5.3 水体自净在线视频

我们前面介绍了水体污染

那么接下来呢我们来学习水体的自净

首先呢我们看一下水体的自净的定义

水体自净呢是水体在环境容量的范围之内

经过自身的物理化学和生物作用

使受纳的污染物浓度不断降低

而逐渐恢复到原来的水质

这样的一个过程就叫做水体自净

那么水体自净呢

它包括污染物的迁移转化和衰减的变化

那么具体来说呢其中呢是包含着

物理过程化学过程和生物过程

那么在水体自净当中呢所涉及到的物理过程呢

包括紊动扩散 移流 离散

其中涉及的化学过程呢

主要是氧化还原 混凝沉淀等等

那么生物过程

主要就是生物微生物对污染物的一个降解

那么我们首先来看一下就是这个物理的过程

也就是污染物在河流当中的混合与扩散

那么事实上呢我们废水排放到天然水体之中呢

最先发生的一个过程

就是废水和我们的河水或我们的受纳水体

它们的一个混合稀释的过程

尤其是对于大多数持久性污染物来说

由于它们很难被降解所以混合稀释

是持久性污染物迁移的最主要的方式

那么即使对于容易降解的污染物来说

混合稀释呢也是它们迁移的一种重要的方式

水体它的混合稀释它的扩散能力

是和水体的水文特征密切相关的

我们来看河流水体污染物的混合扩散的过程

那么废水排入到河流之后呢

它不断的与河水发生混合交换作用

在这个过程当中呢它可以使保守的污染物

沿着流程逐渐降低

这一过程就是混合稀释的过程

那么我们污水排入到河流的入河口的这一点呢

我们称之为污水的注入点

那么污水注入点以下的河段

污染物在断面上的浓度在初期分布是不均匀的

我们靠近排放口一侧它的岸边浓度是比较高的

而在远离排放口对岸的浓度呢是比较低

那么随着河水向前的流逝污染物污水也和河水

不断的发生着这样的一个稀释的作用

那么最终呢污染物呢在整个断面上的分布呢

它是趋向于逐渐均匀的

当污染物的浓度

在整个断面变成完全均匀的一个断面的话

那么这个断面呢就是水质的完全混合断面

那么最早出现水质完全混合断面的位置

我们将其称之为完全混合点

在污水注入点以上的这个区域

我们称之为初始河段或者是也叫做背景河段

在污水注入点到完全混合点之间的这个河段

我们称之为非均匀混合段

而我们到了这个完全混乱段之后

在完全混合点以下的这个下游河段

我们称之为均匀混合段

那么还有一点呢就是

河水与污水它们之间的这个混合扩散呢

其实是出现在了一个空间上就是三维

在两个方向上都存在这样的变化

首先呢就是会存在着一个横向的扩散

那么横向的扩散呢它主要是

当排污口在河的一侧的时候那么污水的浓度

从此岸到彼岸会出现一个不断迁移的过程

那么在对岸往往在初期污染物浓度非常低

经过这样的扩散过程呢

污染物在河的横向逐渐趋向于均匀

那么另外一个方向呢就是垂向的扩散

当排污口在河流的底部的时候呢

那么在初期底部浓度高 顶部浓度比较低

那么随着河水的这个迁移

污染物在垂向发生扩散最终呢在整个断面

实现了一个垂向的一个断面的均匀分布

那么这是河水的污染扩散的两个方向

在水质完全混合断面在这一点上呢

污染物它的浓度我们记为ρi

那么这个时候污染物的浓度它和什么有关呢

首先它和河流流量有关和河流的背景浓度有关

它还和我们排放的废水的流量

以及排放的污染物的浓度有关

那么在河流完全混合断面

ρi也就是污染物的浓度

它等于河流流量乘以我们背景浓度

也就是排污口上游河流中污染物浓度ρ1

再加上排入河流的废水流量小q

乘以排放的污水当中的污染物的浓度ρ2

之后再除以两个流量的加和也就是大Q加小q

河流流量加上排污量

那么之后这样获得的这个ρi

就是在我们水质完全混合断面

对于某一种污染物它的浓度

对于持久性污染物也就是说这个污染

不能够再通过生物化学作用发生降解

在完全混合断面以下污染物的浓度

一直是这样的一个ρi

对于非持久性污染物那么污染物除了

在完全混合断面发生混合之后呢

还会发生污染物浓度的衰减

当废水在河岸排入到河流时

它废水靠着岸边向下游流去

需要经过一个相当长的距离

