突扩水流条件下底泥在不同深度对磷的吸附作用

梁文王泽焦增祥万俊

（1、河海大学力学与材料学院，南京，210098；2、北京大学力学与空天技术系湍流与复杂系统国家重点实验室，北京，100871）

随着城市化的迅速发展及城镇化进程的加快，污染日益加剧，工业废水、生活污水以及农业非点源污染物等排入水体，使天然水体的富营养化日益加剧，水体的富营养化已成为目前环境研究中的焦点问题。水体富营养化是营养物质的增加使藻类和有机物增加所致。营养物质主要是磷，其次是氮，还有碳、微量元素或维生素等。磷是水生态系统基本营养盐之一，是淡水湖泊的最主要限制性营养因子，其在湖泊中的浓度高低是衡量湖泊生产力高低及富营养化水平的重要指标[3-4]。抑制水体的富营养化的方法之一就是控制水体中的磷含量。在外源磷得到有效的控制之后，内源磷的污染仍然能够保持湖泊的富营养化状态，此时内源磷的控制就成为了重点和难点[5-7]。本研究通过对环形水槽突扩水流水力特性研究，分析此流场下的基本规律，并通过投加抑菌剂探讨底泥对磷的物理吸附及生物吸附作用。

1 材料与方法

环形水槽内上覆水采用蒸馏水加磷的方式配制。总磷（TP）为评价湖泊富营养化现象的指标之一，为了更好的模拟富营养化情况，试验水样磷含量采用介于中营养化（23μg/L）和富营养化（110μg/L）之间的浓度值。底泥取自太湖贡湖湾，风干后去除碎石杂物。

试验采用自制环形水槽，环形水槽及其尺寸见图1。试验用环形水槽外径为0.56m，内径为0.3m，形成了一个0.13m宽的渠道和0.21m的突扩段，工作深度最大为0.25m，水槽的容量为70L。水流通过变速器调节可产生5cm/s-50cm/s流速范围的水流，另配有活动支架，用来固定测速设备。变速器连接两种拨片，分别为1.5mm和7mm厚。试验时底泥铺设厚度约5cm，水样充满水槽至22cm深，变速器转速为17r/min。

试验流速测量采用美国SonTek公司生产的三维超声波多普勒测速仪（SonTekADV），在主流区位置用仰视探头测量，在回流区位置用俯视探头测量。

选取四个采样点，#1、#2、#3、#4，分别为主流区前段（#1）、主流区后段（#2）、回流减流区（#3）、回流增流区（#4）。试验按以下顺序展开：（1）水槽启动，在四个点分别收集水样，位置在水深分别为H=0、5、10、15cm，采样时间分别是装置启动0、0.1、0.5、1、1.5、2、3、6、12、24、48小时后；（2） 水槽装置关闭，同样在四个点分别收集水样，位置在水深分别为H=0、5、10、15cm，采样时间分别是装置启动72、96小时后，即水槽扰动装置关闭24、48小时后。

图1 环形水槽

2 结果与讨论

2.1 突扩水流水力特性研究

2.1.1 垂线流速分布

主流区（#1、#2）和回流区（#3、#4）流速均采用ADV测量，在主流区位置用仰视探头测量，在回流区位置用俯视探头测量。

主流区和回流区的流速分布如图2所示。垂线流速分布呈非线性，为半弧型偏斜分布。流速由大到小依次为主流区前段、主流区后段、回流增流区、回流减流区，最大值出现在水面以下。

