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1、l污染物在水中的迁移转化污染物在水中的迁移转化l水体的耗氧过程与复氧过程水体的耗氧过程与复氧过程l水质迁移转化基本方程水质迁移转化基本方程 第4章 水环境演化原理教案-第4章水环境演化原理n污染物在水中的迁移污染物在水中的迁移n水中有机污染物降解与转化水中有机污染物降解与转化n污水生化反应动力学污水生化反应动力学第第1节节 污染物在水中的迁移转化污染物在水中的迁移转化教案-第4章水环境演化原理污染物在水中的迁移过程污染物在水中的迁移过程l污染物在水中的物理迁移过程：污染物在水中的物理迁移过程：主要包括污染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物随水流的推移与混合，受泥沙颗粒和底岸
2、的吸附与解吸、沉淀与再悬浮，底泥中污染物的吸附与解吸、沉淀与再悬浮，底泥中污染物的输送等作用过程。输送等作用过程。迁移扩散：迁移扩散：污染物在水流作用下产生的转移作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、离散用。包括：对流、分子扩散、紊动扩散、离散教案-第4章水环境演化原理l对流迁移通量的计算对流迁移通量的计算l式中：式中： fx ， fy ， fz 分别为分别为 x ， y ， z 方方向上的污染物对流迁移通量；向上的污染物对流迁移通量； ux ， uy ， uz 环境介质在环境介质在 x ， y ， z 方向上的时均流方向上的时均流速分量；速分量； C 是污染物在
3、环境介质中的时均是污染物在环境介质中的时均浓度。浓度。污染物在水中的迁移过程污染物在水中的迁移过程 -对流对流教案-第4章水环境演化原理过水断面污染物输移率过水断面污染物输移率l断面断面A上污染物输移率为断面平均流速和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。平均浓度及断面面积乘积。污染物在水中的迁移过程污染物在水中的迁移过程 -对流对流教案-第4章水环境演化原理l扩散扩散是由于物理量在空间上存在梯度使之在空间上趋于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。均化的物质迁移现象。l分子扩散：分子扩散：水中污染物由于分子的无规则运动，从高浓水中污染物由于分子的无规
4、则运动，从高浓度区向低浓度区的运动过程。度区向低浓度区的运动过程。lFick 第一定律：第一定律：分子扩散质量通量与扩散物质的浓度梯分子扩散质量通量与扩散物质的浓度梯度成正比。度成正比。l式中式中: I 分别表示分别表示 x ，y ，z方向上的污染物扩散通量；方向上的污染物扩散通量； Em 为分子扩散系数为分子扩散系数m2/s，C是时均浓度。是时均浓度。污染物在水中的迁移过程污染物在水中的迁移过程 -分子扩散作用输移分子扩散作用输移教案-第4章水环境演化原理l紊动扩散紊动扩散：紊流流场中质点的瞬时值相对于平均值的随：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。机脉动导致的分散现
5、象。 式中式中: I分别表示分别表示 x ， y ， z 方向上由湍流扩散引起的方向上由湍流扩散引起的污染物扩散通量；污染物扩散通量； Ex ,Ey, Ez 为紊动扩散吸系数为紊动扩散吸系数m2/s ；C为环境介质中的污染物的时间平均浓度。为环境介质中的污染物的时间平均浓度。污染物在水中的迁移过程污染物在水中的迁移过程 -紊动扩散作用输移紊动扩散作用输移教案-第4章水环境演化原理l弥散输移：为了补偿由于采用状态的弥散输移：为了补偿由于采用状态的空间平均值空间平均值描述实际的空间分布不均所产生的输移。描述实际的空间分布不均所产生的输移。l式中，式中， I表示表示 x ， y ， z 方向上由湍流
6、扩散引起的方向上由湍流扩散引起的污染物扩散通量；污染物扩散通量； D 为离散系数；为离散系数； 为环境介质为环境介质中的污染物的时间平均浓度。中的污染物的时间平均浓度。污染物在水中的迁移过程污染物在水中的迁移过程 -离散（弥散）作用输移离散（弥散）作用输移教案-第4章水环境演化原理l湍流扩散和弥散的引进是为了弥补在实际计算中采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。用时间和空间平均值而引起的误差。取时间平均取时间平均 tu取空间平均取空间平均 xu教案-第4章水环境演化原理废水在河流中的混合废水在河流中的混合l由于移流、扩散、离散作用的存在，废水排入河流由于
