不同壓力條件下淤泥中銨氮的釋放特性

陳 娟，馬 騰，劉妍君，劉 銳，彭子琪

(中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

淤泥是一種富含水、有機質、微生物以及多種化學元素的細顆粒松散沉積物，多沉積于地下水的排泄區。淤泥在天然埋藏沉積過程中受到的溫度和壓力不斷升高，而逐漸演化為黏土弱透水層[1]。原本賦存于淤泥中的大量攜帶有多種化學物質的孔隙水釋放至相鄰含水層中，會在一定程度上影響相鄰含水層中地下水的水量和水質[2-3]。國內外學者[4-6]針對黏土弱透水層對含水層水化學的影響已開展了大量的研究，但目前的研究多集中在黏土層與含水層之間的水力聯系[7]、溶質運移[8]等方面，而針對壓實作用下黏土層發生的生物地球化學過程及其反應機理方面的研究還十分薄弱。

1 材料與方法

1.1 野外采樣

本試驗選取江漢平原近地表1 m處含水率較高且可塑性較強的淤泥沉積物為研究對象。該淤泥沉積物樣品采自湖北省仙桃市西流河鎮杜窯村中心橋附近的水稻田內，處于區域的地勢低洼地帶，地面高程為18 m左右，采樣地理位置坐標為113°43′44.6″E、30°16′26.3″N。野外采樣時，先用鐵鍬除去表層1 m的土壤，再采用手動柱狀采泥器(KC hand operated sediment corer Haps)采集淤泥質沉積物柱狀樣品若干根；樣品采集后立即用保鮮膜包裹4層以上，防止樣品與空氣接觸導致其內部離子形態發生轉變，并用鋁箔紙包裝，將樣品避光貯存，后置于PVC管中，防止樣品的擠壓，放入冷藏箱中保存運回實驗室；最后將淤泥質沉積物樣品風干后，研磨并過200目篩，保存于密封袋中，-4℃冷藏密封保存，備用。

1.2 實驗裝置和壓實試驗方案

1.2.1 實驗裝置

圖1 加壓實驗裝置示意圖Fig.1 Pressurization experimental device

1.2.2 加壓模式和加壓速率確定

試驗模擬了淤泥沉積物由表層沉積演化至地下28 m處的過程。假定上覆地層沉積物為均質的，將其平均含水率設定為35%，其密度選取黏性土平均密度的經驗值為2.8 g/cm3，并按照上覆地層壓力計算公式[見公式(1)]，計算得出終止壓力約為0.6 MPa。上覆地層壓力的計算公式為

P=0.009 8×H×[(1-w)ρS+wρL]

(1)

式中：P為上覆地層壓力(MPa)；H為上覆地層高度(m)；w為沉積物含水率(%)；ρS為沉積物密度(g/cm3)；ρL為流體密度(g/cm3)。

本試驗通過控制氬氣瓶上減壓閥對淤泥沉積物樣品進行增壓，加壓終止壓力為0.6 MPa。設置3種加壓模式，分別為：勻速加壓(0.04 MPa/12 h)，即每12 h增加0.04 MPa，加壓時長為180 h;減速加壓(0.04～0.02 MPa/12 h)，以0.04MPa/12 h的加壓速率加壓至0.4 MPa，后改為以0.02 MPa/12 h的加壓速率加壓至0.6 MPa，加壓時長為240 h；加速加壓(0.04～0.06 MPa/12 h)，以0.04 MPa/12 h的加壓速率加壓至0.24 MPa，后改為以0.06 MPa/12 h的加壓速率加壓至0.6 MPa，加壓時長為144 h。

1.3 測試方法

(1) 采用Thermo Fisher Orion多通道多參數水質分析儀(ISE)測定孔隙水的pH值、Eh值。

2 結果與分析

2.1 淤泥沉積物樣品初始性狀

將風干、研磨后的淤泥沉積物樣品飽水后，測試其相關的物理化學指標作為每組加壓試驗的初始條件，共取3次作為平行樣，計算平均值，相關結果見表1。

表1 壓實試驗淤泥沉積物樣品的初始物理化學指標Table 1 Initial physical and chemical indice of silt sediment samples in compaction test

由表1可知，3組加壓試驗淤泥沉積物樣品的基本物理化學指標相差較小，因此具有一定的對比性。

2.2 淤泥沉積物含水率和N-N釋放總量隨壓力的變化

壓力是控制淤泥沉積物含水率的主導因素，根據壓實試驗出水量可計算出土柱內淤泥沉積物樣品含水率隨壓力的變化，不同加壓模式下淤泥含水率隨壓力的變化曲線見圖2(a)。

圖2 不同加壓模式下淤泥沉積物含水率和N-N釋放 總量隨壓力的變化曲線Fig.2 Variation curves of water content and total release of ammonium nitrogen in silt sediment under different pressure mode

