水窖底泥对窖水水质影响研究

作     者：慕娅婷 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张国珍;王建新

授予年度：2015年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：窖水水质 水窖底泥 污染物释放 释放机理 

摘      要：我国西北干旱半干旱地区,其独特的地理位置和自然环境使得西北村镇地区人畜用水严重不足。为解决此问题,我国雨水资源化与收集利用技术得到充分的重视。在政府的正确引导和资助下,通过“121集雨工程,“母亲水窖等集雨工程使得水窖得到了广泛地推广、应用,有效的缓解了西北干旱半干旱地区淡水资源严重匮乏的局面。然而,集雨水水质特征复杂,也因大气环境、集流面及水窖材料而使水质表现出差异。受到污染的雨水收集入窖,泥沙和部分污染物沉积到水窖底部,常年不清洗水窖,使得污染物在底泥中大量积聚,再悬浮时可能对窖水水质存在二次污染的危险。鉴于此,为改善窖水水质、提高窖水质量、保障西北村镇人畜健康,并为拓展、深入研究窖水集雨的理论体系,开展水窖底泥对窖水水质的影响研究有着非常关键的现实意义。本文选用具有代表性的红泥窖底泥作为实验底泥,以氨氮、CODMn、电导率及UV254作为污染物的代表,采用动力学和等温平衡等实验方法,对水窖底泥释放污染物质的迁移转化规律进行了初步研究,并对水窖底泥浓度、温度和紊乱程度(振荡速度)等因素进行分析。本文的主要内容和研究成果主要包括:(1)查阅相关水窖资料,分析水窖底泥中可能存在的污染物质和影响其释放的因素,确定了以氨氮、CODMn、电导率及UV254作为研究对象和以水窖底泥浓度、温度和紊乱程度(振荡速度)等为影响因素的实验方案;对水窖底泥的理化性质(粒径级配、矿物组成以及化学成分)进行了分析,确定了中值粒径为22.752μm的水窖底泥作为实验底泥以及相关的预处理和制备方法。(2)根据一般河湖库区底泥释放污染物的相关理论分析了水窖底泥和上覆水之间的影响,分析了水窖底泥对污染物吸附解吸的作用机理,强调了进行水窖底泥对上覆水水质影响研究的意义;介绍了Langmuir、Freundlich等温模型和准一级动力学方程、准二级动力学方程等常见水质模型的相关内容以及它们的特点和数据拟合方法。(3)以不同水窖底泥浓度为变量,进行了水窖底泥释放氨氮、CODMn、电导率及UV254的动力学实验,对水窖底泥释放氨氮、CODMn建立了准一级动力学、准二级动力学模型和Langmuir、Freundlich两种等温模型,以考察水窖底泥对解吸速率、平衡时间和解吸量的作用机理以及单位质量水窖底泥对氨氮、CODMn的平衡解吸量和解析等温线的影响;并对水窖底泥浓度与电导率进行线性拟合,以考察水窖底泥浓度与上覆水中电导率的相关性。结果表明:随着水窖底泥浓度增大,氨氮、CODMn、电导率及UV254均不同程度有所增加;用准一级动力学与准二级动力学拟合水窖底泥释放CODMn相关性均较好;Langmuir等温式与Freundlich等温式对水窖底泥解吸氨氮、CODMn的拟合情况也均较好;水窖底泥浓度和电导率线性拟合相关性较高,这一特性为通过电导率监测窖水水质提供了实验基础;不同浓度时对水窖底泥释放UV254与CODMn进行相关系数显著性检验得出UV254与CODMn线性相关。(4)以不同温度为变量,进行了水窖底泥释放氨氮、CODMn、电导率及UV254的动力学实验,对水窖底泥释放氨氮、CODMn建立了准一级动力学、准二级动力学模型,以考察温度对解吸速率、平衡时间和解吸量的作用机理;并对温度与电导率进行线性拟合,以考察温度对电导率的影响。结果表明:随着温度增大,氨氮、CODMn、电导率及UV254均不同程度有所增加;准一级和准二级动力学方程描述温度对水窖底泥释放CODMn时的反应过程时准一级略优于准二级;温度和电导率线性拟合相关性较高,将电导率作为窖水水质的监测手段时必须考虑温度对其的影响;在不同温度时,对UV254与CODMn进行相关系数显著性检验得出UV254与CODMn线性相关,但20℃时显著性较低。(5)以不同紊乱程度(振荡速度)为变量,进行了水窖底泥释放氨氮、CODMn、电导率及UV254的动力学实验,并对水窖底泥释放氨氮、CODMn建立了准一级动力学、准二级动力学模型,以考察紊乱程度(振荡速度)对解吸速率、平衡时间和解吸量的作用机理;并对紊乱程度(振荡速度)与电导率进行线性拟合,以考察紊乱程度(振荡速度)对电导率的影响。结果表明:随着紊乱程度(振荡速度)增强,氨氮、CODMn、电导率及UV254均不同程度有所增加;准二级动力学方程的拟合水窖底泥释放氨氮效果略优于准一级动力学方程;紊乱程度(振荡速度)和电导率线性拟合相关性较高,故电导率可作为水窖底泥悬浮程度的监测手段,从而来控制窖水水质安全;不同紊乱程度(振荡速度)对UV254与CODMn进行相关系数显著性检验得出UV254与CODMn线性相关,140r/min、190r/min时显著性较低但仍具有一定线性关系。