【摘要】：城市污水排放會對城市水環(huán)境造成一定的影響，但是現(xiàn)有的評價方法存在水環(huán)境影響的量化（通用指標）和比較（可相比較的指標）困難。對于污染物排放到城市水環(huán)境的情形，由于水體對污染物的自凈作用會造成一定能量或者熱量的變化，從而引起水體熵增，該熵增所反映的就是污染物對水環(huán)境系統(tǒng)的熱力學(xué)影響，即水體熵增越小，則排放的污染物對水環(huán)境的影響越小，因此熵增能夠定量評價并比較污水中不同污染物對水環(huán)境所造成的的影響。為了定量評價不同污染物排放對水環(huán)境的影響，本研究以排水中的有機物（以TOC為代表）、氮和磷這三種主要污染物為研究對象，以熱力學(xué)第二定律作為理論基礎(chǔ)，根據(jù)污染物排入水環(huán)境后可能發(fā)生的自然凈化過程及其所需的能量或熱量，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，提出與此相應(yīng)的水環(huán)境系統(tǒng)熱力學(xué)熵增的計算方法，并以熵增作為水環(huán)境影響評價的定量指標。論文的主要工作和成果如下： (1)以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，研究了水環(huán)境中伴隨著污染物分解過程的熵增計算的基本方法。將所研究的對象水體作為自然水文循環(huán)體系的微小組成部分，在自然水文循環(huán)過程處于動態(tài)平衡的條件下，可將該過程視為可逆過程，熵增為零，而對象水體受到外界干擾（受納污染排放）所導(dǎo)致的熵增可通過水體恢復(fù)原狀（接納的污染物徹底分解）所消耗的熱量來計算。基于反應(yīng)熱與反應(yīng)焓變以及有效能損失之間的關(guān)系，提出了基于標準摩爾反應(yīng)焓變和標準摩爾有效能損失的水環(huán)境熵增的基本計算式。 (2)研究了以TOC為代表的有機物排放導(dǎo)致水環(huán)境熵增的定量計算方法。假設(shè)城市排水中殘余的TOC排入水體后主要通過化學(xué)氧化反應(yīng)得以降解，通過201種常見有機化合物的化學(xué)氧化反應(yīng)熱ΔrH0（或有效能損失Δbx1）和理論有機碳含量ThOC的計算分析，發(fā)現(xiàn)ΔrH0（或Δbx1）與ThOC之間存在正相關(guān)關(guān)系（R2=0.9670），且通過32種可溶性有機化合物的TOC測定明確了TOC與ThOC的等值關(guān)系，由此得到由TOC值近似計算化學(xué)反應(yīng)熱的公式為ΔrH0=53.736TOC（有效能損失計算的比例系數(shù)與此接近，說明兩種方法是等價的）。那么根據(jù)化學(xué)氧化反應(yīng)熱與標準摩爾反應(yīng)焓變的等值關(guān)系即可計算出一定溫度下TOC化學(xué)氧化的熵增。 (3)運用轉(zhuǎn)動彈熱量計測定了5種有機物單質(zhì)和6種有機混合物的燃燒熱，根據(jù)燃燒熱與有機物完全氧化的化學(xué)反應(yīng)熱的等值關(guān)系，對TOC與熵增的計算關(guān)系進行了實測驗證和系數(shù)修正。結(jié)果表明，5種有機物單質(zhì)的TOC與燃燒熱之間也呈良好的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.9843），且比例系數(shù)為55.098kJ/g，與化學(xué)反應(yīng)熱計算式中的比例系數(shù)非常接近，從而驗證了所求得的關(guān)系對有機單質(zhì)的適用性。對于6種有機混合物，TOC與燃燒熱之間也呈良好的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.9789），但比例系數(shù)為69.277kJ/g，是有機單質(zhì)的1.26倍，其原因可歸結(jié)為混合物中有機單質(zhì)間所存在的化學(xué)作用力的打破需要一定的附加化學(xué)反應(yīng)熱。實際的城市排水中的TOC多為有機混合物，采用實測的比例系數(shù)進行熵增計算更合適。 (4)針對氮和磷在水環(huán)境中的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化過程，考慮了兩種情況：當(dāng)水體不具備水生植物生長的條件時，氮和磷的將通過生化或化學(xué)反應(yīng)得以去除；而當(dāng)水體中水生植物生長條件具備時，氮和磷的轉(zhuǎn)化則主要是植物吸收，如水體富營養(yǎng)化即屬于這種情況。對于第一種情況的水體，三種形態(tài)的氮（即硝態(tài)氮、亞硝氮、氨氮）轉(zhuǎn)化的可能途徑均為生化降解生成氮氣；而磷轉(zhuǎn)化的可能途徑則是化學(xué)沉淀反應(yīng)生成磷酸鈣沉淀。上述過程所導(dǎo)致的熱量變化與氮或磷的質(zhì)量成正比，根據(jù)反應(yīng)式得到了相應(yīng)的比例系數(shù)。對于第二種情況的水體，氮和磷轉(zhuǎn)化的主要途徑則是光合作用下藻類生長的氮磷利用。根據(jù)藻類光合作用的化學(xué)方程式，選擇4種典型的藻類通式進行反應(yīng)的熱量計算，得到在藻類生長過程中總氮或總磷分別為控制因素時反應(yīng)熱與氮或磷質(zhì)量的線性相關(guān)關(guān)系式。對兩種情況下氮磷轉(zhuǎn)化和吸收導(dǎo)致的熵增進行比較，結(jié)果表明：對于氮而言，藻類吸收單位質(zhì)量總氮導(dǎo)致的熵增是生化作用下單位質(zhì)量氨氮（三種形態(tài)氮中所需熱量最大）轉(zhuǎn)化所導(dǎo)致熵增的10倍；對于磷而言，藻類吸收單位質(zhì)量總磷導(dǎo)致的熵增則是化學(xué)沉淀作用下的640倍。可知氮和磷對水體影響的最不利情況是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。 (5)為了驗證藻類吸收氮磷導(dǎo)致水環(huán)境熵增評價方法的適用性，選擇三種典型水華藻，即水華微囊藻、水華魚腥藻和小球藻進行了元素分析和燃燒熱測定，根據(jù)測定結(jié)果建立了三種水華藻的化學(xué)計量關(guān)系式，并據(jù)此得到了單位質(zhì)量總氮和總磷所對應(yīng)的燃燒熱，以此進行熵增的評價。結(jié)果表明：對于氮而言，計算值和實驗值的差異在11.5%以內(nèi)；對于磷而言，計算值和實驗值的差異則在20.8%以內(nèi)。因此所建立的熵增計算式可以用于評價由于藻類吸收氮和磷所導(dǎo)致的水體的熵增。 (6)以某污水處理廠升級改造為例進行案例分析，運用TOC化學(xué)氧化的熵增計算法和氮磷植物吸收的熵增計算法分析比較了污水廠排水水質(zhì)由一級B提高到一級A，對受納水體水環(huán)境改善的總體效果和TOC、總氮、總磷減排效果。評價結(jié)果表明，在受納水體符合地表水環(huán)境質(zhì)量標準III類水質(zhì)的情境下，一個10萬m3/d的污水廠升級改造后，對受納水體熵增的年減少量為3.15×108kJ/K，其中，，TOC、總氮和總磷減排的貢獻率分別為11.1%、52.7%和36.2%�？紤]到三種污染物濃度在排水中降低的幅度分別為4.0mg/L、5mg/L和0.5mg/L，可知單位質(zhì)量總磷減排對水環(huán)境質(zhì)量改善的效果最為顯著。
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：X824

