教案第4章水环境演化原理

污染物在水中的迁移转化水体的耗氧过程与复氧过程水质迁移转化基本方程第4章水环境演化原理污染物在水中的迁移水中有机污染物降解与转化污水生化反应动力学第1节污染物在水中的迁移转化污染物在水中的迁移过程污染物在水中的物理迁移过程：主要包括污染物随水流的推移与混合，受泥沙颗粒和底岸的吸附与解吸、沉淀与再悬浮，底泥中污染物的输送等作用过程。迁移扩散：污染物在水流作用下产生的转移作用。包括：对流、分子扩散、紊动扩散、离散对流迁移通量的计算式中：fx，fy，fz分别为x，y，z方向上的污染物对流迁移通量；ux，uy，uz环境介质在x，y，z方向上的时均流速分量；C是污染物在环境介质中的时均浓度。CufCufCufzzyyxx,,污染物在水中的迁移过程----对流过水断面污染物输移率CQACuFA断面A上污染物输移率为断面平均流速和平均浓度及断面面积乘积。污染物在水中的迁移过程----对流扩散是由于物理量在空间上存在梯度使之在空间上趋于均化的物质迁移现象。分子扩散：水中污染物由于分子的无规则运动，从高浓度区向低浓度区的运动过程。Fick第一定律：分子扩散质量通量与扩散物质的浓度梯度成正比。式中:I分别表示x，y，z方向上的污染物扩散通量；Em为分子扩散系数m2/s，C是时均浓度。zCEIyCEIxCEImzmymx111,,污染物在水中的迁移过程----分子扩散作用输移紊动扩散：紊流流场中质点的瞬时值相对于平均值的随机脉动导致的分散现象。式中:I分别表示x，y，z方向上由湍流扩散引起的污染物扩散通量；Ex,Ey,Ez为紊动扩散吸系数m2/s；C为环境介质中的污染物的时间平均浓度。zCEIyCEIxCEIzzyyxx222,,污染物在水中的迁移过程----紊动扩散作用输移弥散输移：为了补偿由于采用状态的空间平均值描述实际的空间分布不均所产生的输移。式中，I表示x，y，z方向上由湍流扩散引起的污染物扩散通量；D为离散系数；为环境介质中的污染物的时间平均浓度。zCDIyCDIxCDIzzyyxx333,,C污染物在水中的迁移过程----离散（弥散）作用输移湍流扩散和弥散的引进是为了弥补在实际计算中采用时间和空间平均值而引起的误差。取时间平均tu取空间平均xu废水在河流中的混合由于移流、扩散、离散作用的存在，废水排入河流后在河流中一般出现三种不同混合状态的区段。竖向混合河段：沿垂直方向达到混合均匀（三维）横向混合河段：从竖向均匀混合到下游污染物在整个横断面上均匀混合的区段（二维）纵向混合河段：横向混合均匀河段之后的河段（一维）环境介质的推流迁移作用,污染物的分散作用和衰减过程费希尔（H.B.Fischer)公式估算顺直河流中从排污口达到断面完全混合的距离的计算公式：河流中心排污：岸边排污：L-排污口到断面完全混合的距离U-河流断面平均流速；Ey-横向扩散系数断面最小浓度和最大浓度之差在5%以内作为达到完全混合的标准；yyEuBLEuBL/4.0/1.022吸附：水中溶解的污染物或胶状物,当与悬浮于水中的泥沙等固相物质接触时,将被吸附在泥沙表面,并在适宜的条件下随泥沙一起沉入水底,使水的污染物浓度降低,起到净化作用;解吸：被吸附的污染物质当水体条件(流速、浓度、PH）改变时，又溶于水中的过程。吸附-解吸作用总的趋势：水体污染浓度减少污染物在水中的迁移过程----吸附与解吸吸附作用一是弗劳德利希（Freundlich)吸附等温式;二是海纳利(Henery)吸附等温式；FreundlichHeneryeeneekCSkCS/1Se:吸附达到平衡时水中泥沙的吸附浓度，等于泥沙吸附的污染物总量除以泥沙总量。μg/g计Ce：吸附平衡时水体的污染浓度，μg/L计k、n为经验常数一、河流动力学原理：先计算河段含沙量变化过程和冲淤过程，然后考虑泥沙对污染物的吸附－解析作用，进一步计算出污染物的沉淀与再悬浮。