河流的生化自凈和氧垂曲線模型

有機污染物進入水體后在微生物作用下逐漸氧化分解為無機物質，從而使有機污染物的濃度大大減少的過程就是水體的生化自凈作用。

生化自凈作用需要消耗水中的溶解氧，所消耗的氧如得不到及時的補充，生化自凈過程就要停止，水體水 質就要惡化。因此，生化自凈過程實際上包括了氧的消耗(耗氧)和氧的補充(復氧)兩方面的作用。

氧的消耗過程主要決定于排入水體的有機污染質的數量，也要考慮排入水體中氨氮的數量，以及廢水中無 機性還原物質(如SO32-)的數量。氧的補充和恢復一般有以下兩個途徑：①大氣中的氧向含氧不足(低于飽 和溶解氧)的水體擴散，使水體中的溶解氧增加;②水生植物在陽光照射下進行光合作用放出氧氣。

水體中有機污染物的種類繁多，不同污染物的毒性和危害也各不相同，因此，不能僅用水體中某一種或幾 種有機污染物的濃度大小來評價水體的污染程度，為此，在前一章中提出可以用一些綜合的水質指標，如 生化需氧量BOD 等來反映水體受有機物質污染的水平。BOD 值越高，說明水中有機污染物越多。因此， 水體中有機污染物的生化自凈過程，可以用水體的BOD 值隨時間的衰減變化規律來反映。

若不考慮硝化作用、底泥的分解、水生植物的光合作用及有機物的沉降作用等，而將有機污染物的自凈衰 減過程簡化為僅由好氧微生物參加的生化降解反應，并且認為這種反應符合一級反應動力學，那么： 河流接受有機廢水后，從受污點至下游各斷面的累積耗氧量曲線、累積復氧量曲線和虧氧變化曲線(氧垂曲 線)。受污染前，河水中的溶解氧幾乎飽和，虧氧接近于零。在受到污染后，開始時河水中的有機物大量增 加，好氧分解劇烈，耗氧速率超過復氧速率，河水中的溶解氧下降，虧氧量增加。

隨著有機物因分解而減少，耗氧速率逐漸減慢，終于等于復氧速率，河水中的溶解氧達到最低點。接著，耗氧速率低于復氧速率，河水溶解氧逐漸回升。最后，河水溶解氧恢復或接近飽和狀態。當有機物污染程度超過河流的自凈能力時，河流將出現無氧河段，這時開 始厭氧分解，河水出現黑色，產生臭氣，河流的氧垂曲線發生中斷現象。

氧垂曲線的形狀會因排放的有機污染物量、廢水和河水的流量、河道的彎曲情況、水流速度等因素而有一 定的差別，例如當河流受到的污染負荷較輕時，最缺氧點距排放口的距離較遠，其時的溶解氧濃度也較高; 當河流受到的污染負荷較重時，最缺氧點將很快出現，該點的溶解氧濃度也會很低。

當溶解氧低于4mg/L 時，河道中局部地段的魚類生長將受到影響，當溶解氧達到零時，河水出現厭氧狀態。 這種情況下的氧垂曲線將是一條被橫坐標切斷的曲線，有時甚至不可能再通過復氧作用而重新出現溶解氧。 這是最嚴重的水污染狀況，此時的水體不僅將魚蝦絕跡，也將喪失一切使用功能。

氧化還原法

氧化還原法原理

氧化還原法：通過氧化還原反應將廢水中的溶解性污染物質去除的方法。 化學反應中，失去電子的過程叫氧化，失去電子的物質稱還原劑，在反應中被氧化，得到電子的過程叫還原，而得到電子的物質叫氧化劑，在反應中被還原。每個物質都有各自的氧化態和還原態，其氧化還原電 位的高低決定了該物質的氧化還原能力。 廢水的氧化還原處理法又可分為氧化法和還原法兩類。

常用的氧化劑：空氣中的氧、純氧、臭氧、氯氣、漂白粉、次氯酸鈉、二氧化氯、三氯化鐵、過氧化氫和 電解槽的陽極等。

1、氯氧化法

原理：

氯氧化法采用氯系氧化劑，如次氯酸鈉、漂白粉和液氯等，主要用于去除廢水中的氰化物、硫化物、酚、 醇、醛、油類以及對廢水進行脫色、脫臭、殺菌等處理。

2、臭氧氧化法

(1)臭氧的特性

臭氧是一種強氧化劑，其氧化能力僅次于氟，比氧、氯及高錳酸鹽等常用的氧化劑都高。在理想的反應條 件下，臭氧可以把水溶液中大多數單質和化合物氧化到它們的最高氧化態，對水中有機物有強烈的氧化降 解作用，還有強烈的消毒殺菌作用。

臭氧的性質主要有： ①不穩定性;②溶解性;③毒性;④氧化性;⑤腐蝕性。

(1)臭氧氧化的接觸反應裝置

廢水的臭氧處理是在接觸反應器中進行，為了使臭氧與水中充分反應，應盡可能使臭氧化空氣在水中形成 微小氣泡，并采用氣液兩相逆流操作，以強化傳質過程。常用的臭氧化空氣投加設備有多孔擴散器、乳化 攪拌器、射流器等。

