河流重金属随水_悬浮物_底泥迁移转化模型
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目前 , 国内外在河流重金属污染物研究方面已 进行不少的工作[ 1 -5] , 但由于排入河流水体的重金 属与其他污染物不同 , 它和泥沙运动的关系十分密 切 , 必须考虑泥沙运动对它的影响[ 6 -7] , 其次它不能 被生物所降解 , 相反地某些生物可以富集合转化重 金属 , 并且重金属在泥沙颗粒上的吸附和共沉淀是 重金属在水体中运动的关键环节 [ 7 -9] 。 目前关于河 流重金属迁移转化的数学模型不多 [ 10 -13] 。
金矿的污水处理池出现一个大裂口 , 1万多立方米 含剧毒的氰化物及铅 、汞等重金属污水流入附近的 索莫什河 , 而后又冲入匈牙利境内多瑙河支流蒂萨 河 。 污水流经之处 , 几乎所有水生生物迅速死亡 , 河
＊ 文章编号 :1003 -3033(2008)12 -0023 -06; 收稿日期 :2008 -07 -22; 修稿日期 :2008 -11 -30
1 水体中重金属的迁移转化过程
重金属在水体的迁移转化过程几乎包括水体中 各种已知的物理 、化学及生物过程 , 主要有 :溶解态 和悬移态重金属在水流中的扩散迁移过程 ;沉积态 重金属随底泥的推移过程 ;溶解态重金属吸附于悬 浮物和沉积物后向固相迁移过程 ;悬移态和沉积态 重金属向间隙水溶出而重新进入水体的释放过程 ; 悬移态重金属沉淀 、絮凝 、沉降过程 ;沉积态重金属 再悬浮过程 ;生物过程即生物摄取 、富集 、微生物及 生物甲基化等 ;水体中重金属通过水面向空气中迁 移的气态迁移过程等等 。 各种迁移转化过程同时发 生 。研究其在河流中的迁移转化规律时 , 必须正确 综合考虑各过程及其影响因素 。
颗粒周围固液界面的传质边界层有下列吸附动力学
反应式 :ddCt=K1(Cw -C)。 在平衡状态下有 :
g=KbC, Cw =gθ, 故 Cw =KbθC
则
ddCt=-K1 (KbθC-Ci)
式中 , g———重金属在悬浮物上的平衡吸附量, mg/kg;
θ———单位水体中悬浮物的含量 , kg/L;
重金属污染物迁移转化数学模型分为 :经验模 型 、整体模型和分相模型 。 它们各有优缺点 , 实际中 人们更关注水体中水相和悬移相重 金属浓度的变 化 , 泥沙的悬浮 、沉降以及底泥的吸附 。因此 , 将水 体中水相和悬移相重金属作为一个 整体来进行研 究 。笔者基于质量守恒 , 分析河流重金属的迁移转 化过程 , 建立了重金属随水 -悬浮物 -底泥迁移转 化耦合模型 , 并对模型的边界条件和简化求解进行 探讨 。
· 24·
中国 China
安全 Safety
科学 Science
学Journ报al 第2 0
1 8卷 0 8年
流两岸的鸟类 、野猪 、狐狸等陆地动物纷纷死亡 、植 物渐渐枯萎 。流域生态环境也遭到了严重破坏 。
1986年瑞士巴塞尔市的 Sandoz化学公司发生 火灾 , 装有约 1 250吨剧毒农药的钢罐爆炸 , 硫 、磷 、 汞等有毒物质随着大量的灭火用水流入下水道 , 排 入莱茵河 。 事故造成约 160公里范围内多数鱼类死 亡 , 约 480公里范围内的井水受到污染影响不能饮 用 。因此 , 加强水中重金属污染物迁移转化规律的 研究 , 对河流重金属污染及防治具有重要的意义 。
2 LibraryofSouthwestPetroleumUniversity, Chengdu610500, China)
Abstract: Thetransferringandtransformingprocessofheavymetalsinriversisdetailed.Thecoupling modelofheavymetalstransferringandtransformingwithwater-suspendedsubstance-mudisestablishedaccordingtomassconservationlaw.Analysisshowsthatthetransferringandtransformingprocessofheavy metalsinriversincludesconvection, moleculediffusing, adsorptionanddesorption, sedimentationandresuspending.Accordingtothemasstransferprocessofheavymetals, theratioofmasschangeandthestate ofriverflow, thestablecouplingmodelandtheturbulentcouplingmodelofheavymetalstransferringand transformingwithwater-suspendedsubstance-mudarebuilt, whichbesimplifiedandsolvedundercertain boundaryconditionsandinitialconditions. Keywords: heavymetals; transferandtransformation; adsorption; desorption; couplingmodel
