季民，孫志偉，王澤良，陶建華?
天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程研究院，天津 300072

　　摘　要：通過(guò)海水的實(shí)驗(yàn)室模擬，測(cè)定了不同條件下排海污水有機(jī)物生化降解動(dòng)力學(xué)系數(shù)，建立系數(shù)估計(jì)方程式。利用對(duì)流擴(kuò)散—降解水質(zhì)模型，對(duì)特定排污條件下渤海灣海水中有機(jī)物(COD)的濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合較好。
　　關(guān)鍵詞：污水排海；有機(jī)污染物；動(dòng)力學(xué)；水質(zhì)模型
　　中圖分類號(hào)：X143
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602-(1999)11-0062-04

　　為了深入了解渤海灣天津近岸海域排海污水中有機(jī)物的生化自凈能力，估算水域的最大允許排污量，制定區(qū)域性排放策略和污染控制方案，實(shí)行污染物排放總量控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬研究了不同環(huán)境條件下海水中COD生化降解過(guò)程，測(cè)定動(dòng)力學(xué)系數(shù)，建立了排海污水COD生化降解動(dòng)力學(xué)系數(shù)方程式，并將試驗(yàn)得出的生化降解系數(shù)與反應(yīng)方程代入二維水質(zhì)模型中，利用有限差分法求解模型，對(duì)特定排污條件下的有機(jī)污染物(COD)濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)主要研究海水中有機(jī)物(COD)降解過(guò)程與溫度的變化關(guān)系，測(cè)定不同溫度下COD的降解規(guī)律。將直徑為30cm，高30cm的兩個(gè)玻璃缸反應(yīng)器放入恒溫水槽中，為了防止試驗(yàn)過(guò)程中懸浮物質(zhì)沉淀，采用機(jī)械間歇攪拌方式使水中微小顆粒物維持懸浮狀態(tài)，并起到大氣復(fù)氧的作用。采用日光燈模擬光照。
1.2 試驗(yàn)樣品
　　海水取自渤海灣天津市塘沽大沽口排污河口附近。為了探討不同的初始COD濃度對(duì)降解速率的影響規(guī)律，用天津市紀(jì)莊子污水處理廠二級(jí)出水調(diào)節(jié)海水初始COD濃度到需要值。試驗(yàn)過(guò)程中海水樣品的含鹽量為11500～14500mg/L, pH＝7.6～8.1，DO＝3.73～6.48mg/L。
1.3 試驗(yàn)方法和條件
　　采用COD衰減法模擬海水中有機(jī)污染物的生物降解過(guò)程^［1］。?
　　試驗(yàn)溫度：參照本海區(qū)不同季節(jié)的水溫，試驗(yàn)控制的溫度范圍為10～28℃，選擇的溫度系列為10、16、20、22、24、28℃。?
　　COD初始濃度：參考渤海灣歷年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和污水排海后的不同稀釋程度，COD初始濃度范圍為4.0～9.0 mg/L。?
1.4 水質(zhì)檢測(cè)方法
　　COD：采用COD_Mn作為有機(jī)污染物指標(biāo)，堿性高錳酸鉀法。
　　含鹽量：銀量滴定法。
　　溶解氧：碘量滴定法。
　　pH值：pHS—29A型酸度計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 COD降解動(dòng)力學(xué)系數(shù)
　　分別采用不同溫度、不同COD濃度和不同時(shí)間采集的水樣進(jìn)行了多批次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，渤海灣天津近岸海域排海污水COD的降解過(guò)程基本上符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式，即COD的衰 減速率方程為：
　　ln(C/C₀)＝-kt? (1)?
　　式中　 C——COD濃度，mg/L
　　　　?C₀——COD初始濃度，mg/L
　　　　?t——反應(yīng)時(shí)間，d?
　　　　?k——衰減速率系數(shù)，d^-1??
　　COD在水體中的半衰期公式為：
　　　?t_1/2＝ln2/k (2)?

　　將不同溫度、不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果按式(1)進(jìn)行整理，經(jīng)回歸計(jì)算求出相應(yīng)的衰減速率系數(shù)k和t_1/2，結(jié)果見(jiàn)表1。?

