论文部分内容阅读
黄河是世界上含沙量最大、平均浊度最高的河流,其泥沙根据存在状态的不同,可分为沉积性泥沙（底泥）和悬浮态泥沙（悬浊物质）。黄河泥沙有巨大的比表面积,它们与排入河流水体中的有机污染物在接触面上会发生复杂的界面效应;其粗糙多孔的表面存在着多种活性物质,增强了泥沙对水体污染物的吸附降解作用。因此黄河泥沙成为污染物在河流水体中的扩散、迁移和转化的主要载体,从而影响河流流经区域的生态环境。研究黄河泥沙的吸附降解机制对黄河水环境生态评判有重要意义。本文以黄河兰州段泥沙为研究对象,从分析其物化特征出发,研究了其与水体浊度的关系;运用传统的动力学实验方法和等温平衡实验方法,探讨了黄河泥沙吸附CODmn的规律和影响因素,求出了能更好的模拟黄河泥沙对CODmn吸附行为的模型,计算出有关热力学状态函数,分析了吸附机理和吸附能力。通过吸附动力学和热力学方法探究了黄河泥沙对CODmn的吸附和降解能力大小,比较了沉积性泥沙（底泥）和悬浮态泥沙（悬浊物质）的吸附、降解能力差异;利用平板计数法探讨了黄河中微生物在底泥、悬浊物质与水体中的分布特征;利用响应面法研究混凝、过滤、微絮凝等方法对不同时期黄河浊度水（夏季、冬季）的最优处理效果及影响因素。得到如下结论:（1）黄河泥沙不仅易产生较大的浊度,而且导致了水体中总溶解性固体含量较高。黄河泥沙中含有较高的CODmn、总氮和总铁,尤其是细菌总数严重超标,说明黄河水体受有机物污染比较严重,同时丰富的有机物质和营养物质为细菌提供了良好的生存环境。（2）水土流失是黄河浊度的直接来源,不同季节下黄河沿岸的水土流失,造成了黄河浊度的巨大变化。随着泥沙含量、季节、时间、水流紊动程度的不同,黄河浊度会显示出不同的变化,实验表明,水体浊度随着泥沙浓度、搅拌时间、搅拌强度的增大而相应的增加,随着静沉时间的增加而减少,说明由于黄河上游落差大、流速高,剧烈的紊动条件是产生高浊度的另一个原因;黄河泥沙的沉降性能非常显著,处理时难度较小,因为泥沙主要以矿物质为主。（3）黄河泥沙对有机物的吸附迁移作用是水体自净作用的主要方式。黄河泥沙吸附水中CODmn的影响因素主要为泥沙浓度、温度和转速。采用BBD响应面法预测黄河上游污染最大的进水CODmn浓度为7mg/L条件下黄河泥沙吸附CODmn的最优效果为:泥沙投加量为2.6g/L、转速为204r/min、温度为25℃,此时,CODmn的最大去除率可达38.83%,单位泥沙对CODmn的最大吸附量为1.09mg/g。（4）黄河底泥对CODmn的吸附规律结果表明:在25℃时,随着CODmn的初始浓度的升高吸附量增加,随反应的进行,吸附速率逐渐减弱,直至平衡。当初始CODmn浓度范围为4-8.4mg/L时,将黄河底泥与长江底泥吸附能力进行对比,黄河底泥对CODmn的单位平均吸附量为1.61mg/g,长江底泥平均为1.37mg/g,说明黄河底泥对CODmn的吸附能力优于长江底泥;对比黄河沉积性泥沙（底泥）与悬浮态泥沙（悬浊物质）的吸附规律,当初始CODmn浓度范围在4-8.4mg/L时,黄河底泥和黄河悬浊物质达到吸附平衡状态所需时间分别为60h和24h,它们的单位吸附量分别为1.648mg/g和1.61mg/g,说明黄河悬浊物质吸附能力高于底泥。