水體自凈特征

廢水或污染物一旦進入水體后，就開始了自凈過程。該過程由弱到強，直到趨于恒定，使水質(zhì)逐漸恢復到正常水平。全過程的特征是：

1）進入水體中的污染物，在連續(xù)的自凈過程中，總的趨勢是濃度逐漸下降。

2）大多數(shù)有毒污染物經(jīng)各種物理、化學和生物作用，轉變?yōu)榈投净驘o毒化合物。

3）重金屬一類污染物，從溶解狀態(tài)被吸附或轉變?yōu)椴蝗苄曰衔铮恋砗筮M入底泥。

4）復雜的有機物，如碳水化合物，脂肪和蛋白質(zhì)等，不論在溶解氧富裕或缺氧條件下，都能被微生物利用和分解。先降解為較簡單的有機物，再進一步分解為二氧化碳和水。

5）不穩(wěn)定的污染物在自凈過程中轉變?yōu)榉€(wěn)定的化合物。如氨轉變?yōu)閬喯跛猁}，再氧化為硝酸鹽。

6）在自凈過程的初期，水中溶解氧數(shù)量急劇下降，到達最低點后又緩慢上升，逐漸恢復到正常水平。

7）進入水體的大量污染物，如果是有毒的，則生物不能棲息，如不逃避就要死亡，水中生物種類和個體數(shù)量就要隨之大量減少。隨著自凈過程的進行，有毒物質(zhì)濃度或數(shù)量下降，生物種類和個體數(shù)量也逐漸隨之回升，最終趨于正常的生物分布。進入水體的大量污染物中，如果含有機物過高，那么微生物就可以利用豐富的有機物為食料而迅速的繁殖，溶解氧隨之減少。隨著自凈過程的進行，使纖毛蟲之類的原生動物有條件取食于細菌，則細菌數(shù)量又隨之減少；而纖毛蟲又被輪蟲、甲殼類吞食，使后者成為優(yōu)勢種群。有機物分解所生成的大量無機營養(yǎng)成分，如氮、磷等，使藻類生長旺盛，藻類旺盛又使魚、貝類動物隨之繁殖起來。

水體自凈的定義有廣義與狹義兩種：廣義的定義指受污染的水體，經(jīng)過水中物理、化學與生物作用，使污染物濃度降低，并基本恢復或完全恢復到污染前的水平；狹義的定義指水體中的微生物氧化分解有機物而使得水體得以凈化的過程。

有機的自凈過程，一般分為三個階段。第一階段是易被氧化的有機物所進行的化學氧化分解。該階段在污染物進入水體以后數(shù)小時之內(nèi)即可完成。第二階段是有機物在水中微生物作用下的生物化學氧化分解。該階段持續(xù)時間的長短隨水溫、有機物濃度、微生物種類與數(shù)量等而不同。一般要延續(xù)數(shù)天，但被生物化學氧化的物質(zhì)一般在5天內(nèi)可全部完成。第三階段是含氮有機物的硝化過程。這個過程最慢，一般要持續(xù)一個月左右。

水體自凈主要通過三方面作用來實現(xiàn)。廣義的是指受污染的水體由于物理、化學、生物等方面的作用，使污染物濃度逐漸降低，經(jīng)一段時間后恢復到受污染前的狀態(tài); 狹義的是指水體中微生物氧化分解有機污染物而使水質(zhì)凈化的作用。 影響水體自凈過程的因素很多，主要有：河流、湖泊、海洋等水體的地形和水文條件; 水中微生物的種類和數(shù)量;水溫和復氧(大氣中的氧接觸水面溶入水體)狀況;污染物的性質(zhì)和濃度等。水體自凈機理包括沉淀、稀釋、混合等物理過程以及生物化學過程。各種過程同時發(fā)生，相互影響，并相互交織進行。一般說來，物理和生物化學過程在水體自凈中占主要地位。水體的自凈能力是有一定限度的，與其環(huán)境容量有關。水體自凈是一種資源，合理而充分利用水體自凈能力，可減輕人工處理污染的負擔，并據(jù)此安排生產(chǎn)力布局以最經(jīng)濟的方法控制和治理污染源。

水體自凈物理作用

物理作用包括可沉性固體逐漸下沉，懸浮物、膠體和溶解性污染物稀釋混合，濃度逐漸降低。其中稀釋作用是一項重要的物理凈化過程。

水體自凈化學作用

污染物質(zhì)由于氧化、還原、酸堿反應、分解、化合、吸附和凝聚等作用而使污染物質(zhì)的存在形態(tài)發(fā)生變化和濃度降低?；瘜W自凈是指水體中的污染物質(zhì)通過氧化 、還原、中和、吸附、凝聚等反應，使其濃度降低的過程。影響這種自凈能力的因素有污染物質(zhì)的形態(tài)和化學性質(zhì)水體的溫度、氧化還原電位、酸堿度等。水體中化學自凈能力的強弱，主要從以下3個方面反映出來。

