方迎春

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文進(jìn)行試驗(yàn)研究所選土壤試樣取自錦州市大凌河沿岸某項(xiàng)目工地，現(xiàn)場取樣土質(zhì)為粘性土，土層深度>2m。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干，經(jīng)過人工碾碎后過1mm篩網(wǎng)，然后裝袋密封保存。土壤樣本物理性能見表1。

表1 弱透水層土樣基本物理性能

1.2 試驗(yàn)方法

本文采用以下方法進(jìn)行化學(xué)元素檢測：納氏試劑光度法檢測氨氮離子、酚二磺酸光度法檢測硝酸鹽氮、N-(1奈基)-乙二胺光度法檢測亞硝酸鹽氮、滴定法進(jìn)行鈣離子和鎂離子檢測、玻璃電極法進(jìn)行pH值的測定、ORP測定Eh值。為避免生物作用對氨氮吸附作用產(chǎn)生的影響[4]，在吸附試驗(yàn)中所用土樣和石英砂均經(jīng)過110℃高溫霉菌處理；化學(xué)元素在遷移、交換過程中受溫度影響作用較大，在整個試驗(yàn)過程中均保持溫度在12～15℃之間，以減少因溫差變化造成氨氮離子產(chǎn)生的滲透、遷移。下面分別對氨氮的靜態(tài)吸附和動態(tài)吸附試驗(yàn)、土柱滲透試驗(yàn)展開詳細(xì)的介紹和分析。

1.2.1氨氮靜態(tài)吸附試驗(yàn)

首先需配置不同濃度的氨氮溶液各100ml，分別稱量多份經(jīng)風(fēng)干過篩的土壤樣本5g倒入250mL的三角瓶中，并按照1∶20的比例加入蒸餾水，常溫下置于振蕩器震蕩2h并靜置24h。然后取上清溶液置于離心機(jī)上進(jìn)行離心處理，分離完成后去上清液測定氨氮濃度值，該濃度即為離子吸附平衡濃度，并將此試樣作為平行對比試樣。土壤對氨氮的吸附量S可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中,S—吸附平衡時土壤顆粒的離子濃度，mg/g；C—吸附平衡時溶液離子濃度，mg/L；C0—初始溶液濃度，mg/L；V—溶液體積，L；MS—土壤干重，g。

1.2.2氨氮動態(tài)吸附試驗(yàn)

氨氮離子動態(tài)吸附試驗(yàn)裝置是由有機(jī)玻璃制成，總高度為100cm，內(nèi)徑為8cm。動態(tài)吸附裝置基本原理是：在土柱上層和下層分別填充高溫處理霉菌后的石英砂，中間部位填裝粘性土壤并夯實(shí)至自然狀態(tài)的容重，土壤填充高度為1.5cm。因粘性土透水性能較差，在自然狀態(tài)無法形成能夠滿足地下水產(chǎn)生越流所需的較大水位差，故利用空壓機(jī)以提高溶液滲透弱透水層所需的滲透壓力。

試驗(yàn)前首先應(yīng)在土柱上端進(jìn)水口用蒸餾水對土柱進(jìn)行溢流清洗，排出內(nèi)部氣泡，同時降低樣本中自帶氨氮和其他化學(xué)元素的離子濃度，并確保土柱處于飽水狀態(tài)。試驗(yàn)過程中用濃度為10mg/L的氨氮溶液連續(xù)倒入土柱上端入口，整個過程保持溶液持續(xù)徑流土柱，并確保柱頂壓力穩(wěn)定，水流速度穩(wěn)定。然后在規(guī)定時間間隔內(nèi)收集流出的溶液，并測定氨氮濃度和pH值。

1.2.3土柱滲濾試驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 氨氮靜態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果

土壤具有一定的離子交換和吸附的特性，離子可在濃度差和壓力作用下可進(jìn)行自主的滲透交換過程，氨氮在樣本中的等溫吸附曲線如圖1所示。

圖1 樣本土壤中氨氮吸附等溫線

由圖1可知，隨著氨氮平衡濃度的增加，氨氮的吸附濃度逐漸提高；在高濃度條件下氨氮吸附濃度的增加幅度降低，而在低濃度時氨氮吸附濃度增加幅度較大，故氨氮的吸附濃度增加的速率隨平衡濃度的增加逐漸放緩即曲線斜率呈降低趨勢。黏土吸附氨氮的熱力學(xué)數(shù)據(jù)利用等溫吸附模型和吸附等溫曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表2。

表2 氨氮等溫吸數(shù)據(jù)附擬合結(jié)果

由表2可以看出，粘性土吸附氨氮的等溫吸附曲線不僅可利用等溫吸附模型進(jìn)行擬合分析，還可采用吸附等溫線進(jìn)行表征。同時由圖1可以看出，對于較高濃度氨氮時采用等溫吸附模型更符合土壤對氨氮的模擬吸附情況，而在氨氮平衡濃度<20mg/L時，采用吸附等溫線比較符合氨氮的吸附實(shí)際情況，且此時氨氮的離子濃度S為65.832c，直線相關(guān)性系數(shù)為0.9718。