　　將試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)COD一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)關(guān)系式進(jìn)行處理，在回歸過(guò)程中，考慮k不僅與溫度有關(guān)，而且與C₀有關(guān)，因而可建立不同溫度下的ln(C/C₀)與t的動(dòng)力學(xué)降解方程。例如，?
　　20 ℃：ln(C/C₀)＝-0.05t (r＝-0.951)
　　根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果，以20 ℃作為標(biāo)準(zhǔn)溫度，求得θ＝1.065，得k_T與溫度T(℃)的 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為：?
　　　　　　?k_T＝k₂₀·1.065^(T-20)?　　 (3)?
2.2 k值的選用
　　本研究COD初始濃度為4～9 mg/L，溫度范圍是10～28 ℃，所取得的k值介于0.023～0.076 d^-1，這與一般輕度污染水域的研究結(jié)果近似^［2］。?
　　k值表示海水生化降解作用對(duì)COD的凈化能力，除了溫度對(duì)k有影響外，海洋生物特別是微生物的種類和數(shù)量、海面氣體交換速度、海灣地質(zhì)條件、海灣的水動(dòng)力因素等對(duì)k值都有一定影響。將實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果應(yīng)用于估算真實(shí)海區(qū)的海水生化降解能力和環(huán)境容量時(shí)，一方面宜采用較保守?cái)?shù)值，即選擇較低值。另一方面，根據(jù)海灣水體的水動(dòng)力因素，借用Bosko得出的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的kT與實(shí)際水體降解系數(shù)kR之間的關(guān)系式對(duì)實(shí)驗(yàn)室得出的k值進(jìn)行修正^［2］。
　　Bosko式為：
　　　　　　　k_R＝k_T+n(u/h) 　　　　(4)?
　　 式中　k_R——實(shí)際水體的k值?
? 　　　　k_Ｔ——試驗(yàn)得出的k值?
?　　　　u——水體流速，m/s?
?　　　　 h——平均水深，m?
? 　　　　n——與水流速度相關(guān)的系數(shù)，對(duì)海灣水體一般可取0.1
　　實(shí)際應(yīng)用中可先根據(jù)水溫由式(3)計(jì)算出k_T值，再用式(4)進(jìn)行修正得到k_R。 ?
　　利用k值可計(jì)算出COD生物降解通量和估算出海灣具體水域COD凈化容量。由于渤海灣水體生化降解研究較少，以往關(guān)于渤海灣的水質(zhì)模型一般僅考慮對(duì)流—擴(kuò)散過(guò)程，忽略了生化自凈過(guò)程。采用本研究得出的k值方程可建立渤海灣有機(jī)物對(duì)流—擴(kuò)散—降解模型。利用該模型可以模擬特定排污條件下海灣水體中有機(jī)污染物的濃度分布。

3 渤海灣COD水質(zhì)模型及其數(shù)值模擬

3.1 水質(zhì)模型
　　為了研究某個(gè)海區(qū)的污染物質(zhì)遷移擴(kuò)散規(guī)律、海區(qū)的環(huán)境容量以及污水海洋處置的規(guī)劃布局，常需要將整個(gè)海區(qū)作為計(jì)算區(qū)域。在一般情況下近岸海域水深較淺，海域的水平尺度比垂直尺度大得多。如渤海灣天津近岸海域的最大水深是10m左右，海水的垂直混合比較充分，水流流速等水力參數(shù)沿水深方向的變化要比水平方向的變化小得多，因此可建立水深平均的二維水質(zhì)模型：
　　
　　式中　C——海水中COD濃度，為時(shí)間t和空間位置（x,y）的函數(shù)
　　　　　h——水深
　　　　　u、v——x、y方向上的彌散系數(shù)，包括分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散以及由于沿垂直方向積分引起的離散效應(yīng)
　　　　　Sm——源項(xiàng)
　　　　　k——生化降解系數(shù)
　　其中C、u、v、Ex、Sm均取沿垂直方向的積分平均值。
　　按照ADI（隱式方向交替法）方法對(duì)該模型進(jìn)行有限差分近似求解。
3.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)
3.2.1 計(jì)算海域
　　模擬計(jì)算的范圍限于渤海灣天津近岸海域，北起澗河口，南至歧口(東徑118°05′以西、北緯38°35′以北至岸邊，包括潮間帶在內(nèi))。海域面積約2372 km²。
3.2.2 邊界條件和初始條件
　　岸邊界條件即法向擴(kuò)散為零的條件：?
　　
　　式中 n——岸邊界的法向方向

　　開邊界條件：假定法向平流輸運(yùn)，且在邊界處無(wú)污染源，則應(yīng)引入如下條件：
　　入流階段 C=0
　　出流階段

　　
　　式中 vn——法向速度分量

　　初始條件：由于初始條件對(duì)結(jié)果影響不大，故初始值取C=0。
3.2.3 參數(shù)的確定
　　① 對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)?
　　在對(duì)海水中污染物對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算中，比較常用的擴(kuò)散系數(shù)表示形式為：