一是反映在DO的含量水平上。在化學自凈過程中，作為水體氧化劑DO，其含量高低能夠衡量水體自凈能力的強弱，因為DO的含量不僅直接影響水生生物的新陳代謝和生長，還直接影響水體中有機物的分解速率及物質(zhì)循環(huán)。若水體中的DO含量高,既對水生生物的繁殖生長起促進作用，又能加快有機物的分解速度，使生態(tài)中的物質(zhì)循環(huán)，尤其是氮的循環(huán)達到最佳循環(huán)效果，提高水體的自凈能力。大清河河口區(qū)水體的 DO含量極低，因而水體中有機物的氧化分解速度緩慢，有機物的大量積累，河口區(qū)水環(huán)境質(zhì)量下降，直接影響水生生物的繁殖和生長。

二是反映在有機污染物的氧化分解能力上。COD是反映水體有機污染程度的一個重要指標，其含量的高低能夠體現(xiàn)水體質(zhì)量的好壞。大清河河口區(qū)水體中的COD和BOD₅含量高，一方面表明該水體的有機污染比較嚴重，另一方面則表明該水體自凈能力較差，缺乏將復雜組分的有機物分解成簡單組分無機化合物的環(huán)境能。

三是反映在營養(yǎng)鹽的形態(tài)轉化和消減程度上。在化學自凈過程中，三態(tài)無機氮的含量變化能夠反映水體自凈能力的強弱。這是因為工業(yè)廢水和生活污水中含有大量的含氮有機物，在水體溶解氧充分的條件下，好氧細菌能把有機物徹底分解成二氧化碳、水及硝酸鹽等穩(wěn)定性化合物。但若水體中含氮有機物過量時，水體沒有能力把全部有機氮轉化為硝酸鹽，而只能轉化到某一階段，如氨或亞硝酸鹽。因此硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮的含量及比例能夠很好體現(xiàn)水體的自凈能力。大清河河口區(qū)水體中氨氮的含量很高，但是亞硝酸鹽和硝酸鹽含量很低，說明大清河河口區(qū)水體的污染負荷已經(jīng)遠遠超出了其自凈能力。另外，沉積物向上覆水體釋放大量有機物 ，也是導致該水域氨氮含量始終維持較高含量的直接原因。

水體自凈生物作用

由于各種生物（藻類、微生物等）的活動特別是微生物對水中有機物的氧化分解作用使污染物降解。它在水體自凈中起非常重要的作用。水體中的污染物的沉淀、稀釋、混合等物理過程，氧化還原、分解化合、吸附凝聚等化學和物理化學過程以及生物化學過程等，往往是同時發(fā)生，相互影響，并相互交織進行。一般說來，物理和生物化學過程在水體自凈中占主要地位。生物自凈是指進入水體的污染物，經(jīng)過水生生物降解和吸收作用，使其濃度降低或轉變?yōu)闊o害物質(zhì)的過程 。生物凈化過程進行的快慢和程度與污染物的性質(zhì)和數(shù)量 、（微）生物種類及水體溫度、供氧狀況等條件有關 。大清河河口區(qū)水體污染嚴重，水體中 DO含量很低 ,而且氨化作用較強，微生物生長繁殖受到抑制，水體中微生物僅以氨化細菌等兼性細菌或厭氧細菌為主。河道兩側幾乎都是人工硬化堤岸，且水體富營養(yǎng)化嚴重，高等水生植物的繁殖和生長困難，河口區(qū)水生生物的種類和數(shù)量均很少。

從水體形成自凈作用的場所上看，水體的自凈作用又可分成以下幾類：

水與大氣間的自凈作用

這種作用的表現(xiàn)，如河水中的二氧化碳、硫化氫等氣體的揮發(fā)釋放和氧氣溶入等。

水的自凈作用

污染物質(zhì)在河水中的稀釋、擴散、氧化、還原，或由于水中微生物作用而使污染物質(zhì)發(fā)生生物化學分解，以及放射性污染物質(zhì)的蛻變等等。

水與底質(zhì)間的自凈作用

這種作用表現(xiàn)為河水中懸浮物質(zhì)的沉淀，污染物質(zhì)被河底淤泥吸附等等。

水體底質(zhì)中的自凈作用

由于底質(zhì)中微生物的作用使底質(zhì)中的有機污染物質(zhì)發(fā)生分解等。

水體的自凈能力是有限的，如果排入水體的污染物數(shù)量超過某一界限時，將造成水體的永久性污染，這一界限稱為水體的自凈容量或水環(huán)境容量。影響水體自凈的因素很多，其中主要因素有：受納水體的地理、水文條件、微生物的種類與數(shù)量、水溫、復氧能力以及水體和污染物的組成、污染物濃度等。

