CN114639448A - 一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法 - Google Patents

一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,属于环境工程领域。本发明方法可以通过确定河道流速与氨氮浓度降解速率之间的定量模型关系;建立氨氮降解速率三维模型;根据生物填料布设方式对氨氮降解效果进行预测。本发明首次使用数学模型的方法对河道流速与氨氮降解速率进行定量化的研究,通过河道流速对氨氮降解速率的定量数学模型,可了解河道流速对氨氮降解影响的程度,可预测填料布设量对氨氮去除率的影响,从而更好的优化填料布设的方式及长度,提高氨氮去除率和河道净化效果。从而推进河道污染原位生物修复中数学模型方法的发展和创新。本发明方法可用于河道或者湖泊等水体污染治理,应用广泛。

Description

一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法
技术领域
本发明属于环境工程领域,具体涉及一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法。
背景技术
随着我国经济水平和城市化率的提高,环境污染日益严峻,我国河流污染状况不容乐观。我国河流污染以有机污染为主,主要污染物是氨氮、高锰酸盐、挥发酚等,这些因素导致的水环境问题,具有影响范围广,危害严重,治理难度大等特征。
我国属于缺水型发展中国家,水源安全也是社会发展的重要保障,所以污水处理非常重要。生物接触氧化法是从一种常用的废水生物处理法。在该工艺中污水与生物膜相接触,在生物膜上微生物的作用下,可使污水得到净化,因此又称“淹没式生物滤池”。实际应用中主要依据天然河床、人工填充滤料等载体上附着的生物膜,在人工辅助曝气或者直接利用水中溶解氧的条件下,通过吸附、降解及过滤作用去除河水中的污染物。生物接触氧化法具有有机负荷高、载体比表面积大、处理效率高等特点。生物接触氧化工艺的生物膜系统极易受到河道流速的影响。水流状态会影响生物膜表面与水体之间的传质过程,从而影响污染物的降解过程。
因此,研究河道流速与污染物降解速率之间的关系,量化污染物降解速率和程度,是目前研究的方向之一,该研究可以帮助提高污染物的降解速率。然而,目前本领域尚未有建立河道流速与污染物降解速率之间的模型关系的相关报道。
发明内容
针对本领域现有技术的不足,本发明提供一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法。本发明目的就是建立河道流速与污染物降解速率之间的模型关系,量化污染物降解速率和程度,预测污染物降解的效率与载体的布设方式的关系。对河道流速变化及生物接触氧化去除氨氮的过程进行量化,为填料布设及净化效果预测提供理论依据。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案是:一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,步骤如下:建立河道三维流速模型;在模型内固定生物填料;确定生物填料各位置的流速;建立流速与氨氮降解速率的关系模型;建立氨氮降解速率三维模型;然后,对生物填料的布设方式及氨氮去除效果进行预测。
具体地,所述预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,步骤如下:
(1)确定河道基本参数,并建立河道流速三维模型;
(2)对河道水质进行测定;
(3)根据河道水质,进行模拟实验;
(4)确定河道流速与氨氮浓度降解速率之间的定量模型关系;
(5)基于步骤(1)和(4)建立氨氮降解速率三维模型;
(6)根据生物填料布设方式对氨氮降解效果进行预测。
所述步骤(1)中,河道基本参数包括:长度、宽度、深度、液位、河道切面流速;所述河道切面流速包括断面流速和垂线流速。将各数据一一对应,做出包含断面流速分布和垂线流速分布的河道流速三维模型图。
所述步骤(2)中,所述的水质测定内容包括:水温、DO、氨氮、TP、TN和COD等。
所述步骤(3)中,根据河道水质配制进水,接种污泥,投加填料,对河道污染物去除情况进行模拟。具体是根据步骤(2)中的测量结果,用药品模拟水质,使用河道底泥作为接种污泥,通过交替布设法添加投料,模拟污染物去除情况。
所述步骤(4)中,当模拟河道内氨氮去除速率温度或趋于稳定后,改变河道流速,测定单位时间内固定流速下氨氮与各水质成分的变化,确定流速与氨氮降解速率之间的定量关系。
所述步骤(5)中,基于河道三维流速模型和流速与氨氮降解速率之间的定量关系,建立河道三维氨氮降解速率模型。
所述步骤(6)中,根据河道实际水质及生物填料布设方式,按照三维氨氮降解速率模型进行计算,对氨氮去除情况进行预测。
本发明一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,可以用于河道或者湖泊等水体污染治理,应用广泛。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明首次使用数学模型的方法对河道流速与氨氮降解速率进行定量化的研究,通过河道流速对氨氮降解速率的定量数学模型,可了解河道流速对氨氮降解影响的程度,可预测填料布设量对氨氮去除率的影响,从而更好的优化填料布设的方式及长度,提高氨氮去除率和河道净化效果。
(2)本发明使用数学模型的方法测定河道流速对氨氮降解速率的影响,较之于其它传统方法,更加严谨和精确,数学模型的使用实现了定量化的研究。数学定量的优势在于可以统筹各方面的影响因素,寻求一个最适化的填料布设方式,从而提高氨氮去除效果。
