火山渣净化氮污染地下水机理及效能研究

发布时间：2016-08-31 07:02

第 1 章  绪论 

1.1 选题依据 
近年来，随着经济的快速发展，水污染问题日益严重。我国是一个水资源相对短缺的国家，水污染治理已经成为一个棘手问题。水污染不仅是生存环境问题，还影响着人们的生产、生活，更影响经济建设，影响构建和谐社会。农业迅速发展的过程中使用大量化学肥料，导致部分地区出现农业面源污染问题，土壤淋滤导致地下水中三氮污染问题严重[1]。 我国《生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）》规定：氨氮浓度≤0.5  mg/L，硝酸盐氮浓度≤20 mg/L（地下水）[2]。2012 年新增补充《生活饮用水卫生标准》规定：亚硝酸盐浓度≤1mg/L。中国东北地区居民生产生活的主要水源为地下水，部分地区三氮超标，这会对当地居民的身体健康产生一定威胁。  本论文以十二五水专项课题“松花江傍河取水水质安全保障关键技术及示范（2014ZX07201010）”项目为依托。根据研究区自然地理、地质条件、水文地质条件及水质情况进行分析，在课题组前期工作基础上，利用火山渣净化氮污染的地下水体，研究成果为当地居民生活饮用水安全保障提供重要依据，也为地下水中三氮的去除提供研究依据。 
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1.2 地下水中三氮的来源及污染特性 
随着社会经济的高速发展，三氮污染逐步显现，，日益严重。农业上，含氮的农药化肥被大量施用[3,4]；生活中，生活污水及生活垃圾大量排放堆积；工业上，各类工厂工业生产过程中产生大量含氮污水、废弃物[5,6]；另外，石油燃料、煤炭、天然气等能源的燃烧排放废气含有大量的二氧化氮[7-9]。在自然条件下，经过降水淋溶分解等过程，这些情况都会造成地下水的三氮污染[10]。总的来说，三氮污染的最主要来源还是农业生产，农业上大量使用氮肥，土壤淋滤导致地下水中三氮污染问题严重[11]。 大量氨氮废水的无组织排放，对环境造成严重污染，引起水体富营养化，以致藻类大量繁殖，消耗水中溶解氧使得水质恶化，并导致鱼类大量死亡。其中一些藻类蛋白毒素通过水产生物体富集，并经过食物链使人中毒[12,13]。饮用氨氮污染水体会危害人类健康，水体中的分子氨可经渗透作用进入生物体内，将血红蛋白中的  Fe2+氧化成  Fe3+，从而降低血液的负氧能力[14,15]。  另外，氨氮在水体中经硝化作用产生硝酸盐和亚硝酸盐，对饮用水带来较大的危害，长期饮用此类水可诱发高铁血红蛋白症状和癌症。作为氮循环的重要中间产物，亚硝酸盐广泛存在于水体之中。亚硝酸盐会在地下水中不断积累，不仅造成地表水的富营养化，更通过地下水对人体造成直接危害，污染问题不容乐观。亚硝酸盐是一种潜在的致癌物质，它可诱发人体胃癌、肝癌、食道癌等疾病，过量或长期摄入对人体会造成危害。进入人体的亚硝酸盐一旦过量，将与血液内血红朊中的铁反应，生成氧化血红蛋白，从而引起人体中毒[16]。此外，亚硝酸盐在各种含氮有机化合物（氰胺、胺、尿素、酰胺等）的作用下会形成具有化学稳定性的亚硝基胺和亚硝基酰胺，这些物质具有高度致癌、致畸、致突变的特点，会诱导产生肠道、神经系统、脑、皮肤、骨骼、甲状腺等肿瘤疾病[17]，  从而对人体健康产生威胁。当含量超过  15-20mg/L  时，可引发婴儿疾病如高铁血红蛋白症。  水中的硝酸盐本身对人体危害不大，浓度过高时会败坏水的味道，引起泻肚、肠道机能失调等一系列身体不适，不会造成人体的严重伤害，但是其摄入人体后易还原成亚硝酸盐，危害人体健康。 
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第 2 章  研究区概况 

