NH4+迁移室外实验方法探讨

2020-11-25李方红李安娜

河北地质大学学报 2020年5期

李铎，李方红，李安娜，毕攀

河北地质大学 a.水资源与环境学院、b.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室、c.河北省水资源可持续利用与产业结构优化协同创新中心，河北石家庄 050031

0 引言

地下水水质的好坏关系到当地居民的饮水安全[1]，目前多数地区浅层地下水受到不同程度的污染。地下水主要污染物有氮污染、重金属污染、有机物污染以及其他污染物，其中氮污染主要是地表污水排放、农家肥、农业施用化肥和生活垃圾等[2]，污染非常普遍。氮在地下水中的迁移转化研究比较多，但多数还是以实验室研究为主，室内实验主要采用浸泡实验和土柱实验。高秀花[3]利用浸泡实验得出3种土对垃圾渗滤液中NH4+-N的吸附均符合Langmuir吸附模式，梁静[4]利用浸提实验得出了砂土中铵的存在形态与土壤矿物组成和铵的初始浓度密切相关，李海明等[5]选择了天津3种代表性的含水介质，研究了胶体和固体颗粒对氨氮的吸附等温线分别为Freundlich方程和线性方程，海龙等[6]研究了阜新市垃圾填埋场渗滤液NH4+-N在当地土壤中的吸附规律为Freundlich吸附模式。大量学者采用土柱实验研究氨氮的迁移转化，胡国臣[7]研究了向土壤中掺入活性炭对地下水硝酸盐氮污染的防治效果，杨维[8]研究了包气带和饱水带氮素的形态，认为包气带中硝酸盐氮和饱水带中氨氮是污染地下水氮素的主要存在形态；赵林[9]通过向包气带注入高效脱氮菌的研究，发现脱氮菌具有很强的除氮和阻止氮污染的能力；董悦安[10]研究了菜田施肥残存量对地下水氮污染以及包气带非均质对地下水氮污染的去除。张庆等[11]研究了新近系明化镇组热储层细砂岩土对氨氮的阻滞系数为72.5；李海明等[4]研究了胶体和固体颗粒同时存在时对氨氮吸附的动力学曲线；祝万鹏等[12]研究了NH4+在饱和粉砂土层和亚砂土层中的吸附性能和迁移过程，求得了不同土层和不同浓度条件下模型的各参数值；王晓龙[13]、茉莉得尔·金斯汗等[14]模拟不同填埋结构、深度及质地的土壤对氨氮渗入地下水后NH4+浓度随包气带土层浅表层深度的增加而下降；詹美礼等[15]研究了设有黏土防渗层的饱和-非饱和成层土壤中氨氮入渗迁移规律吸附特征及在迁移过程中发生的三氮转化反映规律；Jellali等[16]发现氨氮在迁移过程中受吸附作用影响明显，受硝化作用影响较小。室外实验主要针对氨氮的降解进行的；童三明[17]采用氨氮吹脱—生物絮体吸附—混凝沉淀—改性兰炭吸附的组合工艺对兰炭废水中的氨氮去除效果进行了研究，毕二平[18]和Razavi[19][20]论述了地下水中硝酸盐污染的原位微生物修复渗透格栅技术和注射井技术，李仰征等[21]从时空角度对岩溶区不同赋存条件水体进行研究，为掌握无机三氮变化规律、探究影响其转换的环境条件，为喀斯特山区水资源保护与利用提供理论依据。陈建平等[22]通过室内浸泡实验改变3种阳离子 Na+、H+、NH4+浓度、浸泡时间，对其动力学和热力学行为进行了研究。

综上，对氨氮的迁移转化的实验研究主要以实验室研究为主，采用吸附实验、土柱实验，研究氨氮的水土分配、吸附模式、动态吸附解析过程。现有现场实验主要研究氨氮的去除降解，针对氨氮的迁移、转化的室外实验非常少，本文就氨氮的迁移转化探讨一种现场实验研究方法。

1 实验方法

野外实验场布置在天津市宝坻县大口屯镇前甲村村南，选择长2.5 m、内径32 cm、面积0.080 4 m2的钢管，利用大型钩机将钢管压入土层中，保持原土层不被破坏、维持原状，形成5个实验土柱进行实验。

1.1 土层结构和介质特征

实验前在实验场施工2.5 m深钻孔，全孔取土样进行粒度分析，其钻孔结构及岩性见表1。

表1 钻孔结构及岩性表

1.2 野外实验

用NH4Cl配制不同浓度的溶液，向土柱连续注入，并维持一定的液面高度保证溶液均匀下渗，各土柱实验时间不同，见表2。待实验结束一定时间后，分别在表层、0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m取土样，测定土样中氨氮。

表2 土柱实验情况表

2 现场实验数值模拟

2.1 数学模型及概化

野外土柱实验中，由于水流的侧向限制，地下水的流动为垂向一维流，溶质的运移也为一维运移，因此，土柱实验为一维溶质运移，可用一维数学模型描述：

式中：C为地下水中NH4+浓度(mg/L)；D为包气带的水动力弥散系数(m2/d)；R为NH4+迁移的滞后系数；u为柱中地下水垂向实际流速(m/d)；cy为NH4+源、汇项；z为垂向坐标(m)；C0为入渗水在地表处的NH4+浓度(mg/L)；Cb(t)为底部边界NH4+浓度(mg/L)；L为土柱长度(m)；t为NH4+迁移时间(d)。

