水体的耗氧与复氧过程

水体的耗氧和复氧过程是指在水中有机物在不断降解的同时，水中的溶解氧不断被消耗，水体氧平衡被破坏，空气中的氧气不断溶解进入水体，从而形成动态平衡的过程。

1.耗氧过程

水体中耗氧过程包括有机污染物降解耗氧、水生植物呼吸耗氧、水体底泥耗氧等。有机污染物降解一般分为两个阶段：第一阶段为碳氧化阶段，主要是不含氮有机物的氧化，同时也包含部分含氮有机物的氨化及氨化后生成的含氮有机物的继续氧化，这一阶段一般要持续7~8 d，氧化的最终产物为H2O 和CO2，该阶段的BOD 被称为碳化耗氧量（BOD1）；第二阶段为氨氮硝化阶段，此阶段的BOD 被称为硝化耗氧量（BOD2）。这两个阶段不是完全独立的，对于污染较轻的水体，两个阶段往往同时进行，而污染较重的水体一般是先进行碳氧化阶段，再进行氨氮硝化阶段。

2.复氧过程

水体中复氧过程包括大气复氧和水生植物的光合作用复氧。

（1）大气复氧：大气中氧气进入水体的速率与水体的氧亏量成正比。氧亏量表示为：

式中 DOf—— 水温T 下水体的饱和溶解氧浓度；

DO—— 水体中的溶解氧浓度。

式中 K2—— 大气复氧速率系数，d−1。

饱和溶解氧浓度是温度、盐度和大气压力的函数，在101 kPa 压力下，淡水中的饱和溶解氧浓度可以用公式（5.4）计算。

式中 DOf—— 饱和溶解氧浓度，mg/L；

T—— 水温，℃。

在河口，饱和溶解氧的浓度还会受到水体含盐量的影响，这时可以用海尔（Hyer）经验式（5.5）计算。

式中 S—— 水中含盐量，%；

T—— 水温，℃。

（2）光合作用复氧：水生植物的光合作用是水体复氧的另一个重要来源。假定光合作用的速率随着光照强弱的变化而变化，则中午光照最强时，产氧速率最快，夜晚没有光照时，产氧速率为零。

3.河流BOD-DO 耦合模型（S-P 模型）

河水中溶解氧浓度是决定水质洁净程度的重要参数之一。排入河流的BOD 在衰减过程中将不断消耗DO，与此同时空气中的氧气又不断溶解到河水中。

S-P 模型是研究一维河流DO 与BOD 关系最早的、最简单的耦合模型，迄今仍得到广泛的应用，其基本假设为：河流中耗氧和复氧都是一级反应，反应速率是定常的，河流中的耗氧是由BOD 衰减引起的，而河流中的DO 来源则是大气复氧。S-P 模型可以写为：(www.xing528.com)

式中 BOD—— 河水中BOD 值，mg/L；

D—— 河水中的氧亏量，mg/L；

K1—— 耗氧系数，d−1；

K2—— 复氧系数，d−1；

t—— 河流的径流时间，d。

令t=x/（86 400u），u 为河流断面平均流速，m/s；x 为断面间河流长度，m。

在x=0、BOD=BOD0、DO=DO0的初始条件下，根据积分公式（5.6）和公式（5.7），得到：

式中 BODx、Dx—— 河水中距排污口x 米处断面的BOD 浓度与氧亏量，mg/L；

BODp—— 污水的BOD 浓度，mg/L；

Qp—— 污水排放量，m3/s；

BODh—— 上游河水的BOD 浓度，mg/L；

Qh—— 上游河水的流量，m3/s；

D0—— 初始断面的氧亏量，mg/L；

Dh—— 上游河水的氧亏量，mg/L；

Dp—— 污水中的氧亏量，mg/L。

若只考虑河流中有机污染物耗氧和大气复氧时，则沿河水流动方向的溶解氧分布为悬索形曲线，如图5.1 所示。

图5.1　溶解氧沿河流方向的变化曲线

氧垂曲线的最低点C 称为临界氧亏点，临界氧亏点处的氧亏量称为最大氧亏量。在临界氧亏点左侧，耗氧大于复氧，水中的溶解氧逐渐减少；污染物浓度因生物净化作用而逐渐减少，达到临界氧亏点，耗氧和复氧平衡；在临界氧亏点右侧，耗氧量因污染物浓度减少而减少，复氧量相对增加，水中溶解氧增多，水质逐渐恢复。如排入的耗氧污染物过多，将水中的溶解氧耗尽，则有机物受到厌氧微生物的还原作用生成甲烷气体，同时水中存在的硫酸根离子将因硫酸还原菌的作用而生成硫化氢，引起水体发臭，水质严重恶化。