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溢流堰形态对水体营养盐及有机污染的影响 ＊ 王锦旗 王国祥 南京师范大学地理科学学院, 江苏 210097 摘要 定期监测两种不同形态的溢流堰坝体上下点的溶解氧及水质变化, 研究溢流堰形态对水体营养盐及有机污染 的影响。 结果表明 两种不同形态的溢流堰均可较好地提高水体的 DO 含量, 且阶梯式溢流堰较斜面式溢流作用明 显; 高锰酸盐指数 IMn、NH3-N、TP 含量均减少, 平均去除率阶梯式溢流堰均优于斜面式溢流堰。 关键词 溢流堰 溶解氧 高锰酸盐指数 氨氮 总磷 自净作用 ＊国家“863”“十五”重大科技专项 2003AA601100 -2 ; 江苏省重点实 验室建设项目 BM2002701 0 引言 溢流堰是水利设施中常用的泄水建筑物 ,其作用 有拦沙 、 调蓄水位等 , 以及将下泄水流的动能转变成 热能以达到消能的目的 [ 1] ; 城市河道中的溢流堰主要 作用是保持河道一定的水位, 以满足城市河道的生态 用水和景观用水。一般认为, 水体经溢流堰曝气后, 能提高水体的溶解氧 DO , 加速河道水体中有机污 染物的降解 [ 2] 。提高河道 DO 的含量是增强水体自 净能力的有效措施 [ 3] 。一般采用机械表面曝气等外 加能源的方式进行, 但是河水在流动中本身蕴涵了巨 大的能量, 如能利用这种能量, 通过一些特殊设计的 水利建筑物,使大气中的氧气更多地进入水体中成为 DO ,将是一种理想的恢复和维持水体水质的方法 [ 4] 。 本研究通过对两种形态的溢流堰坝体上下水体的理 化指标 、 营养盐及有机污染综合指标跟踪监测 ,拟探 讨不同形态下溢流堰对污染河道水体中 DO、IMn、 NH3-N、 TP 的改善作用, 为合理设计城市河道溢流堰, 充分发挥其作用提供理论依据 。 1 试验调查方法 1. 1 试验点概况 试验点位于南京仙林大学城的三用河,该河道污 染十分严重 ,以有机污染为主, 高锰酸盐指数年均值 达17. 6 mg L ,TP 达1. 62mg L,TN 达18. 90mg L, 河水 常发黑发臭。 1. 2 试验材料与方法 河道内建有一系列溢流堰 ,试验点位于下游一斜 面式溢流堰 ,该堰高 118 cm ,堰体坝面倾斜直线距离 150 cm, 坡度 51. 9 。该溢流堰坝面光滑, 水流经过 时,水流平滑且流速较快 。另在该溢流堰基础上搭建 一个与该溢流堰坡度相同的阶梯式溢流堰 。方法是 将石棉瓦分割成 45 cm 宽的长条 ,将凸凹部分以水平 方向固定在木板上 ,两侧以木条固定, 形成阶梯式的 堰体坝面 如图 1 , A 、D1、 D2 分别为取样点 , 每级台 阶长均为 3 cm。据实验观察及程香菊等人的研究, 水流形态如图 2 所示, 水流通过堰体坡面凸面时水流 较平滑,所溅水珠较少,而水流经过凹面时,水体与凹 面撞击溅起无数水珠 ,加大了水体的表比面积 。 试验时间从 2006- 02-06 ,每次于现场测量并记录 水体表层 5 cm 处 DO 及水温, 分别在坝顶 A 、坝趾 D1、D2 三点采表层5 cm 处水样 如图1 , 带回实验 室测定 IMn [ 5] 、 NH3- N 、 TP 。 图 1 溢流堰及取样点分布 图 2 阶梯式溢流堰水流示意图 89 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 2 结果与分析 2. 1 DO 的变化 DO 的试验结果如图 3 所示, 2 月 ～ 6 月水体经 2 种溢流堰后 DO 均大幅增加 ,其中 D1、 D2 点 DO 分 别增加了 2. 95、 4. 86 mg L ,两点 DO 较 A 点分别增加 了214. 15、 417. 26,其中 D1 的 DO 变化趋势与 A 点一致 ,而 D2 的 DO 从 2 月 ～ 6 月随河道水量的增 大而逐渐降低。 图 3 A、D1、D2 点的 DO 浓度 水流经两种形态的溢流堰时, 因水流溢流形态不 同而差异显著, D1 点水流经过坝体斜面时自由溢流 复氧, 水流仅表层与大气接触发生掺气复氧 ,又因坝 面较光滑, 水流流速较快 ,水流与大气接触的时间较 短,故掺气复氧的程度较低。D2 点水流经过坝体时, 水流通过堰体坡面凸面时较平滑 , 所溅水珠较少, 而 水流经过凹面时 ,水体与凹面撞击溅起无数水珠, 形 成强烈的紊动水流 ,增加了水气接触面积 ,故水体强 烈掺气,复氧效果更为明显 [ 4] 。 溢流堰坝上水体 DO 随水温和水流性质变化而 波动, 因斜面式溢流堰较光滑 , D1 点的水温与 A 点 保持一致 ,水流性质随坝上水流性质的变化而随之变 化,且水体经斜面式溢流堰的曝气时间也随上游来水 的变化而变化 , 故 D1 点的 DO 变化趋势与 A 点一 致。