《环境学概论》教案

环境与规划学院 《环境学概论》教案

(3)弥散(dispersion) 由横断面流速不均引起。 弥散通量的表达式 3.衰减和转化

(1)保守物质和非保守物质 (2)非保守物质的衰减 表达式 结合图3-2综述

推流作用：总量不变，分布状态不变 推流＋分散：总量不变，分布状态变化 推流＋分散＋衰减：总量改变，分布状态变化 二、河流水体中污染物扩散的稳态解

c?f?x,y,z,t?

1.稳态和非稳态

dcdc稳态：?0；非稳态：?0

dtdt2.模型的简化

c?f?x,y,z?

三维→二维→维→零维

(1)零维

c0?Qc1?qc2

Q?q例题：某个建设项目，建成投产以后废水排放量为2.5m3/s，废水中含某污染物为1000mg/L，废水排入一条河流中，河水的流量为100m3/s，该河上游含该种污染物的浓度为300mg/L，问废水排入河水中后，污染物的浓度为多少？（按完全混合考虑）

(2)一维

根据一个微小体积元的质量平衡推导一维模型 稳态条件下的一维模型

?2c?cDx2?ux?Kc?0 ?x?x一维模型求解：在忽略纵向弥散条件下即Dx＝0，得：

?Kx?c?c0exp???u??

x??24

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例题：废水量q＝0.15m3/s，BOD5浓度为30mg/L．河流流量Q＝5.5m3/s．流速ux＝0.3m/s， BOD5背景浓度为0.5mg/L，衰减系数K＝0.2d-1，纵向弥散系数Dx＝10m2/s。求排放点下游10km处的BOD5浓度。

课后练习题：废水量q＝1.0m3/s，CODCr浓度为58mg/L．河流流量Q＝8.7m3/s．流速

ux＝0.1m/s， 河水中CODCr背景浓度为14.5mg/L，CODCr的衰减系数K＝0.5d-1。求排放点下游10km处的CODCr浓度。

三、河流水质模型 1.DO (1)来源 大气复氧

(2)大气复氧表达式 dDK??LD??KaD dtH(3)饱和溶解氧的计算

468 cs?31.6?T思考：常温下（20℃）水体的饱和溶解氧为多少？（9.07mg/L）

2.BOD

L?L0e?Kdt

dL??KdL dt3.S－P模型 (1)基本假设

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，而在河流中的溶解氧来源则是大气复氧。

(2)一般表达式及其解析解 dLdD??KdL ?KdL?KaD dtdtL?L0e?Kdt解析解：

D? KdL0e?Kdt?e?Kat?D0e?KatKa?Kd??(3)氧垂曲线

演示氧垂曲线（oxygen sag curve） 临界点（critical point）及其意义 4.S－P模型的修正型

(1)托马斯（Thomas）模型

考虑了沉淀作用对BOD的去除作用 (2)欧康奈尔（O’Connor）模型 含氮有机物对水质的影响

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(3)康布（ Dobbins-Camp ）模型 底泥的耗氧和光合作用 5.综合水质模型

如美国EPA开发的QUAL－Ⅰ，QUAL－Ⅱ 多组分的水质模型

第三节 污染物在水体中的转化

一、水体中耗氧有机物降解

水体中有机物能发生降解作用，其原因是微生物把水中各种有机物作为生长繁殖的营养来源，使有机物不断分解。具有分解有机物的微生物主要是细菌。

有机物主要由碳、氢、氧、氮组成。细菌对有机物的分解主要是脱氢氧化作用，即把有机物中 的氢脱去而放出适当的能量。当然，脱出的氢要相应的受氢体来接受，反应才能完成。如果水中有游离的氧分子O2作受氢体则称为有氧氧化。如果是分子氧以外的化合物作为受氢体，反应在缺氧或无氧条件下进行，则称为无氧氧化。在两种情况下作用的细菌称为兼氧细菌。只有缺氧或无氧条件下作用的细菌称厌氧菌。

1.耗氧有机物的生物降解

(1)酶(enzyme)：生物体产生的一类具有特殊催化能力的蛋白质。 (2)主要的反应类型 ? 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。 一些发生在细菌体外 一些发生在微生物细胞内 结合书上的反应式进行讲解 ? 氧化反应： 脱氢作用：受氢体

