本發(fā)明涉及一種低濃度溶解氧恢復技術，特別涉及一種利用跌水來促進水體中低濃度溶解氧恢復為正常濃度值即標準值的方法，屬于城市排水中低濃度溶解氧恢復
技術領域：
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背景技術：
：溶解氧(dissolvedoxygen，簡稱do)不僅是監(jiān)測水質(zhì)的重要指標之一，同時對水生生物的生存也有著重大影響。正常標準的do濃度值有助于水體中促進營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，并且也促使水體中沉積物和金屬元素的相互作用，以提高自身水體的自凈能力。然而在現(xiàn)實生活中，由于各種自然環(huán)境和人為因素，do濃度往往沒有達到正常濃度即標準值。低濃度do主要是由水體富營養(yǎng)化，或無法進行氧氣傳質(zhì)，或污水處理不全面等而導致；低濃度do易存在于河口，沿海區(qū)域，城市排水系統(tǒng)，或被冰覆蓋的湖泊或水庫等。大量資料證明，低濃度的do不僅僅直接對魚類等水生生物的生長速率，應激水平，呼吸能力等方面產(chǎn)生不利影響，甚至還可以導致魚類等水生生物大量死亡，從而對水生生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重危害。同時低濃度do易造成水體內(nèi)好氧菌減少且厭氧菌大量繁殖，致使水體自凈能力減弱甚至喪失。就目前而言，針對于低濃度do的恢復有多種方法。其中有直接通過曝氣裝置使低濃度溶解氧的水體得到恢復。此方法復氧效率高，對水體沒有二次污染，但購置設備需要較大的費用。其次，也有通過旋轉器(rotor)來增大表層水體與空氣的接觸面積從而達到低濃度溶解氧恢復的目的，但此方法需消耗電功功率相對較大、且僅對水體表層的溶解氧恢復較快。跌水是在城市排水系統(tǒng)中十分常見的水流形態(tài)。利用城市排水中自然跌水對欠飽和溶解氧進行恢復，不僅僅可以節(jié)省污水處理的時間，也可以減少費用，同時對城市排水系統(tǒng)的設計也有重大意義。因此探討自然跌水促進do在水體中的快速恢復技術，不僅可以豐富水與氧氣傳質(zhì)過程的研究，而且對水體中水生生態(tài)保護和水質(zhì)恢復有著重要的實際應用價值和現(xiàn)實意義。水體中低濃度溶解氧的恢復過程即復氧過程屬于水氣界面?zhèn)髻|(zhì)過程，而其傳質(zhì)過程與諸多因素有關，如傳質(zhì)時間，初始溶解氧濃度值等，是十分復雜的氧氣傳質(zhì)問題。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的正是針對現(xiàn)有技術中所存在的缺陷和不足，提出一種利用自然跌水促進水體中低濃度溶解氧(do)恢復的新方法。該方法通過改變跌水初始濃度值，跌水水頭和跌水流量等水動力學條件來實現(xiàn)水體中低濃度溶解氧恢復。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明是通過以下技術措施構成的技術方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明所述提出一種利用跌水來促進水體中低濃度溶解氧恢復的方法，按照本發(fā)明，通過自然跌水的流水形態(tài)來實現(xiàn)水體中低濃度溶解氧的恢復，包括以下工藝步驟：(1)在實驗開始前，往水池內(nèi)注入定量清水，再加入100-1000g亞硫酸鈉(na2so3)和0.1-1g氯化鈷(cocl2)，并攪拌使其與水體中do充分反應，此時控制水體中do初始濃度值維持在一個范圍內(nèi)；(2)待水池中的溶解氧初始濃度穩(wěn)定后，分別通過控制出水口系統(tǒng)中第一球閥至第五球閥的啟閉狀態(tài)，來調(diào)整跌水的各出水口高程；(3)開啟水池中的水泵，利用第六球閥和電磁流量計來調(diào)整跌水流量；(4)待跌水水流穩(wěn)定后，使用采樣瓶分別對跌水的各出水口處的水流和進入水墊塘之前的水流進行采樣；(5)利用溶氧儀對采樣瓶中所采得的水體的溫度及溶解氧濃度進行測定，當溶氧儀中顯示的do濃度和溫度讀數(shù)穩(wěn)定后再記錄其上讀數(shù)，即測得水體中對應溫度的溶解氧濃度值。