（环境科学专业论文）黄河宁蒙段重金属迁移模拟研究.pdf

黜 ( 6 ) 三湖河口断面分析结果显示，1 0 6 1 4 0d 、1 9 7 2 3 1d 、2 8 9 - - , 3 2 3 d 三个时段各自的模拟分析中，污染物在1 9 7 2 31d 时段前5d 累计 流量最小、到达三湖河口断面最晚，污染物浓度峰值最低，停留时间 最长。 ( 5 ) 当上游发生突发污染时，根据目标区域距污染发生断面的 距离，由模型计算结果判断污染物到达该断面的时间、污染带的大致 起止地点及长度，从而在污染物到达之前做好投放点的布置工作，包 括投放的重点河段、布置频率、投放量等。 关键字：重金属，吸附态，水溶态，综合吸附率，迁移模拟 a bs t r a c t i nn a t u r e ，r i v e r sa r eu s u a l l yt h es i n kf o rm o s to ft h ep o l l u t a n t s a n d s e d i m e n ta n dw a t e rf l o wa r et h em a i nc a r r i e r so ft h e m ，e s p e c i a l l yf o r h e a v ym e t a l s ，w h i c hi s ak i n do fh e a v yt o x i ca n dh a r d l yd e g r a d a b l e p o l l u t a n t s a sh e a v ym e t a lp o l l u t i o ns o a r i n gt ob es e v e r e ，t h es t u d yo nt h e t r a n s p o r ta n df a t eb e h a v i o ro fh e a v ym e t a l si na q u a t i ce n v i r o n m e n ti s b e c o m i n gs i g n i f i c a n ta n di n t e n s ed a yb yd a y o v e r a l l ，h e a v ym e t a l s c h a n g ei n t ot w om a i ns t a t e sw h e nm e ya r ed i s c h a r g e di n t ow a t e rb o d i e s ， t h e ya r ea b s o r p t e ds t a t ea n dw a t e rs o l u b l es t a t e a l t h o u g ht h el a t e rs t a t ei s e x t r a o r d i n a r i l yl e s st h a nt h ef o r m e r , t h ew a t e rs o l u b l ef o r mc a nt r a n s p o r t al o n gd i s t a n c e ，a n dt h e n ，d i r e c t l yt h r e a tt h eh e a l t ho fh u m a n st h r o u g h d r i n k i n gw a t e ra n da q u a t i cp r o d u c t sa n ds oo n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f m a n yr e s e a r c h e s ，i nm o s tc a s e s ，t h eh e a v ym e t a l s c a nb e s t r o n g l y a b s o r b e do n t ot h es u r f a c eo fs u s p e n d e dp a r t i c l e st ob et h em a i nf o r mo f h e a v ym e t a l si nw a t e r s a n dt h i sp r o c e s si si m p a c t e db ym a n yf a c t o r s ， i n c l u d i n g a d s o r b e n ta n da d s o r b a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n de n v i r o n m e n t c o n d i t i o n s w h e no n eo rm o r eo ft h ef a c t o r sc h a n g e ，h e a v ym e t a l sw i l l t r a n s f