第一章 水质与水体自净

第一章水质与水体自净
第一节水的循环与水污染
一、水资源的分布
地球上水的总储量约为13.9亿Km3，其中97.3％为海洋咸水，不能为人类所直接利用；而不足地球总水量3％的淡水其总量仅为0.36亿Km3：其中77.2％以冰川和冰帽的形式存在于极地和高山上，也难以为人类直接利用；22.4％为地下水和土壤水；江河、湖泊等地面水占淡水总量的0.36%，总量大约23万Km3。

因此，只有约20％的淡水是人类易于利用的，而直接取用的河、湖淡水仅占淡水总量的0.3%。

可见，可供人类直接利用的淡水资源十分有限。

我国的水资源：（A）总量丰富，人均量少；（B）时空分布不均衡。

二、水循环
水循环分为自然循环和社会循环两种。

1、自然循环——地球表面的水在太阳辐射能和地心引力的共同作用下，不断地蒸发和蒸腾到大气中，形成水汽，并在空中凝结成云，在大气环流的作用下移运到各处，再以降雨或降雪等形式回到陆地或海洋中。

这些降水，一部分渗入地下，成为地下水或土壤水；一部分形成地表径流汇入江河湖海，再经蒸发进入大气圈；还有一部分直接蒸发或经植物吸收蒸腾进入大气。

这种周而复始，循环往复的过程就是水的自然循环。

通过循环水资源得以不断的更新。

在较长的时间内，全球范围内的蒸发量与降水量保持平衡，大约为每年57.7万立方公里，也即每年的自然循环水量仅约占地球上总水量的万分之四。

2、社会循环——人类社会为满足生活和生产的需要，从各种天然水体中取用大量的水，经使用后又以生活和生产废水的形式排入天然水体。

水在人类社会中形成的此局部循环就是水的社会循环。

三、水污染
自然环境是一动态平衡体系，它对进入其中的各种物质的变化具有一定的调节能力。

经过体系内部一系列的物理、化学和生物学的连锁反应和相互作用，可以建立新的平衡。

水体在一定程度下具有的自我调节和降低污染的能力，通常称为水的自净能力。

进入水体的污染物，经过物理、化学和生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经过一段时间水体恢复到受污染前的状态。

这一现象称为“水体的自净作用”。

但当进入水体的外来杂质含量超过了水体的自净能力时，水质就会难以恢复，趋于恶化，对人类环境和水的利用产生不良影响，这就是水的污染。

《中华人民共和国水污染防治法》中关于“水污染” 下了明确的定义：水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。

造成水污染的原因有自然和人为两个方面。

前者如有火山爆发产生的尘粒落入水中，天然植物腐烂产生有害物质溶入水中引起的污染；后者如生活污水，生产废水未经处理而大量排放水体所产生的污染。

但通常所说的水体污染均指对水体危害较大的人为污染。

我国水污染的特征：
1、污染不断加剧，水质恶化日趋严重；
2、各流域水体自南向北水质逐渐变差。

3、湖泊水库水体富营养化不容轻视
四、水体污染物
能使水体的水质、生物质、底泥质量恶化的各种物质均称为水体污染物（水污染物）。

根据其性质的不同可分为化学性、物理性和生物性污染物。

1、化学性污染物
1）无机污染物质：酸、碱及一些无机盐类
2）无机有毒物质：重金属（汞、镉、铅等）
3）有机有毒物质：有机农药、多环芳烃、芳香胺等
4）需氧污染物质：碳水化合物、蛋白质、脂肪和酚等
5）植物营养物质：含氮、磷的化合物
6）油类污染物质
2、物理性污染物质
1）悬浮污染物质：固体物质
2）热污染：热电厂、核电站及各种工业过程中的冷却水
3）放射性污染：Sr90、Cs137、I131
3、生物性污染
生活污水、医院污水和某些工业废水中的病原微生物、病毒、寄生虫等。

第二节水质指标与水质标准
一、水质指标
图1-19 按颗粒尺寸进行物质分类
水质即水的品质。

自然界中的水并不是纯粹的氢氧化合物，因此水质就是指水与其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合特性。

