環(huán)境化學(xué)課件：水質(zhì)模型

1、LOGOwww.theme 第四節(jié)水質(zhì)模型第四節(jié)水質(zhì)模型污染物進(jìn)入水環(huán)境后，由于物理、化學(xué)和生物作用的綜合效應(yīng)，其行為的變化是十分復(fù)雜的，很難直觀的了解他們的變化和趨勢-借助水質(zhì)模型，描述污染物在水環(huán)境中的復(fù)雜規(guī)律及其影響因素之間的互相關(guān)系基本原理:根據(jù)質(zhì)量守恒原理三個(gè)發(fā)展階段：簡單的氧平衡模型階段形態(tài)模型階段多介質(zhì)環(huán)境結(jié)合生態(tài)模型階段LOGOwww.theme v氧平衡模型 Streeter-Phelps模型（SP模型） 假定河流的自凈過程中存在著兩個(gè)相反的過程、既有機(jī)污染物在水體中先發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗水體重的氧，其速率與其在水中的有機(jī)污染物濃度成正比，同時(shí)大氣中的氧不斷進(jìn)入水體，其速率與水

2、中的氧虧植呈正比。根據(jù)質(zhì)量守橫原理、提出一維穩(wěn)態(tài)河流的BODDO耦合模型的基本方程式LOGOwww.theme LOGOwww.theme SP模型是描述污染物進(jìn)入河流水體后，耗模型是描述污染物進(jìn)入河流水體后，耗氧過程和復(fù)氧過程這兩者的平衡狀態(tài)。溶解氧氧過程和復(fù)氧過程這兩者的平衡狀態(tài)。溶解氧在水中的變化過程為一下垂的曲線，溶解氧濃在水中的變化過程為一下垂的曲線，溶解氧濃度有一個(gè)最低植，稱為極限溶解氧度有一個(gè)最低植，稱為極限溶解氧Cc。出現(xiàn)。出現(xiàn)Cc的距離稱為極限距離的距離稱為極限距離Xc, 根據(jù)這一點(diǎn)，溶解氧根據(jù)這一點(diǎn)，溶解氧變化率為零。用變化率為零。用SP方程，既得溶解氧沿河變方程，既得溶解

3、氧沿河變化圖化圖LOGOwww.theme 湖泊富營養(yǎng)化預(yù)測模型湖泊富營養(yǎng)化預(yù)測模型 多元相關(guān)模型、輸入輸出模型、富營養(yǎng)化預(yù)測模型和擴(kuò)散模型 人湖污染物為氮、磷等營養(yǎng)物時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，湖水中污染物濃度的變化不僅與進(jìn)出湖泊的數(shù)量有關(guān)，而且還受其沉降速度的影響LOGOwww.theme v 預(yù)測模型的基本表達(dá)式如下：v V(dc/dt)=Ip-qc-pVcv 簡化后得：v dc/dt=(Ip/V)-(Pw+p)cv 式中：c湖水年平均總磷濃度，mg/Lv Ip 輸入湖泊磷的總量，g/d v Pw水力沖刷系數(shù)，Pw=q/V,d-1v q出湖河道流量，m3/d v V湖泊容積，m3v p磷的沉降

4、速度常數(shù)，d-1v t河水入湖時(shí)間,d,v 該方程解為：v c= Ip/V(Pw+p)-1-V(Pw+p)c0/ Ipe-(Pw+p)tv 式中：c入湖河水的磷濃度，mg/LLOGOwww.theme 有毒有機(jī)污染物的歸趨模型有毒有機(jī)污染物的歸趨模型有機(jī)物有機(jī)物-毒性毒性進(jìn)入環(huán)境分解為無毒物的速度快慢如何進(jìn)入環(huán)境分解為無毒物的速度快慢如何一個(gè)毒性大而分解快的有機(jī)物未必毒性小而分解慢的有機(jī)物危害來得一個(gè)毒性大而分解快的有機(jī)物未必毒性小而分解慢的有機(jī)物危害來得大大許多有毒有機(jī)物在受到控制（例如進(jìn)行治理）的情況下未必絕對不能許多有毒有機(jī)物在受到控制（例如進(jìn)行治理）的情況下未必絕對不能使用。使用。只有

