第十三章 水体自净
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的简单无机物。
• 影响生物自净作用的关键是:溶解氧的 含量和有机物的性质、浓度及微生物的 种类、数量等。
水体自净速度有哪些限制因素?
物理? •• 因此水体的自净速度是有限的。在正常 • 情况下,水体单位时间内通过正常生物 净水流量、流速、污染物物理性质 • 循环中能够同化有机污染物的最大数量 化学? • 称为自净容量。 地域、季节、天气 生物? •• 在自净容量范围内水体的净化是如何 • 生物种类、数量(营养物浓度、环境因子)、 进行的呢? 代谢的极限速度
(0.225+0.006) = 5.43 mg/L
7、非持久性污染物的稀释扩散和降解
d d u Mx K 2 dx dx
2
4KM x ux 0 exp[ (1 1 )] 2 2M x u
式中: u—河水流速; x—初始点至下游x断面处的距离; Mx—纵向分散系数; K—污染物分解速率常数; ρ0—初始点的污染物浓度; ρ—x断面处的污染物浓度。
况下,水中有机物因厌氧微生物作用进行厌氧分解,产
生硫化氢、甲烷等,水质变坏,腐化发臭。
三个地段中氮元素的形态如何变化? 根据:硝化细菌(耗氧)、反硝化细菌(无氧) 的特点
污染带:氨高,无亚硝酸和硝酸根离子(厌
氧反硝化)
恢复带:氨较少,微量亚硝酸根离子,硝酸根 离子逐渐增加 清洁带:氨和亚硝酸根离子浓度很低,有硝酸 根离子
• 化学作用:氧化、还原等对污染物的降解 (弱)
阳光 ↓ 一级生产者 → 原生动物 → 轮虫、浮游甲壳动物 → 鱼→ 其他动物 异养细菌
废物、排泄物 废物、排泄物 人
物理自净
污染物在水体中混合稀释和自然沉淀 过程。混合稀释只能降低水中污染物的浓 度,不能减少其总量。沉淀作用指排入水 体的污染物中含有的微小悬浮颗粒,如重 金属、虫卵等由于流速较小逐渐沉到水底。
《斯德哥尔摩公约》的附件对持久性的规定是: 在水中的半衰期大于2个月或在土壤中、水体沉 积物中的半衰期大于6个月。
W qVW hqVh
qVw qVh
式中:ρ—排放口下游河水的污染物浓度; ρW,qVw—污水的污染物浓度和流量 ρh,qVh—上游河水污染物浓度和流量。
例题: 某河水流量为0.225 m3/s,某持久性污
过
程 的
特
征
4.衡量水体污染与自净的指标
提问:用什么指标可 • 水 体 外 观 、 化 学 指标、溶解氧等 以衡量河段水体污染 与自净所处的阶段?
山东小清河
水体外观
• 外观特征:混浊程度、颜色及气味等 • 原 因:水中细菌种类数量、悬浮物种类数量 • • •
污染前 污染 净化开始 持续 结束 外观:无色 暗灰色 灰色 继续变清 无色 澄清透明 很混浊、臭 混浊 浊度下降 澄清透明 水面有泡沫 泡沫减少
P/H指数
• • • • P:光能自养型生物数量 H:代表异养型微生物数量 P/H指数就是两者的比值, P/H指数反映水体污染和自净程度
BIP指数
• BIP =(无叶绿素的微生物数量)/(全部微生 物数量)≈H/(P+H)×100% • • 污染前 污染 净化开始 持续 结束 • •P/H: 高 下降 最低点 上升 高 • •BIP: 0~8 上升 60~100 下降 0~8
• 河流自净作用完成,有机物完全分解为无机物, BOD极低,溶解氧恢复正常,基本不含H2S,CO2 含量较低,氮元素全部氧化为NO3-。 玫瑰旋轮虫及其它藻类,钟虫、旋轮虫、水生
• 指示生物:鱼腥蓝细菌 、隔板硅藻 、黄群藻 、 植物与鱼类等。
以上污化系统只能反映有机污染的程度,不能 反映有毒废水的污染。
表1 不同温度下氧在水中的溶解度
温度℃
溶解氧mg/L
0
5 10 15 20
14.6
12.8 11.3 10.2 9.2
25 30
8.4 7.6
污染前
溶氧变化:
污染
净化开始
持续
结束
•
稳定
迅速下降
快速增大 缓慢增大
稳定
溶解氧可以用溶解氧测定仪随时测定并迅速地得 出结果。
在这个过程中,复氧和耗氧同时进行。溶解氧的
3.自净的过程
水体自净过程大致如下
