第二章 水体自净 ( self－purification)

1. 第二章 水体自净(self－purification)

2. 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。

3. 2.水体自净机理 • 物理作用：稀释、沉淀 （强） • 化学作用：氧化、还原等对污染物的降解 （弱） • 生物作用：生物降解（食物链） （强） 废物、排泄物

4. 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。

5. 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+ Fe3+ Fe(OH)3 • 还原作用: 如Cr6+ 还原为Cr3+ O2

6. 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。

7. 水体自净速度有哪些限制因素？ • 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循环中能够同化有机污染物的最大数量称为自净容量。 • 物理？ • 净水流量、流速、污染物物理性质 • 化学？ • 地域、季节、天气 • 生物？ • 生物种类、数量（营养物浓度、环境因子）、代谢的极限速度 • 在自净容量范围内水体的净化是如何进行的呢？

8. 生物作用 • 溶氧↓ 溶解氧↑ • 好氧菌↑ 好氧菌↓ 有机物降解 • 厌氧菌↑ 自然溶氧、藻类产氧 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

9. 污水排入河流的混合过程 (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。

11. 污水 自 净 河流污染和自净过程图

12. 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。

13. 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。

15. 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。

17. -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，有机氮已转变为NH4+、NO2-和NO3- ，CO2与H2S含量减少。

18. 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。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。

21. 寡污带(oligosaprobic zone) • 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-。 • 指示生物：鱼腥蓝细菌 、隔板硅藻 、黄群藻 、玫瑰旋轮虫及其它藻类，钟虫、旋轮虫、水生植物与鱼类等。

24. 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。

25. 有机物的自净过程分三阶段

26. 水 体 自 净 过 程 的 特 征

27. 山东小清河 4．衡量水体污染与自净的指标 • 水体外观、化学指标、溶解氧等 提问：用什么指标可以衡量河段水体污染与自净所处的阶段?

28. 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 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

29. 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

30. 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

31. 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。

32. 表1 不同温度下氧在水中的溶解度

33. 污染前 污染 净化开始 持续 结束 溶氧变化： • 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。

34. 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）

35. 溶解氧DO的变化情况： 当耗氧速率 > 复氧速率时 溶解氧曲线呈下降趋势 当耗氧速率 = 复氧速率时 溶解氧曲线最低点，即最缺氧点 当耗氧速率 < 复氧速率时 溶解氧曲线呈上升趋势 P

36. 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。

37. 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 过程：有机氮—氨—亚硝酸根—硝酸根—氮气

38. 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）。 《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。

39. 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。

40. 例题: 某河水流量为0.225 m3/s,某持久性污染物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。

41. 解： ρ = （0.225× 4.91+0.006×25）/ （0.225+0.006） = 5.43 mg/L

42. 7、非持久性污染物的稀释扩散和降解 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。

43. 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(Streeter-Phelps)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。

44. 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。

45. 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 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 计算后得 ㏑（ D / D0）= - K2t D / D0 = e- K2 t 或 lg ( D / D0) = - K2t D / D0 = 10-K2t 其中 K2 = 0.434K2' (复氧常数) D / /

46. 在 , , 的初值条件下求得上述微分方程的解为： D =D0 e- K2 t dρD /dt =K1ρL - K2ρD

47. 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； t 初始点至下游x断面处的河水流行时 间，d，t=x/u K1耗氧系数 K2复氧系数

48. 二、污染物在不同水体中的迁移转化规律 a.河流 污染物在河流中的扩散和分解受到河流的流量、流速、水深等因素的影响。 b.河口 河流进入海洋前的感潮河段。河口污染物的迁移转化受潮汐影响，受涨潮、落潮、平潮时的水位、流向和流速的影响。会因水流不断回荡，延长停留时间，甚至影响排放口上流的河水。

49. c.湖泊、水库 贮水量大，水流较慢，对污染物的稀释、扩散能力较弱。易在局部形成污染。水深超过一定深度时，会产生温度分层。 d.海洋 巨大的自净能力，但海湾或海域局部的纳污和自净能力差别很大。 e.地下水 污染是一个缓慢的过程，一旦污染难以恢复，污染物在地下水中的迁移转化受多种因此影响。