[科普中国]-水体自净

简介

水体自净的定义有广义与狭义两种：广义的定义指受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低，并基本恢复或完全恢复到污染前的水平；狭义的定义指水体中的微生物氧化分解有机物而使得水体得以净化的过程。

有机的自净过程，一般分为三个阶段。第一阶段是易被氧化的有机物所进行的化学氧化分解。该阶段在污染物进入水体以后数小时之内即可完成。第二阶段是有机物在水中微生物作用下的生物化学氧化分解。该阶段持续时间的长短随水温、有机物浓度、微生物种类与数量等而不同。一般要延续数天，但被生物化学氧化的物质一般在5天内可全部完成。第三阶段是含氮有机物的硝化过程。这个过程最慢，一般要持续一个月左右。

特征废水或污染物一旦进入水体后，就开始了自净过程。该过程由弱到强，直到趋于恒定，使水质逐渐恢复到正常水平。全过程的特征是：

1）进入水体中的污染物，在连续的自净过程中，总的趋势是浓度逐渐下降。

2）大多数有毒污染物经各种物理、化学和生物作用，转变为低毒或无毒化合物。

3）重金属一类污染物，从溶解状态被吸附或转变为不溶性化合物，沉淀后进入底泥。

4）复杂的有机物，如碳水化合物，脂肪和蛋白质等，不论在溶解氧富裕或缺氧条件下，都能被微生物利用和分解。先降解为较简单的有机物，再进一步分解为二氧化碳和水。

5）不稳定的污染物在自净过程中转变为稳定的化合物。如氨转变为亚硝酸盐，再氧化为硝酸盐。

6）在自净过程的初期，水中溶解氧数量急剧下降，到达最低点后又缓慢上升，逐渐恢复到正常水平。

7）进入水体的大量污染物，如果是有毒的，则生物不能栖息，如不逃避就要死亡，水中生物种类和个体数量就要随之大量减少。随着自净过程的进行，有毒物质浓度或数量下降，生物种类和个体数量也逐渐随之回升，最终趋于正常的生物分布。进入水体的大量污染物中，如果含有机物过高，那么微生物就可以利用丰富的有机物为食料而迅速的繁殖，溶解氧随之减少。随着自净过程的进行，使纤毛虫之类的原生动物有条件取食于细菌，则细菌数量又随之减少；而纤毛虫又被轮虫、甲壳类吞食，使后者成为优势种群。有机物分解所生成的大量无机营养成分，如氮、磷等，使藻类生长旺盛，藻类旺盛又使鱼、贝类动物随之繁殖起来。

实现方式水体自净主要通过三方面作用来实现。广义的是指受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经一段时间后恢复到受污染前的状态; 狭义的是指水体中微生物氧化分解有机污染物而使水质净化的作用。 影响水体自净过程的因素很多，主要有：河流、湖泊、海洋等水体的地形和水文条件; 水中微生物的种类和数量;水温和复氧(大气中的氧接触水面溶入水体)状况;污染物的性质和浓度等。水体自净机理包括沉淀、稀释、混合等物理过程以及生物化学过程。各种过程同时发生，相互影响，并相互交织进行。一般说来，物理和生物化学过程在水体自净中占主要地位。水体的自净能力是有一定限度的，与其环境容量有关。水体自净是一种资源，合理而充分利用水体自净能力，可减轻人工处理污染的负担，并据此安排生产力布局以最经济的方法控制和治理污染源。1

物理作用物理作用包括可沉性固体逐渐下沉，悬浮物、胶体和溶解性污染物稀释混合，浓度逐渐降低。其中稀释作用是一项重要的物理净化过程。

化学作用污染物质由于氧化、还原、酸碱反应、分解、化合、吸附和凝聚等作用而使污染物质的存在形态发生变化和浓度降低。化学自净是指水体中的污染物质通过氧化 、还原、中和、吸附、凝聚等反应，使其浓度降低的过程。影响这种自净能力的因素有污染物质的形态和化学性质水体的温度、氧化还原电位、酸碱度等。水体中化学自净能力的强弱，主要从以下3个方面反映出来。

一是反映在DO的含量水平上。在化学自净过程中，作为水体氧化剂DO，其含量高低能够衡量水体自净能力的强弱，因为DO的含量不仅直接影响水生生物的新陈代谢和生长，还直接影响水体中有机物的分解速率及物质循环。若水体中的DO含量高,既对水生生物的繁殖生长起促进作用，又能加快有机物的分解速度，使生态中的物质循环，尤其是氮的循环达到最佳循环效果，提高水体的自净能力。大清河河口区水体的 DO含量极低，因而水体中有机物的氧化分解速度缓慢，有机物的大量积累，河口区水环境质量下降，直接影响水生生物的繁殖和生长。

