生态浮床系统溶解氧的平衡方程

2011-01-29罗固源冉青松

环境影响评价 2011年1期

唐丹,罗固源,冉青松

(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045)

1 简介

植物浮床技术作为一种水生态原位修复技术,其核心的理念在于以生态的宏观角度去看待和治理现今自然河流中广泛存在的富营养化现象,以期恢复被污染河流的原有生态功能[1]。目前生态浮床技术已得到广泛的研究和运用,但是关于生态浮床系统的DO平衡的研究还鲜有报导。

一条河流要具有良好的生态功能,首先需要组成生态系统的生物群落完整,物质和能量能够沿食物链顺畅的流动。在富营养化水体里,营养物质如氮磷等过度富集,导致浮游植物疯长,初级生产力恶性扩张;DO水平低下,鱼虾因不能进行呼吸作用而大量死亡,食物链出现断层,物质未经过消费者而直接从生产者传递给分解者,经厌氧发酵后以CH4、H2S等形式被释放[2-3]。所以说过量氮磷等营养元素的排放引起了水体的富营养化,而DO的缺乏直接导致了水体生态系统的崩溃。

2 DO平衡方程的基本结构

2.1 实验设计

以《三峡库区次级河流河口及回水区域污染演化反应及其控制的试验研究》项目为依托,在重庆市江津区朱杨溪镇临江河边建立生态浮床试验池,进行现场实验。试验池设计为2.3 m×2.7 m×1.1 m,设计风车草植物浮床,以塑料泡沫板为载体,覆盖率为60%,有效水深1.0 m,运行水力停留时间为2 d,进水流量为2.16 L/min。

2.2 DO平衡方程的基本结构

2.2.1 系统DO的来源

生态浮床在稳定运行情况下,DO主要有以下几个来源:(1)进水中含有的DO;(2)通过大气自然复氧进入系统的DO;(3)水体中浮游植物光合作用产生的DO;(4)通过浮床植物根系泌氧得到的DO[4-10],如图1所示。

图1 试验水体复氧途径

2.2.2 系统内DO的消耗

在生态浮床系统中DO的消耗途径主要有:(1)好氧微生物分解水体中污染物质耗氧;(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)出水带走的DO[4-10]。系统耗氧示意图见图2。

图2 试验水体耗氧途径

2.2.3 浮床系统DO平衡方程的建立

(1)大气复氧速率的求解D1

有机污染物排入河流后,经微生物降解而消耗水体中DO,另一方面,大气与水面接触,通过扩散作用不断的有氧气溶解到水体中。Streeters-Phelps研究认为当水温、流态等条件不变的条件下,复氧速率与亏氧速率成正比例[11]:

其中:D为亏氧量,D=D0-DX;k1为复氧速率常数;D0为一定温度下水中饱和DO质量浓度, mg/L;DX为河水中DO质量浓度,mg/L。

在现场试验条件下采用DO测定的平均值￣D作为系统中的DX项,而复氧速率常数k1以及一定温度下的饱和溶解氧D0都是已知常数。故大气复氧速率:

(2)植物根系泌氧速率 D2以及呼吸活动耗氧速率D3求解

选取3株生长情况良好的风车草植株,清水洗净根系后分别置于3只避光塑料桶中。在黑暗条件下每小时用虹吸法抽取水样测定其DO,得到水体氧降曲线。黑暗条件下,植物光合作用为零,只进行呼吸作用,以此求得植物呼吸活动耗氧速率D3。

计算公式为:

本实验认为植物呼吸作用1 d 24 h内均匀进行。

其中:D3表示单株植物呼吸活动耗氧速率, mg/d;ΔD1表示根系呼吸作用导致水体中DO小时变化量,mg/(L·h);V1表示实验水桶中水的体积, L;N表示植株数(下同)。

在正常光照下每小时采用虹吸法抽取水样测定DO,得到水体氧亏曲线。在自然光照条件下,植物光合作用与呼吸作用同时进行,所得的氧亏量也是2者作用的叠加。故植物根系泌氧速率D2表示为:

其中:D2表示单株植物根系泌氧速率,mg/d; ΔD2表示光照条件下DO小时变化量,mg/(L·h)。

(3)耗氧微生物降解有机污染物耗氧速率D4的测定

在传统活性污泥法中,曝气池内微生物本身的内源代谢被认为是与污染物质的氧化分解同步进行的,其耗氧量是不能被忽略的。但是对于生态浮床系统来说由于微生物量少且世代周期长,故可以微生物内源代谢耗氧可以忽略。由于试验现场的条件限制只能取得河水中CODCr的值,但是河水可生化性较好,故可以用CODCr乘以可生化系数代替计算降解耗氧量。故耗氧降解微生物的耗氧速率表示为:

