CN113406031A - 一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道沉积物‑水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，包括构建试验装置，包括多个相同的容器，各个容器内底部填入灭菌沉积物，并倒入上覆水；对各个容器内沉积物和上覆水进行取样；对样品进行测定、根据测定结果，计算AAN、NH₄ ⁺‑N和NO₃ ^‑‑N的变化量，以及NH₄ ⁺‑N和NO₃ ^‑‑N的迁移量和迁移率，AAN和NO₃ ^‑‑N的生物转化量和转化率，通过构建试验装置模拟氮在排水管道内的迁移和转化，并通过对管道中沉积物和水进行取样、离心、过滤、过筛和通过紫外分光光度法测定和计算，以及建立数学模型的方法，计算过程简单方便，易于操作和实现。

Description

一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法

技术领域

本发明涉及沉积物中氮类污染量计算技术领域，具体为一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法。

背景技术

排水系统作为城市基础设施的重要组成部分，承担生活污水、雨水、工业废水的收集和输送。然而，雨、污水中携带的悬浮颗粒物在管道内水流要素变化等原因的影响下会发生沉降，使得排水管道内沉积现象十分普遍。管道沉积物的产生，会缩减管道的输送空间、使管道输水能力下降，沉积物中的微生物在代谢中会产生有害化合物，导致产生异味和腐蚀，而且，沉积物中的氮类污染物随溢流污、废水进入受纳水体，则易造成水体富营养化。

目前，还没有一种简单易行的方法能对氮类污染物迁移、转化过程的测定和计算，因此，亟需一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，来解决管道沉积物中氮类污染物带来的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，包括如下步骤：

S1、构建试验装置，包括多个相同的容器，各个容器内底部填入灭菌沉积物，并倒入上覆水；

S2、对各个容器内沉积物和上覆水进行取样，其中，对各个容器按顺序标记，并每隔预设天数，按标记顺序进行取样；

S3、对样品进行测定，具体包括：

a、将各个样品中的沉积物在5000r/min转速下离心20min，过滤得到间隙水；

b、将离心得到的沉积物残渣烘干和研磨后，分成两部分，一部分，过100目筛，用2mol/L KCl溶液浸取，得到沉积物；另一部分，用6mol/L HCl溶液，在120℃下酸解24h，用于测沉积物中AAN；其中，上覆水、间隙水和沉积物中的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N均采用紫外分光光度法测定；

S4、根据测定结果，计算的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的变化量，以及NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的迁移率和转化率。

优选的，在步骤S1中，容器均匀分成灭菌组和对照组，其中，灭菌组中的容器内底部填入灭菌沉积物，并倒入上覆水，对照组中的容器内底部填入原沉积物，并倒入上覆水。

优选的，沉积物平铺后放入超净工作台，在紫外灯下照射48h，得到灭菌沉积物。

优选的，各个所述容器开口处均用PVC保鲜膜包裹，使所述容器内构成缺氧的环境。

优选的，在步骤S2中，沉积物的取样区域为沉积物-水界面以下0-20mm处。

优选的，在步骤S4中，NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的变化量计算公式为：ΔC＝C-C⁰；其中，ΔC为灭菌组不同位置NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的浓度变化量，C为最后一次取样时灭菌组不同位置NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的浓度，C⁰为第一次取样时不同位置NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的浓度；

NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的迁移量计算公式为：ΔM＝-ΔC，其中，ΔM为间隙水中NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的迁移量；

NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的迁移率计算公式为：

其中，r_M为迁移率；

管道沉积物中AAN→NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N→NO₂ ^--N的转化量计算公式分别为：

和

其中，ΔST_AAN、

分别为沉积物中AAN、NO₃ ^--N的生物转化量，

为对照组沉积物中NH₄ ⁺-N的增量，

为第一次取样时对照组沉积物中NO₃ ^--N的浓度，

为最后一次取样时对照组沉积物中NO₃ ^--N的浓度；

雨水管道间隙水中ON→NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N→NO₂ ^--N的生物转化量计算公式分别为：

和

其中，ΔIT_ON、

分别为间隙水中ON、NO₃ ^--N的生物转化量，

为对照组间隙水中NH₄ ⁺-N的增量，

为对照组间隙水中NO₃ ^--N的减少量，

为间隙水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N的迁移量；

AAN或NO₃ ^--N的转化率公式为：

其中，r_T为转化率，ΔT为不同位置AAN或NO₃ ^--N的生物转化量，C⁰为第一次取样时不同位置AAN或NO₃ ^--N的浓度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过构建试验装置模拟氮在排水管道内的迁移和转化，并通过对管道中沉积物和水进行取样、离心、过滤、过筛和通过紫外分光光度法测定，分析氮的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N迁移路径和生物转化路径，计算迁移量和转化量，进而计算出迁移率和转化率，通过对管道内沉积物和水局部取样、测定以及建立数学模型的方法，计算过程简单方便，易于操作和实现。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明沉积物-水系统中氮迁移、转化试验模拟装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，包括如下步骤：