5、那些持久性（難分解）的優(yōu)先污染物才在禁用或嚴(yán)格控制之列。只有那些持久性（難分解）的優(yōu)先污染物才在禁用或嚴(yán)格控制之列。其他有機(jī)物，如果控制處置得當(dāng)，不但不是污染物，而且是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的其他有機(jī)物，如果控制處置得當(dāng)，不但不是污染物，而且是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的資源。資源。LOGOwww.theme v 水、土水、土環(huán)環(huán)境中各境中各種種有機(jī)毒物的有機(jī)毒物的預(yù)測預(yù)測模型模型v 預(yù)測污預(yù)測污染物在染物在環(huán)環(huán)境中境中濃濃度的度的時(shí)時(shí)空分布及通空分布及通過過各各種遷種遷移移轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化過過程后的程后的歸趨歸趨v 設(shè)設(shè)想在模型中只出想在模型中只出現(xiàn)現(xiàn)表征化合物固有性表征化合物固有性質(zhì)質(zhì)的的參數(shù)參數(shù)v 要建立要建立這種這種模型

6、只有充分模型只有充分研研究化合物的各究化合物的各種遷種遷移移轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化過過程的機(jī)理，程的機(jī)理，并并且要特且要特別別著重著重動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)的的研研究究LOGOwww.theme LOGOwww.theme 負(fù)載過程（輸入過程負(fù)載過程（輸入過程）污水排放速率、大氣沉降以及地表徑流引入有機(jī)毒物至天然水體均將直接影污水排放速率、大氣沉降以及地表徑流引入有機(jī)毒物至天然水體均將直接影響污染物在水中的濃度響污染物在水中的濃度酸堿平衡酸堿平衡：天然水：天然水中中pH值決定著有值決定著有機(jī)酸或堿以中性態(tài)機(jī)酸或堿以中性態(tài)或離子態(tài)存在的分或離子態(tài)存在的分?jǐn)?shù)，因而影響揮發(fā)數(shù)，因而影響揮發(fā)及其他作用及其他作用形態(tài)過程：形態(tài)

7、過程：吸著作用吸著作用：疏水有：疏水有機(jī)化合物吸著至懸機(jī)化合物吸著至懸浮物上，由于懸浮浮物上，由于懸浮物質(zhì)的遷移而影響物質(zhì)的遷移而影響他們以后的歸趨他們以后的歸趨LOGOwww.theme 遷遷移移過過程程v 沉淀沉淀溶解作用：溶解作用：污污染物的溶解度范染物的溶解度范圍圍可限制可限制污污染物在染物在遷遷移、移、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化過過程中的可利用性或者程中的可利用性或者實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)上改上改變變其其遷遷移速率移速率v 對對流作用：水力流流作用：水力流動(dòng)動(dòng)可可遷遷移溶解的或者被移溶解的或者被懸懸浮物吸附的浮物吸附的污污染染物物進(jìn)進(jìn)入或排出特定的水生生入或排出特定的水生生態(tài)態(tài)系系統(tǒng)統(tǒng)v 揮發(fā)揮發(fā)作用：有機(jī)作用：有

8、機(jī)污污染物可能染物可能從從水體水體進(jìn)進(jìn)入大入大氣氣，因而，因而減減少其在少其在水中的水中的濃濃度度v 沉沉積積作用：作用：污污染物被吸附沉染物被吸附沉積積于水體底部或于水體底部或從從底部沉底部沉積積物中物中解吸，均可改解吸，均可改變污變污染物的染物的濃濃度。度。LOGOwww.theme 轉(zhuǎn)化過程轉(zhuǎn)化過程生物降解作用生物降解作用光解作用光解作用水解作用水解作用氧化還原作用氧化還原作用v微生物代微生物代謝污染物并謝污染物并在代謝過程在代謝過程中改變它們中改變它們的毒性的毒性v污染物對污染物對光的吸收有光的吸收有可能導(dǎo)致影可能導(dǎo)致影響它們毒性響它們毒性的化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生的發(fā)生v一個(gè)化合一個(gè)

