环境学概论-第六章水.ppt

第六章第六章水体污染及防治水体环境概述污染物在水体中的扩散污染物在水体中的转化水环境污染控制及管理6.1 6.1 水体环境概述水体环境概述n天然水在环境中的循环n天然水的水质n水体概念及水体污染n水体污染源和污染物6.1.16.1.1天然水在环境中的循环v地球上天然水资源的分布 地球是富水星球，但水的分布极不均匀 人类直接利用而且易于取得的淡水资源十分有限v天然水在环境中的循环 地球表面的水云降水6.1.26.1.2天然水的水质v天然水化学成分的形成 天然水的化学成分取决于它的形成环境v天然水的化学组成 溶解气体、离子、微量元素、生源物质、胶体v各种类型天然水水质 大气降水、河水、湖泊、地下水6.1.36.1.3水体概念及水体污染v水体 水体是地表水圈地的重要组成部分，指的是以相对稳定的陆地为边界的天然水域，包括有一定流速的沟渠、江河和相对静止的塘堰、水库、湖泊、沼泽，以及受潮汐影响的三角洲与海洋 6.1.36.1.3水体概念及水体污染v水体污染 当污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后，其含量超过了水体的自然净化能力，使水体的水质和水体底质的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值和使用功能的现象，称为水体污染。

v水体污染源 指的是向水体排放污染物的场所、设备和装置等，通常也包括污染物进入水体的途径v水体污染物质的来源 工业废水、生活污水、农业退水6.1.46.1.4水体污染源和污染物6.1.46.1.4水体污染源和污染物v水体污染的主要污染物物理方面：颜色、浊度、温度、悬浮固体、放射性等 化学方面：无机有/无毒物质、有机耗氧物质、有机有毒物质6.26.2污染物在水体中的扩散污染物在水体中的扩散n污染物在水体中的运动特征n河流水体中污染物扩散的稳态解n河流水质模型6.2.1 6.2.1 污染物在水体中的运动特征v推流迁移 推流迁移是指污染物在水流作用下产生的迁移运动它只改变水流中污染物的位置，并不能降低污染物的浓度迁移通量：6.2.1 6.2.1 污染物在水体中的运动特征v分散作用 包括三个方面的内容：分子扩散、湍流扩散和弥散分子扩散 是由分子的随机运动引起的质点分散运动它服从Fick第一定律，扩散通量：6.2.1 6.2.1 污染物在水体中的运动特征v分散作用湍流扩散 是在河流水体的湍流流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的瞬时值相对于其平均值的随机脉动而导致的分散现象当紊流瞬时脉动速度为稳定的随机变量时，符合Fick第一定律，扩散通量：v分散作用弥散作用 是由空间各点湍流流速的时平均值与流速时平均值的空间平均值的系统差别所产生的分散现象。

它是由于横断面上实际的流速分布不均匀引起的，在用断面平均流速描述实际的运动时，必须考虑一个附加的、由流速不均匀引起的作用弥散可以用Fick第一定律来描述其扩散通量：6.2.1 6.2.1 污染物在水体中的运动特征v污染物的衰减和转化 污染物在水环境中的衰减过程基本上符合一级反应动力学规律：6.2.1 6.2.1 污染物在水体中的运动特征6.2.2 河流水体中污染物扩散的稳态解 在河流水体处于稳定流动状态、污染源连续稳定排放的条件下，水中的污染物分布状况也是稳定的，污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化，这种状态称为稳态 按存在浓度梯度的维度，污染物扩散模型可分为一维模型和二维模型n污染物与河水的混合 污染物排入河流后，从污水排放口到污染物在河流断面上达到均匀分布，通常要经过竖向混合与横向混合两个阶段 河流的深度通常要比其宽度小很多，因此在比较短的时间内就达到了竖向的分布均匀，即完成竖向混合过程 从污染物达到竖向均匀分布到污染物在整个断面上达到均匀分布的过程称为横向混合阶段 竖向混合阶段是三维混合问题，横向混合阶段为二维混合问题6.2.3 河流水质模型n生物化学分解 河流中的有机物由于生物降解所产生的浓度变化可以用一级反应式表达：6.2.3 河流水质模型式中：式中：L tL t时刻的有机物的剩余生化需氧量；时刻的有机物的剩余生化需氧量； L L0 0 初始时刻有机物的总生物化学需氧量初始时刻有机物的总生物化学需氧量； K K 有机物降解速度常数。

