突擴水流條件下底泥在不同深度對磷的吸附作用

梁文王澤焦增祥萬俊

（1、河海大學力學與材料學院，南京，210098；2、北京大學力學與空天技術系湍流與復雜系統國家重點實驗室，北京，100871）

隨著城市化的迅速發展及城鎮化進程的加快，污染日益加劇，工業廢水、生活污水以及農業非點源污染物等排入水體，使天然水體的富營養化日益加劇，水體的富營養化已成為目前環境研究中的焦點問題。水體富營養化是營養物質的增加使藻類和有機物增加所致。營養物質主要是磷，其次是氮，還有碳、微量元素或維生素等。磷是水生態系統基本營養鹽之一，是淡水湖泊的最主要限制性營養因子，其在湖泊中的濃度高低是衡量湖泊生產力高低及富營養化水平的重要指標[3-4]。抑制水體的富營養化的方法之一就是控制水體中的磷含量。在外源磷得到有效的控制之后，內源磷的污染仍然能夠保持湖泊的富營養化狀態，此時內源磷的控制就成為了重點和難點[5-7]。本研究通過對環形水槽突擴水流水力特性研究，分析此流場下的基本規律，并通過投加抑菌劑探討底泥對磷的物理吸附及生物吸附作用。

1 材料與方法

環形水槽內上覆水采用蒸餾水加磷的方式配制。總磷（TP）為評價湖泊富營養化現象的指標之一，為了更好的模擬富營養化情況，試驗水樣磷含量采用介于中營養化（23μg/L）和富營養化（110μg/L）之間的濃度值。底泥取自太湖貢湖灣，風干后去除碎石雜物。

試驗采用自制環形水槽，環形水槽及其尺寸見圖1。試驗用環形水槽外徑為0.56m，內徑為0.3m，形成了一個0.13m寬的渠道和0.21m的突擴段，工作深度最大為0.25m，水槽的容量為70L。水流通過變速器調節可產生5cm/s-50cm/s流速范圍的水流，另配有活動支架，用來固定測速設備。變速器連接兩種撥片，分別為1.5mm和7mm厚。試驗時底泥鋪設厚度約5cm，水樣充滿水槽至22cm深，變速器轉速為17r/min。

試驗流速測量采用美國SonTek公司生產的三維超聲波多普勒測速儀（SonTekADV），在主流區位置用仰視探頭測量，在回流區位置用俯視探頭測量。

選取四個采樣點，#1、#2、#3、#4，分別為主流區前段（#1）、主流區后段（#2）、回流減流區（#3）、回流增流區（#4）。試驗按以下順序展開：（1）水槽啟動，在四個點分別收集水樣，位置在水深分別為H=0、5、10、15cm，采樣時間分別是裝置啟動0、0.1、0.5、1、1.5、2、3、6、12、24、48小時后；（2） 水槽裝置關閉，同樣在四個點分別收集水樣，位置在水深分別為H=0、5、10、15cm，采樣時間分別是裝置啟動72、96小時后，即水槽擾動裝置關閉24、48小時后。

圖1 環形水槽

2 結果與討論

2.1 突擴水流水力特性研究

2.1.1 垂線流速分布

主流區（#1、#2）和回流區（#3、#4）流速均采用ADV測量，在主流區位置用仰視探頭測量，在回流區位置用俯視探頭測量。

主流區和回流區的流速分布如圖2所示。垂線流速分布呈非線性，為半弧型偏斜分布。流速由大到小依次為主流區前段、主流區后段、回流增流區、回流減流區，最大值出現在水面以下。

