CN110208458B - 用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置及方法。该试验装置包括环形水槽、水箱、水泵、变频箱、温度记录仪和流速测量仪；环形水槽和水箱经水泵构成循环水流系统，环形水槽出水端与水箱连通，水泵的进水口与水箱连通，其出水口与环形水槽进水端连通，水泵与变频箱电连接，温度记录仪和流速测量仪均设置于环形水槽中。本发明能够实现不同水动力学条件，反映出天然河道的水力特征，测量得到的有机物降解系数具有良好的代表性，准确性更好。此外，本发明还可以通过天然河道的常规测量如水深、流速、水温等，实现天然河道有机物降解系数的预测。

Description

用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置及 方法

技术领域

本发明属于城市河流水体研究技术领域，涉及水体有机物降解系数测定，具体涉及一种用于研究在不同水动力学条件下测定有机物降解系数的试验装置及方法，实现对城市河流水体有机物降解系数变化过程的模拟。

背景技术

近二十年来，随着工业化和城市化进程的发展，大量工业废水和生活污水未达标排放，导致河流受到污染的程度加剧。目前有机物污染是城市河流水体污染的主要污染类型之一。水体中的有机污染物浓度过高会导致水体产生毒性，通过生物放大和食物链的富集输送作用对水生生物以及人体健康会产生潜在的危害。

化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，简称COD)是表示水中还原性物质多少的一个指标，主要反应水体中有机物污染程度。因此，为了减少水中的有机物污染，研究有机物降解系数的变化规律尤为重要。

当前研究有机物降解系数的技术方法主要有基于经验公式的估算法、基于常规资料的估算法、室内模拟法、现场实测法等。基于经验公式的估算法太过于主观，很难反应污染物降解的内在形式，难以保证计算结果的可靠性；基于常规资料的估算法主要是采用类比分析法，然而其中的河流类比条件难以完全匹配，估算结果易受类比条件影响；室内模拟法对试验用水、试验水流条件、污染物特征要求较高，如果试验条件与天然河流差别较大，易导致试验误差；现场实测法根据水质监测断面的实测数据进行分析，虽然能够真实反映天然状态下的河流特征，但是其工作量大，难以在全河段开展。

因此，为了更好的反映天然河流的有机物降解规律、减小有机物降解系数测定工作量，设计一种能够反映天然状态下河流特征、简单易操作的试验装置来满足有机物降解系数的测定要求是十分必要的。

发明内容

本发明的目的旨在针对上述现有技术的不足之处，通过结合室内模拟法和现场实测法，提供一种用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置，通过该试验装置能够测定不同水动力学条件下有机物降解系数。

本发明的另一目的旨在提供采用上述试验装置对不同水下动力学条件下有机物降解系数的测定方法。

本发明的第三个目的旨在基于对不同水下动力学条件下有机物降解系数的研究，提出一种有机物降解系数的预测方法。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现。

本发明提供了一种用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置，包括环形水槽、水箱、水泵、变频箱、温度记录仪和流速测量仪；所述环形水槽和水箱经水泵构成循环水流系统，所述环形水槽出水端与水箱连通，所述水泵的进水口与水箱连通，水泵的出水口与环形水槽进水端连通，所述水泵与变频箱电连接，所述温度记录仪和流速测量仪均设置于环形水槽中。

上述用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置，能够通过调整水流深度和水流流速来对各种不同水动力学条件的模拟，同时考虑到温度对有机物降解系数的影响，为了研究不同水动力学条件下的降解系数变化情况，可以将降解系数换算到同一温度条件下进行比较。

上述用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置，所述环形水槽连接水泵出水口的位置设置有多孔板，以避免水流紊动，保证进入环形水槽的水流平稳。