有机物降解速度常数n大气复氧 水中溶解氧的主要来源是大气氧由大气进入水中的质量传递速度可以表示为：6.2.3 河流水质模型式中：式中：c c 河流水中溶解氧的浓度；河流水中溶解氧的浓度； c cs s 河流水中饱和溶解氧的浓度；河流水中饱和溶解氧的浓度； K KL L 质量传递系数；质量传递系数； A A 气体扩散的表面积；气体扩散的表面积； V V 水的体积水的体积n简单河段水质模型 简单河段指的是只有一个排放口的单一河段，一般定义排放口处的纵向坐标x=0，上游河段的水质视为河流水质的本底值描述河流水质的S-P模型 S-P模型描述一维稳态河流中的BOD-DO的变化规律，其基本假设是： 河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应,反应速度是定常的；河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中溶解氧的来源则是大气复氧6.2.3 河流水质模型6.2.3 河流水质模型n n简单河段水质模型简单河段水质模型S-PS-P模型的数学表达式模型的数学表达式式中：式中：L L 河水河水BODBOD值；值； D D 河水中的氧亏值；河水中的氧亏值； K Kd d 河水中河水中BODBOD衰减（耗氧）速度常数；衰减（耗氧）速度常数； K Ka a 河水中复氧速度常数；河水中复氧速度常数； t t 河段内河水的流行时间。

河段内河水的流行时间水体中耗氧有机物降解水体富营养化过程重金属在水体中的迁移转化6.3 6.3 污染物在水体中的转化污染物在水体中的转化 有机物在水体中的降解是通过化学氧化、光化学氧化和生物化学氧化来实现的，其中生物化学氧化最重要n有机物生物化学分解水解反应 水解反应是指复杂的有机物分子在水解酶参与下加以水分子分解为较简单化合物的反应氧化反应 （1）脱氢作用：从-CHOH-或-CH2CH2-基团脱氢 （2）脱羧作用：生物氧化产生CO2的主要过程6.3.1 6.3.1 水体中耗氧有机物降解水体中耗氧有机物降解6.3.1.1 水体中的微生物n1. 微生物的作用n不同种类的微生物都具有分解有机物质的能力微生物将胶体的和溶解性的含碳有机物转化成二氧化碳并合成新的微生物菌体由于微生物菌体的的密度稍大于水，因此可以借助重力沉降法将微生物从处理过的水中去除n由于微生物菌体本身即为有机物，以BOD的形式存在于出水中，因此如果被处理过的水中的微生物菌体未被去除，则未达到完全处理而解决的办法就是将其部分有机物再转化为不同种类的气态产物2.水体中的重要微生物n n（1）细菌(bacteria) 细菌是废水处理厂中最常见的微生物种群，属于以溶解性物质为食物的单细胞微生物。

处理废水的微生物以化能异养型混合菌占优势，但并没有处理效果最佳的特殊菌群n（2）真菌(fungi) 真菌是多细胞、异养型微生物，真菌属于专性好氧性微生物，以分裂、芽殖及形成孢子等方式繁殖，真菌对氮的需求仅为细菌的一半，因此，在缺氮的废水中，真菌比细菌占有优势1n n（3 3）藻类）藻类( (algae) algae) 藻类属光能自养型，具有单细藻类属光能自养型，具有单细胞或多细胞大部分藻类均有叶绿素，可通过光合作胞或多细胞大部分藻类均有叶绿素，可通过光合作用产生氧气在阳光下，光合作用所产生的氧气多于用产生氧气在阳光下，光合作用所产生的氧气多于呼吸作用所利用的氧气；晚上进行呼吸作用消耗氧气呼吸作用所利用的氧气；晚上进行呼吸作用消耗氧气4 4）原生动物）原生动物( (protozoa) protozoa) 原生动物为单细胞的生原生动物为单细胞的生物，以二分裂法繁殖，大多为好氧的化能异养型生物物，以二分裂法繁殖，大多为好氧的化能异养型生物，并以细菌为食物由于原生动物可吞食细菌，因此，并以细菌为食物由于原生动物可吞食细菌，因此希望其存在于出水中希望其存在于出水中5 5）轮虫与甲壳动物）轮虫与甲壳动物( (rotifers rotifers and and crustaceans) crustaceans) 这两种均为好氧、多细胞的化能异养型生物。

