低的过程。进入水体的有机污染物的净化，主要有赖于生物化学过程。在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水体向净化的方向转变。造成这一转变的生物化学过程常被称作生物降解。生物降解是指在微生物作用下，有机化合物转化为低级有机物和简单无机物的过程。生物降解分为好氧生物降解和厌氧生物降解。前者是指在溶解氧（氧分子）存在的条件下，由好氧微生物完成的生物化学反应；后者是指在氧气不足或无氧气的情况下，由厌氧微生物完成的生物化学反应。有的微生物既能在有氧条件下进行生物化学反应，也能在无氧或缺氧条件下进行生物化学反应，称为兼性微生物。从反应的结果看，好氧生物降解与厌氧生物降解的区别是，前者的产物是稳定的无机物(如 CO2、H2O 等)，后者的产物则不完全是上述稳定的无机物，而是还包括甲烷、乙酸等有机物和 NH3 等氧化不彻底的无机物。在未受污染的水体中，水中都有一定浓度的溶解氧。但是，当水体受到有机物的污染后，水体中的微生物就会大量繁殖起来。由于好氧微生物比厌氧微生物生长快，所以好氧微生物首先发展壮大。当好氧微生物发展到一定数量，它们消耗水中溶解氧的速率有可能超过空气中的氧气向水中溶解的速率（称为复氧速率）。一旦如此，水中的溶解氧浓度就开始迅速下降，直到浓度降到接近零，使水体呈现无氧或缺氧状态。在缺氧或无氧状态下，好氧微生物的生长受到抑制，而厌氧微生物则大量繁殖起来，继承了大部分的自净工作。实际上，当一个水体受到较严重的有机污染时，水中的溶解氧是随水的深度变化的，表层水体的溶解氧较高，越往深处溶解氧越低，直至厌氧状态。因此，好氧微生物集中在水体的上部，阻止了从空气中补充进来的溶解氧向下层的传递，从而维持下层水体的厌氧状态，使得厌氧微生物集中在水体的底部。一般情况下，在天然河流中，对于有机污染物的自净过程好氧生物降解起主要作用，生化过程中消耗的溶解氧，可从大气及水生植物的光合作用中得到及时补充。图 7-1 给出了正常受污河段生物净化的好氧分解过程：首先，在水中溶解氧的参与下腐生细菌将可生化降解的胶态和溶解图 7-1 河流净化的好氧分解过程

态的有机物分解为简单、稳定的无机物,如水、二氧化碳、氨氮和磷酸盐等,进而再在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下,将氨氮相继转化为亚硝酸盐和硝酸盐。在这一过程中要消耗水中的溶解氧,当其浓度降低后,大气中的氧可通过气水界面向水体中扩散进行补充,微生物也在分解有机污染物的过程中不断增殖,促使好氧分解过程不断进行,直至污染物完全被分解,水体得以净化为止 4.细菌的自然死亡过程污染物进入河流后,由于环境的变化(如基质减少、日光杀菌、水温及pH不适、化学毒物存在、吞食细菌的原生动物存在等),使污水中带来的细菌、病原菌、病毒等逐渐死亡,从而使水体在一定程度上得到自然净化如从河流中形成自净作用的场所上看,又可以分成以下几类 (1)河水与大气间的自净作用这种作用表现为水体中气态物质向大气中的扩散,如河水中的CO2、H2S等气体的释放。 (2)河水中的自净作用污染物质在河水中的稀释、扩散、氧化、还原,或由于水中微生物作用而使污染物质发生生物化学分解,以及放射性污染物质的蜕变等等。 (3)河水与底质间的自净作用这种作用表现为河水中悬浮物质的沉淀、污染物质被河底淤泥吸附等等 (4)河流底质中的自净作用由于底质中微生物的作用使底质中的有机污染物质发生分解由此可见,河流自净作用是包含着十分广泛的内容的,而在实际上这些作用又常相互交织在起,因此在具体研究工作中必然要有所偏重。目前在河流自净作用的研究上,多侧重于狭义的自净作用,即主要研究河水中的有机污染物质由于微生物而形成的生物化学分解作用。从自净作用产生的场所上看,目前则是以研究在水中发生的自净作用为主。