不同壓力條件下淤泥中銨氮的釋放特性
發(fā)布時間：2020-10-02 07:25
淤泥在天然演化過程中受壓實作用的影響,釋放孔隙水至相鄰含水層,引起地下水水質(zhì)和水量的變化。銨氮(NH~+_4-N)作為淤泥中富存的污染物質(zhì),其在壓力作用下的釋放過程是影響地下水氮污染的重要因素。采集江漢平原地表的淤泥沉積物作為初始樣品,采用自主研發(fā)的加壓實驗裝置,通過設置3種不同加壓模式即勻速加壓(0.04 MPa/12 h)、減速加壓(0.04～0.02 MPa/12 h)、加速加壓(0.04～0.06 MPa/12 h),對淤泥沉積物樣品進行了壓實試驗,研究不同壓力條件下淤泥沉積物中NH~+_4-N的釋放特性及其影響因素,定量評價含氮淤泥沉積物對地下水氮輸入的貢獻。結果表明:不同加壓條件下淤泥沉積物總釋水量表現(xiàn)為減速加壓(743 mL)加速加壓(704 mL)勻速加壓(692 mL),淤泥沉積物中總氮的釋放量表現(xiàn)為減速加壓(16.89 mg)加速加壓(16.32 mg)勻速加壓(15.20 mg),沉積環(huán)境逐漸從氧化向還原轉變;壓力和不同的加壓模式對淤泥沉積物中NH~+_4-N的釋放有著不同的促進作用,壓力主要通過控制淤泥沉積物的含水率、孔隙結構和Eh值等來影響淤泥有機質(zhì)的礦化作用、解吸附作用和氨化作用,進而形成孔隙水銨氮的來源;勻速加壓孔隙水中NH~+_4-N濃度在壓力為0～0.16 MPa時快速降低,在壓力為0.16～0.40 MPa時少量增加,在壓力為0.40～0.60 MPa時呈波動變化;加速加壓孔隙水中NH~+_4-N濃度在壓力為0～0.24 MPa時快速降低,在壓力為0.24～0.60 MPa時呈波動上升;減速加壓孔隙水中NH~+_4-N濃度在壓力為0～0.16 MPa時快速降低,在壓力為0.16～0.40 MPa時呈降低趨勢,但與勻速加壓孔隙水相比NH~+_4-N濃度變化趨勢變緩,在壓力為0.40～0.60 MPa時呈波動變化。
【部分圖文】：
加壓實驗裝置高為27 cm,內(nèi)徑為10.5 cm。本試驗選取的淤泥沉積物顆粒平均密度的經(jīng)驗值為2.8 g/cm3,根據(jù)表層淤泥含水率為35%,計算后按82.219 g/cm裝填土柱,每裝填1 cm壓實一次,保證裝填的均一性;裝填完畢后用蒸餾水(Healforce)以3 r/min的速率,使用內(nèi)徑為1.5 mm、外徑為3 mm的硅膠管飽水;飽水完成后放置一段時間,使樣品中的環(huán)境逐漸穩(wěn)定達到平衡狀態(tài)。為了模擬黏性土弱透水層的沉積過程及其對含水層水質(zhì)的影響,本試驗采用簡易的加壓實驗裝置——加壓反應器,其主要由氬氣瓶、主體反應器、自動收集器等部分組成,見圖1。該裝置底部安裝注射器收集壓出的孔隙水,防止孔隙水與空氣接觸導致氧化還原電位和NH+4-N濃度發(fā)生變化。在加壓過程中,對排出的孔隙水進行連續(xù)采樣,測定不同加壓階段的出水量和孔隙水的水化學指標,分析孔隙水水化學指標的變化規(guī)律,推測出可能發(fā)生的化學反應,并分析不同加壓條件對孔隙水中NH+4-N的釋放規(guī)律與機制的影響。1.2.2 加壓模式和加壓速率確定
壓力是控制淤泥沉積物含水率的主導因素,根據(jù)壓實試驗出水量可計算出土柱內(nèi)淤泥沉積物樣品含水率隨壓力的變化,不同加壓模式下淤泥含水率隨壓力的變化曲線見圖2(a)。由圖2(a)可見,隨著施加壓力的不斷增加,土柱內(nèi)淤泥沉積物樣品的孔隙壓力不斷上升,導致孔隙水不斷釋放,因此其含水率不斷降低;隨著土柱的壓實,淤泥滲透性降低,導致孔隙水釋放速度變緩,淤泥釋水量表現(xiàn)為減速加壓(743 mL)>加速加壓(704 mL)>勻速加壓(692 mL);減速加壓試驗受壓釋水時間最長,因此淤泥釋水量較多,而加速加壓試驗中由于淤泥沉積物柱體下端快速固結,釋水時間減少,因此淤泥釋水量少于減速加壓試驗,但施加的壓力大,故每次增大施加壓力后淤泥釋水量較勻速加壓試驗多;壓實試驗結束后,加速加壓試驗淤泥沉積物樣品的含水率從35.1%降為22.3%,減速加壓試驗淤泥沉積物樣品的含水率從37.3%降為24.3%,勻速加壓試驗淤泥沉積物樣品的含水率從35.3%降為22.9%。
