泥沙颗粒生长生物膜后沉降的实验研究Ⅱ：沉降速度计算.pdf

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1、水利学报2012年4月SHUILIXUEBA0第43卷第4期文章编号：0559—9350(2012)04—0386—06泥沙颗粒生长生物膜后沉降的实验研究Ⅱ：沉降速度计算方红卫，尚倩倩，赵慧明，王靖宇(清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：泥沙生长生物膜后相应的物理特性会发生改变。本文主要探讨泥沙颗粒在微生物生命活动的影响下沉降特性的改变情况。将官厅水库的泥沙分为6组，使用天然水和营养液的混合液对泥沙进行培养，用来模拟富营养水体中泥沙颗粒特性的发展变化情况。对于生长生物膜后的絮体颗粒在各个不同培养时间的沉降运动，实

2、验采用先进的图像采集观测系统进行拍摄采样，并利用图像分析测量颗粒大小和沉速的变化，推导了生长生物膜后的颗粒沉速计算公式。研究表明生物膜极大地改变了颗粒的表面特性，使得颗粒下沉阻力增大，与同等大小无生物膜黏连的泥沙颗粒相比沉速明显减小。关键词：沉速；泥沙颗粒；生物膜中图分类号：TV14l文献标识码：A1研究背景随着水体环境的改变，泥沙的特性如颗粒表面结构、密度、形貌等发生一系列的变化，尤其是生物膜在泥沙颗粒上的生长能够形成由泥沙和生物膜复合而成的生物絮体”，从而对颗粒的运动特性产生影响。文献[1]中重点阐述了泥沙生物絮体的沉降实验设计，并分析了生物膜生长后颗粒级

3、配的变化情况，本文在文献[1]实验的基础上对生物膜生长后颗粒的沉降特性进行分析。颗粒在液体中的沉速是标志颗粒物运动特征的一个重要物理量，颗粒的沉速与其大小、密度、形状和表面特征等密切相关。传统的较细泥沙沉降的测量将颗粒简化为球体进行计算，使用斯托克斯公式推求沉速粒径，在试验的情况下通常使用清洗等处理后的泥沙进行。事实上，天然水体中的泥沙表面形貌极其复杂，常附着大量的污染物质。泥沙表面具有许多微界面，在固液界面上发生着吸附与解析的共同作用，因为泥沙特有的表面吸附特性，可以吸附各种营养物质等，从而吸引多种微生物生存在泥沙表面。微生物对颗粒物的影响主要是其在颗粒界面

4、上的分泌物的作用，这些分泌物被称为胞外聚合物，和微生物本身共同构成生物膜结构，它的存在会使环境条件发生变化，据研究在整个细菌生长期中细胞表面电荷基本维持常量，其电荷的相对稳定性，会对泥沙颗粒物的表面电性及稳定性n等产生影响，颗粒表面的有机物会增大颗粒的稳定性。尤其是在受污染水体中，由于过剩的营养物质，泥沙表面的微生物活动形成的生物膜会影响并导致泥沙颗粒运动特性的改变。生物膜广泛存在于河流湖泊等水环境中的固体表面，对天然水体中生物膜的研究也越来越受到关注，但是在河流湖泊方面的研究目前主要集中在形貌研究上口’，生命活动对泥沙的运动特性影响方面的研究主要集中在河1：

5、1以及海滩等地区，因为这些地方处在淡水海水以及海陆的交界处，物质交换频繁，营养物质丰富，生命活动剧烈。李鱼等对天然水体中生物膜的成分以及吸附特性等进行了较为系统的研究，王文军、梅琼等也都利用天然水体中生物膜的生长进行了相关研究，但研究收稿13期：2010—07—14基金项目：国家自然科学基金(10872110)；国家科技重大专项“水专项”(2008ZX07209)作者简介：方红卫(1967一)，男，江苏武进人，教授，主要从事水力学及河流动力学等研究。E—mail：fanghw@tsinghua．edu．cn一386—的载体是与泥沙基质特性较为接近的载玻片等替代

6、物质。Andersen等“通过实测资料认为水体中的生物群落结构和组成会影响泥沙颗粒性质，对泥沙颗粒的沉降有重要影响，并通过实地测量研究了微生物排泄物对潮间带床面侵蚀物沉速的影响n。Stal¨对微生物及其分泌物对潮间带泥沙的形态形成的影响进行了探索。为了观测天然营养丰富的水体中泥沙颗粒与水体微生物环境相互作用下所形成的絮体的沉降运动规律，通过使用天然水和营养液混合水体对泥沙颗粒进行培养，并对其沉降运动进行观测⋯。本文在文献[1]实验的基础上，分析了微生物活动后形成的絮体尺寸以及沉速，并对生物絮体颗粒沉降计算公式进行了拟合推导。2生长生物膜后泥沙沉降公式推导2．1

7、沉降公式推导生物膜在泥沙颗粒表面和孔隙中的生长形成新的颗粒物，其密度和大小都发生较大变化。生物膜的湿密度由于水分在生物膜中所占的比例非常高，通常认为其湿密度和水密度相当”，从实测的研究数据来看，絮团的有效密度从3O～1600kg／m不等，小絮团有效密度有时是大絮团的两个量级n，表明絮体颗粒与通常泥沙密度取值2650kg／m。有较大差别；另一方面长膜沙的密度在一定的范围内，加之生物膜本身的多孔多通道和粗糙表面的性质和对絮团架构的影响，需要对沉速公式进行修正。生物膜以泥沙颗粒作为基底物质进行生长，不仅包裹在泥沙颗粒周围而且在泥沙颗粒之间形成黏连。一个絮团沉降时的受

8、力如图1，受到重力G，浮力F，和阻力F