生態(tài)浮床系統(tǒng)溶解氧的平衡方程

唐 丹,羅固源,冉青松

(重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400045)

1 簡介

植物浮床技術(shù)作為一種水生態(tài)原位修復(fù)技術(shù),其核心的理念在于以生態(tài)的宏觀角度去看待和治理現(xiàn)今自然河流中廣泛存在的富營養(yǎng)化現(xiàn)象,以期恢復(fù)被污染河流的原有生態(tài)功能[1]。目前生態(tài)浮床技術(shù)已得到廣泛的研究和運(yùn)用,但是關(guān)于生態(tài)浮床系統(tǒng)的DO平衡的研究還鮮有報(bào)導(dǎo)。

一條河流要具有良好的生態(tài)功能,首先需要組成生態(tài)系統(tǒng)的生物群落完整,物質(zhì)和能量能夠沿食物鏈順暢的流動(dòng)。在富營養(yǎng)化水體里,營養(yǎng)物質(zhì)如氮磷等過度富集,導(dǎo)致浮游植物瘋長,初級(jí)生產(chǎn)力惡性擴(kuò)張;DO水平低下,魚蝦因不能進(jìn)行呼吸作用而大量死亡,食物鏈出現(xiàn)斷層,物質(zhì)未經(jīng)過消費(fèi)者而直接從生產(chǎn)者傳遞給分解者,經(jīng)厭氧發(fā)酵后以CH4、H2S等形式被釋放[2-3]。所以說過量氮磷等營養(yǎng)元素的排放引起了水體的富營養(yǎng)化,而DO的缺乏直接導(dǎo)致了水體生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。

2 DO平衡方程的基本結(jié)構(gòu)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以《三峽庫區(qū)次級(jí)河流河口及回水區(qū)域污染演化反應(yīng)及其控制的試驗(yàn)研究》項(xiàng)目為依托,在重慶市江津區(qū)朱楊溪鎮(zhèn)臨江河邊建立生態(tài)浮床試驗(yàn)池,進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)池設(shè)計(jì)為2.3 m×2.7 m×1.1 m,設(shè)計(jì)風(fēng)車草植物浮床,以塑料泡沫板為載體,覆蓋率為60%,有效水深1.0 m,運(yùn)行水力停留時(shí)間為2 d,進(jìn)水流量為2.16 L/min。

2.2 DO平衡方程的基本結(jié)構(gòu)

2.2.1 系統(tǒng)DO的來源

生態(tài)浮床在穩(wěn)定運(yùn)行情況下,DO主要有以下幾個(gè)來源:(1)進(jìn)水中含有的DO;(2)通過大氣自然復(fù)氧進(jìn)入系統(tǒng)的DO;(3)水體中浮游植物光合作用產(chǎn)生的DO;(4)通過浮床植物根系泌氧得到的DO[4-10],如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)水體復(fù)氧途徑

2.2.2 系統(tǒng)內(nèi)DO的消耗

在生態(tài)浮床系統(tǒng)中DO的消耗途徑主要有:(1)好氧微生物分解水體中污染物質(zhì)耗氧;(2)氨氮硝化作用耗氧;(3)植物根系呼吸作用耗氧;(4)浮游生物呼吸作用耗氧;(5)出水帶走的DO[4-10]。系統(tǒng)耗氧示意圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)水體耗氧途徑

2.2.3 浮床系統(tǒng)DO平衡方程的建立

(1)大氣復(fù)氧速率的求解D1

有機(jī)污染物排入河流后,經(jīng)微生物降解而消耗水體中DO,另一方面,大氣與水面接觸,通過擴(kuò)散作用不斷的有氧氣溶解到水體中。Streeters-Phelps研究認(rèn)為當(dāng)水溫、流態(tài)等條件不變的條件下,復(fù)氧速率與虧氧速率成正比例[11]:

其中:D為虧氧量,D=D0-DX;k1為復(fù)氧速率常數(shù);D0為一定溫度下水中飽和DO質(zhì)量濃度, mg/L;DX為河水中DO質(zhì)量濃度,mg/L。

在現(xiàn)場試驗(yàn)條件下采用DO測定的平均值 ￣D作為系統(tǒng)中的DX項(xiàng),而復(fù)氧速率常數(shù)k1以及一定溫度下的飽和溶解氧D0都是已知常數(shù)。故大氣復(fù)氧速率:

(2)植物根系泌氧速率 D2以及呼吸活動(dòng)耗氧速率D3求解

選取3株生長情況良好的風(fēng)車草植株,清水洗凈根系后分別置于3只避光塑料桶中。在黑暗條件下每小時(shí)用虹吸法抽取水樣測定其DO,得到水體氧降曲線。黑暗條件下,植物光合作用為零,只進(jìn)行呼吸作用,以此求得植物呼吸活動(dòng)耗氧速率D3。

計(jì)算公式為:

本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為植物呼吸作用1 d 24 h內(nèi)均勻進(jìn)行。

其中:D3表示單株植物呼吸活動(dòng)耗氧速率, mg/d;ΔD1表示根系呼吸作用導(dǎo)致水體中DO小時(shí)變化量,mg/(L·h);V1表示實(shí)驗(yàn)水桶中水的體積, L;N表示植株數(shù)(下同)。

