泥沙在紊动状态下的垂向分布及其对氨氮吸附影响

李 旺， 祖 波*， 黎 铮， 李嘉雯

(1.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心， 重庆400074； 2.重庆市潼南区住房和城乡建设委员会， 重庆 402660； 3.重庆市生态环境科学研究院， 重庆 401120)

泥沙是水体中与其他物质发生交互的主要物质，并且由于其比表面积大、孔隙多和极性强等特性，使得泥沙具有较强的吸附性，很容易成为各种污染物质的“储备库”[1]。这种吸附过程，是污染物在水和沙两相间按照一定的规律不断分配或再分配的过程，其在一定程度上可以减轻水体的污染情况。携带有大量污染物质的泥沙严格来说其本身也是一种污染物，其吸附的污染物早某些条件下可能会发生脱附，从而引起二次污染[2]。一般来说，泥沙对其他污染物的吸附行为受到其自身性质及环境介质的影响。泥沙浓度，粒径，温度，紊动强度等与泥沙颗粒的吸附性能密切相关[3]。并且由于泥沙具有独特的电化学性质，其双电层结构在电解质离子，pH改变时会发生变化，从而影响泥沙颗粒和一些污染物之间的静电相互作用，并进一步影响其吸附容量[4]。

氨氮是长江流域水环境的主要污染物之一，其广泛存在于水环境中，而泥沙能够显著影响氨氮的迁移、输运和转化。夏勇锋等[5]通过室内静态吸附试验，分析了湘江底泥对水体氨氮吸附的影响因素。武福平等[6]研究了黄河悬浮泥沙对氨氮的吸附行为，认为含沙量和泥沙粒径对泥沙吸附氨氮作用具有显著影响。戴卓等[7]探讨了三峡水库氨氮浓度与泥沙淤积的相关关系。刘铭[8]使用动力学模型对不同条件下泥沙对氨氮吸附数据进行了拟合，分析了泥沙对污染物的削减过程的影响。但是以上试验研究多在小型振荡器中开展，震荡强度较大，吸附剂和吸附质虽能够在水体中均匀分布，但无法模拟天然水动力条件下物质的运动状态，得出的数据对河流污染治理的参考作用有限[9-10]。为此，主要采用自研的沉降柱，通过振动格栅产生各向同性均匀紊流，模拟在天然的紊动水流条件下泥沙的垂向分布，及其对氨氮的吸附行为，并采用准一级动力学、准二级动力学、Elovich模型对氨氮的吸附过程进行了拟合，探讨了各模型间的差异。以期正确评价和模拟在紊动水体中泥沙的分布情况及污染物的迁移规律，为其他污染物在水体中的运移研究以及进一步解决水环境问题提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用沙采集自三峡库区长寿弯道，采样点受到多种污染源的影响，包括运输活动，城市径流和来自周边城市的污水排放。采用抓泥斗取河底表层10 cm沉积物，用桶收集后带回试验室，为避免泥沙表面杂质影响，加入自来水搅拌清洗3次，尽量去除大颗粒杂质及泥沙表面吸附的污染物，随后至于阴凉处风干，研磨后过100目筛分备用。用于吸附试验的污染物采用NH4Cl(AR)。试验装置采用自研的沉降柱(图1)，柱高2 m，柱内设有多层震动格栅。格栅产生的紊动强度受圆筒直径、格栅间距、振幅、频率等的影响。而圆筒直径和格栅间距等条件不变，通过设定不同的振幅和振动频率，采用声学多普勒流速仪(16 MHz MicroADV, SONTEK, San Diego, 美国)测量不同条件下格栅中的三维流速，建立紊动剪切率、格栅振幅和频率以及格栅运行参数之间关系，从而达到通过改变格栅振动频率来控制紊动强度的目的[11-15]。