上述技術方案中，所述往水池內(nèi)注入的清水量為23m3。上述技術方案中，所述水池中的do初始濃度值維持在0.3mg·l-1～8.5mg·l-1之間。上述技術方案中，步驟(2)中所述跌水的各出水口高程分別調(diào)整為5.80m，4.85m，2.85m，1.38m和0.38m五個高程。上述技術方案中，步驟(3)中所述跌水出水口流量控制在5.0m3·h-1～20.0m3·h-1。上述技術方案中，所述使用的采樣瓶為細口采樣瓶。上述技術方案中，步驟(5)中所述的測量溫度值維持在9.5℃～13.4℃。本發(fā)明提出的利用跌水來促進水體中低濃度do恢復的方法，所述跌水是在城市排水系統(tǒng)中一種極為常見的水流形態(tài)；合理利用跌水有助于加快低濃度do的恢復，減少不必要的污水處理環(huán)節(jié)；同時為今后的城市排水系統(tǒng)設計有著重要的實際工程意義。本發(fā)明通過所述的利用跌水來促進水體中低濃度溶解氧的恢復，這對于減緩城市排水系統(tǒng)及其下水道系統(tǒng)的低濃度溶解氧對水生生態(tài)環(huán)境的不利影響和水體自凈能力的減弱具有重要的研究依據(jù)和實際意義；同時對低濃度do的復氧過程及其影響的減緩措施的研究提供了基礎數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，為建立水生生態(tài)友好城市排水系統(tǒng)有著積極的促進作用。本發(fā)明所述一種利用自然跌水促進水體中低濃度do恢復的方法所具有的優(yōu)點及有益的技術效果如下：1.本發(fā)明提出的利用跌水方式來加快促進水體中低濃度do恢復的方法，該方法不僅豐富了水與氧氣傳質(zhì)過程的研究，同時為低濃度do的恢復過程及其影響的減緩措施的研究提供了基礎數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。2.本發(fā)明提出的利用跌水方式促進水體中低濃度do恢復的方法，對水體的自凈能力的提高有著重要研究價值，其適用范圍廣泛，是減緩城市排水系統(tǒng)及其下水道系統(tǒng)中的低濃度do對水生生態(tài)環(huán)境和水生生物不利影響操作性較強的措施，且不會對水體造成二次污染。3.本發(fā)明提出的利用跌水方式促進水體中低濃度do恢復的方法中所用的跌水是在城市排水系統(tǒng)中一種極為常見的水流形態(tài)；合理利用跌水有助于加快低濃度do的恢復，減少不必要的污水處理環(huán)節(jié)。同時為今后的城市排水系統(tǒng)設計有著重要的實際工程意義。4.實現(xiàn)本發(fā)明提出的利用跌水促進水體中低濃度do恢復的方法的實驗裝置，其結構簡單，操作方便，成本低；不僅對低濃度的do恢復效果好，且節(jié)約了對不達標水體的處理的時間和費用；這不僅能快速恢復水體自身的自凈能力，而且對創(chuàng)建友好健康的水生生態(tài)環(huán)境有著重要意義。附圖說明圖1本發(fā)明所述利用跌水促進水體中低濃度溶解氧恢復的方法所采用的試驗裝置結構示意圖；圖2本發(fā)明溶解氧濃度恢復值δc和出水口高程h的關系曲線圖；圖3本發(fā)明溶解氧濃度恢復值δc與出水口流量q的關系曲線圖；圖4本發(fā)明溶解氧濃度恢復值δc與溶解氧初始濃度c0的關系曲線圖。圖中，1為水泵，2為水池，3為第六球閥，4為電磁流量計，5為出水口系統(tǒng)，6為水墊塘，7為排水口，8為溶氧儀，9為第一球閥，10為第二球閥，11為第三球閥，12為第四球閥，13為第五球閥。具體實施方式下面結合附圖并用具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅限于實施例中所涉及的內(nèi)容，即并不意味著是對本發(fā)明保護內(nèi)容的任何限定。