二、采用一个系数直接对污染成分的减少和增加进行估算。CKdtdCcC：水中污染物在t时的浓度；Kc沉淀与再悬浮系数，沉淀取正，再悬浮取负；污染物在水中的迁移过程----沉淀与再悬浮降解：有机污染物在水中迁移扩散的同时，还有微生物的生物化学作用下分解和转化为其它物质，从而使水体中有机污染浓度降低的现象。根据溶解氧情况：分好氧和厌氧情况；并且在好氧或厌氧微生物的代谢作用下发生分解和转化；水中有机物降解与转化好氧降解转化在DO的条件下，水中有机污染物由于好氧微生物的作用，被氧化分解无机化，从而使有机污染得以净化的过程。（1）异养微生物：以有机物为底物，最终产物为二氧化碳、氨和水等无机物，同时释放能量。C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3KJC11H29O7N+14O2+H+→11CO2+13H20+NH4++能量（2）自养微生物：以无机物为底物，其最终产物也是无机物，同时释放能量。H2S+2O2→H2SO4+能量NH4++2O2→NO3-+2H++H2O+能量水中有机物降解与转化好氧生物处理过程中有机物转化示意图好氧生物处理是利用微生物的新陈代谢功能，把1/3有机物分解为无机物，把2/3有机物合成为微生物自身。当活性污泥进入二沉池时，作为剩余污泥排放，达到了有机物的稳定化和无害化。内源呼吸有机物+氧M分解代谢合成代谢原生质H2O、CO2、NH3+能量净增细胞物质M、O2H2O、CO2、NH3、SO42-、PO43-+能量（有氧呼吸）1/32/3放热合成代谢方程式：CXHYOZ+NH3+O2→C5H7NO2+CO2+H2O-能量基本概念分解代谢是微生物在利用底物的过程中，一部分底物在酶的催化作用下降解并同时释放出能量的过程。合成代谢是微生物利用另一部分底物或分解代谢过程中产生的中间产物，在合成酶的作用下合成微生物细胞的过程。内源呼吸是微生物利用自身内部储存的能源物质进行呼吸。厌氧降解转化是指在无分子氧但有化合态氧的情况下（如NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2），依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，最终达到无机化。如反硝化作用：C6H12O6+6H2O——6CO2+24H24H+4NO3-——2N2+12H2O总反应式：C6H12O6+4NO3-——6CO2+6H2O+2N2+1755.6kJ水中有机物降解与转化I类产物甲酸甲醇甲胺乙酸等通过不同途径转化为CH4+CO2等废水或污泥中不溶态大分子有机物蛋白质多糖脂类氨基酸C6H12O6甘油脂肪酸II类产物丙酸丁酸乳酸乙醇等水解酸化产氢产乙酸产甲烷发酵菌甲烷菌产乙酸菌CO2[H]乙酸发酵菌厌氧生物处理过程中有机物转化示意图废水的厌氧生物处理可分为三个阶段，大分子有机物（不溶性）→小分子有机物（溶解性）、无机物→有机酸、无机物→CH4、CO2、NH3、H2S，使有机物得以降解和稳定。污水生化反应动力学生物降解反应速度相关因素，主要是污染浓度、微生物变化：（1）水中微生物（菌、藻）增长规律，直接影响污染物的降解；（2）水中有机污染物的降解规律，与水质预测直接相关。按微生物的生长速度，其生长可分为四个时期：停滞期；对数期；静止期；衰老期。水中微生物的增长速率----微生物的生长规律停滞期（适应期）：微生物的生长速度从零逐渐开始增加，细菌总数增加。出现于污泥培养驯化阶段，或水质发生变化、停产后又生产阶段。一般几分钟到几个小时。对数期：微生物以最大速度增长，细菌总数快速增加。当废水中有机物浓度高，且培养条件适宜，可能处于对数期。处于对数期的微生物降解有机物速度快，但沉降性能差。水中微生物的增长速率----微生物的生长规律静止期（稳定期）：微生物生长速度开始下降，细菌总数达到平衡。