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1、第二章 水体污染与自净和水处理的基本方法1、水体污染与生态系统向水体排放污染物质，在没有超过一定限度的情况下，存在着一种正常的生物循环。在此循环中，细菌的作用很重要，因为细菌能将有机物转化成无机物和细菌的细胞。无机物又被藻类转化为藻类的细胞。这些藻类和细菌又成为浮游动物的食物，而浮游动物又成为虾类、鱼类的食物。这些水生动物又成为鸟类、兽类以及人类的食物。当人类将其废物排入水体和鸟兽排泄物流入水体后，水中的细菌又将有机物同化为细菌细胞，然后再继续循规蹈矩环下去。构成索链状系列，转为食物链。从生态学的角度看，当生物循环恢复到原来的正常状态，就保持了生态平衡。生态原是研文生物的形态、生活特性以及各种
2、生物之间，生物与环境因素之间相互关系的科学。这种生物和非生物之间的相互关系，即所谓的生态系统。食物链有一个突出特征即集作用，某些重金属元素代其它有害有毒物质，在水中的浓度虽然不变，但一些维生物及藻类可能对它的有选择性的浓缩蓄积作用，通过食物链一级一级地畜集起来，成为一些动物或人类的食物时，可能达到很高的浓度，产生有差于机 的作用。多年来，人类就利用水体处理生活用水和工业废水。在水体正常生物循环中能够同化有机废物的最大数量，款为“自净容量”或“同化容量”。一旦排入河流的废水超过河流的“自净容量”时，正常生物循环或生态平衡将被破坏，河流即被污染。在一般情况下，纵林河川正常的生态平衡的关键是水中的溶
3、解氧。当水中有机物浓度逐渐增加时，细菌就大量繁殖而消耗水中的溶解氧。当溶解氧继续降低即34mg/t以下时，鱼类就不能生存；当溶解氧继续降低，甲壳类动物、轮虫和原生动物等也将陆续死亡，最后只制下细菌。由于缺氧，厌氧菌大量繁殖，因而使水变黑并发出恶臭，污染环境，有害于人体。影响水中氧平衡的主要因素有三：耗氧物质的排入：包括可生物氧化的有机物和无机还原性物质。抑制大气复氧的物质的排入：油脂、去污剂等能在水面上形成薄膜而影响氧气进入水体。实验表明：当油膜厚度大于104cm时，就能对河水中氧的进入产生影响。油类物质还能填塞鱼的鳃部，使鱼呼吸困难，甚至引起鱼的窒息。热污染：A、火电厂、核电站、钢铁厂等企业
4、的冷却水，可引起水温上升，氧在水中的溶解氧降低。B、水温升高某些毒物的毒性升高，如水温升高10时，氰化钾对鱼产生双倍的毒性。C、水温升高，细菌繁殖加快，助长水草生长，影响河水的流动等。关于水体的污染，防有机污染，毒物污染和热污染外，还有一种营养污染又称富营养化。城市生活污水和生产污水中常含有大量的生物营养元素，这些元素包括：氮、磷、硅、钾、维生素、级量。金属元素和其它有机化含物，对湖泊和水库影响最大的主要是磷和氮。河流含生物营养元素较多时，一般影响不大，但在缓温流动的湖泊、水库、内海等水域，由于生物营养元素的增加，促进了藻类浮游生物的繁殖。大量繁殖的藻类会在水面形成密集的“水花”或“红潮”。藻
5、类死亡和腐化又会引起水中氧的大量减少，使水化恶化。（一般讲，处于富营养化状态），水体富营养化后，要使它恢复，需要相当长时间。废水排入水体会造成严重的危害，但从另一方面看，水体也有一定的自身净化废水中污染物的能力。2、水体自净水体受到废水污染后，逐渐以不结变清的过程特为水体自净。由于废水一般排入地面水体，故本书讨论地面水体，并且着重讨论河流的自净问题。水体自净过程十分复杂，受很多影响因素：其中：稀释是一个较为重要的因素。水体中悬物的沉淀，也降低了水体中杂质的浓度。在维生物的作用下，有机物逐渐分解氧化，使水中有机物含量逐渐降低（溶解氧从大气中和水生植物食作用中得到补充）。由于环境的变化，使粪便等污
