桂畔海河底泥氨氮釋放動力學模型

董 志 虎

(天津市市政工程設計研究院，天津 300000)

桂畔海河底泥氨氮釋放動力學模型

董 志 虎

(天津市市政工程設計研究院，天津 300000)

針對桂畔海河水體中氨氮季節性變化較大的特點，在分析底泥構成的基礎上，探討底泥中氨氮的分布特性及其釋放對桂畔海河水質的影響，分別考察溫度、溶解氧和擾動強度在冬季期間對氨氮異常增加的影響，并以試驗為基礎構建底泥氨氮釋放動力學模型，為后續治理桂畔海河底泥污染提供了參考依據。

氨氮，底泥，水質，動力學模型

近年來，在順德區快速發展的同時當地河涌污染逐漸加重，監測表明，部分污染物質的含量超過劣Ⅴ類標準，其中，氨氮的存在具有鮮明的特征與代表性。從2013年到2016年，通過分析桂畔海河的水質監測資料，發現水體呈現低溫時氨氮超過劣Ⅴ類水體標準[1]，常溫下指標又下降的特點。前期研究表明，底泥中氨氮對水體水質影響重大[2]，因此，需要研究底泥中氨氮存在形態、分布規律、釋放特征以及水流狀態對水體水質的影響，并且構建了底泥釋放氮素的動力學模型，探討其在河道底泥中的遷移機制，為治理桂畔海河提供科學依據。

1 模型構建

對于完全混合水層，水層中單一污染物質量平衡：

(1)

其中，Vw為水體體積，m3；cw，cm分別為水體中以及混合底泥中污染物濃度，mg/m3；Q為入流流量，m3/h；ci為入流水體中污染物濃度，mg/m3；kw為水體中污染物降解速率常數，1/h；kv為污染物的揮發速率，1/h；vs為顆粒物沉降速率，m/h；Aw為水層表面積，m2；Fpw為水層中顆粒態污染物的份數；vr為底泥再懸浮速率，m/h；vd為泥水界面污染物擴散系數，m/h；Fdpw為底泥空隙水中和混合底泥中污染物濃度比率；τm為混合層的孔隙率；Fdw為水中以溶解態存在的污染物的份數；φ為表面負荷，kg/h。

表層底泥污染物質量平衡：

(2)

其中，Vm為表層底泥體積，m3；km為表層底泥中污染物降解速率常數，1/h；vb為埋藏速率，m/h；cs(0)為深泥層頂部污染物濃度，mg/m3；τs為深層底泥層的孔隙率。

表泥層與深泥層之間界面的接合通過擴散傳輸以及表泥層顆粒向深泥層的填埋來完成，一維對流擴散降解方程[3,4]：

其中，cs為深泥層污染物的濃度，mg/m3；Fdps為底泥空隙水中和深層底泥中污染物濃度比率；Ds為底泥空隙水中污染物擴散速率，m2/h;z為從深泥層頂部往下的深度，m；ks為深泥層污染物降解速率常數，1/h。

式(1)，式(2)中速率項vs，vr和vb，可以根據ehapra和Reekhow描述的底泥顆粒穩態質量平衡式來計算：

0=vsAwsw-(vr+vb)Am(1-τs)ρρ

(3)

