三、水体自净
概念：水体可以在其环境容量范围内，经过自身的物理、化学和生物作用，使受纳的污染物浓度不断降低，逐渐恢复原有的水质，这种过程叫水体自净。水体自净可以看作是污染物在水体中的迁移、转化和衰减变化的过程。
1．迁移和转化
污染物在水体中的迁移和转化作用包含推流迁移、分散稀释、吸附沉降等方面。 (1)推流迁移：指污染物随着水流在x、y、Z三个方向上平移运动产生的迁移作用。 (2)分散稀释：是污染物在水流中通过分子扩散、湍流扩散和弥散作用分散开来，得到稀释。
(3)转化和运移：是污染物在悬浮颗粒上的吸附或解吸、污染物颗粒的凝并、沉淀和再悬浮。底泥中污染物随底泥沉积物运移，以及热污染的传导和散失等。
2．衰减变化
(1)污染物的好氧生化衰减过程：
严重污染水体自净过程：含碳有机物降解到低浓度后再进行氨氮硝化； 污染较轻水体，第一阶段 和第二阶段同时进行。 Ρ B O D a和ρ
BODN之和反映水体受可降解有机物污染程度。
BOD5仅反映部分污染物碳化的需氧量。
图4-1 受污染水样的生化需氧量（BOD）曲线
（2）有机污染物的好氧生化降解 ρ B O D c＝ρ
B O D a－ρBOD1＝ρBODaexp(-k1t)
ρ B O D c— t 时刻剩余碳化需氧量，mg/L；
ρ B O D a— 水中总的碳化需氧量，mg/L； ρ
BOD1—
已降解的BOD值，mg/L；
k1 — 有机污染物碳化衰减速率系数(耗氧系数)，1/d； t — 污染物在水体中停留时间，d。
(3)硝化作用：天然水体中含氮化合物经过一系列生化反应过程，由氨氮氧化为硝酸盐，称硝化作用。硝化反应也具有一级反应性质。
ρ BOD n ＝ρ BODN exp(-k N t)
Ρ BODN ＝ 4.57 NK＋1.14ρNO2 Ρ BODN ＝ 4.57 （ρ N,O＋ρNH3-N）＋1.14ρNO2 （4） 温度影响 ：
k1,T?k1,20?1T?20T?20kN,T?kN,20?Nθ1＝1.047（10～35℃）；θN＝1.08（10～30℃）
（5）脱氮作用：水中溶解氧消耗尽时，水中硝酸盐被反硝化细菌还原为亚硝酸盐再转化为氮气。
（6）硫化物反应：
水中缺溶解氧和硝酸根离子时，硫酸盐被细菌还原为硫化氢，含硫蛋白质在厌氧条件下被大肠杆菌分解生成半胱氨酸，再被还原为硫化氢；
水中铁和亚铁离子，与S2-生成难溶硫化铁或硫化亚铁而减少硫化氢生成； 水中有溶解氧时，硫化物被硫细菌氧化为硫酸盐。
（7）水中溶解细菌衰减作用：随着水体自净过程进行，如河流流动过程，细菌(特别是粪便中细菌)逐渐减少。细菌衰减服从一级反应。
（8） 重金属和有机毒物的衰减作用：重金属和有机毒物在水体中衰减与其种类和性质有关；多数呈一级反应。
四、耗氧与复氧 1．水体耗氧
（1）碳化需氧量衰减耗氧：
有机污染物生化降解，使碳化需氧量衰减，耗氧量： ρ BOD l＝ρ BOD a－ρ BOD c＝ρ（2）含氮化合物硝化耗氧：
BODa[1－exp(-k1t) ]
ρBOD2＝ρ BOD N－ρ BOD n＝ρBODN[1－exp(-k N t) ]
（3） 水生植物呼吸耗氧：水中藻类和其他水生植物在光合作用停止后的呼吸作用耗氧。 （4）水体底泥耗氧：底泥耗氧主要原因是由于底泥中耗氧物质返回到水中和底泥顶层耗氧物质氧化分解。
2．复氧过程 （1）大气复氧
氧气由大气进人水体传质速率与水体氧亏量成正比： 氧亏量： Ρ D＝ρ DO s－ρ DO 饱和溶解氧浓度：Ρ
DO s＝468/（31.6＋T）