本发明进一步提供了一种水动力学条件下有机物降解系数的测定方法，使用所述试验装置按照以下步骤进行：

步骤1：向水箱中注入水，并使水漫出水箱进入环形水槽至环形水槽中的水深达到设定深度；

步骤2：启动水泵，使环形水槽和水箱内水体形成循环水流，并使用流速测量仪实时测量环形水槽内水流流速，通过变频箱调节水泵转速至环形水槽内水流流速到设定流速；

步骤3：待环形水槽内水流流速稳定后，每隔设定间隔时间取样，使用温度记录仪记录环形水槽内稳定的水温T，并分析样本中的有机物浓度，然后通过以下公式拟合得到温度为T时的有机物降解系数K_T：

式中，t为水力停留时间，单位为d(天)；K_T为水体温度为T时的有机物降解系数，单位为1/d(1/天)；C为t时刻测定的有机物浓度，单位为mg/L (毫克/升)；C₀为初始时刻有机物浓度，单位为mg/L(毫克/升)。

步骤4：通过温度校正公式对有机物降解系数进行校正后得到20℃下的有机物降解系数K₂₀，校正公式为：

K₂₀＝K_T/θ^(T-20) (2)；

式中：T为水体温度，单位为℃(摄氏度)；K₂₀为水体温度20℃时的有机物降解系数，单位为1/d(1/天)；K_T为水体温度为T时的有机物降解系数，单位为mg/L(毫克/升)；θ为温度校正因子，无量纲经验系数，取1.047。

重复步骤1-4，调整环形水槽中水深和水流流速，记录环形水槽内稳定的水温T，得到温度为T时的有机物降解系数K_T，进一步用温度校正公式校正后得到20℃不同水动力学条件下的有机物降解系数K₂₀。这样可以对不同水动力学条件下的有机物降解系数变化进行研究。

上述水动力学条件下有机物降解系数的测定方法，步骤1中，向水箱中注入的水为天然河道污水。

上述水动力学条件下有机物降解系数的测定方法，步骤1中，环形水槽中水深为0.17m～0.20m。

上述水动力学条件下有机物降解系数的测定方法，步骤2中，环形水槽中的水流流速为0.001m/s～0.30m/s。

本发明进一步提供了一种有机物降解系数的预测方法，包括以下步骤：

步骤S1，测量河道水流的深度h，平均流速u、水温T及重力加速度g；

步骤S2，按照以下预测模型得到河道水流的有机物降解系数：

式中，Fr为弗劳德数，

Re为雷诺数，

v为水流运动粘度，通过查粘度表得到。

上述有机物降解系数的预测方法，步骤S2中预测模型公式(9)使用所述试验装置按照以下步骤进行：

步骤1′：向水箱中注入水，并使水漫出水箱进入环形水槽至环形水槽中的水深达到设定深度；

步骤2′：启动水泵，使环形水槽和水箱内水体形成循环水流，并使用流速测量仪实时测量环形水槽内水流流速，通过变频箱调节水泵转速至环形水槽内水流流速到设定流速；

步骤3′：待环形水槽内水流流速稳定后，每隔设定间隔时间取样，使用温度记录仪记录环形水槽内稳定的水温T，并分析样本中的有机物浓度，然后通过以下公式拟合得到温度为T时的有机物降解系数K_T：

式中，t为水力停留时间，单位为天(d)；K_T为水体温度为T时的有机物降解系数，单位为1/d(1/天)；C为t时刻测定的有机物浓度，单位为mg/L (毫克/升)；C₀为初始时刻有机物浓度，单位为mg/L(毫克/升)。

步骤4′：通过温度校正公式对有机物降解系数进行校正后得到20℃下的有机物降解系数K₂₀，校正公式为：

K₂₀＝K_T/θ^(T-20) (2)；

式中：T为水体温度，单位为摄氏度(℃)；K₂₀为水体温度20℃时的有机物降解系数，单位为1/d(1/天)；K_T为水体温度为T时的有机物降解系数，单位为mg/L(毫克/升)；θ为温度校正因子，无量纲经验系数，取1.047。