四、河流水体的自净规律对接受以生活污水为主的河流自净过程,着重讨论河流水体的混合稀释模型和氧垂曲线模 1.混合稀释模型稀释作用的实质是污染物在水体中因扩散而降低了浓度,稀释并不能改变,也不能去除污染物质。但是对于特定水体的生态系统而言,当污染物浓度降低到一定程度后,其对该水生环境或从某种使用角度出发来考虑的水质的影响也就很小了,在一定程度上也就能够满足环境或人类的要求,也具有实际意义。污染物质进入水体后,存在两种运动形式,一是由于水流的推动而产生的沿着水流前进方向的运动,称为推流或平流:另一是由于污染物质在水中浓度的差异而形成的污染物从高浓度处向低浓度处的迁移,这一运动被称为扩散。废水排入河流后,由于推流和扩散作用,逐渐与河水相混合,污染物的浓度逐渐降低推流运动可以式(7-1)表示 QL =1:c 式中Q1一污染物质的推流量,mg/(m2·s); γ一河流流速,m/s c污染物质浓度,mgm3

态的有机物分解为简单、稳定的无机物，如水、二氧化碳、氨氮和磷酸盐等，进而再在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下，将氨氮相继转化为亚硝酸盐和硝酸盐。在这一过程中要消耗水中的溶解氧，当其浓度降低后，大气中的氧可通过气水界面向水体中扩散进行补充，微生物也在分解有机污染物的过程中不断增殖，促使好氧分解过程不断进行，直至污染物完全被分解，水体得以净化为止。 4．细菌的自然死亡过程污染物进入河流后，由于环境的变化（如基质减少、日光杀菌、水温及 pH 不适、化学毒物存在、吞食细菌的原生动物存在等），使污水中带来的细菌、病原菌、病毒等逐渐死亡，从而使水体在一定程度上得到自然净化。如从河流中形成自净作用的场所上看，又可以分成以下几类：（1）河水与大气间的自净作用这种作用表现为水体中气态物质向大气中的扩散，如河水中的 CO2、H2S 等气体的释放。（2）河水中的自净作用污染物质在河水中的稀释、扩散、氧化、还原，或由于水中微生物作用而使污染物质发生生物化学分解，以及放射性污染物质的蜕变等等。（3）河水与底质间的自净作用这种作用表现为河水中悬浮物质的沉淀、污染物质被河底淤泥吸附等等。（4）河流底质中的自净作用由于底质中微生物的作用使底质中的有机污染物质发生分解等。由此可见，河流自净作用是包含着十分广泛的内容的，而在实际上这些作用又常相互交织在一起，因此在具体研究工作中必然要有所偏重。目前在河流自净作用的研究上，多侧重于狭义的自净作用，即主要研究河水中的有机污染物质由于微生物而形成的生物化学分解作用。从自净作用产生的场所上看，目前则是以研究在水中发生的自净作用为主。四、河流水体的自净规律对接受以生活污水为主的河流自净过程，着重讨论河流水体的混合稀释模型和氧垂曲线模型。 1. 混合稀释模型稀释作用的实质是污染物在水体中因扩散而降低了浓度，稀释并不能改变，也不能去除污染物质。但是对于特定水体的生态系统而言，当污染物浓度降低到一定程度后，其对该水生环境或从某种使用角度出发来考虑的水质的影响也就很小了，在一定程度上也就能够满足环境或人类的要求，也具有实际意义。污染物质进入水体后，存在两种运动形式，一是由于水流的推动而产生的沿着水流前进方向的运动，称为推流或平流；另一是由于污染物质在水中浓度的差异而形成的污染物从高浓度处向低浓度处的迁移，这一运动被称为扩散。废水排入河流后，由于推流和扩散作用，逐渐与河水相混合，污染物的浓度逐渐降低。推流运动可以式(7－1)表示 Q v c 1 =  (7-1) 式中 Q1—污染物质的推流量，mg/(m2·s)； v—河流流速，m/s； c—污染物质浓度，mg/m3