的扩散物质的输送率 (或通量 , 质流率 ), Dm为分子
扩散系数 , 除在固体边界层处是各向异性外 , 在其余
水体是各向 同性的 , 各方 向的 扩散 系数 大小近 似
相等 。
当沿 x方 向 进 入 体积 单 元 的 扩 散质 流 量 为
第 12期 黄本生等 :河流重 金属随水 -悬浮物 -底泥迁移 转化模型
(4)
同理 , 悬浮态重金属在 3个方向扩散质流量变
化率之和为
m2W =-(Pxw+ Pyw+ Pzw)dxdydz=-div(Pw)dxdydz
(5) 因为河床底泥属于较重的颗粒 , 其扩散作用甚
微 , 予以忽略 。
m2M =0
(6)
1.3 吸附和解析传质
1.3.1 吸附传质 1)悬浮物对溶解态重金属的吸附 。在悬浮物
TheTransferringandTransformingModelofHeavyMetalswith Water-suspendedSubstance-mudinRivers
HUANGBen-sheng1, Assoc.Prof. LIXi-ping2 FANZhou1, Lecturer WANGXiao-hong1, Assoc.Prof. (1 CollegeofMaterialsScience＆ Engineering, SouthwestPetroleumUniversity, Chengdu610500, China
解析予以忽略 。
m3W =0
(10)
1.4 沉降和再悬浮传质
悬浮物由于絮凝沉降使一部分悬浮态重金属沉
入河底变成底泥态重金属 。 由于流速 、流量 、水位等
第 2
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8卷 第 0 8年
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2期 2月
中China国
安全 Safety
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学Journ报al
Vol.1 8No.12 Dec.2 0 0 8
河流重金属随水 -悬浮物 -底泥迁移转化模型＊
黄本生 1 副教授 李西萍2 范 舟1 讲师 王小红 1 副教授
1.1 对流传质
为了便于说明问题 , 在靠近河底的河床表面上 方取水体中的一个微小容积作为体积单元 , 其直角
坐标系中的体积单元如下图所示 。
水体中的体积单元图(图中仅表示 x方向的质流量 )
令 V为河水的流速矢量 ;U, V, W为流速矢量在 x, y, z等 3个向的分量 ;j为水中的某一污染物 ;q为 底泥移动速度矢量 ;qx, qy, qz为底 泥移动速度矢量 在直角坐标系中 3 个分量大小 ;C为水中溶解态重 金属浓 度 [ mg/L] ;Cw 为水 中悬 浮 态重 金 属浓 度 [ mg/L] ;CM为底泥中重金属浓度 [ mg/L] 。
(1 西南石油大学材料科学与工程学院 , 成都 610500 2 西南石油大学图书馆 , 成都 610500)
学科分类与代码 :620.2030 中图分 类号 :X522 文献标识码 :A
【摘 要 】 详细分析重金属在河流中迁移转化过程 , 并根据质量守恒定律 , 建立河流重金属随水 悬浮物 -底泥迁移转化耦合模型 。 分析表明 :重金属在河流中迁移转化过程包括对流传质 、分子扩 散传质 、吸附和解析传质 、沉降和再悬浮传质 ;根据重金属传质过程及其在体积单元中的质量变化 率 , 考虑河流的状态 , 建立了河流重金属随水 -悬浮物 -底泥迁移转化耦合稳态模型和紊动模型 , 在 一定的边界条件和起始条件下 , 可实现模型的简化求解 。 【关键词 】 重金属 ; 迁移转化 ; 吸附 ; 解析 ; 耦合模型
0 引 言
随着工业的发展 , 特别是金属冶炼 、电镀 、电子 以及化工等行业的发展 , 向环境排出的重金属废水 逐年增加 , 大量河流被污染 , 由于重金属特性复杂 , 毒性强 , 不能被生物降解等 , 它对环境和人体健康造
成极大的潜在危害 。例如 : 2000年罗马尼亚西北部连降了几场大雨 , 一座
