污染物吸附对泥沙运动特性的影响的研究现状

任艳粉, 朱　超, 赵连军, 吴国英

(黄河水利科学研究院 水利部黄河泥沙重点实验室,河南 郑州 450003)



污染物吸附对泥沙运动特性的影响的研究现状

任艳粉, 朱超, 赵连军, 吴国英

(黄河水利科学研究院 水利部黄河泥沙重点实验室,河南 郑州 450003)

摘要：污染物与泥沙的相互作用十分复杂.一方面,泥沙对污染物的吸附、解吸等行为产生影响;另一方面,泥沙吸附污染物质后,不仅改变了其表面形貌,而且泥沙自身的力学运动特性也发生了改变.因此，污染物吸附对泥沙运动特性影响的问题越来越受到人们关注.综述了国内外在泥沙颗粒污染后的表面特征和污染物对泥沙行为的影响等方面的研究动态,最后提出环境泥沙研究需进一步深入研究的方向：①从微观尺度研究有机污染物在颗粒表面的吸附现象;②环境泥沙冲淤变形方面的研究;③新兴有机污染物对泥沙力学特性的影响.

关键词：污染物;泥沙;吸附;运动特性

我国河流众多、水资源丰富，但其中很多流域水土流失严重，导致泥沙随水汇集到河流之中，使得河水挟沙运移.近年来,随着我国人口数量的增长、现代工业废水的乱排乱放、城市垃圾、农村农药喷洒等,造成河流污染严重.污染水体中的泥沙与污染物之间存在着强烈的相互作用：一方面,泥沙对河流水质有着重要的影响,即泥沙对污染物的吸附和解吸等行为产生影响，国内外学者已经做了不少相关研究，而且取得了一定的研究成果;另一方面,泥沙吸附污染物后,其物理特性(形貌、结构、密度等)随之发生变化,并最终影响其起动、悬浮、输移、沉降等运动特性.

河流泥沙在流体作用下的起动、悬浮、输移、沉降等过程的规律研究,是挟沙水流运动特性研究的基础,国内外诸多著名学者为该研究贡献了毕生精力,奠定了泥沙运动力学的理论基础,并已形成一套较为完整的理论体系.在传统的泥沙研究中,研究对象往往是干净泥沙,但近数十年来,受水污染现象的影响,水体中被污染的泥沙日益受到人们的重视，在水环境系统中研究泥沙特性时必须将作用在泥沙上的污染物考虑在内.研究污染物对泥沙的物理、化学特性的影响,是研究河流污染物与泥沙之间的相互作用机理不可缺少的一部分.

1污染物吸附对泥沙颗粒表面特性的影响

1.1天然泥沙颗粒表面特性

泥沙与各种污染物质相互作用的界面是泥沙颗粒的表面,正确认识泥沙颗粒表面的形貌和结构是研究泥沙与污染物质相互作用的基础.泥沙颗粒物的表面特性非常复杂,其中颗粒的比表面、孔分布及表面电荷等是颗粒最基本的表面理化参数.

汤鸿霄等[1]测定了我国东部河流沉积物的比表面数据,分析了南北分布出现的差异.并认为沉积物颗粒的比表面越大,其表面的络合吸附位也越多,对污染物的吸附能力也越强.在颗粒的孔分布研究上,国内外学者就此分别探讨了改性蒙脱土[2]、活性炭[3]、黏土[4]等不同颗粒的孔隙特征.方红卫等[5]通过氮气吸附-脱附实验研究官厅水库底泥沙样表面的孔隙分布特征,得出官厅水库底泥颗粒的分形维数为2.60~2.85,底泥颗粒在被污染前后孔径小于10 nm的孔隙体积变化很大,相应其分形维数也因为表面孔隙被污染物填充而变小.

水体颗粒物由于晶格缺陷、同晶置换和表面化学反应而带有一定量的电荷[6],并在颗粒表面形成复杂的双电层,强烈地影响着颗粒本身的稳定性和各个方面的相互作用特性.黄磊等[7]对泥沙颗粒表面电荷的分布进行了初步研究,利用扫描探针显微镜(SPM)中的静电力显微镜(EFM)测量技术,用相位成像模式测量了石英砂颗粒表面的微形貌和电荷分布.结果表明，电荷在泥沙颗粒表面的分布是不均匀的,电荷大多集中在颗粒表面的鞍部、凸起和凹地部位,而在凹槽、凸脊和平坦部位分布较少.

1.2　污染物对泥沙颗粒表面特性的影响

水环境中的污染物,总体上可划分为无机污染物和有机污染物两大类.在水环境化学中较为重要的、研究较多的污染物是重金属、营养物质以及微生物.泥沙颗粒吸附不同的污染物，其表面特性的变化也是不同的.

1.2.1重金属污染物吸附对泥沙颗粒表面特性的影响

重金属污染物主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属超标制品等人为因素所致,因人类活动导致水环境中的重金属含量增加,超出正常范围,直接危害人体健康,并导致水环境恶化.重金属污染物在水体中主要以离子形式存在,离子类污染物质与泥沙吸附后,改变了泥沙颗粒的表面特性,这方面研究主要集中在铜离子方面.

