不同压力条件下淤泥中铵氮的释放特性
发布时间：2020-10-02 07:25
淤泥在天然演化过程中受压实作用的影响,释放孔隙水至相邻含水层,引起地下水水质和水量的变化。铵氮(NH~+_4-N)作为淤泥中富存的污染物质,其在压力作用下的释放过程是影响地下水氮污染的重要因素。采集江汉平原地表的淤泥沉积物作为初始样品,采用自主研发的加压实验装置,通过设置3种不同加压模式即匀速加压(0.04 MPa/12 h)、减速加压(0.04～0.02 MPa/12 h)、加速加压(0.04～0.06 MPa/12 h),对淤泥沉积物样品进行了压实试验,研究不同压力条件下淤泥沉积物中NH~+_4-N的释放特性及其影响因素,定量评价含氮淤泥沉积物对地下水氮输入的贡献。结果表明:不同加压条件下淤泥沉积物总释水量表现为减速加压(743 mL)加速加压(704 mL)匀速加压(692 mL),淤泥沉积物中总氮的释放量表现为减速加压(16.89 mg)加速加压(16.32 mg)匀速加压(15.20 mg),沉积环境逐渐从氧化向还原转变;压力和不同的加压模式对淤泥沉积物中NH~+_4-N的释放有着不同的促进作用,压力主要通过控制淤泥沉积物的含水率、孔隙结构和Eh值等来影响淤泥有机质的矿化作用、解吸附作用和氨化作用,进而形成孔隙水铵氮的来源;匀速加压孔隙水中NH~+_4-N浓度在压力为0～0.16 MPa时快速降低,在压力为0.16～0.40 MPa时少量增加,在压力为0.40～0.60 MPa时呈波动变化;加速加压孔隙水中NH~+_4-N浓度在压力为0～0.24 MPa时快速降低,在压力为0.24～0.60 MPa时呈波动上升;减速加压孔隙水中NH~+_4-N浓度在压力为0～0.16 MPa时快速降低,在压力为0.16～0.40 MPa时呈降低趋势,但与匀速加压孔隙水相比NH~+_4-N浓度变化趋势变缓,在压力为0.40～0.60 MPa时呈波动变化。
【部分图文】：
加压实验装置高为27 cm,内径为10.5 cm。本试验选取的淤泥沉积物颗粒平均密度的经验值为2.8 g/cm3,根据表层淤泥含水率为35%,计算后按82.219 g/cm装填土柱,每装填1 cm压实一次,保证装填的均一性;装填完毕后用蒸馏水(Healforce)以3 r/min的速率,使用内径为1.5 mm、外径为3 mm的硅胶管饱水;饱水完成后放置一段时间,使样品中的环境逐渐稳定达到平衡状态。为了模拟黏性土弱透水层的沉积过程及其对含水层水质的影响,本试验采用简易的加压实验装置——加压反应器,其主要由氩气瓶、主体反应器、自动收集器等部分组成,见图1。该装置底部安装注射器收集压出的孔隙水,防止孔隙水与空气接触导致氧化还原电位和NH+4-N浓度发生变化。在加压过程中,对排出的孔隙水进行连续采样,测定不同加压阶段的出水量和孔隙水的水化学指标,分析孔隙水水化学指标的变化规律,推测出可能发生的化学反应,并分析不同加压条件对孔隙水中NH+4-N的释放规律与机制的影响。1.2.2 加压模式和加压速率确定
压力是控制淤泥沉积物含水率的主导因素,根据压实试验出水量可计算出土柱内淤泥沉积物样品含水率随压力的变化,不同加压模式下淤泥含水率随压力的变化曲线见图2(a)。由图2(a)可见,随着施加压力的不断增加,土柱内淤泥沉积物样品的孔隙压力不断上升,导致孔隙水不断释放,因此其含水率不断降低;随着土柱的压实,淤泥渗透性降低,导致孔隙水释放速度变缓,淤泥释水量表现为减速加压(743 mL)>加速加压(704 mL)>匀速加压(692 mL);减速加压试验受压释水时间最长,因此淤泥释水量较多,而加速加压试验中由于淤泥沉积物柱体下端快速固结,释水时间减少,因此淤泥释水量少于减速加压试验,但施加的压力大,故每次增大施加压力后淤泥释水量较匀速加压试验多;压实试验结束后,加速加压试验淤泥沉积物样品的含水率从35.1%降为22.3%,减速加压试验淤泥沉积物样品的含水率从37.3%降为24.3%,匀速加压试验淤泥沉积物样品的含水率从35.3%降为22.9%。
