1、本科毕业设计环境工程内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究RESEARCHONSEDIMENTOXYGENDEMANDINFLUENCINGONWATERINURBANRIVERI摘要【摘要】城市内河沉积物耗氧对水体改善有着重要的作用，是确定内河治理方式、设计具体方案的基础。采用一种无扰动的单管沉积物采样器采集宁波市史魏家河，桑家河，直落河，戚隘河四条城市内河的沉积物样品，使用自行制做的SOD测定装置对城市内河沉积物的耗氧特性及可能对水质产生的影响进行了研究。实验中用氧饱和的纯水代替河水作为沉积物上覆水，用WTW在线水质监测仪测定密闭状态下采样管内上覆水溶解氧变化，采用恒温水箱设置实验温
2、度。分别测定了四条内河的沉积物耗氧情况，同时确定了SOD与时间的关系，并探究了沉积物瞬时耗氧现象的相关影响因子，如外界扰动、温度、沉积物质量等。本实验结果显示戚隘河的SOD值明显高于其他站点，总溶解氧消耗量也高于其他站点，达到稳定所需时间较长。温度和沉积物的性质对沉积物的扩散有一定的促进作用，外界的扰动破坏原有水力条件的影响有待进步一研究。【关键词】；内河治理；沉积物；耗氧规律ABSTRACT【ABSTRACT】SEDIMENTOXYGENDEMANDHASIMPORTANTINFLUENCEONWATERINURBANRIVER,WHICHISTHEBASISTOSELECTETHERECO
3、VERINGMETHODANDTHESPECIFICDESIGNINURBANRIVERMANAGEMENTASORTOFSEDIMENTSSINGLETUBESAMPLERWITHOUTBOUNDDISTURBANCEWASEMPLOYEDTOCOLLECTSHIWEIJIARIVER,SANGJIARIVER,ZHILUORIVERANDQIAIRIVERSSEDIMENTSAMPLESWHILETHESODMEASUREMENTDEVICEDESIGNEDBYOURSELVESWASEMPLOYEDTOSTUDYTHECHARACTERISTICOFSEDIMENTOXYGENDEMAN
4、DOFURBANRIVERAERATIONTREATEDWATERINSTEADOFRIVERWATERWASUSEDASOVERLYINGWATERINTHEEXPERIMENTANDWTWWATERQUALITYMETERWASUSEDTOMEASURETHECONTENTOFDISSOLVEDOXYGENINOVERLYINGWATERINTHESEALEDTUBESACONSTANTTEMPERATUREBOXISUSEDTOCONTROLTHEEXPERIMENTTEMPERATUREINTHEPROCESSOFTHESTUDYFOURURBANRIVERSSEDIMENTOXYGE
5、NDEMANDWEREEXPERIMENTED,ANDFINDTHERELATIONSHIPOFSODANDTHETIMEWHILEPROBEINTOTHEFACTORS,SUCHASEXTERNALDISTURBANCE,TEMPERATURE,SEDIMENTQUALITY,ETCTHEEXPERIMENTRESULTSSHOWEDTHATQIAIRIVERSSODVALUESIGNIFICANTLYHIGHERTHANOTHERSITES,THEDISSOLVEDOXYGENCONSUMPTIONALSOHIGHERTHANOTHERSITESANDMORETIMEWASNEEDTOAC
6、HIEVESTABILITYTEMPERATUREANDTHECHARACTEROFSEDIMENTACCELERATETHESPREADSPEED,ANDEXTERNALDISTURBANCEDESTROYTHEORIGINALHYDRAULICCONDITIONS,ITNEEDFURTHERSTUDY【KEYWORDS】INNERRIVERGOVERNANCESEDIMENTLAWOFOXYGENDEMAND内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究II目录摘要IABSTRACTI目录II1引言111内河治理现状1111引水冲污工程2112生物治理工程2113物理增氧工程212沉积物耗氧
