贛江外洲河段懸移質(zhì)泥沙吸附氨氮特性初步研究

周 浩 高桂青 黃文強(qiáng) 楊 帆 陳孝挺

(南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌330099)

五河均匯入鄱陽(yáng)湖，而贛江是江西省第一大河流，多年平均輸沙量達(dá)9.21×106t(其中懸移質(zhì)通常是江河來(lái)沙的主要部分)，對(duì)鄱陽(yáng)湖的貢獻(xiàn)率最大[1]。泥沙對(duì)水體中污染物的遷移和轉(zhuǎn)化具有較大影響，在水污染事件中起到污染物“源”和“匯”的重要作用。水沙體系中泥沙對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸附的研究有助于富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題發(fā)生成因的分析及治理，因此開(kāi)展本課題的研究為鄱陽(yáng)湖流域的水環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 泥沙組成與級(jí)配

贛江干流及其支流的泥沙來(lái)源主要是雨洪對(duì)表土的侵蝕，河流中的泥沙包括懸移質(zhì)、推移質(zhì)和河床質(zhì)泥沙三部分，懸移質(zhì)通常是江河來(lái)沙的主要部分。本研究所用泥沙樣品來(lái)源于贛江外洲站。外洲站河床最主要由細(xì)沙組成，懸移質(zhì)粒徑在0.005～0.75mm之間，如圖1所示。

圖1 泥沙粒徑篩分曲線

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)用水

為了真實(shí)地反映泥沙對(duì)氨氮的吸附特性，選用經(jīng)0.45um濾膜過(guò)濾后的贛江原水(外洲斷面)作為試驗(yàn)用水。

2.2 實(shí)驗(yàn)用沙的采集及處理

泥沙由水文站工作人員從外洲站采集。

在天然水體中，泥沙表面可能攜帶大量含有氮磷的無(wú)機(jī)物質(zhì)、各種各樣的有機(jī)質(zhì)和重金屬，而測(cè)量泥沙對(duì)氨氮吸附量的準(zhǔn)確性受背景值的影響很大。因此需對(duì)采集的沙樣進(jìn)行處理，具體如下：①將沙樣裝入燒杯，加入濃HCl，用玻璃棒充分?jǐn)嚢?。②攪拌靜置待反應(yīng)充分，用去離子水反復(fù)清洗，倒掉上層清夜。③重復(fù)①～②幾次，確定反應(yīng)較為充分。④清洗之后過(guò)濾泥沙，烘干。在確保不破壞泥沙的物理特性和化學(xué)特性的前提條件下，考慮贛江水體可能達(dá)到的最高溫度以及節(jié)約泥沙的烘干時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)的烘干溫度設(shè)定為40℃。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 不同氨氮初始濃度吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備若干個(gè)250mL三角燒瓶，分別往其中加入200mL氨氮濃度為0.5 mg/L、1.0 mg/L、1.5mg/L的氯化銨溶液，再分別加入0.2g備用泥沙。從而得到一系列含沙量為1.0 g/L，氨氮初始濃度為0.5 mg/L、1.0 g/L、1.5 mg/L的試樣。將其置于恒溫振蕩器上振蕩，間隔一定時(shí)間從試樣中取樣。將渾水樣用濾紙過(guò)濾，用紫外分光光度計(jì)測(cè)定清樣氨氮濃度，測(cè)定方法參照HJ535-2009。再根據(jù)氨氮濃度的變化量，計(jì)算出該時(shí)間的吸附量。

表1 不同氮初始濃度吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.3.2 不同含沙量吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備若干個(gè)250mL三角燒瓶，分別往其中加入200mL實(shí)驗(yàn)用水，再分別加入0.02g、0.1g、0.2g泥沙。從而得到一系列含沙量為0.1g/L、0.5g/L、1.0g/L的試樣。測(cè)定方法如2.3.1。

表2 不同含沙量吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)果與分析

3.1 氨氮濃度變化

通過(guò)泥沙對(duì)氮的吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可得出水相氨氮濃度隨時(shí)間的變化情況，詳見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 不同氨氮初始濃度條件下水相氨氮濃度隨時(shí)間的變化曲線

圖3 不同含沙量條件下水相氨氮濃度隨時(shí)間的變化曲線

由上圖可以看出，泥沙對(duì)氨氮的吸附在5～7 h左右基本達(dá)到平衡。吸附過(guò)程由快速反應(yīng)、慢反應(yīng)兩步完成，前者在數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)即可完成；后者在數(shù)天至數(shù)月完成。

3.2 平衡吸附量

由表3可知，當(dāng)其他條件相同時(shí)，吸附量隨著氮初始濃度的增加而增加，這是因?yàn)楫?dāng)含沙量一定時(shí)，氮初始濃度越高則泥沙與其的接觸幾率越大，單位表面積的泥沙對(duì)氮的吸附量也隨之增加。由表4可知，在其他條件相同的情況下，吸附量隨著含沙量的增加而減少。原因如下：①含沙量增加，顆粒間的碰撞幾率相應(yīng)提高，使得泥沙顆粒表面解吸吸附質(zhì)的速率增加，從而引起吸附量減少；②懸浮泥沙濃度增加，可利用吸附位相應(yīng)增多，從而單位固體顆粒物的吸附量隨之減少；③可利用吸附位隨著泥沙顆粒的聚合作用的增加而減少，從而使得泥沙吸附量降低。

表3 不同氨氮濃度下平衡吸附量

表4 不同含沙量下平衡吸附量

3.3 模型擬合

用Langmiur模型擬合吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程，可以得出不同條件下的擬合參數(shù)，詳見(jiàn)表5、表6。

表5 Langmuir擬合不同氨氮初始濃度吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

表6 Langmuir擬合不同含沙量吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

用Langmiur模型能較好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合的相關(guān)系數(shù)都在0.87以上，氨氮在泥沙表面上的吸附屬于單分子層。

4 結(jié)論

(1)泥沙對(duì)氨氮的吸附在5～7h左右基本達(dá)到平衡。

(2)氨氮初始濃度、含沙量對(duì)泥沙吸附量產(chǎn)生一定的影響，吸附量隨氮初始濃度的增加而增加，隨含沙量的增加而減少。

(3)在吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，用Langmuir動(dòng)力學(xué)模型能較好地?cái)M合泥沙對(duì)氮的吸附過(guò)程，擬合的相關(guān)系數(shù)在0.87以上，屬于單分子層吸附。

[1]劉蘇蘇.贛江河流泥沙對(duì)氮磷的吸附解吸特性研究[D].南昌大學(xué)，2011.

[2]陳靜生，張宇.對(duì)黃河泥沙有機(jī)質(zhì)的溶解特性和降解特性的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2001(24)：1-5.

[3]儲(chǔ)柱全.三峽庫(kù)區(qū)懸浮態(tài)泥沙吸附解吸磷酸鹽特性研究[D].重慶大學(xué)，2006.