S1、构建试验装置，包括多个相同的容器，各个容器内底部填入灭菌沉积物，并倒入上覆水；

S2、对各个容器内沉积物和上覆水进行取样，其中，对各个容器按顺序标记，并每隔预设天数，按标记顺序进行取样；

S3、对样品进行测定，具体包括：

a、将各个样品中的沉积物在5000r/min转速下离心20min，过滤得到间隙水；

b、将离心得到的沉积物残渣烘干和研磨后，分成两部分，其中一部分，过100目筛，用2mol/L KCl溶液浸取，得到沉积物；另一部分，用6mol/L HCl溶液，在120℃下酸解24h，用于测沉积物中AAN；其中，上覆水、间隙水和沉积物中的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N均采用紫外分光光度法测定；

S4、根据测定结果，计算的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的变化量，以及NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的迁移率和转化率。

其中，将试验装置的中容器均匀分成灭菌组和对照组，灭菌组中的容器内底部填入灭菌沉积物，并倒入上覆水，灭菌沉积物获取方法为将沉积物平铺后放入超净工作台，在紫外灯下照射48h，得到灭菌沉积物；对照组中的容器内底部填入原沉积物，并倒入上覆水，且为了模拟实际雨水管道中缺氧的环境，各个所述容器开口处均用PVC保鲜膜包裹，使所述容器内构成缺氧的环境；在步骤S2中，沉积物的取样区域为沉积物-水界面以下0-20mm处。

在步骤S4中，NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的变化量计算公式为：ΔC＝C-C⁰；其中，ΔC为灭菌组不同位置NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的浓度变化量，C为最后一次取样时灭菌组不同位置NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的浓度，C⁰为第一次取样时不同位置NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的浓度；

NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的迁移量计算公式为：ΔM＝-ΔC，其中，ΔM为间隙水中NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的迁移量；

NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的迁移率计算公式为：

其中，r_M为迁移率；

管道沉积物中AAN→NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N→NO₂ ^--N的转化量计算公式分别为：

和

其中，ΔST_AAN、

分别为沉积物中AAN、NO₃ ^--N的生物转化量，

为对照组沉积物中NH₄ ⁺-N的增量，

为第一次取样时对照组沉积物中NO₃ ^--N的浓度，

为最后一次取样时对照组沉积物中NO₃ ^--N的浓度；

雨水管道沉积物间隙水中迁移和生物转化作用共同导致各形态氮浓度变化。雨水管道间隙水中氨化作用很强，将大量ON转化成NH₄ ⁺-N，同时硝化作用被抑制，另外少量NH₄ ⁺-N由间隙水迁移至上覆水；间隙水中发生的反硝化反应消耗NO₃ ^--N，另外部分NO₃ ^--N由间隙水迁移至上覆水；

因此，雨水管道间隙水中ON→NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N→NO₂ ^--N的生物转化量计算公式分别为：

和

其中，ΔIT_ON、

分别为间隙水中ON、NO₃ ^--N的生物转化量，

为对照组间隙水中NH₄ ⁺-N的增量，

为对照组间隙水中NO₃ ^--N的减少量，

为间隙水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N的迁移量；

AAN或NO₃ ^--N的转化率公式为：

其中，r_T为转化率，ΔT为不同位置AAN或NO₃ ^--N的生物转化量，C⁰为第一次取样时不同位置AAN或NO₃ ^--N的浓度。

参考图1，在一具体实施例中，容器为10个，灭菌组和对照组均为5个，并分别标号1-5，在灭菌组中，每个容器中填入50mm厚的灭菌沉积物，在对照组中每个容器中填入50mm厚的原沉积物，灭菌组试验模拟管道中氮的迁移过程，对照组试验模拟雨水管道中氮的迁移与生物转化过程，并在每个容器中依次缓慢倒入250ml模拟雨水，即上覆水，模拟雨水中各种污染物浓度如下表：

取样时，在试验当天分别从两组标记1的容器中取上覆水样和沉积物样，之后每5天依次在两组中按顺序进行取样，直至20天时完成取样，其中，每次取上覆水样和沉积物样时，各平行取3个样。

在灭菌组中，根据上述步骤对灭菌组中各形态氮的迁移量进行测定，结果如下所示：

灭菌组沉积物-水系统中不同位置NH₄ ⁺-N的浓度变化：

灭菌组沉积物-水系统中不同位置NO₃ ^--N的浓度变化：

由上述公式，可计算得到灭菌组沉积物-水系统中不同位置NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N的变化量如下表所示：

