（環(huán)境工程專業(yè)論文）蘇州河沿岸泵站雨天放江對底泥耗氧量影響的研究.pdf

摘要 蘇州河經(jīng)過一、二環(huán)境綜合整治工程后，河水水質(zhì)逐步得到好轉(zhuǎn)，河道生態(tài) 系統(tǒng)逐步得到改善，但是市區(qū)段水體溶解氧的含量依然不容樂觀，年平均溶解氧 含量小于2 m g l 。底泥耗氧的作用開始顯現(xiàn)出來。為減少底泥耗氧，蘇州河三期 整治的重要內(nèi)容之一是底泥疏浚。然而疏浚是否能長期有效地改善蘇州河水體溶 解氧低的狀況，這需要綜合考慮沿岸泵站放江對底泥耗氧量的影響。 針對蘇州河沿岸泵站放江對底泥耗氧量的影響這一問題，研究了底泥耗氧的 機理，主要影響因素；以目前國外應(yīng)用較成功的底泥通量模型為基礎(chǔ)，利用實測 資料和實驗數(shù)據(jù)進行模型率定和驗證，建立了蘇州河底泥耗氧量數(shù)學(xué)模型，模型 可以較真實地模擬底泥的耗氧量。 有機碳、有機氮的輸入是影響底泥耗氧的主要原因。模型模擬結(jié)果表明當有 機碳、有機氮的濃度都小于3 m g l 時，它們對底泥耗氧量的影響基本相當：當有 機碳、有機氮的濃度都大于3 m g l 后，有機氮對底泥耗氧量的影響相對于有機碳 開始明顯減弱，底泥耗氧量主要受有機碳濃度的控制。 利用模型探討泵站放江對底泥耗氧的影響，結(jié)果表明在目前的放江水平下， 平均一次放江后底泥耗氧量增加2 5 6 4 1 5 ，放江輸入的有機物是蘇州河底 泥耗氧物質(zhì)的主要來源，泵站放江是造成蘇州河底泥耗氧量增加的主要原因?？?以認為，底泥疏浚短期可能會削減底泥耗氧量，但合流污水雨天放江對產(chǎn)生底泥 耗氧的影響是長期的。放江量每增減1 0 ，對底泥耗氧量的影響范圍在7 - - 8 5 左右。當放江量較少3 0 時，底泥耗氧量可減少了2 5 4 。放江量的減少對 底泥耗氧量的影響明顯。因此穩(wěn)定改善蘇州河水質(zhì)，在優(yōu)化沿岸市政泵站運行的 同時，應(yīng)最大限度地減少泵站向蘇州河排放的雨污水量，減少向蘇州河輸送的污 染負荷，做到晴天不排江、雨天少排江。 關(guān)鍵詞底泥耗氧量( s o d ) ，數(shù)學(xué)模型，蘇州河，合流污水，底泥疏浚 a b s t r a c t w a t e rq u a l i t ya n d a q u a t i ce c o s y s t e mi ns u z h o uc r e e kh a v ei m p r o v e dg r a d u a l l y s i n c et h ef i r s ta n dt h es e c o n dc o m p r e h e n s i v ea d m i n i s t r a t i o na c h i e v e d ，b u td i s s o l v e d o x y g e ni nw a t e ro fc i t ya r e ai s s t i l ll o w , t h ea n n u a la v e r a g ec o n t e n ti sl e s st h a n 2 m g 1 1 1 1 e i n f l u e n c eo fs e d i m e n tc o n s u m eo x y g e nb e g a i n st oa p p e a r i no r d e rt o r e d u c es e d i m e n to x y g e nd e m a n d ，t h eo n eo fm a i np r o j c o t so ft h en l i r dc o m p r e h e n s i v e a d m i n i s t r a t i o no fs u z h o uc r e e ki ss e d i m e n t d r e d g e w h e t h e rd r e d g i n g c o u l d e f f e c t i v e l yi m p r o v ew a t e rd oi nl o n gt i m e ，i tn e e dt oc o n s i d et h ei m p a c to fp u m p i n g s t a t i o n sa l o n gs u z h o uc r e e ks t o r mw a t e ro v e r f a l lo ns e d i m e n to x y g e nd e m a n d ( s o d ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s e d i m e n tf l u xm o d e lw a su s e dt oe s t a b l i s hs o dm o d e lo n s u z h o uc r e e k n 蛇m o d e lw a sc a l i b r a t e da n dv a l i d a t e db yh i s t o r ym a t e r i a l sa n d e x p e r i m e n t a ld a t aa n dc a nr e l a t i v e l ys u c c e e dt os i m u l a t es e d i m e n to x y g e nd e m a n d t h em a i nr e a s o no fs e d i m e n tc o n s u m eo x y g e ni si n p u to ft o ca n dt o n u s i n g t h es o dm o d e ls i m u l a t e ，r e s u l ts h o wt h a ts e d i m e n to x y g e nd e m a n di sa f f e c t e de q u a l l y b yt o ca n dt o nw h e nt h e c o n c e n t r