1、氮污染模型第1頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四概述 氮是水生植物生長的三大要素之一。它在水環(huán)境中的行為是十分復(fù)雜的。隨著水污染研究的深入，河流中氮污染已引起人們的關(guān)注，特別是硝化過程。因為河流的硝化過程是影響河流水體中溶解氧的重要原因之一。在堿性條件下，氨氮對魚類的生長具有較大的危害性。水質(zhì)pH值升高，毒性亦增大。水中氨氮濃度達到0.3-5mg/L.時，就有可能直接殺死魚類。NO3-進入人體還原成NO2- ,可引起高鐵血紅蛋白癥，引起胎兒血液缺氧癥。亞硝酸鹽在一定條件下NH3與二級或三級胺類作用可生成致癌物N一亞硝基化合物。河流的硝化過程是目前研究河流.水質(zhì)數(shù)學(xué)模式的重

2、要內(nèi)容之一.國外對氮污染的研究開展得比較早，特別是70年代以來，氮污染問題以及防治技術(shù)的研究比較重視，并且越來越深入。研究主要從氮化物在水體中的循環(huán)過程著手，研究氮化物在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，主要進行硝化與反硝化過程的研究。第2頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四在研究氮污染轉(zhuǎn)化規(guī)律的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的氮污染數(shù)學(xué)模型，其中環(huán)境中的氮循環(huán)數(shù)學(xué)模型的研究早在1913年就開始，經(jīng)過幾十年的研究，目前已發(fā)展了一套比較完整的氮循環(huán)數(shù)學(xué)模，特別是電子計算機的應(yīng)用，使這一研究取得了比較顯著的成效。氮污染數(shù)學(xué)模型的建立為控制氮污染提供科學(xué)依據(jù)并定量地描述氮化物在水環(huán)境中的行為。美國、加拿大

3、、瑞典、日本等國所取到的成效比較顯著，關(guān)于河流中的氮污染問題，不少科學(xué)工作者做了大量的工作，特別是對河流水體中的硝化作用做了大量的研究工作。國內(nèi)對于氮污染方面的研究主要在土壤以及湖泊、水庫，以及河流。第3頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四第4頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四1、硝化過程的基本理論第5頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四細菌的內(nèi)源呼吸過程硝化過程第6頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四在研究河流的硝化作用的同時，應(yīng)考慮反硝化作用的影響。反硝化過程的反應(yīng)大體有如下幾種形式。在厭氧條件和厭氧細菌作用

4、下，硝酸鹽氮與有機物反應(yīng)生成氮氣和二氧化碳。反硝化過程：第7頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四細菌生長速度第8頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四從上述硝化過程的基本理論可知，對于受氮污染的河流，硝化過程是河流水體溶解氧變化的重要原因之一。氮在水環(huán)境中進行著如此復(fù)雜的循環(huán)過程，人們往往以研究硝化過程為主要內(nèi)容而展開其他方面的研究。實質(zhì)上，河流中硝化過程的估算及其對氧平衡所產(chǎn)生的影響與估算河流氧平衡本身一樣復(fù)雜和重要，在研究河流氧平衡模式的同時必須考慮硝化作用對其產(chǎn)生的影響。研究河流硝化過程實質(zhì)上是研究無機三氮相互間的轉(zhuǎn)化以及影響其轉(zhuǎn)化過程的各因素。關(guān)于

5、氮污染數(shù)學(xué)模型目前有不同的。第9頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四2、硝化過程的數(shù)學(xué)模型 硝化過程的數(shù)學(xué)模型的建立必須依靠實驗數(shù)據(jù)。實驗室模擬與野外現(xiàn)場試驗相結(jié)合而建立相應(yīng)的河流硝化模型，同時估計模型中的參數(shù)，爾后再用測量數(shù)據(jù)加以驗證，求得符合河流的硝化模型。下面分別介紹幾種硝化過程的數(shù)學(xué)模型。第10頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四(1)硝化過程是零級反應(yīng)，則有 dCNH4+ / dt = k 0(2)硝化過程符合一級反應(yīng)動力學(xué),則有 dCNH4+ / dt = k1 CNH4(3)硝化過程是一個十分復(fù)雜的生化反應(yīng)過程。其反應(yīng)速度不僅與基質(zhì)濃度有關(guān)

