耗氧系数K1的测定方法及应用

耗氧系数K1的测定方法主要包括实验室测定法、野外两点测定法、野外多点测定法以及四点溶解氧测定法。上文中所提到的综合衰减系数K,其确定方法同K1。

1.实验室测定法

在所研究的水体(河流或湖库)取样,将样品用生化需氧量标准测定法,在20℃下做1～10d序列培养样品,做生化需氧量试验,分别测定从第1天到第10天的生化需氧量推算溶解氧的消耗量。收集归纳监测数据,采用最小二乘法进行分析,求出20℃下的实验室生化需氧量降解系数K1。需要说明的是,严格来说,用实验室测定法测出的K1是含碳有机物的降解系数,忽略了含氮有机物硝化耗氧,主要是由于含氮有机物硝化耗氧相对较小。所以测定结果常用总的有机物降解系数。

设生化需氧量降解反应满足一级反应动力学方程,则对于初始浓度为C0的反应器,在t时刻的浓度降解量为

通过试验,可以测得不同时刻ti(i=1,2,…,n,一般n＞10)的溶解氧减少量,亦即生化需氧量的消耗量ΔCi,在t时刻的剩余浓度C以及总浓度C0都不易测得,因此C0和K1均为未知数。

假定K1=K′1+Δ,K′1是迭代的初值,K1是真实的速率常数,Δ是两者的偏差。则有

如果Δ很小,则有exp(-Δ·t)≈1-Δ·t,则式(4.92)可变为

代入各个测量时刻ti及生化需氧量的实测消耗量ΔCi,可得一组xi和yi,用最小二乘公式可求出m、b,从而求出Δ=m/b。

如果所研究的水体是湖或库,则可直接使用这一实验室测定值,只是需进行温度校正,详见第5章湖库模型参数部分。

对于河流,在测定K1,20,实验室后,由于河流中有机物的生物化学降解条件与实验室的条件有异,由实验室测得的生化需氧量衰减系数与河流中河水的实际K1值有很大差别,实验室测得的参数值往往小于河流中的实测值,需要进行适当转换。Bosko提出了两者的经验关系为

2.野外两点测定法

选取一个顺直、水流稳定、无支流汇入、无入河排污口的河段,分别在其上游(A点)和下游(B点)布设采样点,监测污染物浓度值和水流流速,可直接估算出该段水体在当时的环境条件下对该污染物的降解系数K1,此处所述的降解过程,严格来说包括了生物降解和沉淀等其他所有减少有机物的过程。野外两点测定法布点示意图见图4.6。

图4.6　测点布设示意图

对河流,测得A、B两点处污染物浓度分别为CA、CB(当CA＞CB时,试验结果有效)。则有(www.xing528.com)

3.野外多点测定法

野外多点测定法类似于野外两点测定法,二者基本原理相同,在沿污染物流向上设置n(n≥3)个不同的测点,测定各点浓度,通过最小二乘法直接估算出该段水体在当时的环境条件下对该污染物的降解系数K1。本方法进行了多点测量,并进行了回归处理,相对两点法有更好的代表性。

对于河流,如果在xi(i=1,2,…,n,且xi＜xi+1)处测得污染物浓度为Ci(i=1,2,…,n),当Ci＞Ci+1时,试验结果有效。类似于两点法,将各次监测浓度采用一维稳态衰减模式,则可得到

两边取自然对数,可得

用最小二乘法,即可求得

4.四点溶解氧测定法

国外学者提出可只用河流中等距离的4点测得的溶解氧浓度值求耗氧系数K1。根据SP模型的基本原理,在稳态条件下,SP模型可描述为

式中 P-R——水生植物产氧速率与底泥增加生化需氧量速率之差,s-1。

如果这4个测点中,相邻两点之间的距离都相等,设为Δx,由式(4.107)可推导得

式中 DO1、DO2、DO3、DO4——4个测点的溶解氧浓度,mg/L;

K2——河流复氧系数,为已知数。

使用此种方法时,需要先测定复氧系数K2。同时,应使临界点位置处于所测的4个测点之中,通常较好的结果是DO2＜DO3＜DO1＜DO4。