o r mb e t w e e nt h e s et w os t a t e s t h u s ， q u a n t i t i v e l ys t u d y t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef a c t o r sa n dt h ea b s o r p t i o nr a t ek w i l lm a k e c o n t r i b u t i o nt oc l e a r l yu n d e r s t a n d i n gt h et r a n s p o r ta n df a t eo fh e a v y m e t a l si nt h er i v e r o t h e r w i s e ，s i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o no ft h et r a n s p o r t b e h a v i o ro ft h ew a t e rs o l u b l eh e a v ym e t a l sw i l l s u p p l y e f f e c t i v e r e f e r e n c e sf o rd e c i s i o nm a k i n gw h e nr e s p o n s et ot h er i v e rp o l l u t i o n e m e r g e n c i e s t h i st h e s i s1 ) a n a l y s e dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ea b s o r p t e da n d w a t e rs o l u b l es t a t e so fh e a v ym e t a l sf r o mb a y a n g a o l et ot o u d a o g u a i c r o s ss e c t i o nu s i n gt h em e a s u r e dd a t ai nj u l y2 011 ，a n ds p e c i a l l y a s s e s s i n g t h ee c o l o g i c a lr i s ko ft h es e v e nm e t a l si n s u s p e n d e da n d s e d i m e n tp h a s e su s i n gt h ep o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s ka s s e s s m e n tm e t h o d 2 ) s e tu pac o m p r e h e n s i v ee f f e c tm o d e lt od e s c r i b et h ec o f u n c t i o na m o n g 4 t h ef a c t o r sa n dt h ea b s o r p t i o nr a t eki nt h er e a c hf r o mb a y a n g a o l et o t o u d a o g u a ib a s i n go nt h ed a t af r o mr e f e r e n c e sa n dt h em e a s u r e dd a t a 3 、) s i m u l a t e dt h eh y d r o d y r n a m i c sa n dt h et r a n s p o r t a t i o no ft h ew a t e rs o l u b l e h e a v ym e t a l s i nt h er e a c ho fy e l l o wr i v e rf r o m b a y a n g a o l e t o t o u d a o g u a iu s i n ge f d c ( e n v i r o n m e n t a lf l u i dd y n a m i c sc o d e ) t h ec o n c l u s i o n so ft h e s er e s e a r c h e sa r el i s t e da sf o l l o w ： ( 1 ) n er e s u l t so ft h ee c o l o g i c a lr i s ka s s e s s m e n ts h o wt h a tt h er i s k s o ft h eh e a v ym e t a l sc o n