从 2 月～ 6 月, 河道水量逐渐增大 , 水体经阶梯 式坝体凸面直接下泄的水量逐渐增多, 水流掺气复氧 的程度降低,且经坝体凹面撞击形成紊动水流逐渐减 少,水体经阶梯式溢流堰的曝气时间也随之减少, 水 体获得掺气复氧时间减少, 故 D2 点的 DO 从 2 月 ～ 6 月逐渐减少。 2. 2 IMn的变化 IMn试验结果如图 4 所示 , 经两种形态的溢流堰 作用后,D1点的 IMn除 6 月外均小于 A 点 , D2 点的 IMn各月均小于 A 点 , 说明经溢流堰的作用后水体总 体 IMn负荷减轻。其中以阶梯式溢流堰 D2 点 作用 显著 ,降低率均高于 D1,平均降低率为5. 14, 而D1 点降低率仅 2. 17。 图4 A、D1、D2点的 IMn浓度 经两种形态的溢流堰曝气作用 ,加速了水体中耗 氧有机物的分解 ,使 D1、D2 点的 IMn低于 A 点。水 体经斜面式溢流堰时, 水流在坝体表面平缓流动, 且 历时较短, 水体获得的掺气复氧时间也较短 ,水体中 耗氧有机物获得分解时间较短 ,故水体中 IMn降低程 度较低, 降低率仅 2. 17。而水体经阶梯式溢流堰 时,水流在坝体凸面时,水流平滑,而水流在坝体坡面 凹面时,水流与坝体撞击 ,形成强烈的紊动水流,水体 激起的水珠较多 ,增加水体的比表面积 , 增大了与空 气的接触面积, 掺气复氧程度较斜面式溢流堰要强, 故更多耗氧有机物得到分解, IMn降低率较大, 达 5. 14。 2. 3 NH3-N 的变化 NH3- N 试验结果如图 5 所示 , 水体经2种形态的 溢流堰曝气作用后, D1、D2 点的 NH3-N 均出现下降 趋势, 说明水体经溢流堰曝气后 NH3-N 得到有效地 去除 。其中以 D2 点去除率较高, 达 5. 12,D1点的 NH3-N 去除率为 4. 30。 图5 A、D1、D2点的 NH3-N 水流经溢流堰作用后, 水体中由于 DO 增加迅 速,水体中含氮有机物发生氨化作用 ,NH3-N 在硝化 细菌的作用下发生硝化作用, 但因曝气过程较短暂, 水体及坝体坡面沉积物中的硝化细菌发生作用较弱, 仅少量的NH3- N 发生硝化作用, 转化为硝态氮 ,故推 90 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 断水体中含氮有机物在氨化作用过程中部分 NH3- N 以气体的形式散发到大气中 , 使水体中 NH3- N 的含 量迅速降低。水流经斜面式溢流堰过程中曝气作用 较弱, 水流历时也较短 , 含氮有机物在氨化作用过程 中获得的分解时间也较短 , 仅有少量的 NH3- N 以气 体的形式散发到大气中。而水流经阶梯式溢流堰时, 水流在坝体凹面时 ,复氧效果更明显, 含氮有机物得 到的氧化机会较多, 氨化作用过程较斜面溢流获得的 时间长 ,以气体的形式散发到大气中 NH3- N 要多于 斜面式溢流堰。故 D1、D2 点的 NH3-N 均低于 A 点, 但 D2 点氨化作用时间较长,NH3- N 气化部分较多, 降低率大于 D1 点。 2. 4 TP 的变化 TP 的试验结果如图 6 所示 , 水体经两种形态的 溢流堰的曝气作用后, D1 点的 TP 除 3、 4 月上升外, 其余各月均降低, TP 平均下降了 0. 93, 变化不显 著; D2 点 各月 TP 均 低于 A 点, TP 平均下 降了 6. 43。 图 6 A、D1、D2 点的TP 因在磷快速释放和吸附过程中, DO 可影响水-沉 积物界面磷的转化方向, 在富氧环境 ,水-沉积物处于 氧化状态,Fe 3与磷结合, 以磷酸盐形成沉淀, 因此有 利于沉积物对上覆水体中磷酸盐的吸附 ; 厌氧或缺氧 环境 ,不溶性 Fe OH3转化为可溶性的 Fe OH2, 可 使与铁结合的磷大量释放进入水体 ,因此有利于沉积 物中磷酸盐的释放 [ 6] 。由图 6 可知 , 由于 D1、D2 两 点经溢流堰作用后, 水体中的 DO 均升高, 但 D1 点增 加的 DO 较 D2 点较少 , 水体各月不都是处于富氧环 境。而 D2 点经阶梯式溢流堰作用后水体中 DO 增加 较多 。而两个堰体表面在运行过程中生长和沉积了 大量的微生物及其残体。故经两个堰体曝气作用后, 水体中的 DO 含量不同 ,导致水体中磷的迁移转化方 向随之变化 , D2 点水体中 DO 增加较多, 水体中的 Fe 3可与磷结合, 以磷酸盐形式大量沉淀在坝体表 面,而 D1经溢流堰作用后 DO 增加较 D2 低, 故Fe 3 与磷结合沉淀较少,TP 降低较 D2点要小 。 3 结论 1 不同形态的溢流堰对水流经过时的复氧程度 具有不同的影响 ,经斜面式溢流堰作用水体 DO 增加 了 214. 15, 而经阶梯式的溢流堰作用, 水体 DO 平 均增加417. 26。 2 水体经过溢流堰曝气作用后, IMn、 NH3- N 及 TP 含量均降低。经斜面式溢流堰作用后 , IMn、 NH3- N 及TP 平均去除率较低, 仅分别为 2. 