用准二级动力学模型能更好得描述黄河底泥和悬浊物质的吸附CODmn的特征行为,相关系数R2能达到0.9以上。（5）黄河沉积性泥沙（底泥）和悬浮态泥沙（悬浊物质）对CODmn的吸附行为更符合Langmuir等温吸附模型,说明该过程属于单分子层吸附;黄河底泥在吸附CODmn的过程中,吸附平均自由能（E）小于8,表明其吸附过程主要是物理吸附;黄河底泥在吸附CODmn的过程中,吸附自由能变ΔGθ小于0,说明此吸附过程是自发进行的,且自发程度高于长江底泥;ΔHθ小于0,表明此吸附是一个放热过程;ΔSθ大于0,说明整个吸附过程中体系的混乱度是增加的。（6）于不同初始CODmn浓度微污染水中吸附饱和后的黄河泥沙置于清水中解吸时:吸附量越大,解吸量也越大,随反应的进行,解吸速率逐渐降低,约48h后解吸平衡,且黄河泥沙解吸比例略低于长江泥沙,说明黄河泥沙比长江泥沙更具有吸附性,这是由于黄土具有的较大的粘性所致;准二级反应动力学对黄河泥沙解吸CODmn行为的拟合效果更好,相关系数R2可达0.99以上。（7）黄河泥沙表面附着着大量的微生物,对CODmn的吸附降解起到了促进作用,是水体自净作用的主要方式之一,黄河悬浊物质对CODmn的吸附降解能力优于黄河底泥。对比黄河沉积性泥沙（底泥）和悬浮态泥沙（悬浊物质）的吸附、降解规律,当初始CODmn浓度范围为4-9mg/L时,黄河底泥的动力学拟合准二级方程平衡吸附值为1.930mg/g,准一级方程平衡吸附值为1.863mg/g,黄河悬浊物质的准二级方程平衡吸附值为2.446mg/g,准一级方程平衡吸附值为2.090mg/g,说明黄河泥沙用动力学准二级方程拟合的平衡吸附值略高于准一级拟合结果,准二级方程的拟合效果略优于准一级。（8）黄河底泥吸附、降解CODmn用准一级方程拟合的平衡吸附值较吸附作用下增加了16%,黄河悬浊物质吸附、降解作用较吸附作用使CODmn的去除率提高了26.8%,且吸附、降解作用达到吸附平衡时间较单纯吸附作用缩短1/4,说明黄河泥沙对CODmn的降解作用也很明显,但降解作用小于吸附作用。（9）从冬季黄河泥沙中的微生物组成看出,黄河泥沙中主要为三大微生物类群:细菌数量最多（85.56%）,放线菌次之,真菌最少,细菌是降解CODmn的主体。考察微生物数量在黄河底泥、悬浊物质中的分布情况:同体积（每毫升）底泥与水体中,黄河底泥的细菌含量高于黄河水中悬浊物质的细菌含量;同干重底泥与悬浊物质中黄河底泥的细菌含量远低于悬浊物质。说明等量干重的黄河悬浊物质较河床表层0-5cm的黄河底泥更利于微生物附着,但冬季黄河水体中浊度较低,同体积空间下悬浊物质干量少,底泥因密度大而为微生物附着提供了更多的场所。（10）低温低浊水是黄河水处理的难题。采用响应面法对混凝-沉淀-过滤法对黄河夏季常温水与冬季低温低浊水的处理效果进行优化,结果表明,混凝—沉淀出水后经砂滤处理效果优于膜滤,夏季黄河水经混凝法出水后再过滤的处理效果优于低温低浊水两倍以上;微絮凝法（混凝-过滤）是一种将混凝出水立即注入滤柱过滤的强化过滤技术,利用响应面法优化它对黄河冬季低温低浊水中浊度、CODmn、氨氮去除率的最佳处理效果,结果表明,较于混凝-沉淀-过滤处理技术,浊度、高锰酸盐指数、氨氮去除率分别增加0.45、1.3、1.8倍。