本發(fā)明所述利用跌水促進水體中低濃度溶解氧恢復的方法所采用的實驗裝置，其結構如圖1所示，包括水泵1，水池2，第六球閥3，電磁流量計4，出水口系統(tǒng)5，水墊塘6，排水口7，溶氧儀8，第一球閥9，第二球閥10，第三球閥11，第四球閥12，第五球閥13；所述出水口系統(tǒng)5由五個不同高程，即分別為5.80m，4.85m，2.85m，1.38m，和0.38m的出水口高程以及其上游分別對應的五個球閥即第一球閥9、第二球閥10、第三球閥11、第四球閥12和第五球閥13組成，各出水口為水平態(tài)，管徑一致且都為50mm；所述水墊塘6底部排水口7排水通暢，水墊塘6中的水深為0cm；所述水泵1、第六球閥3、電磁流量計4和出水口系統(tǒng)5之間皆用化工塑料管相連；溶氧儀8用于測量采樣瓶中所取得的跌水的各出水口處的水流和其進入水墊塘之前的水流的溫度值和對應do濃度值。實施例本實施例在四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室內(nèi)進行。所述出水口系統(tǒng)5由五個高程不同但管徑相同的水平化工管出水口組成，出水口上游處都安裝有球閥以單獨控制每個出水口的啟閉狀態(tài)；所述電磁流量計其量程范圍為0.25l·s-1～29.4l·s-1；所述水池2可容納23m3水體；所述水墊塘6排水通暢，水深為零且水池長寬高分別為5m，1m，1m；所述水泵1達到jb/t8092-2006的標準，其揚程為30m，流量為50m3·h-1。所述溶氧儀8的型號為wtwoxi3210，其量程為0.0mg·l-1～90.0mg·l-1，其精度為±0.5％；所述采樣瓶使用細口瓶。本實施例所述利用跌水促進水體中低濃度溶解氧恢復的方法，具體操作步驟如下：1.按照圖1的結構布置安裝好各個儀器設備；2.實驗開始前，先往水池2中注入23m3的清水，再加入和1000g的na2so3和1gcocl2，并攪拌水池2中的水體，使na2so3能與水體中的溶解氧充分反應且do初始濃度降低至1.0mg·l-1左右；3.待水池中do初始濃度穩(wěn)定后，再開啟第六球閥3的情況下僅開啟出水口系統(tǒng)5中的第一球閥9，并保證出水口系統(tǒng)5中余下第二球閥～第五球閥(10～13)處于閉合狀態(tài)，并使出水口高程滿足5.80m，記錄此出水口高程；4.啟動水泵1，通過第六球閥3的啟閉程度和電磁流量計4對跌水流量的監(jiān)測來調(diào)整出水口跌水流量并記錄，使跌水各出水口流量分別控制在5.0m3·h-1，10.0m3·h-1，12.5m3·h-1，15.0m3·h-1，20.0m3·h-1；5.待跌水出水口流量穩(wěn)定后，分別用細口瓶在跌水水流的各出水口處和其進入水墊塘底部之前進行采樣；6.采用溶氧儀8對采樣得到的跌水水體的do濃度分別進行測量，待采樣水體中溫度值和do濃度值穩(wěn)定后，記錄其溫度值和對應do濃度值；7.開啟出水口系統(tǒng)5中第二球閥10，并保證出水口系統(tǒng)5中的其余球閥處于閉合狀態(tài)，并使出水口高程滿足4.85m，重復上述步驟4～6；8.開啟出水口系統(tǒng)5中第三球閥11，并保證出水口系統(tǒng)5中的其余球閥處于閉合狀態(tài)，并使出水口高程滿足2.85m，重復上述步驟4～6；9.開啟出水口系統(tǒng)5中第四球閥12，并保證出水口系統(tǒng)5中的其余球閥處于閉合狀態(tài)，并使出水口高程滿足1.35m，重復上述步驟4～6；10.開啟出水口系統(tǒng)5中第五球閥13，并保證出水口系統(tǒng)5中的其余球閥處于閉合狀態(tài)，并使出水口高程滿足0.38m，重復上述步驟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以改變水池中do的初始濃度，使其do初始濃度為2.5mg·l-1左右，重復上述步驟3～10；然后停止試驗。12.重新往水池2中注入23m3的清水，再加入500g的na2so3和0.5gcocl2以改變水池中do的初始濃度，使其do初始濃度為4.5mg·l-1左右，重復上述步驟3～10；然后停止試驗。13.重新往水池2中注入23m3的清水，再加入350g的na2so3和0.3gcocl2以改變水池中do的初始濃度，使其do初始濃度為6.0mg·l-1左右，重復上述步驟3～10；然后停止試驗。14.重新往水池2中注入23m3的清水，加入150g的na2so3和0.15gcocl2以改變水池中do的初始濃度，使其do初始濃度為7.2mg·l-1左右，重復上述步驟3～10；然后停止試驗。15.