A Sensitivity and Error Analysis Framework for Lake Eutrophication Modeling1

ABSTRACT: A framework for sensitivity and error analysis in mathematical modeling is described and demonstrated. The Lake Eutrophication Analysis Procedure (LEAP) consists of a series of linked models which predict lake water quality conditions as a function of watershed land use, hydrolgic variables, and morphometric variables. Specification of input variables as distributions (means and standard errors) and use of first-order error analysis techniques permits estimation of output variable means, standard errors, and confidence ranges. Predicted distributions compare favorably with those estimated using Monte-Carlo simulation. The framework is demonstrated by applying it to data from Lake Morey, Vermont. While possible biases exist in the models calibrated for this application, prediction variances, attributed chiefly to model error, are comparable to the observed year-to-year variance in water quality, as measured by spring phosphorus concentration, hypolimnetic oxygen depletion rate, summer chlorophyll-a, and summer transparency in this lake. Use of the framework provides insight into important controlling factors and relationships and identifies the major sources of uncertainty in a given model application.     

三峡水库干流沉积物及消落带土壤磷形态及其分布特征

三峡水库完全运行后,水文节律发生了变化(水位在145~175 m波动),沉积物和消落带土壤磷的空间分布也有可能发生变化.2016年6月采集了11个样点的沉积物及消落带样品,利用沉积物中磷形态的标准测试程序(SMT),对比研究了三峡水库干流表层沉积物及消落带土壤磷形态,分析了磷形态特征及其在横向(沉积物和消落带土壤)和纵向(回水区末端至三峡大坝)的空间分布特征.结果表明,三峡水库回水区末端至三峡坝前,干流沉积物样品总磷(TP)、Na OH-P含量呈增加趋势,HCl-P呈下降趋势,而消落带土壤磷的各形态含量纵向变化规律不明显.沉积物TP、有机磷(OP)、HCl-P和NaOHP均值依次为(859.6±106.8)、(224.6±113.9)、(435.3±77.7)和(101.5±31.6)mg·kg~(-1),均高于消落带土壤含量均值.HCl-P为沉积物和消落带土壤磷的主要形态,占TP的质量分数分别为51.3%和58.2%,Na OH-P占TP的质量分数分别为11.7%和8.1%.与沉积物相比,消落带土壤各形态磷含量变异系数高,具有较高的空间异质性.     

黑臭河流沉积物磷、铁、硫的DGT同步分析研究

沉积物中磷(P)、铁(Fe)、硫(S)之间存在密切的耦合关系,但大部分研究并未提供直接的原位证据,需要借助高分辨的获取技术才能表征.为了探索三者之间的耦合关系,本文利用Zr O-Ag I DGT和Chelex DGT对东莞市黑臭河流沉积物中有效态P、Fe、S进行了高分辨分析.结果表明:应用DGT技术能够获得黑臭河流沉积物中有效态P、Fe、S的高分辨率浓度分布,并且实验结果可靠,有效地避免了主动采样方法和沉积物空间异质性对P、Fe、S同步分析的影响.各采样点沉积物中有效态P、S在垂向上的空间分布趋势基本相似,部分采样点出现有效态P、Fe、S同步变化的现象,同步获得的微界面浓度分布较好地反映了三者的耦合关系.对P、Fe、S在水-沉积物界面附近的含量分布进行相关性分析,结果表明三者之间具有显著正相关(p0.05),进一步证实了黑臭河流沉积物中也存在P、Fe、S同步释放的现象.大部分样点沉积物-水界面有效态P、Fe、S的扩散通量为正值,表现为由沉积物向上覆水释放P、Fe、S.沉积物中P、Fe、S的耦合释放表明其对黑臭的形成和内源磷释放至关重要.     