由式(7-1)可见,河流流速越快,单位时间内通过单位面积输送的污染物质数量(污染物质推流量)越多扩散运动的表示式为 (7-2) 式中Q2一污染物质扩散量,mg(m2·s) dc x一单位长度上的浓度变化值,mg/(m3·m),x一为扩散路程长度,由于x值增大时c 值相应减小,故dx为负值 k一扩散系数,m2/s。它与河流的弯曲程度、河床底部粗糙程度以及流速、水源等因素有关。由式(7-2)可见,污染物质的扩散量主要决定于水体中污染物质的浓度差及水体的扩散系数推流和扩散是两种同时存在而又相互影响的运动形式,其综合作用的结果是污染物浓度由排放口至水体下游逐渐减低,即发生了稀释。研究水体的稀释作用时必须注意到,废水排入水体后并不能与全部河水完全混合。影响混合的因素很多,主要有 (1)(1)废水流量与河水流量的比值。比值越大,达到完全混合所需的时间就越长,或者说必须通过较长的距离,才能使废水与整个河流断面上的河水达到完全均匀的混合 (2)(2)废水排放口的形式。如废水在岸边集中一点排入水体,则达到完全混合所需的时间较长,如废水分散地排放至河流中央,则达到完全混合所需的时间较短 (3)(3)河流的水文条件。如河流水深、流速、河床弯曲情况以及是否有急流、跌水等都会影响混合程度。显然,在没有达到完全混合的河道断面上,只有一部分河水参与了对废水的稀释。参与混合稀释的河水流量与河水总流量之比,称为混合系数: ≤g 式中a一混合系数 Q1-参与混合的河水流量,m/s Q一河水总流量,m3/s 在达到了完全混合的河流断面及其下游断面上,混合系数a=1,而从废水排放口到完全混合断面的这段距离内,a<1。当河道较为平直且无局部急流险滩时,混合系数也可以近似地用下式表示: L (L≤L (7-4) 式中L1一废水排放口至计算断面的距离,m L一废水排放口至完全混合断面的距离,m 废水被河水稀释的程度常用稀释倍数N表示,它是参与混合的河水流量Q1与废水流量q之和与q的比值

由式(7-1)可见，河流流速越快，单位时间内通过单位面积输送的污染物质数量(污染物质推流量)越多。扩散运动的表示式为： 2 dc Q k dx = − （7-2）式中 Q2 －污染物质扩散量，mg/(m2·s)； dc dx －单位长度上的浓度变化值，mg/(m3·m)，x －为扩散路程长度，由于 x 值增大时 c 值相应减小，故 dc dx 为负值。 k —扩散系数，m2 /s。它与河流的弯曲程度、河床底部粗糙程度以及流速、水源等因素有关。由式(7-2)可见，污染物质的扩散量主要决定于水体中污染物质的浓度差及水体的扩散系数。推流和扩散是两种同时存在而又相互影响的运动形式，其综合作用的结果是污染物浓度由排放口至水体下游逐渐减低，即发生了稀释。研究水体的稀释作用时必须注意到，废水排入水体后并不能与全部河水完全混合。影响混合的因素很多，主要有； (1) (1) 废水流量与河水流量的比值。比值越大，达到完全混合所需的时间就越长，或者说必须通过较长的距离，才能使废水与整个河流断面上的河水达到完全均匀的混合。 (2) (2) 废水排放口的形式。如废水在岸边集中一点排入水体，则达到完全混合所需的时间较长，如废水分散地排放至河流中央，则达到完全混合所需的时间较短。 (3) (3) 河流的水文条件。如河流水深、流速、河床弯曲情况以及是否有急流、跌水等都会影响混合程度。显然，在没有达到完全混合的河道断面上，只有一部分河水参与了对废水的稀释。参与混合稀释的河水流量与河水总流量之比，称为混合系数： 1 1 Q Q Q Q  =  （7-3）式中  —混合系数； Q1—参与混合的河水流量，m3 /s； Q—河水总流量，m3 /s。在达到了完全混合的河流断面及其下游断面上，混合系数  =1 ，而从废水排放口到完全混合断面的这段距离内，  1。当河道较为平直且无局部急流险滩时，混合系数也可以近似地用下式表示： 1 1 ( ) L L L L  =  (7-4) 式中 L1—废水排放口至计算断面的距离，m； L－废水排放口至完全混合断面的距离，m。废水被河水稀释的程度常用稀释倍数 N 表示，它是参与混合的河水流量 Q1 与废水流量 q 之和与 q 的比值

