环境化学课件：水质模型

1、LOGOwww.theme 第四节水质模型第四节水质模型污染物进入水环境后，由于物理、化学和生物作用的综合效应，其行为的变化是十分复杂的，很难直观的了解他们的变化和趋势-借助水质模型，描述污染物在水环境中的复杂规律及其影响因素之间的互相关系基本原理:根据质量守恒原理三个发展阶段：简单的氧平衡模型阶段形态模型阶段多介质环境结合生态模型阶段LOGOwww.theme v氧平衡模型 Streeter-Phelps模型（SP模型） 假定河流的自净过程中存在着两个相反的过程、既有机污染物在水体中先发生氧化反应，消耗水体重的氧，其速率与其在水中的有机污染物浓度成正比，同时大气中的氧不断进入水体，其速率与水

2、中的氧亏植呈正比。根据质量守横原理、提出一维稳态河流的BODDO耦合模型的基本方程式LOGOwww.theme LOGOwww.theme SP模型是描述污染物进入河流水体后，耗模型是描述污染物进入河流水体后，耗氧过程和复氧过程这两者的平衡状态。溶解氧氧过程和复氧过程这两者的平衡状态。溶解氧在水中的变化过程为一下垂的曲线，溶解氧浓在水中的变化过程为一下垂的曲线，溶解氧浓度有一个最低植，称为极限溶解氧度有一个最低植，称为极限溶解氧Cc。出现。出现Cc的距离称为极限距离的距离称为极限距离Xc, 根据这一点，溶解氧根据这一点，溶解氧变化率为零。用变化率为零。用SP方程，既得溶解氧沿河变方程，既得溶解

3、氧沿河变化图化图LOGOwww.theme 湖泊富营养化预测模型湖泊富营养化预测模型 多元相关模型、输入输出模型、富营养化预测模型和扩散模型 人湖污染物为氮、磷等营养物时，根据质量守恒原理，湖水中污染物浓度的变化不仅与进出湖泊的数量有关，而且还受其沉降速度的影响LOGOwww.theme v 预测模型的基本表达式如下：v V(dc/dt)=Ip-qc-pVcv 简化后得：v dc/dt=(Ip/V)-(Pw+p)cv 式中：c湖水年平均总磷浓度，mg/Lv Ip 输入湖泊磷的总量，g/d v Pw水力冲刷系数，Pw=q/V,d-1v q出湖河道流量，m3/d v V湖泊容积，m3v p磷的沉降

4、速度常数，d-1v t河水入湖时间,d,v 该方程解为：v c= Ip/V(Pw+p)-1-V(Pw+p)c0/ Ipe-(Pw+p)tv 式中：c入湖河水的磷浓度，mg/LLOGOwww.theme 有毒有机污染物的归趋模型有毒有机污染物的归趋模型有机物有机物-毒性毒性进入环境分解为无毒物的速度快慢如何进入环境分解为无毒物的速度快慢如何一个毒性大而分解快的有机物未必毒性小而分解慢的有机物危害来得一个毒性大而分解快的有机物未必毒性小而分解慢的有机物危害来得大大许多有毒有机物在受到控制（例如进行治理）的情况下未必绝对不能许多有毒有机物在受到控制（例如进行治理）的情况下未必绝对不能使用。使用。只有

5、那些持久性（难分解）的优先污染物才在禁用或严格控制之列。只有那些持久性（难分解）的优先污染物才在禁用或严格控制之列。其他有机物，如果控制处置得当，不但不是污染物，而且是工农业生产的其他有机物，如果控制处置得当，不但不是污染物，而且是工农业生产的资源。资源。LOGOwww.theme v 水、土水、土环环境中各境中各种种有机毒物的有机毒物的预测预测模型模型v 预测污预测污染物在染物在环环境中境中浓浓度的度的时时空分布及通空分布及通过过各各种迁种迁移移转转化化过过程后的程后的归趋归趋v 设设想在模型中只出想在模型中只出现现表征化合物固有性表征化合物固有性质质的的参数参数v 要建立要建立这种这种模型