在正常光照下每小時(shí)采用虹吸法抽取水樣測定DO,得到水體氧虧曲線。在自然光照條件下,植物光合作用與呼吸作用同時(shí)進(jìn)行,所得的氧虧量也是2者作用的疊加。故植物根系泌氧速率D2表示為:

其中:D2表示單株植物根系泌氧速率,mg/d; ΔD2表示光照條件下DO小時(shí)變化量,mg/(L·h)。

(3)耗氧微生物降解有機(jī)污染物耗氧速率D4的測定

在傳統(tǒng)活性污泥法中,曝氣池內(nèi)微生物本身的內(nèi)源代謝被認(rèn)為是與污染物質(zhì)的氧化分解同步進(jìn)行的,其耗氧量是不能被忽略的。但是對(duì)于生態(tài)浮床系統(tǒng)來說由于微生物量少且世代周期長,故可以微生物內(nèi)源代謝耗氧可以忽略。由于試驗(yàn)現(xiàn)場的條件限制只能取得河水中CODCr的值,但是河水可生化性較好,故可以用CODCr乘以可生化系數(shù)代替計(jì)算降解耗氧量。故耗氧降解微生物的耗氧速率表示為:

其中:D4表示好氧微生物降解水體中有機(jī)污染物消耗氧氣的速率,mg/d;Q表示日處理河水量,L/ d;Ca,Ce分別表示CODCr的進(jìn)出水質(zhì)量濃度,mg/ L;a表示好氧微生物對(duì)有機(jī)污染物降解的需氧率以BOD計(jì);b表示河水CODCr與BOD的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

(4)氨氮硝化耗氧速率D5的計(jì)算

氮素從水體中去除主要要經(jīng)歷氨化、硝化和反硝化3個(gè)過程。其中硝化是要在好氧的條件下進(jìn)行的,而反硝化則要求在厭氧條件下進(jìn)行。在自然河流中,有機(jī)氮的含量很少,所以氨化作用可以忽略,耗氧的途徑主要是氨氮的硝化過程。氮素的的硝化反應(yīng)過程式為:

從硝化反應(yīng)過程式可以看出1 mol原子氮(N)氧化成硝酸氮,需要2 mol分子氧(O2),即1 g氮完成硝化需要消耗4.57 g氧。所以硝化耗氧速率D5可以表示為:

其中:D5表示硝化耗氧速率,mg/d;Q表示日處理河水量,L/d;Na,Ne表示氨氮的進(jìn)出水質(zhì)量濃度,mg/L。

(5)浮游植物光合產(chǎn)氧速率D6的取得

在自然光照良好的條件下,將新鮮河水注入圓柱形透明有機(jī)玻璃桶內(nèi)。有機(jī)玻璃桶尺寸為:φ20 cm×120 cm。為盡量模擬反應(yīng)池內(nèi)情況,注水水深定為1 m。用石蠟封口,置于自然光照下,虹吸管取水,測定每小時(shí)DO。D6的計(jì)算公式為:

其中:ΔD3表示浮游植物在光照條件下DO小時(shí)變化量,mg/(L·h);V2表示實(shí)驗(yàn)玻璃桶中水的體積,L。

(6)浮游動(dòng)物呼吸耗氧量

在自然實(shí)驗(yàn)的條件下,生長很不規(guī)律,流動(dòng)性較大要取得相關(guān)數(shù)據(jù)難度很大。其實(shí)在生態(tài)浮床中浮游動(dòng)物的量是比較少的,在本試驗(yàn)的末期清理試驗(yàn)池的時(shí)候只發(fā)現(xiàn)小量魚蝦的存在,故在建立DO平衡方程時(shí)略去這一項(xiàng)是合理的。

將試驗(yàn)水體做為1個(gè)整體來研究,綜合考慮系統(tǒng)DO的來源與去向,可以將生態(tài)浮床系統(tǒng)DO平衡方程以文字的形式表示為:

DO累積量=進(jìn)水DO+大氣復(fù)氧+浮床植物根系泌氧+浮游植物光合產(chǎn)氧-有機(jī)物生化降解耗氧-浮床植物根系呼吸耗氧-氨氮硝化耗氧-出水DO

由此,建立生態(tài)浮床系統(tǒng)DO平衡方程數(shù)學(xué)表達(dá)式:

進(jìn)一步完整表述為:

Di,De分別表示進(jìn)出水DO質(zhì)量濃度,mg/L;

N表示系統(tǒng)中植物株數(shù),在此實(shí)驗(yàn)中N=64;

注:在此方程中認(rèn)為浮游植物在水體中均勻分布,方程中參數(shù)的物理意義與前面表述一致。

3 DO平衡方程的驗(yàn)證

3.1 方程中各參數(shù)的取值

通過植物在遮光與光照條件下水體DO變化曲線分別求得ΔD1=0.5 mg/(L·h),ΔD2=0.16 mg/(L· h)。得到的DO曲線如圖3所示。

圖3 避光條件下浮床植物耗氧曲線

各項(xiàng)參數(shù)取值如表1、表2所示。

表1 DO平衡方程中各實(shí)測參數(shù)

