水体中的有机物生化降解及溶解氧氧化过程分析

1.水中有机物耗氧过程

有机废水排入水体后，在有氧条件下，可测得它的耗氧过程(即生化降解过程)如图7-7所示。首先是CBOD氧化分解，即碳化阶段的降解耗氧过程，如线(1)所示；然后NBOD氧化分解，即硝化阶段的降解耗氧过程，如线 (2)所示。从图7-7中可以看出，NBOD氧化分解一般比CBOD氧化分解滞后10d左右。图中纵坐标BOD表示从开始到某时刻t的生化需氧量(即耗氧量)，LCO、LC分别表示t=0和t时刻水中的剩余CBOD浓度，LNO、LN分别表示t=tC和tC时刻以后的剩余NBOD浓度。

图7-7　有机物BOD的氧化降解曲线

1—含碳化合物降解曲线；2—硝化曲线

(1)碳化阶段的耗氧过程。碳化阶段 (CBOD)的降解，可按一级反应动力学计算，即

式中 LC——t时刻水中剩余CBOD浓度，mg/L；

K1——剩余CBOD的降解速率系数，简称降解系数或耗氧系数，表示单位时间内LC的相对衰减速率，d-1。

从图7-7可以看出，LC等于LCO减去yC，所以称其为剩余CBOD。LC的减少正好等于yC的增加。

对式(7-30a)积分，得：

故其耗氧过程为：

(2)硝化阶段的耗氧过程。硝化阶段降解的耗氧过程，也可用一级反应动力学描述，即

式中 LN——t(t≥tC)时，水中剩余NBOD浓度，mg/L；

tC——硝化过程比碳化过程滞后的时间，d；

KN——LN的降解系数或耗氧系数，d-1。

对式(7-32a)积分，得LN的降解过程的数学表达式：

式中 LNO——t=tC时的水中剩余NBOD浓度，mg/L。

从图7-7中的硝化曲线(2)可知，LN的耗氧过程yN应为：

(3)BOD的总耗氧过程。BOD的总耗氧过程，系水中有机物碳化降解耗氧与硝化降解耗氧之和，即(www.xing528.com)

式 (7-34)中的第二项在t≤tC时为零。

这里需要指出的是：当水体的NBOD的作用不很突出时，为简化计算，常将它合并在CBOD中一起考虑，此时剩余BOD的降解反应动力学方程为：

剩余BOD的降解衰减过程则为：

BOD的总耗氧过程为：

式中 L、L0——t时刻和起始时刻的剩余BOD浓度，mg/L；

K1——L的降解系数，d-1。因为BOD实质上反映的是有机物生化降解的耗氧过程，故也常称K1为耗氧系数。

2.底泥的耗氧过程

根据实测资料分析，底泥的耗氧随底泥状态的不同差别很大。处于沉积状态的底泥，对水体耗氧的影响很小，但当底泥受到冲刷悬浮时，则会引起水体耗氧的大幅度增加。

(1)沉积底泥的耗氧过程。河水中的溶解氧在底泥中不会浸透太深，这是因为浸入底泥的溶解氧会因有机物的分解而很快被消耗掉，所以只有底泥的表层处于好氧分解状态，而相对较深的地方则为厌氧分解。厌氧分解产生的有机酸、甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等气体会逐渐扩散到上层底泥或释放到水体中，被表层底泥或水体中的溶解氧氧化。弗尔指出，河床底泥有机物的分解速度与可分解物的数量成正比，易被微生物分解的物质会很快被分解，难分解的物质则被残留下来。总的来说，由于底泥的耗氧，使水体增加的BOD遵循以下规律：

式中 L′——底泥使水体增加的BOD，mg/L；

H ——水深，m；

Ka——底泥耗氧系数，表示单位面积底泥在单位时间内向水中释放有机物而增加的耗氧量，g/(m2·d)。

一般情况下沉积底泥对河水溶解氧平衡的影响很小，仅对中等程度或严重污染的河流影响比较明显。

(2)底泥再悬浮的耗氧过程。当水流速度增大时，如暴雨洪水、枯水期水库放水时，河床沉积的底泥可能被冲刷而悬浮于水中，这时悬浮底泥的耗氧速度要比沉积状态时的耗氧速度大得多。

维尔斯经过对实测资料分析后得出，当河流的平均流速低于0.18m/s时，污泥发生沉积；当平均流速超过0.3～0.45m/s时，会引起底泥的冲刷和再悬浮。帕特纳尔德斯(Partheniades)对含水率高的污泥河床和低流速发生污泥沉淀的河床进行实验，认为引起冲刷的最低流速分别为0.2m/s和0.23m/s。

3.水生植物呼吸耗氧过程

在光合作用停止后，水生植物主要指水中的藻类，其呼吸作用将不断地消耗水中的溶解氧，耗氧速度为

式中 O——溶解氧浓度，mg/L；

R——水生植物呼吸耗氧系数，mg/ (L·d)。R与藻类浓度、温度等因素有关，可通过黑白瓶实验和经验公式估算。