7、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后在河流中一般出现三种不同混合状态的区段。三种不同混合状态的区段。l竖向混合河段：竖向混合河段：沿垂直方向达到混合均匀（三维）沿垂直方向达到混合均匀（三维）l横向混合河段：横向混合河段：从竖向均匀混合到下游污染物在整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）个横断面上均匀混合的区段（二维）l纵向混合河段：纵向混合河段：横向混合均匀河段之后的河段（一横向混合均匀河段之后的河段（一维）维）教案-第4章水环境演化原理环境介质的推流迁移作用环境介质的推流迁移作用,污染物的分散作用和污染物的分散作用和衰减过程衰减过程 教案-第
8、4章水环境演化原理费希尔（费希尔（H.B.Fischer)公式公式 估算顺直河流中从排污口达到断面完全混合的距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：离的计算公式： 河流中心排污：河流中心排污： 岸边排污：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断面最小浓度和最大浓度之差在5%以内作为达以内作为达到完全混合的标准；到完全混合的标准；教案-第4章水环境演化原理l吸附：吸附：水中溶解的污染物或胶状物水中溶解的污染物或胶状物,当与悬浮于水当与悬浮于水中的泥沙等固相物质接触时中的泥沙等固相物质接触时,将被吸附在泥
9、沙表面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并在适宜的条件下随泥沙一起沉入水底,使水的污使水的污染物浓度降低染物浓度降低,起到净化作用起到净化作用;l解吸：解吸：被吸附的污染物质当水体条件被吸附的污染物质当水体条件(流速、浓度、流速、浓度、PH）改变时，又溶于水中的过程。）改变时，又溶于水中的过程。l吸附吸附-解吸作用总的趋势：解吸作用总的趋势：水体污染浓度减少水体污染浓度减少污染物在水中的迁移过程污染物在水中的迁移过程 -吸附与解吸吸附与解吸教案-第4章水环境演化原理吸附作用l一是弗劳德利希（一是弗劳德利希（Freundlich)吸附等温式吸附等温式;l二是海纳利二是海纳利(
10、Henery)吸附等温式；吸附等温式； Freundlich HenerynSe:吸附达到平衡时水中泥沙的吸附浓度，等于泥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。沙吸附的污染物总量除以泥沙总量。g/gg/g计计nCe：吸附平衡时水体的污染浓度，吸附平衡时水体的污染浓度， g/Lg/L计计n k、n为为经验常数经验常数教案-第4章水环境演化原理l一、河流动力学原理：先计算河段含沙量变化过一、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。解析作用，进一
11、步计算出污染物的沉淀与再悬浮。l二、采用一个系数直接对污染成分的减少和增加二、采用一个系数直接对污染成分的减少和增加进行估算。进行估算。nC：水中污染物在：水中污染物在t时的浓度；时的浓度；nKc沉淀与再悬浮系数，沉淀取正，再悬浮取负；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污染物在水中的迁移过程 -沉淀与再悬沉淀与再悬浮浮教案-第4章水环境演化原理l降解：降解：有机污染物在水中迁移扩散的同时，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为其它物质，从而使水体中有机污染浓度降低
12、的现象。降低的现象。l根据溶解氧情况：分好氧和厌氧情况；并根据溶解氧情况：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且在好氧或厌氧微生物的代谢作用下发生分解和转化；分解和转化；水中有机物降解与转化水中有机物降解与转化教案-第4章水环境演化原理好氧降解转化好氧降解转化 在在DO的条件下，水中有机污染物由于好氧微生物的作用，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。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、）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
