淮北临涣煤矿塌陷水域底泥氨氮的吸附释放特征初步研究

阮淑娴　范廷玉　谷得明　程方奎

摘要：在室内模拟条件下，研究了淮北临涣煤矿塌陷水域底泥对氨氮的吸附释放特征，结果表明：临涣塌陷水域底泥对于氨氮的吸附能力很强，一经接触便被吸附，吸附量接近1000mg/kg；而底泥对氨氮的释放是一个复杂动态过程，各采样点各深度处土样的氮释放量相对于吸附量来说都较小，上层底泥氨氮达到释放最大值所需的时间要少于下层底泥。

关键词：煤矿塌陷水域；底泥沉积物；氨氮；吸附释放

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2014）04-0243-03

1、引言

随着人类对水资源的需求量与日剧增，迅速发展的工农业生产和城市化进程导致生产和生活污水排放日益增加，水资源匮乏。矿井生产过度开采，产生一系列问题如开采降落漏斗的形成、地表产生沉降形成煤矿塌陷区。采煤塌陷水域是一种特殊的地表水体，长期以来，塌陷水域和矿区附近的地表水已经成为矿区及周边工矿企业废水和生活污水的排放场所，加上周围农田的面源污染，被污染的塌陷水体很可能会对附近区域的地下水和周围土壤造成一定的污染，成为矿区生态环境的潜在威胁。对煤矿塌陷区水资源的治理研究，实施合理有效的保护、开发利用煤矿塌陷区水资源措施，可以推动矿区水污染防治、改善矿区生态环境、节约资源提高资源利用率。其中水体富营养化问题是塌陷区水污染的主要问题之一。本文从塌陷水域底泥沉积物内源污染释放方面研究塌陷水质富营养化问题。氮是引起水体富营养化的重要元素。氮在沉积物界面上的吸附释放作用对水中污染物浓度的迁移转化有重要影响。研究煤矿塌陷水域底泥沉积物对氨氮的吸附释放特征对水体富营养化问题有重要意义。

2、材料与方法

2.1 研究区概况

临涣煤矿塌陷区位于淮北市境内，该区处于淮北平原，温度带隶属北温带。全年日照充足，四季分明，宜人居住。春秋季时间较短，冬夏季时间较长，冬季干燥寒冷，夏季雨丰温高，历史最高温41.1℃，最低气温-10.9℃，年平均气温约为14.8℃。该地区夏季的主导风向为东南风，冬季的主导风向为东北风。年平均气压为102.3kPa，年平均日照时数约2315.8h，年平均降水量为830mm（主要集中在6～8月份），年平均蒸发量为1815.6ram，年平均无霜期为206.9d，年平均相对湿度约为71%；温湿的自然气候和适中的降水量为临涣煤矿及周边地区农业的生产与发展提供了良好的基础条件根据《临涣煤矿勘探地质报告》中的数据，目前整个临涣矿区开采导致的塌陷地面积已达13.2km²，其中积水面积达3.5km²，积水量为12188480ma。根据现场调研结果，本研究区的塌陷水域近似于一个规则的矩形，东西长约1.5km，南北宽约1.0km，面积约为1.5km²，积水量随塌陷区深度的变化而改变。塌陷水域西有煤矸石堆，东有粉煤灰场，北有农田，同时还有浍河水注入。

2.2 样品采集和分析

通过现场调查，依据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T-2004），在研究区域内布设底泥采样点，利用GPS定位。底泥样品的采集通过底泥柱状采样器采集O～20cm沉积物，现场进行分层，2～3cm一层，用聚乙烯保鲜袋包装，现场记录底泥的颜色，封口并标记后带回实验室。将采集的底泥样品转移至洁净聚乙烯薄膜上，自然风干，剔除砂石、木屑、动植物残体等异物，混合均匀后用玛瑙研钵研磨处理，分别过不同目数的尼龙筛，分别用广口玻璃瓶保存备用。底泥采样点布设见图1。

