3水环境演化原理111

第三章水环境演化原理授课人：李畅游史小红污染物在水中的迁移转化水体的耗氧过程和复氧过程水质迁移转化基本方程及其解第三章水环境演化原理第一节污染物在水中的迁移转化一、污染物在水中的迁移过程（1）污染物随水流的推移与混合（2）受泥沙颗粒和底岸的吸附与解吸，沉淀与再悬浮（3）底泥中污染物的输送污染物在河流中稀释扩散过程按扩散，稀释、混合过程发展的时间和空间状态把它分为三个阶段：阶段名称起止位置空间特性时间特性起止第一阶段完成垂向混合阶段（掺混段，近区）污染源进入河流的排放口，或释放点污染物的浓度分布在整个水深都适当均匀垂直扩散短时间内完成第二阶段完成横向混合阶段（远区）垂向混合均匀以后，向下游延伸很远污染源浓度在河流横向开始充分混合出现扇形带状污染带，并逐渐展宽消失所需时间较长第三阶段纵向污染阶段横断面上充分混合以后向下随延伸到污染物浓度监测位置河流某断面上各水质浓度偏差远远小于各横断间的断面平均浓度偏差时间长重要公式：*248.1HBL河流平均宽度河流平均流速河流平均水深摩阻流速gHI*河流水力坡降重力加速度yEBL/1.02yEBL/4.02中心排放岸边排放第一节污染物在水中的迁移转化1、稀释扩散的作用平流：由于水流的平移运动而形成非平流：在水中的质点和水流之间的相互混合的作用污染物质在河流中的迁移可分为两类：扩散作用弥散作用定义、公式表达引起污染物迁移的几种作用（1）平流作用：是指以时均流速为代表的水体质点的迁移运动，习惯上也称对流运动、移流运动。CuF某点污染物的时均浓度,mg/L过水断面上某点沿X、Y、Z方向的污染物输移通量,mg/(m2.s)某点沿x、y、z方向的时均流速,m/s微分算符,表示X、Y、Z方向的梯度（2）扩散作用：分子扩散：紊动扩散：流体中分子或质点的随机运动所产生的分散现象。分子的无序运动所产生的分散现象。流体中由于随机紊动（涡旋的脉动）所引起的质点分散现象。CEMmmCEMtt分子扩散所传递溶质的浓度,mg/L分子扩散系数溶质在X、Y、Z方向的分子扩散的单位通量紊动扩散所传递溶质的平均浓度,mg/L紊动扩散系数溶质在X、Y、Z方向的紊流扩散的单位通量（3）弥散作用：由于断面非均匀流速作用，而引起的污染物离散现象为剪切流中的纵向离散或弥散。CEMdd断面平均浓度,mg/L离散系数污染物沿X、Y、Z方向的离散输送通量dtmEEE纵向离散起主导作用10-9～10-8m2/s10-2～10-1m2/s10～103m2/s第一节污染物在水中的迁移转化2、吸附与解吸作用引起污染物迁移的几种作用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，使水的污染浓度降低，起到净化作用；相反，被吸附的污染物，当水体条件（温度、浓度、流速等）改变时，也可能又溶于水中，使水体的污染浓度增加。前者称吸附，后者称解吸。复杂的物理化学过程弗劳德利希吸附等温式（Freundlich）海纳利吸附等温式（Henery）neekCS/1eekCSneekCS/1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吸附平衡时水体的污染物浓度经验常数第一节污染物在水中的迁移转化3、沉淀与再悬浮引起污染物迁移的几种作用按照河流动力学原理，计算河段含沙量变化过程和冲淤过程，泥沙对污染物的吸附—解吸作用，污染物的沉淀与再悬浮。CkdtdCC沉淀与再悬浮系数，沉淀时取正号，表示水中污染物减少；再悬浮时取负号，表示该项作用使水体污染物浓度增加。水中污染物在t时的浓度第一节污染物在水中的迁移转化二、天然水流的扩散系数和离散系数1、分子扩散系数（Em）2、紊动扩散系数（Et）3、河流纵向离散系数（Ed）a.用断面流速分布资料推算b.用现场示踪剂试验资料推算c.