脱羧作用：形成CO2的主要过程 2.代表性耗氧有机物的生物讲解 (1)碳水化合物

碳水化合物由C、H、O组成，不含N。有多糖（C5H10O5）n、二糖（蔗糖）（C12H22O11）、单糖（葡萄糖）（C6H12O6）之分。细菌的养分或能量来源于碳水化合物的降解。

细菌首先在细胞膜外通过水解使碳水化合物由多糖转化为二糖。 （C5H10O5）n+n/2H2O →n/2(C12H22O11)

此时细菌则进入细胞膜内，继续水解使二糖转化为单糖 C12H22O11+H2O →2C6H12O6 这两步反应过程中的能量变化很小。

单糖不论在有氧或无氧条件下均能转化为丙酮酸，期间有许多反应步骤，但总反应是： C6H12O6 →2CH3COCOOH+4H 此过程称为糖解过程。

在有氧条件下，丙酮酸在乙铣辅酸A的作用下，最终转化为CO2和H2O： 2CH3COCOOH +4H+6O2→6CO2+6H2O

在无氧条件下，这种反应不能进行到底则形成各种酸、醇、酮等，此过程称为发酵。 2CH3COCOOH +4H →CH3CH2COOH+CH3COOH+HCOOH（丙酸发酵） 3CH3COCOOH+H2O →CH3（CH2）2COOH+CH3COOH+3CO2+H2（丁酸发酵）

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降解过程：多糖→二糖 →单糖 →丙酮酸→氧化，或者发酵

在有氧条件下，在好氧微生物作用下进行转化，这一转化进程快，产物一般为CO2、H2O等稳定物质。在无氧条件下，则在厌氧微生物的作用下进行转化，这一进程较慢，而且分两个阶段进行。首先在产酸菌的作用下，形成脂肪酸、醇等中间产物，继而在甲烷菌的作用下形成H20，CH4，CO2等稳定物质，同时放出硫化氢、硫醇、粪臭素等具有恶臭的气体。

(2)脂肪和油类的降解

脂肪的降解过程为：脂肪→甘油→丙酮酸→有氧氧化，无氧发酵 (3)含氮有机物的降解

蛋白质→氨基酸→丙酮酸→有氧氧化，无氧发酵 蛋白质→氨基酸→氨→亚硝酸→硝酸

硝化作用：2NH3+3O2 → 2HNO2+2H2O+148千卡 2HNO2+O2 → 2HNO3+48千卡

反硝化作用：2HNO3 → 2HNO2 → （NOH）2 → NO2 → N2

在整个蛋白质降解过程中发生的氮形态的变化,可作为需氧污染物氨氮的出现和自净过程的判断标志。

蛋白质（有机氮）→NH3-N→NO2-N→N03-N （有机污染）————————（自净彻底） 硫化作用：2H2S+O2 → 2H2O+S2+能量 S2+3O2+2H2O → 2H2SO4 +能量

共同的规律：首先在细菌体外发生水解，然后在细胞内部继续水解和氧化。降解的后期产物都是生成各种有机酸。在有氧条件下，这些有机酸可进行彻底氧化，其最终产物是CO2、H2O及NO3-等；在缺氧条件下，进行发酵、反硝化过程，其最终产物除CO2和H2O外，还有NH3、CH4、有机酸、醇等。

生物氧化的顺序:有氧氧化→反硝化→甲烷发酵→酸性发酵 (4) 耗氧有机物对水体的危害

有机污染物对水体污染的危害主要在于对渔业水产资源的破坏。当水体中有机物浓度过高时，微生物消耗大量的氧，往往会使水体中溶解氧浓度急剧下降，甚至耗尽，导致鱼类及其他水生生物死亡。而水中含有充足的溶解氧是保证鱼类生长、繁殖的必要条件之一，一旦水中溶解氧下降，不能满足鱼类的要求时，它们将力图游离这个缺氧地区，而当溶解氧降至1mg／L时，大部分的鱼类就要窒息而死。当水中溶解氧消失时，水中厌氧菌大量繁殖，在厌氧菌作用下有机物会分解．并释放出甲烷和硫化氢等有毒气体，更不适于鱼类的生存。

? 导致水体缺氧，局部水域水质恶化； ? 含氮有机物可能导致水体富营养化。 二、水体富营养化过程 1.概念

水体富营养化(eutrophication)是指由于水体中的氮、磷营养物质的富集，引起藻类和其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，使鱼类和其他生物大量死亡、水质恶化的现象。

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