同理 , 底泥态重金属在 3个方向质流量变化量 之和是 : m1M =-[ (CMxqx)+ (CMyqy)+ (CMzqz)] dxdydz=
-div(CMq)dxdydz (3)
1.2 分子扩散传质
分 子 扩 散 符 合 菲 克 定 律 :Pi= Dm
C x
[ g/(m2 · s)] 。 Pi为通过垂直于 i方向的单位面积
f1 C, 则
ddCt=K4 (f1 C-C)
式中 , K4 ———解析系数 , 1/s; f1 ———底泥和水的分配系数 , L/kg。
体积单元中由于底泥的解析作用发生的质量变
化率 :
m3W =K4 (f1 C-C)dxdydz
(9)
由于 θ值不大且 K4 <10-7 ～ 10-14 , 故悬浮物的
以溶解态重金属通过体积单元时其质流量的变 换为研究对象 , 沿 x方向流进体积单元的质流量是 CUdydz[ g/s] , 流出 体 积 单元 的 质 流 量是 [ CU +
(CxU)dx] dydz, 在 x方 向 上 质 流 量 变 化 率 为 : CUdydz-[ CU+ (CxU)dx] dydz=- (CxU)dxdydz
3个方 向 的 溶 解 态 重 金 属 质 流 量 变 化 量 之 和是 :
m1D =-[ (CxU)+ (CyV)+ (CzW)] dxdydz= -div(CV)dxdydz (1)
同理 , 悬浮重金属在 3个方向质流量变化量之 和是 :
m1W =-[ (CwxU)+ (Cw yV)+ (CwzW)] dxdydz= -div(CwV)dxdydz (2)
ddCt=K1 (C-Ci)
式中 , Ci———吸附边界层液体浓度 , mg/L。 体积单元中因底泥吸附引起的质量变化率是 :
m3M =K1 (C-Ci)dxdydz
(8)
1.3.2 解析传质
底泥和沉积物中重金属 , 在一定的温度 、pH值
等物理化学条件下发生解析作用 , 则有以下动力学
反应式 :ddCt=K4 (CM -C)。 在 平衡 状 态下 :CM =
Kb———在悬浮物和水中的分配系数 , L/kg; K1 ———吸附系数 [ 1 /s] ; Ci———吸附边界层溶解态浓度 , mg/L。 在体积单元中因悬浮物的吸附发生的质量变化
率为
mБайду номын сангаасW =K1 (KbθC-Ci)dydzdx
(7)
2)底泥对重金属的吸附 。 底泥表面固液边界
层的吸附反应式 :
· 25·
Pxdydz;离开体积单元的扩散质流 量为 [ Px+ Pxx]
dydz, 则 x方向的净质流量变化量为 Pxdydz-[ Px + Pxxdx] dydz=- Pxxdxdydz。
因此 , 在 x, y, z3个方向的溶解态重金属质流量
变化量之和为
m2D =-( Pxx+ Pyy+ Pzz)dxdydz=-divPdxdydz
金矿的污水处理池出现一个大裂口 , 1万多立方米 含剧毒的氰化物及铅 、汞等重金属污水流入附近的 索莫什河 , 而后又冲入匈牙利境内多瑙河支流蒂萨 河 。 污水流经之处 , 几乎所有水生生物迅速死亡 , 河
＊ 文章编号 :1003 -3033(2008)12 -0023 -06; 收稿日期 :2008 -07 -22; 修稿日期 :2008 -11 -30
1 水体中重金属的迁移转化过程
重金属在水体的迁移转化过程几乎包括水体中 各种已知的物理 、化学及生物过程 , 主要有 :溶解态 和悬移态重金属在水流中的扩散迁移过程 ;沉积态 重金属随底泥的推移过程 ;溶解态重金属吸附于悬 浮物和沉积物后向固相迁移过程 ;悬移态和沉积态 重金属向间隙水溶出而重新进入水体的释放过程 ; 悬移态重金属沉淀 、絮凝 、沉降过程 ;沉积态重金属 再悬浮过程 ;生物过程即生物摄取 、富集 、微生物及 生物甲基化等 ;水体中重金属通过水面向空气中迁 移的气态迁移过程等等 。 各种迁移转化过程同时发 生 。研究其在河流中的迁移转化规律时 , 必须正确 综合考虑各过程及其影响因素 。
颗粒周围固液界面的传质边界层有下列吸附动力学
反应式 :ddCt=K1(Cw -C)。 在平衡状态下有 :
g=KbC, Cw =gθ, 故 Cw =KbθC
则
ddCt=-K1 (KbθC-Ci)
式中 , g———重金属在悬浮物上的平衡吸附量, mg/kg;
θ———单位水体中悬浮物的含量 , kg/L;
重金属污染物迁移转化数学模型分为 :经验模 型 、整体模型和分相模型 。 它们各有优缺点 , 实际中 人们更关注水体中水相和悬移相重 金属浓度的变 化 , 泥沙的悬浮 、沉降以及底泥的吸附 。因此 , 将水 体中水相和悬移相重金属作为一个 整体来进行研 究 。笔者基于质量守恒 , 分析河流重金属的迁移转 化过程 , 建立了重金属随水 -悬浮物 -底泥迁移转 化耦合模型 , 并对模型的边界条件和简化求解进行 探讨 。