d?D??k2?Ddt大气复氧速率系数 ： 温度系数： θ r =1.024
k2,t?k2,20?rt?20（2）光合作用：水生植物光合作用是水体复氧另一来源。 五、水温变化
水温是影响水质重要指标。
各种水质参数值，如溶解氧浓度、非离子氨浓度等，以及水质模型中的许多系数如耗氧系数k1、复氧系数k2等与水温有关；
过高的水温或过快的水温变化速率影响水生生物正常生长和水体功能; 发电厂、化工厂等排放的热水是引起水体水温变化的主要污染源。
水体水温变化除了受工业污染源影响外，还与一系列热交换过程有关，包括同大气的能量交换和河床的热量交换等。
第二节 常用水质模型
一、地表水体水质变化基本方程
?C??????uxC???uyC???uzC??t?x?y?z????C????C????C??Ey??Ez?Ex?????S(x,y,z,t,C)???x??x??y??y??z??z?二、常用河流水质模型 1．完全混合模型 适用条件：
河流充分混合段；持久性污染物；为恒定流；废水连续稳定排放。
Q —河流的流量，m3/s；
ρ1—排污口上游河流中污染物浓度，mg/L； q —排入河流的废水流量，m3/s； ρ2—废水中的污染物浓度，mg/L。 2．一维水质模型
适用条件： 河流充分混合段；非持久性污染物；河流为恒定流；连续稳定排放。
?0＝Q?1?q?2Q?q?2C?CEx2?ux?KC?0?x?x?uxx?4kEx?1?1?C＝C0exp?2?2Eu?xx??????????式中：c－计算断面的污染物浓度，mg/L；
c0－计算初始点污染物浓度，mg/L； K－衰减系数，1/d； u－河流流速，m/s；
x－从计算初始点到下游计算断面的距离，m。 忽略弥散的一维稳态水质模型：
uxdc??kcdtcx?c0exp??kt?稳态条件下，忽略纵向弥散系数与考虑纵向弥散系数的差异可以忽略。
对水面宽阔的河流受纳污(废)水后的混合过程和污染物的衰减可用二维模型预测； 对于水面又宽又深和流态复杂的河流水质预测宜采用三维模型。 污染物与河水完全混合所需距离：
污染物从排污口排出后要与河水完全混合需一定纵向距离，这段距离称为混合过程段，其长度为x。
某一断面上任意点浓度与断面平均浓度之比介于0.95～1.05，该断面已达到横向混合，由排放点至完成横向断面混合距离称为完成横向混合所需距离。
采用河中心排放所需完成横向混合距离：
0.1uxB2x?Ey
岸边排放：
3．S-P 耦合模型
0.4uxB2x?Ey基本假设：河流中BOD衰减和溶解氧复氧是一级反应；反应速度是定常的；河流中耗氧由BOD衰减引起，河流中溶解氧来源是大气复氧。
d?BOD??k1?BODdtd?D?k1?BOD?k2?Ddt求解得：
ρBOD ＝ρBOD0 exp(-k1t) 式中：ρ
BOD ——河水中的
?D＝k1?BOD0k2?k1s(e-k1t?e-k2t)??D0e-k2tk1?BOD0k2?k1(e-k1t?e-k2t)??D0e-k2tBODc
?DO＝?DO??D??DO?sBOD值（相当于图4-2曲线中ρ值），mg/L
ρD ——亏氧量，即饱和溶解氧浓度与溶解氧浓度的差值，mg/L； ρ
D0——初始断面亏氧量，mg/L；
K1 ——河水中BOD衰减（耗氧）系数，1/d； K2 ——大气复氧系数，1/d； t ——河水的流行时间。
适用条件： 河流充分混合段； 污染物有耗氧性有机污染物； 需要预测河流溶解氧状态；河流为恒定流动； 污染物连续稳定排放。