吸附项采用迟后因子处理。

边界为上、下边界，上边界渗透液中溶质浓度保持一定，因此，概化为一类边界；下边界为开放边界，边界上溶质浓度随时间在变化，概化为通量边界。

初始条件，液相中各点初始浓度均为0。

源、汇项，本实验只考虑硝化转化。

根据前人研究，铵衰减的一级反应动力学方程为：

CA=CA0e-kt

式中：CA、CA0为分别为t时刻和初始时刻地下水中的氨氮浓度。模型的求解采用数值法[4-6]。

2.2 模型参数

根据实验的条件和数学模型概化，所用的参数有实际流速、弥散系数、滞后系数和硝化转化常数，滞后系数采用室内实验参数，其他参数选择如下：

(1)实际流速的取值

渗流水溶液由于受土柱壁的限制，地下水流概化为垂向一维流。土层在垂向上为非均质，地下水流垂直穿过非均质岩层时流量相等，各层垂向渗透流速有差别，本次模拟实际流速用渗水量除以土柱面积、有效孔隙度和渗水时间求得，各土层有效孔隙度由实验室实测获得。各土层有效孔隙度和实际流速见表3。

表3 模型实际流速表

(2)弥散系数

因实验条件所限，不能定时取渗流水样测渗流液中的Cl-的浓度，无法获得渗出液中Cl-随时间变化的过程，因此，无法采用经验公式或模拟求得弥散系数，只能根据前人的经验数值作为模型的初值，经模型调试校正后作为模型的参数。

(3)硝化速率常数

实验未进行硝化速率常数的测定，模型中需要的硝化速率常数值参考前人成果，即温度控制在20℃时，含水率由0.067变到饱和，硝化速率常数值则由0.046 2变到0.542 4，模拟参考该数值，取0.5。

2.3 模型的调试和识别

数学模型的求解方法为有限差分法。将模拟土柱离散为20个单元，21个节点。离散时使各种参数分区界线落在节点上。计算时间步长取1 d。

为了使所建数值模型能够正确反映水文地质原型，需对模型进行调试和识别。模拟溶质随水向下迁移，模型运行时间与实验时间相同，计算不同深度地下水中氨氮含量，再根据分配系数计算土中氨氮含量，与实际观测值比较。将模型所需参数和数据输入模拟计算程序，进行多次反演试算，不断调整模型参数、修正模型，最终达到与原形的较好拟合，以作为模型识别的参数。

经过多次试算与反复调整参数，使计算值与实测值达到较好的拟合。拟合结果见图1，调试后模型参数见表4。

图1 土柱NH4+拟合成果图

表4 模型参数表

由实验和模拟结果可知：(1)随着深度的增加，土中NH4+含量整体趋势减小，这是随着含NH4+水向下迁移过程中，浅部先发生吸附，向下NH4+浓度减小，随深度增加吸附减弱，使得随深度增加土中NH4+含量减小。(2)土中NH4+含量在2m处增加，是由于受下部粘土层的阻隔，含NH4+水在该处滞留时间较长，吸附更加充分，使得土中NH4+含量升高。

3 氨氮迁移能力分析

经过识别的溶质运移模型，基本上能对客观水文地质实体达到仿真，可利用本模型分析氨氮由地表向潜水的迁移能力。分析两个方案：方案一，灌溉水氨氮浓度一定，不同灌溉时间，氨氮迁移的深度；方案二，氨氮浓度不同的灌溉水，灌溉时间相等，氨氮迁移的深度。以上两个方案只考虑了设定浓度的溶液在迁移过程中氨氮的吸附降减，并未考虑含氨氮的水渗入到潜水后的混合降减。

方案一：灌溉水氨氮浓度设为50 mg/L时，灌溉3 h、6 h、12 h，氨氮迁移超过饮用水标准的深度分别为0.3 m、0.4 m和0.6 m，其随深度变化见图2。

图2 不同灌溉时间氨氮随深度变化曲线图

方案二：氨氮浓度为10 mg/L、30 mg/L、50 mg/L的灌溉水，灌溉3 h，氨氮迁移的深度超过饮用水标准的深度分别为0.3 m、0.3 m和0.4 m，其随深度变化见图3。

图3 不同浓度的灌溉水灌溉氨氮随深度变化曲线图

预测结果可知：(1)在均质介质中，水向下迁移为均匀流动，地下水中NH4+的衰减也是渐变的，呈逐渐衰减的形态。(2)灌溉水浓度相同时，灌水时间越长，水向下迁移的深度越大，在各个部位吸附进行的时间越长越充分。(3)灌溉时间相同，水中NH4+浓度不同时，受吸附分配系数的影响，浓度小的迁移能力差，超标深度小；浓度大的迁移能力强，超标深度大。