各项水质指标则表示水中杂质的种类、成分和数量，是判断水质的具体衡量标准。

一般可分为三大类：物理性指标化学性指标、生物学指标。

（常见的水质指标有数十项，现将有关指标的意义列举如下[3]）
1、物理学水质指标
（1）感官物理性状指标：温度、混浊度、嗅和味、色度等
（2）其它物理性状指标：总固体、悬浮固体、电导率等
浊度：水中不溶性物质对光线透过时产生的阻碍程度。

（水中悬浮物或胶体状颗粒物质）色度：感官性指标，水中悬浮物、胶体或溶解物质均可生色。

表色：由水中悬浮物、胶体物质和溶解物质共同引起的颜色。

真色：除去水中悬浮物质后所呈现的颜色。

总固体：一定温度下一定体积水样蒸发至干所残留的固体物质总量，单位mg/L。

常用蒸发烘干温度：103～105 ℃；过滤方法可用石棉古氏坩锅或0.45µm滤膜；灼烧温度通常为600℃。

水中固体按其溶解性能可分为“溶解固体”/“总可滤残渣”和“悬浮固体”/“总不可滤残渣”；按其挥发性能可分为“挥发性固体”/“灼烧减重”和“固定性固体”。

例1-1（p20）：将某污水水样100mL置于重量为46.4718g的古氏坩埚中过滤，坩埚在105℃下烘干后称重为46.5036g，然后再将此坩埚置于600℃下灼烧，最后称重为46.4848g。

另取同一水样100mL，放在重量为67.9624g的蒸发皿中，在105℃下蒸干后称重为68.0138g。

试计算该水样的总固体、悬浮固体、溶解固体、挥发性悬浮固体和固定性悬浮固体量各为多少mg/L？
解：悬浮固体：
-33
10 10010
46.4718)
-
(46.5036
⨯
⨯
挥发性悬浮固体：
-33
10 10010
46.4848)
-
(46.5036
⨯
⨯
总固体：
-33
10 10010
67.9624)
-
(68.0138
⨯
⨯
溶解固体＝总固体－悬浮固体
固定性悬浮固体＝悬浮固体－挥发性悬浮固体
2、化学水质指标
（1）非专一性指标
电导率——表示水样中可溶解性电解质总量。

总含盐量——水中各种溶解性矿物盐类的总称。

碱度——一般来源于水样中OH-、CO32-、HCO3-离子。

关系到水的许多化学反应过程。

硬度——可溶性钙盐和镁盐组成，引起沉积和结垢现象。

（2）非专一性有机物指标
化学需氧量(COD)——有机污染物浓度指标。

生物化学需氧量(BOD)——水体通过微生物作用发生自然净化的能力标度，废水生物处理效果标度。

总需氧量(TOD)——近于理论耗氧量值。

总有机碳(TOC)——近于理论有机碳量值。

石油类——影响空气—水界面间氧的交换，被微生物降解时耗氧，使水质恶化。

（3）无机物指标
铝——影响水的可饮用性，对金属有腐蚀作用，对生物有一定毒性。

铁——在不同条件下可呈Fe3+或胶粒Fe(OH)3状态，造成水有铁锈味和浑浊，形成水垢，繁殖滋生铁细菌。

有毒金属——常见的有镉、汞、铅等，一般来源于工业废水。

氯化物——影响可饮用性，腐蚀金属表面。

亚硝酸盐氮——是婴幼儿高铁血红蛋白症的病原物，与仲胺类作用生成致癌的亚硝胺类化合物。

（4）溶解性气体
氧气——生物呼吸所需，腐蚀金属，水体缺氧会产生CH4、H2S等有害气体。

二氧化碳——大多数天然水系中碳酸体系的组成物。

含盐量——水中各种溶解性矿物盐类的总称。

水中主要的阳离子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+；主要的阴离子：HCO3－、CO32－、SO42－、Cl－。

碱度——水接受质子的能力，在水中离解或水解后生成可与强酸（或H+）反应的物质总量。

此能力可用在水中离解或水解后生成可与强酸（H +）反应当物质总量来量度。

这些物质包括强碱、弱碱、强碱弱酸盐、有机碱等。

水中的碱度常用中和滴定法测定，即用标准浓度的盐酸溶液滴定水样，用酚酞和甲基橙作指示剂，根据滴定所耗盐酸量求出水样碱度。

如用酚酞作指示剂，在pH8.3附近由红色转为无色，所得碱度为酚酞碱度（P ）；如用甲基橙作指示剂，在pH4.4附近由黄色转为红色，所得碱度为甲基橙碱度或总碱度（T ）。