a t i o n so ft o ca n dt o na r cl e s st h a n 3 m g l ，s e d i m e n to x y g e nd e m a n di sa f f e c t e dm o s t l yb yt o cw h e nt h ec o n c e n t r a t i o n s o ft o ca n dt o na r em o r et h a n3 m g 1 n ei m p a c to fp u m p i n gs t a t i o n sa l o n gs u z h o uc r e e ks t o r mw a t e ro v e f f a l lo n s o dw a ss t u d i e du s i n go ft h es o dm o d e l r e s u l ts h o wt h a ts o di n c r e a s e s2 6 5 41 2 a f t e rs t o r mw a t e ro v e r f a l la v e r a g eo n et i m e w h i c hi m p l i e st h a tt h em a i n r e a s o no fs o di n c r e a s e si ss t o r mw a t e ro v e r f a l lo fp u m p i n gs t a t i o n sa l o n gs u z h o u c r e e k ，d r e d g i n gc a no n l yr e m o v es u z h o uc r e e ks o di ns h o r tt e r m ，a n dc o m b i n e d s e w e ro v e r f l o w s ( c s o s ) w i i ib u i l du ps o da n dl e a dt ol o ww a t e rd op r o b l e m si n i o n et e r m r e s u l ts h o wa l s ot h a ts o dc h a n g e sb e t w e e n7 8 5 w h e nc s o s i n c r e a s eo ri n d u c e1 0 ，s o dc a l lr e d u c e2 5 4 w h e nc s o sr e d u c e3 0 ，w h i c h i m p l i e st h a tr e d u c t i o no fc s o sa f f e c t ss o do b v i o u s l y s oi no r d e rt oi m p r o v es u z h o u c r e e kq u l i t y , t h ec o n t r o lo nc s o sn e e d st os t r e n g t h e n k e yw o r d s ：s o d ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，s u z h o uc r e e k , c o m b i n e ds e w e r o v e r f l o w s ，s e d i m e n td r e d g e i i 東華大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴謹學(xué)風。所呈交的學(xué)位 論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除 文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體 已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對 所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 學(xué)位論文作者簽名：體帛 日期：加昌年1 月f 多日 東華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同 意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允 許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)東華大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或 部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù) 制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密口，在年解密后適用本版權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密甌 學(xué)位論文作者簽名：強島 日期：硒年1 月l 弓e t 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第一章緒論 第一章緒論 1 1 課題研究背景 蘇州河又稱吳淞江，是黃浦江最大的支流之一，也是太湖與黃浦江的主要聯(lián) 系水道之一。全長1 2 5 k i n ，在上海市境內(nèi)河段長5 3 1 k m ，上海市區(qū)內(nèi)河段長2 3 8 k m ，兩岸市區(qū)居民3 0 0 萬以上，是上海市的重要城市河道。蘇州河水系概況見 圖1 一l 。 歷史上，古吳淞江下游( 即蘇州河) 河水清澈，水產(chǎn)品種繁多，漁業(yè)興旺，水 陸交通便利，是著名的魚米之鄉(xiāng)。二十世紀以后，隨著上海的發(fā)展成型，蘇州河 水質(zhì)逐漸變差，到1 9 7 8 年，蘇州河在上海境內(nèi)遭到全部污染，一年中河水黑臭 天數(shù)達一百多天乜3 。