污染物在水体中的迁移转化1-36

分为CBOD降解耗氧和NBOD降解耗氧两个阶段。
O’Conner模型
LC U ( K 1 K 3 ) LC x LN U K N LN x O U K 1 LC K N L N K 2 (Os O) x
LC LC 0 e k1 k3 t k N t L L e N N0 k1 LC 0 k 2t e k1 k3 t e k2t C Cs Cs C0 e k1 k3 k 2 k N LN 0 k N t k2t e e k N k2
污染物在水流中的迁移转化
严重污染河流的黑臭正是因为大量污染物排放，污染物 在水流中的衰减导致溶解氧消耗引起的。
6-1 污染物迁移转化模型
S-P模型； Thomas模型； Dobbins-Camp模型； O’Conner模型
6-1-1 Streeter-Phelps模型
dL k1 L dt dO k L k O O 1 2 s dt
C U t O U t C 2C D 2 K1 L x x O 2O D 2 K1 L K 2 (Os O) x x
Streeter-Phelps假定恒定流：
C 2C U D 2 K1 L x x O 2O U D 2 K1 L K 2 (Os O) x x
有机物耗氧速率常数k1估值
实验室测定值用于河流时的修正 u ‘ k1 k1 0.11 54 I H
有机物耗氧速率常数k1估值
野外实测法 有机物降解符合
L2 L1e
k t
故
1 L1 u L1 k1 ln ln t L2 x L2
6-1-6 大气复氧速率
河水流动时，水面的大气复氧； 上游河水或潮汐河段海水带来的溶解氧； 排入河流中的废水带来的溶解氧； 水体中繁殖的光合自养型水生植物（如藻类）， 白天通过光合作用释放氧气，溶于水中。
t a1 a 2 A
1 分别为单位质量藻类的产氧量和消耗的 O-溶解氧浓度， 2 氧量， 为藻类生长速பைடு நூலகம்，为藻类呼吸速率。
藻类生长速率用以下公式表示
f ( I ) f ( N ) f (T )
max (
Iz N P ) min( , ) (T 20) K sN N K sP P K1 I z
Dm 1.774 10 4 1.037 T 20
CZ为谢才系数，Dm为分子扩散系数，Jb为河流坡降，n为 河床糙率，T为水温（0C）。
欧文斯(Owens)等人公式
U 0.67 k 2 5.34 1.85 h
该公式适用条件：0.1m<=h<=0.6m，U<=1.5m/s。 丘吉尔(Churchill)公式
矿 化 作 用 沉 积 作 用 氧 化 作 用 反 硝 化 作 用
矿 化 作 用 交 换 通 量
沉 积 作 用
呼 吸 作 用
DO SOD 沉积物
光 合 作 用
沉 积 作 用
大 气 复 氧 作 用
沉 积 作 用
6-3 毒性污染物质模型
volatilization
Hydrolysis Biodegradation Oxidation Extra reaction Transport photolysis
有机物耗氧速率常数k1估值
0.8
1/3
0.7 0.6 0.5 0.4 0 2 4 6 8 10 12
(t/y)
t(d)
从图上查得：
a 0.52
0.727 0.52 b 0.0207 10 b 6 0.0207 1 k1 6 0.239 d a 0.52
1 1 L0 29.76 mg / l 3 3 k1 a 0.239 0.52
总磷 溶解态 颗粒态/ 吸附态
有效硅 溶解态 颗粒态/ 吸附态
硝酸盐氮
溶解氧 大气复氧 化学 需氧量
光合作用
光
总悬浮 固体 或 总活性 金属
呼吸作用
大型藻类 蓝藻 绿藻 硅藻 生物量 生物量 生物量 生物量
细菌 浓度
6-2-3 WASP模式
外部负荷 移流扩散 边界流量 温度盐度 光照强度
反硝化作用 水体 CBOD NH3 硝化作用 摄入 死亡 死亡 ON PYHT NH3+NO2 摄入 死亡 死亡 OP OPO4


6-1-4 O’Conner模型
dL dt k1 k 3 L dL N k N LN dt dD dt k1 L k N LN k 2 D
L L0 e k1 k3 t k N t L L e N N0 k1 L0 k 2t e k1 k3 t e k2t C C s C s C 0 e k1 k 3 k 2 k N LN 0 k N t e e k 2t k N k2
6-1-1 Streeter-Phelps模型
L L0 e 1x K1 2 x 1 x 2 x O O ( O O ) e L ( e e ) s s 0 0 K K 2 1
u 2 ( 1 1 4 DK / u 1 1 2D u (1 1 4 DK / u 2 2 2 2D
U 2 k 2 1 3 h
U，h为平均流速和平均水深， 1 2 3 为经验常数。
欧康纳-多宾斯公式（O‘Conner-Dobbins）
( DmU ) 0.5 294 (C Z 17) 1.5 h k2 0.5 0.25 824 Dm J b (C 17) Z h1.5
氧垂曲线
C, L Cw,Lw,q
C0
临界点 Cc,Lc,tc ,xc L0
x
6-2-1大气复氧
水中溶解氧的变化率
dO k 2OS O dt
dD k 2 D dt
OS饱和溶解氧浓度，D=Os-O,氧亏值，k2为大气复氧速率。
OS 468 31.6 T
T为水温（0C）。
大气复氧系数基本形式