圖2 垂線流速分布

2.1.2 紊動強度分布

式中：u*、v*為摩阻速度，Du、Dv、λu、λv為經驗常數，y為水深方向坐標，h為水深。

圖3所示為主流區和回流區的紊動強度分布。主流區#1和#2處紊動強度分布規律相似，縱向、橫向紊動強度基本上沿水深增加而減小，最大值出現在水面以下，垂向紊動強度則隨著水深的增加而增大。回流減流區#3處紊動強度分布出現震蕩比較明顯，回流增流區#4處各向紊動強度沿水深有呈線性分布趨勢。通過對比回流區與主流區的垂向流速分布和紊動強度分布的規律發現，主流區和回流區流速差別明顯，主流區流速大于回流區流速，但主流區和回流區紊動強度卻差別不大，即說明回流區紊動強度增加比主流區大。與縱向、橫向的紊動強度相比較，回流區垂向紊動強度較小，縱向和橫向紊動強度大約是垂向紊動強度的1.66倍。

圖3 紊動強度分布

2.2 底泥對磷的吸附作用研究

2.2.1 物理吸附作用

向突擴環形水槽中投加抑菌劑，分析底泥對磷的物理吸附作用。環形水槽擾動前測定水中DTP為0.069mg/L。

主流區分為主流區前段#1和主流區后段#2。

圖4（a）為不同深度下主流區前段#1處底泥的物理吸附對DTP濃度的影響，擾動開始后，DTP濃度很快就下降到了0.035mg/L左右，隨著擾動時間的增加，DTP濃度變化不大，在擾動24h后DTP濃度略有上升，當擾動停止后，水中DTP濃度逐漸上升，靜置48h后DTP濃度上升到0.04mg/L左右。深度對DTP的去除影響不大，對DTP的去除只有略微差異，但總體可以看出深度越小除磷效果越好。圖4（b）為突擴水流主流區后段#2處DTP的濃度隨時間和深度的變化，此處底泥對磷的去除趨勢同#1處基本一致，但去除效果略優于#1。

底泥對磷的物理去除主要是通過底泥中的沉積物對磷的吸附作用實現。水中的磷可以與沉積物中的鐵、鈣、鋁、錳等金屬離子結合，形成不同結合態的磷。而溫度、pH值、溶解氧、氧化還原電位等因素均會影響底泥中沉積物對磷的物理吸附作用。鐵磷最不穩定，故以鐵磷為例。當有足夠溶解氧時，底泥處于氧化狀態，三價鐵離子與磷結合，以磷酸鐵的形式沉積；而當出現厭氧狀態時，底泥處于還原狀態，三價鐵離子被還原成二價鐵離子，膠體狀鐵會變成可溶性鐵，使磷脫離鐵的吸附而進入水中[10-11]。環形水槽的擾動使得水中溶解氧迅速增加，底泥隨擾動懸浮后吸附水中的磷，實現底泥對磷的去除。而溶解氧隨著深度的增加而減少，所以底泥對磷的去除效果也隨著深度的增加而降低。同時主流區后段#2的脈動大于主流區前段#1，使#2溶解氧濃度高于#1，所以#2底泥對磷的去除作用高于#1。當擾動靜止后，底泥中溶解氧逐漸降低，使得底泥呈現還原狀態，使磷脫離吸附狀態進入水中，故擾動靜止后水中DTP濃度逐漸上升。

圖4 不同深度下主流區與回流區底泥的物理吸附對DTP濃度的影響

回流區分為回流減流區#3和回流增流區#4。回流區流速小于主流區，但紊動強度與主流區差別不大，即回流區紊動強度增加比主流區大。

圖4（c）為突擴水流回流減流區#3處DTP的濃度隨時間和深度的變化。此處底泥對磷的去除趨勢同主流區基本一致，但去除效果優于主流區。擾動開始后，DTP濃度很快就下降到了0.03mg/L以下，隨著擾動時間的增加，DTP濃度變化不大，在擾動24h后DTP濃度略有上升，當擾動停止后，水中DTP濃度逐漸上升，靜置48h后DTP濃度上升到0.035mg/L左右。圖4（d）為突擴水流回流增流區#4處DTP的濃度隨時間和深度的變化，與回流減流區#3相比較，除磷效果相近，甚至略低。回流區處深度對除磷的影響與主流區一致，即底泥對磷的去除效果隨著深度的增加而降低。

