环境化学多介质环境模型省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第七章第七章 多介质环境模型多介质环境模型第1页 内容内容第一节第一节 基本概念基本概念第二节第二节 污染物在环境中迁移转化过程污染物在环境中迁移转化过程第三节第三节 多介质环境逸度模型类型及计算多介质环境逸度模型类型及计算第四节第四节 代表性多介质环境逸度模型代表性多介质环境逸度模型第2页 内容内容第一节第一节 基本概念基本概念一、一、多介质环境系统多介质环境系统二、稳态和平衡二、稳态和平衡三、逸度三、逸度第3页一、一、多介质环境系统多介质环境系统环境介质环境介质(Environmental Media),相相(Phase，Compartment)环境组成非常复杂，由一系列彼此相连环境组成非常复杂，由一系列彼此相连环境介质环境介质或或环境环境相相来组成，如大气、土壤、湖泊、河流、海洋、湖底沉积物、来组成，如大气、土壤、湖泊、河流、海洋、湖底沉积物、湖中悬浮物及水或土壤中生物体等。湖中悬浮物及水或土壤中生物体等。多介质环境系统多介质环境系统：含有两种或两种以上环境介质系统。：含有两种或两种以上环境介质系统。均相均相：如浅塘中充分混合水：如浅塘中充分混合水，无浓度梯度、温度梯度；无浓度梯度、温度梯度；非均相非均相：性质不均一：性质不均一(如土壤、沉积物如土壤、沉积物)第4页二、二、稳态和平衡稳态和平衡稳态（稳态（stable）：所研究体系中各个相性质和状态是恒定，：所研究体系中各个相性质和状态是恒定，不随时间改变。不随时间改变。平衡（平衡（equilibrium）：系统中每一相浓度（或温度、压力）：系统中每一相浓度（或温度、压力）保持稳定，而且化合物没有在各相间发生质量保持稳定，而且化合物没有在各相间发生质量净迁移净迁移趋势。趋势。注意稳态和平衡区分。注意稳态和平衡区分。第5页逸度逸度：是一个热力学量，指实际气体对理想气体校正压力，或：是一个热力学量，指实际气体对理想气体校正压力，或者说是物质脱离某一相倾向大小，用者说是物质脱离某一相倾向大小，用 f 表示，能够作为判别表示，能够作为判别污染物在环境各相间是否到达平衡一个标准。污染物在环境各相间是否到达平衡一个标准。对理想气体与稀溶液，有：对理想气体与稀溶液，有：c=Z f c：污染物浓度，污染物浓度，molm-3 f：逸度，逸度，Pa Z：逸度容量，：逸度容量，molm-3Pa-1 Z值计算，见下表。值计算，见下表。三、逸度三、逸度第6页三、逸度三、逸度环境相Z值/（molm-3Pa-1）各符号物理意义空气ZA=1/(RT)R：摩尔气体常数 T：绝对温度水ZW=1/KH=ZA/KAWKH：亨利定律常数KAW：气/水分配系数辛醇ZO=ZWKOWKOW：正辛醇/水分配系数类脂ZL=ZOKQA：气溶胶/空气分配系数气溶胶ZQ=KQAZAKOC：土壤吸附系数，LKg-1有机碳ZOC=KOCZW(oc/103）oc:有机碳密度，103 Kgm-3有机质ZOM=KOMZW(oM/103）KOM：有机质分配系数，LKg-1 oM:有机质密度，103 Kgm-3矿物质ZMM=KMMZW(MM/103）MM:矿物质密度，103 Kgm-3 KMM：矿物质分配系数，LKg-1 生物相ZB=LZLL：类脂体积分数第7页 依据估算依据估算Z值方法，遵照以值方法，遵照以 f 值作为判别平衡标准标准，值作为判别平衡标准标准，就能够进行多介质平衡分配计算。就能够进行多介质平衡分配计算。例题见教材例题见教材p298页。页。三、逸度三、逸度第8页第二节第二节 污染物在环境中迁移转化过程污染物在环境中迁移转化过程一、一、污染物在环境中迁移过程污染物在环境中迁移过程二、二、污染物在环境中降解反应污染物在环境中降解反应第9页一、一、污染物在环境中迁移过程污染物在环境中迁移过程1、平流、平流环境中发生平流过程是因为污染物存在于一个流动介质环境中发生平流过程是因为污染物存在于一个流动介质中而随之进行直接迁移过程。