k t

因为
1 e
k t
k1t k1t 2 k1t 3 k1t 1 2 6 24
3
k1t k1t 1 6
k1t k1t 2 k1t 3 k1t 1 2 6 24
U 0.696 k 2 5.03 1.673 h
该公式适用条件：0.6m<=h<=8m，0.6m/s<=U<=1.8m/s。
6-2 富营养化模型
QUAL—II模型（Rosner 等，1981）用下式模拟藻类净增长
A A t
A-藻类浓度，右边第一项符号-藻类生长速率，第二项符号藻类呼吸速率，第三项浓度-藻类沉降浓度。 在QUAL—II模型（Rosner 等，1981）中，藻类的净产氧量 为 O
Justus von Leibig最小定律：植物生长所需的元素中最为短 缺的因素限制植物的生长。
6-2-2 EFDC模式
难降解颗粒 态有机碳
易降解颗粒 态有机碳 溶解态有机碳
难降解颗粒 态有机氮
易降解颗粒 态有机氮 溶解态有机氮
难降解颗粒 态有机磷
易降解颗粒 态有机磷 溶解态有机磷
颗粒态 生物硅
氨氮
desorption sorption
Settling
DOC
Resuspension
6-1-2 Thomas模型
K3为沉浮系数，大于0为沉淀，小于0为上浮。
L ( K1 K 3 ) L x O U K1 L K 2 (Os O) x U
L L0e ( k1 K3 )t k1L0 k1 k3 t k 2t k 2t O O O O e e e s s 0 k1 k3 k2
6-1-1 Streeter-Phelps模型
若不考虑纵向离散
L K1 L x O U K1 L K 2 (Os O) x U
k1t L L e 0 k1 L0 k1t k 2t k 2t D e e D e 0 k k 2 1 k1 L0 k1t k2t k 2t e e O Os Os O0 e k1 k 2
k b 6L
2/3 1 1/ 3 a
1 La k1a 3
b k1 6 a
有机物耗氧速率常数k1估值
例：有一组BOD实验数据如表：求K1和L0。
t y 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
6.5 11.0 15.0 18.0 20.0 22.0 23.0 24.0 25.0 26.0
(t/y)1/3 0.53 0.567 0.585 0.606 0.630 0.648 0.673 0.693 0.711 0.727 6


6-1-3 Dobbins-Camp模型
L ( K1 K 3 ) L B x O U K1 L K 2 (Os O) P x U
B k1 k3 t B L L e 0 k k k1 k3 1 3 k1 B P k 2t O Os Os O0 e k k k k 2 1 3 1 k1 L0 B k1 k3 t k2t L0 e e k1 k3 k 2 k1 k3
有机物耗氧速率常数k1估值
故
k1t yt La k1t 1 6
1 3
3
或
1 k12 / 3 t y t La k1 3 6 L1/ 3 t a
令：
a La k1
1 3
则：




基于S-P模型的河流污染物变化过程
O, L Ow,Lw,q
O0
临界点 Oc,Lc,tc ,xc L0
x
临界点参数的推求
在临界点： 复氧速率=耗氧速率，即 k1Lc k2 Dc 0
k1 k1 k1 k1tc k1tc Dc L L0e , 或：Oc Os L0e k2 k2 k2
环境流体力学
尹海龙
6 污染物在水流中的迁移转化
6-1 污染物在水体中迁移转化基本形式 6-2 富营养化模型 6-3 毒性污染物质模型
污染物在水流中的迁移转化
再来看紊流扩散方程
C C 2C uj Dt Sc t x j xi xi
方程中SC为源、汇项，与污染物在水中迁移转化有关
k1 1 tc ln k2 k1 k2 Os O0 k2 k1 1 k1 L0
K1和k2的修正
按照阿仑尼乌斯定律，反应速率常数与温 度有关，符合下述关系：
kT k20
根据实验：
T 20
k1 : 1.047; k2 : 1.024




6-1-5有机物降解耗氧速率的测定
可用一级动力学反应式来表达含碳有机物在水流中的衰减 变化：
dLC k1 LC dt
解析解
LC LC (0) e k1t
K1值表征了水体有机物降解速率的大小，是水质模型中的 重要参数。
有机物耗氧速率常数k1估值
实验室测定法
yt Lc 1 e