不同壓力條件下淤泥中銨氮的釋放特性

陳 娟，馬 騰，劉妍君，劉 銳，彭子琪

(中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074)

淤泥是一種富含水、有機質(zhì)、微生物以及多種化學元素的細顆粒松散沉積物，多沉積于地下水的排泄區(qū)。淤泥在天然埋藏沉積過程中受到的溫度和壓力不斷升高，而逐漸演化為黏土弱透水層[1]。原本賦存于淤泥中的大量攜帶有多種化學物質(zhì)的孔隙水釋放至相鄰含水層中，會在一定程度上影響相鄰含水層中地下水的水量和水質(zhì)[2-3]。國內(nèi)外學者[4-6]針對黏土弱透水層對含水層水化學的影響已開展了大量的研究，但目前的研究多集中在黏土層與含水層之間的水力聯(lián)系[7]、溶質(zhì)運移[8]等方面，而針對壓實作用下黏土層發(fā)生的生物地球化學過程及其反應機理方面的研究還十分薄弱。

1 材料與方法

1.1 野外采樣

本試驗選取江漢平原近地表1 m處含水率較高且可塑性較強的淤泥沉積物為研究對象。該淤泥沉積物樣品采自湖北省仙桃市西流河鎮(zhèn)杜窯村中心橋附近的水稻田內(nèi)，處于區(qū)域的地勢低洼地帶，地面高程為18 m左右，采樣地理位置坐標為113°43′44.6″E、30°16′26.3″N。野外采樣時，先用鐵鍬除去表層1 m的土壤，再采用手動柱狀采泥器(KC hand operated sediment corer Haps)采集淤泥質(zhì)沉積物柱狀樣品若干根；樣品采集后立即用保鮮膜包裹4層以上，防止樣品與空氣接觸導致其內(nèi)部離子形態(tài)發(fā)生轉變，并用鋁箔紙包裝，將樣品避光貯存，后置于PVC管中，防止樣品的擠壓，放入冷藏箱中保存運回實驗室；最后將淤泥質(zhì)沉積物樣品風干后，研磨并過200目篩，保存于密封袋中，-4℃冷藏密封保存，備用。

1.2 實驗裝置和壓實試驗方案

1.2.1 實驗裝置

圖1 加壓實驗裝置示意圖Fig.1 Pressurization experimental device

1.2.2 加壓模式和加壓速率確定

試驗模擬了淤泥沉積物由表層沉積演化至地下28 m處的過程。假定上覆地層沉積物為均質(zhì)的，將其平均含水率設定為35%，其密度選取黏性土平均密度的經(jīng)驗值為2.8 g/cm3，并按照上覆地層壓力計算公式[見公式(1)]，計算得出終止壓力約為0.6 MPa。上覆地層壓力的計算公式為

P=0.009 8×H×[(1-w)ρS+wρL]

(1)

式中：P為上覆地層壓力(MPa)；H為上覆地層高度(m)；w為沉積物含水率(%)；ρS為沉積物密度(g/cm3)；ρL為流體密度(g/cm3)。

本試驗通過控制氬氣瓶上減壓閥對淤泥沉積物樣品進行增壓，加壓終止壓力為0.6 MPa。設置3種加壓模式，分別為：勻速加壓(0.04 MPa/12 h)，即每12 h增加0.04 MPa，加壓時長為180 h;減速加壓(0.04～0.02 MPa/12 h)，以0.04MPa/12 h的加壓速率加壓至0.4 MPa，后改為以0.02 MPa/12 h的加壓速率加壓至0.6 MPa，加壓時長為240 h；加速加壓(0.04～0.06 MPa/12 h)，以0.04 MPa/12 h的加壓速率加壓至0.24 MPa，后改為以0.06 MPa/12 h的加壓速率加壓至0.6 MPa，加壓時長為144 h。

1.3 測試方法

(1) 采用Thermo Fisher Orion多通道多參數(shù)水質(zhì)分析儀(ISE)測定孔隙水的pH值、Eh值。

2 結果與分析

2.1 淤泥沉積物樣品初始性狀

將風干、研磨后的淤泥沉積物樣品飽水后，測試其相關的物理化學指標作為每組加壓試驗的初始條件，共取3次作為平行樣，計算平均值，相關結果見表1。

表1 壓實試驗淤泥沉積物樣品的初始物理化學指標Table 1 Initial physical and chemical indice of silt sediment samples in compaction test

由表1可知，3組加壓試驗淤泥沉積物樣品的基本物理化學指標相差較小，因此具有一定的對比性。

2.2 淤泥沉積物含水率和N-N釋放總量隨壓力的變化

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)。

圖2 不同加壓模式下淤泥沉積物含水率和N-N釋放 總量隨壓力的變化曲線Fig.2 Variation curves of water content and total release of ammonium nitrogen in silt sediment under different pressure mode