其中:D4表示好氧微生物降解水体中有机污染物消耗氧气的速率,mg/d;Q表示日处理河水量,L/ d;Ca,Ce分别表示CODCr的进出水质量浓度,mg/ L;a表示好氧微生物对有机污染物降解的需氧率以BOD计;b表示河水CODCr与BOD的转化系数。

(4)氨氮硝化耗氧速率D5的计算

氮素从水体中去除主要要经历氨化、硝化和反硝化3个过程。其中硝化是要在好氧的条件下进行的,而反硝化则要求在厌氧条件下进行。在自然河流中,有机氮的含量很少,所以氨化作用可以忽略,耗氧的途径主要是氨氮的硝化过程。氮素的的硝化反应过程式为:

从硝化反应过程式可以看出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可以表示为:

其中:D5表示硝化耗氧速率,mg/d;Q表示日处理河水量,L/d;Na,Ne表示氨氮的进出水质量浓度,mg/L。

(5)浮游植物光合产氧速率D6的取得

在自然光照良好的条件下,将新鲜河水注入圆柱形透明有机玻璃桶内。有机玻璃桶尺寸为:φ20 cm×120 cm。为尽量模拟反应池内情况,注水水深定为1 m。用石蜡封口,置于自然光照下,虹吸管取水,测定每小时DO。D6的计算公式为:

其中:ΔD3表示浮游植物在光照条件下DO小时变化量,mg/(L·h);V2表示实验玻璃桶中水的体积,L。

(6)浮游动物呼吸耗氧量

在自然实验的条件下,生长很不规律,流动性较大要取得相关数据难度很大。其实在生态浮床中浮游动物的量是比较少的,在本试验的末期清理试验池的时候只发现小量鱼虾的存在,故在建立DO平衡方程时略去这一项是合理的。

将试验水体做为1个整体来研究,综合考虑系统DO的来源与去向,可以将生态浮床系统DO平衡方程以文字的形式表示为:

DO累积量=进水DO+大气复氧+浮床植物根系泌氧+浮游植物光合产氧-有机物生化降解耗氧-浮床植物根系呼吸耗氧-氨氮硝化耗氧-出水DO

由此,建立生态浮床系统DO平衡方程数学表达式:

进一步完整表述为:

Di,De分别表示进出水DO质量浓度,mg/L;

N表示系统中植物株数,在此实验中N=64;

注:在此方程中认为浮游植物在水体中均匀分布,方程中参数的物理意义与前面表述一致。

3 DO平衡方程的验证

3.1 方程中各参数的取值

通过植物在遮光与光照条件下水体DO变化曲线分别求得ΔD1=0.5 mg/(L·h),ΔD2=0.16 mg/(L· h)。得到的DO曲线如图3所示。

图3 避光条件下浮床植物耗氧曲线

各项参数取值如表1、表2所示。

表1 DO平衡方程中各实测参数

表2 溶解氧平衡方程中计算及选取参数

3.2 验证结果

带给各项数值进行计算,结果列于表3中。

表3 平衡方程中各项的计算结果

从计算结果可以看出:

(1)生态浮床系统中DO主要来源于进水,其次是浮游植物光合产氧,而根系泌氧只有很少的贡献,不是主要因素,大气复氧基本可以忽略。

(2)表面看来浮游生物通过光合作用向水体中充氧的能力比较强,其实这正表明在营养盐丰富的富营养化水体中浮游的藻类有很强的生命力,其利用太阳光照进行同化作用的能力很强。这也是富营养化水体的危害所在,同时也是富营养化水体容易发生“水华”、“赤潮”的原因之一。如果不能有效的限制浮游藻类,任其疯长的话,必然导致水质的进一步恶化。

(3)浮床系统中氨氮硝化耗氧是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还略高于好氧微生物分解水体中有机污染物质所需要的氧量。

(4)对于风车草植物本身来说,存在根系向水体中的泌氧作用,这是植物根系好氧微环境存在的主要因素。生态浮床系统运行过程中,根系具有巨大的比表面积,从而形成附着于根系表面的生物膜。由于根系泌氧作用的存在,氧分子从根系表面逐渐向膜外部扩散,从而形成一定的溶解氧梯度,形成局部的好氧、厌氧环境,有利于在不同地方形成优势菌群,从而实现有机物的分解以及氮素的硝化、反硝化。但是受到光照时间以及强度的影响,其泌氧量还要少于根系呼吸作用消耗的氧量。这可能是风车草植物本身的特性决定的。

(5)对于富营养化水体来说,CODCr或者说BOD相对处于比较低的水平,其主要的污染物质是氮磷等营养元素,对于生态浮床系统来说处理的主要针对物质也是氮磷。假定微生物生化降解有机物的耗氧量不变,系统溶解氧保持平衡的话,理论上可以硝化氨氮8.99 g/d。这表明生态浮床系统对氨氮的硝化有很大的潜力,为后续反硝化得以进行奠定了基础。