第三章水环境化学-第四节水质模型讲义.ppt

1. Streeter-Phelps（S-P）模型（河流水质自净模型） S-P模型的建立基于两项假设： （1）只考虑好氧微生物参加的有机物降解反应，并认为该反应为一级反应。 （2）河流中的耗氧只是有机物降解反应引起的。有机物的降解反应速率与河水中溶解氧(DO)的减少速率相同，大气中的氧进入水体的复氧速率与河水中的亏氧量 D 成正比。 S-P 模型的临界点和临界点氧浓度 2．托马斯(Thomas)模型 对于一维静态河流，在S—P模型的基础上考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对BOD变化的影响，引入了BOD沉浮系数k3 二、水体富营养化预测模型 1．水体的富营养化问题 雨水： 雨水中硝酸盐的含量在 0.16 -1.06 mg/L间，氨氮含量在 0.04 - 1.70 mg/L间，大面积湖泊和水库从雨水受纳氮数量相当可观。 农业排水： 土壤中的氮、磷通过地表水径流被引入到湖泊、水库。 式中：c - 湖水平均总磷浓度 mg/L, IP－ 输入湖泊磷的浓度 g/d PW - 水力冲刷系数 PW = q / V (d-1) q - 出湖河道流量 m3/d, V－ 湖泊容积 m3 λP - 磷的沉降速率常数 d-1 t - 河水入湖时间 d 表征环境特征：取决于实际水环境。 (水流量,流速,pH,水温,风速,细菌数,光强等） 迁移过程 沉淀-溶解作用：有机或无机物溶解度对其迁移转化可利用性的影响，将改变迁移的速率。 对流作用：水流作用使污染物进入（排出）特定水生生态系统。 挥发作用：大气、水中浓度分布。 沉积作用：底部沉积物的吸附-解吸。 转化过程 生物降解：微生物代谢将改变污染物和它们的毒性。 光解作用：破坏有毒有机物分子的结构。 水解作用：使污染物分子变成简单分子，低毒或无毒化合物。 氧化还原：微生物催化氧化,光催化氧化,均将改变有机分子的结构。 污染物归趋模式研究思路 从研究单个的主要迁移转化过程着手，建立单个过程的模式，作为整体模式的基础。 假设某化合物从水环境消失的总速率，是各个单过程消失速率之和，每个单过程的速率均是一级反应过程，总速率亦同。 模型建立步骤： 1.计算有机物因转化和挥发从水环境中消失速率 有机物在颗粒物上的吸着会降低有机物在水中的浓度，吸着也会发生转化（如微生物转化代谢），但在这里不考虑转化过程或转化很慢（比溶液中慢），并且吸着过程具有可逆性。 将上式代入 应用实例（略 p247） 美国国家环保局（EPA）对五种邻苯二甲酸脂类物质在不同类型水环境中的迁移转化的规律的研究。 * 水质模型，是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移、扩散和转化过程（包括物理、化学、生物作用过程）的数学方程（或方程组） . 第四节 水质模型 水质模型的基本原理是质量守恒原理；建立水质模型的目的是用来描述污染物数量与水环境影响因素之间的定量关系，从而为水质分析、预测和水环境管理提供基础的量化依据。 本节讨论的水质模型主要是：氧平衡模型、湖泊富营养化模型和有毒有机污染物归趋模型。 一、氧平衡模型 式中:L—河水中的BOD值，mg/L； D—河水亏氧值，mg/L,是饱和溶解氧浓度Cs （mg/L）与实际溶解氧浓度C（mg/L）的差值D=CS-C； k1—河水耗氧速度常数，1／d； k2—河水复氧速度常数，1／d； u—河水平均流速km/d; x-顺河水流动方向的纵向距离km。 S-P模型的基本方程为： 当边界条件 S-P模型基本方程的解析解为: 以S-P解析解中溶解氧C对距离作图可得一条下垂曲线， 称为氧垂曲线。 氧垂曲线最低点所对应的溶解氧，称为极限溶解氧Cc，出现Cc的距离称为极限距离xc； 在极限距离处xc，溶解氧变化率为零，由S-P方程可得： 极限距离： 极限溶解氧： （DC为极限氧亏） 当边界条件 求取解析解可得： 水的停留时间较长（可达数月至数年），属于缓流水域，其中的化学和生物学过程保持一个比较稳定的状态。 进入湖泊和水库中的营养物质在其中容易积累，致使水质发生富营养化。 在水深较大的湖、库中，水温和水质是竖向分层的。 湖泊(水库)的水质特征： 指在人类活动的影响下，氮、磷等生物所需营养物质大量进入湖泊、水库、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，引起鱼类及其他生物大量死亡的现象。 水中营养物质的来源 城市污水：包括：排泄物、食品污物，含磷洗涤剂。污水厂通过厌氧处理污泥的方法可去除20－50％的氮和大部分的磷，但在污水处理中也使用到多种含氮、磷的化学试剂，如氯胺、有机絮凝剂、无机助絮凝剂、多聚磷酸钠等。 其他来源：包括