w=9+q_a0+q q 在实际工作中可根据具体情况来确定混合系数α的值。根据经验,流速为0.2~0.3n/s的河流,a可取为0.7~08:流速较低时,a可取为0.3~06;流速较高时,则可取为09左右:当废水排放口设计良好,如采用将排放口伸入水体并设置多个分散排放口时,可取a=1。考虑了稀释作用后,计算断面上污染物质的浓度可用下式求出 ao+q (7-6) 式中a一废水中污染物质的浓度,mg/L c一废水排放前河水中该污染物质的浓度,mg/L 当废水排放前河水中该污染物质的浓度为零时,上式可简化为 CI ao+g M (7-7 2.河流的生化自净和氧垂曲线模型有机污染物进入水体后在微生物作用下逐渐氧化分解为无机物质,从而使有机污染物的浓大大减少的过程就是水体的生化自净作用。生化自净作用需要消耗水中的溶解氧,所消耗的氧如得不到及时的补充,生化自净过程就要停止,水体水质就要恶化。因此,生化自净过程实际上包括了氧的消耗(耗氧)和氧的补充(复氧)两方面的作用。氧的消耗过程主要决定于排入水体的有机污染质的数量,也要考虑排入水体中氨氮的数量,以及废水中无机性还原物质(如SO2)的数量。氧的补充和恢复一般有以下两个途径:①大气中的氧冋含氧不足(低于饱和溶解氧)的水体扩散,使水体中的溶解氧增加;②水生植物在阳光照射下进行光合作用放出氧气水体中有机污染物的种类繁多,不同污染物的毒性和危害也各不相同,因此,不能仅用水体中某一种或几种有机污染物的浓度大小来评价水体的污染程度,为此,在前一章中提出可以用些综合的水质指标,如生化需氧量BOD等来反映水体受有机物质污染的水平。BOD值越高,说明水中有机污染物越多。因此,水体中有机污染物的生化自净过程,可以用水体的BOD值随时间的衰减变化规律来反映。若不考虑硝化作用、底泥的分解、水生植物的光合作用及有机物的沉降作用等,而将有机污染物的自净衰减过程简化为仅由好氧微生物参加的生化降解反应,并且认为这种反应符合一级反应动力学,那么 dL K,L (7-8) 式中k一耗氧速率系数或自净系数,d1; L一任一时间的BOD浓度,mB1L 衰减时间,d。对河水中的溶解氧而言,可以认为只有BOD衰减反应消耗河水中的溶解氧,水中溶解氧减少速率与BOD衰减速率相同。溶解氧的消耗,使河水处于亏氧状态(即溶解氧含量低于饱和溶解氧的状态),这时河流将从水面上的大气中获得氧气,此即复氧过程。复氧速率与水中亏氧的

Q q 1 Q q N q q +  + = = (7-5) 在实际工作中可根据具体情况来确定混合系数  的值。根据经验，流速为 0.2～0.3m/s 的河流，  可取为 0.7～0.8；流速较低时，  可取为 0.3～0.6；流速较高时，则可取为 0.9 左右；当废水排放口设计良好，如采用将排放口伸入水体并设置多个分散排放口时，可取  ＝1。考虑了稀释作用后，计算断面上污染物质的浓度可用下式求出 1 2 c q c Q c Q q   + = + （7-6）式中 cl—废水中污染物质的浓度，mg/L； c2—废水排放前河水中该污染物质的浓度，mg/L；当废水排放前河水中该污染物质的浓度为零时，上式可简化为 1 1 c q c c Q q N = = + (7-7) 2．河流的生化自净和氧垂曲线模型有机污染物进入水体后在微生物作用下逐渐氧化分解为无机物质，从而使有机污染物的浓度大大减少的过程就是水体的生化自净作用。生化自净作用需要消耗水中的溶解氧，所消耗的氧如得不到及时的补充，生化自净过程就要停止，水体水质就要恶化。因此，生化自净过程实际上包括了氧的消耗（耗氧）和氧的补充(复氧)两方面的作用。