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前9條

1 李茜;張建輝;林蘭鈺;李名升;張殷俊;;水環(huán)境質(zhì)量評價方法綜述[J];現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技;2011年19期

2 陳彬;姚衛(wèi)浩;王娜;陳國謙;張勇;;基于資源理論的黃河干流水資源評價[J];地學(xué)前緣;2006年03期

3 張桂賓,馬建華;生物資源系統(tǒng)熵初步研究[J];河南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1996年04期

4 安樂生;趙全升;劉貫群;馮娟;;代表性水質(zhì)評價方法的比較研究[J];中國環(huán)境監(jiān)測;2010年05期

5 郭勁松,龍騰銳,霍國友,王紅;四種水質(zhì)綜合評價方法的比較[J];重慶建筑大學(xué)學(xué)報;2000年04期

6 于洪濤;吳澤寧;;灰色關(guān)聯(lián)分析在南水北調(diào)中線澧河水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J];節(jié)水灌溉;2010年03期

7 王曉昌;;基于水代謝理念的城市水系統(tǒng)構(gòu)建[J];給水排水;2010年07期

8 許向科;Cleidon Axel;王利強;董國成;周訓(xùn);;熱力學(xué)熵在陸地水文循環(huán)演化中的應(yīng)用初探[J];水文;2010年02期

9 楊旭武,陳三平,高勝利;4種氨基酸燃燒熱的精密測定[J];西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2003年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李紹飛;區(qū)域水資源水環(huán)境綜合評價方法研究[D];天津大學(xué);2007年

本文編號：2593164