由上述表可知，沉积物中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N的浓度变化较小，而间隙水和上覆水变化量较大，而且两者变化量符号相反，绝对值接近，可得在试验条件下，灭菌组中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N从间隙水迁移至上覆水中；

根据上述公式，计算间隙水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N迁移量分别为：

根据上述迁移率公式得到间隙水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N的迁移率，如下表所示：

在对照组中，根据上述步骤对对照组中各形态氮的生物转化量进行测定，结果如下所示：

对照组沉积物中AAN、NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的浓度变化表：

对照组间隙水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N的浓度变化表：

对照组上覆水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N的浓度变化表：

由上述表可知，管道沉积物中迁移量很小，主要是生物转化作用导致形态氮浓度变化，缺氧条件下，氨化细菌将有机氮(如AAN)转化为NH₄ ⁺-N，且硝化过程受到抑制，NH₄ ⁺-N无法被转化；因此，NH₄ ⁺-N增量可视为AAN的生物转化量；在反硝化细菌作用下，NO₃ ^--N转化为NO₂ ^--N，NO₃ ^--N的生物转化量与其浓度变化量相关。

根据上述计算计算出雨水管道沉积物和间隙水中AAN→NH₄ ⁺-N、ON→NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N→NO₂ ^--N的生物转化量，如下表所示：

并将上述计算的不同位置各形态氮的生物转化量与其初始值对比，可计算出雨水管道沉积物和间隙水中AAN→NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N→NO₂ ^--N的生物转化率，如下表所示：

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建试验装置，包括多个相同的容器，各个容器内底部填入灭菌沉积物，并倒入上覆水；

S2、对各个容器内沉积物和上覆水进行取样，其中，对各个容器按顺序标记，并每隔预设天数，按标记顺序进行取样；

S3、对样品进行测定，具体包括：

a、将各个样品中的沉积物在5000r/min转速下离心20min，过滤得到间隙水；

b、将离心得到的沉积物残渣烘干和研磨后，分成两部分，一部分，过100目筛，用2mol/LKCl溶液浸取，得到沉积物；另一部分，用6mol/L HCl溶液，在120℃下酸解24h，用于测沉积物中AAN；其中，上覆水、间隙水和沉积物中的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N均采用紫外分光光度法测定；

S4、根据测定结果，计算的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的变化量，以及NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的迁移率和转化率。

2.根据权利要求1所述的一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，其特征在于：在步骤S1中，容器均匀分成灭菌组和对照组，其中，灭菌组中的容器内底部填入灭菌沉积物，并倒入上覆水，对照组中的容器内底部填入原沉积物，并倒入上覆水。

3.根据权利要求2所述的一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，其特征在于：沉积物平铺后放入超净工作台，在紫外灯下照射48h，得到灭菌沉积物。

4.根据权利要求2所述的一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，其特征在于：各个所述容器开口处均用PVC保鲜膜包裹，使所述容器内构成缺氧的环境。

5.根据权利要求1所述的一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，其特征在于：在步骤S2中，沉积物的取样区域为沉积物-水界面以下0-20mm处。

6.根据权利要求2所述的一种管道沉积物-水系统中氮迁移和转化的量化计算方法，其特征在于：在步骤S4中，NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N的变化量计算公式为：ΔC＝C-C⁰；其中，ΔC为灭菌组不同位置NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的浓度变化量，C为最后一次取样时灭菌组不同位置NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的浓度，C⁰为第一次取样时不同位置NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的浓度；

NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的迁移量计算公式为：ΔM＝-ΔC，其中，ΔM为间隙水中NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的迁移量；

NH₄ ⁺-N或NO₃ ^--N的迁移率计算公式为：

其中，r_M为迁移率；

管道沉积物中AAN→NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N→NO₂ ^--N的转化量计算公式分别为：

和

其中，ΔST_AAN、

分别为沉积物中AAN、NO₃ ^--N的生物转化量，

为对照组沉积物中NH₄ ⁺-N的增量，

为第一次取样时对照组沉积物中NO₃ ^--N的浓度，

为最后一次取样时对照组沉积物中NO₃ ^--N的浓度；

雨水管道间隙水中ON→NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N→NO₂ ^--N的生物转化量计算公式分别为：

和

其中，ΔIT_ON、

分别为间隙水中ON、NO₃ ^--N的生物转化量，

为对照组间隙水中NH₄ ⁺-N的增量，

为对照组间隙水中NO₃ ^--N的减少量，

为间隙水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N的迁移量；

AAN或NO₃ ^--N的转化率公式为：

其中，r_T为转化率，ΔT为不同位置AAN或NO₃ ^--N的生物转化量，C⁰为第一次取样时不同位置AAN或NO₃ ^--N的浓度。

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