9、化合物與水作用物與水作用通常產(chǎn)生較通常產(chǎn)生較小的、簡單小的、簡單的有機(jī)產(chǎn)物的有機(jī)產(chǎn)物涉及減少或涉及減少或增加電子在增加電子在內(nèi)的有機(jī)污內(nèi)的有機(jī)污染物以及金染物以及金屬的反應(yīng)都屬的反應(yīng)都強(qiáng)烈地影響強(qiáng)烈地影響環(huán)境參數(shù)環(huán)境參數(shù)LOGOwww.theme 生物濃縮作用：通生物濃縮作用：通過可能的手段如通過可能的手段如通過魚鰓的吸附作用，過魚鰓的吸附作用，將有機(jī)污染物攝取將有機(jī)污染物攝取至生物體至生物體生物累積過程生物累積過程生物放大作用：高生物放大作用：高營養(yǎng)級生物以消耗營養(yǎng)級生物以消耗攝取有機(jī)毒物進(jìn)入攝取有機(jī)毒物進(jìn)入生物體的低營養(yǎng)級生物體的低營養(yǎng)級生物為食物，使生生物為食物，使生物體中有毒物的濃物體

10、中有毒物的濃度隨營養(yǎng)級的提高度隨營養(yǎng)級的提高而逐步增大而逐步增大LOGOwww.theme v 首先，從研究單個(gè)的主要遷移轉(zhuǎn)化過程著手，單個(gè)過程的模型是整個(gè)模型的首先，從研究單個(gè)的主要遷移轉(zhuǎn)化過程著手，單個(gè)過程的模型是整個(gè)模型的基礎(chǔ)。并認(rèn)為各單個(gè)過程使某種化合物從水環(huán)境中消失速率之和是該化合物基礎(chǔ)。并認(rèn)為各單個(gè)過程使某種化合物從水環(huán)境中消失速率之和是該化合物在水環(huán)境中消失的總速率。再假定每種過程速率都是一級反應(yīng)過程，因而總在水環(huán)境中消失的總速率。再假定每種過程速率都是一級反應(yīng)過程，因而總速率也是一級反應(yīng)。這基本上于在天然水環(huán)境中距離污染源較遠(yuǎn)、污染物濃速率也是一級反應(yīng)。這基本上于在天然水環(huán)境中

11、距離污染源較遠(yuǎn)、污染物濃度很低的地方實(shí)際情況是吻合的度很低的地方實(shí)際情況是吻合的v 其次，模型中既要有化合物固有性質(zhì)的參數(shù)，又要有表征環(huán)境特征的參數(shù)，其次，模型中既要有化合物固有性質(zhì)的參數(shù)，又要有表征環(huán)境特征的參數(shù)，這樣似乎應(yīng)為二級反應(yīng)式。但如果一但環(huán)境定下來了，則速率的方程就又變這樣似乎應(yīng)為二級反應(yīng)式。但如果一但環(huán)境定下來了，則速率的方程就又變成準(zhǔn)一級反應(yīng)式了。為此假定有機(jī)物的存在不改變環(huán)境參數(shù)，例如不會(huì)改變成準(zhǔn)一級反應(yīng)式了。為此假定有機(jī)物的存在不改變環(huán)境參數(shù)，例如不會(huì)改變水體的水體的pHpH值、對光的吸附系數(shù)和細(xì)菌總數(shù)等。由于污染物在水環(huán)境中的濃度值、對光的吸附系數(shù)和細(xì)菌總數(shù)等。由于污染物

12、在水環(huán)境中的濃度很低，這個(gè)假定也是合乎實(shí)際情況的很低，這個(gè)假定也是合乎實(shí)際情況的v 第三，假定吸著速率遠(yuǎn)快于揮發(fā)和各種轉(zhuǎn)化的速率。但實(shí)際上吸著過程并不第三，假定吸著速率遠(yuǎn)快于揮發(fā)和各種轉(zhuǎn)化的速率。但實(shí)際上吸著過程并不是瞬間完成的，雖然一般講，它的過程比各轉(zhuǎn)化過程快。因此這種模型不能是瞬間完成的，雖然一般講，它的過程比各轉(zhuǎn)化過程快。因此這種模型不能適用于污染源附近的濃度分析，它只反映長時(shí)間的大范圍的環(huán)境的情況。因適用于污染源附近的濃度分析，它只反映長時(shí)間的大范圍的環(huán)境的情況。因此，這種模型只采用一維的和穩(wěn)態(tài)的處理方法此，這種模型只采用一維的和穩(wěn)態(tài)的處理方法LOGOwww.theme v 用簡單的