按照水中致碱阴离子的不同，碱度又可分为重碳酸盐碱度，碳酸盐碱度和氢氧化物碱度三种。

几种碱度之间的换算可参照表1-3（p23）三种碱度计算表，该算法既简单方便，又足够精确。

碱度的计算
碱度中和滴定顺序：H + + CO 32- → HCO 3- ①
H + + OH - → H 2O ② ①+②＝P
H + + HCO 3- → H 2CO 3 ③ ①+②+③＝T
设：水样中的[CO 32-]= x mmol/L ，[OH - ]= y mmol/L ，[HCO 3-]= z mmol/L
则：x ＋y ＝P x ＋2y ＋z ＝T
（1） P=0
因P ＝x ＋y=0 ∴x ＝0 y ＝0 则z=T
（2） P<T/2
由x ＋y ＝P ；x ＋2y ＋z ＝T ；P<T/2联立得：x<z
因OH -，HCO 3-不能同时存在 ∴x ＝0 y ＝P z=T-2P
（3） P = T/2
由x ＋y ＝P ；x ＋2y ＋z ＝T ；P=T/2联立得：x=z
因OH -，HCO 3-不能同时存在 ∴x ＝z=0 y ＝P=T/2
（4） P> T/2
由x ＋y ＝P ；x ＋2y ＋z ＝T ；P>T/2联立得：x>z
因OH -，HCO 3-不能同时存在 ∴x ＝2P-T y ＝T- P z=0
（5） P=T
由x ＋y ＝P ；x ＋2y ＋z ＝T ；P=T 联立得：y+z=0
则y ＝z=0 x ＝T
表1-3 三种碱度计算表
滴定结果
氢氧化物碱度[OH - ] 碳酸盐碱度2[CO 32-] 重碳酸盐碱度[HCO 3-] P=0
0 0 T P<T/2
0 2P T-2P P=T/2
0 T 0 P>T/2
2P-T 2(T-P) 0 P=T T 0 0
例1-3（p24）：取某河水水样100mL ，用0.1000mol/L 的HCl 溶液测定其碱度，先以酚酞作指示剂，消耗了HCl 溶液0.40mL ；另取该水样100mL ，以甲基橙作指示剂， 用HCl 溶液滴定消耗了7.20mL 。

求该水样的酚酞碱度、甲基橙碱度、总碱度。

解： 酚酞碱度3101001.04.0-⨯⨯=P 甲基橙碱度（总碱度）3101001.02.7-⨯⨯=T 注意：单位mmol/L
硬度——水中的两价金属离子与肥皂作用生成沉淀，和与水中某些阴离子化合生成水垢而产
生硬度。

水中最主要的致硬金属离子是Ca2+、Mg2+。

能与之化合的阴离子主要有HCO3－、CO32－、SO42－、Cl－、NO3－、SiO32－等。

由相关阴离子将硬度分为：碳酸盐硬度（暂时硬度）——由钙、镁的碳酸盐和重碳酸盐形成。

非碳酸盐硬度（永久硬度）——由钙、镁的硫酸盐和氯化物形成。

目前，最普遍采用的总硬度测定方法为EDTA络合滴定法。

硬度的单位最常用的是mmol/L。

硬度的计算
在水处理中，有时要求分别知道碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度的含量。

如果已经测得水样的总硬度和各种碱度，就可以用下面的方法来进行计算。

设：S＝碳酸盐碱度＋重碳酸盐碱度＝2[CO32－]+ [HCO3－]；
碳酸盐硬度＝[CO32－]+0.5 [HCO3－]
则：（1）当0.5S<总硬度时：
则：碳酸盐硬度＝0.5S，非碳酸盐硬度＝总硬度－0.5S；
（2）当0.5S＝总硬度时：
则：碳酸盐硬度＝0.5S，非碳酸盐硬度＝0；
（3）当0.5S>总硬度时：
则：碳酸盐硬度＝总硬度，非碳酸盐硬度＝0。

此时，0.5S与总硬度的差值称为负硬度（负硬度＝0.5S－总硬度）。

负硬度主要是由钠、钾的碳酸盐和重碳酸盐构成的。

它们并不致硬，不是硬度。

相反，还能抵消部分硬度，如：
Na2CO3＋CaSO4 → CaCO3↓＋Na2SO4
水中的有机物种类繁多，组成复杂，一般不对它们进行单独定量测定，而是利用其共性用某种指标间接的反映其总量或某一分类含量。

