CC BY
40
ВЕСТНИК 2/2010
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ЗАГРЯЗНЕННЫМИ ДОННЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ
Т.Г. Богомолова, Ю.В. Брянская
МГСУ
В статье рассмотрены результаты экспериментального исследования потребления кислорода загрязненными донными отложениями.
In this article a new experimental results of bed load oxygen consumption in water sources is presented.
Потребление кислорода загрязненными донными отложениями является одной из причин ухудшения кислородного режима водных объектов [2], особенно в зонах влияния урбанизированных и сельскохозяйственных территорий.
Поступление кислорода в донные отложения происходит вследствие обменных процессов между толщей воды над грунтом и поровой водой, насыщающей донные отложения.
В связи со сложностью рассматриваемых явлений переноса и превращения веществ в зоне контакта «грунт-вода» для разработки теоретических подходов необходима достаточная база экспериментальных данных.
Очевидным фактором, влияющим на перенос и потребление кислорода донными отложениями, является удельная поверхность контакта частиц грунта и воды, которая возрастает в сотни раз при взмучивании донных отложений. Взмучивание отложений рассматривалось также как сильно влияющий фактор, что учитывалось при планировании и проведении экспериментов.
Потребление кислорода донными отложениями через поверхность «вода-грунт» исследовалось при отсутствии движения воды над грунтом при различной площади контакта воды с грунтом, изменяющемся в соотношении между объемом грунта Wzp и объемом воды We от 0,044 до 0,088, а также при изменяющейся толщине слоя грунта с сохранением его объема в испытуемой пробе. Измерения содержания кислорода в яузском донном грунте при одинаковой площади контакта (dg,=150 мм) и разной толщине слоя грунта (1 см и 2 см) производились 2-3 раза в день и продолжались 3 недели. Измерения выполнялись прибором «Экотест - 2000».
Результаты опытов представлены в виде графиков 02=f(t) на рис.1. Из графиков видно, что в первые трое суток окисление идет интенсивно и поступление кислорода через водную поверхность не компенсирует его расход. Уменьшение концентрации кислорода в водной массе до 0,5 мг/л увеличивает градиент концентраций и, согласно закону Фика, интенсифицирует диффузионный поток кислорода из атмосферного воздуха в водную массу. Уменьшение концентрации кислорода наблюдалось в течение 35 суток. После этого содержание кислорода в воде начинало нарастать, то есть поступление кислорода превышало темп его расходования, по всей видимости, вследствие изменения количественного состава микрофлоры и усвоения быстроокисляющихся питательных органических примесей. По истечении 5 суток содержание кислорода в
воде продолжало нарастать, в течение 2-х недель, достигло 2,7 мг/л и далее оставалось стабильным, т.е. количество поступающего в воду кислорода стало равным интенсивности его расходования. Представленные на рис. 1 данные измерений в пробах с различной толщиной грунтового слоя 10 мм и 20 мм при одинаковой площади контакта пробы грунта с водой показывают, что кислородный режим изменялся качественно одинаково, несмотря на то, что объемы загрязненного грунта в пробах различались вдвое. В связи с выявившимся обстоятельством был выполнен эксперимент с пробой, в которой первоначально толщина слоя грунта составляла 2 см. Далее за счет сокращения диаметра пробы грунта толщина слоя грунта была увеличена в 3,5 раза без изменения его объема.
02, мг/л
12
И=10 мм ^150 мм И=20 мм ^150 мм И=70 мм ^75 мм
И=70 мм ^75 мм (И присыпки=10 мм)
г, сут
10
8
6
4
2
0
Рис. 1. Потребление кислорода в системе «грунт - вода» при различной площади контакта и
разной толщине слоя грунта
Результаты эксперимента (см. рис.1) показывают, что потребление кислорода в данной пробе снизилось существенно, несмотря на то, что соотношение объема грунта и воды сохранилось. При этом равновесное состояние установилось через 2 суток и дефицит кислорода уменьшился. Анализ опытных данных позволил сделать вывод о том, что диффузионный поток растворенного кислорода в загрязненный донный грунт пропорционален площади контактной поверхности «грунт-вода» и концентрации кислорода в воде и не зависит от соотношения объемов «грунт-вода». Этот практически важный результат проверялся в контрольных, приближенных к натурным условиям, экспериментах при постоянной поверхности контакта и больших объемах грунта ( Жгр = = .
