淮北臨渙煤礦塌陷水域底泥氨氮的吸附釋放特征初步研究

阮淑嫻　范廷玉　谷得明　程方奎

摘要：在室內模擬條件下，研究了淮北臨渙煤礦塌陷水域底泥對氨氮的吸附釋放特征，結果表明：臨渙塌陷水域底泥對于氨氮的吸附能力很強，一經接觸便被吸附，吸附量接近1000mg/kg；而底泥對氨氮的釋放是一個復雜動態過程，各采樣點各深度處土樣的氮釋放量相對于吸附量來說都較小，上層底泥氨氮達到釋放最大值所需的時間要少于下層底泥。

關鍵詞：煤礦塌陷水域；底泥沉積物；氨氮；吸附釋放

中圖分類號：X524 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2014）04-0243-03

1、引言

隨著人類對水資源的需求量與日劇增，迅速發展的工農業生產和城市化進程導致生產和生活污水排放日益增加，水資源匱乏。礦井生產過度開采，產生一系列問題如開采降落漏斗的形成、地表產生沉降形成煤礦塌陷區。采煤塌陷水域是一種特殊的地表水體，長期以來，塌陷水域和礦區附近的地表水已經成為礦區及周邊工礦企業廢水和生活污水的排放場所，加上周圍農田的面源污染，被污染的塌陷水體很可能會對附近區域的地下水和周圍土壤造成一定的污染，成為礦區生態環境的潛在威脅。對煤礦塌陷區水資源的治理研究，實施合理有效的保護、開發利用煤礦塌陷區水資源措施，可以推動礦區水污染防治、改善礦區生態環境、節約資源提高資源利用率。其中水體富營養化問題是塌陷區水污染的主要問題之一。本文從塌陷水域底泥沉積物內源污染釋放方面研究塌陷水質富營養化問題。氮是引起水體富營養化的重要元素。氮在沉積物界面上的吸附釋放作用對水中污染物濃度的遷移轉化有重要影響。研究煤礦塌陷水域底泥沉積物對氨氮的吸附釋放特征對水體富營養化問題有重要意義。

2、材料與方法

2.1 研究區概況

臨渙煤礦塌陷區位于淮北市境內，該區處于淮北平原，溫度帶隸屬北溫帶。全年日照充足，四季分明，宜人居住。春秋季時間較短，冬夏季時間較長，冬季干燥寒冷，夏季雨豐溫高，歷史最高溫41.1℃，最低氣溫-10.9℃，年平均氣溫約為14.8℃。該地區夏季的主導風向為東南風，冬季的主導風向為東北風。年平均氣壓為102.3kPa，年平均日照時數約2315.8h，年平均降水量為830mm（主要集中在6～8月份），年平均蒸發量為1815.6ram，年平均無霜期為206.9d，年平均相對濕度約為71%；溫濕的自然氣候和適中的降水量為臨渙煤礦及周邊地區農業的生產與發展提供了良好的基礎條件根據《臨渙煤礦勘探地質報告》中的數據，目前整個臨渙礦區開采導致的塌陷地面積已達13.2km²，其中積水面積達3.5km²，積水量為12188480ma。根據現場調研結果，本研究區的塌陷水域近似于一個規則的矩形，東西長約1.5km，南北寬約1.0km，面積約為1.5km²，積水量隨塌陷區深度的變化而改變。塌陷水域西有煤矸石堆，東有粉煤灰場，北有農田，同時還有澮河水注入。

2.2 樣品采集和分析

通過現場調查，依據《土壤環境監測技術規范》（HJ/T-2004），在研究區域內布設底泥采樣點，利用GPS定位。底泥樣品的采集通過底泥柱狀采樣器采集O～20cm沉積物，現場進行分層，2～3cm一層，用聚乙烯保鮮袋包裝，現場記錄底泥的顏色，封口并標記后帶回實驗室。將采集的底泥樣品轉移至潔凈聚乙烯薄膜上，自然風干，剔除砂石、木屑、動植物殘體等異物，混合均勻后用瑪瑙研缽研磨處理，分別過不同目數的尼龍篩，分別用廣口玻璃瓶保存備用。底泥采樣點布設見圖1。