7、（SOD）2121SOD的国内外研究2122SOD的数学模型32材料与方法421样品采集4211采样站位4212采样装置和方法522分析方法5221理化参数分析5222SOD测量装置6223SOD测量方法623DO的测定7231DO测量方法选择7232DO测量装置7233测定DO原理724SOD的计算83结果与讨论931SOD与内河水质的关系932SOD与时间的关系1133SOD与扩散的关系12331扰动下各站点的SOD测定12332质量对瞬时耗氧的影响12333温度对瞬时耗氧的影响1334宁大内河SOD测定1435空白实验分析164结论175展望176参考文献187致谢错误未定义书签。8附录
8、2011引言随着城市化进程的发展，污染物不断被排入城市内河并逐渐在沉积物中富集，使得内河受到不同程度的污染。由于城市内河与其它的地表径流大不相同，大多内河水系与外水系不连通，水流流速缓慢，因而容易造成过剩营养物质的沉积。当内河水体的外源污染较严重时，污染物浓度通量是向下的，污染物汇集到内河底泥中；当外源污染受到有效控制后，底泥中的污染物浓度通量是向上的，污染物将从底泥释放到上覆水体中，成为内河水体的内污染源1。因此，内河沉积物既可以成为水体污染的汇，又可以成为水体污染的源。目前对于城市内河的研究多集中于水体有机物污染和富营养化25，而由沉积物耗氧引起的内河发黑发臭等缺氧症状成了内河治理中的瓶颈
9、，因此研究内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响对内河治理具有重大意义。11内河治理现状在“十一五”期间，我国就高度重视内河的整治，大力度投资，开展系统的大规模整治。根据交通运输部出台的关于贯彻的实施意见，“十二五”期，内河治理被列为建设重点。目前许多城市已开展城市污染内河整治工作，重点集中在内河水质的恢复上，初步目的是使水体变清，消除恶臭。福州市城区内河综合整治工作指挥部称，该市大部分河道完成了清淤及截污施工图设计，已有30条内河进场施工，在内河整治过程中使用人工增氧措施来增加水体溶解氧，使水体中的微生物优势种群由厌氧菌转变为好氧菌，消除内河恶臭；宁波市海曙区南塘河等9条河道的整治工程也开
10、工建设，本次实验的采样点中史魏家河及直落河正处在治理中，河内都有曝气装置在人工增氧。根据宁波市内河水环境综合整治研究报告，宁波内河沉积物的表层EH值处于192至420MV之间，即表示内河沉积环境处于很强的还原性状态，这是导致内河整治难有成效的重要原因之一。国外早在100多年前就开展了河流污染的治理工作，其中比较著名的有英国的泰晤士河、欧洲的莱茵河和法国的塞纳河等。治理初期，人们的注意力主要集中在单项治理上，通常是工业污染源的治理，以减少排入河流的污染负荷。随着对河流污染机制认识的深入，自20世纪70年代，区域治理理念逐渐代替了局部治理，从单项治理发展为综合治理，更注重将河流污染的治理纳入到一个
11、综合体系中进行考虑，并采用现代系统工程的方法对其进行综合分析和模拟，在此基础上进行治理方案的比较、优化，制定出更为科学的水质目标与治理方案，力求使河流污染治理在整体上达到技术经济和环境效果最优。目前内河治理的方法主要有引水冲污工程、生物治理工程、物理增氧工程。内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究2111引水冲污工程引水冲污工程是通过改变内河原有的水动力条件，使得冲污区内流量加大，流速提高，增加了水体中溶解氧的含量，进而减少黑臭，从而使得水质得到改善6。但是引水冲污工程投资和日常运行费用巨大,已成为我国许多城市财政巨大负担,也使城市内河治理进入了恶性循环,造成引水冲污时城市内河水质良好的
12、假象,使城市内河水质的保持需要靠引水冲污才能达到。同时由于长期的引水冲污造成城市内河自身生态环境完全丧失,非但没有改善水体的水质，而且使得内河水体自身的生态平衡被破坏，其自身的恢复需要很长的时间。因而该方法在改善内河水体方面是治标不治本，应适当加以控制。112生物治理工程生物治理工程是以恢复城市内河水体自身水生生物为目的的,在城市内河污染源得到有效遏制后，尽快恢复水体自身生态平衡系统,恢复和丰富城市内河中水生生物链,使城市内河水体自身具有一定的生物净化和平衡功能,进而使城市内河具有一定的水环境容量,对污染物具有一定的冲击能力7。生物修复技术改善内河水质的优势在于,治理成本低,效果好,不产生二次