步骤5′：重复步骤1′-4′，调整环形水槽中水深、水体温度和水流流速，得到不同水动力学条件下20℃时的有机物降解系数K₂₀；

步骤6′：按照以下公式通过线性回归方法得到参数a、b、c：

则20℃时的有机物降解系数预测模型

步骤7′：通过温度校正公式对有机物降解系数进行校正后得到温度为T时的有机物降解系数K_T：

本发明提供的用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置，采用未经处理的天然河流污水，通过设置不同的水动力学条件来模拟天然河道的水力学特征，以测定有机物降解系数变化。并通过对不同水动力学条件下的有机物降解系数变化研究得出降解系数与水动力学条件间的关系，进而给出有机物降解系数的预测方法。通过该预测方法只要测定天然河道的水力学条件及水温即可得到天然河道有机物降解系数，这样既能保证降解系数测定的精确性，又能节省测定成本，具有良好的实际应用价值。

与现有技术相比，本发明提供的用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置及方法具有以下有益技术效果：

1、本发明所述试验装置能够实现不同水动力学条件，反映出天然河道的水力特征，测量得到的有机物降解系数具有良好的代表性，准确性更好。

2、本发明采用所述试验装置，以天然河道的水流(尤其是天然河道的污水) 为试验水流，能够更好的反映天然河流有机物降解规律。

3、本发明提供的有机物降解系数预测模型，只需要进行天然河道的常规测量(水深、流速、水温等)，便可实现天然河道有机物降解系数的预测，较天然河道布设断面测定方法更具有优势。

4、本发明提供的试验装置结构简单、操作方便，所需成本低，适于在本领域内推广使用。

附图说明

图1为本发明用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置结构示意图。

图2为不同水动力学条件下有机物降解系数的拟合曲线图。

图3为本发明计算的有机物降解系数与测量的有机物降解系数对比图。

图中，1-环形水槽，2-水箱，3-水泵，4-变频箱，5-进水口，6-出水口，7- 多孔板，8-温度记录仪，9-流速测量仪。

具体实施方式

以下将对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例试验装置、实施过程及有机物降解系数的预测

本实施例提供的用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置，如图1所示，其包括环形水槽1、水箱2、水泵3、变频箱4、温度记录仪 8和流速测量仪9。环形水槽1和水箱2经水泵3构成循环水流系统。

环形水槽1为环形跑道状结构，其出水端与水箱2连通，进水端封闭。环形水槽1周径长为5m，高为0.3m。水泵3的进水口5插入水箱2内，使水泵进水口与水箱连通，水泵进水口端安装有止水阀用于防止水流倒灌，水泵出水口6插入环形水槽进水端，使水泵出水口与环形水槽连通，且环形水槽连接水泵出水口的位置处设置有多孔板7，多孔板7位于水泵出水口的前方。

水泵与变频箱4电连接，可通过调节变频箱4的频率来控制水泵转速使环形水槽中水流达到相应流速。温度记录仪8和流速测量仪9均设置于环形水槽中，温度记录仪8实时记录水槽内水体温度变化情况，流速测量仪9用于实时记录水槽内沿水流流向的流速。

所用水泵3型号为LDZ100-125D，扬程为5m，最大流量为50m³/h。所用温度记录仪8型号为ZDR-21。所用流速测量仪9为电磁流速仪，型号为 NKY02-1C，测速范围为0.01～4.00m/s。

本实施例试验用水取自成都市武侯区郭家桥府南河处。

上述用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置实施过程如下：

步骤1：将取得的水装入水箱2中，并使水漫出水箱2进入环形水槽1至环形水槽中的水深达到设定深度，深度可以视所需要模拟的天然河道水力学条件而定，本实施例水槽中水深设定为0.17m、0.20m；

步骤2：待环形水槽1中水体温度稳定后，启动水泵3，使环形水槽和水箱内水体形成循环水流，并使用流速测量仪9实时测量环形水槽内水流流速，通过变频箱4调节水泵转速至环形水槽内水流流速到设定流速，本实施例中设定流速为0.001m/s、0.10m/s、0.15m/s、0.20m/s、0.30m/s；

