錦州市弱透水層中氨氮的滲透遷移規律研究

方迎春

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

1 試驗研究

1.1 試驗準備

本文進行試驗研究所選土壤試樣取自錦州市大凌河沿岸某項目工地，現場取樣土質為粘性土，土層深度>2m。在實驗室進行自然風干，經過人工碾碎后過1mm篩網，然后裝袋密封保存。土壤樣本物理性能見表1。

表1 弱透水層土樣基本物理性能

1.2 試驗方法

本文采用以下方法進行化學元素檢測：納氏試劑光度法檢測氨氮離子、酚二磺酸光度法檢測硝酸鹽氮、N-(1奈基)-乙二胺光度法檢測亞硝酸鹽氮、滴定法進行鈣離子和鎂離子檢測、玻璃電極法進行pH值的測定、ORP測定Eh值。為避免生物作用對氨氮吸附作用產生的影響[4]，在吸附試驗中所用土樣和石英砂均經過110℃高溫霉菌處理；化學元素在遷移、交換過程中受溫度影響作用較大，在整個試驗過程中均保持溫度在12～15℃之間，以減少因溫差變化造成氨氮離子產生的滲透、遷移。下面分別對氨氮的靜態吸附和動態吸附試驗、土柱滲透試驗展開詳細的介紹和分析。

1.2.1氨氮靜態吸附試驗

首先需配置不同濃度的氨氮溶液各100ml，分別稱量多份經風干過篩的土壤樣本5g倒入250mL的三角瓶中，并按照1∶20的比例加入蒸餾水，常溫下置于振蕩器震蕩2h并靜置24h。然后取上清溶液置于離心機上進行離心處理，分離完成后去上清液測定氨氮濃度值，該濃度即為離子吸附平衡濃度，并將此試樣作為平行對比試樣。土壤對氨氮的吸附量S可按下式進行計算：

(1)

式中,S—吸附平衡時土壤顆粒的離子濃度，mg/g；C—吸附平衡時溶液離子濃度，mg/L；C0—初始溶液濃度，mg/L；V—溶液體積，L；MS—土壤干重，g。

1.2.2氨氮動態吸附試驗

氨氮離子動態吸附試驗裝置是由有機玻璃制成，總高度為100cm，內徑為8cm。動態吸附裝置基本原理是：在土柱上層和下層分別填充高溫處理霉菌后的石英砂，中間部位填裝粘性土壤并夯實至自然狀態的容重，土壤填充高度為1.5cm。因粘性土透水性能較差，在自然狀態無法形成能夠滿足地下水產生越流所需的較大水位差，故利用空壓機以提高溶液滲透弱透水層所需的滲透壓力。

試驗前首先應在土柱上端進水口用蒸餾水對土柱進行溢流清洗，排出內部氣泡，同時降低樣本中自帶氨氮和其他化學元素的離子濃度，并確保土柱處于飽水狀態。試驗過程中用濃度為10mg/L的氨氮溶液連續倒入土柱上端入口，整個過程保持溶液持續徑流土柱，并確保柱頂壓力穩定，水流速度穩定。然后在規定時間間隔內收集流出的溶液，并測定氨氮濃度和pH值。

1.2.3土柱滲濾試驗

2 結果與討論

2.1 氨氮靜態吸附試驗結果

土壤具有一定的離子交換和吸附的特性，離子可在濃度差和壓力作用下可進行自主的滲透交換過程，氨氮在樣本中的等溫吸附曲線如圖1所示。

圖1 樣本土壤中氨氮吸附等溫線

由圖1可知，隨著氨氮平衡濃度的增加，氨氮的吸附濃度逐漸提高；在高濃度條件下氨氮吸附濃度的增加幅度降低，而在低濃度時氨氮吸附濃度增加幅度較大，故氨氮的吸附濃度增加的速率隨平衡濃度的增加逐漸放緩即曲線斜率呈降低趨勢。黏土吸附氨氮的熱力學數據利用等溫吸附模型和吸附等溫曲線進行擬合，擬合結果見表2。

表2 氨氮等溫吸數據附擬合結果

由表2可以看出，粘性土吸附氨氮的等溫吸附曲線不僅可利用等溫吸附模型進行擬合分析，還可采用吸附等溫線進行表征。同時由圖1可以看出，對于較高濃度氨氮時采用等溫吸附模型更符合土壤對氨氮的模擬吸附情況，而在氨氮平衡濃度<20mg/L時，采用吸附等溫線比較符合氨氮的吸附實際情況，且此時氨氮的離子濃度S為65.832c，直線相關性系數為0.9718。