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种迁种迁移移转转化化过过程的机理，程的机理，并并且要特且要特别别着重着重动动力力学学的的研研究究LOGOwww.theme LOGOwww.theme 负载过程（输入过程负载过程（输入过程）污水排放速率、大气沉降以及地表径流引入有机毒物至天然水体均将直接影污水排放速率、大气沉降以及地表径流引入有机毒物至天然水体均将直接影响污染物在水中的浓度响污染物在水中的浓度酸碱平衡酸碱平衡：天然水：天然水中中pH值决定着有值决定着有机酸或碱以中性态机酸或碱以中性态或离子态存在的分或离子态存在的分数，因而影响挥发数，因而影响挥发及其他作用及其他作用形态过程：形态

7、过程：吸着作用吸着作用：疏水有：疏水有机化合物吸着至悬机化合物吸着至悬浮物上，由于悬浮浮物上，由于悬浮物质的迁移而影响物质的迁移而影响他们以后的归趋他们以后的归趋LOGOwww.theme 迁迁移移过过程程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围围可限制可限制污污染物在染物在迁迁移、移、转转化化过过程中的可利用性或者程中的可利用性或者实质实质上改上改变变其其迁迁移速率移速率v 对对流作用：水力流流作用：水力流动动可可迁迁移溶解的或者被移溶解的或者被悬悬浮物吸附的浮物吸附的污污染染物物进进入或排出特定的水生生入或排出特定的水生生态态系系统统v 挥发挥发作用：有机作用：有

8、机污污染物可能染物可能从从水体水体进进入大入大气气，因而，因而减减少其在少其在水中的水中的浓浓度度v 沉沉积积作用：作用：污污染物被吸附沉染物被吸附沉积积于水体底部或于水体底部或从从底部沉底部沉积积物中物中解吸，均可改解吸，均可改变污变污染物的染物的浓浓度。度。LOGOwww.theme 转化过程转化过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还原作用氧化还原作用v微生物代微生物代谢污染物并谢污染物并在代谢过程在代谢过程中改变它们中改变它们的毒性的毒性v污染物对污染物对光的吸收有光的吸收有可能导致影可能导致影响它们毒性响它们毒性的化学反应的化学反应的发生的发生v一个化合一个

9、化合物与水作用物与水作用通常产生较通常产生较小的、简单小的、简单的有机产物的有机产物涉及减少或涉及减少或增加电子在增加电子在内的有机污内的有机污染物以及金染物以及金属的反应都属的反应都强烈地影响强烈地影响环境参数环境参数LOGOwww.theme 生物浓缩作用：通生物浓缩作用：通过可能的手段如通过可能的手段如通过鱼鳃的吸附作用，过鱼鳃的吸附作用，将有机污染物摄取将有机污染物摄取至生物体至生物体生物累积过程生物累积过程生物放大作用：高生物放大作用：高营养级生物以消耗营养级生物以消耗摄取有机毒物进入摄取有机毒物进入生物体的低营养级生物体的低营养级生物为食物，使生生物为食物，使生物体中有毒物的浓物体

10、中有毒物的浓度随营养级的提高度随营养级的提高而逐步增大而逐步增大LOGOwww.theme v 首先，从研究单个的主要迁移转化过程着手，单个过程的模型是整个模型的首先，从研究单个的主要迁移转化过程着手，单个过程的模型是整个模型的基础。并认为各单个过程使某种化合物从水环境中消失速率之和是该化合物基础。并认为各单个过程使某种化合物从水环境中消失速率之和是该化合物在水环境中消失的总速率。再假定每种过程速率都是一级反应过程，因而总在水环境中消失的总速率。再假定每种过程速率都是一级反应过程，因而总速率也是一级反应。这基本上于在天然水环境中距离污染源较远、污染物浓速率也是一级反应。这基本上于在天然水环境中

