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河湖底泥有机污染物迁移转化规律研究

李剑超  
【摘要】: 河湖中的有机污染是现在国内外环境污染的重要问题之一,这一点在我国尤为突出,90年代末期这种状况有加剧的趋势。这不仅使我国本来就紧缺的水资源更为紧缺,而且直接威胁着人们的身体健康和生态平衡。水环境底泥沉积物在有机污染物的迁移、化学形态和它们的生物学归宿方面都起主要作用。而有机污染物一旦与固体颗粒物结合,其迁移过程中的归宿就又要受许多因素的影响。只有综合研究污染物、水流、底泥及颗粒物的相互作用才能更好地揭示出其中的机理,为污染的控制、防止与治理提供了理论的依据,同时也为系统地分析和环境的规划奠定基础。本文致力于底泥有机污染物及其迁移转化规律的研究,取得了一定的成果。现摘要如下: 首先研究了底泥系统COD污染物赋存状态,及其影响因素。通过在不同温度下静态培养实验,发现底泥间隙水中的COD污染物和与之平衡的底泥颗粒固相表面吸附的污染物是底泥系统污染物存在的主要形式。同时,环境温度显著影响底泥间隙水有机污染物的平衡,在温度较低时,间隙水有机污染物所能达到的平衡浓度较低,达到平衡所需时间较长。 研究了底泥系统的分层特性。通过底泥的分层实验研究,发现底泥间隙水中的污染物具有不同的分层特性。底泥间隙水COD污染物浓度在最上层,由于向上覆水体的静态释放而较低,1cm以下则较为均匀;同时,随着深度的增加,底泥湿容重和干容重呈增大的趋势,而含水率随底泥深度的增加而减小。 研究了重金属和有机物来源对底泥间隙水性质的影响。通过为期90d的静态培养实验研究发现,外源铜对间隙水的作用比较显著,它可以显著提高间隙水的pH值、硅浓度和钾浓度,但却显著降低铁浓度。对于不同组成的两种有机物料的实验研究显示,对于分解较为迅速、分子量相对较小的有机物,在厌氧条件下,它们可以极显著地降低了间隙水的氧化还原电位Eh,提高pH值,而且其作用在不同固相来源的系统上是不同的。易分解的有机物料的作用在前期远高于难于分解的有机物料,但在后期难于分解的物料的作用加强,而易于分解的则明显降低。 研究了底泥冲刷悬浮状态下影响水质的主要途径。通过不同水力条件下底泥有机污染物释放的实验研究,发现,底泥冲刷悬浮影响水质的主要途径是,底泥间隙水中的COD污染物和与之平衡的底泥颗粒固相表面吸附的污染物,在悬浮混合过程中,向上覆水体的释放。本文还进行了底泥有机污染物的静态实验和悬浮底泥颗粒COD污染物扩散释放的实验研究。 研究了射流过程的规律。射流的起始段由于势流核心的存在而与充分发展段具有不同的断面速度分布。本文在分析的基础上,首次提出了一个统一起始段、过渡段与充分发展段的断面速度分布公式,使得射流研究更符合连续发展的实际特点。使用上述新的速度断面分布式,推导出了大口径射流断面的特征半径以及基于此特征半径的射流速度分布,发现对于环境中的射流发展,主要的影响因素包括射流出口速度、环境流速、射流出口大小等。 研究了螺旋桨射流作用下的底泥起动范围及其影响因素。结合上述螺旋桨射流的计算方法以及粘性底泥起动流速的公式,对螺旋桨射流作用下的底泥起动范围及其影响因素进行研 摘要 究,发现螺旋桨射流的出口速度、螺旋桨水下深度、周围水体流动方向及流速等对于底泥扰 动范围都有显著影响。利用河流底泥冲刷率的计算公式,分析研究了螺旋桨作用下底泥扰动 悬浮速率及其影响因素。 研究建立了底泥系统间隙水COD污染物模型。通过对底泥系统中有机物料厌氧生物降 解途径,以及有机物种类的分析,从新的角度对底泥系统中的有机物进行分类;在此基础上 首次提出了底泥系统COD污染物模型,它在ADS方程的基础上,增加了COD生成项。并 使用这个模型进行了模拟计算,发现它与实验测得的数据吻合得较好;且针对方程各个参数 的敏感程度进行了模拟计算。 研究建立了底泥冲刷悬浮作用下的水质COD模型。在以上研究的基础上提出了底泥冲 刷悬浮作用下的水质模型,它全面包含了各影响因素,其中包括了以前的水质模型未正确考 虑的底泥间隙水有机污染物及与之平衡的固相表面吸附的污染物释放,本文给出了各因素的 计算方法。在上述的水质模型中针对底泥间隙水有机污染物及与之吸附/解吸平衡的污染物释 放,首次提出了原始底泥冲悬量的概念,并结合泥沙动力学初步提出了其计算和确定的方法。 本文进行了大量的实验工作和理论研究,较全面地分析了水环境底泥系统中有机污染的 迁移转化的规律,取得了许多具有创新性的成果。可以为今后底泥系统污染物的研究提供指 导,同时为相似的多介质环境污染物迁移转化规律研究提供借鉴。


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