從上世紀八十年代開始，蘇州河的治理工作陸續(xù)展開。通過 一、二期綜合整治工程截污治污、綜合調(diào)水、河道復(fù)氧曝氣、環(huán)運碼頭搬遷及水 域保潔等手段的實施，蘇州河河水水質(zhì)逐步得到好轉(zhuǎn)，河道生態(tài)系統(tǒng)逐步得到改 善。但是，主要的水質(zhì)指標化學(xué)需氧量c o d 、生化需氧量b o d 、溶解氧d o 依 然不容樂觀，特別是溶解氧的含量過低。2 0 0 6 年6 月的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，市區(qū)干 流大部分斷面的溶解氧都未達到五類水質(zhì)標準。 在這種情況下，底泥耗氧的作用開始顯現(xiàn)出來。蘇州河上海市區(qū)段河床沉積 了大量黑色污泥。北新涇斷面污染底泥厚度為0 8 m ，往下游方向底泥厚度逐漸 增加，厚度可達l 一3 m 。 為了較少底泥耗氧量，蘇州河環(huán)境綜合整治三期工程的重要組成部分便是底 泥疏浚。然而疏浚是否能長期有效地改善蘇州河水體溶解氧低的狀況，這需要綜 合考慮沿岸泵站放江對底泥耗氧量的影響。蘇州河綜合治理二期工程規(guī)劃建設(shè)五 座雨水調(diào)蓄池，用以削減泵站放江對水質(zhì)的影響。到目前為止，夢清園調(diào)蓄池和 成都路調(diào)蓄池已修建完成，另外三座還在建設(shè)之中?，F(xiàn)在投入試運行的只有成都 路調(diào)蓄池。蘇州河沿岸泵站初期雨污混合水對水質(zhì)的影響依然嚴峻。 蘇州河沿岸共有市政泵站3 7 座，其中合流制泵站3 4 座、分流制雨水泵站2 座、污水泵站1 座，合計排水能力2 3 2 8 7 4 m 3 s ，服務(wù)面積4 1 2 7 k i n 2 。泵站位置 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第一章緒論 示意見圖1 2 。由于泵站本身老化導(dǎo)致的檢修頻率過高、合流污水一期l 耀截 流倍數(shù)偏低形成的雨天溢流、系統(tǒng)內(nèi)雨污水混接、合流制排水體制存在自身弊端 等原因，使得泵站存在著南天放江、施工配合放扛、試車放江和檢修放江等現(xiàn)象。 年內(nèi)泵站的放江總最 1 3 8 0 x 1 0 4 m 3 。泵站排出的初期雨水攜帶大量的沉積黑泥， 韌期雨水污染濃度很高，c o d e r 濃度最高值 1 0 0 0 m g l “。這些物質(zhì)排入河流后 一部分會沉降下來，停留在底泥表面，形成新的污染源，增加底泥耗氧。 本文研究的目的在于探討泵站放江對底泥耗氧量的影響，放江是否足長期影 響底泥耗氧的用素放江量增減后底泥耗氧量有什么變化? 蚓l1 蘇州河水系概況 圖】一2 蘇州河亍 岸市政泵站位置示意圖 蚓廠_l筘o 、1。、。 m 夢m 一 、廣， 矽艫 v乏。| 港一 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文 第一章緒論 1 2 研究的意義 蘇州河代表著上海的形象。目前蘇州河存在的主要問題是水體溶解氧含量過 低，底泥耗氧懷疑是其主要影響因素，開展底泥耗氧量的研究十分重要。 目前國內(nèi)對底泥耗氧的研究還大多處于實驗室研究階段，模型的應(yīng)用很少。 因此本文應(yīng)用底泥耗氧量模型對蘇州河的底泥耗氧量進行研究，具有一定的學(xué) 術(shù)價值和現(xiàn)實意義。 蘇州河泵站合流污水雨天放江對水體溶解氧的消耗具有重要“貢獻”。利用 底泥耗氧量模型，能科學(xué)地分析泵站放江對底泥耗氧的影響，為蘇州河的治理 提供技術(shù)指導(dǎo)。底泥耗氧量數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用還會對進一步改善水質(zhì)數(shù)學(xué)模型起 積極作用。 1 3 研究的內(nèi)容 1 3 1 研究的內(nèi)容 研究底泥耗氧的概念、機理，研究底泥耗氧量的測定方法及影響因素，為底 泥耗氧量模型的建立提供理論依據(jù)；研究底泥耗氧量模型模擬的相關(guān)理論，對現(xiàn) 有的底泥耗氧量模型進行綜述；介紹所選模型的相關(guān)理論。 利用底泥通量數(shù)學(xué)模型的底泥耗氧量模型部分建立蘇州底泥耗氧量數(shù)學(xué)模 型，研究蘇州河泵站雨天放江對底泥耗氧量產(chǎn)生的影響。 3 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文 第一章緒論 1 3 2 研究的技術(shù)路線 4 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 2 1 底泥耗氧量的概念 底泥耗氧量( s e d i m e n to x y g e nd e m a n d ) 常根據(jù)其英文表達簡稱為s o d ， 定義為單位時間內(nèi)單位表面積底泥能夠消耗的氧量，習(xí)慣上采用的單位為 g ( 0 2 ) ( m 2 d ) 剛。通常認為底泥消耗的氧可分為兩部分：第一部分是上覆水體擴散 到水底沉積物中的溶解氧被消耗，其中包括底泥中還原性物質(zhì)的化學(xué)耗氧和棲息 在表層底泥的好氧微生物及無脊椎動物的呼吸耗氧：第二部分是底泥中的還原態(tài) 物質(zhì)擴散到上覆水體中被氧化的化學(xué)耗氧。因此s o d 可分為底泥化學(xué)耗氧量 ( c s o d ) 與底泥生物耗氧量( b s o d ) 兩部分伍】。一般現(xiàn)場和實驗室測量s o d 都不 區(qū)分c s o d 與b s o d ，只是直接或間接地測量二者的總和。從目前國外資料對 s o d 的定義來看，對于底泥內(nèi)部包括生物和化學(xué)物質(zhì)的這部分耗氧均無疑義， 但是對于擴散進入上覆水體的物質(zhì)引起的耗氧行為的定義較模糊。 此外，還需要指出，在外界環(huán)境( 如溫度、流速、流態(tài)、上覆水溶解氧等) 確定的情況下，s o d 是底泥的一種屬性，其值是固定的。