图2 垂线流速分布

2.1.2 紊动强度分布

式中：u*、v*为摩阻速度，Du、Dv、λu、λv为经验常数，y为水深方向坐标，h为水深。

图3所示为主流区和回流区的紊动强度分布。主流区#1和#2处紊动强度分布规律相似，纵向、横向紊动强度基本上沿水深增加而减小，最大值出现在水面以下，垂向紊动强度则随着水深的增加而增大。回流减流区#3处紊动强度分布出现震荡比较明显，回流增流区#4处各向紊动强度沿水深有呈线性分布趋势。通过对比回流区与主流区的垂向流速分布和紊动强度分布的规律发现，主流区和回流区流速差别明显，主流区流速大于回流区流速，但主流区和回流区紊动强度却差别不大，即说明回流区紊动强度增加比主流区大。与纵向、横向的紊动强度相比较，回流区垂向紊动强度较小，纵向和横向紊动强度大约是垂向紊动强度的1.66倍。

图3 紊动强度分布

2.2 底泥对磷的吸附作用研究

2.2.1 物理吸附作用

向突扩环形水槽中投加抑菌剂，分析底泥对磷的物理吸附作用。环形水槽扰动前测定水中DTP为0.069mg/L。

主流区分为主流区前段#1和主流区后段#2。

图4（a）为不同深度下主流区前段#1处底泥的物理吸附对DTP浓度的影响，扰动开始后，DTP浓度很快就下降到了0.035mg/L左右，随着扰动时间的增加，DTP浓度变化不大，在扰动24h后DTP浓度略有上升，当扰动停止后，水中DTP浓度逐渐上升，静置48h后DTP浓度上升到0.04mg/L左右。深度对DTP的去除影响不大，对DTP的去除只有略微差异，但总体可以看出深度越小除磷效果越好。图4（b）为突扩水流主流区后段#2处DTP的浓度随时间和深度的变化，此处底泥对磷的去除趋势同#1处基本一致，但去除效果略优于#1。

底泥对磷的物理去除主要是通过底泥中的沉积物对磷的吸附作用实现。水中的磷可以与沉积物中的铁、钙、铝、锰等金属离子结合，形成不同结合态的磷。而温度、pH值、溶解氧、氧化还原电位等因素均会影响底泥中沉积物对磷的物理吸附作用。铁磷最不稳定，故以铁磷为例。当有足够溶解氧时，底泥处于氧化状态，三价铁离子与磷结合，以磷酸铁的形式沉积；而当出现厌氧状态时，底泥处于还原状态，三价铁离子被还原成二价铁离子，胶体状铁会变成可溶性铁，使磷脱离铁的吸附而进入水中[10-11]。环形水槽的扰动使得水中溶解氧迅速增加，底泥随扰动悬浮后吸附水中的磷，实现底泥对磷的去除。而溶解氧随着深度的增加而减少，所以底泥对磷的去除效果也随着深度的增加而降低。同时主流区后段#2的脉动大于主流区前段#1，使#2溶解氧浓度高于#1，所以#2底泥对磷的去除作用高于#1。当扰动静止后，底泥中溶解氧逐渐降低，使得底泥呈现还原状态，使磷脱离吸附状态进入水中，故扰动静止后水中DTP浓度逐渐上升。

图4 不同深度下主流区与回流区底泥的物理吸附对DTP浓度的影响

回流区分为回流减流区#3和回流增流区#4。回流区流速小于主流区，但紊动强度与主流区差别不大，即回流区紊动强度增加比主流区大。

图4（c）为突扩水流回流减流区#3处DTP的浓度随时间和深度的变化。此处底泥对磷的去除趋势同主流区基本一致，但去除效果优于主流区。扰动开始后，DTP浓度很快就下降到了0.03mg/L以下，随着扰动时间的增加，DTP浓度变化不大，在扰动24h后DTP浓度略有上升，当扰动停止后，水中DTP浓度逐渐上升，静置48h后DTP浓度上升到0.035mg/L左右。图4（d）为突扩水流回流增流区#4处DTP的浓度随时间和深度的变化，与回流减流区#3相比较，除磷效果相近，甚至略低。回流区处深度对除磷的影响与主流区一致，即底泥对磷的去除效果随着深度的增加而降低。

