一种利用跌水促进水体中低浓度溶解氧恢复的方法与流程

本发明涉及一种低浓度溶解氧恢复技术，特别涉及一种利用跌水来促进水体中低浓度溶解氧恢复为正常浓度值即标准值的方法，属于城市排水中低浓度溶解氧恢复
技术领域：
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背景技术：
：溶解氧(dissolvedoxygen，简称do)不仅是监测水质的重要指标之一，同时对水生生物的生存也有着重大影响。正常标准的do浓度值有助于水体中促进营养物质循环，并且也促使水体中沉积物和金属元素的相互作用，以提高自身水体的自净能力。然而在现实生活中，由于各种自然环境和人为因素，do浓度往往没有达到正常浓度即标准值。低浓度do主要是由水体富营养化，或无法进行氧气传质，或污水处理不全面等而导致；低浓度do易存在于河口，沿海区域，城市排水系统，或被冰覆盖的湖泊或水库等。大量资料证明，低浓度的do不仅仅直接对鱼类等水生生物的生长速率，应激水平，呼吸能力等方面产生不利影响，甚至还可以导致鱼类等水生生物大量死亡，从而对水生生态系统造成严重危害。同时低浓度do易造成水体内好氧菌减少且厌氧菌大量繁殖，致使水体自净能力减弱甚至丧失。就目前而言，针对于低浓度do的恢复有多种方法。其中有直接通过曝气装置使低浓度溶解氧的水体得到恢复。此方法复氧效率高，对水体没有二次污染，但购置设备需要较大的费用。其次，也有通过旋转器(rotor)来增大表层水体与空气的接触面积从而达到低浓度溶解氧恢复的目的，但此方法需消耗电功功率相对较大、且仅对水体表层的溶解氧恢复较快。跌水是在城市排水系统中十分常见的水流形态。利用城市排水中自然跌水对欠饱和溶解氧进行恢复，不仅仅可以节省污水处理的时间，也可以减少费用，同时对城市排水系统的设计也有重大意义。因此探讨自然跌水促进do在水体中的快速恢复技术，不仅可以丰富水与氧气传质过程的研究，而且对水体中水生生态保护和水质恢复有着重要的实际应用价值和现实意义。水体中低浓度溶解氧的恢复过程即复氧过程属于水气界面传质过程，而其传质过程与诸多因素有关，如传质时间，初始溶解氧浓度值等，是十分复杂的氧气传质问题。技术实现要素：本发明的目的正是针对现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种利用自然跌水促进水体中低浓度溶解氧(do)恢复的新方法。该方法通过改变跌水初始浓度值，跌水水头和跌水流量等水动力学条件来实现水体中低浓度溶解氧恢复。为实现本发明的目的，本发明是通过以下技术措施构成的技术方案来实现的。本发明所述提出一种利用跌水来促进水体中低浓度溶解氧恢复的方法，按照本发明，通过自然跌水的流水形态来实现水体中低浓度溶解氧的恢复，包括以下工艺步骤：(1)在实验开始前，往水池内注入定量清水，再加入100-1000g亚硫酸钠(na2so3)和0.1-1g氯化钴(cocl2)，并搅拌使其与水体中do充分反应，此时控制水体中do初始浓度值维持在一个范围内；(2)待水池中的溶解氧初始浓度稳定后，分别通过控制出水口系统中第一球阀至第五球阀的启闭状态，来调整跌水的各出水口高程；(3)开启水池中的水泵，利用第六球阀和电磁流量计来调整跌水流量；(4)待跌水水流稳定后，使用采样瓶分别对跌水的各出水口处的水流和进入水垫塘之前的水流进行采样；(5)利用溶氧仪对采样瓶中所采得的水体的温度及溶解氧浓度进行测定，当溶氧仪中显示的do浓度和温度读数稳定后再记录其上读数，即测得水体中对应温度的溶解氧浓度值。上述技术方案中，所述往水池内注入的清水量为23m3。上述技术方案中，所述水池中的do初始浓度值维持在0.3mg·l-1～8.5mg·l-1之间。