含沙水环境中影响水质监测结果的因素分析

苏 琴

(新疆维吾尔自治区水文局水环境监测中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 引言

水作为生物生存不可或缺的因素之一，其品质的高低直接决定了环境的多样性[1]。我国北方地区由于黄土地质较为发达，植被覆盖程度降低，水体中泥沙含量较高，导致北方许多河流为典型含沙水环境[2]。同普通水环境一样，在含沙水环境中包含着大量的污染物，严重影响水质的评价等级与安全使用[3]。氨氮作为水体富营养化的一种典型的污染物，在水环境中通常以氨态氮、硝态氮和氮氨的形式存在[4]。水环境中氨氮含量偏高会导致水体中藻类的生长和堆积，进而影响其他水下植物进行光合作用，致使水体中溶解氧的浓度降低，当水体长期处于缺氧环境下时，会促进水中厌氧细菌的分解作用，产生大量刺激性气味[5]。并且水体中的金属元素也会由于氧气缺乏而向黑色物质转变，最终导致水体出现黑臭等极端现象[6]。因此，针对含沙水环境中氨氮分解的研究显得相当重要，本文以含沙水环境中原状水为基础，对影响氨氮浓度降解的因素进行分析。

2 试验方案与试验原理

2.1 试验原理

氨氮浓度的测定使用纳氏试剂比色法[7]，该方法的主要原理是利用碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨发生化学反应后生成棕色胶态化合物的试验方法，且生成的棕色胶态化合物的颜色深浅直接与氨氮含量相对应，依据颜色深浅不同所反应出来的波长差异，进而直接确定河流取样水中氨氮含量浓度值。

2.2 试验方案

为对氨氮降解的因素进行分析，选定水环境中直接影响氨氮浓度的几个因素，包括水体稳定、水体pH值、氨氮的初始浓度和含沙水环境中泥沙的分布特征等4个因素进行量化分析，制定的试验方案分别改变原状水中的温度、pH、氨氮初始浓度和泥沙分布状态，试验方案分别见表1～表4。

表1 温度对氨氮降解速率影响试验参数

表2 pH值对氨氮降解速率影响试验参数

表3 氨氮初始浓度对氨氮降解速率影响试验参数

表4 泥沙分布状态对氨氮降解速率影响试验参数

3 试验结果分析

3.1 温度

分别对不同温度下氮氨浓度每天进行测量，直至氮氨浓度接近于0 mg/L为止，得到的氮氨变化曲线见图1。

图1 不同温度下氮氨降解速度

由图1可知，在其他试验条件相同前提下，温度不同水样氨氮降解速度不一致。其中，当水样温度为28℃时，水样中氨氮降解速度最快，其平均降解速度达到2.83 mg/(L·d)，在本次试验中水样温度为20℃时，氨氮降解速度最慢，其平均降解速度为2.70 mg/(L·d)，当水样温度为25℃和30℃时，水样中氨氮平均降解速度居中，约为2.76 mg/(L·d)。出现这一现象的原因为水体中的消化细菌和微生物活性不一致，相关学者研究表明[8]，硝化反应最适应的温度为30℃～35℃，并且温度的变化直接影响水体中硝化细菌的数量和反应速度。当温度在5℃以上时，水体中的硝化细菌的数量和反应速度随着水文的增加逐渐增加，当温度为28℃时达到峰值，随着温度的继续增加，水体中硝化细菌的数量不在持续增加，反应速度逐渐降低，因此当水样温度为28℃时，水样较适合硝化细菌和微生物的生长和反应速度，使得水样氨氮降解速度最高。

3.2 pH值

依据试验方案中水样pH值不一致，连续多天测得水样中氨氮浓度见图2。

图2 不同pH水样中氨氮降解速率

由图2中不同pH浓度水样中氨氮降解速率可以得到，当水样pH为5时，氨氮浓度降解速率最慢，其平均降解速度为1.82 mg/(L·d)，当水样pH为7时，氨氮浓度降解速率最快，其平均降解速度为2.32 mg/(L·d)，当水样pH为6和pH为8时，氨氮浓度降解速率居中，其平均降解速率分别为2.16 mg/(L·d)和2.18 mg/(L·d)。由此可见，当水样pH由5增加至8时，水样氨氮降解速率呈现先增加后降低的趋势，当pH为7时，水样氨氮降解速率达到最大值。由于氨氮浓度降解速率直接受到水样中硝化细菌和微生物的数量和反应速率影响，且硝化细菌对水样pH值相当敏感，研究表明[9]，当水体pH值为6.5～7.5时，此时硝化细菌活性最强，当pH值超过此范围时，硝化细菌活性会受到抑制。因此，文中当水样pH为5～8时，水样氨氮降解速度呈现先增加后降低的状态，且当pH为7时，水样氨氮降解速率达到最大值。

