第四章 污染物在水体中的迁移
水质模型的目的是模拟污染物浓度在环境中的变化过程，这种过程包括物理、化学和生物过程，其中物理过程主要表现在对流、扩散和弥散等；化学过程主要表现于物质由于化学反应在水体中的变化规律；生物过程则是在微生物的作用下而产生的变化过程。
主要控制因素是污染性质、环境因素和排放的方式方法。
所以有必要在这里介绍污染物的基本转化规律和机理。
(1) 对流与扩散
对于溶解性和悬浮性的污染物质，其物理过程主要有对流和扩散两种基本方式。
对流指的是由于含有污染物的水体运动而产生的迁移过程；而扩散是指由于水体中污染物迁移所产生浓度梯度的非平流转移过程，这种过程是由于布朗宁（BROWNIAN ）运动而引起物质分子的随机运动，或由于湍流而引起的分子级迁移过程。
对于保守物质，分子扩散可用Fick ’s 第一定律来描述：物质由分子扩散通过液体单位面积的速度与液体中的浓度梯度成正比。
扩散物质通量=x c D m ∂∂- (6-1)
其中，D m 是扩散系数或比例常数，它与绝对温度成正比，与扩散相的分子量和扩散相的浓度成正比。
负号表示由于扩散过程物质从高浓度向低浓度方向运动。
(2) 物理化学过程动力学
(a) 零级反应：零级反应的反应速率与反应浓度无关，当方程中的指数v 和w 为零时，反应物浓度变化速率可用下列方程表示：
[]k dt A d =/
(b) 一级反应：一级反应速率与反应物浓度成正比，其速率常数可用下列方程表示：
[][]A k dt A d =/ （6-3）
方程的解为：
[][])exp(0kt A A -= （6-4）
式中，[A 0]是初始浓度；[A]是时间t 时的浓度。
(c) 二级反应：典型的二级反应式有两种形式
（3）吸附－解吸
水中溶解的污染物或胶状物，当与悬浮于水中的泥沙等固相物质接触时，会被吸附在泥沙表面，并在适宜的条件下随泥沙一起沉入水低,使水的污染浓度降低，起到净化作用。
另外，河流的底岸也有吸附作用.与之相反，被吸附的污染物,当水流条件(如浓度、流速、pH 、温度等)改变时，也可能从吸附面上解脱一部分又进入水中，使水的污染浓度增加。
前者称吸附，后者称解吸。
大量研究表明：吸附能力远远大于解吸能力，常可大过几个数量级。
因此，吸附—解析的总趋势是使水体溶解的污染物浓度降低。
(4) 沉淀与再悬浮
水中悬浮的有机物微粒和吸附有机物的泥沙，当流速减缓时，可能出现沉淀，使水体净化；当流速变大时，沉积为底泥的有机物可能被冲刷再浮于水中，使污染浓度增大。
在水质模型中考虑这种影响，一般有两种途径：一是按照河流动力学原理，先计算河段的冲淤过程，
然后再考虑泥沙对污染物的吸附-解吸作用，进一步算出有机物的沉淀与再悬浮。
这种方法考虑因素全面，计算精度较高，但这种方法比较复杂，需要资料多，工作量大，仅当沉淀与再悬浮作用很重要时才采用。
另一种方法，是采用下面的简单公式估计沉浮作用引起的有机物浓度变化：
C K dt dC
S -= (6-26)
式中：C 为t 时水体的有机污染物浓度，mg/L ；Ks 为沉淀与再悬浮系数，d -1。
沉淀时取正，
表示水中污染物浓度减小；再悬浮时取负，使水中污染物浓度增加。
Ks 与河水流速、 泥沙颗粒组成等因素有关。
（5） 有机污水生化反应
(a) 碳化方程
在水环境中，有机物在耗氧条件下，好氧性细菌对碳化合物氧化分解，使有机物产生生化降解过程。
反应速度按一级动力学公式描述，即反应速度与剩余有机物的浓度成正比
L K dt dL
1-= (6-27)
解得
)exp(10t K L L -= (6-28)
(b) 硝化方程
在水中，氨氮和亚硝酸盐氮在亚硝化菌和硝化菌作用下，被氧化成硝酸盐氮的过程。
其生物化学反应方程式
O 2H 4H 2NO 322224++−−−→−++-+
亚硝化菌O NH
--
−−→−+3222NO O 2NO 硝化菌
(c) 厌氧方程
当水体中有机物(主要指耗氧有机物)含量超过一定限度时，从大气供给的氧满足不了耗氧的要求，水体便成为厌氧状态。
这时有机物开始腐败，并有气泡冒出水面(主要是CH 4 、H 2S 、H 2 等气体)，发出难闻的气味。
在这种条件下，引起激烈的酸性发酵，其pH 在短时间内降低到5.0~6.0的范围。
在这个发酵阶段，主要是碳水化合物被分解，然后是蛋白质被分解，有机酸和含氮的有机化合物开始分解，并生成氮、胺、碳酸盐及少量的碳酸气、甲烷、氢、氮等气体。
与此同时，还产生硫化氢。
（6） 微生物生长动力学
微生物生长动力学过程要比化学反应过程更复杂。
幸运的是，微生物的重要一类—细菌，能用简单的方法来描述，这些适合修正的动力学也可以用于描述藻类的生长。
对藻类，其基本关系是基质浓度和生长速率。
图6.2和下列方程用于这种关系的描述。
)(max S K S S +=μμ (6-38)
式中：μ—生长速率；S —基质浓度；K S —半速常数。
6-2 细菌生长速率与基质浓度之间的关系 RA dt dR = (6-40) （7） 其他过程
(a) 挥发过程
在气液界面，物质的交换的另外一种重要过程是挥发。
对于许多物质，挥发作用是一个重要的过程。
当溶质的化学势降低之后就会发生溶质从液相向气相的挥发过程。
(b) 光解过程
许多化学物质在水体中在波长大约290nm 处具有光解作用，该过程可以描述为： C K dt dC p θ-= (6-46)
式中：K p —光解速率系数；θ—总产率。
生长速绿。