匀速加压试验始终保持加压速率为0.04 MPa/12 h,得到匀速加压条件下孔隙水中NH+4-N和NO-3-N浓度的变化,见图3。由图3可见,在匀速加压条件下孔隙水中NH+4-N和NO-3-N浓度的释放特征可分为三个阶段:第一阶段为0～0.16 MPa,加压时长为48 h,孔隙水中NH+4-N和NO-3-N浓度均呈下降趋势,其中NH+4-N浓度从6.04 mg/L降至2.67 mg/L,NO-3-N浓度从0.486 mg/L降至0.329 mg/L;第二阶段为0.16～0.4 MPa,加压时长为72 h,孔隙水中NH+4-N浓度总体呈增加的趋势,即从2.67 mg/L增至3.40 mg/L,但变化不大,较为稳定,而孔隙水中NO-3-N浓度呈波动性增加,即从0.32 mg/L增至0.50 mg/L;第三阶段为0.4～0.6 MPa,加压时长为60 h,孔隙水中NH+4-N和NO-3-N浓度的变化较为紊乱,且对应压力的NH+4-N与NO-3-N浓度表现出相反的变化趋势,这一阶段可能与硝化-反硝化作用有关,其中NH+4-N浓度从3.60 mg/L增至4.69 mg/L,NO-3-N浓度从0.50 mg/L降至0.30 mg/L。
本文编号：2832102
【部分图文】：
加压实验装置高为27 cm,内径为10.5 cm。本试验选取的淤泥沉积物颗粒平均密度的经验值为2.8 g/cm3,根据表层淤泥含水率为35%,计算后按82.219 g/cm装填土柱,每装填1 cm压实一次,保证装填的均一性;装填完毕后用蒸馏水(Healforce)以3 r/min的速率,使用内径为1.5 mm、外径为3 mm的硅胶管饱水;饱水完成后放置一段时间,使样品中的环境逐渐稳定达到平衡状态。为了模拟黏性土弱透水层的沉积过程及其对含水层水质的影响,本试验采用简易的加压实验装置——加压反应器,其主要由氩气瓶、主体反应器、自动收集器等部分组成,见图1。该装置底部安装注射器收集压出的孔隙水,防止孔隙水与空气接触导致氧化还原电位和NH+4-N浓度发生变化。在加压过程中,对排出的孔隙水进行连续采样,测定不同加压阶段的出水量和孔隙水的水化学指标,分析孔隙水水化学指标的变化规律,推测出可能发生的化学反应,并分析不同加压条件对孔隙水中NH+4-N的释放规律与机制的影响。1.2.2 加压模式和加压速率确定
压力是控制淤泥沉积物含水率的主导因素,根据压实试验出水量可计算出土柱内淤泥沉积物样品含水率随压力的变化,不同加压模式下淤泥含水率随压力的变化曲线见图2(a)。由图2(a)可见,随着施加压力的不断增加,土柱内淤泥沉积物样品的孔隙压力不断上升,导致孔隙水不断释放,因此其含水率不断降低;随着土柱的压实,淤泥渗透性降低,导致孔隙水释放速度变缓,淤泥释水量表现为减速加压(743 mL)>加速加压(704 mL)>匀速加压(692 mL);减速加压试验受压释水时间最长,因此淤泥释水量较多,而加速加压试验中由于淤泥沉积物柱体下端快速固结,释水时间减少,因此淤泥释水量少于减速加压试验,但施加的压力大,故每次增大施加压力后淤泥释水量较匀速加压试验多;压实试验结束后,加速加压试验淤泥沉积物样品的含水率从35.1%降为22.3%,减速加压试验淤泥沉积物样品的含水率从37.3%降为24.3%,匀速加压试验淤泥沉积物样品的含水率从35.3%降为22.9%。
匀速加压试验始终保持加压速率为0.04 MPa/12 h,得到匀速加压条件下孔隙水中NH+4-N和NO-3-N浓度的变化,见图3。由图3可见,在匀速加压条件下孔隙水中NH+4-N和NO-3-N浓度的释放特征可分为三个阶段:第一阶段为0～0.16 MPa,加压时长为48 h,孔隙水中NH+4-N和NO-3-N浓度均呈下降趋势,其中NH+4-N浓度从6.04 mg/L降至2.67 mg/L,NO-3-N浓度从0.486 mg/L降至0.329 mg/L;第二阶段为0.16～0.4 MPa,加压时长为72 h,孔隙水中NH+4-N浓度总体呈增加的趋势,即从2.67 mg/L增至3.40 mg/L,但变化不大,较为稳定,而孔隙水中NO-3-N浓度呈波动性增加,即从0.32 mg/L增至0.50 mg/L;第三阶段为0.4～0.6 MPa,加压时长为60 h,孔隙水中NH+4-N和NO-3-N浓度的变化较为紊乱,且对应压力的NH+4-N与NO-3-N浓度表现出相反的变化趋势,这一阶段可能与硝化-反硝化作用有关,其中NH+4-N浓度从3.60 mg/L增至4.69 mg/L,NO-3-N浓度从0.50 mg/L降至0.30 mg/L。
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1 刘锐;马腾;邱文凯;刘妍君;陈娟;张董涛;;淤泥沉积物中有机碳的环境意义[J];环境科学与技术;2019年01期
本文编号：2832102
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