17 、4. 30和 0. 93; 而经阶梯式溢流堰作用后 , IMn、 NH3- N 及 TP 的平均去除率分别高达 5. 14、 5. 12和 6. 43。 综上所述 , 在城市河道溢流堰的曝气作用过程 中,阶梯式溢流堰在增加水体 DO, 降低水体 CODCr负 荷,去除水体中NH3- N 和 TP 等方面的效果均优于斜 面式溢流堰 ,更有利于提高水体的自净能力。 参考文献 [ 1] 孙红光, 李纪明, 刘星, 孙国梅. 小型泄水建筑物的基础设计. 东 北水利水电, 2003, 233 12 10 -11. 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There are twelve groups of given data, of which ten groups are used to establish network and two groups are used to test the network. The results show that the RBF network is better than the s of principal component analysis and discriminant analysis in solving the problems of water eutrophication assessment. Keywords ertrophication, RBF network and artificial neural network DESIGN SUMMARY OF SHUANGYANG WASTEWATER TREATMENT PLANT IN CHANGCHUN Yang Shaohua Huang Jiguo Huang Guoxin et al 83 Abstract The design of Shuangyang Wastewater Treatment Plant in Changchun is introduced, and the problems and solutions in the process of debugging and operation are presented. Keywords design of wastewater treatment plant and CAST BRIEF INTRODUCTION TO URBAN RIVER POLLUTION PURIFICATION AND ECOLOGICAL RESTORATION INSHANGHAIHuang Yan Huang Minsheng Xu Yatong et al 85 Abstract It was introduced the background, pollution purification and ecological restoration projects of five polluted rivers in the center districts of Shanghai city, which has certain values for the people in similar domestic zones to consult with when improving their cities water environments. Keywords Shanghai, urban rivers, pollution purification and practical effect INFLUENCE OF OVERFLOW DAM SHAPE ON NUTRIENT AND ORGANIC CONTAMINATION OF WATER BODYWang Jinqi Wang Guoxiang 89 Abstract The influence of overflow dam shape on nutrient and organic contaminants is studied by monitoring the DO and the change of water quality timely . It indicates that the dissolved oxygen of the water body all increasesby the two damswith different shapes dams, the function of the stepped overflow dam is more obvious than the bevel surface overflow dam, andthe content of IMn, NH3-N andTP is decreased, the average removal