陈志和等[8]采用物理化学吸附仪对铜离子吸附后的实验沙进行孔径分布分析与孔隙特征变化研究.泥沙颗粒表孔以微孔和中孔为主,泥沙颗粒表孔对铜离子有较强的吸附作用;在吸附过程中,铜离子易于吸附在半径r<5 nm的孔隙之中;r>5 nm的中孔及大孔为铜离子输移、扩散的通道,其孔体积变化较小;当铜离子逐渐填充孔隙内部空间后,泥沙颗粒比表面积、总孔体积和平均孔径逐渐趋于常数.

为了研究泥沙吸附污染物质后的形貌变化,陈志和等[9-10]通过硝酸铜吸附实验,归纳出重金属铜离子在泥沙颗粒表面的分布规律,并对铜离子所处位置的颗粒表面形态特征进行了统计分析.铜离子吸附主要位于泥沙颗粒表面的边脊与凹谷区域,占到整个吸附数量的90%以上,曲率在一定程度上反映了复杂形貌对于重金属铜离子的吸附能力,在曲率为1.1的区域吸附离子最多.

1.2.2氮磷营养物质吸附对泥沙颗粒表面特性的影响

氮磷营养物质的来源广、数量大,有生活污水(有机质、洗涤剂)、农业(化肥、农家肥)、工业废水、垃圾等.氮、磷是水生系统中重要的影响因素,也是水体富营养化的主要限制因子之一.进入水体中的含磷污染物在随水体扩散、迁移的同时,部分污染物会被水体中的泥沙颗粒吸附.研究含磷污染物吸附对泥沙颗粒表面特性的影响,主要针对含磷污染物在泥沙颗粒上的分布规律进行研究.

陈明洪等[11]借助扫描电子显微镜(SEM)等手段从微观尺度出发,研究含磷污染物在颗粒表面的吸附现象,并通过图像处理和微分几何方法分析磷在泥沙表面的分布规律,将泥沙的传统研究方法扩展到多维空间.通过研究发现，在泥沙颗粒表面的鞍部、凹地和凸起等地方存在较多活性吸附位,吸附磷的可能性较大.

肖洋等[12]在对泥沙进行分级、去除有机物和氧化物的基础上，研究了不同粒径下泥沙颗粒的表面特性及其对磷吸附的影响.发现泥沙颗粒的表面特性是影响泥沙吸附污染物的重要因素之一,泥沙的中值粒径与比表面积呈指数关系,当粒径减小到黏粒或细粉沙时,比表面积显著增大.Langmuir等温式较Freundlich等温式能更好地描述泥沙对磷吸附实验中液相磷平衡浓度与磷平衡吸附量的关系.在各个液相初始磷浓度下,泥沙对磷的平衡吸附量随着泥沙粒径的增大而减小,且低浓度区的平衡吸附量增速大于高浓度区,当磷初始浓度增大到一定程度后,平衡吸附量逐渐不再变化,达到最大吸附量.

1.2.3微生物吸附对泥沙颗粒表面特性的影响

微生物是一种活的有机体,是地球上数目最多、分布最广、个体最小的生命体,在自然界中大多是以附着状态而非游离状态存在于生长环境中.因为泥沙特有的表面吸附特性,可以吸附各种营养物质等,从而吸引多种微生物生存在泥沙表面.方红卫等[13]采用环境扫描电子显微镜观察泥沙颗粒生长生物膜后的形貌变化,发现泥沙颗粒因生物膜的生成而发生较大变化,群体泥沙互相黏连,形成网状结构或絮状结构等,单颗粒泥沙因长膜之后表面比较平滑,形貌起伏相对较少.

2环境泥沙的运动特性

2.1　离子类污染物吸附对泥沙运动特性的影响

离子类污染物对泥沙的影响主要表现在水中阳离子对泥沙絮凝的影响.在天然水体条件下,泥沙表面一般带负电荷,泥沙表面电荷与水中离子形成扩散双电层结构,当水中反号离子增加时,可中和压缩泥沙表面的双电层结构，从而使颗粒之间的静电斥力减小,其结果也就是使泥沙的絮凝程度增强.

水中阳离子主要是指Na+，Ca2+，Mg2+以及Fe2+等.陈洪松等[14-16]对NaCl，CaCl2及AlCl3对细颗粒泥沙静水絮凝及沉降的影响作了研究.研究结果表明，在絮凝沉降段,NaCl，CaCl2浓度越大絮凝沉降越快.武汉大学刘林等[17]研究了泥沙浓度在不同的Ca2+离子浓度条件下对絮凝沉降过程的影响.该过程是随着泥沙浓度的增加,絮凝沉降速度先增加,达到最大值以后又逐渐减小;在不同的离子条件下,絮凝沉降速度的最大值及相对应的泥沙浓度均不同：絮凝沉降速度达到最大值时的泥沙浓度随着离子浓度的增加而减小,絮凝沉降速度最大值则随着离子浓度的增加而增加.