t a m i n a t i o ni nt h es u s p e n d e da n ds e d i m e n t p h a s e s a r es e v e r e t h em a i nc o n t r i b u t o ri sh g ，f o l l o w e d b yc da n d a s ( 2 ) kd e c r e a s e sw i t ht h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o nc o ，p a r t i c l es i z ed a n d i o n i cs t r e n g t hla n dt h ec u r v e se x h i b i tf l a tt r e n d s ki n c r e a s e sw i t ht h e s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nc ，a n de x i s t sa no p t i m u mv a l u e t h ec u r v eo fk i n c r e a s i n gw i t hp he x h i b i t sq u i c k ，s l o wa n dq u i c kt h r e es t a g e s k a p p e a r e dl i n e a rg r o w t hw i t ht e m p e r a t u r e ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa b o v e ，ac o m p r e h e n s i v ee f f e c tm o d e li s s e tu pb a s e do nt h e r e l a t i o n s h i p o fka n dt h ef a c t o r s t h e n ，a c o m p r e h e n s i v ee f f e c tm o d e l ，w h i c hs u i t a b l ef o rt h ep a r to fy e l l o wr i v e r f r o mb a y a n g a o l et ot o u d a o g u a i ，i ss e tu pu s i n gt h em e a s u r e dd a t a t h e v a l u e so fko nt h ec r o s ss e c t i o no fb a y a n g a o l ea r eo 6 21 ，o 6 2 8 ，o 7 8 6 ， o 7 4 4 ，o 6 6 3 ，o 6 4 5 ，o 6 4 4 ，o 8 1 2 ，o 7 5 3 ，0 7 2 3 ，o 7 9 2 ，o 7 5 3f r o m j a n u a r yt od e c e m b e r a n dk i n c r e a s e sw i t ht h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni n t h er a n g e ( 4 ) t h eo u t c o m e so ft h ee f d ch y d r o d y n a m i c ss i m u l a t i o np r o v et h a t t h i sm o d e li sr e l i a b l ea n de f f e c t i v eb e c a u s eo ft h e h i g hc o n s i s t e n c y b e t w e e nt h ec a l c u l a t e dv a l u ea n dm e a s u r e dv a l u eo ft h ew a t e rl e v e l ( 5 ) i nt h ep a r to fw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n ，t h i st h e s i sc h o s et h r e e a r e n u a t i o nc o e f f i c i e n t s ，1 0 x10 。7 s - 11 o 10 6s 。1a n d1 0 xl0 5s l t o s i m u l a t et h et r a n s p o r tb e h a v i o ro fw a t e rs o l u b l eh e a v ym e t a l si nt h ep a r t o fy e l l o wr i v e rf r o mb a y a n g a o l et ot o u d a o g u a i t h ed e g r a d a t i o no f 1 o 10 。