環(huán)境化學課件：水質模型

1、LOGOwww.theme 第四節(jié)水質模型第四節(jié)水質模型污染物進入水環(huán)境后，由于物理、化學和生物作用的綜合效應，其行為的變化是十分復雜的，很難直觀的了解他們的變化和趨勢-借助水質模型，描述污染物在水環(huán)境中的復雜規(guī)律及其影響因素之間的互相關系基本原理:根據質量守恒原理三個發(fā)展階段：簡單的氧平衡模型階段形態(tài)模型階段多介質環(huán)境結合生態(tài)模型階段LOGOwww.theme v氧平衡模型 Streeter-Phelps模型（SP模型） 假定河流的自凈過程中存在著兩個相反的過程、既有機污染物在水體中先發(fā)生氧化反應，消耗水體重的氧，其速率與其在水中的有機污染物濃度成正比，同時大氣中的氧不斷進入水體，其速率與水

2、中的氧虧植呈正比。根據質量守橫原理、提出一維穩(wěn)態(tài)河流的BODDO耦合模型的基本方程式LOGOwww.theme LOGOwww.theme SP模型是描述污染物進入河流水體后，耗模型是描述污染物進入河流水體后，耗氧過程和復氧過程這兩者的平衡狀態(tài)。溶解氧氧過程和復氧過程這兩者的平衡狀態(tài)。溶解氧在水中的變化過程為一下垂的曲線，溶解氧濃在水中的變化過程為一下垂的曲線，溶解氧濃度有一個最低植，稱為極限溶解氧度有一個最低植，稱為極限溶解氧Cc。出現。出現Cc的距離稱為極限距離的距離稱為極限距離Xc, 根據這一點，溶解氧根據這一點，溶解氧變化率為零。用變化率為零。用SP方程，既得溶解氧沿河變方程，既得溶解

3、氧沿河變化圖化圖LOGOwww.theme 湖泊富營養(yǎng)化預測模型湖泊富營養(yǎng)化預測模型 多元相關模型、輸入輸出模型、富營養(yǎng)化預測模型和擴散模型 人湖污染物為氮、磷等營養(yǎng)物時，根據質量守恒原理，湖水中污染物濃度的變化不僅與進出湖泊的數量有關，而且還受其沉降速度的影響LOGOwww.theme v 預測模型的基本表達式如下：v V(dc/dt)=Ip-qc-pVcv 簡化后得：v dc/dt=(Ip/V)-(Pw+p)cv 式中：c湖水年平均總磷濃度，mg/Lv Ip 輸入湖泊磷的總量，g/d v Pw水力沖刷系數，Pw=q/V,d-1v q出湖河道流量，m3/d v V湖泊容積，m3v p磷的沉降

4、速度常數，d-1v t河水入湖時間,d,v 該方程解為：v c= Ip/V(Pw+p)-1-V(Pw+p)c0/ Ipe-(Pw+p)tv 式中：c入湖河水的磷濃度，mg/LLOGOwww.theme 有毒有機污染物的歸趨模型有毒有機污染物的歸趨模型有機物有機物-毒性毒性進入環(huán)境分解為無毒物的速度快慢如何進入環(huán)境分解為無毒物的速度快慢如何一個毒性大而分解快的有機物未必毒性小而分解慢的有機物危害來得一個毒性大而分解快的有機物未必毒性小而分解慢的有機物危害來得大大許多有毒有機物在受到控制（例如進行治理）的情況下未必絕對不能許多有毒有機物在受到控制（例如進行治理）的情況下未必絕對不能使用。使用。只有

5、那些持久性（難分解）的優(yōu)先污染物才在禁用或嚴格控制之列。只有那些持久性（難分解）的優(yōu)先污染物才在禁用或嚴格控制之列。其他有機物，如果控制處置得當，不但不是污染物，而且是工農業(yè)生產的其他有機物，如果控制處置得當，不但不是污染物，而且是工農業(yè)生產的資源。資源。LOGOwww.theme v 水、土水、土環(huán)環(huán)境中各境中各種種有機毒物的有機毒物的預測預測模型模型v 預測污預測污染物在染物在環(huán)環(huán)境中境中濃濃度的度的時時空分布及通空分布及通過過各各種遷種遷移移轉轉化化過過程后的程后的歸趨歸趨v 設設想在模型中只出想在模型中只出現現表征化合物固有性表征化合物固有性質質的的參數參數v 要建立要建立這種這種模型