才能够达到完全混合

那么在非均匀混合段的废水排入一侧

它的岸边会形成一个污染带

那么对于完全混合的距离Ln这样的一个参数

我们如果没有实测数据的话呢

我们可以通过查表来获得废水排入到河流

与河水完全混合所需的时间

那么这个时间呢与两个量有关系

第一呢和与河水量有关系

第二呢与污水量有关系

那么一方面河水流量越大所需的时间往往越长

另外一方面呢如果污水流量越小

那么也就会导致河污比越大

那么所需的时间呢也会越长

那么我们来举例来说

当河污比就河水量比污水量

在1比5之间的时候呢

河水流量如果小于5立米每秒

那么从废水注入点到完全混合点

所需的时间是0.6小时

如果河水流量在5到50立米每秒

所需时间是0.8小时

50到500需要1个小时 大于500需要1.5小时

那么如果对于这种大河

然后我们排放口流量很小

比如说河污比大于600的时候

如果河水流量小于5那么所需时间是55小时

河水流量在5到50需要66小时

50到500需要77小时

如果对于这种大型河流大于500的

所需需要100多个小时才能够实现完全混合

那么我们这里面呢是一个完全混合的时间

我们用完全混合时间来乘以河水的流速

那么这个乘积

就是污水或者废水与河水完全混合

所需要的距离

前面所述的这个过程呢主要是

污染物在水体当中的一个混合稀释过程

这是一个物理的过程

接下来呢我们来看河流水体污染物的衰减

那么这里所涉及到的第一个过程

就是污染物的好氧生化衰减过程

那么污染物的好氧生化衰减呢

其实呢是包括两个阶段的

第一个阶段呢是不含氮的有机物的氧化

同时呢它也包括含氮有机物的氨化过程

以及氨化过程后生成的

不含氮有机物的继续氧化

那么因为氨化本身呢是不好氧的

那么这个过程它的一个基本反应就是

含碳的有机物

最终呢转化成二氧化碳和水这样的一种形式

这是这一过程的一个

生化反应的一个基本反应过程

那么第二个阶段是氨氮的硝化过程

它是含氮的化合物经过一系列的生化反应过程

由氨氮到亚硝氮

最终转化为硝态氮的这样的一个过程

那么它也是需要消耗溶解氧的

那么对于有机污染物

它的好氧生化降解它的反应过程

遵循的是一个一级反应

那么所谓的一级反应

就是反应速率与底物浓度之间

存在着线性的关系

那么就有机污染物的

好氧生化降解这个过程来说呢

它的反应方程式是这样的

我们来看一下首先呢明确一些物理量的含义

第一个呢就是ρBODa

它代表的是初始阶段水中的碳化需氧量

同时它也是水中的总的碳化需氧量就是ρBODa

那么第二个物理量呢就是ρBODc

这是我们在t时刻残存的碳化需氧量

用ρBODa减去ρBODc等于ρBOD1

这一部分是我们在t时刻

这个已经降解的BOD的值

那么我们对于有机污染物好氧的

整个的这个生化降解列出的方程是

ρBODa减去ρBOD1对时间求导

等于ρBODc对时间求导

等于负的k1乘以ρBODc

这是体现出来了它是一个一级反应过程

也就说这个BOD随着时间来说

它浓度降低的这个过程

就是BODc对时间求导

它等于负的K1乘以这一时刻的这个BOD浓度

对这样一个方程呢我们进行它的一个求解

获得的解的形式就是

对于t时刻它残存的碳化需氧量的浓度

ρBODc等于ρBODa减去ρBOD1

它等于ρBODa乘以e的负K1t次方

其中呢ρBODa我们知道是总的碳化需氧量

也是初始阶段的这个碳化需氧量

K1代表的是有机污染物碳化衰减速率系数

有机污染物它的一个耗氧系数

那么t是污染物在水体当中停留的时间

这是有机污染物的好氧生化降解

它的一个反应的方程

那么接下来呢我们来看硝化过程

对于硝化过程来说呢

它是天然水体中的含氮化合物

经过一系列的生化反应包括像氨化过程

之后呢由氨氮氧化为硝酸盐的过程

那么硝化过程本身它也具有一级反应的性质

也就是说硝化反应的速率

和任意时刻残存的这个硝化需氧量浓度

它也是存在着这个正比的关系的

我们来看一下硝化过程它的计算