中而随之进行直接迁移过程。污染物在环境介质中发生平流过程计算：污染物在环境介质中发生平流过程计算：p299-300f 表示污染物到达平衡时逸度，表示污染物到达平衡时逸度，i 代表空气、水等环境相。代表空气、水等环境相。假如污染物总物质量假如污染物总物质量nT，其每个分子在该稳态系统中停留时，其每个分子在该稳态系统中停留时间为：间为：=nT/I停留时间（滞留时间）：污染物在某特定环境系统中存在时停留时间（滞留时间）：污染物在某特定环境系统中存在时间长短，反应了污染物在环境中持久性。间长短，反应了污染物在环境中持久性。第10页环境中，污染物能够经过以下几个平流过程输入和输出：环境中，污染物能够经过以下几个平流过程输入和输出：1.空气输入和输出空气输入和输出2.水输入和输出水输入和输出3.水中存在颗粒物和生物输入和输出水中存在颗粒物和生物输入和输出4.水从表层土壤渗透地下（地下水补给）水从表层土壤渗透地下（地下水补给）5.空气中存在气溶胶输入和输出空气中存在气溶胶输入和输出6.空气从对流层向平流层迁移，即空气垂直运动空气从对流层向平流层迁移，即空气垂直运动7.底泥掩埋底泥掩埋一、一、污染物在环境中迁移过程污染物在环境中迁移过程第11页2、扩散、扩散分子热运动引发热力学自发增墒过程。分子热运动引发热力学自发增墒过程。（1）相内分子扩散）相内分子扩散一、一、污染物在环境中迁移过程污染物在环境中迁移过程JA：A在单位面积上扩散通量，在单位面积上扩散通量，molm-2h-1BM：A在介质在介质B中分子扩散系数，中分子扩散系数，m2h-1cA：介质：介质B中中A浓度，浓度，molm-3y：A分子在扩散方向上经过距离，分子在扩散方向上经过距离，m：A沿扩散方向浓度梯度沿扩散方向浓度梯度第12页（2）相内湍流或涡流扩散）相内湍流或涡流扩散（3）非稳态扩散）非稳态扩散（4）在多孔介质中扩散）在多孔介质中扩散（5）相间扩散过程）相间扩散过程一、一、污染物在环境中迁移过程污染物在环境中迁移过程第13页二、二、污染物在环境中降解反应污染物在环境中降解反应对于整个环境而言，污染物只有经过降解反应才能真正被对于整个环境而言，污染物只有经过降解反应才能真正被去除。描述污染物降解反应过程动力学中，应用最多是去除。描述污染物降解反应过程动力学中，应用最多是一级反应动力学：一级反应动力学：第14页第三节第三节 多介质环境逸度模型类型及计算多介质环境逸度模型类型及计算一、一、多介质环境逸度模型基本原理多介质环境逸度模型基本原理二、二、多介质环境逸度模型分级多介质环境逸度模型分级三、多介质环境逸度模型计算三、多介质环境逸度模型计算第15页一、一、多介质环境逸度模型基本原理多介质环境逸度模型基本原理质量守恒是建立多介质环境模型最基本原理。质量守恒是建立多介质环境模型最基本原理。质量平衡方程分为三类：质量平衡方程分为三类：1 1、封闭系统，稳态方程、封闭系统，稳态方程2 2、开放系统，稳态方程、开放系统，稳态方程3 3、非稳态方程、非稳态方程第16页二、二、多介质环境逸度模型分级多介质环境逸度模型分级1、级多介质环境逸度模型级多介质环境逸度模型级模型对应是稳态、平衡、无流动环境系统，封闭环境级模型对应是稳态、平衡、无流动环境系统，封闭环境2、级多介质环境逸度模型级多介质环境逸度模型级模型对应是稳态、平衡、有流动环境系统，开放系统级模型对应是稳态、平衡、有流动环境系统，开放系统 3、级多介质环境逸度模型级多介质环境逸度模型 级模型对应是稳态、非平衡、有流动环境系统级模型对应是稳态、非平衡、有流动环境系统4 4、级级多介质环境逸度模型多介质环境逸度模型级模型对应是非稳态、非平衡、有流动环境系统级模型对应是非稳态、非平衡、有流动环境系统第17页三、三、多介质环境逸度模型计算多介质环境逸度模型计算1、模型基本结构、模型基本结构构建模型时需要用假设来简化真实环境系统：构建模型时需要用假设来简化真实环境系统：（1）环境体系由多个环境主相和若干子相组成）环境体系由多个环境主相和若干子相组成（2）任一时刻，每个环境主相污染物呈均匀分布，各子相）任一时刻，每个环境主相污染物呈均匀分布，各子相之间逸度关系符合平衡稳态，逸度值在同一时刻处处相等。