回流区底泥对磷的物理去除效果高于主流区。这是由于回流区紊动强度增加比主流区大，紊动增大了水中溶解氧向更深处传递的速度，使底泥保持氧化状态，磷被底泥中的沉积物吸附；同时由于流速较小使得回流区的泥量增大，单位体积内底泥量增加，使磷与底泥的接触增大，从而提高了底泥对磷的去除。同样当扰动静止后，底泥中溶解氧逐渐降低，使得底泥呈现还原状态，使磷脱离吸附状态进入水中，水中DTP浓度逐渐上升。

2.2.2 生物吸附作用

突扩环形水槽中未加入抑菌剂，重复上述试验，对比前述投加抑菌剂时底泥对磷的去除，探讨底泥对磷的生物去除作用。环形水槽扰动前测定水中DTP为0.069mg/L。

图5 不同深度下主流区与回流区底泥的生物吸附对DTP浓度的影响

图5（a）为突扩水流主流区前段#1处DTP的浓度随时间和深度的变化。底泥对磷的去除明显高于投加抑菌剂的情况。扰动开始后，DTP浓度很快就下降到了0.02mg/L以下，随着扰动时间的增加，DTP浓度变化不大，深度对底泥除磷的影响不大。当扰动停止后，水中DTP浓度迅速上升，静置48h后DTP浓度上升到0.04mg/L左右。图5（b）为突扩水流主流区后段#2处DTP的浓度随时间和深度的变化。底泥对磷的去除明显高于投加抑菌剂的情况，但低于图5（a）所示的主流区前段#1。

通过对比主流区投加抑菌剂与未投加抑菌剂底泥对磷的去除效果可知，底泥对磷的去除存在生物作用，但生物作用不到50%。扰动初期底泥中溶解氧浓度升高，此时聚磷菌好氧吸磷，并且底泥的氧化状态使磷被快速吸附，在底泥的物理与生物同时作用下，水中磷含量迅速降低；当扰动静止后，底泥逐渐呈厌氧状态，此时聚磷菌厌氧释磷，同时底泥的还原状态使吸附态的磷重新释放到水中。

图5（c）为突扩水流回流减流区#3处DTP的浓度随时间和深度的变化。不同深度下底泥对磷的去除波动幅度较大，并且去除效果不稳定。扰动开始后，DTP浓度很快就下降到了0.02mg/L左右，但随着扰动时间的增加，DTP浓度变化幅度较大，去除效果不稳定，并且底泥对磷的去除情况在深度变化上不规律。当扰动停止后，水中DTP浓度迅速上升，静置48h后DTP浓度上升到0.04mg/L左右。图5（d）为突扩水流回流增流区#4处DTP的浓度随时间和深度的变化。与#3相比，不同深度下底泥对磷的去除波动幅度也比较大，并且去除效果不稳定。

同主流区相比，回流区底泥对磷的生物去除效果不稳定，且去除效果较差。这是由于回流区紊动强度增加比主流区大，从而增大了底泥的悬浮量，扰动初始底泥中有足够的溶解氧供聚磷菌进行新陈代谢，此时聚磷菌好氧吸磷；当扰动持续一定时间时，底泥中的溶解氧被聚磷菌消耗呈下降趋势，此时接近厌氧状态，聚磷菌厌氧释磷，但随着扰动的继续，溶解氧会继续向底泥中补充，此时底泥又呈现好氧状态，聚磷菌好氧吸磷，如此反复，故出现图中底泥对磷的去除随扰动时间出现波动。

3 结论

（1）主流区和回流区流速差别明显，主流区流速大于回流区流速，但回流区紊动强度增加比主流区大；

（2）底泥对磷的物理去除作用强于生物去除作用；

（3）当有生物作用参与除磷过程时，在厌氧条件下，底泥释磷主要由聚磷菌贡献；

（4）主流区底泥对磷的去除效果随着深度的增加而降低；

（5）突扩水流主流区底泥对磷的去除效果好，且稳定，回流区底泥对磷的去除波动大。

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