a.污水排入河流的混合过程 b.持久污染物的稀释扩散 物理作用
有机污染物排入水体后被水稀释,有机和无机固体沉降到河底;
c.非持久污染物的稀释扩散 d.水体的氧平衡 生物作用 溶氧↓ 好氧菌↑ 好氧菌↓ 溶解氧↑ 有机物降解
厌氧菌↑ 自然溶氧、藻类产氧
•
污水排入河流的混合过程
第一阶段 化学氧化分解,历时数小时。
有机物的 自净过程 分三阶段
第二阶段 生物化学氧化分解一般要延续数日。
第三阶段 含氮有机物的硝化过程,延续一月左右。
①浓度逐渐降低;
水
体
自 净
②毒性降低; ③重金属可沉淀至底泥或进入食物链; ④复杂有机物分解为二氧化碳和水; ⑤不稳定的转变为稳定的化合物; ⑥初期,水中溶解氧含量急剧降低,到达最低点后又缓慢上升,并逐渐恢复正常; ⑦有毒的污染物,可使水中生物种群和数量大为减少,随着自净过程,生物种群和数量逐渐回升,趋于正常。
计算后得 ㏑(
D
/
D0)=
/
- K2 t
D
/
D0
D0
= e- K2
/
t
或
lg ( D / D0) = - K2t D / 其中 K2 = 0.434K2' (复氧常数)
=
10-K2t
在 , , 得上述微分方程的解为:
的初值条件下求
e- K2 D0
t
D=
dρD /dt =K1ρL - K2ρD
式中:
第十三章 水体自净(self-purification)
1.水体自净 (self-purification of water body)
水体自净是指受污染的水体由于物理、 化学、生物等方面的作用,使污染物浓度 逐渐降低,经过一段时间后恢复到受污染 前的状态。这一过程即水体自净。
2.水体自净机理
• 物理作用:稀释、沉淀 • 生物作用:生物降解(食物链) (强) (强)
河流污染和自净过程图
污 水
自
净
污化系统及其指示生物 污化系统 (也称有机污染系统)是根据水体有机物污染 程度的不同,对水体的一种分类法。当有机污染物排 入河流,在其下游河段的自净过程中,形成一系列污 化带。 因各种水生生物需要不同的生存条件,故在各个带中 可找到不同的代表性指示生物,这些指示生物包括细 菌、真菌、藻类、原生动物等微生物,以及轮虫、浮 游甲壳动物、鱼类及底栖动物等。 根据指示生物的不同,污化系统中的污化带分为多污 带、-中污带、-中污带和寡污带。
多污带(polysaprobic zone)
• 靠近排污点下游,河水深暗、浑浊,含大量有机 物,BOD高,呈缺氧或厌氧状态,污染严重。有 机物分解产生H2S、NH3,使河水有异味。 • 水生生物种类极少,以厌氧和兼性厌氧微生物为 主,无鱼类、显花植物等。 • 代表性的指示生物是细菌,且种类多、数量大, 每ml水中可达几亿个,例如硫酸盐还原菌与产甲 烷菌等,此外还有颤蚯蚓、蚊蝇幼虫。
染物 A 浓度为4.91mg/L,某厂排入河水的废
水量为536m3/d(0.006m3/s), 同一持久性
污染物A的浓度为25mg/L。假设废水与河
水在厂排污口下游500米处达到完全混合,
若此河段无其他废水排入,试计算在下游
500米处河水中污染物A的浓度。
解: ρ =
(0.225× 4.91+0.006×25)/
8. 水体的氧平衡
需氧污染物排入水体后即发生生物化学分解作用,在 分解过程中消耗水中的溶解氧。 在一维河流和不考虑扩散的情况下,河流中的可生 物降解有机物和溶解氧的变化可以用S-P(StreeterPhelps)公式模拟。 S-P模型是研究河流中溶解氧变化的 最早、最简单的耦合模型。它迄今仍得到广泛地应用 (环评),也是研究各种修正模型和复杂模型的基础。 它假设:氧化和复氧都是一级反应;反应速率常数 是一个定常数;亏氧的浓度变化仅是水中有机物耗氧和 通过气-液界面的大气复氧的函数。
(1)竖向混合阶段 污染物排入河流后因分子扩散、湍流扩散和弥散 作用逐步向河水中分散,从排放口到深度上达到浓 度分布均匀。 (2)横向混合阶段 当深度上达到浓度分布均匀后,在横向上还存在 混合过程。经过一定距离后污染物在整个横断面达 到浓度分布均匀。 (3)断面充分混合后阶段 在横向混合阶段后,污染物浓度在横断面上处处 相等。河水向下游流动的过程中,持久性污染物浓 度将不再变化,非持久性污染物浓度将不断减少。