之间逸度关系符合平衡稳态，逸度值在同一时刻处处相等。（3）环境主相之间处于动态不平衡状态）环境主相之间处于动态不平衡状态2、模型输入参数、模型输入参数（1）环境参数）环境参数（2）污染物性质数据）污染物性质数据（3）污染物排放信息）污染物排放信息第18页3、模型构建和计算、模型构建和计算4、模型验证、模型验证5、模型灵敏度和不确定性分析、模型灵敏度和不确定性分析灵敏度：模型输出对模型参数改变响应灵敏度：模型输出对模型参数改变响应不确定性分析：模型输入不确定性对预测结果可靠性影响不确定性分析：模型输入不确定性对预测结果可靠性影响三、三、多介质环境逸度模型计算多介质环境逸度模型计算第19页第四节第四节 代表性多介质环境逸度模型代表性多介质环境逸度模型一、一、空气空气-水交换模型水交换模型二、表层土壤模型二、表层土壤模型三、底泥三、底泥-水交换模型水交换模型四、四、QWASI模型模型五、全球分布模型五、全球分布模型第20页一、一、空气空气-水交换模型水交换模型空气空气-水交换模型能够用来估算污染物在污水处理池、池塘、湖水交换模型能够用来估算污染物在污水处理池、池塘、湖泊中损失，污染物在大气中沉降速度，从而解释空气和水中泊中损失，污染物在大气中沉降速度，从而解释空气和水中污染物浓度改变趋势以及确定其迁移方向和速度。污染物浓度改变趋势以及确定其迁移方向和速度。该模型中考虑四个传质过程：该模型中考虑四个传质过程：1、空气、空气-水界面扩散过程、蒸发作用和吸收过程水界面扩散过程、蒸发作用和吸收过程2、污染物随气溶胶干沉降过程、污染物随气溶胶干沉降过程3、污染物随降雨湿沉降、污染物随降雨湿沉降4、污染物随气溶胶湿沉降、污染物随气溶胶湿沉降第21页二、二、表层土壤模型表层土壤模型表层土壤模型能够用来模拟污染物在土壤中降解、挥发和渗滤表层土壤模型能够用来模拟污染物在土壤中降解、挥发和渗滤等过程，评价各种迁移转化过程相对主要性，污染物在土壤等过程，评价各种迁移转化过程相对主要性，污染物在土壤中持久性和最终究趋，以及预测各种修复办法使土壤恢复到中持久性和最终究趋，以及预测各种修复办法使土壤恢复到可接收污染程度和所需要时间。可接收污染程度和所需要时间。土壤中有四个相：空气、水、有机质、矿物质。土壤中有四个相：空气、水、有机质、矿物质。1、降解过程、降解过程2、渗滤过程、渗滤过程3、挥发沉降、挥发沉降第22页三、三、底泥底泥-水交换模型水交换模型该模型能够用来估算污染物被底泥积累或释放速率、底栖生物该模型能够用来估算污染物被底泥积累或释放速率、底栖生物体内污染物浓度，评价污染物不一样迁移过程主要性以及污体内污染物浓度，评价污染物不一样迁移过程主要性以及污染恢复时间。染恢复时间。该模型有以下几个过程：该模型有以下几个过程：底泥沉降；底泥再悬浮、底泥掩埋、水体和空隙水间扩散交换、底泥沉降；底泥再悬浮、底泥掩埋、水体和空隙水间扩散交换、底泥中反应、浇灌。底泥中反应、浇灌。第23页四、四、QWASI模型模型QWASI模型描述了点源排放、河水流入和大气沉降所引入污染模型描述了点源排放、河水流入和大气沉降所引入污染物在湖泊和河流中多介质环境行为。物在湖泊和河流中多介质环境行为。1、湖泊中污染物归趋、湖泊中污染物归趋QWASI模型模型 该模型适合用于水流和颗粒物流均匀混合水体。该模型适合用于水流和颗粒物流均匀混合水体。2、河流中污染物归趋、河流中污染物归趋QWASI模型模型 3、多段、多段QWASI模型模型第24页五、五、全球分布模型全球分布模型第25页