(3)本发明在完善河道污染原位生物修复数学模型的同时,也为实现智慧水务提供基础数据。
(4)本发明的测定方法简洁易操作,可重复率高,便于推广使用,从而推进河道污染原位生物修复中数学模型方法的发展和创新。
附图说明
图1为河道切面流速图。其中A为河道宽度方向的河道水平切面流速图;B为河道长度方向的河道水平切面流速图;C为河道深度方向的河道垂直切面流速图;D为河道切面流速三维模型图
图2填料布设方式示意图。
图3氨氮去除率测定图。
图4流速对氨氮降解速率影响。
图5为河道氨氮降解速率图。其中A为河道宽度方向的河道水平切面氨氮降解速率图;B为河道长度方向的河道水平切面氨氮降解速率图;C为河道深度方向的河道垂直切面氨氮降解速率图;D为河道氨氮降解速率三维模型图。
图6流速与生物膜填料布设长度的关系图(3mg-N/L)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。所述方法如无特殊说明均为本领域常规方法,所述试剂和装置如无特殊说明均可从商业途径获得。
实施例1、一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,基于河道三维流速和流速与氨氮降解速率的定量关系,对生物膜处理后的氨氮浓度进行预测,具体方法步骤如下:
(1)确定河道基本参数,并建立河道流速三维模型;河道基本参数包括:长度、宽度、深度、液位,河道平切面流速。具体数值见表1。
河道平切面流速三维模型包括断面流速分布和垂线流速分布。将河道长度与河道宽度、流速等数据一一对应,做出水平断面和垂直断面的流速分布图。假设河道中心流速最大为0.2m,深度为3.0m,模拟得到水平断面流速与河道宽度相关关系的线性方程:y=-0.00006*x2+0.0057x+0.0523;河道中心垂直断面流速与河道深度相关关系的线性方程:y=-0.0222*x2-4*10-16x+0.2。河道切面流速分布图见图1。
表1河道基本参数表
Figure BDA0003556983780000041
步骤(2)对河道水质进行测定:所述的水质测定内容包括:水温、DO、氨氮、TP、TN和COD等。水温、DO通过DO检测仪进行数据收集,氨氮测量方法详见HJ535-2009,TP测量方法详见GB11893-89,氨氮测量方法详见HJ535-2009,TN测量方法详见HJ636-2012,COD测量方法详见HJ828-2017。具体数据见表2。
表2河道水质数据表
Figure BDA0003556983780000051
步骤(3)根据河道水质,进行模拟实验;基于步骤(2)河道水质(表2)配制进水,使用河道底泥作为接种污泥,投加填料,对河道污染物去除情况进行模拟。配制进水采用药品模拟水质,氨氮用碳酸氢铵NH4HCO3模拟,亚硝酸盐氮用亚硝酸钠NaNO2模拟,硝酸盐氮采用硝酸钾KNO3模拟,磷采用磷酸钠Na3PO4模拟,COD采用乙酸钠CH3COONa模拟(表3),使用河道底泥作为接种污泥,通过交替布设法添加单个体积0.0005m3污泥填料7个(图2)。填料完全浸没入水体内,填料为垂直悬挂的丝状生物填料为有机高分子弹性材料,丝状填料表面具有毛刺结构,既可以增大比表面积又不易堵塞,有利于生物膜的挂膜和生长。
表3模拟配水表
参数名称 参数值 药品名称 药品浓度
流速 0.1m/s -
氨氮 3.0mg-N/L 碳酸氢铵 0.0169g/L
亚硝酸盐氮 0.5mg-N/L 亚硝酸钠 0.0025g/L
硝酸盐氮 10.0mg-N/L 硝酸钾 0.0722g/L
总磷 0.2mg-P/L 十二水合磷酸钠 0.0025g/L
COD 30mg-COD/L 乙酸钠 0.0517g/L
步骤(4)确定河道流速与氨氮浓度降解速率之间的定量模型关系;当模拟河道内氨氮去除速率稳定后(图3),通过改变河道流速,从流速0.02m/s开始逐步提高流速,并通过测定单位时间内固定流速下氨氮与各水质成分的变化量,确定流速与氨氮降解速率之间的定量关系(图4)。流速小于0.3m/s时,y=5.6142x+0.2266;流速大于0.3m/s时,y=-9.9474x+5.178。
步骤(5):基于上述步骤(1)和(4)建立氨氮降解速率三维模型;
基于河道三维流速模型和流速与氨氮降解速率之间的定量关系,建立河道三维氨氮降解速率模型,如图5。水平断面氨氮降解速率与河道宽度相关关系的线性方程:y=-0.0003*x2+0.0318x+0.052;河道中心垂直断面氨氮降解速率与河道深度相关关系的线性方程:y=-0.1248*x2+2*10-15x+1.3494。
步骤(6)根据生物填料布设方式对氨氮降解效果进行预测
根据河道实际水质及生物填料布设方式,按照三维氨氮降解速率模型进行计算(暂不考虑深度对氨氮降解速率的影响影响),对氨氮去除情况进行预测,见表4。
Figure BDA0003556983780000071
根据现有实验结果和试验的实际水质及流量,不考虑流速冲击等影响,假设生物膜填料的布设深度为2.0m,宽度为60m,设置方式如图2相同。在流速等于0.3m/s时,氨氮降解速率最大。在流速小于0.3m/s时,氨氮降解速率与流速呈正比关系,关系遵循方程y=5.6142x+0.2266;在流速大于0.3m/s时,氨氮降解速率与流速呈反比关系,关系遵循方程y=-9.9474x+5.178。在流速为2.0和3.0m/s时,所需布设的填料长度最短,分别为1369.13和1431.95m即可将3mg-N/L的氨氮完全降解。流速与生物膜填料布设长度的关系(3mg-N/L)见图6。