我们同样来明确一些物理量

首先呢我们用ρBODN

来表示初始时期的硝化需氧量

也就是水中总的硝化需氧量

那么我们用ρBODn来表示

t时刻残存的硝化需氧量

我们用KN来表示含氮化合物

它的硝化速率系数

也就是含氮化合物它的耗氧系数

那么由于硝化过程也是一个一级反应的性质

所以用任意时刻的这个硝化需氧量对时间求导

等于负的KN乘以这个该时刻的

硝化需氧量就是ρBODn

这个方程就是ρBODn对时间求导

等于负的KN乘以ρBODn

那么对这样的一个方程

我们进行一个解析求解

可以获得的这个解析解的形式就是

任意时刻的硝化需氧量ρBODn

它等于初始硝化需氧量ρBODN

乘以e的负KNt次方

这里面KN就是含氮化合物

它的一个耗氧的系数

我们前面计算的碳化过程和硝化过程

应该说都是一个非常理想的一个形式

那么事实上呢

温度对碳化过程和硝化过程都会有影响

它会作用到改变碳化衰减速率和硝化衰减速率

那么温渡对K1和KN的影响

我们一般可以通过20℃时的

K120和KN20作为基准

来对不同温度的衰减的速率常数

来进行一个校准

那么它具体的一个校准方法

就是K1T就是温度为T的时候

它的碳化衰减速率系数等于

K120乘以θ1的T减20次方

那么这里面的θ1等于1.047

T的温度范围是10到35度的范围

硝化过程的这个衰减速率系数

它等于KNT温度为T的时候硝化衰减速率系数

等于KN20乘以θN的T减20次方

这里面的θN是1.08 T的范围是10到30

那么这样的两个方程

也就说对K1和KN它的一个校准过程

完全是通过经验来获得的这样一个数据

那么对于含氮的化合物来说

那么我们将氨氮转化为硝态氮

并不算真正完成了

这个污染物的最终的一个去除

我们在水中溶解氧被耗尽的时候

也就是说在厌氧条件下

硝酸盐可以通过反硝化细菌的作用

还原为亚硝酸盐最终呢转化为氮气排放

这才完成了氮的污染物的一个

最终的脱氮的过程

但是呢这样的一个过程呢

它并不伴随溶氧的消耗

对于水体当中的硫化物的去除

如果水体当中缺少溶氧和硝酸根离子的时候呢

硫酸盐会作为主要的电子受体

那么这个时候硫酸盐会被细菌还原为硫化氢

含硫蛋白质的话它在厌氧条件下呢

可以被大肠杆菌分解成半胱氨酸

之后再继续转化为硫化氢

那么这是一种通过气体排放去除硫化物的过程

还有一种情况呢如果我们的溶液的体系

或者我们水的体系当中呢有铁或者是亚铁

这些可以和我们的这个硫离子合成

生成难溶的硫化铁或者是硫化亚铁

以固体的形式来实现硫化物的一个去除

那么接下来我们来看一下细菌的衰减过程

那么随着水体自净过程的进行

细菌在水体当中的底物是越来越匮乏的

所以呢细菌或者微生物

它的数量也是逐渐减少的

我们水体当中细菌的衰减过程

它也服从一级反应

那么它的一个计算方法是任意时刻的细菌

就是说是微生物的一个量

它等于初始阶段的微生物量乘以10的负Kt次方

其中呢这里面的K代表的是细菌的净死亡率

t代表的是时间 B0呢是初期的生物的数量

这是我们对水中所涉及到的

典型污染物它的去除过程

就是它的自净过程的一个描述

那么水中我们还需要重点关注的就是

溶解氧浓度的变化

而水体当中呢溶解氧的变化呢

往往与污染物的降解过程是一个共同进行

而且相互之间有非常紧密联系的一个过程

那么我们来看一下水体的耗氧与复氧过程

那么水体的耗氧过程呢

涉及到的这个反应呢有我们前面提到的

生物作用下的这个碳化过程

就是这个含碳物质的降解硝化过程

还有呢水生植物呼吸作用还有底泥消耗溶解氧

那么水里的复氧过程

来源于大气复氧以及光合作用

我们来分别来看一下耗氧和复氧的一些过程

那么对于碳化过程它的耗氧

和我们前面的计算的这个生物

对这个BOD的一个降解过程是有直接关系的

那么任意时刻我们消耗掉的这个ρBOD

其实它代表的就是消耗掉的这个溶解氧

我们用ρBOD1来表示它等于总的碳化需氧量

减去我们任意时刻残存的碳化需氧量

它等于ρBODa也就是我们总的碳化需氧量

