河流泥沙对污染河水中污染物的吸附特性研究.doc

生态环境 2006 15 6 1151 1155 Ecology and Environment E mail editor 基金项目 国家高技术研究发展计划 863 项目 2003AA601100 2 作者简介 郭长城 1975 男 博士研究生 主要从事生态修复相关研究 Tel 86 25 85829337 E mail njhrigcc 通讯作者 E mail wangguoxiang 收稿日期 2006 05 25 河流泥沙对污染河水中污染物的吸附特性研究 郭长城 1 喻国华1 王国祥2 1 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 江苏 南京 210029 2 南京师范大学地理科学学院 江苏 南京 210097 摘要 泥沙是河流水体的重要组成部分 在迁移过程中吸附一定的氮 磷进入底层或下游 从而改变水中污染物的分布 通过 模拟试验 选择粒径 76 m 以下泥沙研究不同泥沙含量 不同污染程度等条件下 河流泥沙对污染河水中氮 磷等污染物的 吸附特性 结果表明 河流泥沙对污染河水的氮 磷及高锰酸盐指数均有一定的吸附效果 特别是对氮 磷的等温吸附比较明 显 与对照相比 含泥沙的试验组水体磷质量浓度最大降低值达 0 53 mg L 1 水体溶解性总氮随时间延长 含量逐渐下降 污 染物含量 泥沙含量 粒径等均会影响泥沙对污染物的吸附 污染物含量越高 泥沙含量越大 粒径越小吸附效果相对越好 泥沙吸附和富集污染物后沉降进入水体底层 离开水相 因而可以降低水中污染物含量 达到净化水质的作用 关键词 氮磷污染物 吸附 高锰酸盐指数 泥沙 沉降 中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 1672 2175 2006 06 1151 05 河流水体由于泥沙的存在 透明度比较低 感 官效果较差 但泥沙的存在会增加河流水体的生态 环境容量 使其容纳更多的污染物 泥沙在水动力 条件改变而发生沉积时 可将自身携带的污染物带 出水相 起到了污染净化的积极作用 国内外大坝 建设以后对水环境的影响的调查研究比较多 众多 的研究表明 大坝建设以后 不仅减少了下游来沙 量 而且还改变了支流水系的水动力条件 使得水 流变缓 水相泥沙含量骤然减少 水体自净能力降 低 污染有所加剧 泥沙作为河流水体的重要组成 部分 在其迁移疏运过程中 可以吸附水相的氮 磷等污染物 调查研究 1 5 发现 含沙量大的黄河水 体 泥沙对很多水质指标如 BOD COD 磷 氮等 的测定均有不同程度的影响 故此认为泥沙可能具 有吸附污染物的特性 据此认为水体中的泥沙可以 作为汇聚集污染物带入下游 也可能作为源在特定 条件下 如强酸 强氧化及高温等 释放污染物进入 水体 从而影响着测定值的大小变化 夏星辉等 2 2004 通过野外考察并模拟试验研究了黄河泥沙 对黄河好氧性有机污染物的影响规律 发现酸性条 件下 泥沙中的有机污染物会发生释放影响 COD 的测定 另外还发现干流上下游 BOD 有所增加 而且枯水期高于丰水期 这可能是由于下游和枯水 期悬移质含量高于上游和丰水期的原因所致 因为 悬移质是挟沙水体污染物的主要携带者 也可能是 由于泥沙含量减少 降低了水体自净能力 有关河 口沉积物 粘土矿物等对有机污染物 重金属 磷 氨氮等的吸附特性的调查与研究比较多 6 12 而针 对河流泥沙对污染较重的污染河水中污染物的吸 附规律的研究报道不曾有 探讨河流泥沙对污染河 水中污染物的吸附规律 一方面可以揭示泥沙在河 流污染自净过程中的积极作用 另一方面还可为泥 沙应用于环境改善提供理论支持 1 材料与方法 1 1 泥沙样品与处理 泥沙样品采自长江南京段表层沉积泥沙 将新 采集的泥沙样品置于去离子水中浸泡一段时间 7 d 风干 研磨 分别过 44 m 至 300 m 不同孔径 的标准分析筛 封存备用 泥沙粒径级配分析 NSY 3 型宽域粒度分析仪 1 2 试验污染水体 采用南京师范大学前三用河污染河道表层水 水质指标如表 1 所示 水质指标的测定按照 水和 废水监测分析方法 第 4 版 中标准方法测定 以 下相同 1 3 试验方法与步骤 称取一定量泥沙样品加入到 500 mL 三角烧 瓶中 将已经配好的混合污水 250 mL 迅速加入到 三角烧瓶中 置于 25 恒温摇床 36 h 后过 0 45 m 醋酸纤维滤膜 滤液一部分测定化学需氧量 表 1 污染河道水质指标 Table 1 Water quality index of the contaminative river mg L 1 指标NH3 NNO2 NNO3 NTNPO4TP A122 070 020 5623 411 132 33 A223 760 090 2826 320 982 27 A320 8880 010 5226 181 012 37 平均22 240 040 4525 301 042 