13、污染。但其也仍存在着一些难度，例如恢复周期长，需创造出适合生物生存的环境。113物理增氧工程物理增氧的常用方法是水体人工曝气，其可在短时间内取得降低水体污染程度和提高溶解氧浓度的效果8，但要发挥水体人工曝气复氧技术的实际效益,必须制订应用该技术的具体方案,得出可行的增氧量、曝气方式、季节最优化组合。最大的特点是提高溶解氧浓度效果明显，但其投资和日常运行成本高。12沉积物耗氧（SOD）沉积物耗氧速率SEDIMENTOXYGENDEMAND，简称SOD是由英国的WELCH在1935年首次提出的，是指水体底部沉积物消耗上覆水中溶解氧（DO）的速率。沉积物耗氧（SOD）可分为两部分（1）上覆水体扩散到
14、水底沉积物中的溶解氧被消耗，其中包括底泥中还原性物质的化学耗氧和栖息在表层底泥的好氧微生物及无脊椎动物的呼吸耗氧（BSOD）；（2）底泥中的还原态物质扩散到上覆水体中被氧化的化学耗氧（CSOD）9。121SOD的国内外研究水体水质的一个重要指标是水体中的溶解氧含量，而水体中溶解氧主要来源于大气复氧和光合作用产氧等，而耗氧过程则包括生化需氧BOD、底泥耗氧SOD、氨的硝化、及浮游植物和动物的呼吸等。SOD是反映内河沉积物耗氧的综台指标,其中表层底泥中有机物生物降解和氨的硝化过程是SOD的主要构成10，另外底泥中的铁、锰、硫化物等的化学耗氧也可能对SOD有重要的作3用。沉积物耗氧（SOD）在水体氧
15、平衡中具有重要的作用，同时也是内河水体治理过程中必不可少的一个重要参数。国外学者对沉积物营养物质迁移转化规律的研究，最早可追溯到20世纪四、五十年代的实验室和现场测定，20世纪七、八十年代时进入了研究高潮，并在20世纪八、九十年代总结出一些沉积物耗氧数学模型，对研究水质改善起到了重要作用1114。国内对于沉积物耗氧的研究起步较晚，到20世纪八十年代才逐渐开始研究，由于测量技术难、水质较差等原因，大多仅处于实验研究阶段。近几年来，开始展开现场测量和数学模型相结合的研究，更准确地研究沉积物中营养物质迁移扩散导致水体耗氧的规律，对水质改善有极大的帮助。122SOD的数学模型在自然水体中，底泥与上覆水
16、之间主要的相互作用是泥水界面间物质的交换。沉入底泥或从底泥扩散到上覆水的溶解态、颗粒态物质是水体内化学和生物循环的重要组成部分。通常认为底泥消耗的氧可分为两部分第一部分是上覆水体扩散到水底沉积物中的溶解氧被消耗，其中包括底泥中还原性物质的化学耗氧和栖息在表层底泥的好氧微生物及无脊椎动物的呼吸耗氧；第二部分是底泥中的还原态物质扩散到上覆水体中被氧化的化学耗氧。但是国外研究对于扩散进入上覆水体的物质引起的耗氧行为的定义较模糊。沉积在底泥内的有机物是底泥耗氧的根源，底泥消耗的氧都源于有机物的矿化，表层有机物在微生物呼吸作用下降解，产生呼吸耗氧；兼氧层、厌氧层有机物与底泥内的氧化物反应，生成各种还原性
17、物质，这些物质既产生化学耗氧又产生呼吸耗氧。底泥污染物释放的动力学主要由两个过程决定。一个是微生物的活动，它决定着污染物的相互转化和存在形态，是否容易释放和在什么条件下可能释放等；另一个是水力过程，它决定着污染物在底泥孔隙内部的传质速度，底泥悬浮状态和沉积状态，以及底泥颗粒对污染物的吸附携带等15。这两个过程相互作用，相互影响，在很大程度上决定了底泥污染物的释放动力学特征。沉积物耗氧（SOD）的数学模型研究主要在于对泥水界面的非定向扩散传质的研究，这是由传质和两界面的生化反应共同控制的。这两边界层分别为水表面的扩散边界层和沉积物中的渗透深度，这其中的一个或者两个都能对SOD产生影响。这个传质的
18、过程由沉积物控制还是由水界面控制取决于沉积物/水界面的剪切速率（U）和沉积物的生化活性率（0）。在稳定状态下，沉积物/水表面的剪切速度对DO具有较大影响，而当U02CM/S时对于有效深度没有较大影响16。沉积物中的微生物活性更大时，SOD上界值较小，即050MG/LD，U01CM/S时SOD01G/CM2,当微生物在沉积物中的活性较低（050MG/LD）混合水含量较低（U01CM/S）难以达到稳定状态时，SOD的量可大大超过01G/CM2，换句话说SOD值高则更快达到稳定状态。内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究42材料与方法21样品采集211采样站位在宁波市城区选择了污染程度不同的4