s i st h eh i g h e s t a n df o rt h es a m ea a e n u a t i o nc o e f f i c i e n t ，a st h e c o n t a m i n a n t st r a n s p o r tt od o w n s t r e a m ，t h ed e g r e eo f d e g r a d a t i o nb e g i n s 5 t od e c r e a s ef r o mt h e15 也d a y a tt h es a m et i m e ，t h ec o n t a m i n a t e dz o n ei s g r o w i n gb e c a u s eo ft h ew a t e rf l o wd i f f u s i o nf u n c t i o n o t h e r w i s e ，t h e t r a n s p o r t a t i o ns p e e di sh i g h e ri nt h ep a r to fw h i c ht h er i v e rw i d t hi s s m a l l e r , f o rt h er e a s o nt h a tw a t e rf l o wr a t ei nt h i sp a r ti sl a r g e r ( 5 ) t h ea n a l y s i so nt h es a n h u h e k o uc r o s ss e c t i o ns h o w st h a ti nt h e t h r e et i m ep e r i o d s ，1 0 6 - - - 1 4 0d ，1 9 7 2 31da n d2 8 9 - 3 2 3d ，t h ei n c i p i e n t f i v ed a y sa c c u m u l a t i v ev o l u m eo ft h es e c o n dt i m ep e r i o di sl o w e s t ，w h i c h l e a d i n gt ot h el a t e s ta r r i v i n gt i m e ，t h el o w e s tp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n ，a n d t h el o n g e s tr e t e n t i o nt i m e ( 6 ) a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t so fe f d c ，t h et i m ew h e n t h ep o l l u t a n t sa r r i v ea tt h et a r g e tc r o s ss e c t i o n ，t h el o c a t i o na n dl e n g t ho f t h ec o n t a m i n a t e dz o n ec a nb ej u d g e d ；t h e r e b y , c o p i n gm e a s u r e sc a nb e d e c i d e db e f o r et h ep o l l u t a n t sa r r i v e k e yw o r d s ：h e a v ym e t a l s ，a b s o r p t e ds t a t e ，w a t e rs o l u b l e s t a t e ， c o m p r e h e n s i v ea b s o r p t i o nr a t e ，t r a n s p o r t a t i o ns i m u l a t i o n 6 目录 第1 章绪论。