勻速加壓試驗始終保持加壓速率為0.04 MPa/12 h,得到勻速加壓條件下孔隙水中NH+4-N和NO-3-N濃度的變化,見圖3。由圖3可見,在勻速加壓條件下孔隙水中NH+4-N和NO-3-N濃度的釋放特征可分為三個階段:第一階段為0～0.16 MPa,加壓時長為48 h,孔隙水中NH+4-N和NO-3-N濃度均呈下降趨勢,其中NH+4-N濃度從6.04 mg/L降至2.67 mg/L,NO-3-N濃度從0.486 mg/L降至0.329 mg/L;第二階段為0.16～0.4 MPa,加壓時長為72 h,孔隙水中NH+4-N濃度總體呈增加的趨勢,即從2.67 mg/L增至3.40 mg/L,但變化不大,較為穩(wěn)定,而孔隙水中NO-3-N濃度呈波動性增加,即從0.32 mg/L增至0.50 mg/L;第三階段為0.4～0.6 MPa,加壓時長為60 h,孔隙水中NH+4-N和NO-3-N濃度的變化較為紊亂,且對應壓力的NH+4-N與NO-3-N濃度表現(xiàn)出相反的變化趨勢,這一階段可能與硝化-反硝化作用有關,其中NH+4-N濃度從3.60 mg/L增至4.69 mg/L,NO-3-N濃度從0.50 mg/L降至0.30 mg/L。
本文編號：2832102
【部分圖文】：
加壓實驗裝置高為27 cm,內(nèi)徑為10.5 cm。本試驗選取的淤泥沉積物顆粒平均密度的經(jīng)驗值為2.8 g/cm3,根據(jù)表層淤泥含水率為35%,計算后按82.219 g/cm裝填土柱,每裝填1 cm壓實一次,保證裝填的均一性;裝填完畢后用蒸餾水(Healforce)以3 r/min的速率,使用內(nèi)徑為1.5 mm、外徑為3 mm的硅膠管飽水;飽水完成后放置一段時間,使樣品中的環(huán)境逐漸穩(wěn)定達到平衡狀態(tài)。為了模擬黏性土弱透水層的沉積過程及其對含水層水質(zhì)的影響,本試驗采用簡易的加壓實驗裝置——加壓反應器,其主要由氬氣瓶、主體反應器、自動收集器等部分組成,見圖1。該裝置底部安裝注射器收集壓出的孔隙水,防止孔隙水與空氣接觸導致氧化還原電位和NH+4-N濃度發(fā)生變化。在加壓過程中,對排出的孔隙水進行連續(xù)采樣,測定不同加壓階段的出水量和孔隙水的水化學指標,分析孔隙水水化學指標的變化規(guī)律,推測出可能發(fā)生的化學反應,并分析不同加壓條件對孔隙水中NH+4-N的釋放規(guī)律與機制的影響。1.2.2 加壓模式和加壓速率確定
壓力是控制淤泥沉積物含水率的主導因素,根據(jù)壓實試驗出水量可計算出土柱內(nèi)淤泥沉積物樣品含水率隨壓力的變化,不同加壓模式下淤泥含水率隨壓力的變化曲線見圖2(a)。由圖2(a)可見,隨著施加壓力的不斷增加,土柱內(nèi)淤泥沉積物樣品的孔隙壓力不斷上升,導致孔隙水不斷釋放,因此其含水率不斷降低;隨著土柱的壓實,淤泥滲透性降低,導致孔隙水釋放速度變緩,淤泥釋水量表現(xiàn)為減速加壓(743 mL)>加速加壓(704 mL)>勻速加壓(692 mL);減速加壓試驗受壓釋水時間最長,因此淤泥釋水量較多,而加速加壓試驗中由于淤泥沉積物柱體下端快速固結,釋水時間減少,因此淤泥釋水量少于減速加壓試驗,但施加的壓力大,故每次增大施加壓力后淤泥釋水量較勻速加壓試驗多;壓實試驗結束后,加速加壓試驗淤泥沉積物樣品的含水率從35.1%降為22.3%,減速加壓試驗淤泥沉積物樣品的含水率從37.3%降為24.3%,勻速加壓試驗淤泥沉積物樣品的含水率從35.3%降為22.9%。
勻速加壓試驗始終保持加壓速率為0.04 MPa/12 h,得到勻速加壓條件下孔隙水中NH+4-N和NO-3-N濃度的變化,見圖3。由圖3可見,在勻速加壓條件下孔隙水中NH+4-N和NO-3-N濃度的釋放特征可分為三個階段:第一階段為0～0.16 MPa,加壓時長為48 h,孔隙水中NH+4-N和NO-3-N濃度均呈下降趨勢,其中NH+4-N濃度從6.04 mg/L降至2.67 mg/L,NO-3-N濃度從0.486 mg/L降至0.329 mg/L;第二階段為0.16～0.4 MPa,加壓時長為72 h,孔隙水中NH+4-N濃度總體呈增加的趨勢,即從2.67 mg/L增至3.40 mg/L,但變化不大,較為穩(wěn)定,而孔隙水中NO-3-N濃度呈波動性增加,即從0.32 mg/L增至0.50 mg/L;第三階段為0.4～0.6 MPa,加壓時長為60 h,孔隙水中NH+4-N和NO-3-N濃度的變化較為紊亂,且對應壓力的NH+4-N與NO-3-N濃度表現(xiàn)出相反的變化趨勢,這一階段可能與硝化-反硝化作用有關,其中NH+4-N濃度從3.60 mg/L增至4.69 mg/L,NO-3-N濃度從0.50 mg/L降至0.30 mg/L。
【相似文獻】
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1 劉銳;馬騰;邱文凱;劉妍君;陳娟;張董濤;;淤泥沉積物中有機碳的環(huán)境意義[J];環(huán)境科學與技術;2019年01期
本文編號：2832102
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