19、条河流设7个站点，分别为史魏家河自北向南的四个站点（ST1，ST2，ST3，ST4）、桑家河（ST5）、直落河（ST6）、戚隘河（ST7）。表21各站点坐标TABLE21COORDINATESOFSITES史魏家河为整治河道，水下有曝气装置进行曝气，因而水质偏浑；桑家河为城中村河道，现阶段也正处在整治期间，因而也有曝气装置进行增氧处理，其水质发绿、微臭；直落河也为城中村河道，污染较重，水体发黑发臭；戚隘河环绕公园，属景观河道，但其水体颜色呈浑浊的黑色，并伴有臭味，污染较严重。采样站点位置如图21所示图21采样站点FIG21POSITONOFTHESAMPLESITES站点坐标（谷歌地球）史魏家
20、河ST1N29520050E121354941史魏家河ST2N29515705E121354858史魏家河ST3N29515561E121354872史魏家河ST4N29515069E121354716桑家河ST5N29533413E121361265直落河ST6N29531060E121344498戚隘河ST7N29522082E1213530075212采样装置和方法采集泥样时为了使底泥不受扰动，并使其充满柱状采样管（同时也是培养管，透明PC材料，内径50MM，管长350MM）以防止其消耗上覆水中的溶解氧，使用USSC单管无扰动沉积物采样器17采集沉积物样品（见图22）。采样时可以观察到底
21、泥是否受到扰动，若底泥明显受到扰动，应舍弃重新采集，本次实验在每个站点采集用于SOD研究的沉积物样品，以聚乙烯塑料袋贮存，并迅速送往实验室测定SOD及相关因子。采集水样时使用容积为25L的有机玻璃采样器采集，在每个站点采集到水样后用聚乙烯塑料（500ML）贮存，采样后立即送往实验室分析。若无法在当日完成测定，则将水样贮存于冰箱中。22分析方法221理化参数分析采集样品时用在线水质监测仪（MULTI340I，德国WTW公司）现场测定各采样点的水体水温，PH，电导率和（DO），氧化还原电位（见表21）。表21现场测定数据TABLE21SITUMEASUREMENTDATA由表21可知，现场测定中各
22、站点的水温最大相差44，PH最大差值为114，并基本都呈碱性。桑家河ST5站的表层（DO）明显高于其他站点，原因在于该采样点含有大量藻类生存，植物光合作用为水体复氧。史魏家河ST2站的表层（DO）最低，原因在于ST1和ST2站点之间存在内河整治曝气等处理设施，导致ST2站点水质浑浊不清，沉积物中的还原性物质扩散消耗表层溶解氧。除ST5站点的表层（DO）超过该水温下的饱和溶解氧含量，其余各站点的表层（DO）均处于标准值以下，水体明显呈缺氧状态。并且各站点的氧化还原电位（ORP）均为负值，说明各站点水质均具有一定的还原性。河流名称水温PH表层（DO）电导率氧化还原电位史魏家河ST117668426
23、59514史魏家河ST220572418689822史魏家河ST32137453276538史魏家河ST419674654463131桑家河ST52057811004102057直落河ST61997525578241戚隘河ST72279854169368内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究6222SOD测量装置SOD的测量装置为多管、多电极SOD研究装置（见图23），主要包括恒温水箱、柱状沉积物实验管、循环泵，恒温箱体内设置有多个沉积物实验管，沉积物实验管管的上下两端分别设置有密封塞，处于上端的密封塞上贯穿设置有进液管和出液管，出液管的下端开口伸入所述的沉积物实验管的溶液中，沉积物实验
24、管的出液管与相邻的沉积物实验管的进液管通过连接导管相连通，其中一个连接导管上设置有用于驱动溶液循环流动的小型循环泵，至少一个沉积物实验管内设置有用于测定沉积物理化参数的多参数电极。箱体内还设置有用于加热箱体内盛水的恒温加热器，恒温加热器与箱体外的点接触式水银温度计和电子继电器相连接，通过设定点接触式水银温度计上的温度，控制电子继电器加热工作。当达到指定温度时，电子继电器会自动切断终止加热过程；当温度再次低于指定温度，电子继电器会再次自动连接继续加热，以此达到箱体内的恒温状态。实际实验时接通恒温加热器电源，当水浴温度达到设定温度时，开启小型循环泵和多参数电极测定装置，根据实验要求记录实验过程中各
25、理化参数的变化，进行相关的科学实验和数据监测，同时沉积物实验管的数量可以根据需要增加或减少。实验过程中称取一定质量的沉积物，置于底端密封的沉积物实验管中，用DO饱和的纯水替代河水作为沉积物的上覆水，实验装置运行时，开启微型蠕动泵（德国GROTECH，流量为0120ML/MIN）使得上覆水具有一定的流速，以便保证腹膜电极溶解氧测定仪的准确性。223SOD测量方法测定沉积物耗氧通常有实验室测定和现场测定两种方法，其都有各自优缺点。实验室测定通常比现场测定准确性高，因为它是在一个可控环境下进行的，但是始终不能排除沉积物在运输过程及储存过程对实验结果的影响。实验室对现场环境再现的程度和泥样的推迟实验也