水文要素

流速、流量直接影響到移流強度和紊動擴散強度。流速和流量大，不僅水體中污染物濃度稀釋擴散能力隨之加強，而且水汽界面上的氣體交換速度也隨之增大。河流中流速和流量有明顯的季節(jié)變化，洪水季節(jié)，流速和流量大，有利于自凈；枯水季節(jié)，流速和流量小，給自凈帶來不利。

河流中含沙量的多少與水中某些污染物質(zhì)濃度有一定關系。例如，研究發(fā)現(xiàn)中國黃河含沙量與含砷量呈正相關關系。這是因為泥沙顆粒對砷有強烈的吸附作用。一旦河水澄清，含砷量就大為減少。

水溫不僅直接影響到水體中污染物質(zhì)的化學轉化的速度，而且能通過影響水體中微生物的活動對生物化學降解速度產(chǎn)生影響，隨著水溫的增加，BOD（生物耗氧量）的降低速度明顯加快。但水溫高卻不利于水體富氧。深潭-急流-沙（河）灘是天然河道的一種基本結構單元，分析認為，深潭-急流-沙（河）灘系統(tǒng)由于結構單元不同的環(huán)境異質(zhì)性，水體的自凈作用會增強。對其進行采樣分析，測定其水質(zhì)指標，檢驗典型自然河道形態(tài)結構對水體自凈的影響，為河流生態(tài)修復提供理論依據(jù)。結果表明：赤水河深潭水體中總氮、硝酸鹽氮、氨氮濃度大于急流，而溶解氧BOD₅、COD、總磷濃度表現(xiàn)為急流大于深潭。方差分析表明，深潭-急流總氮、BOD₅濃度在枯水期和豐水期均差異不顯著，枯水期深潭-急流硝酸鹽氮、氨氮、溶解氧、總磷濃度差異極顯著（P<0.01, n=9），豐水期深潭-急流硝酸鹽氮、氨氮、溶解氧、總磷濃度差異均不顯著。就采樣時期來看，總氮、硝酸鹽氮、氨氮、溶解氧、BOD₅、COD濃度均表現(xiàn)為枯水期大于豐水期，而總磷濃度表現(xiàn)為豐水期大于枯水期。以上結果表明，水體在經(jīng)過深潭-急流-沙（河）灘這一結構單元時水質(zhì)會有差異，河流中不斷重復出現(xiàn)的深潭-急流-沙（河）灘系統(tǒng)能有效的改善河流水質(zhì)，提高水體的自凈能力。

太陽輻射

太陽輻射對水體自凈作用有直接影響和間接影響兩個方面。直接影響指太陽輻射能使水中污染物質(zhì)產(chǎn)生光轉化；間接影響指可以引起水溫變化和促進浮游植物及水生植物進行光合作用。太陽輻射對水深小的河流的自凈作用的影響比對水深大的河流大。

底質(zhì)

底質(zhì)能富集某些污染物質(zhì)。河水與河床基巖和沉積物也有一定物質(zhì)交換過程。這兩方面都可能對河流的自凈作用產(chǎn)生影響。例如河底若有鉻鐵礦露頭，則河水中含鉻可能較高；又如汞易被吸附在泥沙上，隨之沉淀而在底泥中累積，雖較穩(wěn)定，但在水與底泥界面上存在十分緩慢的釋放過程，使汞重新回到河水中，所謂形成二次污染。此外，底質(zhì)不同，底棲生物的種類和數(shù)量不同，對水體自凈作用的影響也不同。以松木片、透水磚、釉面瓷磚、礫石、生態(tài)磚、干砌石、漿砌石和蜂巢格賓為研究對象，結合室內(nèi)模擬和野外觀測，定量研究了河岸河床材料對河流自凈能力的影響，并從微生物的生物量、多樣性和酶活性三方面，探討了產(chǎn)生這種影響的內(nèi)在機理。