用经验公式估算a.用断面流速分布资料推算yytyBddydydyyqyHEyqAE000)()(1)(1nkkkiityikikiiidyqHEyyqAE1,11])([1纵向离散系数过水断面面积水面宽第i块面积的水面宽iiityuHE*,23.0JHguii*)())((211uuHuuHHqiiiii河流纵坡降第i块面积的横向紊动扩散系数分别为第i块面积的左边、右边及平均水深第i块面积的摩阻流速断面平均流速第i块面积的平均流速应用理论上，仅适用于断面沿流程不变的均匀流动，应用于天然河道只是一种近。计算的结果只是某一断面的Ed。对于较长河段应取若干个有代表性断面求得的Ed进仃平均。b.用现场示踪剂试验资料推算)4)(exp(4),(2tEutxtEMtxCdd以投放示踪剂的断面为起点至下游断面处的距离以投放示踪剂的时刻为零点起算的时间X处t时刻的示踪剂浓度瞬时面源，等于投放的示踪剂质量除以过水断面面积河段平均流速纵向离散系数c.用经验公式估算*22011.0HuBuEd32*HAuEd)21(2115.02gHuBJQEd费希尔刘享立麦克奎维-凯氟Mcquivey-keefer经验系数，一般取0.5～0.6第一节污染物在水中的迁移转化三、水中有机物的降解与转化1、水中有机物的好氧降解转化过程有机物（可生物降解的）（BOD）呼吸（氧化）合成细胞内源呼吸CO2、H2O、NH3、能H2O、能、NO2-细胞残存物质CO2、H2O、NH3、能细胞、能、NO3-OaObOcOd水中有机物好氧生物降解转化示意图第一节污染物在水中的迁移转化三、水中有机物的降解与转化2、水中有机物的厌氧降解过程有机污水厌氧降解转化过程两段模式示意图有机物+微生物（C、O、H、N、S、P）合成原生质（兼性微生物）的增长分解有机酸、醇、CO2、H2S、NH3、等+能合成分解CH4、CO2、H2S、NH3、+能产酸阶段（第一阶段）产气阶段（第二阶段）第一节污染物在水中的迁移转化三、水中有机物的降解与转化水体中的有机污染物的降解转化示意图有机废水（O2）混合稀释碳化CO2、PO43-、NH3亚硝化NO2-硝化O2O2O2可沉固体CO2+H2O（CH2O）+O2有机污泥产酸菌有机酸产甲烷菌CH4、CO2、NH3河底沉泥藻类呼吸O2好氧区兼性区厌氧区第二节水体的耗氧过程和复氧过程一、水体的氧平衡1、水体中氧的消耗与供给①有机物在微生物作用下发生碳的氧化分解；②有机物的分解产物氨氮因硝化作用氧化为亚硝酸盐和硝酸盐；③沉积在河底的淤泥发生有机物的厌氧分解和水底分解后产生有机酸和还原性气体，这些物质释放在上面的水体中被氧化；④夜间光合作用停止时水生植物、藻类等的呼吸；⑤废水中还原性物质耗氧；⑥水流挟带一定的溶解氧输送到下游。①水体和废水中原来含有的氧；②大气中氧向水中扩散溶解；③白天的光合作用放氧。各污染物及氧源对DO的影响距离x(km)05101520253035010201020（复氧）（耗氧）溶解氧大气复氧光合作用藻类呼吸BOD耗氧硝化耗氧-=D=Os-O氧亏溶解氧饱和溶解氧XcOsOcX(km)DcDO(mg/l)OsO0第二节水体的耗氧过程和复氧过程一、水体的氧平衡2、氧垂曲线饱和溶解氧临界氧亏临界溶解氧最大氧亏值的临界距离排污口水中溶解氧曲线所表明的过程为：当污染物进入河流后，在排放口处，有机物尚未来得急耗氧，因此开始河中溶解氧减少尚不多，随着河水的流动，x的增加，有机物氧化分解过程消耗了较多的氧，耗氧速度大于复氧速度，因此曲线下垂，直到达到最大氧亏处xC时，耗氧速度等于复氧速度，此时DO最低，再往下游有机物数量减少，复氧速度大于耗氧速度，曲线逐渐回升。如不再受到新的污染，河水中的DO会恢复到原有的浓度，甚至超出原有状态，达到饱和。