目前最普通、最重要的有机物质综合指标是：化学需氧量（COD）、耗氧量（OC）和生物化学需氧量（BOD）。

化学需氧量（COD）和耗氧量（OC）在一般书籍中是不区分的，其定义为：一定严格的条件下，用化学氧化剂（如KMnO4、K2Cr2O7）将水中各种有机物质氧化所消耗的氧化剂的量，用mgO/L 表示。

目前常用的氧化剂有两种高锰酸钾和重铬酸钾。

高锰酸钾耗氧量（COD Mn或OC），适合天然水或含易氧化有机物的一般废水。

重铬酸钾耗氧量（COD Cr 或COD），因重铬酸钾氧化有机物完全，适合污染较严重的水样。

生物化学需氧量（BOD）——表示水中有机物在有氧条件下经好氧微生物氧化分解所需氧量。

用单位体积污水所耗氧量表示（mgO/L）。

其值越高，说明水中需氧有机物质越多。

图1－20 有机物好氧分解的两个阶段
在有氧的条件下，有机物经微生物氧化分解的过程一般可分为两个阶段，第一阶段为碳化阶段，主要是有机物被转化为CO2、水和氨，所消耗的氧量为碳化生化需氧量，用L a或BOD u表示；第二阶段为硝化阶段，主要是氨在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下被转化为亚硝酸盐和硝酸盐，所消耗的氧量为硝化生化需氧量，用L N或NOD表示。

因微生物的活动与温度有关，一般以20℃作为测定生化需氧量的标准温度。

一般有机物的完全降解是一无限长的时间，在20℃时经20天约能完成95～99％的氧化，5天约能完成70％的氧化。

因此可以部分需氧量代替全部，适当地缩短测定时间。

对于一般有机废水，硝化过程大约在5～7天后开始，且通常所用的生化需氧量指的是碳化生化需氧量L a 或BOD u ，所以实际测定时常取20℃下5天的测定值为生化需氧量，简称5日生化需氧量，用BOD 5表示。

反应动力学——第一阶段碳化需氧量
1、第一阶段碳化需氧量反应动力学公式
研究表明，第一阶段生化需氧量的变化（有机物碳化氧化过程）具有动力学一级反应的性质，即任何时间的反应速率与当时剩有的有机物浓度成正比。

L k dt
L L d a '=-1)( L k dt dL '-=1 L a ——第一阶段生化需氧量（有机物初始浓度），mg/L ；
L ——任何时日剩余的有机物浓度，mg/L ；
将上式积分可得： t k L L a t '-=1ln 换底： t k L L a
t 1lg -= t k a t L L 110-⨯=
L t ——t 时剩余有机物浓度，mg/L ；
k 1=0.434k 1' ——耗氧速率常数，1/d ；
令x t 为t 时间内降低的有机物浓度，则：t a t L L x -=，相当于t 时间内的生化需氧量BOD t
)101(1t k a t a t L L L x --=-= )1(1t k a t a t e L L L x '--=-=
——第一阶段碳化需氧量反应动力学公式
2、k 1（=0.434k 1'）——耗氧速率常数，1/d
（1）k 1随水质不同而有较大差异，与可生化性成正比
20℃ 生活污水 0.15~0.28/d （常0.17/d ）
经生化处理后的水 0.06~0.10/d
轻度污染的河水 0.05~0.10/d
（2）与温度T 的关系 1212)(1)(1T T T T k k -=θ
20)20(1)(1047.1-=T T k k （10～30℃）
3、L a ——第一阶段的生化需氧量，mg/L ，与温度T 有关
)6.002.0()20()(+=T L L a T a
例1－5（p30）：某废水20℃时的BOD 5是150mg/L ，已知此时k 1=0.10d -1，求该废水15℃时的BOD 5。

解题思路：已知x 5(20)＝150mg/L ，k 1(20)=0.10d -1，求x 5(15)。

x 5(20)，x 5(15) ——20℃，15℃下5天的生化需氧量，mg/L ；
k 1(20)，k 1(15) ——20℃，15℃下好氧速率常数，/d ；
L a(20)，L a(15) ——20℃，15℃下第一阶段的生化需氧量，mg/L 。