氧的消耗过程主要决定于排入水体的有机污染质的数量，也要考虑排入水体中氨氮的数量，以及废水中无机性还原物质(如 SO3 2-)的数量。氧的补充和恢复一般有以下两个途径：①大气中的氧向含氧不足（低于饱和溶解氧）的水体扩散，使水体中的溶解氧增加；②水生植物在阳光照射下进行光合作用放出氧气。水体中有机污染物的种类繁多，不同污染物的毒性和危害也各不相同，因此，不能仅用水体中某一种或几种有机污染物的浓度大小来评价水体的污染程度，为此，在前一章中提出可以用一些综合的水质指标，如生化需氧量 BOD 等来反映水体受有机物质污染的水平。BOD 值越高，说明水中有机污染物越多。因此，水体中有机污染物的生化自净过程，可以用水体的 BOD 值随时间的衰减变化规律来反映。若不考虑硝化作用、底泥的分解、水生植物的光合作用及有机物的沉降作用等，而将有机污染物的自净衰减过程简化为仅由好氧微生物参加的生化降解反应，并且认为这种反应符合一级反应动力学，那么 1 dL k L dt = − （7-8）式中 1 k 一耗氧速率系数或自净系数， 1 d − ； L 一任一时间 t 的 BOD 浓度， mg L/ ； t —衰减时间， d 。对河水中的溶解氧而言，可以认为只有 BOD 衰减反应消耗河水中的溶解氧，水中溶解氧减少速率与 BOD 衰减速率相同。溶解氧的消耗，使河水处于亏氧状态（即溶解氧含量低于饱和溶解氧的状态），这时河流将从水面上的大气中获得氧气，此即复氧过程。复氧速率与水中亏氧的

程度成正比。定义亏氧量D=0-O,其中O和O分别为水体可达到的饱和溶解氧浓度和实际溶解氧浓度。于是有, kD 式中k2一复氧系数,d1 O32一复氧量复氧时间,d 废水排入水体后,耗氧和复氧是同时进行的。因此,受污河水中溶解氧的变化速率应为复氧速率和耗氧速率的代数和,即 dt=kD-kL (7-10) d(o-o) dl 由于dt 则式(7-10)可改写为 x=kL-k,D (7-11) 图7-2给出了河流接受有机废水后,从受污点至下游各断面的累积耗氧量曲线、累积复氧量曲线和亏氧变化曲线(氧垂曲线)。受污染前,河水中的溶解氧几乎饱和,亏氧接近于零。在受到污染后,开始时河水中的有机物大量增加,好氧分解剧烈,耗氧速率超过复氧速率,河水中的溶解氧下降,亏氧量增加。随着有机物因分解而减少,耗氧速率逐渐减慢,终于等于复氧速率, 河水中的溶解氧达到最低点(相当于图7-2中氧垂曲线的最缺氧点,即临界点)。接着,耗氧速率低于复氧速率,河水溶解氧逐渐回升。最后,河水溶解氧恢复或接近饱和状态。当有机物污染程度超过河流的自净能力时,河流将出现无氧河段,这时开始厌氧分解,河水出现黑色,产生臭气,河流的氧垂曲线发生中断现象氧垂曲线的形状会因排放的有机污染物量、废水和河水的流量、河道的弯曲情况、水流速度等因素而有一定的差别,例如当河流受到的污染负荷较轻时,最缺氧点距排放口的距离较远,其时的溶解氧浓度也较髙:当河流受到的污染负荷较重时,最缺氧点将很快岀现,该点的溶解氧浓度也会很低。当溶解氧低于4mg/L时,河道中局部地段的鱼类生长将受到影响,当溶解氧达到零时,河水出现厌氧状态。这种情况下的氧垂曲线将是一条被横坐标切断的曲线,有时甚至不可能再通过复氧作用而重新出现溶解氧。这是最严重的水污染状况,此时的水体不仅将鱼虾绝迹,也将丧失一切使用功能