當外界環(huán)境發(fā)生變化 時，s o d 也會發(fā)生變化。因此，在測定s o d 時，必須要對外界條件加以界定。 2 2 底泥耗氧的機理 沉積在底泥內(nèi)的有機物是底泥耗氧的根源，底泥消耗的氧都源于有機物的礦 化。表層有機物在微生物呼吸作用下降解，產(chǎn)生呼吸耗氧；兼氧層、厭氧層有機 物與底泥內(nèi)的氧化物反應(yīng)，生成各種還原性物質(zhì)，這些物質(zhì)既產(chǎn)生化學(xué)耗氧又產(chǎn) 生呼吸耗氧。有機物礦化的模式見圖2 1 。 5 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文 g _ - 章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 擴散擴散 對流對流 沉淀0 2n 0 3 。s 0 4 2 。 上覆水 一 kj l 好氧層1 c 黼a 2 + , 態(tài)h c hc 0 2 , n 0 3 卜 有棚物l 一 舢嘲i_ jl 霎蟹f 巨r(nóng) 沉淀： c 0 2 ，n 2 ， n 0 3 有機物 m n c 0 3 p 0 4 3 - , m n 2 + m n 0 2 j l 厭氧層 1r 沉淀： l x ) 2 ，n 1 - 1 3 ， f e o o h f e c 0 3 ，金屬硫 p 0 4 3 - , f e 2 + ， 有機物 s 0 4 2 化物，藍鐵礦 h s j l 甲烷發(fā) ，k 目 1r 百手，云 沉淀：c i - 1 4 , n i - 1 3 ， c 0 2 有機物 一 藍鐵礦 p 0 4 3 底泥 孔隙水 底泥 圖2 - - 1 有機物礦化過程示意圖陽1 其對應(yīng)的礦化方程式為： ( 1 ) ( c h 2 0 ) 1 0 6 ( n h 3 ) 1 6 ( h 3 p 0 4 ) + 1 3 8 0 2 - - , 1 0 6 c 0 2 + 1 6 h n 0 3 + h ：i p 0 4 + 1 2 2 h 2 0 ( 2 ) ( c h 2 0 ) 1 0 6 ( n h 3 ) 1 6 ( h 3 p 0 4 ) + 2 3 6 m n 0 2 + 4 7 2 h + - - , 2 3 6 m n 2 + + 1 0 6 c 0 2 + s n 2 + h 3 p 0 4 + 3 6 6 h 2 0 ( 3 ) ( c h 2 0 ) 1 0 6 ( n h 3 ) 1 6 ( h 3 p 0 4 ) ) + 9 4 4 h n o y - - 1 0 6 c 0 2 + 5 5 2 n 2 + h 3 p 0 4 + 1 7 7 2 h 2 0 ( 4 ) ( c h 2 0 ) 1 0 6 0 n t h 3 ) 1 6 ( h 3 p 0 4 ) + 4 2 4 f e o o h + 8 4 8 h + - - , 4 2 4 f e 2 + + 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n h 3 + h 3 p 0 4 + 7 4 2 h 2 0 ( 5 ) ( c h 2 0 ) 1 0 6 ( n h 3 ) 1 6 ( h a p 0 4 ) + 5 3 s o ( 2 _ 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n h 3 + 5 3 s 小+ h 3 p 0 4 + 1 0 6 h 2 0 ( 6 ) ( c h 2 0 ) 1 0 6 ( n h 3 ) 1 6 ( h 3 p 0 4 ) - - , 5 3 c 0 2 + 5 3 c i - 1 4 + 1 6 n h 3 + h 3 p 0 4 有機物首先由最強的氧化劑氧化，當這種氧化劑消耗完后，氧化過程由下一 種最有效率的氧化劑來推進。在好氧層，只要有足夠的可以利用的氧氣，反應(yīng)1 6 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 就會繼續(xù)下去。在兼氧層，二氧化錳( 反應(yīng)2 ) 和硝酸根( 反應(yīng)3 ) 的還原反應(yīng) 同時發(fā)生。在硝酸根和二氧化錳消耗完后，氧化反應(yīng)由厭氧層的鐵氧化物( 反應(yīng) 4 ) 和硫酸根( 反應(yīng)5 ) 驅(qū)動，最后是甲烷發(fā)酵過程( 反應(yīng)6 ) 。 有機物經(jīng)過礦化，最終產(chǎn)生了甲烷、硫化物、氨、氮和還原性金屬離子，這 些物質(zhì)正是底泥耗氧的因素。 2 3 底泥耗氧量研究方法 底泥耗氧量值可以通過儀器測定或模型模擬得到。 2 3 1 底泥耗氧量測試方法 底泥不是一個均勻相，因此s o d 有相當大的空間和時間變化。對空間而言， 河流、湖泊及海灣的沉積床在物理和化學(xué)性質(zhì)、沉降速率和其他方面的差別很大。 在時間上，隨著季節(jié)的變化，溫度也隨之發(fā)生變化，它們的變化都會帶來水底生 物群落結(jié)構(gòu)的周期性改變。這些空間和時間的變化特點表明，在計算s o d 時， 需要大量的s o d 測量值，才能估計該系數(shù)并充分認識其變化特征。這推動了現(xiàn) 場和實驗室的s o d 測量方法的發(fā)展，并要求s o d 能夠針對具體地點和季節(jié)嘲。 根據(jù)資料報導(dǎo)，s o d 的測試方法主要有2 類：現(xiàn)場測量法、實驗室測量法， 樣品是鉆孔取芯或用船挖泥獲得?，F(xiàn)場測量法、實驗室測量法是較常用的測定方 法?，F(xiàn)場測量法是在自然條件下進行測定。此方法的缺點是受自然因素的干擾較 多，不易得到重現(xiàn)性好的結(jié)果；優(yōu)點是能夠真實地反應(yīng)環(huán)境條件。實驗室測量法 的優(yōu)點是，能夠在相同外界條件下，比較不同樣品的底泥耗氧特性；其缺點是無 法模擬原來水體的環(huán)境特征，測定值與真實值之間的差距較大。 