二是反映在有机污染物的氧化分解能力上。COD是反映水体有机污染程度的一个重要指标，其含量的高低能够体现水体质量的好坏。大清河河口区水体中的COD和BOD5含量高，一方面表明该水体的有机污染比较严重，另一方面则表明该水体自净能力较差，缺乏将复杂组分的有机物分解成简单组分无机化合物的环境能。

三是反映在营养盐的形态转化和消减程度上。在化学自净过程中，三态无机氮的含量变化能够反映水体自净能力的强弱。这是因为工业废水和生活污水中含有大量的含氮有机物，在水体溶解氧充分的条件下，好氧细菌能把有机物彻底分解成二氧化碳、水及硝酸盐等稳定性化合物。但若水体中含氮有机物过量时，水体没有能力把全部有机氮转化为硝酸盐，而只能转化到某一阶段，如氨或亚硝酸盐。因此硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮的含量及比例能够很好体现水体的自净能力。大清河河口区水体中氨氮的含量很高，但是亚硝酸盐和硝酸盐含量很低，说明大清河河口区水体的污染负荷已经远远超出了其自净能力。另外，沉积物向上覆水体释放大量有机物 ，也是导致该水域氨氮含量始终维持较高含量的直接原因。2

生物作用由于各种生物（藻类、微生物等）的活动特别是微生物对水中有机物的氧化分解作用使污染物降解。它在水体自净中起非常重要的作用。水体中的污染物的沉淀、稀释、混合等物理过程，氧化还原、分解化合、吸附凝聚等化学和物理化学过程以及生物化学过程等，往往是同时发生，相互影响，并相互交织进行。一般说来，物理和生物化学过程在水体自净中占主要地位。生物自净是指进入水体的污染物，经过水生生物降解和吸收作用，使其浓度降低或转变为无害物质的过程 。生物净化过程进行的快慢和程度与污染物的性质和数量 、（微）生物种类及水体温度、供氧状况等条件有关 。大清河河口区水体污染严重，水体中 DO含量很低 ,而且氨化作用较强，微生物生长繁殖受到抑制，水体中微生物仅以氨化细菌等兼性细菌或厌氧细菌为主。河道两侧几乎都是人工硬化堤岸，且水体富营养化严重，高等水生植物的繁殖和生长困难，河口区水生生物的种类和数量均很少。2

作用分类从水体形成自净作用的场所上看，水体的自净作用又可分成以下几类：

水与大气间的自净作用

这种作用的表现，如河水中的二氧化碳、硫化氢等气体的挥发释放和氧气溶入等。

水的自净作用

污染物质在河水中的稀释、扩散、氧化、还原，或由于水中微生物作用而使污染物质发生生物化学分解，以及放射性污染物质的蜕变等等。

水与底质间的自净作用

这种作用表现为河水中悬浮物质的沉淀，污染物质被河底淤泥吸附等等。

水体底质中的自净作用

由于底质中微生物的作用使底质中的有机污染物质发生分解等。

影响因素水体的自净能力是有限的，如果排入水体的污染物数量超过某一界限时，将造成水体的永久性污染，这一界限称为水体的自净容量或水环境容量。影响水体自净的因素很多，其中主要因素有：受纳水体的地理、水文条件、微生物的种类与数量、水温、复氧能力以及水体和污染物的组成、污染物浓度等。

水文要素流速、流量直接影响到移流强度和紊动扩散强度。流速和流量大，不仅水体中污染物浓度稀释扩散能力随之加强，而且水汽界面上的气体交换速度也随之增大。河流中流速和流量有明显的季节变化，洪水季节，流速和流量大，有利于自净；枯水季节，流速和流量小，给自净带来不利。

河流中含沙量的多少与水中某些污染物质浓度有一定关系。例如，研究发现中国黄河含沙量与含砷量呈正相关关系。这是因为泥沙颗粒对砷有强烈的吸附作用。一旦河水澄清，含砷量就大为减少。

水温不仅直接影响到水体中污染物质的化学转化的速度，而且能通过影响水体中微生物的活动对生物化学降解速度产生影响，随着水温的增加，BOD（生物耗氧量）的降低速度明显加快。但水温高却不利于水体富氧。深潭-急流-沙（河）滩是天然河道的一种基本结构单元，分析认为，深潭-急流-沙（河）滩系统由于结构单元不同的环境异质性，水体的自净作用会增强。对其进行采样分析，测定其水质指标，检验典型自然河道形态结构对水体自净的影响，为河流生态修复提供理论依据。结果表明：赤水河深潭水体中总氮、硝酸盐氮、氨氮浓度大于急流，而溶解氧BOD5、COD、总磷浓度表现为急流大于深潭。方差分析表明，深潭-急流总氮、BOD5浓度在枯水期和丰水期均差异不显著，枯水期深潭-急流硝酸盐氮、氨氮、溶解氧、总磷浓度差异极显著（P