第二章 水体自净与水环境保护
第一节 概 述
（一）水体的自净作用
污染物随污水排入水体后，经过物理、化学与生物化学作用，使污染物的浓度降低或总量减少，受污染的水体部分地或完全地恢复原状，这种现象称为水体自净或水体净化。水体所具备的这种能力称为水体自净能力或自净容量。
水体自净按净化机理可分为：①物理净化作用，包括稀释、混合、沉淀与挥发；②化学净化作用，如氧化还原、酸碱反应、吸附与凝聚；③生物化学净化作用。
（二）水体水质模型
（1）零维水质模型 适用条件为：①河流充分混合段；②持久性污染物；③河流为恒定流动；④废水连续稳定排放。
①通用的点源稀释混合模型：
式中 C——污染物浓度，mg/L；
QP——废水排放量，m3/s；
CP——污染物排放浓度，mg/L；
QE——河流流量，m3/s；
CE——河流来水中的污染物浓度，mg/L。
②盒模型的基本方程为：
式中 V——湖泊中水的体积，m3；
Q——平衡时流入与流出湖泊的流量，m3/s；
Ce——流入湖泊的水量中水质组分浓度，mg/L；
C——流出湖泊的水量中水质组分浓度，mg/L；
Sc——流入、流出湖泊的其他污染源中的污染物量，mg/d；
k——水质组分在湖泊中的反应速率常数，d-1。
（2）一维水质模型
①对于河流而言，如对水体管理精度要求不严，且河段长度大于下式的计算结果，可以采用一维水质模型进行模拟。具体方程为：
式中 L——混合过程河段极限长度，m；
B——河流宽度，m；
l——排放口距近岸水边的距离，m；
u——河流断面平均流速，m/s；
H——河流断面平均水深，m；
g——重力加速度，m/s2；
I——河段坡度。
②在离散作用时，描述河流污染物一维衰减规律的微分方程为：
积分得：
式中 x——沿程距离，km；
K——综合降解系数，1/d；
C——沿程污染物浓度，mg/L；
C0——前一个节点后污染物浓度，mg/L。
（3）二维水质模型 平直河道，当稳定点源的排放速率是M（单位时间排放量），排放口在无限水域中的平直河道解析解为：
（4）三维水质模型
式中 ux，uy，uz——x、y、z方向的水流速度，m/s；
Dx，Dy，Dz——x、y、z方向的紊动扩散系数，m3/s；
∑S——意义同前。
（三）河流氧垂曲线
河流中BOD5和DO的变化曲线见图2-1。
图2-1 河流中BOD5和DO的变化曲线
（1）有机物耗氧动力学
Lt=L0exp（-K1t）
或 Lt=L0
式中 L0——有机物总量，即氧化全部有机物所需要的氧量，也即河水在允许亏氧的条件下，可以氧化的最大有机物量；
Lt——t时刻水中残存的有机物量；
t——时间，d；
k1，K1——耗氧速率常数，k1=0.434K1。
耗氧速率常数K1或k1因污水性质不同而异，须经实验确定。生活污水排入河流后，k1值见表2-1。
表2-1 生活污水耗氧速率常数k1值
表2-1中，不同水温时的耗氧速率常数k1可用下式互相换算：
式中 k1、k'2、k20——分别为温度为T1、T2℃时的耗氧速率常数，k20=0.1；
θ——温度系数，θ=1.047。
（2）溶解氧变化过程动力学
式中 k2——复氧速率常数，与水温、水文条件有关，其数值列于表2-2中。
表2-2 复氧速率常数k2值
积分解为：
式中 Dt——废水排入河流t时刻后，河水与废水混合水中的亏氧量；
D0——废水排入点处河水与废水混合水中的亏氧量；
k1，k2——分别为耗氧速率常数和复氧速率常数。
氧垂点的时间tc：
式中 tc——从排污点到氧垂点所需的时间，d；
Dc——临界点的亏氧值，mg/L。
（四）水环境保护
（1）水体水质评价
①综合污染指数（K）法
式中 Ck——地面水体各种污染物的统一最高允许指标，水库K为0.1；
Coi——各种污染物的地面水环境质量标准，mg/L；
Ci——各种污染物的实测浓度，mg/L。
②水质质量系数（P）法
（2）水环境容量 水环境容量是指在满足水环境质量标准的条件下，水体所能接纳的最大允许污染物负荷量，又称水体纳污能力。
河流的水环境容量函数关系表达：
W=f（C0，CN，x，Q，q，t）
式中 W——水环境容量，用污染物浓度乘以水量表示，也可用污染物总量表示；
C0——河水中污染物的原有浓度，mg/L；
CN——地面水环境质量标准，mg/L；
x，Q，q，t——分别表示距离、河流流量、排放污水量和时间。
（五）废水处理基本方法与系统
（1）基本方法 现代废水处理新工艺的基本单元，采用物理方法、化学方法、物理化学方法和生物方法。
（2）废水处理系统
①城市污水处理系统。城市污水处理系统目前应用的有一级处理、二级处理、三级处理以及污泥的处理与处置，典型的二级处理工艺流程如图2-2所示。
图2-2 城市污水处理工艺流程
②工业废水处理系统。按工艺流程的程序，也可分为预处理、主处理和后处理（深度处理）以及污泥处理系统，见图2-3。
图2-3 工业废水处理工艺流程