2 3 1 1 現(xiàn)場測定法 現(xiàn)場s o d 測室法是二十世紀八十年代中期發(fā)展起來的一種s o d 測定方法， 在e p a 水資源保護中應(yīng)用廣泛。根據(jù)m u r p h ya n dh i c k s ( 1 9 8 6 ) 的研究，現(xiàn)場s o d 測室法是在一定水底面積上，封閉一定體積的底泥，按一定間隔時間測定水體內(nèi) 溶解氧的濃度，同時確保( a ) 對底泥和水底生物的擾動最小( b ) 盡量與周圍水體的 環(huán)境條件保持一致啊。 在美國地質(zhì)調(diào)查局對俄勒岡k l a m a t h 湖和a g e n c y 湖上游( 1 9 9 9 ) 的調(diào)查中， 底泥的測定采用現(xiàn)場s o d 測室法，取得良好的預(yù)測效果嘲。該方法所用的s o d 測室是一個透明的無底塑料桶，直徑5 6 c m 。底部邊緣焊接金屬圈，能使測室密 7 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 封在底泥中。測室內(nèi)底泥上部水的體積為5 2 5 升。測室密封后，利用水泵循環(huán) 裝置，水通過三個水流擴散器在其內(nèi)部循環(huán)，保持隔離的河水與外界河水流動狀 態(tài)相同。另外，測室上還裝有多水質(zhì)參數(shù)探測頭和溶解氧測定探頭，數(shù)據(jù)通過測 室項部連接的電纜向水面?zhèn)鬏?，用以隨時測定測室內(nèi)各個水質(zhì)參數(shù)的值鵬1 。測室 的設(shè)計見圖2 2 。 夕 9 5 c n 插入水底的不銹銅圈 圖2 2r , l m a t h 湖上游現(xiàn)場s o d 測室示意圖嘲 現(xiàn)在廣泛使用的現(xiàn)場水下s o d ：澳1 室都與此類似，它們都是在m u r p h ya n d h i c k s ( 1 9 8 6 ) 最初設(shè)計上的發(fā)展和改進。不同研究者采用的測室歸納見表2 1 ： 8 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念，機理及研究方法 l e e ，j h w 圓柱體內(nèi)徑1 4 4 c m水泵循環(huán) 50 0 1 u s g s 圓柱體內(nèi)徑5 6 c m ，高2 1 2 c m水泵循環(huán) 5 水泵流量 2 3 l m i n 為了現(xiàn)場測定s o d ，泥水界面溶解氧的含量需大于3 m g l ，這樣溶解氧的損 耗才便于觀察。溶解氧含量大于3 m g l 時，氧損耗率是線性的，小于3 m g l 時， 生物需氧量b s o d 受水體溶解氧濃度的影響，氧損耗率是非線性的1 。 根據(jù)m u r p h y a n dh i c k s ( 1 9 8 6 ) 的設(shè)計，測定s o d 的同時，應(yīng)當測定水體耗氧量 作為空白值，并從得到的總s o d 內(nèi)減去這一空白值n 明。即應(yīng)測定緊靠底泥面上( 不 包括底泥部分) 水體的耗氧量。1 9 9 2 年，e p a 采用與s o d 測室相似的設(shè)備測量， 只測定測室所隔離的水的氧消耗量。但測量的結(jié)果表明，由于水體耗氧量很小， 空白值的修正對結(jié)果影響是微乎其微的，所以可以不測空白值。1 9 9 2 年后，e p a 采用3 0 0 m l b o d 培養(yǎng)瓶測定空白值，同底泥溶解氧消耗量相比，這種方法測量得 到的水體耗氧量也很小，可以忽略忉。但是不同的水體上覆水耗氧量不同，蘇州 河水體內(nèi)有機碳量含量較高，空白樣的測定是必要的。 計算s o d 一般采用作圖法，做出溶解氧濃度隨時間變化的關(guān)系圖，通過溶解 氧濃度隨時間的變化率來計算n 1 】。在測定的初始階段，大約1 5 m i n 內(nèi)，測室內(nèi)氧 濃度的變化是非線性的，變化很快。這主要是由于在布置、清洗測室期間，底泥 產(chǎn)生了懸浮。因此，分析時前1 5 m i n 的數(shù)據(jù)不予考慮。利用1 5 m i n 后測定的數(shù)據(jù) 進行線性回歸運算，確定溶解氧隨時間變化的斜率，該斜率即為s o d 值叫。一般 采用以下公式來計算n 羽： 9 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 s d d r = 0 0 2 4 v ( - b ) ( 2 1 ) 式中： y 測室上覆水的體積( l ) 5 彳測室的表面積( m 2 ) ； 6 回歸線的斜率e m g ( l h ) ；0 0 2 4 為轉(zhuǎn)化因子； s 吼溫度為t 時的底泥耗氧速率。 在溫度為t 時測得的s o d 速率應(yīng)當修正到2 0 c 的條件下，采用q l o ( o rv a n t h o l d 修正公式1 2 1 ： 腳加= 薩s o d r ( 2 2 ) 式中： s o d 加2 0 時底泥的耗氧速率； 卜測量期間的水溫( t h b m a n na n dm u e l l e r ，1 9 8 7 ) 。 該修正公式在溫度大于1 0 ( 2 時適用。是個很重要的參數(shù)，可以用它比較不 同溫度下的s o d 值。 影響現(xiàn)場s o d 測定的因素有： a 水力條件 現(xiàn)場水底測室中水體需要保持一定的流速來模擬河流的實際情況，通常使用 機械攪拌或水泵循環(huán)達到這一目的。水泵循環(huán)產(chǎn)生的水流動更加均勻，接近水體 實際情況，所以使用更廣泛。 b 溶解氧測定 要求精確安放水底測室，避開大的卵石和礫石。測室內(nèi)水一般為待測水體上 層水，方法是迅速將測室沉至水底，使得在測定s o d 前，測室內(nèi)納入含溶解氧 濃度高的上層水n 射。由于受晝夜、氣溫等變化的影響較大，現(xiàn)場測定總歷時 2 4 h ， 所以總測定時間在2 - 5 h 之間居多，d o 測定間隔在2 - - 1 5 m i n 范圍內(nèi)。 2 3 1 2 實驗室測定法 實驗室測定法與現(xiàn)場測定法最大的區(qū)別在于對采集底泥樣品的要求不同。