注冊環(huán)保工程師

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(zhì)，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(zhì)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(fù)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(zhì)的數(shù)量，也要考慮排入水體中氨氮的數(shù)量，以及廢水中無 機性還原物質(zhì)(如SO32-)的數(shù)量。氧的補充和恢復(fù)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(zhì)指標(biāo)，如 生化需氧量BOD 等來反映水體受有機物質(zhì)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(guī)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(yīng)，并且認(rèn)為這種反應(yīng)符合一級反應(yīng)動力學(xué)，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(fù)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(fù)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(fù)氧速率，河水中的溶解氧達到最低點。接著，耗氧速率低于復(fù)氧速率，河水溶解氧逐漸回升。最后，河水溶解氧恢復(fù)或接近飽和狀態(tài)。當(dāng)有機物污染程度超過河流的自凈能力時，河流將出現(xiàn)無氧河段，這時開 始厭氧分解，河水出現(xiàn)黑色，產(chǎn)生臭氣，河流的氧垂曲線發(fā)生中斷現(xiàn)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(dāng)河流受到的污染負(fù)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(dāng)河流受到的污染負(fù)荷較重時，最缺氧點將很快出現(xiàn)，該點的溶解氧濃度也會很低。

當(dāng)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(dāng)溶解氧達到零時，河水出現(xiàn)厭氧狀態(tài)。 這種情況下的氧垂曲線將是一條被橫坐標(biāo)切斷的曲線，有時甚至不可能再通過復(fù)氧作用而重新出現(xiàn)溶解氧。 這是最嚴(yán)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(yīng)將廢水中的溶解性污染物質(zhì)去除的方法。 化學(xué)反應(yīng)中，失去電子的過程叫氧化，失去電子的物質(zhì)稱還原劑，在反應(yīng)中被氧化，得到電子的過程叫還原，而得到電子的物質(zhì)叫氧化劑，在反應(yīng)中被還原。每個物質(zhì)都有各自的氧化態(tài)和還原態(tài)，其氧化還原電 位的高低決定了該物質(zhì)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(yīng)條 件下，臭氧可以把水溶液中大多數(shù)單質(zhì)和化合物氧化到它們的最高氧化態(tài)，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(zhì)主要有： ①不穩(wěn)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(yīng)裝置

廢水的臭氧處理是在接觸反應(yīng)器中進行，為了使臭氧與水中充分反應(yīng)，應(yīng)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(zhì)過程。常用的臭氧化空氣投加設(shè)備有多孔擴散器、乳化 攪拌器、射流器等。

(2)臭氧處理工藝設(shè)計

設(shè)計內(nèi)容主要有兩方面：一是臭氧發(fā)生器型號和臺數(shù)的確定，確定的依據(jù)是臭氧投加量，臭氧化空氣中臭 氧的濃度和臭氧發(fā)生器工作的壓力，二是臭氧布?xì)庋b置和接觸反應(yīng)池容積的確定，確定的依據(jù)是布?xì)庋b置 性能和接觸反應(yīng)時間，一般為5～10 分鐘。

(3)臭氧在廢水處理中的應(yīng)用發(fā)展很快，近年來，隨著一般公共用水污染日益嚴(yán)重，要求進行深度處理，國 際上再次出現(xiàn)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(yōu)缺點

優(yōu)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(yīng)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(luò)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(chǎn)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(xué)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(xué)分解組合成的光催化氧化法已成為廢水處理領(lǐng)域中的一項重要技術(shù)。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(nóng)藥和腐殖酸等有機物以及細(xì)菌和病毒等，而且在處理過 程中不會產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhì)都發(fā)生了變化，在100℃以內(nèi)，氧的溶解度隨溫度升高而降低，但 當(dāng)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(zhì)系數(shù)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(zhì)過程以及溶解氧與基質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)。

(2)濕式氧化法的應(yīng)用

目前，濕式氧化法主要應(yīng)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(yù)處理，以提高可生 化性，二是用于處理有毒有害的工業(yè)廢水。

(3)特點

濕式氧化法由于系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，投資大，操作管理難和運行費用高等原因而未能廣泛應(yīng)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(fù)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(zhì)在電極上發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，生成了新的物質(zhì)，新的 物質(zhì)則過沉積在電極表面或沉淀于水中或轉(zhuǎn)化為氣體而被去除。

(2)法拉第電解定律

電流通過電解質(zhì)溶液時，在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)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(zhì)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(yīng)用

利用廢水中物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(dāng)不加食鹽電解質(zhì)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(zhuǎn)化為氨離子。若投加食鹽 后，不但增加了廢水的導(dǎo)電性，降低了電解電壓，電解反應(yīng)也發(fā)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(yīng)。

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