高铁酸钾破解剩余污泥的水解效能分析

为了有效提高污泥水解效率、缩短厌氧消化时间,以K₂FeO₄为氧化剂破解剩余污泥,考察K₂FeO₄投加量（50~500 g/kg,以干质量计）对污泥破解率的影响,分析水解液各项特征指标并对其可生化性能进行预测,探究该方法作为污泥厌氧预处理的可行性.结果表明:污泥水解效率随着K₂FeO₄投加量的增加而升高,当搅拌速率为500 r/min、反应时间为2 h、K₂FeO₄投加量为500 g/kg的条件下,可实现最高的污泥破解率（34.6%）.污泥水解液中有机物以多糖、蛋白质为主,并有少量挥发性有机酸;污泥破解过程也伴随着P和NH₄+-N的释放,上清液中ρ（TP）最高可达496 mg/L,且以正磷酸盐为主（约310 mg/L）,可对其进行回收.采用三维荧光体积积分的方法对污泥水解液的可生化性能进行预测,发现污泥经K₂FeO₄预处理后,水解液中RB（易降解有机质）和PB（难降解有机质）荧光强度均明显增加,当K₂FeO₄投加量为50 g/kg时,F_digestion（生物可降解性指数）达到最大值（4.75）,预测此时污泥的可生化性能最佳.以K₂FeO₄为氧化剂预处理污泥可有效提升污泥水解效率,但若作为厌氧消化预处理,应综合考虑污泥破解率和可生化性能.研究显示,搅拌速率为500 r/min、反应时间为2 h、K₂FeO₄投加量为50 g/kg预处理条件下污泥的可生化性能最佳.      

岷江干流表层沉积物中磷形态空间分布特征

近些年,岷江水体TP污染情况严重,而水体沉积物这一潜在污染源,对水质安全带来的威胁也不容忽视.为揭示岷江干流表层沉积物中磷形态的空间分布特征,于2016年12月,采集了岷江干流(阿坝~宜宾)表层沉积物样品,应用改进的SEDEX法对表层沉积物中的弱吸附态磷Ex-P、可提取态有机磷Org-P、铁结合态磷Fe-P、自生磷灰石磷Ca-P、碎屑磷De-P和非活性磷Res-P等6种磷形态质量浓度进行了测定.结果表明,岷江干流表层沉积物中总磷TP的质量浓度为522.17~979.22μg·g~(-1),已远超全国土壤磷素背景值700μg·g~(-1),表明岷江沉积物中TP浓度较高.从空间分布来看,岷江中游眉山河段中的表层沉积物是颗粒最细、有机质和TP质量浓度最高的区域.岷江干流表层沉积物磷的主要赋存形态为Ca-P和DeP,两者共占TP的质量分数为75%以上.同时,岷江干流表层沉积物中的生物可利用磷(Ex-P、Org-P和Fe-P总和)占TP的质量分数为10.31%~29.62%,其中以中游河段(尤其是眉山段、乐山段)质量浓度最高,这表明岷江中游河段表层沉积物中磷的生物可利用性较强,潜在环境风险较高.     

CAST工艺不同运行模式对系统除磷性能的影响研究

采用循环式活性污泥法（CAST）处理人工配水，研究了3种不同运行模式下CAST工艺对磷酸盐的去除情况，分析了不同运行模式下每个周期内磷酸盐的变化规律以及CAST反应器的除磷途径，通过缺氧吸磷速率和好氧吸磷速率得到了3种运行模式下系统内反硝化聚磷菌占总聚磷菌的大概比例。研究表明：系统稳定后，3种运行模式下出水磷酸盐浓度的平均值分别为0．48、0．15和0．04mg／L，平均去除率分别为90．03％、96．91％和99．07％；CAST系统除磷是在传统聚磷菌和反硝化聚磷菌的共同作用下完成的，其中3种不同运行模式下系统内反硝化聚磷菌占总聚磷菌的大概比例分别81．1％、77．1％和79．7％。     