水生物和水中微生物

水中微生物對污染物有生物降解作用。某些水生物對污染物有富集作用，這兩方面都能減低水中污染物的濃度。因此，若水體中能分解污染物質(zhì)的微生物和能富集污染物質(zhì)的的水生物品種多、數(shù)量大，對水體自凈過程較為有利。

污染物的性質(zhì)和濃度

易于化學降解、光轉化和生物降解的污染物顯然最容易得以自凈。例如酚和氰，由于它們易揮發(fā)和氧化分解，而又能為泥沙和底泥吸附，因此在水體中較易凈化。難于化學降解、光轉化和生物降解的污染物也難在水體中的得以自凈。例如合成洗滌劑、有機農(nóng)藥等化學穩(wěn)定性級高的合成有機化合物，在自然狀態(tài)下需十年以上的時間才能完全分解，它們以水流作為載體，逐漸蔓延，不斷積累，成為全球性污染的代表性物質(zhì)。水體中某些重金屬類污染物可能對微生物有害，從而降低了生物降解能力。2100433B

水體中的污染物在沒有人工凈化的措施的情況下，其濃度隨著時間和空間的推移而逐漸降低，逐漸恢復原有水質(zhì)的過程即成為水的自凈。實際上，水體自凈化可以看作是污染物在水中的遷移、轉化和衰減變化的過程。

水體自凈化可有如下過程：

（1） 物理自凈--由于水的湍流、渦流、擴散、揮發(fā)、沉淀、過濾而使水凈化的過程。

（2） 物理化學凈化--通過溶解氧的作用，水體內(nèi)發(fā)生氧化、還原、化合、分解、中和、絡合、螯合、吸附、凝聚等使水體自凈化的過程。

（3） 生物凈化--通過水體中的微生物對污染物的消解作用，使水體得到凈化的過程。

從機制方面講可以將水體自凈分為物理自凈、化學自凈、生物自凈三類。他們往往是同時發(fā)生而又相互影響的。

水體自凈化物理自凈化

物理自凈作用主要指的是污染物在水體中的混合稀釋和自然沉淀過程。沉淀作用指的是排入水體的污染物中含有微小的顆粒，如顆粒態(tài)的重金屬、蟲卵等由于流速較小而逐漸沉入水底。污染物沉淀對水質(zhì)來說是凈化，但對底泥來說則污染物反而增加?；旌舷♂屪饔弥荒芙档退形廴疚锏臐舛龋荒軠p少其總量。水體的混合稀釋作用主要由紊動擴散作用、推流作用和離散作用引起。

水體自凈化化學自凈化

氧化還原反應是水體化學凈化的重要作用。流動的水流通過水面波浪不斷將大氣中的氧氣溶入，氧化其中的污染物，如某些重金屬離子可因氧化而生成難溶物（如鐵、錳等）而沉降析出；硫化物可氧化為硫代硫酸鹽而被凈化。還原作用對水體凈化也有作用，但這類反應多在微生物作用下進行。因天然水體接近中性，左右酸堿反應在水體中的作用不大。天然水體中含有各種各樣的膠體，如硅、鋁、鐵等的氫氧化物、黏土顆粒和腐殖質(zhì)等，由于有些微粒具有較大的表面積，另有一些物質(zhì)本身就是凝聚劑，這就是天然水體所具有的混凝沉淀做用，從而使有些污染物隨著這些作用從水中去除。

水體自凈化生物自凈化

生物自凈的基本過程是水中微生物（尤其是細菌）在溶解氧充分的情況下，將一部分有機污染物當作食餌耗掉，將另一部分有機污染物氧化分解成無害的簡單無機物。影響生物作用的關鍵是：溶解氧的含量、有機污染物的性質(zhì)、濃度以及微生物的種類、數(shù)量等。生物自凈的快慢與有機污染物的數(shù)量和性質(zhì)有關。

水體的自凈能力是有限的，如果排入水體的污染物數(shù)量超過某一界限時，將造成水體的永久性污染，這一界限稱為水體的自凈容量或水環(huán)境容量。影響水體自凈的因素很多，其中主要因素有：受納水體的地理、水文條件、微生物的種類與數(shù)量、水溫、復氧能力以及水體和污染物的組成、污染物濃度等。

水體自凈化水文要素

流速、流量直接影響到移流強度和紊動擴散強度。流速和流量大，不僅水體中污染物濃度稀釋擴散能力隨之加強，而且水汽界面上的氣體交換速度也隨之增大。河流中流速和流量有明顯的季節(jié)變化，洪水季節(jié)，流速和流量大，有利于自凈；枯水季節(jié)，流速和流量小，給自凈帶來不利。