2.1 自然地理概况 
研究区位于吉林省德惠市第二松花江菜园子镇段傍河区域，目标含水层为第四系孔隙潜水含水层。研究区处于季风区温带半湿润地区，根据 1958 年以来的观测记录计算，多年平均气温约为 4.9℃，多年平均日照为 2580.8h，年日照约为 2609.7h。年平均积温约为 2916.2℃。1915-2005 年的多年平均降水量约为 520.13mm。2001 年出现年极度最低气温为-39.92℃，也是 2001 年出现年极端最高气温，其值为 39.82℃。研究区自然资源较为丰富，耕地占面积一半以上，土壤以黑钙土和草甸土为主，土质肥沃，适宜发展种植业。  
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2.2  地质、水文地质概况 
研究区位于松嫩平原东南部。经过新老构造控制作用，如差异性升降运动等，形成了以阶地、岗地、漫滩为代表的堆积地形和以台地为代表的剥蚀堆积地形。 研究区的地层主要为第四系松散堆积层和白垩系碎屑岩，按时代和成因从新至老分述如下：在研究区具有少量呈沙丘、沙垄状的河谷平原，其覆盖在全新统冲积堆积地层上。本区地层岩性基本为黄色中、细砂，成份主要为石英。其分选、磨圆均很好，且皆为滚圆状，其粒级主要为 0.10-0.25mm。地层厚度 2-10m，且大部分风成砂丘表面已土壤化。 
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第 3 章  火山渣净化地下水中三氮影响因素研究.... 18 
3.1 实验部分........ 18 
3.1.1 主要仪器设备和材料......... 18 
3.1.2 作用时间影响研究..... 18 
3.1.3 粒径影响研究..... 19 
3.1.4  水化学因素影响研究........ 19 
3.1.5 测试方法..... 19 
3.1.6  数理统计分析方法.... 19 
3.2 结果与讨论.... 20 
3.2.1 作用时间影响分析..... 20 
第 4 章  火山渣净化地下中三氮机理研究........ 29 
4.1 实验部分........ 29
4.2 结果与讨论.... 31
4.3 小结........ 45 
第 5 章  火山渣净化地下水中三氮效能研究.... 46 
5.1 实验部分........ 46 
5.2 结果与讨论.... 48 
5.3 小结........ 59 

第 5 章  火山渣净化地下水中三氮效能研究 

吸附材料净化污染物的效能研究，对于判断其是否具用应用价值至关重要。本章主要采用渗流柱和渗流槽模拟实验，开展火山渣净化地下水中三氮效能研究。旨在揭示火山渣动态吸附三氮物质的效能，为实际水质净化技术的实施提供重要的技术参数和科学依据。 

5.1 实验部分 

利用渗流柱，以从上至下的方式进水。首先采用直径 4cm 高 0.5m 的渗流柱进行实验，水流速度设置为 60m L/min，NH4+-N、NO2--N 和 NO3--N 的浓度分别设置为 1mg/L、1 mg/L 和 30mg/L；然后采用直径 4cm 高 0.75m 的渗流柱进行实验，水流速度设置为 60m L/min，NH4+-N、NO2--N 和 NO3--N 的浓度分别设置为1mg/L、1  mg/L 和 30mg/L；最后采用直径 4cm 高 1m 的渗流柱进行实验，水流速度设置为 40m L/min，60m L/min，80 m L/min，NH4+-N 浓度分别设置为 1mg/L、2mg/L 和 5mg/L，NO2--N 浓度分别设置为 1mg/L、2mg/L 和 5mg/L，NO3--N 浓度分别设置为 30mg/L、50mg/L 和 80mg/L。每隔一定时间在渗流柱底部取样测试，直至出水离子浓度与进水离子浓度相同，渗流柱穿透，结束实验。讨论不同进水流速、不同进水初始浓度和不同火山渣填充高度的影响。 对三氮穿透的渗流柱进行反冲洗实验，确定火山渣材料被反冲洗水流稍稍扰动的反冲洗流速；记录从开始反冲洗到清洗干净所需时间，从而确定反冲洗时间；分析多次反冲洗后火山渣的净化效率。 

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结论 

本论文依托于十二五水专项课题“松花江傍河取水水质安全保障关键技术及示范（2014ZX07201010）”项目，结合研究区自然地理环境、水文地质条件及地下水水质现状，在课题组已有的工作基础上，采用经济、生态安全型的火山渣进行去除地下水中三氮物质的研究，以揭示火山渣净化氮污染地下水机理及效能，为饮用水安全保障提供经济有效、生态安全型的净化材料，为氮污染地下水净化技术的有效实施提供重要的科学依据。通过室内静态、动态实验及现代分析技术辅助分析，取得主要成果如下：实验结果表明：火山渣吸附三氮的吸附平衡时间均为 30min。最佳 p H 值范围为 6-8。火山渣颗粒越细，对三氮的去除率越大。水体中的 Ca2+、Mg2+  对 NH4+-N的吸附略有抑制，对 NO2--N、NO3--N 基本不产生影响；CO32-对 NH4+-N 和 NO2--N的吸附略有抑制，对 NO3--N 基本不产生影响；Fe2+、Mn2+、HCO3-  、SO42-和Cl-对三氮的吸附效果基本不产生影响。 吸附动力学规律结果表明：吸附动力学规律均符合准二级动力学方程。分子内扩散方程拟合结果表明：火山渣吸附 NH4+-N 过程的限速步骤主要为分子内扩散过程，而吸附 NO2--N 和 NO3--N 的过程分为界面层扩散和分子内扩散过程。吸附热力学规律结果表明：符合 Langmuir  等温吸附模式，火山渣对 NH4+-N、NO2--N 和 NO3--N 的理论最大吸附量分别为 5.03mg/g、4.17 mg/g、4.76mg/g。采用 X 衍射仪检测，结果表明：火山渣主要矿物成分为 29.44%石英、30.04%碱性长石、40.16%斜长石。采用 X 荧光光谱仪检测，结果表明：火山渣主要元素为铁、氧、硅、铝、钙等，主要化学成分为 48.21%Si O2、16.39%Al2O3、6.99%Ca O、11.13%Fe2O3、6.25%Mg O。采用 SEM 表征，结果表明：火山渣表面凹凸不平，具有丰富的孔隙。
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参考文献(略) 

本文编号：106464