2.3 实验方法

2.3.1 底泥氨氮吸附实验

分别称取风干的底泥土样0.3g于100mL。离心管中，加入30mL浓度为10mg/L的铵标准使用液，分别按一时间序列0min、1min、5min、10min、15min、20min、30rain、40rain、60min、90min、120min、180min进行恒温（25℃）振荡，离心（4500r/min，5min）后过0.45μm微孔滤膜抽滤，取上清液过0.45μm微孔滤膜抽滤，取10mL滤液稀释至25mL比色管中，采用纳氏试剂方法光度法测定土样中氨氮含量。实验的同时进行全过程空白实验，即以30mL浓度为10mg/L的铵标准使用液代替水样。

2.3.2 底泥氨氮释放实验

分别称取风干的底泥土样O.3g于100mL离心管中，然后加入30mL蒸馏水，使土壤与水样按1：100的比例进行混合。试验开始后，分别按一时间序列Oh、O.25h、O.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h、72h进行恒温（25℃）振荡，离心（4500r/min，5min）后过O.45#m微孔滤膜抽滤，取10mL滤液稀释至25mL比色管中，采用纳氏试剂方法光度法测定土样中氨氮含量。实验的同时进行空白实验，即以30mL无氨水代替水样，做全程空白测定。

3、结果与讨论

3.1 氨氮的吸附特征

图2显示了底泥沉积物对溶液中氨氮吸附的动力学过程。由图2可见，几乎所有的样品在振荡0～4h内，吸附量处于一个较高值，底泥沉积物对于氨氮的吸附能力很强，一接触便被吸附，吸附量接近1000mg/kg，远远大于释放对比实验，说明溶液中氨氮几乎全部被底泥沉积物吸附，12h后，吸附量开始下降，吸附量达到一定值后，土壤在充分振荡扰动下，所吸附的氨氮又有部分被释放出来，一定时间后逐渐趋于平衡。

3.2 氨氮的释放特征

图3可以看出：底泥对NH⁺⁴-N的释放是一个复杂动态过程，总体来说，除少量释放强度较大，各采样点各深度处土样的氮释放量相对于吸附量来说都较小。振荡扰动时间对于氮的释放量有较大影响，各土样基本在振荡3～4d后扰动达到最充分的状态，释放量最大，之后其中氮含量减小，释放量下降。表层土壤、上层底泥氨氮达到释放最大值所需的时间要少于下层土壤及下层底泥。表层土壤在0.5h达到释放峰值，上层底泥在5h达到释放峰值，下层土壤在36h达到释放峰值，下层底泥在48h达到释放峰值。

由于底泥长期处于有上覆水的状态，其中的可交换态氮已处于一个相对稳定和平衡的状态，因此，底泥中的可交换态氮释放速率与释放量与上覆水的性质密切相关，存在着复杂的释放、吸附的动态平衡关系。下层底泥是长期处于淹水状态下的土壤，由于偏还原性、缺氧、长期淹水的环境使得可交换态的氮转化为氨氮需要的时间更长，因此下层底泥中氨的释放达到峰值所需的时间更长。

4、结论

（1）临涣塌陷水域底泥对于氨氮的吸附能力很强，一接触便被吸附，吸附量接近1000mg/kg。几乎所有的样品在振荡0～4h内，吸附量处于一个较高值，12h后，吸附量开始下降，吸附量达到一定值后，土壤在充分振荡扰动下，所吸附的氨氮又有部分被释放出来，一定时间后逐渐趋于平衡。

（2）临涣塌陷水域底泥对氨氮的释放是一个复杂动态过程。各采样点各深度处土样的氮释放量相对于吸附量来说都较小，上层底泥氨氮达到释放最大值所需的时间要少于下层底泥。上层底泥在5h达到释放峰值，下层底泥在48h达到释放峰值。endprint