程度成正比。定义亏氧量 D O O = − s x ，其中 Os 和 Ox 分别为水体可达到的饱和溶解氧浓度和实际溶解氧浓度。于是有， ,2 2 x dO k D dt = （7-9）式中 2 k 一复氧系数， 1 d − ； Ox,2 一复氧量， mg L/ ； t 一复氧时间， d 。废水排入水体后，耗氧和复氧是同时进行的。因此，受污河水中溶解氧的变化速率应为复氧速率和耗氧速率的代数和，即 2 1 x dO k D k L dt = − （7-10）由于 ( ) x s x dO d O O dD dt dt dt − = − = − 则式(7-10)可改写为 1 2 x dO k L k D dt = − （7-11）图 7-2 给出了河流接受有机废水后，从受污点至下游各断面的累积耗氧量曲线、累积复氧量曲线和亏氧变化曲线（氧垂曲线）。受污染前，河水中的溶解氧几乎饱和，亏氧接近于零。在受到污染后，开始时河水中的有机物大量增加，好氧分解剧烈，耗氧速率超过复氧速率，河水中的溶解氧下降，亏氧量增加。随着有机物因分解而减少，耗氧速率逐渐减慢，终于等于复氧速率，河水中的溶解氧达到最低点（相当于图 7-2 中氧垂曲线的最缺氧点，即临界点）。接着，耗氧速率低于复氧速率，河水溶解氧逐渐回升。最后，河水溶解氧恢复或接近饱和状态。当有机物污染程度超过河流的自净能力时，河流将出现无氧河段，这时开始厌氧分解，河水出现黑色，产生臭气，河流的氧垂曲线发生中断现象。氧垂曲线的形状会因排放的有机污染物量、废水和河水的流量、河道的弯曲情况、水流速度等因素而有一定的差别，例如当河流受到的污染负荷较轻时，最缺氧点距排放口的距离较远，其时的溶解氧浓度也较高；当河流受到的污染负荷较重时，最缺氧点将很快出现，该点的溶解氧浓度也会很低。当溶解氧低于 4mg/L 时，河道中局部地段的鱼类生长将受到影响，当溶解氧达到零时，河水出现厌氧状态。这种情况下的氧垂曲线将是一条被横坐标切断的曲线，有时甚至不可能再通过复氧作用而重新出现溶解氧。这是最严重的水污染状况，此时的水体不仅将鱼虾绝迹，也将丧失一切使用功能

L=(L9p+LQ)(2+Q) 式中2,—所排废水中的BOD,mg/L L一一从受污点流经时间后之BOD,mg1L —一衰减时间,d。直接利用式(7-13),即可求出充分混合河段任一断面的BOD浓度耗氧速率系数气与河流的流量、水温、河宽、水深及河水水质等因素有关,据美国的统计资料k(20°C)的数值范围为008~424d-。通常,当数据缺乏时,对正常流速的大河流k (20C)可取0.3d 复氧系数与风力、水温、流速、水深等因素有关。一般来说,在流速l<0.5m/s时,可取k(20C)=02d-:如果是急流,k2(20C)值可达05d1,有时甚至可高达10d1 式(7-11)和式(7-13)是计算河流有机污染与生化自净最常用的公式,但在使用时应注意以下几点: (1)仅适用于可生物降解的溶解性污染物的计算,所用A和值必须与水温相适应 (2)仅适用于河流断面变化不大,藻类等水生植物、沉降和硝化作用等影响可以忽略的河 (3)仅适用于废水与河水在受污点已完全混合的场合(如设置有分散式排放口),否则需考虑废水与河水的混合系数 (4)如沿河有几个排放口,则可根据实际情况简化合并为一个排放口或者逐段计算。 3.水体中细菌的衰亡水体中细菌的衰亡也是一种重要的自净作用,当水体受到有机物的污染时,水中细菌数量会大量增加,但如果污染物负荷没有超过水体的自净能力,就可以观察到细菌数量逐渐减少的现象促使水中细菌数量减少的主要作用有:①水体的生物净化作用使水中有机物量日渐减少,细菌将因缺少食物和能源而逐渐衰亡:②水体中生长的纤毛类原生动物、浮游动物等不断吞食细菌,使细菌数量减少;③其他作用,如日光的杀菌作用、对细菌生长不利的温度、p值等因素均可使细菌数量减少。通常,生活污水或与生活污水性质相近的工业废水排人河流后,在12~24h内流过的距离是细菌污染最严重的地带,以后细菌数量就会逐渐减少。如没有新的污染,三四天后细菌的数目就将少于细菌最大量的10% 当污染负荷超过了水体的自净能力时,就会出现细菌污染严重的长距离河段。细菌污染的严重程度一般与有机污染的严重程度是相应的图7-3反映了受污染河道内微生物物种和数量的沿程变化情况。由图可见,此类河道可以分为五个区。I区位于污水排放口上游,水质清洁,溶解氧饱和,生物物种多,可发现鱼类包括观赏鱼类;Ⅱ区位于污水排放口附近,水质浑浊,有污泥下沉或上浮现象,溶解氧减少至饱和溶解氧量的40%,鱼类和绿藻减少,蓝绿藻蔓生,底泥中出现颤蚓虫等蠕虫:Ⅲ区为污染严重地区, 水质变灰发黑,出现浮渣,溶解氧降至40%饱和度以下甚至零,有腐败性气体如硫化氢等产生, 厌氧细菌大量繁殖,微生物物种减少,藻类减少,鱼虾死亡,蚊蝇孳生;Ⅳ区水质逐渐恢复,溶解氧逐渐回升,出现真菌、浮游动物,藻类増加,底栖生物中可见颤蚓、贻贝等介壳类以及昆虫