2.2 氨氮動態吸附試驗結果

土壤動態吸附過程一般分為吸附階段、吸附傳質階段和吸附飽和階段。隨著土壤對離子的不斷吸附，當吸附值濃度突然增大時，吸附點即為吸附穿透點[4]。土壤容重、溫度、滲透壓力、吸附質濃度、滲流速度、吸附質的組成是影響吸附穿透曲線的主要因素。在動態吸附過程中土壤吸附層高度取1.5cm，其他各參數均與土柱滲濾試驗相同，可更高的模擬地下弱透水層的實際吸附情況。試驗研究發現，砂層對氨氮的吸附性能不產生明顯影響，故可不考慮砂層對氨氮的吸附所產生的作用，文中所選黏性土對氨氮的動態吸附曲線如圖2所示。

圖2 黏性土樣對氨氮的動態吸附試驗結果

2.3 土柱滲濾試驗結果

2.3.1弱透水層的滲濾特征

黏性土在飽水狀態時包含毛細水、結合水和重力水，主要是以結合水為主，弱透水層中的飽和水滲透包含各種形式的水綜合滲透的結果[6]。在水位差和外加壓力狀態下，水流逐漸達到穩定，土壤中的大量結合水轉化為重力水，此時可用達西定律對水流的滲透規律進行分析。根據滲透系數k值，一般認為土壤滲透系數k小于10-7cm/s時即為隔水層，利用達西定律本文所選土壤滲透系數為6.18×10-7cm/s，故屬于弱透水層，可以用來模擬地下弱透水層的滲透規律研究。

2.3.2三氮出水濃度變化規律

綜上所述，弱透水層的水流滲透規律與含水層和包氣帶土壤的滲透機理不同，在弱透水層中水流需克服結合水的剪切力，使結合水轉化為重力水逐漸滲透至下層土壤中，此滲透過程及其緩慢，且微生物作用較弱；土壤中含有大量的負電荷電子可吸附大量的氨氮離子，其吸附能力遠大于包氣帶土層，弱透水層可使氨氮溶液濃度在相當長的時期內保持低濃度狀態，可有效保護地下水源[8]。

2.3.3硬度對氨氮去除影響

對試驗過程中流出溶液中的Ca2+和Mg2+進行檢測，溶液流出前后各離子的濃度平均值見表3。

表3 溶液流出前后各離子的平均濃度值

通過分析可知，表面吸附和

離子交換時降低氨氮濃度的兩大途徑，并且以弱透水層表面吸附為主。因離子交換是一個同時進行的可逆反應，土壤吸附一個陽離子就必須釋放出其他類型的一個陽離子，故在弱透水層中土壤對氨氮的吸附作用具有一定的非穩定性。當土壤中釋放的另一類陽離子同樣具有污染作用時，且達到一定濃度時可導致地下水源的二次污染。

3 結論

通過選取錦州市大凌河沿岸的某項目工地的土樣進行試驗，對錦州市弱透水層中氨氮的滲透遷移規律進行研究，得出的主要結論如下：

(1)土壤靜態吸附試驗表明：隨著氨氮平衡濃度的增加，氨氮的吸附濃度逐漸提高；在高濃度條件下氨氮吸附濃度的增加幅度降低，而在低濃度時氨氮吸附濃度增加幅度較大，故氨氮的吸附濃度增加的速率隨平衡濃度的增加逐漸放緩即曲線斜率呈降低趨勢。

(2)土樣動態吸附試驗表明：在第3h出現最低值為0.8，并保持持續的平衡直到98h，在第98h時的氨氮濃度為0.18mg/L，此點即為氨氮濃度的穿透點，隨后氨氮離子濃度隨時間的增加顯著增大，弱透水層對氨氮的吸附能力開始降低。

(3)表面吸附和離子交換時降低氨氮濃度的兩大途徑，并且以弱透水層表面吸附為主。因離子交換是一個同時進行的可逆反應，土壤吸附一個陽離子就必須釋放出其他類型的一個陽離子，故在弱透水層中土壤對氨氮的吸附作用具有一定的非穩定性。

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