Же 0,25 и Шв 1 ). ® этих опытах толщина слоя грунта изменялась от 5 см до
65 см, достигая значений, близких к натурным. Опыты выполнялись на яузском грунте в цилиндрах диаметром 100 мм и высотой 1,0 м, с достижением условий, близких к натурным. Загруженный в цилиндры грунт закрывался полиэтиленовой пленкой для предотвращения взмучивания грунта при заливке пробы водой. Проведенные контрольные эксперименты подтвердили вывод о слабом влиянии толщины слоя отложений на процесс потребления кислорода.
Представляют практический научный интерес опыты по изучению потребления кислорода при взмучивании донных отложений. Они позволили установить значительное влияние взмучивания отложений на процесс потребления кислорода. Очевидно, что этот зарегистрированный эффект связан с резким возрастанием удельной поверхности контакта «грунт-вода» [3]. Это обстоятельство требует дальнейшего изучения и учета при очистке загрязненных водоемов, в процессе которой БПК5 может возрастать в десятки раз (рис. 2) и дефицит кислорода при этом может достигать критического значения.
lgBnK5
lgC, мг/л
А - двмиые C.B. Akobjh
Рис. 2. Опытное определение Ы1К5 для возмущенных и покоящихся донных отложений
Для определения скорости потребления кислорода загрязненным донным грунтом рассмотрим диффузионный поток кислорода из воды в грунт. Если диффузионный поток кислорода в единицу времени через единичную поверхность выразить через скорость его потребления u, можно записать, что
Jx = Dм АС , (1)
где АС - концентрация кислорода в воде.
Используя закон Фика, этот же поток можно записать в виде:
•А - , (2)
где Dм - коэффициент молекулярной диффузии кислорода в водонасыщенный грунт; 3 - эффективная толщина диффузионного слоя в грунте. Из сопоставления выражений (1) и (2) очевидно, что
и = ^ , (3)
£
Данное выражение может быть использовано также для определения скорости поступления кислорода через свободную поверхность.
Экспериментально установлено [1], что для процесса диффузии кислорода через водную поверхность 5=0,05 см. При коэффициенте молекулярной диффузии кислорода равном DM=1,2 см2/сут, среднее значение скорости поступления кислорода в воду составит 24 см/сут:
А,
1,2 см / сут 0,05 см
= 24 см / сут
Экспериментальные данные по потреблению кислорода донными отложениями, полученные для значительных по толщине слоев донных грунтов и близких к натурным глубинам, представленные на рис. 3, показывают, что скорость переноса кислорода в грунт uг значительно превосходит скорость поступления кислорода через водную поверхность ua и возрастает с увеличением отношения глубины водной массы hв к толщине ЬГ слоя отложений.
ч
I «.
к,«!
Рис. 3. Соотношение между скоростью поступления кислорода в грунт и скоростью поступления кислорода через поверхность водной массы от относительной толщины слоев воды
и грунта
Экспериментально установлено, что потребление кислорода донными отложениями в водных источниках в большей степени зависит от площади контакта с водной массой, чем от объема отложений.
Полученные количественные характеристики процессов насыщения воды атмосферным кислородом и его расходования на окисления донных отложений могут использоваться при разработке проектов экологической реконструкции водных объектов.
Данная работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Литература:
1. Богомолова Т.Г. Диффузия атмосферного кислорода в покоящуюся и движущуюся массу жидкости. Вестник МГСУ, 2009. № 3 с. 205-211.
2. Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов-приемников сточных вод. М.: «Строй-издат» 1984,261 с.
3. Яковлев C.B. Канализация. М.: Стройиздат, 1975. 632 с.
Ключевые слова: водные источники; кислородный режим; донные отложения; потребление кислорода
Keywords: water sources; oxygen regime; bed load; oxygen consumption.
Статья представлена редакционным советом «Вестник МГСУ»
e-mail автора: MGSU-hydraulic@yandex.ru
u =