26、会影响测量的准确性。现场测定可将泥样的影响降到最低，同时可以很好地反映出现场的环境，但是现场测定时在一个动态的环境下，对结果的准确度有一定程度的影响。此外，实际测定的仪器设备，在现场测量过程中也可能影响环境条件。7考虑到现场法需要准确安放测室和测定仪器，受水体、天气等条件影响大,，水底一些大的沙砾、石块也会影响测定的进行，并可能会影响河流的通航，所以一般技术要求比较高，所以本实验采用实验室测定方法。23DO的测定231DO测量方法选择测定水体溶解氧的方法有两种便携式溶解氧仪测定和碘量法测定。尽管便携式溶解氧仪的分析测试原理和方法与国标碘量法有所不同，但是通过对同一水样中溶解氧采用便携式溶解氧仪
27、和碘量法进行比对实验，根据两种方法的测定结果进行DIXON检验和精密度检验，设定置信度为95，对比结果显示，两方法测定结果之间无显著性差异，精密度符合水质监测质控要求18。对于一些受污染的工业废水，必须采用修正的碘量法，而便携式溶解氧仪是根据分子氧透过薄膜的扩散速率来测定水中溶解氧，并且具有便于携带，适合现场测定，干扰少，测速快等优点。因此，对本实验而言，便携式溶解氧仪法显然比碘量法更具备优越性。232DO测量装置由于本实验选择便携式溶解氧仪测定法，因而采用在线水质监测仪（MULTI340I德国WTW公司，图24）测定沉积物上覆水中的溶解氧含量。该设备由显示主体及PH测定探头、溶解氧测定探头、
28、电导率测定探头组成。内置定时器，根据实验需要可设定定时记录，并且可通过交换测定探头可测定PH、溶解氧、电导率、氧化还原电位、温度五个参数，操作舒适方便，且携带方便。在测定沉积物上覆水溶解氧含量时，该装置有自动温度补偿功能，内置记录器，可自动读数，反应灵敏，再现性好，可信度高。该装置是用于测定水中分子态氧的专用仪器，因测量方法简便、快速、干扰少，已广泛用于天然水、污水、盐水等现场测定和实验室内测定及自动在线连续测定。233测定DO原理氧在水中的溶解度取决于温度、压力和水中溶解的盐。在线水质测定仪传感部分是由金电极（阴极）和银电极（阳极）及氯化钾电解液组成，分子氧通过膜扩散进入电解液与金电极和银电
29、极形成测量回路。当给溶解氧分析仪电极加上0608V的极化电压时，氧通过摸扩散，阴极释放电子，阳极接受电子，产生电流。内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究8整个反应过程为阳极AGCLAGCL2E阴极O22H2O4E4OH根据法拉第定律，流过溶解氧分析仪电极的电流和氧分压成正比，在温度不变的情况下电流和氧浓度之间呈线性关系。溶解氧含量有三种表示方法氧分压（MMHG）；百分饱和度（）；氧浓度（MG/L），本实验装置采用氧浓度表示方法。根据HERRY定律可知氧浓度与其分压成正比，即CPO2A，其中C为氧浓度（MG/L），PO2为氧分压（MMHG），A为溶解氧系数MG/MMHGL。溶解氧系数A不
30、仅与温度有关，还与溶液的成分有关，对于温度恒定的水溶液，A为常数。24SOD的计算沉积物耗氧（SOD）指水体底部沉积物消耗上覆水中溶解氧（DO）的速率，SOD的计算公式为19/SODDOVMT3/MTHGDODODOMGLVDOM式中，为上覆水（）变化值，即消耗量，；为上覆水的体积，；为（）变化达到稳定的时长，；为沉积物质量，。在室温下分别称取ST17站点沉积物10G，在其他条件相同的情况下置入沉积物实验管中，用蒸馏水代河水作为沉积物上覆水，用在线水质监测仪测定其溶解氧（DO）含量变化，当DO电极电位值趋于稳定时，停止测定并记录各参数变化值。由于DO消耗量一直处于一种动态变化中，因而计算SOD
31、时选取稳定段DO消耗量的平均值作为DO，其稳定时间也为相对稳定时间。SOD的计算结果见表22。表22各站SOD测定结果TABLE22SODOFTHESITES站位DO消耗量（MG/L）T/HSODMG/GHST143547471ST2446358754ST319826801ST421527385ST5531312160ST6276257584ST755431268793结果与讨论31SOD与内河水质的关系分别称取史魏家河中的ST1，ST2，ST3，ST4四个站点的沉积物10G，在其他条件相同的情况下，控制反应装置中的温度为20进行实验，实验时间为40MIN。实验结果如图31所示00002004