(2)臭氧處理工藝設計

設計內容主要有兩方面：一是臭氧發生器型號和臺數的確定，確定的依據是臭氧投加量，臭氧化空氣中臭 氧的濃度和臭氧發生器工作的壓力，二是臭氧布氣裝置和接觸反應池容積的確定，確定的依據是布氣裝置 性能和接觸反應時間，一般為5～10 分鐘。

(3)臭氧在廢水處理中的應用發展很快，近年來，隨著一般公共用水污染日益嚴重，要求進行深度處理，國 際上再次出現了以臭氧作為氧化劑的趨勢。臭氧氧化法在水處理中主要是使污染物氧化分解，用于降低 BOD.COD，脫色，除臭、除味、殺菌、殺藻、除鐵、錳、氰、酚等。

(4)臭氧氧化法的優缺點

優點：氧化能力強，對脫色、除臭、殺菌、去除有機物和無機物等效果，無二次污染，制備臭氧只用空氣 和電能，操作管理方便;

缺點：投資大，運行費用高。

3、過氧化氫氧化法

過氧化氫價格較高，單獨使用時氧化反應過程過于緩慢，所以目前多利用投加催化劑的方法以促進氧化過 程。常用的催化劑有硫酸亞鐵、絡合鐵、銅、錳、天然酶或芬頓試劑等。過氧化氫與二價鐵離子作用，能 產生羥基自由基，其氧化能力僅次于氟，能使許多難于生物降解及一般化學氧化法難于氧化的有機物氧化 分解。

4、光氧化法

目前由光分解和化學分解組合成的光催化氧化法已成為廢水處理領域中的一項重要技術。常用光源為紫外 光，常用氧化劑有臭氧和過氧化氫等。紫外光和臭氧法是光催化氧化法中比較成功的一種，能有效地去除 水中鹵代烴、苯、醇類、酚類、醛類、硝基苯、農藥和腐殖酸等有機物以及細菌和病毒等，而且在處理過 程中不會產生二次污染。

5、濕式氧化法

在高溫(150～350℃)和高壓(0.5～20MPa)的操作條件下，以氧氣和空氣作為氧化劑，將廢水中的有機物轉化 為二氧化碳和水的過程稱為濕式氧化法。

(1)原理

在高溫和高壓下，水及氧氣的物理性質都發生了變化，在100℃以內，氧的溶解度隨溫度升高而降低，但 當溫度大于150℃時，氧的溶解隨溫度升高而增大，而且氧在水中的傳質系數也增大。濕式氧化過程主要 有兩個過程：空氣中的氧從氣相到液相的傳質過程以及溶解氧與基質之間的化學反應。

(2)濕式氧化法的應用

目前，濕式氧化法主要應用在兩大方面：一是進行高濃度難降解有機廢水生化處理的預處理，以提高可生 化性，二是用于處理有毒有害的工業廢水。

(3)特點

濕式氧化法由于系統設備復雜，投資大，操作管理難和運行費用高等原因而未能廣泛應用。

6、電解法

(1)原理

電解法就是利用電解原理處理廢水的方法。在廢水的電解處理過程中，因陰極與電源負極相連，放出電子， 廢水中的陽離子則在陰極上得到電子而被還原，陽極與電源正極相連，得到電子，廢水中的陰離子則在陽 極上失去電子而被氧化。因此，廢水中的有害物質在電極上發生了氧化還原反應，生成了新的物質，新的 物質則過沉積在電極表面或沉淀于水中或轉化為氣體而被去除。

(2)法拉第電解定律

電流通過電解質溶液時，在電極上發生化學反應的物質的量與通過的電量成正比，在電極上析出或溶解 1mol 的任何物質時，都需要96500 庫侖的電量，這就是法拉第電解定律。

(3)電解法在廢水處理中的應用

利用廢水中物質通過電解后能沉積在電極表面的特點，處理貴重金屬廢水，同時又能回收純度較高的貴重 金屬，如含銀、含汞廢水的電解處理。利用廢水中的物質通過電解后能沉積于水中的特點，處理重金屬有 毒廢水，此時，一般以鐵、鋁為電極，極板溶解下來的鐵、鋁離子兼有混凝作用，有助于沉淀分離，如含 鉻廢水的電解處理。利用廢水中物質通過電解后生成氣體的特點，處理非金屬有毒廢水，如含氰、含酚廢 水的處理。電解法處理含氰廢水時，一般采石墨作為電極，當不加食鹽電解質時，CN-首先在陽極被氧化 為CNO-，然后CNO-再被氧化為無毒的二氧化碳和氮氣，同時也有部分CNO-轉化為氨離子。若投加食鹽 后，不但增加了廢水的導電性，降低了電解電壓，電解反應也發生了變化，首先水中的氯離子被氧化為具 強氧化性的游離性氯，然后游離性氯再將CN-和CNO-氧化為無毒的二氧化碳和氮氣，從而加速了電解反應。

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