上述技术方案中，步骤(2)中所述跌水的各出水口高程分别调整为5.80m，4.85m，2.85m，1.38m和0.38m五个高程。上述技术方案中，步骤(3)中所述跌水出水口流量控制在5.0m3·h-1～20.0m3·h-1。上述技术方案中，所述使用的采样瓶为细口采样瓶。上述技术方案中，步骤(5)中所述的测量温度值维持在9.5℃～13.4℃。本发明提出的利用跌水来促进水体中低浓度do恢复的方法，所述跌水是在城市排水系统中一种极为常见的水流形态；合理利用跌水有助于加快低浓度do的恢复，减少不必要的污水处理环节；同时为今后的城市排水系统设计有着重要的实际工程意义。本发明通过所述的利用跌水来促进水体中低浓度溶解氧的恢复，这对于减缓城市排水系统及其下水道系统的低浓度溶解氧对水生生态环境的不利影响和水体自净能力的减弱具有重要的研究依据和实际意义；同时对低浓度do的复氧过程及其影响的减缓措施的研究提供了基础数据和理论依据，为建立水生生态友好城市排水系统有着积极的促进作用。本发明所述一种利用自然跌水促进水体中低浓度do恢复的方法所具有的优点及有益的技术效果如下：1.本发明提出的利用跌水方式来加快促进水体中低浓度do恢复的方法，该方法不仅丰富了水与氧气传质过程的研究，同时为低浓度do的恢复过程及其影响的减缓措施的研究提供了基础数据和理论依据。2.本发明提出的利用跌水方式促进水体中低浓度do恢复的方法，对水体的自净能力的提高有着重要研究价值，其适用范围广泛，是减缓城市排水系统及其下水道系统中的低浓度do对水生生态环境和水生生物不利影响操作性较强的措施，且不会对水体造成二次污染。3.本发明提出的利用跌水方式促进水体中低浓度do恢复的方法中所用的跌水是在城市排水系统中一种极为常见的水流形态；合理利用跌水有助于加快低浓度do的恢复，减少不必要的污水处理环节。同时为今后的城市排水系统设计有着重要的实际工程意义。4.实现本发明提出的利用跌水促进水体中低浓度do恢复的方法的实验装置，其结构简单，操作方便，成本低；不仅对低浓度的do恢复效果好，且节约了对不达标水体的处理的时间和费用；这不仅能快速恢复水体自身的自净能力，而且对创建友好健康的水生生态环境有着重要意义。附图说明图1本发明所述利用跌水促进水体中低浓度溶解氧恢复的方法所采用的试验装置结构示意图；图2本发明溶解氧浓度恢复值δc和出水口高程h的关系曲线图；图3本发明溶解氧浓度恢复值δc与出水口流量q的关系曲线图；图4本发明溶解氧浓度恢复值δc与溶解氧初始浓度c0的关系曲线图。图中，1为水泵，2为水池，3为第六球阀，4为电磁流量计，5为出水口系统，6为水垫塘，7为排水口，8为溶氧仪，9为第一球阀，10为第二球阀，11为第三球阀，12为第四球阀，13为第五球阀。具体实施方式下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容，即并不意味着是对本发明保护内容的任何限定。本发明所述利用跌水促进水体中低浓度溶解氧恢复的方法所采用的实验装置，其结构如图1所示，包括水泵1，水池2，第六球阀3，电磁流量计4，出水口系统5，水垫塘6，排水口7，溶氧仪8，第一球阀9，第二球阀10，第三球阀11，第四球阀12，第五球阀13；所述出水口系统5由五个不同高程，即分别为5.80m，4.85m，2.85m，1.38m，和0.38m的出水口高程以及其上游分别对应的五个球阀即第一球阀9、第二球阀10、第三球阀11、第四球阀12和第五球阀13组成，各出水口为水平态，管径一致且都为50mm；所述水垫塘6底部排水口7排水通畅，水垫塘6中的水深为0cm；所述水泵1、第六球阀3、电磁流量计4和出水口系统5之间皆用化工塑料管相连；溶氧仪8用于测量采样瓶中所取得的跌水的各出水口处的水流和其进入水垫塘之前的水流的温度值和对应do浓度值。