32 1152 生态环境 第 15 卷第 6 期 2006 年 11 月 CODMn 一部分测定可溶性反应磷 SRP 一部 分经过硫酸钾消解测定总可溶性磷 DTP 可溶 性有机磷 DOP 等于总可溶性磷与可溶性反应磷 之差 1 3 1 等温吸附曲线 称取 76 m 以下泥沙样品 1 00 g 于 250 mL 混 合污染水体中 置于 25 恒温振荡 每隔 0 5 1 h 不等进行取样分析氮 磷和 CODMn 根据时间和含 量变化绘制等温吸附曲线 1 3 2 粒径对污染物吸附的影响 分别称取 1 00 g 粒径级配 44 m d 55 m 55 m d 76 m 76 m d 88 m 105 m d 125 m 150 m d 300 m 的泥沙样品于 250 mL 污水 中 置于 25 恒温振荡摇床 36 h 后过 0 45 m 醋 酸纤维滤膜 测定滤液不同形态磷及 CODMn 水样 一部分消解后测定总溶解性磷 1 3 3 污染物含量对吸附效果的影响 分别称取 76 m 以下泥沙样品 1 00 g 加入到 浓度分别为 0 2 倍 0 25 倍 0 33 倍 0 5 倍 1 倍原 始污染程度的溶液 250 mL 中 置于 25 恒温振荡 摇床 36 h 后过 0 45 m 醋酸纤维滤膜 测定滤液 不同形态磷及 CODMn 水样一部分经过硫酸钾消 解后测定总溶解性磷 1 3 4 泥沙对污染水体污染物的沉降携带作用 称取 76 m 以下泥沙样品 10 00 g 加入到一定 磷含量的溶液水柱容器中 6000 mL 柱状玻璃容器 混合均匀 每隔一定时间 间隔为 0 0 5 1 2 3 4 5 6 7 8 10 12 24 30 48 60 72 h 从中部固定位置轻轻吸取 25 mL 溶液 不经 抽滤直接经过硫酸钾消解后测定总磷 1 3 5 泥沙含量对吸附作用的影响 分别称取 76 m 以下不同量 0 00 g 0 50 g 1 00 g 1 50 g 2 00 g 3 00 g 的泥沙样品加入到 250 mL 污染河水中 置于 25 恒温振荡摇床 36 h 后过 0 45 m 醋酸纤维滤膜 测定滤液不同形态 磷含量及 CODMn 水样一部分经过硫酸钾消解后 测定总溶解性磷 2 结果与分析 2 1 泥沙对天然河道污染物的等温吸附特点 天然污染河道污染物成分复杂 且相互作用 因而泥沙对天然污染河道污染物的吸附显得就比 较复杂 图 1 和图 2 显示了有无泥沙两种条件下污 染物含量在等温条件下的变化情况 由图知 尽管 波动较大 但泥沙对总溶解磷及高锰酸盐指数均有 较好的吸附作用 特别是对磷的吸附 泥沙组与对 照最大差值相差达 0 53 mg L 1 泥沙对于高锰酸盐 指数的影响不是特别明显 吸附作用发生于 2 h 之 后 在此之前作者曾经研究过泥沙对磷酸盐的吸附 规律 结果表明随时间延长吸附量越来越多 最终 趋于平衡 13 由于两种水体性质不同 复杂程度相 差甚远 因而规律性也相差甚远 但不管怎样 泥 沙对天然污染河道磷及高锰酸盐指数的影响还是 有意义的 说明河流泥沙在迁移疏运过程中可以携 带一定的磷污染物及有机污染物 对高污染水体的 污染扩散意义重大 图 3 显示了泥沙对天然污染河 道总溶解氮的吸附效果 和磷及高锰酸盐指数相比 河流泥沙对总氮的吸附效果较好 等温条件下 随 时间延长 试验水体总氮含量除第 4 小时时刻外 总体趋势逐渐下降 2 2 泥沙粒径大小对其吸附不同形态磷的影响 对于河流泥沙 粒径是影响其吸附污染物的重 0 90 1 10 1 30 1 50 1 70 00 5124812243648 t h 水体DTP含量 mg L 1 泥沙组对照组 图 1 泥沙对污染河道 DTP 的吸附效果 Fig 1 Adsorption of sediment to DTP of river 10 00 20 00 30 00 40 00 50 00 60 00 00 5124812243648 t h CODMn含量 mg L 1 泥沙组对照组 图 2 泥沙对污染河道高锰酸盐指数的影响 Fig 2 Influence of sediment to CODMn of river 10 00 15 00 20 00 25 00 30 00 00 5124812243648 t h DTN含量 mg L 1 图 3 泥沙对污染河道溶解性总氮的吸附 Fig 3 Adsorption of sediment to DTN of river 郭长城等 河流泥沙对污染河水中污染物的吸附特性研究 1153 要因素之一 因为粒径越大比表面积越小 进而导 致水体污染物分子接触泥沙颗粒表面的机会减少 因而无论是对于物理吸附还是表面化学反应都是 不利的 从图 4 的试验结果得知 除高锰酸盐指数 变化不是很明显外 总溶解磷 可反应磷及溶解性 总氮总体趋势均是随粒径增大 单位质量的泥沙吸 附量较少 说明悬移质是污染物最主要的携带者 对于河流污染物的扩散贡献最大 但是也有其缺点 因为悬移质在河流水动力条件下很难沉积 