32、006008010012014016001020304050时间/MINDO消耗量/MG/LST1站点ST2站点ST3站点ST4站点图31史魏家河沉积物（10G）的DO消耗量变化FIG31DOCONSUMPTIONCURVEOFSEDIMENT10GFROMSHIWEIJIARIVER由图31可知，史魏家河中由北向南的ST1，ST2，ST3，ST4站点的DO消耗量有很大的差异，ST1，ST2站点的耗氧量明显大于ST3，ST4站点。考虑到史魏家河各采样点的具体实际环境情况及沉积物样品的实际情况，分析ST3站点的DO消耗量低，且其稳定时间最短的原因。因为史魏家河是条断头河，现正在采取治理措施，ST
33、3站安装了推流曝气机和微气泡曝气机，沉积物被强烈扰动，可能导致SOD值低。ST4站点的DO消耗量同样要明显小于ST1及ST2站点，并且表21中ST4站点的表层（DO）含量也明显高于其他三个站点。根据其具体的采样点位置可知，ST4站点距另一条较大的内河“后塘河”仅100M，水质较好，此处水体处于动态流动中，有周期性地换水过程，因而水质状况较其他站点要好。ST1站点的DO消耗量要略大于ST2站点，但其SOD值比ST2站点小1283（MG/GH）。在相同的实验环境下，分别称取史魏家河的ST4站点，桑家河的ST5站点，直落河的ST6站点，戚隘河的ST7站点沉积物各10G，控制反应装置中的温度为20，实
34、验时间为4H。实验结果如图32所示内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究10000020040060080100120012345时间/HDO消耗量/MG/LST4站点ST5站点ST6站点ST7站点图32各站点沉积物（10G）的DO消耗量变化FIG32DOCONSUMPTIONCURVEOFSEDIMENT10GFROMSITES由图32可知，戚隘河的ST7站点和桑家河的ST5站点的DO消耗量要明显高于史魏家河的ST4站点和直落河的ST6站点。据表22中沉积物耗氧值的数据可知，戚隘河的ST7站点和桑家河的ST5站点的SOD值同样要明显高于史魏家河的ST4站点和直落河的ST6站点，两者规律
35、相同。桑家河的ST5站点和戚隘河的ST7站点DO消耗量与SOD分别相差007MG/L、527MG/GH，但据表21中各站点的表层（DO）含量可知，ST5站点的表层（DO）含量要大大高于其他各站点，并超过了该采样点温度下饱和溶解氧含量。考虑到ST5站点采集处于河坝拦截处，表层富集大量的蓝藻，通过蓝藻的光合作用产生氧气，致使表层表层（DO）含量较高。综合各水质因子参数，可以判断桑家河的ST5站点处于明显的富营养化状态，虽然大量的蓝藻光合作用产生的氧气在一定程度上起了改善水体沉积物界面的厌氧状态，但是大量蓝藻死亡之后会产生新的有机耗氧物质，进而加重水体的厌氧状态，使得水中微生物对有机质进行厌氧降解，
36、最后产生大量还原性物质，导致水体呈现高SOD值的现象。直落河的ST6站点表层（DO）含量是史魏家河ST4站点的05倍，但SOD值却基本相近，考虑到ST6站点正处内河整治期，其水下有曝气装置在运行，因而可能破坏了水体底部沉积物的正常还原性，致使沉积物耗氧SOD值呈现偏低情况。戚隘河的ST7站点表层（DO）含量与史魏家河的ST4站点相差不大，但SOD值几乎是ST4站点的2倍，且ST7站点的还原性几乎也同样是ST4站点的2倍，这说明SOD值与沉积物的种类和特性相关，并且很有可能是与沉积物中的某种还原性物质相关。1132SOD与时间的关系为了研究沉积物耗氧与时间的相关性，取两份戚隘河ST7站点的沉积物
37、各5G进行45MIN的短时SOD研究及24H的长时SOD研究。两份沉积物取自泥样中的同一区域，且都控制在温度为20的条件下进行实验。00001002003004005006007001020304050时间/MINDO消耗量/MIN/L000100200300400500600051015202530时间/HDO消耗量/MG/L图33ST7站点沉积物（5G）的DO消耗量变化FIG33DOCONSUMPTIONCURVEOFSEDIMENT5GFROMST7由图33可知，在45MIN短时间实验初期的5MIN内，DO下降很快，随后DO有短暂的回升时间，之后DO继续下降，但下降趋势比初期减缓，最后趋