其中，ρρ為底泥顆粒密度，mg/m3。

2 參數估計

式(1)～式(3)中F系數項均表示比率，表示在線性的吸附機制下，污染物在固體物質和水中的分散程度。

顆粒態污染物比率：

溶解態污染物比率：

表層底泥空隙水中溶解態污染物比率：

其中，kdw為水層污染物分配系數，m3/g；kds為底泥層污染物分配系數，m3/g；sw為水層中懸浮固體濃度，g/m3。

降解速率常數kw,km和ks代表了除揮發外的所有降解機制。

上覆水與底泥的質量傳輸系數：

其中，z′為跨過泥水界面梯度的特征長度，m(托曼和米勒為此參數取假定值1cm)。

Ds與分子擴散系數Dm相關：

Ds=Dmτ2。

揮發速率kv通過下式來求：

其中，vv為揮發傳輸系數，m/年；zw為水層深度，m。

根據Whitman雙膜理論計算揮發傳輸系數[5,6]：

其中，He為Henry系數；Kg為氣膜質量傳輸系數，m/h；Kl為液膜質量傳輸系數，m/h。

在有限體積法的框架下應用四階龍格·庫塔方法、Crank-Nieholson方法以及Osher格式黎曼近似解計算模型中各跨單元邊界的數值通量，進而求得方程的數值解。

假設上覆水層和底泥層是完全混合系統[7]。

式(1)初始條件：t=0時，cw=cwo是常數；

式(2)初始條件：t=0時，cm=cmo是常數；

式(3)初始條件：t=0時，cs=cso(zm

其中，L為從表泥層到深泥層底部的距離，m；J為污染物的質量通量，g/(m2·h)；Jms為從表泥層到深泥層的污染物質量通量，g/(m2·h)；zm為污染物在底泥中的深度，m。

Kd=0.617focKow。

其中，Kd為動態平衡系數，1/kg;foc為固體物質中有機碳的重量份數(水層、表泥層和深泥層可以取不同值，在模型中用固定取值0.05)，g(有機碳)/g；Kow為辛醇-水分配系數[8]，[mg/m3(辛醇)]/[mg/m3(水)]。

3 參數假設

上覆水體參數和表層底泥參數見表1和表2。

表1 上覆水體參數

表2 表層底泥參數

4 模型的驗證

本文用室內模擬實驗結果來驗證模型對底泥中氮素的解析、擴散和降解動力學的預測能力。

當上覆水初始氨氮濃度為0時，將底泥氮素釋放模擬實驗在常溫下，穩定運行96 h，期間每隔12 h測定一次，并記錄上覆水以及底泥的氨氮值(每次做平行試驗以減小誤差)。將實驗測定的數據作圖與模型擬合值進行對比，如圖1所示。

由圖1可以看出，在整個實驗過程中(96 h)，實測值與模型擬合值一直保持著較高的吻合度。由于實驗開始的上覆水氨氮濃度為0，與表層底泥存在很大的濃度差，所以實驗開始階段，上覆水中的氨氮濃度迅速上升，當達到一定濃度后，濃度差的減小，使兩相間氨氮的轉移減緩。由于在實際自然狀況下，河水中的氨氮濃度不可能為0，所以模型擬合值會在實驗開始初期，氨氮的上升速率低于實驗值，從而在剛開始時出現了比較大的誤差。所以本模型擬合值與實測值有較好的吻合度。

5 結語

本文構建的模型能很好地模擬了污染物在水系統中遷移機制，預測了不同反應時間，上覆水體中氨氮的濃度變化值,為后續治理桂畔海河底泥污染提供了很好的參考依據。

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Kinetic model of ammonia nitrogen release from sediments of the Gui pan-hai river

Dong Zhihu

(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300000,China)

According to the characteristics of large seasonal changes of ammonia nitrogen in Gui pan-hai river, based on a detailed analysis of the sediment, to investigate the release and distribution of ammonia nitrogen in the sediment of the effect on water quality of the Gui pan-hai river, especially during the winter, the water quality of the Gui pan-hai river caused by an abnormal increase in ammonia phenomenon, this paper from the temperature, dissolved oxygen and perturbation intensity three aspects of the research, while building the kinetic model of ammonia nitrogen releasing in sediment. It has provided some guiding basis for continuosly governing Gui pan-hai river bottom slurry pollution.

ammonia nitrogen, sediment, water quality, kinetic model

1009-6825(2017)22-0192-02

2017-05-26

董志虎(1989- ),男，助理工程師

TU991.21

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