氧垂曲线所表明过程的描述：第二节水体的耗氧过程和复氧过程二、水体的耗氧过程1、有机物的耗氧过程有机物BOD的氧化降解曲线时间(d)BOD(mg/l)②①tcLN0LC0LCyCLNyN碳化曲线硝化曲线t时水中的剩余CBOD浓度t时水中的剩余NBOD浓度（ttC）已氧化降解的CBOD有机物已氧化降解的NBOD有机物t=0时水中的剩余CBOD浓度t=tC时水中的剩余NBOD浓度硝化过程比碳化过程滞后的时间①CBOD的耗氧CCLKdtdL1t时水中的剩余CBOD浓度，t时水中实际存在的有机物浓度剩余CBOD的降解速率系数，一般简称降解系数或耗氧系数，表示单位时间内Lc的相对衰减速率，单位：d-1tKCCeLL10tKCCCCeLLLy1100积分得：②NBOD的耗氧NNNLKdtdLt-tC时水中的剩余NBOD浓度，t-tC时水中实际存在的NBOD浓度LN的降解系数或耗氧系数，单位：d-1CttKNNtteLLCN)(0)(001CNttKNNNNeLLLy积分得：③BOD的总耗氧过程)(00111CNttKNtKCeLeLyLKdtdL1tKeLL10tKeLy110当NBOD的作用忽略时第二节水体的耗氧过程和复氧过程二、水体的耗氧过程2、底泥的耗氧1HKdtLda底泥使水体增加的BOD，mg/L水深，m底泥耗氧系数，mg/（m2·d），表示单位面积底泥在单位时间向水中释放有机物而增加的耗氧量。第二节水体的耗氧过程和复氧过程二、水体的耗氧过程3、水生植物呼吸耗氧RdtdO水生植物呼吸耗氧系数，mg/（L·d）。水生植物呼吸耗氧速率。第二节水体的耗氧过程和复氧过程三、水体的复氧过程1、大气对水体的复氧作用与复氧方程分子扩散理论、双膜理论、薄膜更新理论、大漩涡模型等曝气作用第二节水体的耗氧过程和复氧过程三、水体的复氧过程1、大气对水体的复氧作用与复氧方程氧分子扩散通量分子扩散理论的水体复氧模式AOsOdxx水体dxxMMMxOEMm氧在水中的分子扩散系数X方向的溶解氧浓度梯度分子扩散理论、双膜理论、薄膜更新理论、大漩涡模型等饱和溶解氧浓度Os：是一定的大气压和水温下溶解氧达到的平衡浓度。对于比较清洁的水体，如一般的河水、湖水可按下式计算：TOs6.31468重要定义：第二节水体的耗氧过程和复氧过程三、水体的复氧过程1、大气对水体的复氧作用与复氧方程分子扩散理论、双膜理论、薄膜更新理论、大漩涡模型等混合混合扩散气膜液膜(气相)湍流(液相)湍流oxosot层流双膜理论的水体复氧模式lOOAEdtdmsmt时刻氧溶于水体的转移速度，mg/d液膜厚度，m液膜中氧的分子扩散系数，水温20℃时为1.762×10-4m2/d)()(OOVlAEVmdtdsm水体的溶解氧浓度随时间的变化)(OOHlEdtdOsm2k复氧系数，d-1)(2OOkdtdOs大气对水体的复氧速度与氧亏（Os-O）成正比三、水体的复氧过程2、光合作用对溶解氧的影响第二节水体的耗氧过程和复氧过程PdtdO光合作用产氧速率藻类好气细菌太阳光能新藻类细胞新细菌细胞水中有机物O2CO2、NH4+藻菌共生关系四、水体耗氧、复氧参数的估算第二节水体的耗氧过程和复氧过程（一）水体耗氧参数的估算1.按照参数的物理含义，通过专门试验确定2.根据野外综合监测资料，通过模型拟合确定1.按照参数的物理含义，通过专门试验确定由BOD的实验室化验资料估算t1t2t3…ti…tny1y2y3…yi…yntKCCCCeLLLy1100hKK11BOD的降解系数待估系数的近似值允许偏差量最小二乘法246213121110tKtKtKtKLyCtKCeLy1106.21621)61(312111311tKtKtKtKtKtK])61([3110tKtKLyCtLKKLyti)6()()(3/103/213/1103/1abab0t3/1)(iytabK613101aKL2.