13、公式敘述歸趨模型v 計(jì)算有機(jī)物因揮發(fā)和轉(zhuǎn)化過程而從水環(huán)境中消失的速率v 吸著過程對有機(jī)物消失過程的影響v 對于一個(gè)被研究的水生態(tài)系統(tǒng)，考慮有機(jī)物的輸入、稀釋及最終從系統(tǒng)中輸出的速率，從而計(jì)算在系統(tǒng)內(nèi)的濃度和半衰期。有機(jī)物從大氣返回到水體包括在輸入項(xiàng)內(nèi)LOGOwww.theme 有機(jī)物的消失速率有機(jī)物由于各種轉(zhuǎn)化過程和揮發(fā)過程消失的總速率（RT）是各消失速率（Ri）的總和。RT=Ri=c(KiEi)式中：Ki第i過程的速率常數(shù)；Ei對于第i過程在動(dòng)力學(xué)上起重要租用的環(huán)境參數(shù)（例如，水體pH值、光強(qiáng)、細(xì)菌總數(shù)等）；c化合物的濃度環(huán)境參數(shù)在一定的環(huán)境地區(qū)和時(shí)間內(nèi)就保持不變，這樣Ki（Ei) 就可以用

14、準(zhǔn)一級反應(yīng)速率常數(shù)表示RT=cki KT=Ki=Kvm+Kb+Kh+Kp式中：RT污染物由于轉(zhuǎn)化和揮發(fā)消失的總準(zhǔn)一級反應(yīng)速率常數(shù)；Kvm揮發(fā)速率常數(shù)； Kb生物降解速率常數(shù)；Kp光解速率常數(shù)； Kh水解速率常數(shù)。LOGOwww.theme 2.吸著的影響吸著的影響 前提前提 假定在顆粒物上不存在轉(zhuǎn)化過程，而且吸著是完全可逆的，或比起溶液中假定在顆粒物上不存在轉(zhuǎn)化過程，而且吸著是完全可逆的，或比起溶液中的轉(zhuǎn)化過程的速率快的多，如前節(jié)介紹，當(dāng)有機(jī)物濃度很低時(shí)，它在水與顆粒物（沉的轉(zhuǎn)化過程的速率快的多，如前節(jié)介紹，當(dāng)有機(jī)物濃度很低時(shí)，它在水與顆粒物（沉積物或生物群）之間的分配，往往可用分配系數(shù)（積物

15、或生物群）之間的分配，往往可用分配系數(shù)（Kp）來表示。因此，在一個(gè)水）來表示。因此，在一個(gè)水-顆顆粒物體系中有機(jī)物在水中的濃度（粒物體系中有機(jī)物在水中的濃度（cw）就可表達(dá)為：）就可表達(dá)為：這一關(guān)系說明，除非在顆粒物上有機(jī)物轉(zhuǎn)化過程的速率大于水中的轉(zhuǎn)化這一關(guān)系說明，除非在顆粒物上有機(jī)物轉(zhuǎn)化過程的速率大于水中的轉(zhuǎn)化速率，吸著的凈效應(yīng)是降低有機(jī)毒物從水中消失的總速率，顆粒物的吸速率，吸著的凈效應(yīng)是降低有機(jī)毒物從水中消失的總速率，顆粒物的吸著將增加半衰期：著將增加半衰期：LOGOwww.theme 穩(wěn)定時(shí)的濃度穩(wěn)定時(shí)的濃度 上述方程僅僅描述了水體沒有輸入和輸出時(shí)有機(jī)毒物上述方程僅僅描述了水體沒有輸入和輸出時(shí)有機(jī)毒物的歸趨。實(shí)際上有機(jī)毒物總以一定的速率（的歸趨。實(shí)際上有機(jī)毒物總以一定的速率（Ri）輸入給水體）輸入給水體的。