实施例本实施例在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室内进行。所述出水口系统5由五个高程不同但管径相同的水平化工管出水口组成，出水口上游处都安装有球阀以单独控制每个出水口的启闭状态；所述电磁流量计其量程范围为0.25l·s-1～29.4l·s-1；所述水池2可容纳23m3水体；所述水垫塘6排水通畅，水深为零且水池长宽高分别为5m，1m，1m；所述水泵1达到jb/t8092-2006的标准，其扬程为30m，流量为50m3·h-1。所述溶氧仪8的型号为wtwoxi3210，其量程为0.0mg·l-1～90.0mg·l-1，其精度为±0.5％；所述采样瓶使用细口瓶。本实施例所述利用跌水促进水体中低浓度溶解氧恢复的方法，具体操作步骤如下：1.按照图1的结构布置安装好各个仪器设备；2.实验开始前，先往水池2中注入23m3的清水，再加入和1000g的na2so3和1gcocl2，并搅拌水池2中的水体，使na2so3能与水体中的溶解氧充分反应且do初始浓度降低至1.0mg·l-1左右；3.待水池中do初始浓度稳定后，再开启第六球阀3的情况下仅开启出水口系统5中的第一球阀9，并保证出水口系统5中余下第二球阀～第五球阀(10～13)处于闭合状态，并使出水口高程满足5.80m，记录此出水口高程；4.启动水泵1，通过第六球阀3的启闭程度和电磁流量计4对跌水流量的监测来调整出水口跌水流量并记录，使跌水各出水口流量分别控制在5.0m3·h-1，10.0m3·h-1，12.5m3·h-1，15.0m3·h-1，20.0m3·h-1；5.待跌水出水口流量稳定后，分别用细口瓶在跌水水流的各出水口处和其进入水垫塘底部之前进行采样；6.采用溶氧仪8对采样得到的跌水水体的do浓度分别进行测量，待采样水体中温度值和do浓度值稳定后，记录其温度值和对应do浓度值；7.开启出水口系统5中第二球阀10，并保证出水口系统5中的其余球阀处于闭合状态，并使出水口高程满足4.85m，重复上述步骤4～6；8.开启出水口系统5中第三球阀11，并保证出水口系统5中的其余球阀处于闭合状态，并使出水口高程满足2.85m，重复上述步骤4～6；9.开启出水口系统5中第四球阀12，并保证出水口系统5中的其余球阀处于闭合状态，并使出水口高程满足1.35m，重复上述步骤4～6；10.开启出水口系统5中第五球阀13，并保证出水口系统5中的其余球阀处于闭合状态，并使出水口高程满足0.38m，重复上述步骤4～6；11.重新往水池2中注入23m3的清水，再加入750g的na2so3和0.75gcocl2以改变水池中do的初始浓度，使其do初始浓度为2.5mg·l-1左右，重复上述步骤3～10；然后停止试验。12.重新往水池2中注入23m3的清水，再加入500g的na2so3和0.5gcocl2以改变水池中do的初始浓度，使其do初始浓度为4.5mg·l-1左右，重复上述步骤3～10；然后停止试验。13.重新往水池2中注入23m3的清水，再加入350g的na2so3和0.3gcocl2以改变水池中do的初始浓度，使其do初始浓度为6.0mg·l-1左右，重复上述步骤3～10；然后停止试验。14.重新往水池2中注入23m3的清水，加入150g的na2so3和0.15gcocl2以改变水池中do的初始浓度，使其do初始浓度为7.2mg·l-1左右，重复上述步骤3～10；然后停止试验。15.重新往水池2中注入23m3的清水，再加入100g的na2so3和0.1gcocl2以改变水池中do的初始浓度，使其do初始浓度为8.2mg·l-1左右，重复上述步骤3～10后，停止试验；在跌水情况下，考虑到跌水各出水口处的do初始浓度c0和进入水垫塘之前的do浓度c1，跌水恢复的do恢复值δc被定义为下述公式：δc＝|c1-c0|(1)式中，c0跌水出水口处do初始浓度，c1进入水垫塘之前do浓度。