（1）由x 5(20)＝150mg/L ，利用公式)101(1t k a t L x --= ，求出L a(20)；
利用公式)6.002.0()20()(+=T L L a T a ，求出L a(15)；
（2）由k 1(20)=0.10d -1，利用公式20)20(1)(1047.1-=T T k k ，求出k 1(15)；
利用公式)101(1t k a t L x --=，求出x 5(15)。

总需氧量TOD —— 将水样中的有机物在900℃ 高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量，常用mgO/L 表示。

总有机碳TOC —— 将水样在900~950℃ 高温下燃烧，有机碳即氧化成CO 2，测量所产生的CO 2的量，即可求出水样的总有机碳值，常用mgC/L 表示。

图1-21 TOC 测定仪。

3、生物学水质指标
细菌总数 对饮用水进行卫生学评价时的依据。

大肠菌群 水体被粪便污染程度的指标。

藻类 水体营养状态指标。

4、放射性指标
总α、总β、铀、镭、钍等
生物体受过量辐照 (特别是内射)可引起各种放射病或烧伤等。

二、水质标准
水质标准 —— 环境标准的一种，它对各种水体的水质提出具体的限制和要求。

按照其功能主要分为两大类：1、针对不同用途建立相应的物理、化学和生物学的质量标准，对水中的杂质加以限制，如生活饮用水卫生标准；2、对排入水体的生活污水和工农业废水水质提出一定的限制和要求，如污水综合排放标准。

GB5749-85 生活饮用水卫生标准 GB3838-2002 地表水环境质量标准
CJ3020-93 生活饮用水水源水质标准 GB/T14848-93 地下水质量标准
GB11607-89 渔业水质标准 GB5084-92 农田灌溉水质标准
GB3097-1997 海水水质标准 GB12941-91 景观娱乐用水水质标准 B8978-1996 污水综合排放标准
下面介绍几种常用的水质标准：
《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）
依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为五类：
I 类 主要适用于源头水、国家自然保护区；
Ⅱ类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾
类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等；
Ⅲ类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、泅游通道、水
产养殖区等渔业水域及游泳区；
IV 类 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；
V 类 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。

《污水综合排放标准》（GB8978-1996）
按排放污染物的性质分为两类污染物：
（1）第一类污染物
指能在环境或动植物体内积累，对人体健康产生长远不良影响。

（要求一律在车间或车间处理设施排出口采样，最高允许排放浓度必须符合表1－7，不得用稀释法处理）
（2）第二类污染物
指长远影响小于第一类污染物质。

（要求在排污单位排放口采样，最高允许排放浓度必须符合表1－8，可用稀释法处理）
执行标准等级的确定：
（1）特殊保护水域指国家《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的Ⅰ、Ⅱ类水域，不得新建排污口，现有的排污单位由地方环保部门从严控制，以保证受纳水体水质符合规定用途的水质标准。

（2）重点保护水域指国家《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的Ⅲ类水域和《海水水质标准》 Ⅱ类水域，对排入该区水域的污水执行一级标准。

（3）一般保护水域指国家《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的Ⅳ类、Ⅴ类水域和《海水水质标准》 Ⅲ类水域，对排入该区水域的污水执行二级标准。