1.2 试验设计

1.2.1 泥沙垂向分布

采取“投沙试验”的方式，将相应质量的泥沙投加进已经注满水并保持在相应紊动强度下的沉降柱中，待沉降柱中的泥沙分布基本均匀后，针对各个时刻垂向悬浮泥沙的浓度分布进行取样检测，取样口位置沿水深纵向设置，编号分别为S1、S2、S3、S4、S5，取样口至水面的距离分别为：S1=15 cm、S2=40 cm、S3=65 m、S4=90 cm、S5=115 cm。按照投沙量以及紊动强度的梯度，一共实施16组投沙试验，组次安排如表1所示。

1.2.2 吸附试验

首先，按照组次安排(表2)，在装置内0.540 g氯化铵，使得柱内氨氮浓度在(1.05±0.05) mg/L，随后加入一定质量的泥沙，格栅持续运行，使得紊动强度保持在相应水平，在0.25、0.5、0.75、1、2、3、4、6、8、12、24、36、48 h时分别取水样，过0.45 μm滤膜抽滤后，测定滤液中氨氮浓度，根据浓度差值计算吸附量。

表2 紊态吸附组次

1.3 动力学模型拟合

准一级动力学模型表达式为

Qt=Qe(1-e-K1t)

(1)

式(1)中：Qe、Qt分别为平衡时刻及t时刻的吸附容量，mg/g；K1为准一级速率常数。

准二级动力学表达式为

(2)

式(2)中：K2为准二级速率常数。

Elovich方程为

Qt=a+blnt

(3)

2 结果与讨论

2.1 紊动条件下泥沙的垂向分布

图2展示了投沙量为70 g时，不同紊动强度(剪切率)下沉降柱中泥沙垂向分布的变化情况。由于水体紊动强度的不同，从开始投沙到最终稳定的时间也有所不同。在初始阶段，水体上部的泥沙在重力和惯性作用下，一些粒径较大的泥沙颗粒快速沉降，上部泥沙浓度降低，下部泥沙浓度逐渐升高，同时，受到紊动扩散的影响，一些粒径较小的泥沙颗粒能够继续在水体内悬浮。随着紊动强度进一步增大，上部水体中泥沙浓度进一步下降，同时，下部水体中的泥沙浓度也开始逐渐下降，此时沉降柱底部泥沙发生沉积，也就是说，此时水体的悬浮泥沙含量已经达到最大饱和含量。随着时间进一步推移，各界面泥沙浓度在一定范围内小幅震荡，泥沙垂向分布逐渐达到平衡状态。保持投沙量不变，提高紊动强度时，可以看出各深度的泥沙浓度达到平衡的时间总体缩短，泥沙沉降现象表现更加明显，达到平衡状态时的各界面泥沙浓度有所增加。Mietta等[16]采用单层格栅紊流装置模拟了水体紊动状态下泥沙的纵向运动过程，与所得的结果一致。

图2 不同紊动强度(剪切率)下沉降柱中泥沙垂向分布的变化Fig.2 Variation of vertical distribution of sediment in settling column under different turbulence intensity

不同试验条件下泥沙在柱内达到平衡状态时的垂向分布如表3所示，可以看出，在投沙量处于较低水平时，紊动作用下的泥沙垂向分布较为均匀，紊动强度的变化对水体中各深度泥沙浓度的影响有限。而随着投沙量的增大，各深度界面处的泥沙浓度逐渐增大，水体中泥沙分布达到平衡时显现出明显的垂向浓度梯度，并且随着紊动强度的增大，浓度梯度进一步加大。说明对低含沙水体来说，紊动强度的改变对水体中泥沙的垂向分布影响不明显，而在高含沙水体中，泥沙垂向分布梯度随紊动强度的增大而增大[17]。