6、只有充分模型只有充分研研究化合物的各究化合物的各種遷種遷移移轉轉化化過過程的機理，程的機理，并并且要特且要特別別著重著重動動力力學學的的研研究究LOGOwww.theme LOGOwww.theme 負載過程（輸入過程負載過程（輸入過程）污水排放速率、大氣沉降以及地表徑流引入有機毒物至天然水體均將直接影污水排放速率、大氣沉降以及地表徑流引入有機毒物至天然水體均將直接影響污染物在水中的濃度響污染物在水中的濃度酸堿平衡酸堿平衡：天然水：天然水中中pH值決定著有值決定著有機酸或堿以中性態(tài)機酸或堿以中性態(tài)或離子態(tài)存在的分或離子態(tài)存在的分數，因而影響揮發(fā)數，因而影響揮發(fā)及其他作用及其他作用形態(tài)過程：形態(tài)

7、過程：吸著作用吸著作用：疏水有：疏水有機化合物吸著至懸機化合物吸著至懸浮物上，由于懸浮浮物上，由于懸浮物質的遷移而影響物質的遷移而影響他們以后的歸趨他們以后的歸趨LOGOwww.theme 遷遷移移過過程程v 沉淀沉淀溶解作用：溶解作用：污污染物的溶解度范染物的溶解度范圍圍可限制可限制污污染物在染物在遷遷移、移、轉轉化化過過程中的可利用性或者程中的可利用性或者實質實質上改上改變變其其遷遷移速率移速率v 對對流作用：水力流流作用：水力流動動可可遷遷移溶解的或者被移溶解的或者被懸懸浮物吸附的浮物吸附的污污染染物物進進入或排出特定的水生生入或排出特定的水生生態(tài)態(tài)系系統(tǒng)統(tǒng)v 揮發(fā)揮發(fā)作用：有機作用：有

8、機污污染物可能染物可能從從水體水體進進入大入大氣氣，因而，因而減減少其在少其在水中的水中的濃濃度度v 沉沉積積作用：作用：污污染物被吸附沉染物被吸附沉積積于水體底部或于水體底部或從從底部沉底部沉積積物中物中解吸，均可改解吸，均可改變污變污染物的染物的濃濃度。度。LOGOwww.theme 轉化過程轉化過程生物降解作用生物降解作用光解作用光解作用水解作用水解作用氧化還原作用氧化還原作用v微生物代微生物代謝污染物并謝污染物并在代謝過程在代謝過程中改變它們中改變它們的毒性的毒性v污染物對污染物對光的吸收有光的吸收有可能導致影可能導致影響它們毒性響它們毒性的化學反應的化學反應的發(fā)生的發(fā)生v一個化合一個

9、化合物與水作用物與水作用通常產生較通常產生較小的、簡單小的、簡單的有機產物的有機產物涉及減少或涉及減少或增加電子在增加電子在內的有機污內的有機污染物以及金染物以及金屬的反應都屬的反應都強烈地影響強烈地影響環(huán)境參數環(huán)境參數LOGOwww.theme 生物濃縮作用：通生物濃縮作用：通過可能的手段如通過可能的手段如通過魚鰓的吸附作用，過魚鰓的吸附作用，將有機污染物攝取將有機污染物攝取至生物體至生物體生物累積過程生物累積過程生物放大作用：高生物放大作用：高營養(yǎng)級生物以消耗營養(yǎng)級生物以消耗攝取有機毒物進入攝取有機毒物進入生物體的低營養(yǎng)級生物體的低營養(yǎng)級生物為食物，使生生物為食物，使生物體中有毒物的濃物體

10、中有毒物的濃度隨營養(yǎng)級的提高度隨營養(yǎng)級的提高而逐步增大而逐步增大LOGOwww.theme v 首先，從研究單個的主要遷移轉化過程著手，單個過程的模型是整個模型的首先，從研究單個的主要遷移轉化過程著手，單個過程的模型是整個模型的基礎。并認為各單個過程使某種化合物從水環(huán)境中消失速率之和是該化合物基礎。并認為各單個過程使某種化合物從水環(huán)境中消失速率之和是該化合物在水環(huán)境中消失的總速率。再假定每種過程速率都是一級反應過程，因而總在水環(huán)境中消失的總速率。再假定每種過程速率都是一級反應過程，因而總速率也是一級反應。這基本上于在天然水環(huán)境中距離污染源較遠、污染物濃速率也是一級反應。這基本上于在天然水環(huán)境中