11、距离污染源较远、污染物浓度很低的地方实际情况是吻合的度很低的地方实际情况是吻合的v 其次，模型中既要有化合物固有性质的参数，又要有表征环境特征的参数，其次，模型中既要有化合物固有性质的参数，又要有表征环境特征的参数，这样似乎应为二级反应式。但如果一但环境定下来了，则速率的方程就又变这样似乎应为二级反应式。但如果一但环境定下来了，则速率的方程就又变成准一级反应式了。为此假定有机物的存在不改变环境参数，例如不会改变成准一级反应式了。为此假定有机物的存在不改变环境参数，例如不会改变水体的水体的pHpH值、对光的吸附系数和细菌总数等。由于污染物在水环境中的浓度值、对光的吸附系数和细菌总数等。由于污染物

12、在水环境中的浓度很低，这个假定也是合乎实际情况的很低，这个假定也是合乎实际情况的v 第三，假定吸着速率远快于挥发和各种转化的速率。但实际上吸着过程并不第三，假定吸着速率远快于挥发和各种转化的速率。但实际上吸着过程并不是瞬间完成的，虽然一般讲，它的过程比各转化过程快。因此这种模型不能是瞬间完成的，虽然一般讲，它的过程比各转化过程快。因此这种模型不能适用于污染源附近的浓度分析，它只反映长时间的大范围的环境的情况。因适用于污染源附近的浓度分析，它只反映长时间的大范围的环境的情况。因此，这种模型只采用一维的和稳态的处理方法此，这种模型只采用一维的和稳态的处理方法LOGOwww.theme v 用简单的

13、公式叙述归趋模型v 计算有机物因挥发和转化过程而从水环境中消失的速率v 吸着过程对有机物消失过程的影响v 对于一个被研究的水生态系统，考虑有机物的输入、稀释及最终从系统中输出的速率，从而计算在系统内的浓度和半衰期。有机物从大气返回到水体包括在输入项内LOGOwww.theme 有机物的消失速率有机物由于各种转化过程和挥发过程消失的总速率（RT）是各消失速率（Ri）的总和。RT=Ri=c(KiEi)式中：Ki第i过程的速率常数；Ei对于第i过程在动力学上起重要租用的环境参数（例如，水体pH值、光强、细菌总数等）；c化合物的浓度环境参数在一定的环境地区和时间内就保持不变，这样Ki（Ei) 就可以用

14、准一级反应速率常数表示RT=cki KT=Ki=Kvm+Kb+Kh+Kp式中：RT污染物由于转化和挥发消失的总准一级反应速率常数；Kvm挥发速率常数； Kb生物降解速率常数；Kp光解速率常数； Kh水解速率常数。LOGOwww.theme 2.吸着的影响吸着的影响 前提前提 假定在颗粒物上不存在转化过程，而且吸着是完全可逆的，或比起溶液中假定在颗粒物上不存在转化过程，而且吸着是完全可逆的，或比起溶液中的转化过程的速率快的多，如前节介绍，当有机物浓度很低时，它在水与颗粒物（沉的转化过程的速率快的多，如前节介绍，当有机物浓度很低时，它在水与颗粒物（沉积物或生物群）之间的分配，往往可用分配系数（积物

15、或生物群）之间的分配，往往可用分配系数（Kp）来表示。因此，在一个水）来表示。因此，在一个水-颗颗粒物体系中有机物在水中的浓度（粒物体系中有机物在水中的浓度（cw）就可表达为：）就可表达为：这一关系说明，除非在颗粒物上有机物转化过程的速率大于水中的转化这一关系说明，除非在颗粒物上有机物转化过程的速率大于水中的转化速率，吸着的净效应是降低有机毒物从水中消失的总速率，颗粒物的吸速率，吸着的净效应是降低有机毒物从水中消失的总速率，颗粒物的吸着将增加半衰期：着将增加半衰期：LOGOwww.theme 稳定时的浓度稳定时的浓度 上述方程仅仅描述了水体没有输入和输出时有机毒物上述方程仅仅描述了水体没有输入和输出时有机毒物的归趋。实际上有机毒物总以一定的速率（的归趋。实际上有机毒物总以一定的速率（Ri）输入给水体）输入给水体的。