6、水中带来的人体寄生细菌（包括病原菌）逐渐死亡，这样，水体逐渐恢复到原来的清洁程度。从控制水体污染的角度看：水体对废水的稀释、水体中溶解氧的变化规律和细菌的死亡规律是水体自净的主要问题。溶解氧含量对水中生物的生长繁殖有重要影响。细菌的食量对水体的卫生品质影响较大。一、废水在水体中的稀释稀释：实际上仅仅是将废水中的污染物扩散到水体中，从而降低了这些物质的相对浓度。单纯的稀释过程并不能除去污染的物质。水体也有去除某些污染物质的能力。如某些有机物在水体中通过生物化学作用而降解，这种去除污染物质才是水体真正的自净过程。目前，对工业废水中的某些特殊的污染物质，包括有毒物质的自净过程。尚未深入地研究，一般只
7、考虑单纯的稀释过程。（一）稀释的机理河流之所以具有稀释能力，是因为污染物质进入河流后，产生了两种运动形式：一是污染物质由于河流流速的推动沿着水流流动的方向运动。这一水流输送污染物质的形式，可称为推流或平流。以分式表示为Q1=C（21）式中：Q1污染物质的推流量（mg/m2.S） 河流的流速（m/s） C污染物的浓度（mg/m3）由上式知个，单位时间单位面积输送的污染物质的数量越高。二是由于污染物质的进入，使水流产生了农度的差异。污染物质由高浓度向低浓度处迁移，这一污染物质的运动形式将为扩散。浓度差越大，单位时间内通过单位面积扩散的物质量也越多。可用下式表式：Q1=K（22）式中：Q2污染物质的
8、扩散量（mg/m2.S）单位路程长度上的浓度变化值（mg/m4）C物质浓度，X为路程 ，由于X值增大时C减少，故浓度稀度本身为负值。K扩散系数（m2/s）推流与扩散是一种同时存在又互相影响的运动形式，从而使污染物从排出口到下游逐渐下降这一稀释现象。河流稀释能力取决于平流和扩散的能力。而扩散能力主要取决于扩散倍数。由于引起和影响扩散因素不同，常分为分子扩散系数、对流扩散系数和系统扩散系数三种。以系统扩散系数影响最大。紊流扩散系数：主要与河流形状（如弯曲程度），河底底部的粗糙程度，河流的流速和水深等因素有关。如：越大（即ke），H越深，岸边流速与中心流速差异越大，则河水越易紊动，水层间的动量交换越
9、激烈，此时河水的紊动扩散系数越大。（二）水体混合稀释规律废水排入河流后，并不能马上与全部河水混合，而是农渐达到完全混合的，影响混合因素主要有：河水流量与废水流量的比值：此值大时，Q也大，也大，污染物的推流与扩散速度快。还因两者比值大，参加到初始稀释中去的那部分河流流量相对于整个河流流量的比例就小，这时废水在与河水不断混合交换过程中，将通过较长的距离，才能在整个河流断面上，达到完全均匀混合。废水排放口形式：如废水在岸边集中一点排入河道，则达到完全混合所需时间较长；如废水是分散地排放于河道中，则达到完全混合的需时间较短。河流水文条件：如河道的深度，河床的弯曲状况，水流速度以及是否有急流等因素。显然
10、，在没有达到完全混合的河道断面上，只有一部分河水参与了对废水的稀释。参与混合的河水流量与河水总流量之比，特为混含系数：a= (Q1Q) （23）式中a混合系数 Q1参与混合的河水流量Q河水总流量在完全混合的河道断面上及其下游，a=1，在排放口到完全混合面的一段距离内，a1。混含系数也可近似地用下式表式：a= （L1L） （24）式中：L1排放口至计算断面的距离L排放口至完全混合面的距离废水与河水稀释的程度，用稀释比（n）表示，它是参与混合的河水流量与废水流量的比值。n= （25） q废水流量（2-5）在实际工作中，一般考虑部分流量计算（aq（2-7）在采用稀释法处理泼水时，除须考虑废水与河水的