当废水中有机物浓度降低，污泥浓度较高时，微生物可能处于静止期。此时污泥絮凝性好（菌胶团细菌易于相互粘附，分泌物增多），二沉池出水水质最好。衰老期（衰亡期；内源呼吸期）：微生物生长速度变为负值，细菌总数下降。当有机物浓度低，营养物明显不足，则可能处于衰老期。此时污泥较松散，沉降性能好，出水中有细小泥花。水中微生物的增长速率----微生物的生长规律1942年，现代细胞生长动力学奠基人Monod提出，在微生物生长曲线的对数期和平衡期，细胞的比生长速率与限制性底物浓度的关系可用下式表示：SKSsmaxμ——微生物比生长速率，（s-1）；μmax——微生物最大比生长速率，（s-1）；S——限制性底物浓度，（g/L）；Ks——饱和常数，即当μ=1/2μmax时的底物浓度。水中微生物的增长速率----莫诺特（Monod）方程μ的表达：即微生物浓度增长速度与当时的微生物浓度之比μ——微生物比生长速率，（s-1）；X——微生物浓度，（mg/L）；S——限制性底物浓度，（g/L）；Ks——饱和常数，即当μ=1/2μmax时的底物浓度。水中微生物的增长速率----莫诺特（Monod）方程XdtdX/XSKSdX/dtsmax根据试验，微生物增长与其消化基质之间存在如下关系：y0—产量常数，即消化单位浓度的基质而增长的微生物浓度，于是有：基质降解速率方程dSydX0XdtdSyXdtdX/0/有上式可得：当基质浓度很高时，Ks相对于S甚小，可以不计，上式可得：基质降解速率方程SKsSXyyXdtdSm00XydtdSm0当基质浓度较低时，S与Ks相比甚小，可以忽略不计，上式可得：SKsXydtdSm0近似为一级反应动力学：SKdtdS1KsyXKm01K1—降解系数一、反应速度在生化反应中，反应速度是指单位时间单位体积内底物的减少量、产物或细胞质的增加量。例：生化反应：S→y·X+z·P反应速度：如果反应过程V恒定，则反应速度：三个组分的反应速度之间的关系：VdtdnSSVdtdnXXVdtdnPPdtdCSSdtdCXXdtdCPPzy1PXS二、反应速率方程和反应级数等温恒容不可逆反应：aA+bB+cC→dD+Ee+…反应速率方程反应级数：x+y+z=0零级反应x+y+z=1一级反应x+y+z=2二级反应x+y+z=3三级反应zCyBxAAACCkCdtdC酶反应速度与底物浓度的关系底物浓度CSKm酶反应速度ν1/2νmaxνmax0混合级反应区（0n1）零级反应区（n=0）一级反应区（n=1）SmSmaxCKC第2节水体的耗氧过程与复氧过程水体DO平衡氧垂曲线水体耗氧、复氧参数估值K2，K1的处理与水动力学因素，水文，PH值等因素有关；LKOOKdtdOs12)(/第3节水质迁移转化基本方程水质迁移转化基本方程零维水质三个方向均不考虑一维水质仅考虑纵向二维水质考虑纵向和横向三维水质纵向、横向、垂向都考虑零维模型在河流、湖泊模型中,将整个环境单元看作处于完全均匀的混合状态。如一个连续流完全混合反应器。进入反应器的污染物能在瞬间分散到空间各部位。根据水量平衡方程可以写出：由此得到零维水质迁移转化基本方程：式中，V—反应器的容积；Q0，Q—流入与流出反应器的物质流量；C0—输入反应器的污染物浓度；C—输出反应器的污染物浓度，即反应器中的污染物浓度；∑Si—反应单元的源漏项（表示除进出口外的其他各种作用如生物降解、沉淀等使单位水体中的某种污染物在单位时间内的变化量）。QQdtdV0一维基本模型一维基本模型是指描述在一个空间方向上存在环境质量变化，即存在污染物浓度梯度的模型。通过对一个微小的体积单元的质量平衡过程的推导可以得到一维基本模型。ZYXCuxxxuCDxxCuCuxxxxCuDxxCuDxxxx微小体积元（一维）的质量平衡一个微小体积元在x方向的污染物输入,输出关系：水流运动基本方程