實 驗室測定法必須確保在采集底泥的過程中，底泥受到的擾動最小，否則將導(dǎo)致測 1 0 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 定結(jié)果不可靠n 射。泥樣采集方法可分為柱狀采樣器采集和挖泥機采集2 種，而柱 狀采樣器對底泥的擾動小，所以在目前研究中使用廣泛。柱狀采樣器的內(nèi)徑在 5 - - 1 5 c m 之間，材質(zhì)多為塑料n 3 。6 1 或鋁質(zhì)n 町，采樣器桿一般是可伸縮型，最大長 度在l 7 m n 4 埔1 ，可以在岸邊或船上采樣，也有人工潛入水底采樣的情況。采集 的泥柱樣的長度一般在5 - 2 0 c m 之間，略大于相應(yīng)實驗測定所需的泥柱長度。 從采樣完畢到送至實驗室的時間間隔應(yīng)不大于6 h n 耵。 實驗室測定s o d 的原理及實驗方法和現(xiàn)場測定方法相似，即取一定表面積 的底泥，封閉在測定容器內(nèi)，上覆已知體積、含有充分溶解氧的水，通過測定容 器內(nèi)溶解氧隨時間的濃度變化( 續(xù)批式) 或測定容器進出水的d o 差( 連續(xù)式) ，來 計算水體s o d 。實驗室測定法是在實驗室中進行的。在一定的溫度( 一般2 0 ) 條件下，測定樣本上水體的溶解氧濃度。 測定s o d 的容器目前尚無統(tǒng)一的規(guī)格，但都以盡量模擬水體自然條件，簡 化實驗設(shè)備為基本原則，同時要求有較高的密閉性，以防止外界氧氣自由進入實 驗水體引起測定誤差1 。 影響實驗室s o d 測定的因素有： a 底泥的厚度 實驗底泥厚度對s o d 有一定影響，根據(jù)t o h r us e i k i 等人的研究n 刀，由于傳 質(zhì)阻力的存在，下層底泥對s o d 的貢獻很小，s o d 由表層僅0 5 c m 厚的底泥控 制。不同s o d 測定中，實驗底泥厚度變化較大，從1 5 c m 到2 0 c m n 明不等。對于 一般水體，泥樣厚度大于1 0 c m 即可精確測定s o d ，滿足精度要求。 b 上覆水 上覆水是由人工加入到待測底泥表層的水，需水質(zhì)均一，能為底泥提供持續(xù) 的溶解氧。上覆水中的溶解氧濃度對s o d 的測定精度有重要影響。與現(xiàn)場測定 法要求相同，d o 值應(yīng)大于3 m g l 以上。影響s o d 測定的另一個重要指標是上 覆水體積和底泥面積之比( v ，a ) ，如果v a 太小，上覆水中d o 需要不斷補充， 其流動可能會導(dǎo)致底泥泛起。但如果v a 太大，上覆水中d o 消耗緩慢，測定 時間過長，耗氧曲線線性差。上覆水水深一般大于1 0 c m 。實驗室測定條件歸納 見表2 2 ： 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 表2 2 實驗室測定條件跚 箱式底泥測 測室直徑2 5 4 m m ，高 脅咖。辜募竺纛有撇璃翟囂禁箋黧， 河流表層水 泥柱管 高1 2 7 m m 。 c 水利條件 為了模擬水體的實際條件，使泥水界面上溶解氧分布均勻，在s o d 測定過 程中需保持上覆水流動。底泥上層水體的流速還直接影響到泥水界面上氧的傳質(zhì) 系數(shù)。研究表明n 訓(xùn)，在流速非常低的情況下，s o d 由擴散邊界層的傳質(zhì)速率決 定，是流速的函數(shù)，而當流速大于某一限值時，s o d 不再受流速的影響。所以， 測定s o d 時，要求上覆水的流動既能使水體充分、均勻地混合，又不至于沖刷 起底泥表面的顆粒物。實驗室測定有2 種模擬方法：上覆水循環(huán)啪1 和水力攪拌乜1 1 。 上覆水循環(huán)是通過水泵循環(huán)，使上覆水處于流動狀態(tài)。水力攪拌是通過電磁攪拌 器等設(shè)備的機械攪拌作用達到使上覆水運動的目的，分為連續(xù)式和間歇式2 種方 式，連續(xù)式在整個測定過程中都進行攪拌，間歇式是在測量上覆水溶解氧濃度時 才進行攪拌混合。 d 培養(yǎng)溫度和光照 溫度是影響s o d 的一個非常重要的因素，通常用v a n th o f f 形式的a r r c h n i u s 關(guān)系式，表示s o d 隨溫度的變化函數(shù)n 2 匕實驗室測s o d 都是在恒溫下進行的， 測定溫度取某一定值。另外，為了防止藻類的生長，底泥多在黑暗中培養(yǎng)。 1 2 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文 第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 e 溶解氧測定 實驗室s o d 測定總歷時長短差別很大，一般在幾小時n 們到若干日之間n 刀。 溶解氧的測定間隔在幾分鐘n 踟到幾小時n 刀之間。實驗之初，測定間隔應(yīng)取得短， 經(jīng)過一段時間后測定間隔拉大，這樣有利于密切監(jiān)測d o 初期的消耗情況。 2 3 2 底泥耗氧量模型 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，可以方便科學(xué)地得到底泥耗氧量。比起現(xiàn)場或?qū)嶒炇覝y定， 能節(jié)省大量的人力物力。底泥耗氧量模型在國內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段。在以往 河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型中，s o d 常當作一個可以測量出或估算出的外部參數(shù)幽3 。近 年來，河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型開始耦合s o d 數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過多年的開發(fā)，出現(xiàn)了幾 種s o d 模型，各種形式和機理歸納如下。 