水体的生物自净作用

对有机污染物释入水体（以河流为例）后，所引起的效应可归纳为两个方面。一是生态学效应，它是指生物在种类和数量上的变化；另一是溶解氧效应，它是指有机物经生物降解后使水体中溶解氧浓度降低。天然水体多是流动的，“流水不腐”的意义在于水体一旦受到污染，其本身有一定的自净能力，即通过其内部进行的一系列物理、化学和生物过程，使它能够部分地或逐渐地恢复到原来状态。物理自净过程包括稀释、混合、吸附、沉降等作用；化学自净过程包括污染物的分解与化合、氧化与还原、水解与聚合等作用。以下主要介绍与 BOD 参数相关的生物自净过程。

水体的生态学状况可用光合作用速率 P（即水体中自养生物通过光合作用合成有机物的速度）和呼吸作用速率 R（即生物通过呼吸作用消耗有机物的速度）的比值来表征。对于水质良好的正常水体，P 和 R 保持平衡即 P≈R， 水体发生富营养化或受到有机物污染后，这种平衡状态就被打破，分别引起 PR 或 RP。如释入水体的是含营养物质类的有机物，则将为异养性微生物提供能促进其生长和繁殖的食料，于是就会导致 R 增大。与此同时，水中有机物因受微生物降解，在随河水顺流而下的过程中逐渐达到无机化，从而在河流下游地区为藻类等提供了富足的无机营养物料，结果就使下游地区 P 和 R 值又一次趋于平衡。这种变化过程可用图 6－7 表示。

在图中，上下两条曲线分别代表 P 和 R 所发生的变化，虚线则表示有机物对 P－R 平衡发生影响的总效应，这总效应的大小可从虚线偏离横轴的程度来表示。

由耗氧性有机污染物引起水体溶解氧浓度低落，会对水中多数好氧呼吸的生物产生危害作用。如鱼类在 DO 小于 4mg/L 的水中就会窒息而死。此外， 当水体处于欠氧的还原状态时，水中各种高价态硫的化合物被还原为对大多

数水生生物有害的 H S 状态、同时 NO -还原为 N 或 NH +形态，CO 还原为 CH

形态。高度厌氧的水体还会因有机物发酵而严重污染水体，这时 P/R 值接近于零，藻类和绿色植物绝迹，动物中只有少数低级虫类存在。

对一条河流受有机耗氧物污染引起溶解氧降低的情况可以用一种数学模式来定量地予以阐明，使用这种模式处理的结果如图 6－8 所示。

图中包括随时间（即河水顺流而下的距离）变化的耗氧作用曲线、再充气作用曲线以及作为这两者加合结果的氧垂曲线。耗氧作用曲线随时间下降的速率直接正比于即时的有机物浓度（BOD 值），再充气作用曲线随时间上升的速率则正比于溶解氧浓度偏离平衡溶解度程度（下称氧不足值）的大小。在建立氧垂曲线数学模式之前还假定：①在初始时间 t=0 时，溶解在水中的氧气是饱和的；②河流断面上每一点的流速都相等。由此，氧垂曲线可用下列微分方程表述：

dD/dt=k1L-k2D 式中 D——即时的氧不足值；

L——即时的 BOD 值，相当于当时的有机物浓度； k1、k2——耗氧反应速率常数和再充气速率常数；

t——河水从 t=0 开始流动所经过的时间。对作为时间变量的 BOD 值来说，有

dL

dt = −k 1L

由以上两微分方程，可得数学解如下：

L = L e^−k1t

(6 − 4)

D = k1 L0

[e−k1t − e−k 2t ] + D e−k2t

(6 − 5)

k 2 − k1

式中 L0——初始 BOD 值，相当于有机物初浓度； D0——初始的氧不足值。

在图 6－8 中耗氧曲线上每一点的纵坐标表示氧化有机物负荷所需氧的浓度，在 t=0 时有最大值，到达曲线右侧底端时降低到零，因此曲线整体也就表示了水体中有机污染物浓度水平随时间的变化情况。同时，该曲线每一点上的斜率也就代表着该处水样的耗氧速率。

再充气曲线升降趋向正好与耗氧曲线相反，随时间推移由零而趋向饱和。当耗氧作用减弱时，再充气作用却有了上升的势头，在某一时间点（临界点）上两者速率相等（两曲线的斜率相等），且都与氧不足值成比例。此后再充气速率将超过耗氧速率，因此在临界点上具有最大的氧不足量。

如上图所示，可将一条受有机耗氧物污染的河流按其流向分成三个区域：分解区、腐化区、恢复区。对在腐化区以下的恢复区又可顺次分为α- 中腐区，β-中腐区和低腐区。在分解区，溶解氧降低，大气中氧又不能及时补足，氧垂曲线开始下垂，在开始区段还进行着好氧分解，但在水体底层逐渐转入厌氧分解状态，产生 NH3、H2S、CH4 等还原性气体。这种情况进一步向中层和表层发展，遂使整个水体水质恶化。同时由于 P 值低下（水藻类的光

合作用因生长条件恶化而减弱）R 值增大（细菌大量繁殖），使 R 远大于 P， 由此又使水体中生物的种类和数量发生相应变化。为避免冗长的阐述，对分解区以下的区段的环境特性以表格形式予以阐明，对此可参见表 6－5。与 DO 变化相应的[CO2（aq）]及生物体数量变化的曲线见图 6－9。

综上所述，由有机物引起水体污染的两种效应即生态学效应和溶解氧降低效应是互相关联的。河流水体的自净能力表现为在两种效应的交互作用下，河水经过一段流程之后能恢复到受污染之前的状况。

表 6 － 5 水体中腐化区和恢复区的环境特性