（4）对排入城镇下水道并进入二级污水处理厂进行生物处理的污水执行三级排放标准。

第三节 废水的成分与性质
废水按其来源分为生活污水、工业废水和农业废水三大类：
（1）生活污水——居民在日常生活活动中所产生的废水。

（2）工业废水——工业生产工程中排放出来的废水。

（3）农业废水——由农作物栽培、畜牧养殖、农产品加工等工程排出的废水。

有关废水的来源、特征、主要成分等相关内容比较简单，请参照教科书自学。

第四节 自净作用与水环境容量
经过一系列的物理、化学和生物学变化，进入水体的污染物被分离或分解，水体基本上或完全恢复到受污染前的状态。

这一自然净化过程即为水体的自净作用。

水体自净过程十分复杂，是许多因素如物理、化学、生物、物化、生化等作用共同作用的结果，但其中水体对废水的稀释、扩散、生物化学降解作用是水体自净的主要因素。

一、废水的稀释、扩散
1、稀释机理
稀释只是一物理过程，是将废水中的污染物质扩散到水体中，从而降低污染物在水体中的浓度。

导致污染物稀释的作用力有两种：（1）河流的纵向推动力，由水流速度引起，称为平流或推流；（2）河流横向的浓度推动力，由污染物质在水中的浓度差异引起，称为扩散。

上述两种作用是同时存在又相互影响的，共同使污染物质的浓度从排污口向下游逐渐降低。

2、水体混合稀释
影响废水稀释的主要因素有：（1）河水流量与废水流量；（2）废水排放口的形式；（3）河流的水文条件等。

混合系数（a ）——参与混合稀释的河水的流量Q 1与河水总流量Q 之比（Q 1≤Q ）： Q
Q a 1 （a ≤1）
流速高 a=0.9左右
流速0.2～0.3m/s a=0.7~0.8
流速低 a=0.3~0.6
稀释比（n ）——参与混合稀释的河水的流量Q 1与废水流量q 之比： q aQ q Q n ==1 计算某一断面处污染物质浓度（ρ）：
ρ1q+ρ2Q 1=ρ(q+Q 1) aQ
q aQ q Q q Q q ++=++=211121ρρρρρ 如河水中污染物质的浓度很低，可忽略，则有：aQ
q Q q 111ρρρ== 其中：ρ1——废水中污染物质浓度；
ρ2——参与混合稀释的河水中污染物质浓度；
ρ ——混合稀释后河水中污染物质浓度；
二、水体的生化自净
废水进入河流之后，除得到稀释外，其中的有机污染物质还会在微生物的作用下氧化分解，逐渐无机化，这一过程即为水体的生化自净。

1、水体中的氧
有机物被微生物氧化分解转化为无机物的过程中需要消耗氧气，因此氧气是生化自净过程中的重要因素。

（1）水体的耗氧与复氧
耗氧：有机物的碳化、硝化过程；还原态物质（SO 42-、S 2-）、底泥分解；水生植物呼吸作用； 复氧：水体和废水中原有的溶解氧；大气溶氧；水生植物光合作用。

（2）氧垂曲线
由于水体中耗氧和复氧两过程同时存在，因此当废水排入水体后，水体中的溶解氧浓度呈现一定的变化规律。

一般情况下当废水排入河流之后，河水中溶解氧的浓度将逐渐降低，经过一最低点后，河水中的溶解氧浓度又将逐渐上升，回复至废水排放前的浓度。

造成这一现象的原因？可综合考虑河流的耗氧、复氧过程和有机物的生物降解等多方面的影响：废水排入河流后，随废水带入河流中的有机物和无机盐类等为河流中的微生物提供了足够的食物和养分，使得微生物生长旺盛，从而导致该河段的耗氧速度超过复氧速度，使得河流的溶解氧浓度逐渐降低；随着生物分解过程的进行，有机物浓度逐渐降低，耗氧速度也随之减小，当排污口下游某处出现耗氧速度等于复氧速度时，该处的溶解氧浓度最低，此图1－22 污水排入后河流的水质变化
图1－23 污水排入后河流的水质
点称为最缺氧点（氧垂点）；此后，由于有机物分解殆尽，耗氧速度继续减少，复氧速度大于耗氧速度，水中溶解氧浓度上升，逐渐回复至排污前的含量。

氧垂曲线：以各点离排污口的距离为横坐标；各点的溶解氧浓度为纵坐标，可得氧垂曲线。

氧垂曲线的形状会因各种条件（如：废水中有机物浓度、废水和河水流量、河道弯曲状况、、水流湍急情况等）的不同而有一定的差异，但总的趋势是相似的。

如果河流所受的有机污染低于其自净能力，氧垂曲线的最缺氧点的溶解氧量将大于零，河水始终呈现好氧状态；反之，河流将出现无氧段，长期的无氧状态会导致河流水质的恶化，难以恢复。

