曝气复氧条件下黑臭河道底泥内源氮的迁移转化行为研究

摘要

河道黑臭是我国城市环境污染和生态破坏的代表性恶果和亟待解决的重要问题，其中氮超标是目前许多城市黑臭河道中急需解决的突出问题。在外源输入有效控制后，从底泥中释放的内源氮将成为水体氮污染的主要来源，人工曝气复氧虽然是治理河道黑臭的有效技术，但目前的曝气工程运行模式比较粗放，曝气复氧的扰动对表层底泥氮转化及释放影响作用尚未定论。为此，本论文拟采用表征液体流态的雷诺数来定量表征曝气扰动对底泥上覆水的影响，并系统研究上覆水曝气复氧条件下表层底泥的氮迁移转化等行为特征。试验目的旨在确定优化的曝气运行边界条件，为有效解决黑臭河道氮超标治理难题提供科学依据，并为曝气复氧治理工程的优化实施提供技术支撑。研究结果表明：
　　 在流速分为0.247 m/s、0.288 m/s、0.320 m/s、0.372 m/s，对应的温度分别为19.1℃，25.6℃，28.9℃，16.5℃时，装置中流态和流场的分布情况不一样，但是对称位置的流速基本相同，其流态和流场的分布情况极为相似。离曝气转刷位置较近的断面流速较大，水流的紊流状态较激烈，雷诺数较大，而离曝气转刷位置较远的断面流速相对较缓，流态平缓，雷诺数较小。流速越大，雷诺数越大，温度越高，水的动力粘度越小，雷诺数就越大。
　　 不同曝气条件下，装置中DO和SOD的分布情况不一样，DO受曝气和温度等方面的影响，曝气越大，扰动越大，曝气有利于DO的穿透深度，温度也对DO的增加有很大的作用，另外装置中可能存在少量的藻类，温度高，光合作用强，也为DO的增加提供帮助，另外，相同水质，SOD的值大小基本一致，河道流速是影响底泥耗氧速率的一个主要因素，底泥耗氧速率随流速增大而增大。
　　 硝化和反硝化作用是水-沉积物界面氮迁移和交换的主要形式。上覆水中的氨氮发生硝化作用生成亚硝氮，硝氮。底泥中包括无机氮和有机氮，易降解的有机氮在异养微生物作用下降解、铵化，生成的氨氮，可以被粘土矿物所吸附而成为可交换态氨氮，进入间隙水，扩散至浮泥层，浮泥层中的氨氮一部分发生硝化作用生成亚硝氮，进而氧化成硝酸氮，另一部分氨氮可能扩散到上覆水中，增加了水体的氮的营养水平。黑泥层向浮泥层释放大量的亚硝氮，上覆水硝氮向浮泥层硝氮扩散，进而向黑泥层扩散。而不同的是，在曝气条件下，上覆水和浮泥层相互进行了硝氮的交换，浮泥层也向上覆水中释放硝氮，另外浮泥层向上覆水中释放了大量的亚硝氮，由于搅拌的作用，导致黑泥层中可能存在有少量氧气，亚硝化发生氧化作用可能生成硝氮。
　　 流场中紊流的强度的不同，对内源氮的行为特征有着不同的影响，主要通过影响DO的梯度的分布，来影响内源氮的行为。
　　 在流速为0.288～0.320 m/s时，Re为1810～2113，DO平均值为5.08～7.5 mg/L，SOD为-0.08～-0.003 mg/(m2.d)，上覆水中的氮的变化效果较好。
　　 采用灰色关联度分析方法对比研究SOD，DO，Re与曝气复氧条件下上覆水，浮泥层和黑泥层中氨氮，硝氮，亚硝氮和总氮的变化之间的关系。结果表明：Re与上覆水、浮泥层NH4+-N变化性能的关联程度是所有因素中最大的，而SOD与黑泥层NH4+-N变化性能的关联程度是所有因素中最大的。Re与上覆水NO3--N变化性能的关联程度是所有因素中最大的，DO与浮泥层中NO3--N变化性能关联程度是所有因素中最大的，SOD与黑泥层NO3--N变化性能的关联程度是所有因素中最大的。SOD与上覆水中NO2--N变化性能的关联程度是所有因素中最大的。Re与浮泥层中NO2--N变化性能的关联程度是所有因素中最大。SOD与黑泥层中NO2--N变化性能的关联程度是所有因素中最大的。Re与上覆水中TN变化性能的关联程度是所有因素中最大的。Re与浮泥层中TN变化性能的关联程度是所有因素中最大的。SOD与黑泥层中TN变化性能的关联程度是所有因素中最大的。