较多的 污染物如果不能快速迁移到下游会对水体藻类的 繁殖提供良好的营养源 2 3 污染物含量对泥沙吸附的影响 污染程度也是影响泥沙吸附污染物性能的影 响因素之一 污染物在泥沙和水体之间存在一个平 衡 当水体污染物含量较高时 污染物通过界面由 液相转化至泥沙颗粒的固相 而当水体污染物含量 很低时 特定条件下泥沙颗粒表面的污染物可能释 放进入水体 这一过程受到很多因子如温度 pH 溶解氧 动力强弱等影响 图 5 是泥沙对不同污染 程度河道水体污染物的吸附效果 这些不同污染程 度的水体是经过原始高污染水体与蒸馏水配制而 成的 由图知 随污染物含量增加 有无泥沙的水 体污染物含量均增加 但是和对照相比 增加的幅 度有所下降 而且有泥沙的水体其污染物含量始终 低于对照 因此说明 泥沙对污染河道水体各种形 态的磷均有一定的吸附作用 且随污染程度的加重 吸附效果增强 2 4 河流泥沙迁移过程对污染物的携带 前几节说明河流泥沙特别是悬移质泥沙颗粒 对污染物具有较好的吸附作用 为了验证泥沙在沉 降过程中对污染颗粒同样具有携带沉降的作用 经 过试验得到了如图 6 所示的结果 在开始的前 2 h 随泥沙的沉降 同一水平点总磷的含量是逐渐降低 的 充分说明泥沙沉降可以携带一定量的污染物进 入沉积层 试验测定时是经过过硫酸钾高温高压消 解的 因而测定值包括了所取水样中泥沙颗粒本身 的磷 在 2 h 之后 水体同一取样水平总磷含量波 动较厉害 可能是悬移质较多不易沉淀的原因造成 的 但总体趋势总磷含量仍然是降低的 波动幅度 越来越小 只是降低速率比较小 张智等 2006 的 研究 14 表明 泥沙沉降促使水体浊度降低 透明度 增大 氮磷比增大 对富营养化的发生具有抑制作 用 2 5 泥沙含量对其吸附污染物的影响 一定量的泥沙具有一定的比表面积 泥沙量越 多 比表面越多 污染物可以更多地吸附于泥沙颗 粒表面 因而 一定泥沙含量范围内随泥沙含量的 增加水体的污染物负荷逐渐降低 如图 7 所示 除 可溶性反应磷 SRP 降低比较微弱 溶解性总磷及 溶解性有机态磷具有基本抑制的趋势 随泥沙含量 增加 磷的含量大幅度降低 但是随泥沙含量的无 限增加 污染负荷并不定一直降低 原因前已有所 论述 打破了污染物迁移转化的方向后即可以导致 泥沙颗粒表面的污染物向水相的释放 增加水体污 染负荷 图 8 显示的是随泥沙含量增加污染水体高 锰酸盐指数的变化情况 两者的增加趋势并非相当 一致 但随泥沙含量增加 水体高锰酸盐指数总体 趋势也是增加的 这就说明随泥沙含量的增加 泥 0 00 2 00 4 00 6 00 8 00 10 00 0 20C0 25C0 33C0 50C1 00C 污染程度 C 原污水 污染指标含量 mg L 1 DTP CK DTP SRP CK SRP DOP CK DOP 图 5 泥沙对不同污染程度水体磷的影响 Fig 5 Influence of sediment to different kinds of P of different concentration water 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 44 5555 7676 88105 125150 300 粒径 m DTP和SRP吸附量 mg g 1 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 COD和DTN吸附量 mg g 1 DTPSRP COD 抽 DTN 图 4 不同粒径泥沙对天然污染河道污染物的吸附 Fig 4 Adsorption of different particle size sediment to contamination of river 0 35 0 45 0 55 0 65 0 75 0 85 0 95 0 1 3 5 7 10 24 48 72 t h TP mg L 1 图 6 泥沙沉降过程对水体总磷的影响 Fig 6 Influence of sediment subsiding to TP of water 1154 生态环境 第 15 卷第 6 期 2006 年 11 月 沙对高锰酸盐指数的影响是积极的 且泥沙含量越 高效果越明显 当这些泥沙发生沉积时会携带一定 的有机污染物沉积于水底 3 结论 1 河流泥沙对污染河水氮 磷污染物及高锰 酸盐指数均有一定的吸附效果 特别是对氮 磷 的等温吸附比较明显 泥沙在随水流的迁移输运 过程中对河道污染物负荷的降低可起到较为积极 的作用 2 河流泥沙对污染河水污染物的吸附受到诸 多因素的影响 如污染物含量 泥沙含量 粒径均 会影响泥沙对污染河水污染物的吸附效果 污染物 含量越高 泥沙含量越高 粒径越小吸附效果相对 越明显 3 泥沙特别是悬移质泥沙是污染物的主要携 带者 悬移质泥沙的沉降是降低河水污染负荷的重 要途径 污染物可被泥沙吸附以后随泥沙的沉降而 进入水体底层 脱离水相 对水体自净具有重要的 意义 