2.2 氨氮動態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果

土壤動態(tài)吸附過程一般分為吸附階段、吸附傳質(zhì)階段和吸附飽和階段。隨著土壤對離子的不斷吸附，當(dāng)吸附值濃度突然增大時，吸附點(diǎn)即為吸附穿透點(diǎn)[4]。土壤容重、溫度、滲透壓力、吸附質(zhì)濃度、滲流速度、吸附質(zhì)的組成是影響吸附穿透曲線的主要因素。在動態(tài)吸附過程中土壤吸附層高度取1.5cm，其他各參數(shù)均與土柱滲濾試驗(yàn)相同，可更高的模擬地下弱透水層的實(shí)際吸附情況。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，砂層對氨氮的吸附性能不產(chǎn)生明顯影響，故可不考慮砂層對氨氮的吸附所產(chǎn)生的作用，文中所選黏性土對氨氮的動態(tài)吸附曲線如圖2所示。

圖2 黏性土樣對氨氮的動態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果

2.3 土柱滲濾試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1弱透水層的滲濾特征

黏性土在飽水狀態(tài)時包含毛細(xì)水、結(jié)合水和重力水，主要是以結(jié)合水為主，弱透水層中的飽和水滲透包含各種形式的水綜合滲透的結(jié)果[6]。在水位差和外加壓力狀態(tài)下，水流逐漸達(dá)到穩(wěn)定，土壤中的大量結(jié)合水轉(zhuǎn)化為重力水，此時可用達(dá)西定律對水流的滲透規(guī)律進(jìn)行分析。根據(jù)滲透系數(shù)k值，一般認(rèn)為土壤滲透系數(shù)k小于10-7cm/s時即為隔水層，利用達(dá)西定律本文所選土壤滲透系數(shù)為6.18×10-7cm/s，故屬于弱透水層，可以用來模擬地下弱透水層的滲透規(guī)律研究。

2.3.2三氮出水濃度變化規(guī)律

綜上所述，弱透水層的水流滲透規(guī)律與含水層和包氣帶土壤的滲透機(jī)理不同，在弱透水層中水流需克服結(jié)合水的剪切力，使結(jié)合水轉(zhuǎn)化為重力水逐漸滲透至下層土壤中，此滲透過程及其緩慢，且微生物作用較弱；土壤中含有大量的負(fù)電荷電子可吸附大量的氨氮離子，其吸附能力遠(yuǎn)大于包氣帶土層，弱透水層可使氨氮溶液濃度在相當(dāng)長的時期內(nèi)保持低濃度狀態(tài)，可有效保護(hù)地下水源[8]。

2.3.3硬度對氨氮去除影響

對試驗(yàn)過程中流出溶液中的Ca2+和Mg2+進(jìn)行檢測，溶液流出前后各離子的濃度平均值見表3。

表3 溶液流出前后各離子的平均濃度值

通過分析可知，表面吸附和

離子交換時降低氨氮濃度的兩大途徑，并且以弱透水層表面吸附為主。因離子交換是一個同時進(jìn)行的可逆反應(yīng)，土壤吸附一個陽離子就必須釋放出其他類型的一個陽離子，故在弱透水層中土壤對氨氮的吸附作用具有一定的非穩(wěn)定性。當(dāng)土壤中釋放的另一類陽離子同樣具有污染作用時，且達(dá)到一定濃度時可導(dǎo)致地下水源的二次污染。

3 結(jié)論

通過選取錦州市大凌河沿岸的某項(xiàng)目工地的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，對錦州市弱透水層中氨氮的滲透遷移規(guī)律進(jìn)行研究，得出的主要結(jié)論如下：

(1)土壤靜態(tài)吸附試驗(yàn)表明：隨著氨氮平衡濃度的增加，氨氮的吸附濃度逐漸提高；在高濃度條件下氨氮吸附濃度的增加幅度降低，而在低濃度時氨氮吸附濃度增加幅度較大，故氨氮的吸附濃度增加的速率隨平衡濃度的增加逐漸放緩即曲線斜率呈降低趨勢。

(2)土樣動態(tài)吸附試驗(yàn)表明：在第3h出現(xiàn)最低值為0.8，并保持持續(xù)的平衡直到98h，在第98h時的氨氮濃度為0.18mg/L，此點(diǎn)即為氨氮濃度的穿透點(diǎn)，隨后氨氮離子濃度隨時間的增加顯著增大，弱透水層對氨氮的吸附能力開始降低。

(3)表面吸附和離子交換時降低氨氮濃度的兩大途徑，并且以弱透水層表面吸附為主。因離子交換是一個同時進(jìn)行的可逆反應(yīng)，土壤吸附一個陽離子就必須釋放出其他類型的一個陽離子，故在弱透水層中土壤對氨氮的吸附作用具有一定的非穩(wěn)定性。

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