11、距離污染源較遠、污染物濃度很低的地方實際情況是吻合的度很低的地方實際情況是吻合的v 其次，模型中既要有化合物固有性質的參數，又要有表征環(huán)境特征的參數，其次，模型中既要有化合物固有性質的參數，又要有表征環(huán)境特征的參數，這樣似乎應為二級反應式。但如果一但環(huán)境定下來了，則速率的方程就又變這樣似乎應為二級反應式。但如果一但環(huán)境定下來了，則速率的方程就又變成準一級反應式了。為此假定有機物的存在不改變環(huán)境參數，例如不會改變成準一級反應式了。為此假定有機物的存在不改變環(huán)境參數，例如不會改變水體的水體的pHpH值、對光的吸附系數和細菌總數等。由于污染物在水環(huán)境中的濃度值、對光的吸附系數和細菌總數等。由于污染物

12、在水環(huán)境中的濃度很低，這個假定也是合乎實際情況的很低，這個假定也是合乎實際情況的v 第三，假定吸著速率遠快于揮發(fā)和各種轉化的速率。但實際上吸著過程并不第三，假定吸著速率遠快于揮發(fā)和各種轉化的速率。但實際上吸著過程并不是瞬間完成的，雖然一般講，它的過程比各轉化過程快。因此這種模型不能是瞬間完成的，雖然一般講，它的過程比各轉化過程快。因此這種模型不能適用于污染源附近的濃度分析，它只反映長時間的大范圍的環(huán)境的情況。因適用于污染源附近的濃度分析，它只反映長時間的大范圍的環(huán)境的情況。因此，這種模型只采用一維的和穩(wěn)態(tài)的處理方法此，這種模型只采用一維的和穩(wěn)態(tài)的處理方法LOGOwww.theme v 用簡單的

13、公式敘述歸趨模型v 計算有機物因揮發(fā)和轉化過程而從水環(huán)境中消失的速率v 吸著過程對有機物消失過程的影響v 對于一個被研究的水生態(tài)系統(tǒng)，考慮有機物的輸入、稀釋及最終從系統(tǒng)中輸出的速率，從而計算在系統(tǒng)內的濃度和半衰期。有機物從大氣返回到水體包括在輸入項內LOGOwww.theme 有機物的消失速率有機物由于各種轉化過程和揮發(fā)過程消失的總速率（RT）是各消失速率（Ri）的總和。RT=Ri=c(KiEi)式中：Ki第i過程的速率常數；Ei對于第i過程在動力學上起重要租用的環(huán)境參數（例如，水體pH值、光強、細菌總數等）；c化合物的濃度環(huán)境參數在一定的環(huán)境地區(qū)和時間內就保持不變，這樣Ki（Ei) 就可以用

14、準一級反應速率常數表示RT=cki KT=Ki=Kvm+Kb+Kh+Kp式中：RT污染物由于轉化和揮發(fā)消失的總準一級反應速率常數；Kvm揮發(fā)速率常數； Kb生物降解速率常數；Kp光解速率常數； Kh水解速率常數。LOGOwww.theme 2.吸著的影響吸著的影響 前提前提 假定在顆粒物上不存在轉化過程，而且吸著是完全可逆的，或比起溶液中假定在顆粒物上不存在轉化過程，而且吸著是完全可逆的，或比起溶液中的轉化過程的速率快的多，如前節(jié)介紹，當有機物濃度很低時，它在水與顆粒物（沉的轉化過程的速率快的多，如前節(jié)介紹，當有機物濃度很低時，它在水與顆粒物（沉積物或生物群）之間的分配，往往可用分配系數（積物

15、或生物群）之間的分配，往往可用分配系數（Kp）來表示。因此，在一個水）來表示。因此，在一個水-顆顆粒物體系中有機物在水中的濃度（粒物體系中有機物在水中的濃度（cw）就可表達為：）就可表達為：這一關系說明，除非在顆粒物上有機物轉化過程的速率大于水中的轉化這一關系說明，除非在顆粒物上有機物轉化過程的速率大于水中的轉化速率，吸著的凈效應是降低有機毒物從水中消失的總速率，顆粒物的吸速率，吸著的凈效應是降低有機毒物從水中消失的總速率，顆粒物的吸著將增加半衰期：著將增加半衰期：LOGOwww.theme 穩(wěn)定時的濃度穩(wěn)定時的濃度 上述方程僅僅描述了水體沒有輸入和輸出時有機毒物上述方程僅僅描述了水體沒有輸入和輸出時有機毒物的歸趨。實際上有機毒物總以一定的速率（的歸趨。實際上有機毒物總以一定的速率（Ri）輸入給水體）輸入給水體的。