2 3 2 1f a i r 、m o o r e 、t h o m a s 實驗?zāi)Ｐ?f a i r 等在1 9 4 1 年通過實驗發(fā)現(xiàn)，在實驗室反應(yīng)器內(nèi)人工底泥( 由生活污水底 泥、沙和硅藻土組成) 的耗氧量隨底泥深度和時間而變化嘲。他們推出了s o d 近 似與易揮發(fā)性固體的初始濃度( v s ，k g m 1 ) 的平方根成正比： s o d = a l v s( 2 3 ) 式中： a 一隨實驗室底泥培養(yǎng)時間不同而變化的系數(shù)。 在自然水體中運用此實驗結(jié)果相對比較困難，因為實驗反應(yīng)器里的易揮發(fā)固 體在現(xiàn)場沒有確切的對應(yīng)物，所以現(xiàn)場情況下這個公式不適用。 1 9 8 4 年g a r d i n e r 等在g r e e n 海灣的現(xiàn)場測定中，發(fā)現(xiàn)s o d 與底泥化學(xué)需氧 量 c o d ，m g ( 0 2 y g 有以下類似關(guān)系玨盯： s o d = b l c o d( 2 4 ) 式中： b 1 常數(shù)。 這2 個公式的缺點，在于無法體現(xiàn)s o d 與底泥深度的相關(guān)性。2 個公式中 底泥和底泥內(nèi)有機物濃度之間的平方根關(guān)系，在實驗中得到了驗證。這種關(guān)系不 同于以往在很多溶解氧模型中應(yīng)用的線性關(guān)系。 2 3 2 2 電子受體模型 建立s o d 模型的方法，是模擬底泥孔隙水中電子接受體( 0 2 ，n 0 3 ，s 0 4 1 3 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 等) 的濃度。最簡單的模型是假定氧的消耗對氧的濃度是零級反應(yīng)，也就是說， 只要耗氧值大于零，它就與氧的濃度值無關(guān)，對于泥水界面下的深度z ，它是常 數(shù)嘲。 應(yīng)用邊界條件來測定好氧層的深度。底泥孔隙水溶解氧濃度的一維物質(zhì)平衡 方程式是： 脅f i d 0 3 0 c o , , z o , 瑚一刮z ：。 ( 2 5 ) 式中： 溶解氧擴散系數(shù)( m 2 d ) ； r 。氧能級消耗速率 g ( m 3 d ) ； 卜底泥深度向下為正方向，泥水界面z 處為零； c 0 2 ( z = o ) 底泥上層水體溶解氧的濃度； 日，底泥好氧層深度。 三個邊界條件是： 【q ( 刁l z 暑。= q ( o ) 】，指上覆水溶解氧濃度： 【d 2 ( 日。) 】= 0 ，在耗氧層深度h l 處溶解氧濃度為零； 掣 ：0 ，深度h l 以下，溶解氧濃度為零。這一條件需要h l 以下， 比 l 。塌 不存在氧消耗。 從此平衡式中，可以做出幾個預(yù)測。s o d 隨著零級耗氧速率r o 的平方根 變化而變化。如假定揮發(fā)性固體濃度與零級耗氧速率成比例，那就是f a i r 等得 出的結(jié)果2 瓠。 然而，模型沒有詳細說明如何測定耗氧系數(shù)r o ，實際上模型是用不可測量 的r o 代替可測量的s o d 。 同時模型也預(yù)測s o d 會隨著上覆水溶解氧的平方根變化而變化。存在上覆 水溶解氧的s o d 值的變化比此模型預(yù)測的要更復(fù)雜。不管怎樣，這是個有趣的 模型。特別地，它表明了好氧層深度h 1 與氧平衡的關(guān)系。在氧通量模型中，這 1 4 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 是個普遍的特征。 2 3 2 3s o d 與溶解氧和溫度的關(guān)系模型 1 9 8 6 年，p r o c e l l a 等研究了s o d 與溫度和泥水界面溶解氧的相互關(guān)系洶1 ， 1 9 8 6 年w a l k e r 和s n o d g r a s s 在此基礎(chǔ)上提出了1 個關(guān)系式1 ： 渤劃( d 羔+ w z = o ， ( 2 6 ) 式中： ( 仰卜最大生化s o d g o ：( m 2 d ) ； 如溶解氧的半飽和常數(shù)( m g l ) ； k c ( r ) 溫度為t 時化學(xué)s o d g o ：( m 2 d ) 。 k r ( r ) 是非生命過程產(chǎn)生的耗氧，稱為化學(xué)s o d ( c s o d ) ，一般由底泥內(nèi) 還原性物質(zhì)氧化引起，測定時底泥內(nèi)加入生物毒藥，測得的耗氧值即為c s o d 。 總s o d 由生化s o d ( b s o d ) 和化學(xué)s o d ( c s o d ) 兩部分組成。 2 3 2 4 成巖和氧當量模型 d it o r o 和m a t y s t i k 提出1 個模型。模型所關(guān)注的是有機碳顆粒降解后進 入底泥的通量，該過程即為礦化反應(yīng)。模型的基本思想是模擬有機碳降解產(chǎn)生還 原性物質(zhì)( 如電子供體c l - h ( a q ) ，h s 。、f e 2 + 等) 的過程。 伽：矗三d l ( 2 7 ) + i 式中： 以c 進人底泥活性c o d 顆粒的通量 g ( 0 2 ) ( m 2 d ) 厶進人底泥活性c o d 顆粒中被氧化部分； 底泥上層水體溶解氧的濃度( t o o l l ) ； c 慨底泥上層水體硝酸鹽的濃度( t o o l l ) 。 上覆水中硝酸鹽增長預(yù)示s o d 會下降，因為底泥反硝化耗氧，減少了泥水 界面的通量。這個模型明確地連接了s o d 與有機顆粒物質(zhì)礦化反應(yīng)后的氧化過 1 5 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第二章底泥耗氧量的概念、機理及研究方法 程，其缺點是模型沒有考慮氧化反應(yīng)動力學(xué)，也沒有詳細考慮氨的氧化。 2 3 2 6 討論 除了s o d 礦化模型外，其余所有的模型都以電子受體( 0 2 ，n 0 3 。，s 0 4 2 。 