论文部分内容阅读
胶体作为含水层中广泛存在的物质,对地下水中污染物的迁移行为会产生影响。氨氮是地下水中一种来源多样并且常见的污染物,以往对于氨氮在多孔介质的研究中,一般更偏重于三氮之间的生物转化,对于胶体和氨氮在多孔介质含水层中的相互作用机制的研究相对缺乏。氨氮又包括水中以游离氨和铵态氮形式存在的氮。因此,本次研究选取铵态氮作为研究对象,选取地下水中普遍存在的无机胶体二氧化硅和有机胶体腐殖酸作为代表性胶体,通过室内静态吸附实验和动态迁移实验,研究不同水化学和水动力条件(介质类型、胶体类型及浓度、pH、IS、阳离子价态和流速)对于铵态氮和胶体协同迁移的影响,对现阶段污染物与胶体的协同迁移的认知进行进一步的补充。本论文的主要结论如下:1.“铵态氮-胶体”悬浮液的理化性质随着胶体浓度的升高,“铵态氮-二氧化硅胶体”的粒径增大18.76%,“铵态氮-腐植酸胶体”的粒径增加11.27%,主要由于胶体浓度升高,引起悬浮液中粒子聚集,致使其总体粒径增大。当悬浮液的IS由于加入了NaCl或者CaCl2而升高时,流体动力学直径均呈现增大的趋势,且高价阳离子的加入使得两种胶体体系在粒径上的变化更加明显。在“铵态氮-二氧化硅胶体”体系中,相对于中性条件而言,由于电势所指示的稳定性降低,pH的升高和降低均会使得体系中流体动力学直径增大。在“铵态氮-腐植酸胶体”体系中,相对于中性情况来说,酸性条件下粒径增大118.55%,而在碱性条件下减小21.60%。主要与腐植酸胶体官能团的质子化和去质子化有关。随着胶体浓度的升高,“铵态氮-二氧化硅胶体”和“铵态氮-腐植酸胶体”两个体系的Zeta电位绝对值均呈现上升的趋势,且处于稳定状态。IS的升高会使悬浮液的Zeta电位绝对值减小。NaCl的存在总是相对CaCl2存在时悬浮液的Zeta电位绝对值更高,因此悬浮液更稳定。酸碱性的变化对于“铵态氮-二氧化硅胶体”和“铵态氮-腐植酸胶体”体系的影响趋势相同,在酸性情况下,悬浮液的Zeta电位绝对值最低,而在中性情况下,其Zeta电位绝对值最高。并且在任意酸碱性条件下,“铵态氮-腐植酸胶体”系统的稳定性均强于“铵态氮-二氧化硅胶体”系统。2.“铵态氮-胶体”的吸附机制吸附动力学实验中,在三种介质上吸附量顺序为天然砂>石英砂>玻璃珠,主要由于多孔介质不同的如表面粗糙度、TOC含量以及比表面积等的表面性质差异性所引起。当二氧化硅胶体浓度从0mg/L变化到20mg/L,铵态氮在多孔介质上的吸附量明显减少;当胶体浓度从20mg/L变化到40mg/L时,由于粒子聚集导致粒径增大,使其更容易沉积,因此吸附量反而略微有所上升。而当腐植酸胶体浓度从0mg/L变化到40mg/L,铵态氮在多孔介质上的吸附量也不断升高。二氧化硅胶体存在条件下,IS的升高依然对铵态氮在多孔介质上的吸附起到抑制的作用。加入腐植酸胶体后,由于腐植酸为其它的粒子也提供了吸附点位,缓解了铵态氮与钙离子和钠离子之间竞争吸附的关系,导致不同IS条件下实验结束时铵态氮吸附量的差异很小。由于胶体稳定性以及其粒径的影响,当二氧化硅胶体存在时,中性条件下铵态氮吸附量最多,而碱性条件下最少;加入腐植酸胶体后,pH=7时铵态氮的吸附量明显增加,是此条件下其他二者的两倍。吸附热力学实验中,随着溶液中铵态氮浓度的升高,铵态氮在介质上的吸附量也随之增加,且这种吸附量的增加在天然砂介质中最明显,其次为玻璃珠。将实验结果与Langmuir、Freundlich以及Henry等温吸附模型进行拟合,三种模型中Freundlich等温吸附模型相对来说能够更好地与铵态氮在三种不同介质中的吸附行为相拟合,其相关系数R2均大于0.96。但就单一介质来说,天然砂介质中拟合程度最高的是Langmuir等温吸附模型,说明天然砂介质表面的吸附位点较多,且其对于铵态氮的吸附主要以单层吸附为主。3.“铵态氮-胶体”的迁移机制总体而言,二氧化硅胶体促进铵态氮迁移,而腐植酸胶体抑制其迁移,三种不同介质中天然砂介质对于铵态氮和胶体的迁移阻滞作用最明显。主要由于多孔介质不同的如表面粗糙度、TOC含量以及比表面积等的表面性质差异性所引起。当二氧化硅胶体浓度为40mg/L时,其对铵态氮在天然砂介质中的迁移起到抑制的作用。而与浓度为20mg/L时对铵态氮在天然砂介质中的迁移产生了截然相反的影响。主要由于胶体浓度的升高,引起悬浮液中粒子的聚集,致使其总体粒径的增大,从而在迁移时容易造成介质孔隙的阻塞,最终导致淋滤阶段(阶段2)的释放相对不畅且滞后。而腐植酸胶体浓度越高,对在天然砂介质中迁移的抑制作用越明显。随着IS升高,“铵态氮-胶体”在天然砂介质中更易迁移且滞后现象减弱,且二价阳离子比一价阳离子对其的作用更显著。相较于低流速而言,高流速均对“铵态氮-胶体”在天然砂介质中的迁移起到进一步的促进作用水流作用在介质表面的剪切力增大,使吸附在介质表面的物质更容易被水流剪切并带走。在酸性条件下,二氧化硅胶体依旧对铵态氮在天然砂介质中的迁移起到促进的作用,而腐植酸胶体起到相反的抑制作用。而在碱性条件下完全相反,腐植酸胶体促进铵态氮迁移,二氧化硅胶体抑制其迁移,主要是由于胶体稳定性以及粒径的影响。纵向对比pH=5、7和9条件下的铵态氮迁移的情况,在酸性和碱性的条件下,其穿透曲线峰区的出现明显较中性条件提前,主要是由于“铵态氮-二氧化硅胶体”和“铵态氮-腐植酸胶体”系统的电负性均相较于中性条件有所降低。