表3 不同试验条件下各深度处悬沙平衡浓度

2.2 紊动条件下泥沙对氨氮的吸附

一般来说，泥沙对其他污染物的吸附行为受到环境介质及其自身性质的影响。自然水动力条件较为复杂，水体中泥沙在垂向分布上是不均匀的，使得污染物在水体垂向上的分布也有所不同[18]，而多数吸附试验在恒温振荡器内开展，由于其震荡强度较大，虽能使物质间充分接触，但其水流条件单一，吸附剂能够在较为理想的条件下对吸附质完成吸附，得出的数据对实际工作参考作用有限。因此本试验采用格柵沉降装置(图1)来描述和模拟自然紊动水体中泥沙对氨氮污染物的吸附。

G为紊动剪切率；C为泥沙浓度图3 不同条件下液相氨氮污染物浓度的变化过程Fig.3 Changes in the concentration of ammonia nitrogen pollutants under different conditions

图3展示了不同紊动强度及不同含沙量条件下液相氨氮污染物浓度的变化过程。可以看出，在初始阶段，水体中氨氮浓度整体呈现“上低下高”的趋势，由泥沙垂向分布的变化(图2)可知，初始阶段上部水体中泥沙含量较高，而下部水体泥沙含量处于较低水平，导致局部吸附作用产生差异，上部水体中泥沙吸附量加大，氨氮含量急剧降低。而随着时间的推移，在紊动扩散和泥沙沉降作用下，一方面氨氮向局部低浓度扩散，水体中氨氮浓度差缩小，另一方面，泥沙在沉降作用下，上部水体中泥沙浓度开始下降，同时，下部水体中的泥沙浓度在小幅增大后逐渐趋于平稳，各深度界面的水体氨氮含量也逐渐下降。氨氮浓度在试验进行到6 h左右达到吸附平衡状态，而泥沙垂向分布试验中泥沙达到分布平衡的时间也为6 h左右，这说明水体中氨氮污染物的赋存受泥沙垂向分布的影响。

从液相氨氮浓度变化也可看出，泥沙对氨氮的吸附过程及总吸附量受紊动强度及含沙量影响。高紊动强度使得泥沙能够与氨氮污染物充分接触，更多的泥沙颗粒与水体发生物质交换，从而增大了泥沙对氨氮的吸附量[19]。而泥沙浓度的增大为氨氮提供了更多的可吸附位点，一方面加快了氨氮的吸附速率，另一方面增多的吸附位点能够容纳更多的氨氮，使得吸附总量增加[20-21]。

准一级动力学、准二级动力学、Elovich模型对吸附过程的拟合如图4所示。可以看出，3种模型都能够较好的对紊动状态下泥沙对氨氮吸附过程进行模拟，并基于数据对吸附趋势进行预估，但是3种模型对吸附过程及趋势的判断有所不同。准一级动力学模型明显高估了前中期泥沙对氨氮的吸附量，而又低估了吸附后期吸附趋势的走向，而Elovich模型恰恰相反，低估了前中期的吸附量，高估了吸附后期泥沙对氨氮的吸附量。从模拟结果来看，准二级动力学模型能够较好地对紊动状态下泥沙吸附氨氮进行拟合，其对吸附反应的进行及趋势预估的判断较为符合实际。

3 结论

(1)水体中悬浮泥沙垂向分布受紊动强度和泥沙投加量影响，对低含沙水体来说，紊动强度的改变对水体中泥沙的垂向分布影响不明显，而在高含沙水体中，泥沙垂向分布梯度随紊动强度的增大而增大。

(2)水体中氨氮污染物的赋存与泥沙垂向分布有较强的相关关系。高紊动强度及高含沙量可以增大泥沙颗粒与水体发生物质交换，或是提供更多的可吸附位点，从而增大泥沙对氨氮的吸附量。

(3准一级动力学、准二级动力学、Elovich模型都能够较好地对泥沙在紊动水体中吸附氨氮的过程进行模型，但由于计算方法不同，不同的模型对于吸附过程的判断及对未来吸附状态的预估有所差异。基于本试验，准二级动力学模型对紊动状态下泥沙吸附氨氮的拟合效果最好，其对吸附反应的进行及趋势预估的判断较为符合实际。