小麦籽实中蛋白质-Cd,Pb结合形态及其稳定性

在体外消化酶模拟条件下,对小麦籽实中Ｃｄ,Ｐｂ蛋白质结合体的稳定性进行了研究．结果表明:小麦籽实中存在的表观分子量为５４．５×１０３和５．５×１０３的蛋白质－Ｃｄ,Ｐｂ结合体,在体外胃蛋白酶和胰蛋白酶消化后,蛋白质结构发生变化．特别是分子量为５４．５×１０３的Ｃｄ,Ｐｂ－蛋白质结合体不稳定,容易被胰蛋白酶分解,变成分子量为５．５×１０３的稳定的Ｃｄ,Ｐｂ－蛋白质结合体或更小的多肽．     

海州湾海洋牧场海域表层沉积物磷的形态与环境意义

采用沉积物无机磷分级方法结合上覆水初级生产力测定研究了海州湾海洋牧场海域表层沉积物磷的赋存形态及其生物有效性.结果表明:夏季总磷的含量高于春、秋两季,赋存形态以无机磷为主,平均占总磷的45.50%,各无机磷赋存形态的含量大小依次为:残渣态磷钙结合态磷铁铝结合态磷可交换态磷.其中可交换态磷、铁铝结合态磷以及钙结合态磷与有机碳含量成显著正相关(P0.01,R0.8).平面分布整体上呈现由近岸向远岸减小的趋势,这主要与陆源物质排放及沉积物自身质地有关.沉积物中的生物有效磷含量占总磷的36.95%,所占比例较大.     

杭嘉湖地区大气氮、磷沉降特征研究

通过2013年9月~2014年8月杭嘉湖地区杭州、嘉兴和湖州3个典型站点大气氮、磷沉降数据,探讨了杭嘉湖地区大气氮、磷沉降的污染特征.结果表明,目标地区内大气氮、磷沉降通量水平较高,分别为4950.74~5585.80,65.25~69.72kg/(km2·a);直接降入水域中的氮、磷素分别为6038.4,77.8t,分别相当于农业源的氮、磷入河量的39.6%和5.9%.氮沉降以湿沉降形式为主,磷沉降以干沉降形式为主;氮、磷湿沉降通量主要受降雨量影响,且随降雨量的增加而增加;氮、磷沉降存在时空差异性,大气氮干沉降通量以杭州、嘉兴地区为较高,大气磷干沉降通量以嘉兴地区为最高,大气氮湿沉降通量则以湖州、嘉兴地区为较高,大气磷湿沉降以湖州地区最高;时间尺度上,氮沉降夏秋两季最高,磷沉降以秋冬两季最高.     

模拟光伏曝气SBR除磷性能及其聚磷菌群落结构

基于村落生活污水排水、日光昼夜变化和SBR(序批式反应器)运行方式的特点及强化生物除磷所需的交替厌氧/好氧环境,采用模拟光伏曝气SBR处理生活污水,考察反应器的除磷效果及机理,并采用PCR(聚合酶链式反应)和TA克隆考察反应器内PAO(聚磷菌)的群落结构. 结果表明,反应器在12 d内成功启动,TP去除率从35.4%逐渐升至98.8%,此后TP去除率一直稳定在97%以上,出水ρ(TP)小于0.1 mg/L. 在反应段末期,反应器污泥中w(TP)达60 mg/g以上,其中w(complex-P)(complex-P为胞内聚合磷)达到55.0 mg/g,而w(EPS-P)(EPS-P为胞外聚合物结合磷)所占比例<10%,表明EPS吸附对除磷的贡献很小,除磷主要通过PAO的释磷/吸磷过程实现. 所有PAO均属于“Candidatus Accumulibacter”世系,Ⅱ型Candidatus Accumulibacter(包括Clade ⅡA-Clade ⅡD)是反应器内主要的PAO,其在3个克隆文库(d30、d60、d90)中所占比例分别为80.0%、80.0%和76.7%.