回流區底泥對磷的物理去除效果高于主流區。這是由于回流區紊動強度增加比主流區大，紊動增大了水中溶解氧向更深處傳遞的速度，使底泥保持氧化狀態，磷被底泥中的沉積物吸附；同時由于流速較小使得回流區的泥量增大，單位體積內底泥量增加，使磷與底泥的接觸增大，從而提高了底泥對磷的去除。同樣當擾動靜止后，底泥中溶解氧逐漸降低，使得底泥呈現還原狀態，使磷脫離吸附狀態進入水中，水中DTP濃度逐漸上升。

2.2.2 生物吸附作用

突擴環形水槽中未加入抑菌劑，重復上述試驗，對比前述投加抑菌劑時底泥對磷的去除，探討底泥對磷的生物去除作用。環形水槽擾動前測定水中DTP為0.069mg/L。

圖5 不同深度下主流區與回流區底泥的生物吸附對DTP濃度的影響

圖5（a）為突擴水流主流區前段#1處DTP的濃度隨時間和深度的變化。底泥對磷的去除明顯高于投加抑菌劑的情況。擾動開始后，DTP濃度很快就下降到了0.02mg/L以下，隨著擾動時間的增加，DTP濃度變化不大，深度對底泥除磷的影響不大。當擾動停止后，水中DTP濃度迅速上升，靜置48h后DTP濃度上升到0.04mg/L左右。圖5（b）為突擴水流主流區后段#2處DTP的濃度隨時間和深度的變化。底泥對磷的去除明顯高于投加抑菌劑的情況，但低于圖5（a）所示的主流區前段#1。

通過對比主流區投加抑菌劑與未投加抑菌劑底泥對磷的去除效果可知，底泥對磷的去除存在生物作用，但生物作用不到50%。擾動初期底泥中溶解氧濃度升高，此時聚磷菌好氧吸磷，并且底泥的氧化狀態使磷被快速吸附，在底泥的物理與生物同時作用下，水中磷含量迅速降低；當擾動靜止后，底泥逐漸呈厭氧狀態，此時聚磷菌厭氧釋磷，同時底泥的還原狀態使吸附態的磷重新釋放到水中。

圖5（c）為突擴水流回流減流區#3處DTP的濃度隨時間和深度的變化。不同深度下底泥對磷的去除波動幅度較大，并且去除效果不穩定。擾動開始后，DTP濃度很快就下降到了0.02mg/L左右，但隨著擾動時間的增加，DTP濃度變化幅度較大，去除效果不穩定，并且底泥對磷的去除情況在深度變化上不規律。當擾動停止后，水中DTP濃度迅速上升，靜置48h后DTP濃度上升到0.04mg/L左右。圖5（d）為突擴水流回流增流區#4處DTP的濃度隨時間和深度的變化。與#3相比，不同深度下底泥對磷的去除波動幅度也比較大，并且去除效果不穩定。

同主流區相比，回流區底泥對磷的生物去除效果不穩定，且去除效果較差。這是由于回流區紊動強度增加比主流區大，從而增大了底泥的懸浮量，擾動初始底泥中有足夠的溶解氧供聚磷菌進行新陳代謝，此時聚磷菌好氧吸磷；當擾動持續一定時間時，底泥中的溶解氧被聚磷菌消耗呈下降趨勢，此時接近厭氧狀態，聚磷菌厭氧釋磷，但隨著擾動的繼續，溶解氧會繼續向底泥中補充，此時底泥又呈現好氧狀態，聚磷菌好氧吸磷，如此反復，故出現圖中底泥對磷的去除隨擾動時間出現波動。

3 結論

（1）主流區和回流區流速差別明顯，主流區流速大于回流區流速，但回流區紊動強度增加比主流區大；

（2）底泥對磷的物理去除作用強于生物去除作用；

（3）當有生物作用參與除磷過程時，在厭氧條件下，底泥釋磷主要由聚磷菌貢獻；

（4）主流區底泥對磷的去除效果隨著深度的增加而降低；

（5）突擴水流主流區底泥對磷的去除效果好，且穩定，回流區底泥對磷的去除波動大。

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