13、时释放能量。氨和水等无机物，同时释放能量。 C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+2817.3KJ C11H29O7N+14O2+H+ 11CO2+13H20+NH4+能量能量（2）自养微生物：以无机物为底物，其最终产物也是无机物，）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。同时释放能量。 H2S+2O2 H2SO4+能量能量 NH4+2O2 NO3-+2H+H2O+能量能量水中有机物降解与转化水中有机物降解与转化教案-第4章水环境演化原理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，把好氧生物处理是利用微生物的新陈代谢功能，把1/3有
14、机物有机物分解为无机物，把分解为无机物，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。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-能量教案-第4章水环境演化原理基本概念 分解代谢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
15、下降解并同时释放出能量的过程。 合成代谢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。教案-第4章水环境演化原理 厌氧降解转化厌氧降解转化是指在无分子氧但有化合态氧的情况下是指在无分子氧但有化合态氧的情况下（如如NO3-, NO2-, SO42-, S2O32-, CO2 ），依赖兼性厌氧菌），依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生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：机化。如反硝化作用：
16、C6H12O6 + 6H2O 6 CO2 + 24 H 24 H + 4 NO3- 2N2 + 12 H2O总反应式：总反应式：C6H12O6 + 4 NO3-6 CO2 + 6H2O + 2N2 + 1755.6 kJ水中有机物降解与转化水中有机物降解与转化教案-第4章水环境演化原理 I类类产产物物甲酸甲酸甲醇甲醇甲胺甲胺乙酸等乙酸等 通过不同通过不同途径转化途径转化为为CHCH4 4+CO+CO2 2等等 废水或污泥废水或污泥中不溶态大中不溶态大分子有机物分子有机物 蛋白质蛋白质多糖多糖脂类脂类 氨基酸氨基酸C C6 6H H1212O O6 6甘油甘油脂肪酸脂肪酸 II类类产产物物 丙酸
17、丙酸丁酸丁酸乳酸乳酸乙醇等乙醇等 水解酸化水解酸化产氢产乙酸产氢产乙酸 产甲烷产甲烷 发发酵酵菌菌 甲甲烷烷菌菌 产乙产乙酸菌酸菌CO2 H乙酸乙酸发发酵酵菌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）（不溶性）小分子有机物（溶解性）小分子有机物（溶解性） 、无机物、无机物有机有机酸、无机物酸、无机物CH4、CO2、NH3、H2S，使有机物得以降，使有机物得以降解和稳定。解和稳定。教案-第4章水环境演化原理污水生化反应动力学污水生化反应动力学l l生物降解反应速度相关因素，主要是污染浓度、生物降解反
18、应速度相关因素，主要是污染浓度、生物降解反应速度相关因素，主要是污染浓度、生物降解反应速度相关因素，主要是污染浓度、微生物变化：微生物变化：微生物变化：微生物变化： （1 1）水中微生物（菌、藻）增长规律，直接影）水中微生物（菌、藻）增长规律，直接影）水中微生物（菌、藻）增长规律，直接影）水中微生物（菌、藻）增长规律，直接影响污染物的降解；响污染物的降解；响污染物的降解；响污染物的降解； （2 2）水中有机污染物的降解规律，与水质预测）水中有机污染物的降解规律，与水质预测）水中有机污染物的降解规律，与水质预测）水中有机污染物的降解规律，与水质预测直接相关。直接相关。直接相关。直接相关。教案-第