河流中含沙量的多少與水中某些污染物質(zhì)濃度有一定關系。例如，研究發(fā)現(xiàn)中國黃河含沙量與含砷量呈正相關關系。這是因為泥沙顆粒對砷有強烈的吸附作用。一旦河水澄清，含砷量就大為減少。

水溫不僅直接影響到水體中污染物質(zhì)的化學轉化的速度，而且能通過影響水體中微生物的活動對生物化學降解速度產(chǎn)生影響，隨著水溫的增加，BOD（生物耗氧量）的降低速度明顯加快。但水溫高卻不利于水體富氧。深潭-急流-沙（河）灘是天然河道的一種基本結構單元，分析認為，深潭-急流-沙（河）灘系統(tǒng)由于結構單元不同的環(huán)境異質(zhì)性，水體的自凈作用會增強。對其進行采樣分析，測定其水質(zhì)指標，檢驗典型自然河道形態(tài)結構對水體自凈的影響，為河流生態(tài)修復提供理論依據(jù)。結果表明：赤水河深潭水體中總氮、硝酸鹽氮、氨氮濃度大于急流，而溶解氧BOD₅、COD、總磷濃度表現(xiàn)為急流大于深潭。方差分析表明，深潭-急流總氮、BOD₅濃度在枯水期和豐水期均差異不顯著，枯水期深潭-急流硝酸鹽氮、氨氮、溶解氧、總磷濃度差異極顯著（P<0.01, n=9），豐水期深潭-急流硝酸鹽氮、氨氮、溶解氧、總磷濃度差異均不顯著。就采樣時期來看，總氮、硝酸鹽氮、氨氮、溶解氧、BOD₅、COD濃度均表現(xiàn)為枯水期大于豐水期，而總磷濃度表現(xiàn)為豐水期大于枯水期。以上結果表明，水體在經(jīng)過深潭-急流-沙（河）灘這一結構單元時水質(zhì)會有差異，河流中不斷重復出現(xiàn)的深潭-急流-沙（河）灘系統(tǒng)能有效的改善河流水質(zhì)，提高水體的自凈能力。

水體自凈化太陽輻射

太陽輻射對水體自凈作用有直接影響和間接影響兩個方面。直接影響指太陽輻射能使水中污染物質(zhì)產(chǎn)生光轉化；間接影響指可以引起水溫變化和促進浮游植物及水生植物進行光合作用。太陽輻射對水深小的河流的自凈作用的影響比對水深大的河流大。

水體自凈化底質(zhì)

底質(zhì)能富集某些污染物質(zhì)。河水與河床基巖和沉積物也有一定物質(zhì)交換過程。這兩方面都可能對河流的自凈作用產(chǎn)生影響。例如河底若有鉻鐵礦露頭，則河水中含鉻可能較高；又如汞易被吸附在泥沙上，隨之沉淀而在底泥中累積，雖較穩(wěn)定，但在水與底泥界面上存在十分緩慢的釋放過程，使汞重新回到河水中，所謂形成二次污染。此外，底質(zhì)不同，底棲生物的種類和數(shù)量不同，對水體自凈作用的影響也不同。以松木片、透水磚、釉面瓷磚、礫石、生態(tài)磚、干砌石、漿砌石和蜂巢格賓為研究對象，結合室內(nèi)模擬和野外觀測，定量研究了河岸河床材料對河流自凈能力的影響，并從微生物的生物量、多樣性和酶活性三方面，探討了產(chǎn)生這種影響的內(nèi)在機理。

水體自凈化水生物和水中微生物

水中微生物對污染物有生物降解作用。某些水生物對污染物有富集作用，這兩方面都能減低水中污染物的濃度。因此，若水體中能分解污染物質(zhì)的微生物和能富集污染物質(zhì)的的水生物品種多、數(shù)量大，對水體自凈過程較為有利。

水體自凈化污染物的性質(zhì)和濃度

易于化學降解、光轉化和生物降解的污染物顯然最容易得以自凈。例如酚和氰，由于它們易揮發(fā)和氧化分解，而又能為泥沙和底泥吸附，因此在水體中較易凈化。難于化學講解、光轉化和生物降解的污染物也難在水體中的得以自凈。例如合成洗滌劑、有機農(nóng)藥等化學穩(wěn)定性級高的合成有機化合物，在自然狀態(tài)下需十年以上的時間才能完全分解，它們以水流作為載體，逐漸蔓延，不斷積累，成為全球性污染的代表性物質(zhì)。水體中某些重金屬類污染物可能對微生物有害，從而降低了生物降解能力。