重新往水池2中注入23m3的清水，再加入100g的na2so3和0.1gcocl2以改變水池中do的初始濃度，使其do初始濃度為8.2mg·l-1左右，重復上述步驟3～10后，停止試驗；在跌水情況下，考慮到跌水各出水口處的do初始濃度c0和進入水墊塘之前的do濃度c1，跌水恢復的do恢復值δc被定義為下述公式：δc＝|c1-c0|(1)式中，c0跌水出水口處do初始濃度，c1進入水墊塘之前do濃度。圖2為通過實驗的結果，在不同do初始濃度情況下，do濃度的恢復值δc和出水口高程h的關系曲線。結果表明，特定do初始濃度c0下，出水口高程h愈大，do濃度的恢復值δc愈大，但當高程增加到一定程度時，δc的增加趨勢逐漸減緩?？傮w看來，δc與h近似呈現(xiàn)負指數(shù)關系，滿足華盛頓大學提出的一階動力學方程，其公式表達如下：式中，c為計算時刻的do濃度，mg·l-1；ceq為do飽和濃度，mg·l-1；t為傳質(zhì)時間，s；k為復氧系數(shù)，s-1。同時公式(2)可改寫為下式(3)：其中傳質(zhì)時間t可根據(jù)以下公式(4)計算而得：式中，h為出水口高程，m；g為重力加速度，m·s-2。當水體中的溶解氧處于低濃度狀態(tài)時，在空氣中的跌水可以促進水體與空氣的氧氣傳質(zhì)，使溶解氧濃度向飽和態(tài)轉變。在本次實施例中，共設置了50組工況，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；出水口高程分別為5.8m，4.85m，2.83m，1.38m和0.38m，do初始濃度值的變化范圍為0.4mg·l-1～8.5mg·l-1，即分別在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；同時采樣瓶中溫度的變化范圍為9.5℃～13.4℃。各個工況的低濃度do的復氧系數(shù)k通過公式(2)擬合得到，實驗工況及各組工況的試驗參數(shù)統(tǒng)計見表1。表1跌水促進低濃度溶解氧恢復的實驗工況表通過本實施例所得實驗結果如圖3所示的溶解氧濃度恢復值δc與出水口流量q的關系曲線圖，從圖3中可以看出在同一do初始濃度c0和出水口高程h的情況下，do濃度的恢復值δc與出水口流量q沒有明顯的變化規(guī)律。在同一出水口高程，不同出水口流量情況下，δc在上下1mg·l-1的范圍內(nèi)波動。當出水口高程h＝5.8m時，δc為3.8mg·l-1～4.4mg·l-1；出水口高程h＝2.85m時，δc為2.1mg·l-1～3.2mg·l-1；當出水口高程h＝0.38m時，δc為0.6mg·l-1～1.6mg·l-1。分析原因認為，在出水口流量主要影響跌水水流入水沖擊點的沖擊角度和沖量大小，雖然跌水在空中出現(xiàn)破碎，加快了水氣傳質(zhì)作用，促進了過飽和do濃度的恢復，但試驗條件下不同出水口流量對應的水體破碎程度差距不大，因而各出水口流量工況下空中do濃度變化值的差別在一定范圍波動，沒有明顯的線性關系。通過本實施例實驗結果得到的圖4所示，為同一出水口流量q下，do濃度在空中的恢復值δc與do初始濃度c0的關系曲線圖?？梢钥闯觯囟ǖ鞲叱蘦下，δc隨c0的增大而增大，二者呈現(xiàn)較好的線性關系。這是因為，低濃度的do恢復為非平衡的過飽和態(tài)向平衡的飽和態(tài)轉化的物理過程，c0越小，水體與空氣間do濃度梯度越大，因而物質(zhì)擴散的驅(qū)動力也相應越大，從而低濃度do的恢復量也越大。根據(jù)前述不同水力條件下各組分do濃度的復氧系數(shù)實驗結果，同樣通過曲線擬合得到在不同do初始濃度下的釋放系數(shù)，見表2。表2do濃度的復氧系數(shù)k隨do初始濃度c0變化的取值統(tǒng)計表c0(mg·l-1)1.02.54.56.07.08.2k(s-1)0.5810.4870.2770.2530.3420.337綜上，根據(jù)本發(fā)明實施例所得do濃度恢復值與跌水高程的負指數(shù)關系，在實際的城市排水系統(tǒng)中，可以通過增加跌水水頭(即跌水高程)，增加跌水的水流形態(tài)等措施，達到低濃度do恢復至標準值的目的。通過do初始濃度和跌水流量對溶解氧傳質(zhì)的影響研究，可以為跌水與空氣的氧氣傳質(zhì)提供理論依據(jù)，為建立友好城市排水系統(tǒng)打下良好基礎。當前第1頁12