步骤3：待环形水槽内水流流速稳定后，每隔设定间隔时间进行取样，使用温度记录仪记录环形水槽内稳定的水温T，并分析样本中的有机物浓度(本实施例中以COD浓度表示有机物浓度)，测量时间共测量五天。

由于有机物降解过程符合一级动力学方程，即：

式中，t为水力停留时间，单位为d；K_T为温度为T时的有机物降解系数，单位为1/d；C为t时刻测定的有机物浓度，单位为mg/L；C₀为初始时刻(t＝0) 有机物浓度，单位为mg/L。

因此，可以通过公式(1)拟合得到水体温度为T时的有机物降解系数K_T。

步骤4：通过温度校正公式对有机物降解系数进行校正后得到20℃下的有机物降解系数K₂₀，校正公式为：

K₂₀＝K_T/θ^(T-20) (2)；

式中：T为水体温度，单位为℃；K₂₀为水体温度20℃时的有机物降解系数，单位为1/d；K_T为水体温度为T时的有机物降解系数，单位为mg/L；θ为温度校正因子，无量纲经验系数，取1.047。

重复步骤1-4，调整环形水槽中水深和水流流速，得到水体温度为20℃时，不同水动力学条件下的有机物降解系数。测试条件及降解系数见表1所示。

表1各工况下有机物降解系数

各工况的有机物降解系数通过公式(1)拟合得到，拟合情况如图2所示。为了得到同一温度条件下的降解系数，当温度偏离20℃时，通过校正公式(2) 对拟合得到的降解系数进行校正，各工况下校正后的不同水动力学条件下的有机物降解系数见表1。

从表1中可以看出，不同水深、流速条件下的水体中污染有机物降解程度不一致。通过本实施例在室内设置不同的水深、流速梯度模拟天然河道的水力学条件，并基于对不同水动力学条件下有机物降解系数的变化情况，提出一种更具有代表性的有机物降解系数预测模型，从而有助于获得难以开展在实地测量河道的有机物降解系数。

考虑到影响降解系数的水力学参数有流体密度ρ[ML^-3]、重力加速度 g[LT^-2]、水深h[L]、流速u[LT^-1]、动力粘滞系数μ[ML^-1T^-1]等。

因此降解系数的方程可表示为：

K₂₀＝f(ρ,h,u,g,μ) (3)

通过无量纲分析得：

其中

可用弗劳德数Fr的函数来表示，v代表运动粘度，

可用雷诺数 Re的函数来表示，得下式：

通过量纲分析可得下式：

通过对实施例中各工况的水力学条件进行分析，得到各工况下水力学参数见表2所示；降解系数的变化与水力学条件表现出良好的相关性。依据各项水力学参数及20℃时的有机物降解系数，通过线性回归方法分别得到有机物降解系数公式中的系数a、b和c，a＝0.8415，b＝-1.2719，c＝0.258。从而得到20℃时的有机物降解系数预测模型如下式：

表2有机物降解系数变化试验工况表

名称	u/h(1/s)	Fr	Re	K<sub>20</sub>(1/d)
					工况1	0.005	0.001	65	0.271
工况2	0.500	0.071	6536	0.353
					工况3	0.750	0.107	10204	0.363
工况4	1.000	0.143	13347	0.387
					工况5	1.500	0.214	20899	0.394
工况6	0.006	0.001	63	0.228
					工况7	0.588	0.077	6271	0.330
工况8	0.882	0.116	9407	0.334
					工况9	1.176	0.155	12542	0.391
工况10	1.765	0.232	18814	0.397

通过图3可以看出，按照预测模型公式(8)得到的有机物降解系数与实施例中测量的有机物降解系数之间较为接近。

天然河道的水温是变化的，考虑到温度对降解系数的影响，利用预测模型公式(8)对天然河道的降解系数进行预测时，需要对该公式进行温度校正，得到实际温度下的河道有机物降解系数预测公式为：