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流两岸的鸟类 、野猪 、狐狸等陆地动物纷纷死亡 、植 物渐渐枯萎 。流域生态环境也遭到了严重破坏 。
1986年瑞士巴塞尔市的 Sandoz化学公司发生 火灾 , 装有约 1 250吨剧毒农药的钢罐爆炸 , 硫 、磷 、 汞等有毒物质随着大量的灭火用水流入下水道 , 排 入莱茵河 。 事故造成约 160公里范围内多数鱼类死 亡 , 约 480公里范围内的井水受到污染影响不能饮 用 。因此 , 加强水中重金属污染物迁移转化规律的 研究 , 对河流重金属污染及防治具有重要的意义 。
2 LibraryofSouthwestPetroleumUniversity, Chengdu610500, China)
Abstract: Thetransferringandtransformingprocessofheavymetalsinriversisdetailed.Thecoupling modelofheavymetalstransferringandtransformingwithwater-suspendedsubstance-mudisestablishedaccordingtomassconservationlaw.Analysisshowsthatthetransferringandtransformingprocessofheavy metalsinriversincludesconvection, moleculediffusing, adsorptionanddesorption, sedimentationandresuspending.Accordingtothemasstransferprocessofheavymetals, theratioofmasschangeandthestate ofriverflow, thestablecouplingmodelandtheturbulentcouplingmodelofheavymetalstransferringand transformingwithwater-suspendedsubstance-mudarebuilt, whichbesimplifiedandsolvedundercertain boundaryconditionsandinitialconditions. Keywords: heavymetals; transferandtransformation; adsorption; desorption; couplingmodel
的扩散物质的输送率 (或通量 , 质流率 ), Dm为分子
扩散系数 , 除在固体边界层处是各向异性外 , 在其余
水体是各向 同性的 , 各方 向的 扩散 系数 大小近 似
相等 。
当沿 x方 向 进 入 体积 单 元 的 扩 散质 流 量 为
第 12期 黄本生等 :河流重 金属随水 -悬浮物 -底泥迁移 转化模型
(4)
同理 , 悬浮态重金属在 3个方向扩散质流量变
化率之和为
m2W =-(Pxw+ Pyw+ Pzw)dxdydz=-div(Pw)dxdydz
(5) 因为河床底泥属于较重的颗粒 , 其扩散作用甚
微 , 予以忽略 。
m2M =0
(6)
1.3 吸附和解析传质
1.3.1 吸附传质 1)悬浮物对溶解态重金属的吸附 。在悬浮物
TheTransferringandTransformingModelofHeavyMetalswith Water-suspendedSubstance-mudinRivers
HUANGBen-sheng1, Assoc.Prof. LIXi-ping2 FANZhou1, Lecturer WANGXiao-hong1, Assoc.Prof. (1 CollegeofMaterialsScience＆ Engineering, SouthwestPetroleumUniversity, Chengdu610500, China
解析予以忽略 。
m3W =0
(10)
1.4 沉降和再悬浮传质
悬浮物由于絮凝沉降使一部分悬浮态重金属沉
入河底变成底泥态重金属 。 由于流速 、流量 、水位等
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Vol.1 8No.12 Dec.2 0 0 8
河流重金属随水 -悬浮物 -底泥迁移转化模型＊
黄本生 1 副教授 李西萍2 范 舟1 讲师 王小红 1 副教授