金鹰、蒋国俊等[18-19]研究了水中阳离子数量及其价数对细颗粒泥沙絮凝沉积的影响,离子价数高的絮凝量大,并得出海水中絮凝量和阳离子的关系式.王家生等[20-21]研究了水中常见阳离子对河流中细颗粒泥沙沉速的影响.实验结果表明，随着阳离子浓度的增加，泥沙沉速也增大.

由此可以看出,离子类污染物对泥沙行为的影响,主要是对细颗粒泥沙的絮凝沉积产生影响.这种现象在河口地区比较明显,主要影响河口地区细颗粒泥沙的淤积和河口河床演变.

2.2　微生物污染物对泥沙运动特性的影响

微生物对泥沙颗粒物的影响主要是其生成的生物膜对泥沙颗粒的影响.在受污染水体中,由于过剩的营养物质,泥沙表面的微生物活动形成的生物膜会影响并导致泥沙颗粒运动特性的改变.

方红卫等[22-23]通过实验研究了泥沙颗粒生长生物膜后运动特性的改变情况,包括起动、沉降等特性.在分析泥沙颗粒生长生物膜后的沉降实验中,利用图像分析、测量颗粒大小和沉速的变化,推导了生长生物膜后的颗粒沉速计算公式.研究表明，生物膜极大地改变了颗粒的表面特性,使得颗粒下沉阻力增大,与同等大小无生物膜黏连的泥沙颗粒相比，沉速明显减小.

Andersen等[24]通过实测资料认为水体中的生物群落结构和组成会影响泥沙颗粒性质,对泥沙颗粒的沉降有重要影响,并通过实地测量、研究了微生物排泄物对潮间带床面侵蚀物沉速的影响[25].Stal[26]对微生物及其分泌物对潮间带泥沙的形态形成的影响进行了探索.

3结论与展望

综上所述,已有的研究结果表明,在天然水环境中、尤其是受污染水域中,污染物对泥沙行为的影响不容忽视,目前的研究成果主要集中在离子类污染物和微生物污染物方面,其他方面研究还比较少.

目前,有关污染物对泥沙的影响研究尚不是很充分,许多方面仍需进一步深入探索.

1)从微观尺度研究污染物在泥沙颗粒表面的吸附现象.主要集中在重金属铜及营养物质磷等方面,对于其他重金属、有机污染物,特别是难降解的有机物等研究比较少,今后需加强各种污染物对泥沙表面特征的影响研究,建立更为完善的泥沙与污染物相互作用机制.

2)在污染物对泥沙运动特性的影响研究方面.主要集中在污染物对泥沙絮凝沉降、起动流速等方面,至于泥沙冲淤变形方面的研究尚未涉及,今后需加强这方面的研究.

3)以往的研究对象局限于常见的几种污染物,而水体中的污染物种类繁多,如一些新兴有机污染物：增塑剂、表面活性剂、抗生素、香料、化妆品等,这些新兴有机污染物成分复杂,对泥沙的运动特性会产生复杂的影响.如不同的有机污染物所带电荷不同,被泥沙吸附后,既可以加速泥沙絮凝,也可能促进泥沙分散,导致其对泥沙运动的影响越发复杂.

参考文献

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(责任编辑：蔡洪涛)

Research Status on the Influences of Pollutant Adsorption on Characteristics of Sediment Movement

REN Yanfen, ZHU Chao, ZHAO Lianjun, WU Guoying

(Institute of Yellow River Hydraulic Research, Key Laboratory of Yellow River Sediment

Research of Ministry of Water Resources, Zhengzhou 450003, China)

Abstract:The interaction of pollutants and sediment is very complex. On the one hand, sediment influences the behaviors of adsorption and desorption of pollutants, on the other hand, the surface morphology of sediment changes after adsorbing pollutants, and the mechanical movement characteristics of sediment change, so people pay more and more attention to the influences of pollutant adsorption on the characteristics of sediment movement. In the article, we summarized the research situations at home and abroad, such as the influences of surface features of polluted sediment particles and pollutants on the behaviors of sediment. Finally, the future research directions on environmental sediment were proposed, which were the researches of absorption phenomena of organic pollutants at the particles′ surface from the microscopic scale, the researches in aspect of scouring and silting of environmental sediment, and the influences of new organic pollutants.

Keywords:pollutants; sediment; adsorption; movement characteristics

中图分类号：TV142

文献标识码：A

文章编号：1002-5634(2015)02-0089-04

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.019

作者简介：任艳粉(1980—),女,河南沁阳人,工程师,硕士,主要从事水力学及环境水力学方面的研究.

基金项目:国家自然科学青年基金(51309109);黄河水利科学研究院基本科研业务费专项(HKY-JBYW-2013-08).

收稿日期:2015-02-16