通过上述分析，本实施例提供了一种有机物降解系数的预测方法，包括以下步骤：

步骤S1，测量河道水流的深度h，沿水流流向的平均流速u、水温T及重力加速度g；

步骤S2，根据以下预测模型得到河道水流的有机物降解系数：

式中，Fr为弗劳德数，

Re为雷诺数，

v为水流运动粘度，通过查粘度表得到。

水力学条件是影响有机物降解系数的重要因素，天然河道往往具有复杂的水力学特性，通过本发明提供的试验装置可模拟不同水力学条件下的有机物降解情况，得到的预测模型公式可应用于预测天然河道的有机物降解系数，为水质预测和水环境保护提供可靠的依据。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种有机物降解系数的预测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1，测量河道水流的深度h，沿水流流向的平均流速u、水温T及重力加速度g；

步骤S2，根据以下预测模型得到河道水流的有机物降解系数：

式中，Fr为弗劳德数，

Re为雷诺数，

v为水流运动粘度；

预测模型公式通过实验得到，所使用的实验装置包括环形水槽(1)、水箱(2)、水泵(3)、变频箱(4)、温度记录仪(8)和流速测量仪(9)；所述环形水槽(1)和水箱(2)经水泵(3)构成循环水流系统，所述环形水槽出水端与水箱(2)连通，所述水泵(3)的进水口(5)与水箱(2)连通，其出水口(6)与环形水槽进水端连通，所述水泵与变频箱(4)电连接，所述温度记录仪(8)和流速测量仪(9)均设置于环形水槽中；

预测模型公式使用上述实验装置按照以下步骤进行：

步骤1′：向水箱(2)中注入水，并使水漫出水箱(2)进入环形水槽(1)至环形水槽中的水深达到设定深度；

步骤2′：启动水泵(3)，使环形水槽和水箱内水体形成循环水流，并使用流速测量仪(9)实时测量环形水槽内水流流速，通过变频箱(4)调节水泵转速至环形水槽内水流流速到设定流速；

步骤3′：待环形水槽内水流流速稳定后，每隔设定间隔时间取样，使用温度记录仪记录环形水槽内稳定的水温T，并分析样本中的有机物浓度，然后通过以下公式拟合得到温度为T时的有机物降解系数K_T：

式中，t为水力停留时间，单位为天(d)；K_T为水体温度为T时的有机物降解系数，单位为1/d；C为t时刻测定的有机物浓度，单位为mg/L；C₀为初始时刻有机物浓度，单位为mg/L；

步骤4′：通过温度校正公式对有机物降解系数进行校正后得到20℃下的有机物降解系数K₂₀，校正公式为：

K₂₀＝K_T/θ^(T-20)；

式中：K₂₀为温度20℃时的有机物降解系数，单位为1/d；K_T为温度为T时的有机物降解系数，单位为1/d；θ为温度校正因子，无量纲经验系数，取1.047；

步骤5′：重复步骤1′-4′，调整环形水槽中水深、水体温度和水流流速，得到不同水动力学条件下20℃时的有机物降解系数K₂₀；

步骤6′：按照以下公式通过线性回归方法得到参数a、b、c：

a＝0.8415，b＝-1.2719，c＝0.258；

则20℃时的有机物降解系数预测模型

步骤7′：通过温度校正公式对有机物降解系数进行校正后得到温度为T下时的有机物降解系数K_T：

2.根据权利要求1所述有机物降解系数的预测方法，其特征在于所述环形水槽连接水泵出水口的位置设置有多孔板(7)。

3.根据权利要求1所述有机物降解系数的预测方法，其特征在于环形水槽中水深为0.17m～0.20m。

4.根据权利要求1所述有机物降解系数的预测方法，其特征在于环形水槽中的水流流速为0.001m/s～0.30m/s。

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