第二节水体自净的基本规律
一、水体的自净作用
污染物在进入天然水体后，通过物理、化学和生物因素的共同作用，使污染物的总量减少或浓度降低，曾受污染的天然水体部分地或完全地恢复原状。这种现象称为水体净化或水体自净。如果排入水体的污染物超过水体的净化能力，就会导致水体的污染。
水体自净过程非常复杂，按机理可分为3类：（1）物理净化：污染物通过稀释、扩散、混合、沉淀和挥发等作用，使浓度降低；（2）化学净化：通过水体的氧化还原、酸碱反应、分解化合、吸附与凝聚（属物理化学作用）等作用，使污染物质的存在形态发生变化和浓度降低；（3）生物净化：通过水体中的水生生物、微生物的生命活动，使污染物质的存在状态发生变化，污染总量和浓度降低，最主要的是微生物对有机污染物的氧化分解作用，以及对有毒污染物的转化。
图2-2 水体的物理净化作用过程图
（一）物理净化作用
物理净化只能降低污染物在水中的浓度，而不能减少污染物的总量。物理净化作用过程见图2-2所示。
1.稀释与扩散
（1）污染物进入天然水体后，被水体水混合，使浓度降低称为稀释。如图2-2所示，污染物进入水体后，在水流动的过程中，逐渐被河水稀释，然后在下游某个断面处，与河水完全混合。在该断面处，污染物浓度分布均匀且远低于排污口处的浓度。大江、大河因宽度大，可能不易出现完全混合断面，而在排污口一侧下游形成稳定的污染带。
影响稀释的两种运动形式：（1）污染物质顺水流方向（x 方向）运动，称为“平流”或“对流”，即沿纵向x ，横向y 和深度方向z 运动的统称。水体内任意单位面积上的移流率O 1可用下式推求：
1(,)(,)
O U x t C x t =
或
1(,,,)(,,,)O U x y z t C x y z t =
（2-1）
式中 1O —— 污染物质的“平流”或“对流”率，mg/(m 2·s)；
U 、C —— 分别为水体断面平均流速与污染物平均浓度，m/s ，mg/L 。
（2）污染物进入水体后，在水体中产生浓度梯度场，污染物由高浓度区向低浓度区迁移，这种运动称为“扩散”。扩散包括分子扩散与紊动扩散。湖泊、水库等静水体，在没有风生流、异重流（由浓度差、温度差引起）、行船等产生的紊动作用影响时，扩散的主要方式是分子扩散。而流动水体的扩散方式主要是紊动扩散。分子扩散能力远小于紊动扩散，故分子扩散常忽略不计。扩散作用符合虎克定律，可用下式推求污染物质顺流向x 的扩散通量值O 2：
2x
C
O D x
∂=-∂ （2-2）
式中 O 2 —— 顺流向x 的扩散通量值，mg/(m 2·s)；
D x —— 为顺流向x 的紊动扩散系数，m 2/s ；
C
x
∂∂—— 为顺流向x 的浓度梯度，mg/m 4；
“-”—— 表示沿污染浓度减少方向扩散。 如果研究的是三维方向的扩散通量则可写成：
2'()x
y z C C C O D D D x y z
∂∂∂=-++∂∂∂ （2-3）
式中 2'O —— 顺流向x 的扩散通量值，mg/(m 2·s)；
x D ，y D ，z D —— 为x ，y ，z 向的紊动扩散系数，m 2/s ；
C x
∂∂，C y ∂∂，C
z ∂∂—— 为顺流向x 的浓度梯度，mg/m 4； “-”—— 表示沿污染浓度减少方向扩散。 因此，对流和扩散是同时存在、相互影响的运动形式。
2.混合
指污水与水体水的混合状况。对于河流，决定于混合系数a =
Q Q 混
总
，Q 混为与污水相混合的河流流量，Q 总为河流的总流量。河流形状、污水排放形式(包括排污口特征、排放方式，
排污流量等）。
计算断面的混合系数的最简便公式为：
()=
L L
L L α≤计算计算
全混全混
（2-4）
式中 L 计算—— 排污口至计算断面（控制断面）的距离，km ；
L 全混—— 排污口至完全混合断面的距离，km ；
α—— 混合系数，当L 计算≥L 全混，α=1。
河流混合的数学模式，可通过对河流的实测数据进行分析后得到。
表2-1为岸边排放时，排放点与完全混合断面的距离统计数据，可作为参考。
岸边排污口与完全混合断面距离(km)
表2-1
注：当污水在河心进行集中排污时，表列距离可缩短至2/3；当进行分散式排放时表列距离可缩短至1/3。
完全混合断面污染物平均浓度为：
w R C q C Q
C Q q
αα+=
+
（2-5）
式中 w C —— 原污水中某污染物的浓度,mg/L ；
q —— 污水流量，m 3/s ；
R C —— 河水中该污染物的浓度，mg/L ；
Q —— 河水流量，m 3/s 。
若原污水中没有该污染物，且河水流量远大于污水流量时,上式可简化为：
w w
C q C C Q n
α=
= （2-6）
式中 n —— 河水与污水的稀释比Q
n q
α=
。
3.沉淀
沉淀使水体中的浓度降低，但增加了水体底泥的浓度，如果长期沉淀积累，一旦受到暴雨冲刷，可造成对河水的二次污染，故需慎重对待沉淀作用。
沉淀作用的大小可用下式表达：
3dC
k C dt
=- （2-7）
式中 C —— 水中可沉淀污染物浓度，mg/L ；
k 3—— 沉降速率常数（沉淀系数），如果k 3取负值,表示已沉降物质再被冲起，d -1。 （二）化学净化作用
1.氧化还原作用：这是水体自净的主要化学作用。水体中的溶解氧可与污染物发生激烈的氧化反应。使水中某些重金属离子被氧化成难溶物而沉淀（如铁、锰等被氧化成氢氧化铁、氢氧化锰而沉淀），有些被氧化成各种酸根而随水迁移（如硫离子被氧化成硫酸根离子等）。还原反应也对水体起着净化作用，但多数情况下是由微生物作用进行的。
2.酸碱反应
天然水体由于含有多种物质，故不呈中性，PH 值在6～8之间。当含酸或含碱污水排入后，PH 发生变化，造成对污染物的净化作用，如在碱性的条件下，已沉淀于底泥的三价铬可氧化成六价铬（如K 2CrO 4)。又如硫化砷(AsS ，As 2S 3)在酸性或中性的天然水中是难溶性物质，沉淀到底泥中，在碱性天然水中能够生成硫代亚砷酸盐（AsS +3）成为溶解性物质。
3.吸附与凝聚
属于物理化学作用，产生这种净化作用的原因在于天然水中存在着大量具有很大表面能并带电荷的胶体微粒。胶体微粒有使能量变为最小及同性相斥、异性相吸的物理现象，它们将吸附和凝聚水体中各种阴、阳离子，然后扩散或沉降，达到净化的目的。
在天然水体中，净化的主要作用是物理作用与化学作用，生物化学作用较少。 （三）生物化学净化作用
物理净化作用与化学净化作用，只能使污染物的存在场所与存在形态发生变化，使水体