38、于稳定。研究19表明，上覆水中的DO在极短时间内消耗为沉积物瞬时耗氧现象，瞬时耗氧量约占总耗氧量1/3。造成瞬时耗氧现象的原因可能是由于沉积物所在的河流污染较严重，水中溶解氧较低，使得微生物进行厌氧反应，产生了还原性物质，致使当上覆水中溶解氧增大时，此还原性物质被快速氧化；也可能是由于沉积物本身的性质和特性，如，沉积物自身含有某种还原性物质，在实验初期由于上覆水的加入使其迅速扩散导致的耗氧。而后出现的缓慢下降过程则是由于随着实验的进行，沉积物中大量的有机物质被细菌分解利用，上覆水中的DO不断降低，逐渐对沉积物中生物的呼吸、微生物分解作用和还原性物质氧化产生影响和限制作用，有机物质的分解作用减弱
39、，于是需氧量逐渐减小便成为必然。在24H的长时间实验中，未进行换水处理，因而在24H后上覆水中的DO含量基本耗尽。在前三个小时内DO基本呈持续下降状态，随后逐渐趋于平缓过程，但在持续五小时的实验之后，可以清楚得看到DO又呈现下降状态，但其下降的斜率明显小于前三个小时的下降斜率，在二十小时后趋于稳定。一种研究20认为，一般情况下严重污染至黑臭的河流水体中DO被消耗的过程分4个阶段还原性耗氧阶段，生物化学碳耗氧第阶段CBOD，生物化学氮耗氧NBOD阶段和生物化学碳耗氧第阶段CBOD。另有研究19认为，污染严重的城市内河水体中DO被消耗的过程很可能存在5个阶段瞬时耗氧阶段，一般氧化还原耗氧阶段，生物
40、化学碳耗氧第阶段CBOD，生物化学氮耗氧NBOD阶段和生物化学碳耗氧第阶段CBOD。内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究1233SOD与扩散的关系为研究沉积物瞬时耗氧现象，实验前假设造成该现象的原因是由于沉积物本身含有某种还原物质或具有某种还原特性，在加入上覆水后接触的瞬间迅速扩散致使DO瞬间下降。为验证该假设的真实性，设计了人为将沉积物搅动扩散的新实验，在原先的装置基础上加了电磁搅拌器，使其在加入上覆水之后迅速人为将其扩散。331扰动下各站点的SOD测定分别取分别称取史魏家河的ST4站点，桑家河的ST5站点，直落河的ST6站点，戚隘河的ST7站点沉积物各10G，将实验条件控制在温度为
41、20，实验时间为42MIN，其余条件与之前实验相同。实验结果如图34所示00002004006008010012005101520253035404550时间/MINDO消耗量/MG/LST4站点扰动下耗氧量ST5站点扰动下耗氧量ST6站点扰动下耗氧量ST7站点扰动下耗氧量图34扰动下的各站点沉积物（10G）DO消耗量变化FIG34DOCONSUMPTIONCURVESOFSEDIMENT（10G）FROMSITESUNDERPUDDLERRABBLERSTIRRER由图34可知，在外在搅动的情况下，各站点在极短时间内瞬时耗氧量对比图32明显增加，而后实验过程中DO的下降斜率也明显大于图32中
42、未进行搅拌处理的下降斜率。但魏家河的ST4站点，桑家河的ST5站点，戚隘河的ST7站点的DO消耗曲线在快速下降之后都有一段DO回升过程，且回升幅度较正常实验下要大很多，唯独直落河的ST6站点为出现明显DO回升现象。对比图32可知，在外在搅动的情况下DO的消耗量在40MIN内达到的消耗量几近达到未添加搅动装置4H内的消耗量，因而初步认为扩散对沉积物瞬时耗氧有一定的促进作用，并且可加快其扩散过程，但由于新实验方案改变了实验管中上覆水的原有流动状态，致使有站点出现了异常回升现象。332质量对瞬时耗氧的影响考虑到不同质量沉积物的比表面积及扩散速率不同，设计了同一站点不同质量的沉积物上覆水13体DO含量
43、测定的实验。分别称取两份史魏家河ST1站点沉积物5G、10G，控制反应装置恒温20，进行沉积物耗氧测定。00002004006008010012001020304050时间/MINDO消耗量/MG/LST1站点5GST1站点10G图35不同质量沉积物DO消耗量变化FIG35DOCONSUMPTIONCURVESOFDIFFERENTMASSSEDIMENT由图35可知，ST1站点5G沉积物总耗氧量要小于10G沉积物的总耗氧量，两者相差04MG/L左右。在实验初期的5MIN内，两者都呈现了一定的瞬时耗氧现象，但5G的瞬时耗氧时间明显小于10G的。随着实验的进行，5G的耗氧曲线呈现缓慢上升的趋势并