2、氧垂曲线公式
耗氧和复氧两过程是引起水中溶解氧变化的主要因素。

因此在对耗氧和复氧两过程定量描述的基础上，可以得出氧垂曲线公式。

设：废水排入河流t 日后，耗氧量X 1mg/L ，复氧量X 2 mg/L ，实际溶解氧量X mg/L ，
则有： X ＝X 2－X 1
t 日内水中溶解氧量的实增率为： dt
dX dt dX dt dX 12-= 耗氧速率dt
dX 1与有机物BOD 的衰减速度一致，则： L k dt dX '=11 k 1'——耗氧速率常数，1/d
L ——水体BOD 值，mg/L
dt
dX 2复氧速率与该时刻的亏氧量D 成正比，则： D k dt dX '=22 k 2'——复氧速率常数，1/d
D ——亏氧量（溶解氧亏缺量），mg/L ，某一温度时水中溶解氧平衡浓度S （即饱和溶解氧量）与实际溶解氧浓度X 之差，即： X S D -=
对上式进行微分，可得：
dt dX dt X S d dt dD -=-=)( 联合可得： D k L k dt
dD '-'=21 对上式积分得：t k t k t k a t e D e e k k L k D '-'-'-⨯+-'-''=22101
21)( t k t k t k a t D k k L k D 22110)1010(01
21---⨯+--= 其中（k 1=0.434k 1'，k 2=0.434k 2'） D t ——废水排入河流t 日后，河水与废水混合水中的亏氧量，mg/L ；
D 0——废水排入处（受污点）河水与废水混合水中的亏氧量，mg/L ；
L a ——废水排入处（受污点）河水与废水混合水的第一阶段BOD ，也即L 0，mg/L ； 利用上述方程可求出氧垂曲线上任一点处的亏氧量。

废水排入河流后溶解氧最低点——临界点的情况：
c t k c L k k D 110021-⨯= ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡---=0112012
12)(1lg 1L k k k D k k k k t c D c ——临界点的亏氧量，mg/L ；
t c ——从废水排入处（受污点）到临界点所需的时间，mg/L ；
k 2，k 2'——复氧速率常数，1/d ，k 2=0.434k 2'，与许多因素有关，其中包括河流的湍急程度、水流速度、河床特征、水深、河水表面积以及水温等。

一般在水温20℃条件下，水流速度小于0.5m/s 时k 2可取0.2/d ；如果是急流，k 2可取0.5/d ，有时甚至可高达1.0/d 。

具体取值可参考教科书p51表1－14。

k 2与水温的关系：1212)(2)(2T T T T k k -=θ 20)20(2)(2016.1-=T T k k
例1-6：某城市污水处理厂的出水排入一河流。

最不利的情况将发生在夏季气温高而河水流量小的时候。

已知废水最大流量为15000m 3/d ，BOD 5＝30mg/L ，DO ＝2mg/L ，水温25℃。

废水排入口上游处河流最小流量为0.5m 3/s ，BOD 5＝4mg/L ，DO ＝5mg/L ，水温22℃。

假定废水和河水能瞬时完全混合，耗氧速度常数为k 1＝0.10/d ，复氧速度常数为k 2＝0.17/d （20℃）。

试求临界亏氧量及其发生的时间。

解题思路：题目要求D c ，t c 两量， 由公式c t k c L k k D 110021-⨯=，⎥⎦
⎤⎢⎣⎡---=0112012
12)(1lg 1L k k k D k k k k t c 可知要求D c ，t c 则应先求混合温度下的k 1，k 2，L 0，D 0。

20)20(1)(10147.1-=T T k k ， 20)20(2)(2016.1-=T T k k
)101()101(110t k t k a i L L x ---=-= x i ——混合后（混合温度下）的BOD 5。

X S D -= 22.8℃饱和溶解氧量S 为8.7mg/L ；X ——DO ，溶解氧浓度，mg/L 。

将上述结果求出代入公式即可求出D c ，t c 两量。

三、水体中细菌的死亡
在水体的自净过程中，有机物浓度、溶解氧、微生物（细菌）的种类数量均呈现一定的变化规律。

对细菌等微生物而言，当含有有机物的废水排入水体后，水体中以细菌为主的微生物吞食有机物，并大量繁殖，数量大大增加。

但随着微生物的增多，水体的溶解氧将减少，有机物降解殆尽引起的生存竞争将越发激烈，以及水生生物对微生物的吞噬均导致水体中微生物数量经过一最高点后开始减少，最终恢复至初。

按各河段微生物数量、种类的变化规律以及溶解氧、水质等状况将河段分为四个区：降解区、强分解区、恢复区和清洁区。

1、降解区
外观特征：
（1）暗灰色，很浑浊，含大量有机物，BOD 高，溶解氧极低(或无)，为厌氧状态。

图1－24 微生物物种和数量变化示意图。