水體自凈化

從機(jī)制方面講可以將水體自凈分為物理自凈、化學(xué)自凈、生物自凈三類。他們往往是同時(shí)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(duì)水質(zhì)來說是凈化，但對(duì)底泥來說則污染物反而增加。混合稀釋作用只能降低水中污染物的濃度，不能減少其總量。水體的混合稀釋作用主要由紊動(dòng)擴(kuò)散作用、推流作用和離散作用引起。

水體自凈化化學(xué)自凈化

氧化還原反應(yīng)是水體化學(xué)凈化的重要作用。流動(dòng)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(duì)水體凈化也有作用，但這類反應(yīng)多在微生物作用下進(jìn)行。因天然水體接近中性，左右酸堿反應(yīng)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(xì)菌）在溶解氧充分的情況下，將一部分有機(jī)污染物當(dāng)作食餌耗掉，將另一部分有機(jī)污染物氧化分解成無害的簡(jiǎn)單無機(jī)物。影響生物作用的關(guān)鍵是：溶解氧的含量、有機(jī)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(jī)污染物的數(shù)量和性質(zhì)有關(guān)。

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(shí)，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(fù)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(qiáng)度和紊動(dòng)擴(kuò)散強(qiáng)度。流速和流量大，不僅水體中污染物濃度稀釋擴(kuò)散能力隨之加強(qiáng)，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(guān)系。例如，研究發(fā)現(xiàn)中國黃河含沙量與含砷量呈正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)槟嗌愁w粒對(duì)砷有強(qiáng)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(xué)轉(zhuǎn)化的速度，而且能通過影響水體中微生物的活動(dòng)對(duì)生物化學(xué)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(jié)構(gòu)單元，分析認(rèn)為，深潭-急流-沙（河）灘系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)單元不同的環(huán)境異質(zhì)性，水體的自凈作用會(huì)增強(qiáng)。對(duì)其進(jìn)行采樣分析，測(cè)定其水質(zhì)指標(biāo)，檢驗(yàn)典型自然河道形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)水體自凈的影響，為河流生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。結(jié)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(shí)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(jié)果表明，水體在經(jīng)過深潭-急流-沙（河）灘這一結(jié)構(gòu)單元時(shí)水質(zhì)會(huì)有差異，河流中不斷重復(fù)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(duì)水體自凈作用有直接影響和間接影響兩個(gè)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(zhuǎn)化；間接影響指可以引起水溫變化和促進(jìn)浮游植物及水生植物進(jìn)行光合作用。太陽輻射對(duì)水深小的河流的自凈作用的影響比對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)象，結(jié)合室內(nèi)模擬和野外觀測(cè)，定量研究了河岸河床材料對(duì)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(jī)理。

水體自凈化水生物和水中微生物

水中微生物對(duì)污染物有生物降解作用。某些水生物對(duì)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(duì)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(xué)降解、光轉(zhuǎn)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(xué)講解、光轉(zhuǎn)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(jī)農(nóng)藥等化學(xué)穩(wěn)定性級(jí)高的合成有機(jī)化合物，在自然狀態(tài)下需十年以上的時(shí)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(duì)微生物有害，從而降低了生物降解能力。

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(shí)間和空間的推移而逐漸降低，逐漸恢復(fù)原有水質(zhì)的過程即成為水的自凈。實(shí)際上，水體自凈化可以看作是污染物在水中的遷移、轉(zhuǎn)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(kuò)散、揮發(fā)、沉淀、過濾而使水凈化的過程。

（2） 物理化學(xué)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(luò)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(duì)污染物的消解作用，使水體得到凈化的過程。

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

1）進(jìn)入水體中的污染物，在連續(xù)的自凈過程中，總的趨勢(shì)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(xué)和生物作用，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄曰衔?，沉淀后進(jìn)入底泥。

4）復(fù)雜的有機(jī)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(jiǎn)單的有機(jī)物，再進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化合物。如氨轉(zhuǎn)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(dá)最低點(diǎn)后又緩慢上升，逐漸恢復(fù)到正常水平。

7）進(jìn)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(gè)體數(shù)量就要隨之大量減少。隨著自凈過程的進(jìn)行，有毒物質(zhì)濃度或數(shù)量下降，生物種類和個(gè)體數(shù)量也逐漸隨之回升，最終趨于正常的生物分布。進(jìn)入水體的大量污染物中，如果含有機(jī)物過高，那么微生物就可以利用豐富的有機(jī)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(jìn)行，使纖毛蟲之類的原生動(dòng)物有條件取食于細(xì)菌，則細(xì)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(shì)種群。有機(jī)物分解所生成的大量無機(jī)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(dòng)物隨之繁殖起來。