蘇 琴

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

水作為生物生存不可或缺的因素之一，其品質(zhì)的高低直接決定了環(huán)境的多樣性[1]。我國(guó)北方地區(qū)由于黃土地質(zhì)較為發(fā)達(dá)，植被覆蓋程度降低，水體中泥沙含量較高，導(dǎo)致北方許多河流為典型含沙水環(huán)境[2]。同普通水環(huán)境一樣，在含沙水環(huán)境中包含著大量的污染物，嚴(yán)重影響水質(zhì)的評(píng)價(jià)等級(jí)與安全使用[3]。氨氮作為水體富營(yíng)養(yǎng)化的一種典型的污染物，在水環(huán)境中通常以氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和氮氨的形式存在[4]。水環(huán)境中氨氮含量偏高會(huì)導(dǎo)致水體中藻類的生長(zhǎng)和堆積，進(jìn)而影響其他水下植物進(jìn)行光合作用，致使水體中溶解氧的濃度降低，當(dāng)水體長(zhǎng)期處于缺氧環(huán)境下時(shí)，會(huì)促進(jìn)水中厭氧細(xì)菌的分解作用，產(chǎn)生大量刺激性氣味[5]。并且水體中的金屬元素也會(huì)由于氧氣缺乏而向黑色物質(zhì)轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致水體出現(xiàn)黑臭等極端現(xiàn)象[6]。因此，針對(duì)含沙水環(huán)境中氨氮分解的研究顯得相當(dāng)重要，本文以含沙水環(huán)境中原狀水為基礎(chǔ)，對(duì)影響氨氮濃度降解的因素進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)原理

2.1 試驗(yàn)原理

氨氮濃度的測(cè)定使用納氏試劑比色法[7]，該方法的主要原理是利用碘化汞和碘化鉀的堿性溶液與氨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成棕色膠態(tài)化合物的試驗(yàn)方法，且生成的棕色膠態(tài)化合物的顏色深淺直接與氨氮含量相對(duì)應(yīng)，依據(jù)顏色深淺不同所反應(yīng)出來(lái)的波長(zhǎng)差異，進(jìn)而直接確定河流取樣水中氨氮含量濃度值。

2.2 試驗(yàn)方案

為對(duì)氨氮降解的因素進(jìn)行分析，選定水環(huán)境中直接影響氨氮濃度的幾個(gè)因素，包括水體穩(wěn)定、水體pH值、氨氮的初始濃度和含沙水環(huán)境中泥沙的分布特征等4個(gè)因素進(jìn)行量化分析，制定的試驗(yàn)方案分別改變?cè)瓲钏械臏囟?、pH、氨氮初始濃度和泥沙分布狀態(tài)，試驗(yàn)方案分別見表1～表4。

表1 溫度對(duì)氨氮降解速率影響試驗(yàn)參數(shù)

表2 pH值對(duì)氨氮降解速率影響試驗(yàn)參數(shù)

表3 氨氮初始濃度對(duì)氨氮降解速率影響試驗(yàn)參數(shù)

表4 泥沙分布狀態(tài)對(duì)氨氮降解速率影響試驗(yàn)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 溫度

分別對(duì)不同溫度下氮氨濃度每天進(jìn)行測(cè)量，直至氮氨濃度接近于0 mg/L為止，得到的氮氨變化曲線見圖1。

圖1 不同溫度下氮氨降解速度

由圖1可知，在其他試驗(yàn)條件相同前提下，溫度不同水樣氨氮降解速度不一致。其中，當(dāng)水樣溫度為28℃時(shí)，水樣中氨氮降解速度最快，其平均降解速度達(dá)到2.83 mg/(L·d)，在本次試驗(yàn)中水樣溫度為20℃時(shí)，氨氮降解速度最慢，其平均降解速度為2.70 mg/(L·d)，當(dāng)水樣溫度為25℃和30℃時(shí)，水樣中氨氮平均降解速度居中，約為2.76 mg/(L·d)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)樗w中的消化細(xì)菌和微生物活性不一致，相關(guān)學(xué)者研究表明[8]，硝化反應(yīng)最適應(yīng)的溫度為30℃～35℃，并且溫度的變化直接影響水體中硝化細(xì)菌的數(shù)量和反應(yīng)速度。當(dāng)溫度在5℃以上時(shí)，水體中的硝化細(xì)菌的數(shù)量和反應(yīng)速度隨著水文的增加逐漸增加，當(dāng)溫度為28℃時(shí)達(dá)到峰值，隨著溫度的繼續(xù)增加，水體中硝化細(xì)菌的數(shù)量不在持續(xù)增加，反應(yīng)速度逐漸降低，因此當(dāng)水樣溫度為28℃時(shí)，水樣較適合硝化細(xì)菌和微生物的生長(zhǎng)和反應(yīng)速度，使得水樣氨氮降解速度最高。

