杭嘉湖流域某源头沟渠沉积物氮及磷的吸附

作者:翟丽华;刘鸿亮;席北斗;徐红灯 刊名:清华大学学报(自然科学版) 上传者:谢欣

【摘要】为揭示氮、磷在农业沟渠中的迁移转化机制,研究沟渠沉积物的吸附特性。通过吸附实验,研究氨氮和磷酸盐的吸附动力学及吸附等温线特征。结果表明,沉积物对氨氮和磷酸盐的吸附是一个复合动力学过程,主要吸附过程发生在0~5 h之内,氨氮、磷酸盐最大吸附速率分别为160 m g.k-g 1.-h 1和300m g.kg-1.-h 1;在实验浓度范围内,氨氮和磷酸盐的吸附等温线均呈良好线性变化;与同流域内湖泊河流相比,氮、磷在农田沟渠中并未大量累积;当pH在5~9之间变化时,pH值升高有利于沟渠沉积物对氨氮的吸附,而磷酸盐的吸附能力随pH值的降低而增强。

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氮磷是决定水体发生富营养化的主要限制因素,农业面源已成为水体氮、磷的重要污染源。大量营养物质从农田流失、并随地表排水汇入水体,对水质造成污染。沟渠系统是面源污染物向水体运移的主要通道,截留的流失养分占流域总输出的60%~90%[1],其中,沟渠沉积物对污染物的吸附作用很大程度上控制着其分布状况,是影响污染物在整个系统内迁移转化的一个重要过程。吸附等温线、吸附动力学以及吸附热力学参数是用来探讨氮磷在沉积物上吸附行为的重要内容[2]。影响沉积物对氮、磷吸附的因素包括环境因子和一些化学物理因子,其中pH值是控制沉积物氮、磷循环和湖泊富营养化的重要因素。目前,国内外有关面源污染物在海洋、湖泊及河流中的吸附作用研究较多[3-4],但有关沟渠沉积物的吸附报道却较少。在农田流失污染物中,氨氮和磷酸盐是造成河湖水体富营养化的重要污染物。鉴于此,本实验选择杭嘉湖流域某农场中沟渠系统为研究对象,分析了沟渠沉积物对氨氮和磷酸盐的吸附动力学及吸附等温线特性,并探讨了pH对吸附过程的影响作用,以期为氨氮和磷酸盐在沟渠中迁移转化机制制提供科学依据。1材料与方法1.1实验采样本次实验所取沉积物样品来自干渠,采自表层0~5cm。共设5个采样点,平均分布于整个干渠,采得5个沉积物样混匀后测定。将沉积物置于背光、通风处阴干,并研磨过100目筛备用。沉积物基本性质测定结果表明:沟渠沉积物颗粒组成中,粒径2~20m的占55%,粒径<2m的占34%。1.2氨氮与磷酸盐吸附动力学实验称取15g沉积物干样,置于一系列250mL三角瓶中,加入200mL标准溶液配制的氨氮(45mg/L)和磷酸盐(20mg/L)溶液,在室温(23~25)下恒温振荡,每隔一定时间取一个三角瓶,样品先以4000r/min离心15min,再用0.45m的纤维滤膜过滤,采用标准方法测定氨氮和磷酸盐含量。根据吸附前后的浓度差计算氮、磷吸附量。该实验在相同的条件下作3个平行,样品相对偏差<5%。1.3氨氮与磷酸盐吸附等温线实验称取一系列5g沉积物干样,置于250mL三角瓶中,加入200mL标准溶液配制的氨氮溶液(浓度范围2~50mg/L);称取一系列15g沉积物干样,置于250mL三角瓶中,加入200mL标准溶液配制的磷酸盐溶液(浓度范围1~20mg/L)。在室温(23~25)下振荡至吸附平衡后,样品先以4000r/min离心15min,再用0.45m的纤维滤膜过滤。采用标准方法测定氨氮和磷酸盐含量,得到水体中氨氮和磷酸盐的吸附平衡浓度,按吸附前后的浓度差计算吸附量。上述实验每一浓度下均做3个平行样品,样品相对偏差<5%。2结果与讨论2.1吸附动力学实验图1沟渠沉积物对氨氮吸附动力学曲线2.1.1氨氮的吸附动力学沟渠沉积物对氨氮的吸附动力学过程如图1所示。0~5h内,沉积物对氨氮吸附量(q)很快增加到0.12gk-g1左右,之后保持在0.12~0.14gk-g1。因此,沉积物对氨氮的吸附是一个复合动力学过程,包括快速吸附和慢速吸附2个阶段。快速吸附主要发生在0~5h之内,5h后进入慢速吸附过程,q相对稳定。引入吸附速率(v)的概念[5]描述沉积物对氨氮的动态吸附过程。沉积物对氨氮的吸附速率(v)在不同时段(见表1)变化范围为0.13~160mgk-g1-h1。其中,0~0.5h之间v最大为160mgk-g1-h1,在0.5~1h之间,v也较大,达到40mgkg-1-h1,之后均较低,说明沉积物对氨氮的吸附主要发生在0~1h之内。表1不同时段沟渠沉积物对氨氮和磷酸盐的吸附速率取样时段hv/[mgkg-1-h1]氨氮磷酸盐取样时

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