1 1 1 研究背景、意义及内容1 1 1 1 研究背景及意义1 1 1 2 研究目的及内容2 1 2 研究现状3 1 2 1 重金属在水体中的赋存形态及迁移行为研究3 1 2 2 水体中重金属吸附影响因素研究4 1 2 3 水体中重金属吸附热力学及动力学研究9 1 3 研究方法技术路线1 3 第2 章黄河宁蒙段吸附态及水溶态重金属污染现状与评价1 5 2 1 黄河宁蒙段水相、悬浮相和沉积相重金属沿程变化分析1 5 2 2 悬浮相、沉积相重金属污染潜在风险评价1 8 第3 章水体中重金属吸附行为影响因素分析一以黄河宁蒙段为例2 2 3 1 分析方法2 2 3 2 结果分析2 3 3 2 1 污染物初始浓度2 3 3 2 2 含沙量2 4 3 2 3 泥沙粒径2 5 3 2 4 p h 值2 6 3 2 5 温度2 7 3 2 6 离子强度2 8 3 3 综合作用分析及验证2 9 3 4 巴彦高勒至头道拐河段吸附率公式及k 值分析3 0 第4 章突发污染条件下水溶态重金属迁移模拟研究以巴彦高勒至头道拐河 段为例3 4 4 1e f d c 模型3 4 4 1 1 水动力计算控制方程3 4 4 1 2 水质计算控制方程3 5 4 2 巴彦高勒至头道拐河段水动力场模拟3 6 4 2 1 计算区域网格剖分3 6 4 2 2 网格水深匹配3 7 4 2 3 边界条件和计算参数3 8 4 2 4 计算结果与分析4 0 4 2 5 水位验证4 4 4 3 巴彦高勒至头道拐河段突发污染条件下水溶态重金属迁移模拟4 5 4 3 1 边界条件和计算参数4 6 4 3 2 计算结果分析4 6 4 3 3 突发条件下三湖河口断面污染分析5 0 4 4 巴彦高勒至头道拐河段重金属采取应对突发污染事故措施依据分析5 2 第5 章结论5 4 参考文献5 6 攻读学位期间发表论文目录 致谢 中央民族大学研究生学位论文作者声明 中央民族大学硕士学位论文 1 1 研究背景、意义及内容 第1 章绪论 1 1 1 研究背景及意义 重金属如汞( h g ) 、镉( c d ) 、铬( c r ) 、铅( p b ) 、铜( c u ) 、锌( z n ) 、钴 ( c o ) 和镍( n i ) 等在水体中的迁移行为一直是环境领域研究的一个热点，并 且随着重金属污染事件的增多而越来越受到广泛的重视。由于人类的生产活动， 导致重金属污染物不断地排放进入大气、水体、土壤等环境介质，不但对环境造 成了严重的污染，更对人类健康造成了严重的危害。进入到环境介质中的重金属 污染物，由于其不易降解的特性而长期存留和迁移，并且由于其高的生物蓄积性， 能够在生物体内不断地累积，对环境及人类造成更大范围、严重并持久的危害。 如排放进入水体的重金属，由于不能被微生物降解，只能发生各种形态之间的相 互转化，即使浓度小，也可在底泥和生物有机体内积累，被鱼和贝的体表吸附， 产生食物链浓缩，从而对人类造成致命危害。 重金属污染物在水体中主要以吸附态和水溶态的形态存在，而吸附态主要为 泥沙吸附态，说明重金属污染物与水体中泥沙的关系十分密切。近年来，对重金 属在泥沙表面的赋存形态及形态分布、泥沙吸附、解吸及影响因素等方面也已有 了大量的研究成果。其中，吸附、解吸行为为重金属污染物在水体中迁移转化的 关键环节，并且该环节受多种因素的影响，但现有对影响因素的研究多数集中在 定性研究方面，缺乏较为系统的定量研究成果。复杂的影响因素大大增加了重金 属在水体中迁移转化问题的描述和数学求解的难度，因此，也是重金属污染物数 学模拟研究的热点所在。 除泥沙吸附态外，水溶态重金属是重金属污染物在水体中的另一主要存在形 态，也是迁移距离最远，对人类及其他生物影响最为广泛和直接的形态。水溶态 重金属可以直接通过影响饮用水水质而影响人类健康。因此，对于水溶态重金属 在水体，尤其是河流中的迁移模拟研究，模拟预测其迁移行为，能够为应对突发 污染事件时发布预警、有效应急措施的采取提供可参考的依据。 黄河宁蒙段重金属迁移模拟研究 1 1 2 研究目的及内容 ( 1 ) 研究目的 本研究的总体目标为明确并定量地描述水体中吸附态及水溶态重金属污染 物迁移行为，即吸附态的吸附行为和水溶态的随水流迁移规律。 具体包括以下几点：1 ) 调查黄河宁蒙河段吸附态( 悬浮相和沉积相) 及水 溶态重金属污染物的污染现状；2 ) 定量化部分主要因素对泥沙吸附重金属的影 响，建立综合吸附率作甩模型，并以黄河宁蒙段为目标河段进行应用：3 ) 模拟 研究突发条件下水溶态重金属污染物在黄河宁蒙河段的迁移规律，为低含沙量水 体的突发污染应急决策提供参考。 ( 2 ) 研究内容 1 ) 黄河宁蒙段吸附态及水溶态重金属污染现状研究 以黄河宁蒙段( 玛曲蹬口) 为研究对象，分别采集水相、悬浮相及沉积相 样品进行检测，获得数据，近而分析该河段吸附态和水溶态重金属污染物的空间 分布情况，并对吸附态重金属污染现状进行风险评价。 2 ) 水体中重金属吸附行为影响因素研究 筛选并分析影响水体中重金属吸附行为的主要因素； 定性和定量研究各因素对泥沙对重金属污染物吸附程度的影响程度，该影响 程度用吸附率描述，即分别建立各因素与吸附率问的作用关系式，再考虑各因素 的联合作用，建立综合吸附率作用公式，对该公式进行参数率定与验证； 结合黄河宁蒙段实测数据，对综合吸附率模型参数进行率定，确定巴彦高勒 至头道拐河段综合吸附率公式，并计算巴彦高勒断面不同月份悬浮泥沙对重金属 的吸附率。 3 ) 黄河巴彦高勒至头道拐河段水动力场数值模拟 基于相关单位提供的2 0 0 9 年实测数据，利用e f d c 模型对黄河巴彦高勒至 头道拐河段水动力场进行计算，预测各个时刻该河段的水位及流量情况，以三湖 河口断面实测数据进行验证。 