表2 溶解氧平衡方程中計(jì)算及選取參數(shù)

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

帶給各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果列于表3中。

表3 平衡方程中各項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出:

(1)生態(tài)浮床系統(tǒng)中DO主要來源于進(jìn)水,其次是浮游植物光合產(chǎn)氧,而根系泌氧只有很少的貢獻(xiàn),不是主要因素,大氣復(fù)氧基本可以忽略。

(2)表面看來浮游生物通過光合作用向水體中充氧的能力比較強(qiáng),其實(shí)這正表明在營養(yǎng)鹽豐富的富營養(yǎng)化水體中浮游的藻類有很強(qiáng)的生命力,其利用太陽光照進(jìn)行同化作用的能力很強(qiáng)。這也是富營養(yǎng)化水體的危害所在,同時(shí)也是富營養(yǎng)化水體容易發(fā)生“水華”、“赤潮”的原因之一。如果不能有效的限制浮游藻類,任其瘋長的話,必然導(dǎo)致水質(zhì)的進(jìn)一步惡化。

(3)浮床系統(tǒng)中氨氮硝化耗氧是DO消耗的主要因素,根系呼吸所消耗的氧量也占了一定的分量甚至還略高于好氧微生物分解水體中有機(jī)污染物質(zhì)所需要的氧量。

(4)對(duì)于風(fēng)車草植物本身來說,存在根系向水體中的泌氧作用,這是植物根系好氧微環(huán)境存在的主要因素。生態(tài)浮床系統(tǒng)運(yùn)行過程中,根系具有巨大的比表面積,從而形成附著于根系表面的生物膜。由于根系泌氧作用的存在,氧分子從根系表面逐漸向膜外部擴(kuò)散,從而形成一定的溶解氧梯度,形成局部的好氧、厭氧環(huán)境,有利于在不同地方形成優(yōu)勢(shì)菌群,從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的分解以及氮素的硝化、反硝化。但是受到光照時(shí)間以及強(qiáng)度的影響,其泌氧量還要少于根系呼吸作用消耗的氧量。這可能是風(fēng)車草植物本身的特性決定的。

(5)對(duì)于富營養(yǎng)化水體來說,CODCr或者說BOD相對(duì)處于比較低的水平,其主要的污染物質(zhì)是氮磷等營養(yǎng)元素,對(duì)于生態(tài)浮床系統(tǒng)來說處理的主要針對(duì)物質(zhì)也是氮磷。假定微生物生化降解有機(jī)物的耗氧量不變,系統(tǒng)溶解氧保持平衡的話,理論上可以硝化氨氮8.99 g/d。這表明生態(tài)浮床系統(tǒng)對(duì)氨氮的硝化有很大的潛力,為后續(xù)反硝化得以進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

4 小結(jié)

通過對(duì)生態(tài)浮床系統(tǒng)內(nèi)氧的來源與消耗的具體分析,溶解氧平衡方程式可以表示為:

通過具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可以看出,此方程是有效合理,基本上能夠解釋清楚生態(tài)浮床系統(tǒng)中DO“從哪里來,到哪里去”的問題。由于是在野外進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件有限,所以筆者盡量希望能夠把理論做得更完備,希望對(duì)后續(xù)的研究有所幫助。

[1] 陳荷生,宋祥甫.利用生態(tài)浮床技術(shù)治理污染水體[J].中國水利,2005,5:50～53.

[2] 馬 蕊,林 英,牛翠娟.淡水水域富營養(yǎng)化及其治理[J].生物學(xué)通報(bào),2003,38(11):5-9.

[3] 由文輝,劉椒媛,錢曉燕.水生經(jīng)濟(jì)植物凈化受污染水體研究[J].華東師范人學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,1:99-102.

[4] 王曉冬,陳雪初,黃瑩瑩,等.澤雅水庫熱成層形成過程及其對(duì)水體溶解氧的影響[J].給水排水,2008,34(3):37-38.

[5] 方祥位,李建中,魏文禮,等.河流復(fù)氧系數(shù)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,16(4):400-403.

[6] 程香菊,陳永燦,袁麗蓉,等.水體大氣復(fù)氧能力研究綜述[J].科技導(dǎo)報(bào),2008,26(17):89-92.

[7] 蔡建安,張文藝.STREETER-PHELPS模型的缺陷及其改進(jìn)研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,20(4):295-321.

[8] 鄧 泓,葉志鴻,黃銘洪.濕地植物根系泌氧的特征[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007(6):69-76.

[9] 魏瑞霞,武會(huì)強(qiáng),張錦瑞,等.植物浮床-微生物對(duì)污染水體的修復(fù)作用[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2009,18(1):68-74.

[10] 雒文生,李莉紅,賀濤.水體大氣復(fù)氧理論和復(fù)氧系數(shù)研究進(jìn)展與展望[J].水利學(xué)報(bào),2003(11):64-70.

[11] 張自杰,顧夏生.排水工程[M].4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000:305-347.