生態浮床系統溶解氧的平衡方程

唐 丹,羅固源,冉青松

(重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400045)

1 簡介

植物浮床技術作為一種水生態原位修復技術,其核心的理念在于以生態的宏觀角度去看待和治理現今自然河流中廣泛存在的富營養化現象,以期恢復被污染河流的原有生態功能[1]。目前生態浮床技術已得到廣泛的研究和運用,但是關于生態浮床系統的DO平衡的研究還鮮有報導。

一條河流要具有良好的生態功能,首先需要組成生態系統的生物群落完整,物質和能量能夠沿食物鏈順暢的流動。在富營養化水體里,營養物質如氮磷等過度富集,導致浮游植物瘋長,初級生產力惡性擴張;DO水平低下,魚蝦因不能進行呼吸作用而大量死亡,食物鏈出現斷層,物質未經過消費者而直接從生產者傳遞給分解者,經厭氧發酵后以CH4、H2S等形式被釋放[2-3]。所以說過量氮磷等營養元素的排放引起了水體的富營養化,而DO的缺乏直接導致了水體生態系統的崩潰。

2 DO平衡方程的基本結構

2.1 實驗設計

以《三峽庫區次級河流河口及回水區域污染演化反應及其控制的試驗研究》項目為依托,在重慶市江津區朱楊溪鎮臨江河邊建立生態浮床試驗池,進行現場實驗。試驗池設計為2.3 m×2.7 m×1.1 m,設計風車草植物浮床,以塑料泡沫板為載體,覆蓋率為60%,有效水深1.0 m,運行水力停留時間為2 d,進水流量為2.16 L/min。

2.2 DO平衡方程的基本結構

2.2.1 系統DO的來源

生態浮床在穩定運行情況下,DO主要有以下幾個來源:(1)進水中含有的DO;(2)通過大氣自然復氧進入系統的DO;(3)水體中浮游植物光合作用產生的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 試驗水體復氧途徑

2.2.2 系統內DO的消耗

在生態浮床系統中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]。系統耗氧示意圖見圖2。

圖2 試驗水體耗氧途徑

2.2.3 浮床系統DO平衡方程的建立

(1)大氣復氧速率的求解D1

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

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

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

(2)植物根系泌氧速率 D2以及呼吸活動耗氧速率D3求解

選取3株生長情況良好的風車草植株,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,只進行呼吸作用,以此求得植物呼吸活動耗氧速率D3。

計算公式為:

本實驗認為植物呼吸作用1 d 24 h內均勻進行。

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

在正常光照下每小時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進行,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小時變化量,mg/(L·h)。

(3)耗氧微生物降解有機污染物耗氧速率D4的測定

在傳統活性污泥法中,曝氣池內微生物本身的內源代謝被認為是與污染物質的氧化分解同步進行的,其耗氧量是不能被忽略的。但是對于生態浮床系統來說由于微生物量少且世代周期長,故可以微生物內源代謝耗氧可以忽略。由于試驗現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乘以可生化系數代替計算降解耗氧量。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的進出水質量濃度,mg/ L;a表示好氧微生物對有機污染物降解的需氧率以BOD計;b表示河水CODCr與BOD的轉化系數。

(4)氨氮硝化耗氧速率D5的計算

氮素從水體中去除主要要經歷氨化、硝化和反硝化3個過程。其中硝化是要在好氧的條件下進行的,而反硝化則要求在厭氧條件下進行。在自然河流中,有機氮的含量很少,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。氮素的的硝化反應過程式為:

從硝化反應過程式可以看出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表示氨氮的進出水質量濃度,mg/L。

(5)浮游植物光合產氧速率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玻璃桶內。有機玻璃桶尺寸為:φ20 cm×120 cm。為盡量模擬反應池內情況,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DO。D6的計算公式為:

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

(6)浮游動物呼吸耗氧量

在自然實驗的條件下,生長很不規律,流動性較大要取得相關數據難度很大。其實在生態浮床中浮游動物的量是比較少的,在本試驗的末期清理試驗池的時候只發現小量魚蝦的存在,故在建立DO平衡方程時略去這一項是合理的。

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

DO累積量=進水DO+大氣復氧+浮床植物根系泌氧+浮游植物光合產氧-有機物生化降解耗氧-浮床植物根系呼吸耗氧-氨氮硝化耗氧-出水DO

由此,建立生態浮床系統DO平衡方程數學表達式:

進一步完整表述為:

Di,De分別表示進出水DO質量濃度,mg/L;

N表示系統中植物株數,在此實驗中N=64;

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

3 DO平衡方程的驗證

3.1 方程中各參數的取值

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

各項參數取值如表1、表2所示。

表1 DO平衡方程中各實測參數

表2 溶解氧平衡方程中計算及選取參數

3.2 驗證結果

帶給各項數值進行計算,結果列于表3中。

表3 平衡方程中各項的計算結果

從計算結果可以看出:

(1)生態浮床系統中DO主要來源于進水,其次是浮游植物光合產氧,而根系泌氧只有很少的貢獻,不是主要因素,大氣復氧基本可以忽略。

(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,其實這正表明在營養鹽豐富的富營養化水體中浮游的藻類有很強的生命力,其利用太陽光照進行同化作用的能力很強。這也是富營養化水體的危害所在,同時也是富營養化水體容易發生“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,必然導致水質的進一步惡化。

(3)浮床系統中氨氮硝化耗氧是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污染物質所需要的氧量。

(4)對于風車草植物本身來說,存在根系向水體中的泌氧作用,這是植物根系好氧微環境存在的主要因素。生態浮床系統運行過程中,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散,從而形成一定的溶解氧梯度,形成局部的好氧、厭氧環境,有利于在不同地方形成優勢菌群,從而實現有機物的分解以及氮素的硝化、反硝化。但是受到光照時間以及強度的影響,其泌氧量還要少于根系呼吸作用消耗的氧量。這可能是風車草植物本身的特性決定的。

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

4 小結

通過對生態浮床系統內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:

通過具體的實驗數據驗證可以看出,此方程是有效合理,基本上能夠解釋清楚生態浮床系統中DO“從哪里來,到哪里去”的問題。由于是在野外進行現場試驗,實驗條件有限,所以筆者盡量希望能夠把理論做得更完備,希望對后續的研究有所幫助。

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