4 ) 突发污染条件下巴彦高勒至头道拐河段重金属迁移模拟 在巴彦高勒至头道拐河段水动力计算的基础上，对该河段内突发重金属污染 事故时重金属的迁移进行模拟，分析污染物的空间和时间分布规律，探讨应急处 理措施，例如吸附物及稀释物的投放时间、地点等。 中央民族大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 重金属在水体中的赋存形态及迁移行为研究 进入水体中的重金属污染物，分别以水溶态、悬浮态、沉积态等形态存在， 还有一部分被生物吸收而进入生物相中。重金属发生吸附作用赋存于悬浮颗粒物 上，经沉积、絮凝或沉降作用进入沉积相。水溶态重金属可直接通过吸附或共沉 淀作用而进入沉积相。例如，进入自然水体中的c r 3 + ，在低p z - i 条件下易被腐殖 质吸附形成稳定的配合物，当p h 4 时，c r 3 + 开始沉淀。接近中性时可沉淀完全。 天然水体的p h 在6 5 8 5 ，在这种条件下，大部分c r 3 + 都进入底泥中【l j 。 沉积态重金属由于水环境化学条件改变或水流的紊动作用发生解吸，释放出 的重金属发生扰动或生物作用时可重新进入上层水环境中。例如，在天然水体中， h 9 2 圭i 要与水中存在的悬浮颗粒物，如泥沙相结合，最后沉降进入沉积相。但河 流中悬浮相和沉积相中的h g 进入海洋后，由于水环境c l 浓度升高会发生解吸， 从而释放进入水相【1 i 。 从重金属污染物在水体中的结合形态来看，可将水环境中重金属划分为吸附 态和水溶态两类。吸附态重金属污染物主要以悬浮态和沉积态的形式存在于水体 中，并且，水溶态和吸附态重金属，在外界水环境条件发生改变时能够相互转化。 重金属污染物在水体中的迁移行为示意图如下。 霉1 1 水体中重金属迂移行为示意图。 黄河宁蒙段重金属迁移模拟研究 有研究者【2 】将重金属的迁移过程概括为三种效应：扩散对流效应，沉降再 悬浮效应和吸附解吸效应进行分析。在图1 1 所示的重金属迁移行为过程中，若 将重金属在水环境中的迁移分割为垂相迁移和水平方向的迁移，则可以看出，重 金属沿水平方向的迁移主要为水溶态和悬浮颗粒态重金属随水流的扩散迁移过 程和沉积态重金属随底质的推移过程，所涉及到的行为较为简单。而垂相的迁移 过程包括挥发过程，水溶态和悬浮态的共沉淀、絮凝、沉降过程，沉积态的再悬 浮和污染物在沉积相中各层的迁移。过程较为复杂，所涉及到的界面相互作用关 系较多，因而致使重金属水环境迁移转化模型的建立困难。通过以上分析可见， 重金属在水体中的吸附与解吸过程是决定其迁移途径的关键。 1 2 2 水体中重金属吸附影响因素研究 ( 1 ) 水体中重金属吸附的载体组成 天然水体中，悬浮物由于具有大的比表面积而成为吸附中金属污染物的主要 载体【3 1 。从其构成来看，天然水中颗粒物主要包括各类矿物微粒，含有铝、铁、 锰、硅水合氧化物等的无机高分子，含有腐殖质、蛋白质等的有机高分子【4 】。此 外还有油滴、气泡构成的乳状液和泡沫、表面活性剂等半胶体以及藻类、细菌、 病毒等生物胶体【l 】1 。然而，各种颗粒物并不是以纯粹单一的状态存在，而是通过 物理、化学作用相互结合成某种复合体而存在，这种复合体的形成，是由于吸附 在黏土矿物表面的铁、锰等金属水合氧化物以及腐殖质、蛋白质等有机高分子使 颗粒物间能够相互粘合团聚起来，从而形成聚集体。该种聚集体易于吸附或结合 水中的重金属和有机污染物等，构成水体中最重要、最基本的颗粒物群体。其基 本结构模型图像如下图所示【5 1 。 图1 - 2 水体颗粒物结构模型1 5 l 4 中央民族大学硕士学位论文 悬浮颗粒物随水流迁移一定距离后会沉降而成为沉积相。沉积相位于水体底 部，发育环境光强较弱，氧化还原电位较低，有机质含量低，矿物结构较为复杂， 结晶度较高 6 j 。轻组分主要是一些轻质结构有机质，如植物残体及碎屑、煤屑、 焦炭等；重组分主要是无机矿物及与粘土矿物结合的无定型有机质等1 7 】。由于地 域性或地带性差异，沉积物的地球化学性质【8 】、粒级、有机质、矿物组成及其含 量都会不同，因而吸附性能也会有所差异。通常有机质浓度与沉积物粒度有关 9 j 。 生物膜是水体中易于吸附、富集重金属的另一重要载体，一般生长在阳光充 足、溶解氧量高、藻类和微生物种类繁多的环境中，主要以无定形或者结晶度较 低的状态存在【1 0 】。生物膜的结构、官能团特性( 如蛋白、多糖组成) 、表面活性 点位和表面积等均能影响其对重金属的吸附n 。 在以上重金属吸附体系中，起重要作用的是黏土矿物、腐殖质、金属水合氧 化物和微生物等。其中，金属水合氧化物主要为铝、铁、锰、硅等金属的水合氧 化物，在天然水中以无机高分子及溶胶等形态存在，在水环境中发挥重要的胶体 化学作用。所有的金属水合氧化物都能结合水中微量物质，同时其本身又趋向于 结合在矿物微粒和有机物的界面上。