参考文献 1 李玉梁 李玲 环境水力学的研究进展与发展趋势 J 水资源保 护 2002 3 1 1 6 LI Yuliang LI Ling Advances and Trends of Development in Research of Environmental Hydraulics J Water Resources Protection 2002 3 1 1 6 2 夏星辉 王然 孟丽红 黄河好氧性有机物污染特征及泥沙对其 参数测定的影响 J 环境科学学报 2004 24 6 969 974 XIA Xinghui WANG Ran MENG Lihong Contamination characteristics of oxygen consuming organics in the Yellow River and the effects of suspended solids on its monitoring J Acta Scientiae Circumstantiae 2004 24 6 969 974 3 陈静生 何大伟 张宇 黄河水的 COD 值能够真实反映其污染状 况吗 J 环境化学 2003 22 6 611 614 CHEN Jingsheng HE Dawei ZHANG Yu Is COD a suitable parameter to evaluate the water pollution in the yellow river J Environmental Chemistry 2003 22 6 611 614 4 陈静生 张宇 于涛 等 对黄河泥沙有机质的溶解特性和降解 特性的研究 再论黄河水的 COD 值不能真实反映其污染状况 J 环境科学学报 2004 24 1 1 5 CHEN Jingsheng ZHANG Yu YU Tao et al A study on dissolution and bio degradation of organic matter in sediments from the Yellow River J Acta Scientiae Circumstantiae 2004 24 1 1 5 5 李怡庭 张曙光 李淑贞 黄河泥沙对水质参数影响的研究 J 水利水电科技进展 2003 23 1 11 14 LI Yiting ZHANG Shuguang LI Shuzhen Influence of Yellow River sediment on water quality parameters J Advances In Science and Technology of Water Resources 2003 23 1 11 14 6 袁东海 张孟群 高士祥 等 几种粘土矿物和粘粒土壤吸附净 化磷素的性能和机理 J 环境化学 2005 24 1 7 11 YUAN Donghai ZHANC Mengqun GAO Shixiang et al The abilities and mechanisms of adsorption phosphorus in some clay minerls and soils J Environmental Chemistry 2005 24 1 7 11 7 徐明德 韦鹤平 李敏 等 长江口泥沙与沉积物对磷酸盐的吸 附和解吸研究 J 太原理工大学学报 2006 37 1 48 50 XU Mingde WEI Heping LI Ming et al A study on the sorption and desorption of phosphate by sediments in the Yangtze River Estuary J Journal of TAIYUAN University of Technology 2006 37 1 48 50 8 郭玲 武海顺 金志浩 泥沙对天然水体中有机污染物净化的模 拟研究 J 山西师范大学学报 自然科学版 2002 16 4 38 40 GUO Ling WU Haishun JIN Zhihao The Simulating Study of Clay Scavenging for Organic Pollutants in Natural Wate J Journal of Shanxi Teacher s University Natural Science Edition 2002 16 4 38 40 9 陈静生 张宇 于涛 等 泥沙对黄河水质参数 COD 高锰酸盐 指数和 BOD5的影响 J 环境科学学报 2004 24 3 369 375 CHEN Jingsheng ZHANG Yu YU Tao et al Influences of the suspended matter on the water quality parameters including COD