和其它模型指定的氧化物) 的轉(zhuǎn)移為基礎(chǔ)。但是如何測定電子受體，或者如何將 電子受體與底泥內(nèi)的顆粒有機物通量聯(lián)系起來，卻不是很清楚。這是個很嚴重的 缺陷。 2 3 2 6 底泥通量數(shù)學(xué)模型 底泥通量數(shù)學(xué)模型是以d it o m 等人為代表，在大量實驗、觀測的基礎(chǔ)上， 通過理論推導(dǎo)，建立起來的一個非常實用的模型。底泥耗氧量( s o d ) 數(shù)學(xué)模型 是底泥通量模型的一部分。底泥通量模型模擬s o d 的理論基礎(chǔ)為：從物質(zhì)平衡 的觀點來看，顆粒有機物在缺氧條件下礦化產(chǎn)生了還原性物質(zhì)：c h 4 、h 2 s 和 叫嘲。因此模型應(yīng)該關(guān)注這些還原物質(zhì)的遷移和氧化。電子受體的通量和分 配，特別是氧通量，都來自還原性物質(zhì)的氧化。底泥通量模型已分別成功地應(yīng)用 于美國c h e s a p e a k eb a y ( 海灣) 、l o n gi s l a n ds o u n d ( 河口) 、l a k ec h a m p l a i n ( 淡 水湖) 、m a s s a c h u s e t t sb a y ( 海灣) 和j a m a i c ab a y ( 海灣) 。 本文即選用該模型來探討泵站放江對底泥耗氧量的影響。模型的詳細理論介 紹見第三章。 1 6 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第三章底泥通量模型中底泥耗氧量部分模擬理論 第三章底泥通量模型中底泥耗氧量部分模擬理論 底泥通量模型對底泥耗氧量的模擬有三種形式：硫化物氨氧化模型、甲烷氨 氧化模型、硫化物一甲烷模型。硫化物氨氧化模型的適用條件為：底泥內(nèi)碳礦化 產(chǎn)生的還原物質(zhì)以硫化物和氨為主。當上覆水中硫酸鹽濃度較高時，底泥厭氧層 內(nèi)硫酸鹽濃度也相應(yīng)較高，硫化物是碳礦化的主要產(chǎn)物。甲烷氨氧化模型的適用 條件為：底泥內(nèi)碳礦化產(chǎn)生的還原物質(zhì)以甲烷和氨為主。當?shù)啄鄡?nèi)不存在可利用 的硫酸鹽，或者碳礦化的速率超過了硫酸鹽的供給，甲烷成為碳礦化的主要產(chǎn)物。 硫化物一甲烷模型綜合了上兩個模型的優(yōu)點，考慮了底泥內(nèi)部硫化物、甲烷、氨 的氧化，可以在底泥內(nèi)硫化物占主要成份到甲烷占主要成份的狀態(tài)間平穩(wěn)過渡。 下面分別介紹這三種模擬理論。 3 1 硫化物氨氧化模型 本模型的重點是介紹作為碳礦化過程中主要的最終產(chǎn)物一硫化物的生成和 氧化。 3 1 1 硫化物的產(chǎn)生 海水的底泥需氧量與硫化物有直接關(guān)系。硫酸鹽作為主要的電子受體，還 原后成為硫化物。反應(yīng)是： 2 c h 2 0 + s 0 4 2 一+ h + 一2 c 0 2 + h s 一+ 2 h 2 0 ( 3 1 ) 溶解態(tài)硫化物與底泥內(nèi)的鐵離子反應(yīng)，生成顆粒態(tài)硫化鐵側(cè)。因此，模型 需區(qū)別硫化物的固態(tài)和溶解態(tài)的形式。 1 7 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文 第三章底泥通量模型中底泥耗氧量部分模擬理論 鏨h1 嫠 分離： h 2 sh f e s 第 反應(yīng)：h 2 s + 2 0 2 h 2 s 0 4 辱 f e s 刪0 2 l 2 f e 2 0 3 + h 2 s 0 4 一h 2 0 微?；旌蠑U散 囊蘭 一 泥+ 蠶 礦化： 雯 2 c h 2 0 + h 2 s 0 4 2 c 0 2 + h 2 s + 2 h 2 0 至n 2 層分離：h 2 s + 葉f e s 底泥 沉淀 圖3 - - 1 硫化物氧化模型的示意圖制 上面的示意圖描述了這種變化。硫化物在厭氧層產(chǎn)生，其中一部分與鐵離子 沉淀生成。剩余的硫化物進入好氧層，氧化生成硫酸鹽，這一過程需消耗氧氣。 如果上覆水中溶解氧較低，溶解態(tài)硫化物就不會完全氧化，會繼續(xù)向上覆水中擴 散。顆粒硫化物也會進入好氧層，在那被氧化為f e ，o ，。最后剩余的f e s 沉淀埋 入水底。其中h 1 、h 2 分別是好氧層和厭氧層對h 2 s 的分配系數(shù)。 上面就是本模型為礦化還原產(chǎn)物考慮的變遷路徑。由此，本模型分配礦化最 終產(chǎn)物為：氧化的硫化物、擴散到上覆水中的硫化物和沉淀到水底的硫化物。這 里未涉及甲烷氣體的產(chǎn)生和逃逸。實際上，僅僅未考慮甲烷氣體的逃逸。在底泥 深處，碳礦化可以產(chǎn)生甲烷。但是，若甲烷不以氣體的形式逃逸出去，它就將進 入硫酸鹽還原區(qū)。由于在這一區(qū)域內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)大量的溶解態(tài)甲烷，可以猜測甲烷 被氧化了。硫酸鹽作為暫時的電子受體，被還原為硫化物。因此，碳礦化的最終 1 8 東華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文第三章底泥通量模型中底泥耗氧量部分模擬理論 結(jié)果是硫化物的生成。 3 1 2 硫化物的氧化 在好氧層，溶解態(tài)和顆粒態(tài)的硫化物均被氧化。因此，需要計算溶解態(tài)和 顆粒態(tài)硫化物的氧化速率。研究發(fā)現(xiàn)，溶解態(tài)硫化物的反應(yīng)速率與硫化物的濃度 呈線性關(guān)系，與氧的濃度呈線性或分數(shù)冪的關(guān)系。研究還綜合考查了鐵、錳氧化 物對反應(yīng)的催化影響。線性相關(guān)性是可以采用的。 顆粒硫化物的氧化速率與顆粒硫化物的濃度也呈近似的線性相關(guān)性。通常 采用酸溶硫化物( a v s ) 的量來量化底泥內(nèi)的活性硫化鐵的量，a v s 是指能被 l m o l l 酸度的冷鹽酸所提取的硫化物，實