如，董德明等【1 2 】的研究表明，生物膜中对痕 量重金属起主要吸附作用的是膜上的金属氧化物( 铁、锰氧化物等) 和有机质。陈 亚雄等【1 3 】对溉江水体p b 、c d 、z n 的化学形态研究表明：在池江中性偏碱的水环 境条件下，重金属以颗粒吸附态为主，其中悬浮相和表层沉积物中的重金属以铁 锰氧化物结合态为主。当水环境条件发生变化时，如酸性废水的排放，导致吸附 态重金属发生解吸，其中铁锰氧化物结合态重金属对释放的贡献最大，其中z n 的释放程度最大。 ( 2 ) 影响因素研究 污染物自身的性质决定了其发生吸附、解吸的难易程度。影响重金属污染物 吸附、解吸行为的污染物自身性质包括其物理化学性质以及生物特性等。颗粒物 吸附重金属的强度大小受重金属离子的水化热、电价、离子半径、有效离子半径 不同重金属离子问的配位能力、水解能力的影响【】，较易水解的离子吸附能力较 大【1 引。在离子交换吸附反应中，离子的电价越高，半径越小，越易发生交换反应。 p b 有较大的离子半径，且其水化能最小，因而最易与矿物表面进行配位反应， 形成专性吸附【1 6 】。 此外，固相吸附体系中，粘土矿物、有机质、以及金属水合氧化物是水体中 重金属的主要载体，决定了重金属在水体中的主要赋存形态和吸附量大小，因此 黄河宁蒙段重金属迁移模拟研究 任何能够影响粘土矿物、有机质、以及金属水合氧化物含量或形态的因素，都能 够影响水体中重金属的吸附解吸行为。例如，河流水动力条件可以通过影响重金 属污染物吸附载体含量和载体组成而影响重金属的吸附、解吸行为。w a l l i n g 和 s a t o 的研究表明河水中悬浮颗粒物的含量和水流流速呈正相关关系【1 7 】。n a g a n o 等【1 8 研究表明，当水体流速增大时，悬浮颗粒物中黏土矿物及重金属吸附有效元 素的含量比正常流速下高，随河水流速的增长而增加。 ( 1 ) 载体自身特性 1 ) 含沙量 黄岁梁等1 1 9 】室内静态实验结果表明：泥沙浓度不影响吸附特性参数如饱和吸 附量，解吸与吸附速率系数以及吸附速率系数，泥沙浓度对污染物平衡吸附量和 水相平衡浓度均有很大影响，单位质量泥沙的平衡吸附量在一定的体系条件下， 随泥沙浓度增加而减少。吸附容量随泥沙浓度增加而增加，并逐渐平缓，这是由 于泥沙存在饱和吸附量的原因。 潮周期内含沙量分别在涨憩时和落急时达到峰值，落潮时含沙量增大，当含 沙量大于一定值后，各重金属单位水体颗粒态浓度趋向一个稳定值，其在中层较 下层和底层t j 、 2 0 。 沉积物中铁、锰氧化物和有机质的含量与重金属含量之间的相关性受沉积物 中粘土矿物含量的显著影响【2 。 2 ) 颗粒粒径 目前，对于泥沙的粒度效应国内已有了一致的认可。黄岁梁等【2 2 】研究表明， 泥沙越细，比表面积越大，与泥沙的比表面积有关的物理吸附越强；颗粒越细， 所含活性成份越多，与活性成分有关的化学吸附就越强。陈静生等 2 1 】以非参数相 关分析和偏相关分析研究了沉积物中重金属含量与沉积物主要性质之间的关系。 结果表明，在我国东部河流沉积物中c u ，z n ，p b ，c d ，c o 的含量与沉积物中 4 时，c r 3 + 开始沉淀，接近中性时可沉淀完全，并且 在强碱和酸性条件下会发生三价和六价铬之间的转化。天然水体的p h 在 6 5 8 5 ，在这种条件下，大部分c r 3 + 都进入底泥中【l 】。p h 6 2 时，水中p b 以 p b ( o h ) 占优势，而p b 的羟基络合物的形成会显著增加铅在高岭石上的吸附2 5 1 。 c u 2 + 、z n 2 + 、p b 2 + 在弱酸范围内生成氢氧化物沉淀，c d 2 + 、a s 2 + 在强酸范围内生 成氢氧化物沉淀【2 6 1 。 p h 除了能够影响重金属的存在形态及吸附特性之外，也可以通过影响重金 属吸附的载体的含量和形态来影响重金属的吸附量和吸附速率。路永正等【2 7 】测得 湖 鳓 伽 劢 咖 髓 鲫 伽 瑚 。 黄河宁蒙段重金属迁移模拟研究 不同p h 条件下松花江沉积物铁、锰氧化物和有机质的含量如下图所示。得出铁 氧化物和有机质随p n 升高变化不显著，锰氧化物呈明显逐渐升高的趋势。 p h 能够影响污染物在吸附剂上的吸附电位，x u e y u a ng u 等【2 8 】研究认为，低 p h 范围内，重金属阳离子主要吸附在高岭石被- x - 占据的外表面点位上，而高 p h 时则主要结合在被- s o h 占据的内表面的点位上。前者吸附能力大小顺序为 p b c u n i z n c d ，后者p b ”c u z n c d n i 。 2 ) 水流特性 黄岁梁等f 2 9 】研究水流紊动条件对c d 吸附影响实验结果表明：水流紊动强度 较小时，吸附速率小，产生吸附的主要载体为悬浮泥沙；紊动强度大时，由于底 泥发生悬浮，底泥与悬浮泥沙不断交换，共同对重金属进行吸附，因此水相重金 属污染物浓度下降的速率、幅度、达到稳定的时间均会显著增大或延长。