potassium permanganate index and BOD5 in the Yellow River China J Acta Scientiae Circumstantiae 2004 24 3 369 375 10 禹雪中 钟德珏 李锦秀 等 水环境中泥沙作用研究进展及分 析 J 泥沙研究 2004 12 6 75 81 YU Xuezhong ZHONG Dejue LI Jinxiu et al Review of stuies on sediment in water environment J Journal of Sediment Research 2004 12 6 75 81 0 00 2 00 4 00 6 00 8 00 10 00 0246812 泥沙含量 g L 1 不同形态磷含量 mg L 1 DTPSRPDOP 图 7 不同泥沙含量对磷的吸附效果 Fig 7 Adsorption of different concentration sediment to P 25 00 26 00 27 00 28 00 29 00 30 00 31 00 32 00 33 00 34 00 0 002 004 006 008 0012 00 泥沙含量 g L 1 CODMn mg L 1 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 00 3 50 泥沙加入量 g CODMn 泥沙量 图 8 泥沙含量对污染水体高锰酸盐指数的影响 Fig 8 Influence of sediment concentration on CODMn of water 郭长城等 河流泥沙对污染河水中污染物的吸附特性研究 1155 11 刘远金 张新明 李华兴 等 天然沸石对鱼塘水及生活污水的 氮磷去除效应 J 农业环境保护 2002 21 4 331 333 LIU Yuanjin ZHANG Xinming LI Huaxing et al Removal of nitrogen and phosphorus in fishpond water sewage by natural zeolite J Agro enviromental Protection 2002 21 4 331 333 12 王浩 陈吕军 温东辉 天然沸石对溶液中氨氮吸附特性的研究 J 生态环境 2006 15 2 219 223 WANG Hao CHEN L jun WEN Donghui Characteristics of ammonium adsorption by natural zeolite in solution J Ecology and Enviroment 2006 15 2 219 223 13 郭长城 王国祥 喻国华 天然泥沙对富营养化水体磷的吸附特 性研究 J 中国给水排水 2006 22 9 10 13 GUO Changcheng WANG Guoxiang YU Guohua Study on adsorption of phosphorus in eutrophied water body by natural sediment J China Water Wastewater 2006 22 9 10 13 14 张智 王利利 曾晓岚 等 泥沙沉降对长江水体富营养化相关 因素的影响初探 J 生态环境 2006 15 3 457 460 ZHANG Zhi WANG Lili ZENG Xiaolan et al Influence of the suspended sediment on the relevant factors of Yangtze river s eutrophication J Ecology and Enviroment 2006 15 3 457 460 Adsorption properties of sediment to pollutants of contaminated river water GUO Changcheng1 YU Guohua1 WANG Guoxiang2 1 Nanjing Hydraulic Science Research Institute State Key Laboratory Of Hydrology Water Resource And Hydraulic Engineering Nanjing 210029 China 2 College of Geographical Science Nanjing Normal University Nanjing 210097 China Abstract Sediment is the important component of river water It can absorb pollutants from water and deposit to the water