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%。

對土柱內(nèi)淤泥沉積物樣品加壓后釋放的孔隙水進行基本物理化學指標測定，結果顯示：pH值位于7.2～7.8之間，在20 ℃下呈中性至弱堿性；Eh值主要在-100～-50 mV之間，表明土柱內(nèi)部環(huán)境為還原環(huán)境，厭氧微生物為主要的微生物群落。

2.3 不同加壓條件下淤泥沉積物中N-N和N-N的釋放特征

2.3.1 勻速加壓試驗結果及分析

圖3 勻速加壓條件下孔隙水中N-N和N-N 濃度的變化 in pore water under constant pressure

2.3.2 加速加壓試驗結果及分析

圖4 加速加壓條件下孔隙水中N-N和N-N 濃度的變化 in pore water under accelerated pressure

2.3.3 減速加壓試驗結果及分析

圖5 減速加壓條件下孔隙水中N-N和N-N 濃度的變化 in pore water under decelerated pressure

2.4 不同加壓條件下淤泥沉積物中DON和DTN的釋放特征

孔隙水中溶解性有機氮(DON)在溶解性總氮(DTN)中的占比一般為33%～83.3%,DON可直接參與固氮、同化和氨基化等多種氮循環(huán)過程，并可與其他形態(tài)的無機氮一起參與沉積物-孔隙水系統(tǒng)中最活躍的生物地球化學反應。

不同加壓條件下淤泥沉積物中DON的釋放特征以及DON占DTN的比例變化，見圖6。

圖6 不同加壓條件下淤泥沉積物中DON的釋放 特征以及DON占DTN的比例變化Fig.6 DON concentration and DON/DTN in silt sediment under different pressure conditions

由圖6可以看出：

(1) 勻速加壓條件下[見圖6(a)]，孔隙水中DTN濃度的變化趨勢是先快速降低、后波動變化但變動不大，加壓后期孔隙水中DTN濃度先升高后又降低；在整個加壓過程中，孔隙水中DON/DTN值幾乎全部大于50%，DON占DTN的比例呈降低趨勢，表明隨著加壓的進行，淤泥沉積物釋放的無機氮含量相對增高。

(2) 加速加壓條件下[見圖6(b)]，加壓前期孔隙水中DTN濃度變化的波動較大，加壓后期孔隙水中DTN濃度變化的波動較?。辉谡麄€加壓過程中，孔隙水中DON/DTN值在50%左右，當以0.04 MPa/12 h的速率加壓時孔隙水中DON/DTN值的波動較大，當以0.06 MPa/12 h的速率加壓時孔隙水中DON/DTN值基本穩(wěn)定在50%；相較于勻速加壓條件，加速加壓階段孔隙水中DON/DTN值變化的波動不大，無明顯下降或增加趨勢，且DON/DTN值均低于勻速加壓條件，表明孔隙水中DON的生成與分解處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)。

(3) 減速加壓條件下[見圖6(c)]，當以0.04 MPa/12 h的速率加壓時孔隙水中DTN濃度的變化趨勢整體下降，改變?yōu)?.02 MPa/12 h的加壓速率后，孔隙水中DTN濃度呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，表明在加壓的后期從淤泥沉積物釋放到孔隙水中的氮含量增加；同時相對應的孔隙水中DON/DTN值也表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，說明整個加壓過程中有機氮(ON)控制著總氮的釋放含量。

3 不同加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析

3.1 勻速加壓試驗分析

勻速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析結果，見表2和表3。

表2 勻速加壓條件下孔隙水中氮指標之間的相關性分析Table 2 Correlation analysis of all N index in pore water under constant pressure

表3 勻速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析Table 3 Correlation analysis of all index in pore water under constant pressure

由表2和表3可以看出：

3.2 加速加壓試驗分析

加速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析結果見表4和表5。

表4 加速加壓條件下孔隙水中氮指標之間的相關性分析Table 4 Correlation analysis of all N index in pore water under accelerated pressure

表5 加速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析Table 5 Correlation analysis of all index in pore water under accelerated pressure

由表4和表5可以看出：

3.3 減速加壓試驗分析

減速加壓條件下孔隙水中各指標的相關性分析結果，見表6和表7。

表6 減速加壓條件下孔隙水中氮指標之間的相關性分析Table 6 Correlation analysis of all N index in pore wate under decelerated pressure

表7 減速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析Table 7 Correlation analysis of all index in pore water under decelerated pressure

由表6和表7可以看出：

4 結 論