图2为通过实验的结果，在不同do初始浓度情况下，do浓度的恢复值δc和出水口高程h的关系曲线。结果表明，特定do初始浓度c0下，出水口高程h愈大，do浓度的恢复值δc愈大，但当高程增加到一定程度时，δc的增加趋势逐渐减缓。总体看来，δc与h近似呈现负指数关系，满足华盛顿大学提出的一阶动力学方程，其公式表达如下：式中，c为计算时刻的do浓度，mg·l-1；ceq为do饱和浓度，mg·l-1；t为传质时间，s；k为复氧系数，s-1。同时公式(2)可改写为下式(3)：其中传质时间t可根据以下公式(4)计算而得：式中，h为出水口高程，m；g为重力加速度，m·s-2。当水体中的溶解氧处于低浓度状态时，在空气中的跌水可以促进水体与空气的氧气传质，使溶解氧浓度向饱和态转变。在本次实施例中，共设置了50组工况，采用5.0m3·h-1，10.0m3·h-1，12.5m3·h-1，15.0m3·h-1，20.0m3·h-1出水口流量；出水口高程分别为5.8m，4.85m，2.83m，1.38m和0.38m，do初始浓度值的变化范围为0.4mg·l-1～8.5mg·l-1，即分别在1.0mg·l-1，2.5mg·l-1，4.5mg·l-1，6.0mg·l-1，7.2mg·l-1，8.2mg·l-1左右；同时采样瓶中温度的变化范围为9.5℃～13.4℃。各个工况的低浓度do的复氧系数k通过公式(2)拟合得到，实验工况及各组工况的试验参数统计见表1。表1跌水促进低浓度溶解氧恢复的实验工况表通过本实施例所得实验结果如图3所示的溶解氧浓度恢复值δc与出水口流量q的关系曲线图，从图3中可以看出在同一do初始浓度c0和出水口高程h的情况下，do浓度的恢复值δc与出水口流量q没有明显的变化规律。在同一出水口高程，不同出水口流量情况下，δc在上下1mg·l-1的范围内波动。当出水口高程h＝5.8m时，δc为3.8mg·l-1～4.4mg·l-1；出水口高程h＝2.85m时，δc为2.1mg·l-1～3.2mg·l-1；当出水口高程h＝0.38m时，δc为0.6mg·l-1～1.6mg·l-1。分析原因认为，在出水口流量主要影响跌水水流入水冲击点的冲击角度和冲量大小，虽然跌水在空中出现破碎，加快了水气传质作用，促进了过饱和do浓度的恢复，但试验条件下不同出水口流量对应的水体破碎程度差距不大，因而各出水口流量工况下空中do浓度变化值的差别在一定范围波动，没有明显的线性关系。通过本实施例实验结果得到的图4所示，为同一出水口流量q下，do浓度在空中的恢复值δc与do初始浓度c0的关系曲线图。可以看出，特定跌水水流高程h下，δc随c0的增大而增大，二者呈现较好的线性关系。这是因为，低浓度的do恢复为非平衡的过饱和态向平衡的饱和态转化的物理过程，c0越小，水体与空气间do浓度梯度越大，因而物质扩散的驱动力也相应越大，从而低浓度do的恢复量也越大。根据前述不同水力条件下各组分do浓度的复氧系数实验结果，同样通过曲线拟合得到在不同do初始浓度下的释放系数，见表2。表2do浓度的复氧系数k随do初始浓度c0变化的取值统计表c0(mg·l-1)1.02.54.56.07.08.2k(s-1)0.5810.4870.2770.2530.3420.337综上，根据本发明实施例所得do浓度恢复值与跌水高程的负指数关系，在实际的城市排水系统中，可以通过增加跌水水头(即跌水高程)，增加跌水的水流形态等措施，达到低浓度do恢复至标准值的目的。通过do初始浓度和跌水流量对溶解氧传质的影响研究，可以为跌水与空气的氧气传质提供理论依据，为建立友好城市排水系统打下良好基础。当前第1页12