工程环境保护与可持续发展_第7七章__特定水体的污染及自净

第一节水体自净第二节河流的污染与自净一、河流的水质特征二、河流的污染及其特点三、河流水体的自净机理四、河流水体的自净规律五、水环境容量第三节湖泊（水库）的污染与自净一、湖泊（水库）水体的特征二、湖泊的污染及其特点三、湖泊（水库）的自净规律第四节海洋的污染与自净一、海洋水体的特征二、海洋污染现状及特点三、海洋污染的自净规律第一节水体自净水污染：进入水体污染物＞水体本底值、自净能力水体自净:水体自行消纳污染物，使自身质量保持洁净能力的过程。不同的水体有不同的自净能力。自净过程：物理过程（稀释、扩散、挥发、沉淀）；化学物理过程（氧化还原、吸附凝聚、中和）；生化过程（微生物对有机物分解代谢，不同生物群体相互作用）。第二节河流的污染与自净水质特征：水量、水质随季节变化大，水体更新期短、更新快。水流速高，与地表物质接触时间短，水面蒸发面小，矿化度较低。污染性质：①病原污染期。工业不发达时，生活污水-有机质、病原菌污染，流行性传染病。②总体污染期。生活污水＋工业废水。③新污染期。石油、化工、核工业，新污染物、毒物增多。我国河流长度有70.6%被污染。有机污染是一个不可忽视的因素。河流污染特点：污染易发生；易扩散自净恢复。污染途径多，种类繁杂，多是耗氧有机物。自净机理：（1）物理净化：①重力作用－悬浮固体沉降。②水流输运－推流、扩散(浓度差)，使污染物由高浓度→低浓度迁移。（2）化学净化（或物理化学）：氧化－还原、酸碱中和、沉淀－溶解、分解－化合、吸附－解吸、凝聚－胶溶。（3）细菌自然死亡：环境变化使寄生细菌逐渐死亡，如基质减少、日光杀菌、水温及pH不适、毒物存在、吞食细菌的原生动物存在。（4）生物净化：微生物作用下，将有机污染物逐渐分解氧化，使其含量逐渐降低。生物降解—在微生物作用下，将有机化合物分解转化为低级有机物、简单无机物的过程。一般分为：好氧降解：溶解氧（O2）存在，好氧微生物完成生化反应，产物是稳定无机物（CO2、H2O）。厌氧降解：氧气不足、无氧气，厌氧微生物完成生化反应，产物不完全是稳定无机物（甲烷、乙酸等有机物，NH3等氧化不彻底的无机物）。兼性微生物：两种条件下都能进行生化反应。洁净水有一定浓度溶解O2。有机物污染后，好氧菌大量繁殖，将有机物分解为无机物（CO2、H2O、氨氮）→再硝化为亚硝酸盐和硝酸盐。若氧消耗速率＞复氧速率，水中O2↓↓，无氧、缺氧。好氧菌生长受抑制，厌氧菌大量繁殖，继续自净。水中O2浓度随水深度变化，表层高，深处低，直至厌氧状态。∴好氧菌集中在上层消耗氧气，阻止补充O2向下层的传递，厌氧菌集中在底部。天然河流，主要是好氧降解。消耗的O2，从大气、水生植物光合作用补充。河流的自净规律（混合稀释模型、氧垂曲线模型）1）混合稀释模型（物理净化）稀释由于推流与扩散作用导致稀释，但不能改变、去除污染物。（污染物质进入水体后，存在两种运动形式，一是由于水流的推动而产生的沿着水流前进方向的运动，称为推流或平流；另一是由于污染物质在水中浓度的差异而形成的污染物从高浓度处向低浓度处的迁移，这一运动被称为扩散。废水排入河流后，由于推流和扩散作用，逐渐与河水相混合，污染物的浓度逐渐降低。）推流v↑→Q1↑(污染物的推流量，mg/(m2·s))扩散Δc↑，k↑→Q2↑(污染物的扩散量)1Qvc2dcQkdx在没有达到完全混合的河道断面上，废水并不能与全部河水完全混合。混合系数：参与混合稀释的河水流量与河水总流量之比，称为混合系数QQ/1稀释倍数N：参与混合的河水流量Q1与废水流量q之和与q的比值qQqqQqN1计算断面污染物浓度式：(cl—废水中污染物质的浓度，mg/L；c2—废水排放前河水中该污染物质的浓度，mg/L)212111211cNNNcQqQcqcQqQcqccLL/1平缓河流近似取（L1—废水排放口至计算断面的距离，m；L－废水排放口至完全混合断面的距离，m）1经验：v较低时，α＝0.3～0.6；v＝0.2～0.3m/s时，α＝0.7～0.8；v较高时，α＝0.9；排放管伸入水体，设置多个分散排放口时，α＝1。2）氧垂曲线模型（生化净化）耗氧：取决于有机物、氨氮，无机还原物数量。复氧：①大气氧向水体扩散；②水生植物光合作用的放氧。仅考虑好氧菌生化降解反应，符合一级反应动力学。耗氧速率：LkdtdL1/L＝BOD，k1一耗氧速率系数定义：亏氧量（复氧速率正比于亏氧程度）xsOODOs、Ox—饱和、实际溶解氧浓度。