污水處理講座第二講

第二講

水體自凈1.水體自凈

(self-purificationofwaterbody)

水體自凈是指受污染的水體由于物理、化學(xué)、生物等方面的作用，使污染物濃度逐漸降低，經(jīng)過一段時間后恢復(fù)到受污染前的狀態(tài)。這一過程即水體自凈。2.水體自凈機(jī)理

物理作用：稀釋、沉淀（強(qiáng)）化學(xué)作用：氧化、還原等對污染物的降解（弱）生物作用：生物降解（食物鏈）（強(qiáng)）廢物、排泄物物理自凈污染物在水體中混合稀釋和自然沉淀過程。混合稀釋只能降低水中污染物的濃度，不能減少其總量。沉淀作用指排入水體的污染物中含有的微小懸浮顆粒，如重金屬、蟲卵等由于流速較小逐漸沉到水底。化學(xué)自凈氧化還原反應(yīng)是化學(xué)凈化的重要作用,溶解氧與水中的污染物將發(fā)生氧化反應(yīng)，生成難溶物而沉降析出。如Fe鹽氧化。Fe+Fe3+Fe(OH)3還原作用:如Cr6+還原為Cr3+

O2生物自凈水中微生物在溶解氧充分的情況下，將一部分有機(jī)污染物當(dāng)作食餌消耗，同時將另一部分有機(jī)污染物氧化分解成無害的簡單無機(jī)物。影響生物自凈作用的關(guān)鍵是：溶解氧的含量和有機(jī)物的性質(zhì)、濃度及微生物的種類、數(shù)量等。提問：水體自凈速度有哪些限制因素？物理？凈水流量、流速、污染物物理性質(zhì)化學(xué)？地域、季節(jié)、天氣生物？生物種類、數(shù)量（營養(yǎng)物濃度、環(huán)境因子）、代謝的極限速度因此水體的自凈速度是有限的。在正常情況下，水體單位時間內(nèi)通過正常生物循環(huán)中能夠同化有機(jī)污染物的最大數(shù)量稱為自凈容量。在自凈容量范圍內(nèi)水體的凈化是如何進(jìn)行的呢？3.自凈的過程水體自凈過程大致如下a.污水排入河流的混合過程b.持久污染物的稀釋擴(kuò)散物理作用有機(jī)污染物排入水體后被水稀釋，有機(jī)和無機(jī)固體沉降到河底；c.非持久污染物的稀釋擴(kuò)散d.水體的氧平衡生物作用溶氧↓溶解氧↑好氧菌↑好氧菌↓有機(jī)物降解厭氧菌↑自然溶氧、藻類產(chǎn)氧

污水排入河流的混合過程(1)豎向混合階段污染物排入河流后因分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散和彌散作用逐步向河水中分散，從排放口到深度上達(dá)到濃度分布均勻。(2)橫向混合階段當(dāng)深度上達(dá)到濃度分布均勻后，在橫向上還存在混合過程。經(jīng)過一定距離后污染物在整個橫斷面達(dá)到濃度分布均勻。(3)斷面充分混合后階段在橫向混合階段后，污染物濃度在橫斷面上處處相等。河水向下游流動的過程中，持久性污染物濃度將不再變化，非持久性污染物濃度將不斷減少。河流污染和自凈過程圖污水自凈提問：原理？被污染的水體都是自凈水體！但自凈恢復(fù)的程度不同，或稱污染現(xiàn)狀不同。4．衡量水體污染與自凈的指標(biāo)

提問：用什么指標(biāo)可以衡量河段水體污染與自凈所處的階段?水體外觀、化學(xué)指標(biāo)、溶解氧等山東小清河水體外觀外觀特征：混濁程度、顏色及氣味等原因：水中細(xì)菌種類數(shù)量、懸浮物種類數(shù)量污染前污染

凈化開始

持續(xù)結(jié)束

外觀:無色暗灰色

灰色

繼續(xù)變清

無色澄清透明很混濁、臭

混濁

濁度下降澄清透明

水面有泡沫

泡沫減少溶解于水中的分子態(tài)氧稱為溶解氧，它是水生生物主要的生存條件之一。天然水中溶解氧的含量與大氣壓力、空氣中氧的分壓和水溫等因素密切相關(guān)。大氣壓力減小，溶解氧量也減小。溫度升高，溶解氧量也顯著下降。水中含鹽量增加，也會使溶解氧量降低。表1列出在101.3Kp的大氣壓力下，空氣中氧含量20.9%時，氧在水中的溶解度。溶解氧溫度℃溶解氧mg/L014.6512.81011.31510.2209.225308.47.6表1不同溫度下氧在水中的溶解度污染前污染凈化開始持續(xù)結(jié)束

溶氧變化：穩(wěn)定迅速下降快速增大緩慢增大穩(wěn)定溶解氧可以用溶解氧測定儀隨時測定并迅速地得出結(jié)果。

在這個過程中，復(fù)氧和耗氧同時進(jìn)行。溶解氧的變化狀況反映了水體中有機(jī)污染物凈化的過程，因而可把溶解氧作為水體自凈的標(biāo)志。溶解氧的變化可用氧垂曲線表示。

5.水體的氧平衡（氧垂曲線，OxygenSagCurve）核心：有機(jī)物耗氧分解（微生物作用）氧垂曲線作用：反映河流中耗氧過程和復(fù)氧過程的綜合作用。臨界點(diǎn)：污染最嚴(yán)重的一點(diǎn)。（臨界點(diǎn)前后為水質(zhì)惡化區(qū)）溶解氧DO的變化情況：當(dāng)耗氧速率>復(fù)氧速率時溶解氧曲線呈下降趨勢當(dāng)耗氧速率=復(fù)氧速率時溶解氧曲線最低點(diǎn)，即最缺氧點(diǎn)當(dāng)耗氧速率<復(fù)氧速率時溶解氧曲線呈上升趨勢P