Claims (10)

1.一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,其特征是,步骤如下:
(1)确定河道基本参数,并建立河道流速三维模型;
(2)对河道水质进行测定;
(3)根据河道水质,进行模拟实验;
(4)确定河道流速与氨氮浓度降解速率之间的定量模型关系;
(5)基于步骤(1)和(4)建立氨氮降解速率三维模型;
(6)根据生物填料布设方式对氨氮降解效果进行预测。
2.如权利要求1所述的一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,其特征是,所述步骤(1)中,河道基本参数包括:长度、宽度、深度、液位、河道切面流速;所述河道切面流速包括断面流速和垂线流速。
3.如权利要求1所述的一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,其特征是,所述步骤(2)中,所述的水质测定内容包括:水温、DO、氨氮、TP、TN和COD。
4.如权利要求1所述的一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,其特征是,所述步骤(3),根据河道水质配制进水,接种污泥,投加填料,对河道污染物去除情况进行模拟;所述填料采用交替布设法投加。
5.如权利要求1所述的一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,其特征是,所述步骤(4),当模拟河道内氨氮去除速率温度或趋于稳定后,改变河道流速,测定单位时间内固定流速下氨氮与各水质成分的变化,确定流速与氨氮降解速率之间的定量关系。
6.如权利要求5所述的一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,其特征是,所述步骤(4)中,所述流速与氨氮降解速率之间的定量关系:流速小于0.3m/s时,y=5.6142x+0.2266;流速大于0.3m/s时,y=-9.9474x+5.178。
7.如权利要求1所述的一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,其特征是,所述步骤(5),基于河道三维流速模型和流速与氨氮降解速率之间的定量关系,建立河道三维氨氮降解速率模型。
8.如权利要求1所述的一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,其特征是,所述水平断面氨氮降解速率与河道宽度相关关系的线性方程:y=-0.0003*x2+0.0318x+0.052;河道中心垂直断面氨氮降解速率与河道深度相关关系的线性方程:y=-0.1248*x2+2*10-15x+1.3494。
9.如权利要求1所述的一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,其特征是,所述步骤(6),根据河道实际水质及生物填料布设方式,按照三维氨氮降解速率模型进行计算,对氨氮去除情况进行预测。
10.权利要求1所述的一种预测流速对河道氨氮污染物降解速率影响的模型方法,在水体污染治理中的应用。
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