( ) /( ) L L Q L Q Q Q o p p h h p h = + + 式中 L p ——所排废水中的 BOD， mg L/ ； L 一一从受污点流经 t 时间后之 BOD， mg L/ ； t ——衰减时间， d 。直接利用式（7-13），即可求出充分混合河段任一断面的 BOD 浓度。耗氧速率系数 1 k 与河流的流量、水温、河宽、水深及河水水质等因素有关，据美国的统计资料 1 k （ 20 C  ）的数值范围为 0.08～4.24 1 d − 。通常，当数据缺乏时，对正常流速的大河流 1 k （ 20 C  ）可取 0.3 1 d − 。复氧系数 2 k 与风力、水温、流速、水深等因素有关。一般来说，在流速 u m s  0.5 / 时，可取 2 k （ 20 C  ）=0.2 1 d − ；如果是急流， 2 k （ 20 C  ）值可达 0.5 1 d − ，有时甚至可高达 10 1 d − 。式（7-11）和式（7-13）是计算河流有机污染与生化自净最常用的公式，但在使用时应注意以下几点：（1）仅适用于可生物降解的溶解性污染物的计算，所用 1 k 和 2 k 值必须与水温相适应；（2）仅适用于河流断面变化不大，藻类等水生植物、沉降和硝化作用等影响可以忽略的河段。（3）仅适用于废水与河水在受污点已完全混合的场合（如设置有分散式排放口），否则需考虑废水与河水的混合系数。（4）如沿河有几个排放口，则可根据实际情况简化合并为一个排放口或者逐段计算。 3．水体中细菌的衰亡水体中细菌的衰亡也是一种重要的自净作用，当水体受到有机物的污染时，水中细菌数量会大量增加，但如果污染物负荷没有超过水体的自净能力，就可以观察到细菌数量逐渐减少的现象。促使水中细菌数量减少的主要作用有：①水体的生物净化作用使水中有机物量日渐减少，细菌将因缺少食物和能源而逐渐衰亡；②水体中生长的纤毛类原生动物、浮游动物等不断吞食细菌，使细菌数量减少；③其他作用，如日光的杀菌作用、对细菌生长不利的温度、pH 值等因素均可使细菌数量减少。通常，生活污水或与生活污水性质相近的工业废水排人河流后，在 12～24h 内流过的距离是细菌污染最严重的地带，以后细菌数量就会逐渐减少。如没有新的污染，三四天后细菌的数目就将少于细菌最大量的 10％。当污染负荷超过了水体的自净能力时，就会出现细菌污染严重的长距离河段。细菌污染的严重程度一般与有机污染的严重程度是相应的。图 7-3 反映了受污染河道内微生物物种和数量的沿程变化情况。由图可见，此类河道可以分为五个区。I 区位于污水排放口上游，水质清洁，溶解氧饱和，生物物种多，可发现鱼类包括观赏鱼类；Ⅱ区位于污水排放口附近，水质浑浊，有污泥下沉或上浮现象，溶解氧减少至饱和溶解氧量的 40％，鱼类和绿藻减少，蓝绿藻蔓生，底泥中出现颤蚓虫等蠕虫；Ⅲ区为污染严重地区，水质变灰发黑，出现浮渣，溶解氧降至 40％饱和度以下甚至零，有腐败性气体如硫化氢等产生，厌氧细菌大量繁殖，微生物物种减少，藻类减少，鱼虾死亡，蚊蝇孳生；Ⅳ区水质逐渐恢复，溶解氧逐渐回升，出现真菌、浮游动物，藻类增加，底栖生物中可见颤蚓、贻贝等介壳类以及昆虫

《环境工程学》第七章 特定水体的污染及自净

《环境工程学》第七章特定水体的污染及自净