rate in the influent of the stepped overflow dam is better than the bevel surface overflow dam. Keywords overflow dam, DO, IMn, NH3-N, TP and self -purification RESEARCH ON THE UTILIZATION RATIO OF H2O2AND THE REMOVAL EFFICIENCY OF CODCrIN THE TREATMENT OF MIDDLE -AGED LANDFILL LEACHATE BY FENTON PROCESS Wang Xiquan Liu Xuewen 92 Abstract The factorswhichinfluence the utilization ratio of H2O2and the removal efficiency of CODCrwere studiedin the process of Fenton treatment of the effluent from the biological treated middle -aged landfill leachate. The test results show that the optimal initial pH is 7, the H2O2 Fe2ratio is 4∶ 1, the most economical dosage of H2O2is 0. 05 mol L and the a reaction time is 3. 5 h respectively aswell as the mixed activators can increase the utilization ratio of H2O2. The removal efficiency of CODCrmay reach to 80. 5 and the utilization ratio of H2O2is 153. 9, the quality of effluent can reach to the second level of landfill leachate discharge standard. Keywords landfill leachate, Fenton agent and hydrogen peroxide DESIGNAND OPERATION OF THE PROJECT OF ECOLOGICAL PONDS-WETLAND SYSTEM FOR MUNICIPAL WASTEWATER RECLAMATION AND REUSE YinJinduo Deng Hua LinJing et al 94 Abstract It was introduced the systematic design and operation of the project of the ecological ponds -wetland system for municipal wastewater reclamation and reuse. Keywords ecological ponds -wetland system, municipal wastewater, reclamation reuse and design Sponsor Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group Publisher Industrial Construction Magazine Agency Editor The Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road,Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 01082227637、82227638 Fax 01082227637 Chief EditorWeng Zhongying Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P . O . Box 399, Beijing China China Standard Serial Numbering ISSN1000-8942 CN11-2097 X E -mail Addresshjgcpublic. yj. cn. net hjgcmail. yj. cn. net WWW Addresshttp www. hjgc. com. cn http www. hjgc. net. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 2,Apr. ,2007