11、混合程度外，还应注意：河水本身已经受到污染程度以及重复污染的问题对于剧毒物质不宜采用稀释来达到卫生标准当表靠岸边排水时，刚在排放口下游附近，往往含有一部分河水所食污染物较少，鱼类有可能暂时避入此区内，但最后如污染物较多时，则都往上游跑了。二、水体的生化自净废水进入河流后，除得到稀释外，其中的有机污染物还能在废生物的作用下进行氧化分解，逐渐变成无机物质，这一过数称为水体的生化自净。目前对以生活污水为主的城市污水生化自净已有较多的研究，并有了一定的认识。这些认识基本上也适用于一般的有机生产污水。有机污染物可以通过生化自净而消除或减少，而大多数无机污染物只能通过稀释而降低其浓度，实际上并未减少其总量
12、。为了保证生化自净，污水中必须含有足够的溶解氧。（一）耗氧与复氧图2-3是河流接受有机废水后河水中溶解氧含量变化的情况。受污染前，河水中的注解氧一般亏氧很少，有时甚至是饱和的。在受到有机污染后，开始时，河水中有机物大量增加，好氧分解剧烈，吸收大量的溶解氧（耗氧或消氧），同时河流又从水面上获得氧气（复氧）。不守，这时，耗氧速度大于复氧速度，河水中的溶解氧迅速下降。随着有机物因被分解而减少，耗氧速度减慢，在最缺氧点，耗氧速度等于复氧速度。接着耗氧速度小于复氧速度，河水中的溶解氧逐渐回升。最后，河水溶解氧恢复或接近饱和状态，这条曲线被称为氧垂曲线。当有机物污染程度超过河流的自净能力时。河流将出现无氧
13、河段。这时开始厌氧分解，河水出现黑色、产生臭气，河流的氧垂曲线发生中速的现象。图2-4。氧垂曲线反映了：（1）废水排入河流后溶解氧的变化情况，表示河流的自净过度。（2）最缺氧点的位置及其溶解氧含量。（二）氧的消耗1有机物的生物生物氧化所消耗氧量的数学关系按下式表示L=La10-k1t2硝化作用水中如有氨等未氧化的氮存在时，会产生硝化作用而消耗溶解氧。硝化细菌对pH甚为敏感，其生长最佳pH7.58.0或更高些。但溶解氧少于22.5mg/l时，硝化作用将大大降低，故在低溶解氧的水中，不易产生硝化作用；反之，溶解氧接近于零或为零时，反硝化作用开始进行。3水底沉泥的分解水底沉泥内有机物的分解过度主要是
14、厌氧性的，而在沉泥与流水的接触面则进行好氧分解。4水生植物的呼吸作用植物在白天由于光合作用而放出氧气而使水中溶解氧增加，晚间光合作用停止，植物由于呼吸作用而消耗氧气，水中溶解氧因而减少。5无机还原性物质的影响生产污水如含有亚硝酸盐等物质，则排入河川后，可立即消耗溶解氧。在河流污染控制中，一般仅考虑溶解性有机污染物质的作用。（三）氧的来源1水体和废水中原有的氧2空气中的氧溶入水中，即一般所称的大气复氧复氧曲线：复氧速度比亏氧量（2-8）这里Da-D=（氧饱和溶解度-a点实际氧浓度）-（氧饱和溶解度-t时的实际氧浓度）=t时的实际氧浓度-a点实际氧浓度=复氧量将上式积分得：（2-9） （2-10） （2-11）式中 Da起点或受污点亏氧量（mg/l） D下溺任何时t日的亏氧量（mg/l） k2复氧常数（日-1）或（Cl-1）水的搅动和与空气接触面的大小等因素对氧的溶解速度影响甚大，必须对水法进行实测