——x和x=0处的河水BOD5 浓度,mg/L ——x和x=0处的河水亏氧浓度,mg/L —x和x=0处的河水溶解氧浓度 , mg/L 河水的饱和溶解氧浓度,mg/L; 初始点至下游x断面处的河水流行时 间, 耗氧系数 复氧系数
化学自净
• 氧化还原反应是化学净化的重要作用,溶 解氧与水中的污染物将发生氧化反应, 生成难溶物而沉降析出。如Fe盐氧化。 Fe+
O2
Fe3+
Fe(OH)3
• 还原作用: 如Cr6+ 还原为Cr3+
生物自净
• 水中微生物在溶解氧充分的情况下,将 一部分有机污染物当作食饵消耗,同时 将另一部分有机污染物氧化分解成无害
中污带(-mesosaprobic zone)
• 在多污带下游,有机物量略减少,BOD下 降,河水依然灰暗,溶解氧低,水面上可 有浮沫和浮泥。生物种类增加,细菌数减 少,但每毫升仍有几千万个。
• 代表性的指示生物举例如下:天蓝喇叭虫、 椎尾水轮虫、栉虾、独缩虫、颤藻、小球 藻等。
-中污带(-mesosaprobic zone) • 光合微生物和绿色浮游生物大量出现, 水中溶解氧升高,有机质含量少,BOD 很低,悬浮物进一步减少,有机氮已转
变化状况反映了水体中有机污染物净化的过程,因而 可把溶解氧作为水体自净的标志。溶解氧的变化可用 氧垂曲线表示。
5.水体的氧平衡 (氧垂曲线,Oxygen Sag Curve)
核心: 有机物耗氧分解(微生物作用)
氧垂曲线作用:
反映河流中耗氧过程和复氧过程的综合作用。
临界点:污染最严重的一点。
(临界点前后为水质恶化区)
过程:有机氮—氨—亚硝酸根—硝酸根—氮气
6. 持久污染物的稀释扩散
持久性有机物
持久性物质是指化学稳定性强,难于降解转 化,在环境中不易消失,能长时间滞留的物质, 如,重金属、阴离子等,符合这些条件的有机物, 即持久性有机物(Persistent Organic Pollutants, 简称POPs)。
溶解氧DO的变化情况: 当耗氧ห้องสมุดไป่ตู้率 > 复氧速率时 当耗氧速率 = 复氧速率时 当耗氧速率 < 复氧速率时
溶解氧曲线呈下降趋势 溶解氧曲线最低点,即最缺氧点 溶解氧曲线呈上升趋势
P
该图DO曲线反应了耗氧和复氧的协同作用。
最低点P为最缺氧点。若P点的溶解氧量大于有关规定的 量,从溶解氧的角度看,说明污水的排放未超过水体的 自净能力。若排入有机污染物过多,超过水体的自净能 力,则P点低于规定的最低溶解氧含量(小于3mg/L鱼 类不能生存),甚至在排放点下的某一段会出现无氧状 态,此时氧垂曲线中断,说明水体已经污染。在无氧情
变为NH4+、NO2- 和NO3- ,CO2 与H2S含
量减少。
• 细菌数量减少,藻类大量繁殖,轮虫、
甲壳动物和昆虫增加,生根的植物、鱼
类出现。
• 代表性生物:藻类的水花束丝藻、变异
直链硅藻、短棘盘星藻、舟形藻、梭裸
藻 ;原生动物的草履虫、聚缩虫;微型
后生动物的腔轮虫、水蚤。
寡污带(oligosaprobic zone)
溶解氧
溶解于水中的分子态氧称为溶解氧,它是
水生生物主要的生存条件之一。天然水中溶解
氧的含量与大气压力、空气中氧的分压和水温
等因素密切相关。大气压力减小,溶解氧量也
减小。温度升高,溶解氧量也显著下降。水中 含盐量增加,也会使溶解氧量降低。表1列出在 101.3Kp的大气压力下,空气中氧含量20.9%时, 氧在水中的溶解度。
氧的消耗
运算后得 或
1.有机物的生物氧化 2.硝化作用:水中存在氨,硝化作用会消耗溶 解氧。 3.水底沉泥的分解。 4.水生植物的呼吸作用。 5.无机还原性物质的影响。
亏氧量 水中氧饱和溶解度C与实际溶解氧含量X的差值
D=
C–X
复氧速度即空气中的氧溶入水中的速度,与水中的亏氧量 成正比。 复氧速度 ∝ 亏氧量 ∴ d( D0- D )/dt = K2 D 式中 D — 起点亏氧量(mg/L) — t时刻水中的亏氧量(mg/L) K2 — 复氧常数(日-1) d D /dt = - K2ρD