44、逐渐趋于稳定，10G的耗氧曲线一开始缓慢上升，在25MIN后有个急剧上升的过程，随后趋于平缓。通过比较两者的瞬时耗氧时间，可初步认为5G沉积物由于其比表面积大而导致扩散速率高于10G沉积物，因而在极短时间内完成瞬时耗氧的过程。而10G沉积物由于比表面积小而导致扩散速率低，延长了瞬时耗氧时间。初步得出导致瞬时耗氧现象产生的原因是沉积物中的某种还原性物质瞬间扩散造成的，由于该物质遇氧即被其氧化，故该瞬时耗氧物质的快速耗氧特性用传统的检测方法难以进行测量，该物质具体成分有待进一步研究确认。25MIN后10G沉积物出现的DO骤降过程可能是由于实验过程中沉积物中的某种物质在循环泵的作用下从沉积物中释放出
45、来，消耗上覆水中的溶解氧导致该情况的发生，也可能是实验过程中其他因素的影响导致了这一现象的发生。333温度对瞬时耗氧的影响内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究14由FICK第一定律DCDXJD可知，D为扩散系数，而温度是影响扩散系数的最主要因素，在一定条件下，扩散系数可用下式表示EQRTODDDO为扩散常数，Q为扩散激活能，R为气体常数，T为热力学温度。DO与Q与温度无关，因此由此式可知，扩散系数D与T呈指数关系，随着温度的升高，扩散系数急剧增大。由于水体中DO被消耗的过程由不同阶段组成，实验假设扩散过程是处于DO被消耗的最初阶段，即瞬时耗氧阶段，其反应时间极其短暂。因而研究温度对瞬时
46、耗氧的影响时，须选取实验测定中前5MIN的DO消耗量作参比，因为在生物化学耗氧阶段，温度会影响生物活性进而影响到其氧化速度。00102030405060123456时间/MINDO消耗量/MG/L20下DO消耗量30下DO消耗量图36不同温度下沉积物（5G）DO消耗量变化FIG36DOCONSUMPTIONCURVESOFSEDIMENT5GUNDERDIFFERENTTEMPERATURE由图36可知，在实验初期的前5MIN内，30下DO的消耗量要高于20下的耗氧量。而在这极短的时间内，生物化学耗氧还未开始，因此结合FICK第二定律，可以认为是由于温度的升高提升了沉积物中瞬时耗氧物质的扩散速
47、率，进而导致耗氧量的增加。34宁大内河SOD测定为对比宁波市区内河的沉积物耗氧情况，以便更全面得了解宁波内河水质情况，采集了宁大双桥内河的泥样进行相应的实验。分别从沉积物的质量及温度两个方面进行测定，为排除实验误差，均进行了平行实验。分别称取同一站点沉积物5G、10G各两份，将恒温箱控制在20下进行实验，实验结果见图37150000501001502002503003504000001000200030004000时间（MIN）DO消耗量（MG/L）10G沉积物10G沉积物5G沉积物5G沉积物图37不同质量沉积物DO消耗量变化FIG37DOCONSUMPTIONCURVESOFDIFFEREN
48、TMASSSEDIMENT由图37和图35可知，双桥内河同一站点不同质量的沉积物耗氧情况与宁波市区内史魏家河ST1的耗氧趋势相同，但总耗氧量明显要高于ST1站点，表明双桥内河的水质较史魏家河ST1站点差。5G沉积物达到稳定的时间要小于10G沉积物，且两个平行样之间差异较小。两份同一站点的10G沉积物DO消耗情况却呈现较大的差异，分析原因可能是由于沉积物某种耗氧物质的分布不均引起，也可能是由于两份沉积物样品的稀稠程度不同所致。为研究温度对SOD测定的影响，同样分别称取双桥内河同一站点的沉积物10G分别控制在15、20下进行实验。0000501001502002503003500005001000
49、15002000250030003500时间/MINDO消耗量/MG/L2015图38不同温度下沉积物（10G）DO消耗量变化FIG38DOCONSUMPTIONCURVESOFSEDIMENT10GUNDERDIFFERENTTEMPERATURE内河沉积物耗氧（SOD）对水体改善的影响研究16对比图36可知，在短时间内温度较高的实验条件下沉积物耗氧量要明显高于温度较低的情况，因而证明了温度对沉积物中耗氧物质的扩散有一定的促进作用。而在30MIN的实验时间内，温度较高的沉积物DO消耗曲线的斜率同样大于温度较低情况下的，进一步证明了假设的正确。35空白实验分析由于在实验初期出现溶解氧下降可能是新实验装置的系统不稳定或者是电极误差所致，用电极测定不含实验泥样的整管纯水的溶解氧，作为空白实验（见表31）。表3120下纯水DO变化TABLE31PUREWATERDOUNDER2080082084086088090092094000020040060080010001200140016001800图3920下纯水DO变化FIG39PUREWATERDOCURVESUNDER20
