第十三章 水体自净(self-purification)

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。
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
式中：
——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
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
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
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）
（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。
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）
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。
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)
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。
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
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
(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。 (Baidu Nhomakorabea)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。
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
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）/
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
《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
溶解氧DO的变化情况： 当耗氧速率 > 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
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。
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。
• 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。
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）。
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
D= - K2 e D0 t
dρD /dt =K1ρL - K2ρD
• 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。