6、，而且與細菌量亦有密切關(guān)聯(lián)?；|(zhì)、細菌和被氧化的基質(zhì)量之間存在以下關(guān)系: 基質(zhì)+細菌被氧化的基質(zhì)+細菌增量 硝化過程的數(shù)學(xué)模型: dy/dt=k2SB 細菌量與被氧化的基質(zhì)質(zhì)量成正比，而基質(zhì)濃度是初始濃度(A)與被氧化的基質(zhì)濃度(y)之差即: B=kay +B0 S=A-y; 當 B0很小 , dy/dt=k2Skay 第11頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四令 k=k2 k a第12頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四從方程( 5-103)可分別得到被氧化的氨氮和亞硝酸鹽氮的變化過程。被氧化的氨氮:被氧化的亞硝酸鹽氮;第13頁，共38頁，2022年，

7、5月20日，8點43分，星期四根據(jù)耗氧實驗求得的耗氧系數(shù)，可以建立硝化過程的氮耗氧模式: (4)從硝化反應(yīng)的基本方程出發(fā)，可以建立相應(yīng)的硝化過程動力學(xué)模型;第14頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四第15頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四3 影響硝化作用的主要因素(1)因為硝化過程是一個耗氧過程，所以溶解氧是影響硝化作用的主要因素之一。溶解氧是引起硝化作用的必要條件，當水中溶解氧濃度大于0.3mg/L時，硝化過程有可能發(fā)生.第16頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四第17頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四(2)

8、溫度對硝化過程的影響是明顯的。 兩步硝化反應(yīng)是需要能量的反應(yīng),因此根據(jù)硝化速度常數(shù)與溫度的關(guān)系第18頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四 (3)pH對硝化作用的影響可以從二個方面討論。從硝化過程的總反應(yīng)可知，當溶液中呈酸性對反應(yīng)是不利的;當溶液中呈堿性時有利于.反應(yīng)的進行。pH對氨氮氧化的影響的實驗結(jié)果表明pH在之間有利于硝化反應(yīng)。 氨氮變化與pH有如下關(guān)系式第19頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四 總之，河流的硝化作用與河流的物理、化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。比較清潔的河流，其硝化作用不明顯;受有機物或生活污水污染較嚴重的河流，硝化作用是影響河流水質(zhì)的原因之一。由

9、于影響硝化作用的因素諸多，硝化模型的建立必須根據(jù)河流的特定條件來考慮，室內(nèi)模擬與現(xiàn)場測定相結(jié)合來估計硝化速率常數(shù)K是行之有效的方法。第20頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四4、 OConner模型BOD=BODc + BODN 氮化BOD和可氧化的氮的總量之間有如下關(guān)系，一份氨氮氧化成硝酸鹽氮的過程中需要4份氧，河段中有較高濃度的亞硝化桿菌存在不同類型的BOD反應(yīng)具有不同的Kc和KN當存在硝化抑制或硝化菌生長較慢時，則OConner模型可以表示為(無彌散存在)：第21頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四第22頁，共38頁，2022年，5月20日，8點4

10、3分，星期四模型解析解為:第23頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四河流中氨氮來源可能以含氮物質(zhì)的分解而產(chǎn)生氨氮，或者來自于排入河流的廢物中。氨的氧化有兩步反應(yīng)，一是由氨氮在自養(yǎng)菌(亞硝化桿菌)的作用下氧化成亞硝酸鹽氮，然后再氧化成硝酸鹽氮。每一步氧化所需的氧量可用化學(xué)計量關(guān)系式求得。假定硝化過程的每一步反應(yīng)都符合一級反應(yīng)，則有第24頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四第25頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四由干整個氧化過程始終伴隨著細菌的作用，故氨氮的變化速率可用Monod關(guān)系式來估計:第26頁，共38頁，2022年，5月20日，

11、8點43分，星期四 亞硝酸鹽氮的氧化要復(fù)雜一點，因為在氨氮的氧化而生成亞硝酸鹽氮的同時還伴隨著亞硝酸鹽氮的氧化:第27頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四K N1 K N2溫度的函數(shù)，其表達式第28頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四 Garland等人在研究了Trent河的硝化過程后提出氨氮的衰變速率受季節(jié)的影響并與河流流速和溫度有關(guān)，它們之間成線性關(guān)系。考慮在硝化過程中細菌的影響，K、與溫度、流速以及細菌濃度有關(guān):第29頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四第30頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四第31頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四5、氮循環(huán)模型 水環(huán)境中的氮循環(huán)是一個非常復(fù)雜的生物化學(xué)過程。下面介紹Gromiec等人在1983年提出的氮循環(huán)模型，從十個方面來考慮氮在水生生態(tài)體系中的循環(huán)。第32頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四第33頁，共38頁，2022年，5月20日，8點43分，星期四第34頁，共38頁，2022年，5月