李彬等 【3 0 】对底泥污染物向上覆水体释放扩散规律实验研究认为：底泥污染物释放主要分 为两种形式，及泥水界面释放和底泥污染物起动悬浮释放。且上覆水的水动力特 性对污染物的释放有很大影响，水流流速小时发生的主要为泥水界面的释放，释 放时间长，释放量少；水流流速大时，底泥发生起动悬浮，污染物释放量大。张 坤等【3 l 】类似实验得出在相同水深的条件下，底泥的释放率随着流速的增加而增 大；在相同流速的条件下，底泥的释放率随着水深的增大而减小。 3 ) 离子强度 河流中悬浮物和沉积物中的汞，进入海洋后会发生解吸，使河口沉积物中汞 含量显著减少，这是因为高浓度的c l 离子与h 9 2 + 离子发生强的络合作用，汞的 难溶盐溶解度增加的原因【。例如，在h g ( o h ) 2 与h g s 溶液中，当环境中c l 。 离子浓度为o 0 0 1m o l l 时，h g ( o h ) 2 和h g s 的溶解度分别增加4 4 和4 0 8 倍；如 果c l 。离子浓度为1m o l l ，则它们的溶解度分别增加1 0 5 和1 0 7 倍。 张波涛等【3 2 】研究离子强度( ，) 对生物膜吸附p b 、c d 的影响结果显示：当 氐削0 3 在0 o 4m o l l 1 之间时，随着，的增大，。生物膜对p b 2 + 和c d 2 + 的吸附量迅 速降低；当氐削0 3 大于0 4m o l l j 时，吸附量变化趋于平缓，吸附机理也随之发 生变化。张波涛等【3 3 】对悬浮颗粒物吸附p b 、c d 的研究表明，悬浮颗粒物对p b 、 c d 的吸附包括离子交换吸附和专性吸附。离子交换吸附受，的影响强烈，随着， 的增加，悬浮颗粒物对p b 的吸附量降低1 1 8 ，对c d 的吸附量降低3 5 6 。 x u e y u a ng u 等【2 8 】对c d ( i i ) ，c u ( i i ) ，n i ( i i ) ，p b ( i i ) 和z n ( i i ) 在高岭石上的吸附 研究表明，低p h 范围内，p h3 6 离子强度，对c d ，c u ，n i 和z n 的吸附有 中央民族大学硕士学位论文 极大的影响，以3 4 5 范围内，对p b 的吸附有极大影响，吸附量随，的增大而 明显减小。高p h 时，的大小对吸附的影响微弱。原因是p h 高低吸附电位不 同造成的。 4 ) 氧化还原条件 水体氧化还原条件不同时，水体中重金属的形态也会有较大差别，例如， c d 在氧化性淡水体中，主要以c d 2 + 形式存在；在海水中主要以c d c l x 2 啪形态存 在；而在厌氧的水体环境中，大多以难溶c d s 的形式存在【。并且不同形态间在 一定条件下能够发生相互转化。 有研究表明【z 6 】还原条件有利于沉积物中重金属的释放，对于氧化性沉积层， 由于氧化条件使得沉积物释放进入间隙水中的重金属无法进一步扩散进入上覆 水体；但对于还原性沉积物表层，或者水体有机物污染严重的水体，由于沉积表 层处于还原状态，进入间隙水中的重金属能够迁移进入上层水体，并且迁移和释 放的强度随水流紊动强度的增大而提高。 1 2 3 水体中重金属吸附热力学及动力学研究 ( 1 ) 常用平衡吸附模式及其适用性分析 1 ) 经验模式 目前，对污染物质的吸附过程的描述主要有三种类型，即h ( h e n r y ) 型、l ( l a n g m u i r ) 型和f ( f r e u n d l i c h ) 型吸附等温线。它们建立的理论基础是：水中 吸附剂对吸附质的吸附是一个动态平衡过程，在温度一定的条件下，当吸附速率 与解吸速率相等，即达到吸附平衡时，吸附剂对吸附质的吸附量( q ) 与溶液中 吸附质平衡浓度( c ) 之间的关系可用吸附等温线来表达。 表1 - 1 常用经验吸附模式 名称公式参数备注 q ：吸附量；0 ：液相平衡浓度；k ： 适用于低浓 h e n r y 吸附模式 q = k c ( 1 - 1 ) 分配系数度的情况 g ：吸附量：g 。：单位表面上达到 适用于各种 l a n g m u i r 吸附模式 q = q m c ( a - t - c 、( 1 - 2 ) 饱和时的最大吸附量；c ：液相平 浓度的情况 衡浓度；a ：常数 1 适用于中浓 f r e u n d l i c h 吸附模式 q = k c 7 ” ( 1 - 3 ) q ，c 意义同前，k ，力为常数 度的情况 黄河宁蒙段重金属迁移模拟研究 线性吸附模式或h e n r y 吸附模式 该等温式表明溶质在吸附剂与溶液之间按固定比值分配。线性吸附模式是目 前应用最广泛、最简单的吸附模式，当污染物浓度很低时，可以用h e n r y 吸附等 温式及相应的吸附动力学方程描述悬浮泥沙对重金属污染物的吸附解吸【3 4 】。其 相应的等温线见下图1 4 ( a ) 。但公式中的分配系数不是常数，