乘以1减去e的负K1t次方

这是我们碳化过程消耗的溶解氧

对于硝化过程来说呢

我们初期总的硝化需氧量呢是ρBODN

任意时刻残存的硝化需氧量呢是ρBODn

那么我们在t时刻

由于硝化过程已经消耗掉的溶氧标记为ρBOD2

它等于ρBODN减去ρBODn

等于ρBODN乘以1减去e的负KNt次方

因为这个前面我们曾经做过这个

碳化和硝化的这个计算

这样呢数据我们可以直接代进来

但是呢从反应进程来说呢我也曾经介绍过

就是说硝化反应比碳化反应

往往需要滞后一段时间

碳化反应在前硝化反应呢整体在后

所以呢我们需要对硝化过程它的耗氧情况呢

进行一个时间上的一个校准

所以呢经过校准之后呢

那么硝化过程消耗的溶氧ρBOD2

等于总的硝化需氧量

ρBODN乘以1减去e的负KN乘以t减负α次方

这是经过时间校准之后的

硝化需氧过程的一个耗氧情况

那么接下来呢我们来看水生植物的耗氧

那么水生植物的耗氧过程

我们认为它是一个零级反应过程

也就说水生植物它消耗溶解氧的速率

基本上我们认为是一个常数

所以我们用水生植物的这个耗氧情况

ρBOD3对时间求导

获得的是水生生物耗氧速率那么它等于负R

这是水生植物耗氧的计算过程

非常简单的一个零级的一个方程

对于耗氧的所涉及到的第四个要素

就是水体底泥耗氧

那么底泥的耗氧过程它的机制是非常复杂的

我们对这个过程并不清晰

只能通过经验来给出我们的公式

我们用b来表示水体底泥耗氧速率

它等于ρBOD4对时间求导

等于负的ρBODd对时间求导

等于负的Kb乘以ρBODd除以1加上rc

那么这里面有一些参数

ρBODd代表的是河床BOD的面积负荷

然后Kb表示的是河床的BOD耗氧速率系数

rc表示底泥耗氧的阻尼系数

那么这是水体底泥耗氧

那么这四种情况就是水体耗氧的一个基本情况

那么接下来的两个要素是复氧的因素

那么复氧呢主要是由

大气和水生植物的共同作用

大气复氧是和氧亏直接相关的

那么它同样呢它也是一个一级反应

就是任意时刻的复氧速率

与该时刻的氧亏是成正比的

那么具体来说呢它的方程就是

ρD对时间求导等于负的K2乘以ρD

其中呢这个ρD代表的是氧亏

它等于饱和溶解氧浓度

减去这个该时刻的溶解氧浓度

那么这里面呢这个K2

它也是会随着就是温度条件的不同呢

会发生差异

所以呢我们需要进行一个温度的校准

那么任意时刻的这个K2

就是大气复氧的这个系数

等于20度的这个大气复氧速率系数

乘以θr的T减20次方

这里面的θr呢通过经验取值

这个数据呢是1.024

我们这样呢是给出了大气复氧的一个过程

但是呢饱和溶解氧浓度到底是多少呢

那么饱和溶解氧的浓度呢

我们第一种情况呢对于淡水来说呢

我们饱和的溶解氧浓度来这样计算

就是饱和溶解氧浓度等于468除以31.6加T

这是一个受温度影响的

是在淡水常压下的饱和溶解氧浓度计算方法

那么第二种呢就是在河口

往往饱和溶解氧会受到含盐量的计算

这个时候我们可以用海尔经验公式

那么海尔经验公式计算得到的饱和溶氧

等于14.6244减去0.367134乘T

加上0.0044972乘以T方减去0.0966乘S

加上0.00205乘ST加上0.0002739乘S方

这是一个完全的纯粹的经验公式

这里面的T代表的是温度

S代表的是水中的含盐量

那么这是大气复氧

那么接下来呢我们来看光合作用

那么光合作用呢是水生植物它的一个作用

它也是水体复氧的另外一个重要的来源

那么根据奥康纳假定光合作用的速率是随着

光照的强弱变化而变化的

在中午的时候光照最强

所以呢它的产氧速率最快

在夜晚呢没有光照产氧速率为零

那么对于光合作用它有一个平均的时间模型

就是光合作用产氧量对时间进行∂等于P

其中的P呢是作为

一天中产氧速率的一个平均值

那么这就是水体的耗氧和复氧的一个过程

这也是水体自净的一个过程

到这里呢我们就学习完成了

本章的第一部分内容

就是水体的污染和自净过程

本节课的内容呢就到这里