19、4章水环境演化原理按微生物的生长速度，其生长可分为四个时期：l停滞期；l对数期；l静止期；l衰老期。水中微生物的增长速率水中微生物的增长速率 -微生物的生长规律微生物的生长规律教案-第4章水环境演化原理l停滞期（适应期）：微生物的生长速度从零逐渐停滞期（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。般几分钟到几个小时。l对数期：微生物以最大速度增长，细菌总数快速对数期：微生物以最大速度增长，细菌总数快速增加。当废水中有机
20、物浓度高，且培养条件适宜，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。物速度快，但沉降性能差。水中微生物的增长速率水中微生物的增长速率 -微生物的生长规律微生物的生长规律教案-第4章水环境演化原理l静止期（稳定期）：微生物生长速度开始下降，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，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
21、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。物增多），二沉池出水水质最好。l衰老期（衰亡期；内源呼吸期）：微生物生长速衰老期（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，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。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水中微生物的增长速率 -微生物的生长规律微生物的生长规律教案-第4章水环境演化原理1942年，现代细胞生长动力学奠基人年，现代细胞生长动力学奠基人M
22、onod提出，在微提出，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：性底物浓度的关系可用下式表示： 微生物比生长速率，（微生物比生长速率，（s-1）；）；max微生物最大比生长速率，（微生物最大比生长速率，（s-1）；）；S限制性底物浓度，（限制性底物浓度，（g/L）；）；Ks饱和常数，即当饱和常数，即当=1/2max时的底物浓度。时的底物浓度。水中微生物的增长速率水中微生物的增长速率 -莫诺特（莫诺特（ Monod ）方程）方程教案-第4章水环境演化原理的表达：即微生物浓度增长速度与当时的微生的表达
23、：即微生物浓度增长速度与当时的微生物浓度之比物浓度之比 微生物比生长速率，（微生物比生长速率，（s-1）；）；X微生物浓度，（微生物浓度，（mg/L）；）；S限制性底物浓度，（限制性底物浓度，（g/L）；）；Ks饱和常数，即当饱和常数，即当=1/2max时的底物浓度。时的底物浓度。水中微生物的增长速率水中微生物的增长速率 -莫诺特（莫诺特（ Monod ）方程）方程教案-第4章水环境演化原理根据试验，微生物增长与其消化基质之间存在如根据试验，微生物增长与其消化基质之间存在如下关系：下关系： y0 产量常数，即消化单位浓度的基质而增长的微生产量常数，即消化单位浓度的基质而增长的微生物浓度，物浓度
24、，于是有：于是有：基质降解速率方程基质降解速率方程教案-第4章水环境演化原理有上式可得：有上式可得： 当基质浓度很高时，当基质浓度很高时，KsKs相对于相对于S S甚小，可以不计，上式可得：甚小，可以不计，上式可得：基质降解速率方程基质降解速率方程当基质浓度较低时，当基质浓度较低时，S与与Ks相比甚小，相比甚小，可以忽略不计，上式可得：可以忽略不计，上式可得：近似为一级反应动力学：近似为一级反应动力学：K1降解系数降解系数教案-第4章水环境演化原理一、反应速度 在生化反应中，反应速度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：SyX+z P反应速度：如果反应