2.3 實驗方法

2.3.1 底泥氨氮吸附實驗

分別稱取風干的底泥土樣0.3g于100mL。離心管中，加入30mL濃度為10mg/L的銨標準使用液，分別按一時間序列0min、1min、5min、10min、15min、20min、30rain、40rain、60min、90min、120min、180min進行恒溫（25℃）振蕩，離心（4500r/min，5min）后過0.45μm微孔濾膜抽濾，取上清液過0.45μm微孔濾膜抽濾，取10mL濾液稀釋至25mL比色管中，采用納氏試劑方法光度法測定土樣中氨氮含量。實驗的同時進行全過程空白實驗，即以30mL濃度為10mg/L的銨標準使用液代替水樣。

2.3.2 底泥氨氮釋放實驗

分別稱取風干的底泥土樣O.3g于100mL離心管中，然后加入30mL蒸餾水，使土壤與水樣按1：100的比例進行混合。試驗開始后，分別按一時間序列Oh、O.25h、O.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h、72h進行恒溫（25℃）振蕩，離心（4500r/min，5min）后過O.45#m微孔濾膜抽濾，取10mL濾液稀釋至25mL比色管中，采用納氏試劑方法光度法測定土樣中氨氮含量。實驗的同時進行空白實驗，即以30mL無氨水代替水樣，做全程空白測定。

3、結果與討論

3.1 氨氮的吸附特征

圖2顯示了底泥沉積物對溶液中氨氮吸附的動力學過程。由圖2可見，幾乎所有的樣品在振蕩0～4h內，吸附量處于一個較高值，底泥沉積物對于氨氮的吸附能力很強，一接觸便被吸附，吸附量接近1000mg/kg，遠遠大于釋放對比實驗，說明溶液中氨氮幾乎全部被底泥沉積物吸附，12h后，吸附量開始下降，吸附量達到一定值后，土壤在充分振蕩擾動下，所吸附的氨氮又有部分被釋放出來，一定時間后逐漸趨于平衡。

3.2 氨氮的釋放特征

圖3可以看出：底泥對NH⁺⁴-N的釋放是一個復雜動態過程，總體來說，除少量釋放強度較大，各采樣點各深度處土樣的氮釋放量相對于吸附量來說都較小。振蕩擾動時間對于氮的釋放量有較大影響，各土樣基本在振蕩3～4d后擾動達到最充分的狀態，釋放量最大，之后其中氮含量減小，釋放量下降。表層土壤、上層底泥氨氮達到釋放最大值所需的時間要少于下層土壤及下層底泥。表層土壤在0.5h達到釋放峰值，上層底泥在5h達到釋放峰值，下層土壤在36h達到釋放峰值，下層底泥在48h達到釋放峰值。

由于底泥長期處于有上覆水的狀態，其中的可交換態氮已處于一個相對穩定和平衡的狀態，因此，底泥中的可交換態氮釋放速率與釋放量與上覆水的性質密切相關，存在著復雜的釋放、吸附的動態平衡關系。下層底泥是長期處于淹水狀態下的土壤，由于偏還原性、缺氧、長期淹水的環境使得可交換態的氮轉化為氨氮需要的時間更長，因此下層底泥中氨的釋放達到峰值所需的時間更長。

4、結論

（1）臨渙塌陷水域底泥對于氨氮的吸附能力很強，一接觸便被吸附，吸附量接近1000mg/kg。幾乎所有的樣品在振蕩0～4h內，吸附量處于一個較高值，12h后，吸附量開始下降，吸附量達到一定值后，土壤在充分振蕩擾動下，所吸附的氨氮又有部分被釋放出來，一定時間后逐漸趨于平衡。

（2）臨渙塌陷水域底泥對氨氮的釋放是一個復雜動態過程。各采樣點各深度處土樣的氮釋放量相對于吸附量來說都較小，上層底泥氨氮達到釋放最大值所需的時間要少于下層底泥。上層底泥在5h達到釋放峰值，下層底泥在48h達到釋放峰值。endprint