【教学课件】第二章水体自净(self-purification).ppt

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1、第二章 水体自净(selfpurification),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（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,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。,化

2、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,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。,水体自净速度有哪些限制因素？,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,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

3、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。,在自净容量范围内水体的净化是如何进行的呢？,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,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

4、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。,河流污染和自净过程图,污水,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。,多污带（polysaprobic z

5、one）,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

6、（-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。,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),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

7、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。,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。,有机物的自净过程分三阶段,水体自净过程的特征,4衡量水体污染与自净的指标,提问：用什么指标可以衡量河段水体污染与自净所处的阶段?,水体外观、化学指标、溶解氧等,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,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）10

8、0%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：08 上升 60100 下降 08,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。,溶解氧,表1 不同温度下氧在水中的溶解度,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

9、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。,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）,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,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

10、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。,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

11、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）。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。,式中：排放口下游河水的污染物浓度；W，qVw污水的污染物浓度和流量 h，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,某持久性污染物A浓度为4.91mg/L,某厂排入河水的废水量为536m3/d(0

12、.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：=（0.225 4.91+0.00625）/（0.225+0.006）=5.43 mg/L,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；0初始点的污染物浓度；x断面处的污染物浓度。,7、非持久性污染物的稀释扩散和降解,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

13、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。,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=CX 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

14、。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=-K2D 计算后得（D/D0）=-K2 t D/D0=e-K2 t 或 lg(D/D0)=-K2t D/D0=10-K2t 其中 K2=0.434K2(复氧常数),D,/,/,在,的初值条件下求得上述微分方程的解为：,D=D0 e-K2 t,dD/dt=K1L-K2D,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

15、处的河水流行时 间，d，t=x/u K1 耗氧系数 K2 复氧系数,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。,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

16、物在地下水中的迁移转化受多种因此影响。,河北省丰宁满族自治县黄土梁水库,三、环境标准的分级分类与检索1.环境标准的分级分类 我国将环境标准分为环境质量标准、污染物排放标准、环境方法标准、环境基础标准、环境标准物质标准 及 环境其它标准 六类；国家级、地方级、行业级 三级。,(2)污染物排放标准 污染物排放标准是根据环境质量要求，结合环境特点和社会技术经济条件，对污染源排入环境的有害物质和产生的各种因素所做的控制。是国家根据技术上的可能性和经济上的合理性，规定污染源排放污染物的容许浓度或数量。它直接起到控制污染源的作用，是实现环境质量目标重要控制手段。该标准分为国家排放标准和地方排放标准；在标准中还分别列出现行标准和超前标准。(3)环境基础标准 这是在环境标准化工作范围内，对有指导意义的符号、代号、图式、量纲、导则等所作的统一规定，是制订其他环境标准的基础。,(4)环境方法标准 是在环境保护工作中，以实验、分析、统计、计算、测定等所作的规定作业等方法为对象而制订的标准。(5)环境标准物质标准 这是对环境标准物质必须达到的要求所作的规定。(6)环境保护其他标准 环保行业标准，是对在环保工作中还需统一协调的如：仪器设备、技术规范、管理办法所作的统一规定。,