1.1 对流传质
为了便于说明问题 , 在靠近河底的河床表面上 方取水体中的一个微小容积作为体积单元 , 其直角
坐标系中的体积单元如下图所示 。
水体中的体积单元图(图中仅表示 x方向的质流量 )
令 V为河水的流速矢量 ;U, V, W为流速矢量在 x, y, z等 3个向的分量 ;j为水中的某一污染物 ;q为 底泥移动速度矢量 ;qx, qy, qz为底 泥移动速度矢量 在直角坐标系中 3 个分量大小 ;C为水中溶解态重 金属浓 度 [ mg/L] ;Cw 为水 中悬 浮 态重 金 属浓 度 [ mg/L] ;CM为底泥中重金属浓度 [ mg/L] 。
(1 西南石油大学材料科学与工程学院 , 成都 610500 2 西南石油大学图书馆 , 成都 610500)
学科分类与代码 :620.2030 中图分 类号 :X522 文献标识码 :A
【摘 要 】 详细分析重金属在河流中迁移转化过程 , 并根据质量守恒定律 , 建立河流重金属随水 悬浮物 -底泥迁移转化耦合模型 。 分析表明 :重金属在河流中迁移转化过程包括对流传质 、分子扩 散传质 、吸附和解析传质 、沉降和再悬浮传质 ;根据重金属传质过程及其在体积单元中的质量变化 率 , 考虑河流的状态 , 建立了河流重金属随水 -悬浮物 -底泥迁移转化耦合稳态模型和紊动模型 , 在 一定的边界条件和起始条件下 , 可实现模型的简化求解 。 【关键词 】 重金属 ; 迁移转化 ; 吸附 ; 解析 ; 耦合模型
0 引 言
随着工业的发展 , 特别是金属冶炼 、电镀 、电子 以及化工等行业的发展 , 向环境排出的重金属废水 逐年增加 , 大量河流被污染 , 由于重金属特性复杂 , 毒性强 , 不能被生物降解等 , 它对环境和人体健康造
成极大的潜在危害 。例如 : 2000年罗马尼亚西北部连降了几场大雨 , 一座
同理 , 底泥态重金属在 3个方向质流量变化量 之和是 : m1M =-[ (CMxqx)+ (CMyqy)+ (CMzqz)] dxdydz=
-div(CMq)dxdydz (3)
1.2 分子扩散传质
分 子 扩 散 符 合 菲 克 定 律 :Pi= Dm
C x
[ g/(m2 · s)] 。 Pi为通过垂直于 i方向的单位面积
f1 C, 则
ddCt=K4 (f1 C-C)
式中 , K4 ———解析系数 , 1/s; f1 ———底泥和水的分配系数 , L/kg。
体积单元中由于底泥的解析作用发生的质量变
化率 :
m3W =K4 (f1 C-C)dxdydz
(9)
由于 θ值不大且 K4 <10-7 ～ 10-14 , 故悬浮物的
以溶解态重金属通过体积单元时其质流量的变 换为研究对象 , 沿 x方向流进体积单元的质流量是 CUdydz[ g/s] , 流出 体 积 单元 的 质 流 量是 [ CU +
(CxU)dx] dydz, 在 x方 向 上 质 流 量 变 化 率 为 : CUdydz-[ CU+ (CxU)dx] dydz=- (CxU)dxdydz
3个方 向 的 溶 解 态 重 金 属 质 流 量 变 化 量 之 和是 :
m1D =-[ (CxU)+ (CyV)+ (CzW)] dxdydz= -div(CV)dxdydz (1)
同理 , 悬浮重金属在 3个方向质流量变化量之 和是 :
m1W =-[ (CwxU)+ (Cw yV)+ (CwzW)] dxdydz= -div(CwV)dxdydz (2)
ddCt=K1 (C-Ci)
式中 , Ci———吸附边界层液体浓度 , mg/L。 体积单元中因底泥吸附引起的质量变化率是 :
m3M =K1 (C-Ci)dxdydz
(8)
1.3.2 解析传质
底泥和沉积物中重金属 , 在一定的温度 、pH值
等物理化学条件下发生解析作用 , 则有以下动力学
反应式 :ddCt=K4 (CM -C)。 在 平衡 状 态下 :CM =
Kb———在悬浮物和水中的分配系数 , L/kg; K1 ———吸附系数 [ 1 /s] ; Ci———吸附边界层溶解态浓度 , mg/L。 在体积单元中因悬浮物的吸附发生的质量变化
率为
mБайду номын сангаасW =K1 (KbθC-Ci)dydzdx
(7)
2)底泥对重金属的吸附 。 底泥表面固液边界
层的吸附反应式 :
· 25·
Pxdydz;离开体积单元的扩散质流 量为 [ Px+ Pxx]
dydz, 则 x方向的净质流量变化量为 Pxdydz-[ Px + Pxxdx] dydz=- Pxxdxdydz。
因此 , 在 x, y, z3个方向的溶解态重金属质流量
变化量之和为
m2D =-( Pxx+ Pyy+ Pzz)dxdydz=-divPdxdydz