25、过程V恒定，则反应速度：三个组分的反应速度之间的关系：教案-第4章水环境演化原理二、反应速率方程和反应级数等温恒容不可逆反应： aA+bB+cCdD+Ee+l反应速率方程l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 教案-第4章水环境演化原理酶反应速度与底物浓度的关系底物浓度底物浓度CSKm酶酶反反应应速速度度1/2maxmax0混合级反应区混合级反应区（0n1）零级反应区零级反应区（n=0）一级反应区一级反应区（n=1）教案-第4章水环境演化原理第第2节节 水体的耗氧过程与复氧过程水体的耗氧过程与复氧过程水体水体DO平衡
26、平衡教案-第4章水环境演化原理氧垂曲线氧垂曲线教案-第4章水环境演化原理水体耗氧、复氧参数估值水体耗氧、复氧参数估值lK2，K1的处理与水动力学因素，水文，PH值等因素有关；教案-第4章水环境演化原理第第3节节 水质迁移转化基本方程水质迁移转化基本方程水质迁移转化基本方程水质迁移转化基本方程零维水质零维水质 三个方向均不考虑三个方向均不考虑一维水质一维水质 仅考虑纵向仅考虑纵向二维水质二维水质 考虑纵向和横向考虑纵向和横向三维水质三维水质 纵向、横向、垂向都考虑纵向、横向、垂向都考虑教案-第4章水环境演化原理零维模型零维模型l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
27、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。教案-第4章水环境演化原理l根据水量平衡方程可以写出根据水量平衡方程可以写出：l由此得到零维水质迁移转化基本方程：由此得到零维水质迁移转化基本方程：l式式中中， V 反反应应器器的的容容积积； Q0 ， Q 流流入入与与流流出出反反应应器器的的物物质质流流量量； C0 输输入入反反应应器器的的污污染染物物浓浓度度； C 输输出出反反应应器器的的污污染染物物浓浓度度，即即反反应应器器中中的的污污染染物物浓浓度度； Si 反反应应单单元元的的源源漏漏项项（表表示示除除进进出出口口外外的的其其他他各各种种作作用用如如生生物物降降解解、
28、沉沉淀淀等等使使单单位位水水体体中中的某种污染物在单位时间内的变化量）。的某种污染物在单位时间内的变化量）。教案-第4章水环境演化原理一维基本模型l一维基本模型是指一维基本模型是指描述在描述在一个一个空间方空间方向上存在环境质量向上存在环境质量变化，即存在污染变化，即存在污染物浓度梯度的模型。物浓度梯度的模型。通过对一个微小的通过对一个微小的体积单元的质量平体积单元的质量平衡过程的推导可以衡过程的推导可以得到一维基本模型。得到一维基本模型。一个微小体积元在一个微小体积元在 x 方向的污染物输入方向的污染物输入,输出关系：输出关系：教案-第4章水环境演化原理水流运动基本方程l1. 连续方程连续方
29、程l2. 动力方程动力方程 入流量入流量-出流量出流量+区间入流量区间入流量=时段末蓄量时段末蓄量-时段初蓄量时段初蓄量（水量平（水量平衡基本方程）衡基本方程） 根据水文气象条件和河段地形资料，联立求解上述方程，可得河根据水文气象条件和河段地形资料，联立求解上述方程，可得河段水位、流量、流速、水深沿流程和时间的变化关系，从而作段水位、流量、流速、水深沿流程和时间的变化关系，从而作为求解水质方程的条件给出。为求解水质方程的条件给出。教案-第4章水环境演化原理教案-第4章水环境演化原理简化上式得：简化上式得：如果流场中的流速和弥散系数都是常数，则得如果流场中的流速和弥散系数都是常数，则得一维水质迁
30、一维水质迁移转化基本方程：移转化基本方程：一维模型较多地应用于比较长而狭窄的河流水质模拟。一维模型较多地应用于比较长而狭窄的河流水质模拟。教案-第4章水环境演化原理稳态一维迁移转化方程稳态一维迁移转化方程l对于均匀河段，流量和排污稳定时，各断对于均匀河段，流量和排污稳定时，各断 面污染浓度不随时间变化即面污染浓度不随时间变化即 =0，由此，由此 可得到具有源汇项的一维迁移转化方程。可得到具有源汇项的一维迁移转化方程。教案-第4章水环境演化原理l如果在如果在 x ， y,z 三个方向上都存在污染物浓度梯度，三个方向上都存在污染物浓度梯度，则可以写出三维空间的环境质量基本模型：（海洋水则可以写出三维空间的环境质量基本模型：（海洋水质模拟大多使用三维模型）质模拟大多使用三维模型）l如果在如果在 x 方向和方向和 y 方向存在污染物的浓度梯度时，可方向存在污染物的浓度梯度时，可以写出以写出 x ， y 平面的二维基本模型，二维模型较多应平面的二维基本模型，二维模型较多应用于宽的河流用于宽的河流,河口。河口。二维和三维基本模型方程二维和三维基本模型方程教案-第4章水环境演化原理