轮虫头这两种均为好氧、多细胞的化能异养型生物轮虫头部有两丛纤毛，可作旋转运动并捕捉食物，轮虫的食部有两丛纤毛，可作旋转运动并捕捉食物，轮虫的食物为细菌及细小的有机颗粒物物为细菌及细小的有机颗粒物3. 细菌的代谢n代谢(metabolism)一词用于描述细胞内进行的化学反应过程，分为分解代谢及合成代谢两部分分解代谢(catabolism)是指微生物将基质分解成最终产物以获取能量的所有生化过程1在废水处理厂中基质被氧化，氧化过程所释放出来的能量被传递并贮存在能量载体(energycarrier)中(图5-2)，供微生物利用，由分解代谢所产生的化学物质，部分被用以维持微生物的生存n合成代谢(anabolism)为合成维持细胞生存与繁殖所需的化学物质的所有生化过程，整个合成过程由贮存于能量载体内的能量所驱动4.水体中污染物的分解n分解代谢的最终电子受体的种类决定微生物的分解类型，有好氧、缺氧及厌氧三种，每一种分解类型各有其特性，会影响到微生物在废物处理中的应用n（1）好氧分解 在上述对微生物代谢的讨论中，好氧氧化分解过程中必须有分子氧作为最终电子受体在自然水体中，氧是以溶解氧(DO)的形式存在的，当氧存在且是唯一的最终电子受体时，有机污染物的最终代谢产物主要为二氧化碳、水及新的细胞物质(表5-1)，最终产物中有臭味的气体相当少。

在正常的自然水体中，好氧分解是其自净的主要机制大多数有机物能以好氧方式被氧化分解，这是因为经氧化产生的最终产物的能量很低，因此较稳定，且不会产生令人不快的气味大部分好氧微生物在好氧氧化过程中可释放大量的能量，并且有很高的生长速率，因此与其它氧化系统相比，所产生的新细胞较多，也就是说好氧氧化的生物污泥产量大于其它系统由于好氧氧化的分解速度快、效率高，且产生的臭味较少，因此废水浓度较低时(BOD5小于500mg/L)可选用此系统但是废水的浓度过高(BOD5大于1000mg/L)时，由于好氧分解系统无法提供足够的溶解氧，且产生大量的生物污泥，因此不适合处理此类废水在小社区或行业废水的处理中(如氧化塘，详见5.7节)，好氧分解可将BOD5浓度高达3000mg/L的废水处理到满意的程度2）缺氧分解n在缺少分子氧时，一些微生物能够利用硝酸盐(NO3-)作为最终电子受体，此时的氧化过程称为反硝化过程n反硝化的最终产物为氮气、二氧化碳、水及新细胞物质，反硝化所产生的能量约等于好氧分解产生的能量，因此新细胞的产率尽管没有好氧分解的高，但也可达到相当高的水平n废水处理中需要去除氮以保护受纳水体，因此反硝化反应相当重要。

在传统去除含碳物质的过程中，需加入专门的处理步骤，在后续章节将讨论到反硝化过程n水处理的最终沉淀过程也与反硝化有关，若最终沉淀池缺氧，所形成的氮气会使污泥上浮到水面，并从处理厂流入受纳水体，所以必须确保最终沉淀池不出现缺氧状况3）厌氧分解n为了确保厌氧状态，分子氧与硝酸盐不可作为最终电子受体硫酸盐(SO42-)、二氧化碳及有机物可在厌氧分解中作为最终电子受体而被还原，硫酸盐被还原成硫化氢(H2S)及一些具有臭味的含硫化合物，这些化合物称为硫醇(mercaptans)n有机物的厌氧分解(或称为发酵，fermentation)可分为两个步骤：首先，复杂的有机物发酵形成低分子量脂肪酸(挥发酸)；第二步，将这些有机酸转化为甲烷，二氧化碳作为电子受体厌氧分解主要的最终产物是二氧化碳、甲烷及水等此外，也会产生氨、硫化氢及硫醇，这三种化合物，会发出令人难以忍受的臭味厌氧氧化时仅能释出少量的能量，因此细胞的产生量，即污泥产量很低，利用此特性，由好氧和缺氧过程所产生的污泥可利用厌氧分解加以稳定。