3.2 pH值

依據(jù)試驗(yàn)方案中水樣pH值不一致，連續(xù)多天測(cè)得水樣中氨氮濃度見圖2。

圖2 不同pH水樣中氨氮降解速率

由圖2中不同pH濃度水樣中氨氮降解速率可以得到，當(dāng)水樣pH為5時(shí)，氨氮濃度降解速率最慢，其平均降解速度為1.82 mg/(L·d)，當(dāng)水樣pH為7時(shí)，氨氮濃度降解速率最快，其平均降解速度為2.32 mg/(L·d)，當(dāng)水樣pH為6和pH為8時(shí)，氨氮濃度降解速率居中，其平均降解速率分別為2.16 mg/(L·d)和2.18 mg/(L·d)。由此可見，當(dāng)水樣pH由5增加至8時(shí)，水樣氨氮降解速率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)pH為7時(shí)，水樣氨氮降解速率達(dá)到最大值。由于氨氮濃度降解速率直接受到水樣中硝化細(xì)菌和微生物的數(shù)量和反應(yīng)速率影響，且硝化細(xì)菌對(duì)水樣pH值相當(dāng)敏感，研究表明[9]，當(dāng)水體pH值為6.5～7.5時(shí)，此時(shí)硝化細(xì)菌活性最強(qiáng)，當(dāng)pH值超過此范圍時(shí)，硝化細(xì)菌活性會(huì)受到抑制。因此，文中當(dāng)水樣pH為5～8時(shí)，水樣氨氮降解速度呈現(xiàn)先增加后降低的狀態(tài)，且當(dāng)pH為7時(shí)，水樣氨氮降解速率達(dá)到最大值。

3.3 氨氮初始濃度

依據(jù)不同初始濃度試驗(yàn)水樣氨氮降解速率，得到氨氮降解速率與初始濃度之間的關(guān)系，見圖3。

圖3 初始濃度對(duì)氨氮降解速度的影響

由圖3中氨氮降解速率與初始濃度之間關(guān)系可以看出，氨氮初始濃度越高，水樣中氨氮降解所消耗的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)氨氮初始濃度為19.5 mg/L時(shí)，氨氮降解過程需要的時(shí)間為10天，氨氮平均降解速度為1.93 mg/(L·d)；當(dāng)氨氮初始濃度為19.5 mg/L時(shí)，氨氮降解過程需要的時(shí)間為4天，氨氮平均降解速度為2.06 mg/(L·d)；由此可以得出，氨氮初始濃度越高，氨氮平均降解速度越慢，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是隨著氨氮濃度的增加，水樣中非離子氨含量也逐漸增加，非離子氨含量對(duì)水樣中微生物有一定毒害作用，抑制水體中微生物的活性，導(dǎo)致微生物對(duì)氨氮的降解速率有所降低，具體表現(xiàn)為氨氮初始濃度越高，水樣氨氮降解速率越慢。

3.4 泥沙分布狀態(tài)

依據(jù)泥沙在水體中的分布特征，將泥沙分為三種狀態(tài)，靜止?fàn)顟B(tài)、半懸浮狀態(tài)和充分懸浮狀態(tài)，分別得到對(duì)應(yīng)狀態(tài)下氨氮降解過程，見圖4。

圖4 泥沙狀態(tài)對(duì)氨氮降解速率影響

由圖4中泥沙狀態(tài)與氨氮降解速率之間的影響因素可以看出，泥沙處于充分懸浮狀態(tài)時(shí)，氨氮降解速度最快，其平均降解速度為2.91 mg/(L·d)；泥沙處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，氨氮降解速度最慢，其平均降解速度為2.31 mg/(L·d)，且整個(gè)降解過程持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。當(dāng)泥沙處于半懸浮狀態(tài)時(shí)，氨氮降解速度居中，其平均降解速度為2.36 mg/(L·d)。由此可以得出，含沙水環(huán)境下，泥沙的狀態(tài)對(duì)氨氮的降解速率有較為明顯的影響，分析其中緣由為，水樣中氨氮的降解需要水樣中硝化細(xì)菌和微生物的作用，當(dāng)水樣中泥沙處于靜止?fàn)顟B(tài)是，此時(shí)泥沙大量堆積于實(shí)驗(yàn)器皿底部，泥沙與水之間無(wú)法充分的接觸。當(dāng)泥沙處于充分懸浮狀態(tài)時(shí)，泥沙顆粒在水樣中處于完全分散的狀態(tài)，泥沙與水體充分接觸。泥沙作為水體中硝化細(xì)菌和微生物的載體，其與水體的接觸程度直接決定了水體中硝化細(xì)菌與微生物的反應(yīng)速度，因此表現(xiàn)為當(dāng)泥沙處于充分懸浮狀態(tài)時(shí)，水樣氨氮降解速度最快。

綜上所述，水樣的溫度、酸堿度、氨氮初始濃度和含沙水環(huán)境中泥沙的狀態(tài)都直接影響了水樣中氨氮的降解速度，進(jìn)而影響水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)值，因此，在對(duì)水樣水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，要選取合適外界參數(shù)。

4 結(jié)論

為分析含沙水環(huán)境中影響氨氮濃度降解的因素，分別對(duì)水體溫度、酸堿度、氨氮初始濃度和含沙水環(huán)境泥沙狀態(tài)對(duì)氨氮降解速率進(jìn)行量化研究，得到如下結(jié)論：

(1)當(dāng)水體溫度有25℃上升至30℃時(shí)，氨氮的降解速率先增加后降低，當(dāng)水體溫度為28℃時(shí)，氨氮降解速率達(dá)到最大值；當(dāng)水體pH由5上升至8時(shí)，氨氮的降解速率先增加后降低，當(dāng)水體pH為7時(shí)，氨氮降解速率達(dá)到最大值；氨氮的降解速率受到水體中硝化細(xì)菌和微生物速率和反應(yīng)速度直接相關(guān)。

(2)水體中氨氮初始濃度越高，非離子氨含量越高；非離子氨對(duì)水樣中微生物有毒害作用，能夠抑制水體中微生物的活性；氨氮初始濃度越高，水樣氨氮降解速率越慢。

(3)含沙水環(huán)境中泥沙分布越散亂，泥沙攜帶的微生物與水體接觸越好，促進(jìn)水體氨氮降解效果越明顯。