由圖2(a)可見，隨著施加壓力的不斷增加，土柱內淤泥沉積物樣品的孔隙壓力不斷上升，導致孔隙水不斷釋放，因此其含水率不斷降低；隨著土柱的壓實，淤泥滲透性降低，導致孔隙水釋放速度變緩，淤泥釋水量表現為減速加壓(743 mL)>加速加壓(704 mL)>勻速加壓(692 mL)；減速加壓試驗受壓釋水時間最長，因此淤泥釋水量較多，而加速加壓試驗中由于淤泥沉積物柱體下端快速固結，釋水時間減少，因此淤泥釋水量少于減速加壓試驗，但施加的壓力大，故每次增大施加壓力后淤泥釋水量較勻速加壓試驗多；壓實試驗結束后，加速加壓試驗淤泥沉積物樣品的含水率從35.1%降為22.3%，減速加壓試驗淤泥沉積物樣品的含水率從37.3%降為24.3%，勻速加壓試驗淤泥沉積物樣品的含水率從35.3%降為22.9%。

對土柱內淤泥沉積物樣品加壓后釋放的孔隙水進行基本物理化學指標測定，結果顯示：pH值位于7.2～7.8之間，在20 ℃下呈中性至弱堿性；Eh值主要在-100～-50 mV之間，表明土柱內部環境為還原環境，厭氧微生物為主要的微生物群落。

2.3 不同加壓條件下淤泥沉積物中N-N和N-N的釋放特征

2.3.1 勻速加壓試驗結果及分析

圖3 勻速加壓條件下孔隙水中N-N和N-N 濃度的變化 in pore water under constant pressure

2.3.2 加速加壓試驗結果及分析

圖4 加速加壓條件下孔隙水中N-N和N-N 濃度的變化 in pore water under accelerated pressure

2.3.3 減速加壓試驗結果及分析

圖5 減速加壓條件下孔隙水中N-N和N-N 濃度的變化 in pore water under decelerated pressure

2.4 不同加壓條件下淤泥沉積物中DON和DTN的釋放特征

孔隙水中溶解性有機氮(DON)在溶解性總氮(DTN)中的占比一般為33%～83.3%,DON可直接參與固氮、同化和氨基化等多種氮循環過程，并可與其他形態的無機氮一起參與沉積物-孔隙水系統中最活躍的生物地球化學反應。

不同加壓條件下淤泥沉積物中DON的釋放特征以及DON占DTN的比例變化，見圖6。

圖6 不同加壓條件下淤泥沉積物中DON的釋放 特征以及DON占DTN的比例變化Fig.6 DON concentration and DON/DTN in silt sediment under different pressure conditions

由圖6可以看出：

(1) 勻速加壓條件下[見圖6(a)]，孔隙水中DTN濃度的變化趨勢是先快速降低、后波動變化但變動不大，加壓后期孔隙水中DTN濃度先升高后又降低；在整個加壓過程中，孔隙水中DON/DTN值幾乎全部大于50%，DON占DTN的比例呈降低趨勢，表明隨著加壓的進行，淤泥沉積物釋放的無機氮含量相對增高。

(2) 加速加壓條件下[見圖6(b)]，加壓前期孔隙水中DTN濃度變化的波動較大，加壓后期孔隙水中DTN濃度變化的波動較小；在整個加壓過程中，孔隙水中DON/DTN值在50%左右，當以0.04 MPa/12 h的速率加壓時孔隙水中DON/DTN值的波動較大，當以0.06 MPa/12 h的速率加壓時孔隙水中DON/DTN值基本穩定在50%；相較于勻速加壓條件，加速加壓階段孔隙水中DON/DTN值變化的波動不大，無明顯下降或增加趨勢，且DON/DTN值均低于勻速加壓條件，表明孔隙水中DON的生成與分解處于一個動態平衡狀態。

(3) 減速加壓條件下[見圖6(c)]，當以0.04 MPa/12 h的速率加壓時孔隙水中DTN濃度的變化趨勢整體下降，改變為0.02 MPa/12 h的加壓速率后，孔隙水中DTN濃度呈現緩慢上升的趨勢，表明在加壓的后期從淤泥沉積物釋放到孔隙水中的氮含量增加；同時相對應的孔隙水中DON/DTN值也表現出相同的變化規律，說明整個加壓過程中有機氮(ON)控制著總氮的釋放含量。

3 不同加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析

3.1 勻速加壓試驗分析

勻速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析結果，見表2和表3。

表2 勻速加壓條件下孔隙水中氮指標之間的相關性分析Table 2 Correlation analysis of all N index in pore water under constant pressure

表3 勻速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析Table 3 Correlation analysis of all index in pore water under constant pressure

由表2和表3可以看出：

3.2 加速加壓試驗分析

加速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析結果見表4和表5。

表4 加速加壓條件下孔隙水中氮指標之間的相關性分析Table 4 Correlation analysis of all N index in pore water under accelerated pressure

表5 加速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析Table 5 Correlation analysis of all index in pore water under accelerated pressure

由表4和表5可以看出：

3.3 減速加壓試驗分析

減速加壓條件下孔隙水中各指標的相關性分析結果，見表6和表7。

表6 減速加壓條件下孔隙水中氮指標之間的相關性分析Table 6 Correlation analysis of all N index in pore wate under decelerated pressure

表7 減速加壓條件下孔隙水中各指標之間的相關性分析Table 7 Correlation analysis of all index in pore water under decelerated pressure

由表6和表7可以看出：

4 結 論