复氧速率：DkdtdOx22,/Ox,2＝复氧量，k2一复氧系数∴实际氧浓度21()xsxdOdOOdDkDkLdtdtdtDkLkdtdD21/可用亏氧表示积分得亏氧方程氧垂曲线－亏氧状态变化曲线耗氧：t↑，L＝BOD↓复氧：t↑，复氧量Ox,2↑两者变化速率不同。∴D曲线先↓，经过临界亏氧点Dc＝Dmax，D曲线再↑有机污染量大，初亏D0也大，D在相当时间处于下降，亏氧段很长。严重时，出现无氧段（氧垂曲线中断），厌氧分解。亏氧方程)exp()]exp()[exp(20211201tkDtktkkkLkD)/()(210QqQDqDD初亏临界亏氧时间：受污点至氧垂曲线最缺氧点（称为临界点）的流经时间。/0dDdt令1120012121ln1kkkLDkkkktc)/()(210QqQLqLL初始BOD浓度临界距离－污染源至临界点距离：ccutxk1、k2与水质、河床特性、温度有关。20℃，正常河流，k1≈0.3d－1，k2＝0.2～0.5d-1。适用条件：①可生物降解污染物；②河流断面变化不大，水生植物和硝化作用可忽略；③废水与河水在污染源处已完全混合。3）细菌衰亡若污染物负荷＜自净能力：①生物净化使有机物减少，细菌缺食；②原生、浮游动物吞食细菌；③日光杀菌、温度不利、pH值不适等。通常，生活污水12～24h流过的距离，细菌污染最严重。若污染物负荷＞自净能力：河段细菌污染严重，与有机污染的严重程度相应。第三节湖泊（水库）的污染与自净水体特征：水速低，容量及深度大，水质成分分布不均匀，不易混合，更新期长。水生生物对湖水氧平衡、富营养化污染影响较大。生物分层：∵水深不同→阳光辐射、溶氧浓度不同①透光层。阳光可以穿透，深处为藻类。②沿岸层。有根植物生长的浅水沿岸区。③湖底层。沉积死亡生物，存在细菌。污染来源：受污河水、废水、降雨径流将土壤污染排入。污染物种类多，污染负荷比较集中，可能会引起局部严重污染。富营养化—N、P等植物营养物（氨氮、硝酸盐氮、磷酸盐）的浓度超过一定数值，藻类快速生长，死亡后为微生物提供充足养料，大量繁殖，快速耗氧。导致需氧生物大量死亡，只有表层藻类，则进一步限制阳光的入射深度，氧气补充速度，最终藻类也由于缺氧大量死亡，形成“赤潮”。标志湖泊进入老化阶段－－湖底升高，变成沼泽，最后变为陆地，湖泊消亡。特点：水流混合、大气复氧作用较弱，自净恢复速度慢，污染期较长，治理困难。（水体大、水速慢、湖水分层而使垂直混合差）自净规律1）完全混合扩散模式（持久性污染物）小型湖泊：用质量平衡，湖泊内：总污染物浓度的变化＝（河流带入＋直接排入）－排出湖泊cQQcWdtdcVhpp)(0t＝0，c0＝ch（现状浓度）t→∞，c∞＝（W0＋cpQp）/Qh（最终平衡浓度）)exp()(00tVQQQcWcQQcWchhpphhpp大湖泊：①湖水稳定，形成相当厚环岸污水场。②水深↑→温度↓→分层→影响充分混合。∴对不同的混合扩散状况，要选用相应的计算模式。2）混合衰减模型（非持久性污染物）小型湖泊：混合稀释＋自净衰减。)()(10VcKcQQcWdtdcVhppk1—自净系数第四节海洋的污染与自净水体特征：溶质径流的最终归宿；蒸发浓缩，矿化度高，盐分35g/L；生态系统稳定性很高。污染来源：①河川入大海；②大气降雨；③直接排放。特点：①污染源广。各种污染物最终入海洋。②持续性强。不易分解物长期蓄积，越积越多。DDT，10～50年，分解50%。③扩散范围大。通过潮流、海流、涡流，带到远海。南极企鹅中检验出DDT。④控制复杂。上述三个特点决定了海洋污染控制的复杂性。海洋的自净规律(通过河口、近海、海湾实现自净)（1）河口排污自净河海汇集处：河流淡水，海水含盐量高，湍动较为强烈。两种水体产生复杂的水流分层，入海河段有相当可观的横向混合。∵流速、流向、水深、盐度、地质、水文、气象、生物、底质各异。∴自净规律十分复杂。收集资料对特定河口建立水质自净模式。（2）近海排污自净废水向深海或近海的排放是通过浸没式排放管的上升扩散洞流入海洋，其净化作用如下：①起始稀释（主要）废水动量、浮力所造成与周围海水的混合稀释。海水不分层时，若ρ海ρ废：海面有最大程度稀释→表面场海水分层时：海面温度高，若ρ海面＜ρ废，上升不到海面，在ρ海＝ρ废处具有最大稀释→浸场。②扩散稀释废水场在海流作用下移动，其外沿与海水紊流、推流混合，形成羽状废水场。③有机物降解及微生物衰减死亡有机物在化学、生化、絮凝沉降作用下降解。微生物衰减死亡。大肠杆菌量降低90%需要2～6小时。（3）海湾水体自净通过海水的潮汐作用（涨、落）实现稀释。涨潮：外海水拥入，混合，污染物浓度↓，最高潮位时浓度最低。退潮：湾内海水向外迁移，部分污染物流入外海。周而复始，将污染物搬运出海。