該圖DO曲線反應(yīng)了耗氧和復(fù)氧的協(xié)同作用。最低點(diǎn)P為最缺氧點(diǎn)。若P點(diǎn)的溶解氧量大于有關(guān)規(guī)定的量，從溶解氧的角度看，說明污水的排放未超過水體的自凈能力。若排入有機(jī)污染物過多，超過水體的自凈能力，則P點(diǎn)低于規(guī)定的最低溶解氧含量（小于3mg/L魚類不能生存），甚至在排放點(diǎn)下的某一段會出現(xiàn)無氧狀態(tài)，此時氧垂曲線中斷，說明水體已經(jīng)污染。在無氧情況下，水中有機(jī)物因厭氧微生物作用進(jìn)行厭氧分解，產(chǎn)生硫化氫、甲烷等，水質(zhì)變壞，腐化發(fā)臭。提問：三個地段中氮元素的形態(tài)如何變化？根據(jù)：硝化細(xì)菌（耗氧）、反硝化細(xì)菌（無氧）的特點(diǎn)污染帶：氨高，無亞硝酸和硝酸根離子(厭氧反硝化)恢復(fù)帶：氨較少，微量亞硝酸根離子，硝酸根離子逐漸增加清潔帶：氨和亞硝酸根離子濃度很低，有硝酸根離子過程：有機(jī)氮—氨—亞硝酸根—硝酸根—氮?dú)?.

持久污染物的稀釋擴(kuò)散

持久性有機(jī)物持久性物質(zhì)是指化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，難于降解轉(zhuǎn)化，在環(huán)境中不易消失，能長時間滯留的物質(zhì)，如，重金屬、陰離子等，符合這些條件的有機(jī)物，即持久性有機(jī)物（PersistentOrganicPollutants,簡稱POPs）?！端沟赂鐮柲s》的附件對持久性的規(guī)定是：在水中的半衰期大于2個月或在土壤中、水體沉積物中的半衰期大于6個月。式中：ρ—排放口下游河水的污染物濃度；

ρW，qVw—污水的污染物濃度和流量

ρh，qVh—上游河水污染物濃度和流量。

例題:

某河水流量為0.225m3/s,某持久性污染物A濃度為4.91mg/L,某廠排入河水的廢水量為536m3/d(0.006m3/s),同一持久性污染物A的濃度為25mg/L。假設(shè)廢水與河水在廠排污口下游500米處達(dá)到完全混合，若此河段無其他廢水排入，試計算在下游500米處河水中污染物A的濃度。解：C=（0.225×4.91+0.006×25）/（0.225+0.006）

=5.43mg/L

式中：u—河水流速；

x—初始點(diǎn)至下游x斷面處的距離；

Mx—縱向分散系數(shù)；

K—污染物分解速率常數(shù)；

ρ0—初始點(diǎn)的污染物濃度；

ρ—x斷面處的污染物濃度。7、非持久性污染物的稀釋擴(kuò)散和降解8.水體的氧平衡

需氧污染物排入水體后即發(fā)生生物化學(xué)分解作用，在分解過程中消耗水中的溶解氧。在一維河流和不考慮擴(kuò)散的情況下，河流中的可生物降解有機(jī)物和溶解氧的變化可以用S-P(Streeter-Phelps)公式模擬。S-P模型是研究河流中溶解氧變化的最早、最簡單的耦合模型。它迄今仍得到廣泛地應(yīng)用（環(huán)評），也是研究各種修正模型和復(fù)雜模型的基礎(chǔ)。它假設(shè)：氧化和復(fù)氧都是一級反應(yīng)；反應(yīng)速率常數(shù)是一個定常數(shù)；虧氧的濃度變化僅是水中有機(jī)物耗氧和通過氣-液界面的大氣復(fù)氧的函數(shù)。氧的消耗

運(yùn)算后得或1.有機(jī)物的生物氧化2.硝化作用：水中存在氨，硝化作用會消耗溶解氧。3.水底沉泥的分解。4.水生植物的呼吸作用。5.無機(jī)還原性物質(zhì)的影響。虧氧量水中氧飽和溶解度C與實(shí)際溶解氧含量X的差值

D=C–X復(fù)氧速度即空氣中的氧溶入水中的速度，與水中的虧氧量成正比。復(fù)氧速度∝虧氧量

∴

d(D0-D)/dt=K2

式中D—起點(diǎn)虧氧量(mg/L)—t時刻水中的虧氧量(mg/L)K2

—

復(fù)氧常數(shù)（日-1）

dD/dt=-K2ρD

計算后得㏑（D/D0）=-K2

t

D/D0=e-K2t

或lg(D/D0)=-K2tD/D0=10-K2t

其中K2=0.434K2'(復(fù)氧常數(shù))D//在,,的初值條件下求得上述微分方程的解為：

D=

D0e-K2tdρD/dt

=K1ρL-K2ρD式中：——x和x=0處的河水BOD5

濃度，mg/L——x和x=0處的河水虧氧濃度，mg/L—x和x=0處的河水溶解氧濃度，mg/L

河水的飽和溶解氧濃度，mg/L；

t初始點(diǎn)至下游x斷面處的河水流行時間，d，t=x/uK1

耗氧系數(shù)

K2

復(fù)氧系數(shù)二、污染物在不同水體中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律

a.河流污染物在河流中的擴(kuò)散和分解受到河流的流量、流速、水深等因素的影響。b.河口河流進(jìn)入海洋前的感潮河段。河口污染物的遷