　　② 源項(xiàng)S_m?
　　在模擬過(guò)程中，S_m采用污染物連續(xù)排放方式。在天津近岸海域，污水主要是通過(guò)北塘排污河和大沽排污河集中入海。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北塘口排入海中的COD為18 066 t/a，大沽口入海的COD為13855t/a(1992年統(tǒng)計(jì)資料)。
　?、?降解系數(shù)k
　　實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的k值介于0.023～0.076d^-1。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，選定5月和8月的水溫條件，因?yàn)檫@兩個(gè)月有比較完整的海水水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，便于模擬結(jié)果的驗(yàn)證。5月海水水溫平均約15 ℃，8月海水水溫平均約22 ℃，用式(3)算得k值分別是0.036d^-1和0.057d^-1?？紤]到模擬實(shí)驗(yàn)與海灣實(shí)際水動(dòng)力學(xué)條件的差異，以及一般實(shí)際應(yīng)用中對(duì)k值采用取保守值的原則^[3]，依據(jù)式(4)對(duì)k值進(jìn)行修正。在模擬計(jì)算5月和8月的水質(zhì)時(shí)，k的算式分別為：
　　　　k＝0.03+0.01 h^-1?(5月)
　　　　k＝0.03+0.03 h^-1?(8月)
3.2.4 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證
　　將選定和計(jì)算的各種參數(shù)以及水動(dòng)力學(xué)條件代入水質(zhì)模型(5)中，通過(guò)數(shù)值模擬可計(jì)算出特定排污情況下海水中COD濃度分布。渤海灣天津近岸東徑117°37′～118°00′、北緯38°35′～39°10′的范圍中，天津市行政區(qū)界的近岸海域2.5～16m的等水深線內(nèi)，自北向南布設(shè)有22個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站位，覆蓋海域面積2 200 km²，約占渤海灣總面積的20%。以1992年5月和8月的排污與海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與水質(zhì)模型的數(shù)值模擬結(jié)果相比較，各站點(diǎn)的數(shù)值見(jiàn)表2。依據(jù)下列公式計(jì)算表2中實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的均方差：
　　　
　　式中　xi——實(shí)測(cè)COD濃度值，mg/L
　　　　　yi——由水質(zhì)模型計(jì)算的COD值，mg/L
　　　　　i——監(jiān)測(cè)站點(diǎn)編號(hào)
　　　　　n------統(tǒng)計(jì)的站點(diǎn)總數(shù)

　　表2中的數(shù)據(jù)顯示，除個(gè)別站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值誤差較大外，大部分站點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合較好。在進(jìn)行實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的相關(guān)分析和均方差計(jì)算時(shí)，剔除個(gè)別差異較大的點(diǎn)。對(duì)表中5月份，剔出6^#、7^#和19^#站點(diǎn)的數(shù)值，求得實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的相關(guān)系數(shù)r＝0.97，均方差D＝13.8%。對(duì)8月份，剔出12^#、13^#和17^#站點(diǎn)的數(shù)值，求得實(shí)測(cè)值與計(jì) 算值的相關(guān)系數(shù)r＝0.98，均方差D＝19.5%。從總體上看，水質(zhì)模型的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較吻合，說(shuō)明水質(zhì)模型以及各項(xiàng)參數(shù)的選擇基本上是符合實(shí)際情況的。?

4 結(jié)論

　　 依據(jù)水體自凈過(guò)程基本理論，對(duì)排海污水中有機(jī)污染物(COD)的生化降解過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，渤海灣天津近岸排海污水COD生化降解動(dòng)力學(xué)符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。當(dāng)海水水溫在10～28 ℃之間變化時(shí)，COD降解速率系數(shù)k值介于0.023～0.076d^-1。k與水溫的關(guān)系可用下述方程描述：
　　　　　　　?k_T＝k₂₀θ^(T-20)?(θ取1.065)
　　 實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)保守性原則，可選取較低的k值。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水質(zhì)模擬時(shí)，還應(yīng)根據(jù)Bosko提出的水動(dòng)力學(xué)修正式對(duì)k進(jìn)行修正。
　　 應(yīng)用水深平均的二維水質(zhì)模型，在特定排污條件下對(duì)渤海灣有機(jī)污染物(COD)的濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)r＞0.97，均方差D＜20%。這證明計(jì)算 值與實(shí)測(cè)值擬合較好，建立的數(shù)學(xué)模型以及有關(guān)參數(shù)的確定是符合客觀實(shí)際的。

參考文獻(xiàn)：

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　　電　話：(022)27405050(H)
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　　收稿日期：1999-03-23