3.3 氨氮初始浓度

依据不同初始浓度试验水样氨氮降解速率，得到氨氮降解速率与初始浓度之间的关系，见图3。

图3 初始浓度对氨氮降解速度的影响

由图3中氨氮降解速率与初始浓度之间关系可以看出，氨氮初始浓度越高，水样中氨氮降解所消耗的时间越长。当氨氮初始浓度为19.5 mg/L时，氨氮降解过程需要的时间为10天，氨氮平均降解速度为1.93 mg/(L·d)；当氨氮初始浓度为19.5 mg/L时，氨氮降解过程需要的时间为4天，氨氮平均降解速度为2.06 mg/(L·d)；由此可以得出，氨氮初始浓度越高，氨氮平均降解速度越慢，出现这一现象的原因是随着氨氮浓度的增加，水样中非离子氨含量也逐渐增加，非离子氨含量对水样中微生物有一定毒害作用，抑制水体中微生物的活性，导致微生物对氨氮的降解速率有所降低，具体表现为氨氮初始浓度越高，水样氨氮降解速率越慢。

3.4 泥沙分布状态

依据泥沙在水体中的分布特征，将泥沙分为三种状态，静止状态、半悬浮状态和充分悬浮状态，分别得到对应状态下氨氮降解过程，见图4。

图4 泥沙状态对氨氮降解速率影响

由图4中泥沙状态与氨氮降解速率之间的影响因素可以看出，泥沙处于充分悬浮状态时，氨氮降解速度最快，其平均降解速度为2.91 mg/(L·d)；泥沙处于静止状态时，氨氮降解速度最慢，其平均降解速度为2.31 mg/(L·d)，且整个降解过程持续时间最长。当泥沙处于半悬浮状态时，氨氮降解速度居中，其平均降解速度为2.36 mg/(L·d)。由此可以得出，含沙水环境下，泥沙的状态对氨氮的降解速率有较为明显的影响，分析其中缘由为，水样中氨氮的降解需要水样中硝化细菌和微生物的作用，当水样中泥沙处于静止状态是，此时泥沙大量堆积于实验器皿底部，泥沙与水之间无法充分的接触。当泥沙处于充分悬浮状态时，泥沙颗粒在水样中处于完全分散的状态，泥沙与水体充分接触。泥沙作为水体中硝化细菌和微生物的载体，其与水体的接触程度直接决定了水体中硝化细菌与微生物的反应速度，因此表现为当泥沙处于充分悬浮状态时，水样氨氮降解速度最快。

综上所述，水样的温度、酸碱度、氨氮初始浓度和含沙水环境中泥沙的状态都直接影响了水样中氨氮的降解速度，进而影响水质监测结果评价值，因此，在对水样水质监测结果进行评价时，要选取合适外界参数。

4 结论

为分析含沙水环境中影响氨氮浓度降解的因素，分别对水体温度、酸碱度、氨氮初始浓度和含沙水环境泥沙状态对氨氮降解速率进行量化研究，得到如下结论：

(1)当水体温度有25℃上升至30℃时，氨氮的降解速率先增加后降低，当水体温度为28℃时，氨氮降解速率达到最大值；当水体pH由5上升至8时，氨氮的降解速率先增加后降低，当水体pH为7时，氨氮降解速率达到最大值；氨氮的降解速率受到水体中硝化细菌和微生物速率和反应速度直接相关。

(2)水体中氨氮初始浓度越高，非离子氨含量越高；非离子氨对水样中微生物有毒害作用，能够抑制水体中微生物的活性；氨氮初始浓度越高，水样氨氮降解速率越慢。

(3)含沙水环境中泥沙分布越散乱，泥沙携带的微生物与水体接触越好，促进水体氨氮降解效果越明显。