水环境中泥沙作用的研究进展及分析

水环境中泥沙作用的研究进展及分析姓名：祝金娜学号：200475020144概述我国河流普遍多沙，河流含沙量总体水平大于国外。随着人口增长、工农业生产发展以及城镇建设速度的加快，我国工业废水和城镇生活污水排放总量仍在逐年增加，水污染状况严峻的局面还未得到有效控制。河流多沙的客观条件和排污量大的外部因素决定了进行泥沙环境作用研究的必要性，进行更加深入的研究工作对于水质监测、水质评价、水污染控制与规划工作具有重要意义和价值。泥沙的环境作用水环境系统中，泥沙通过对污染物质的吸附与解吸，直接影响着污染物质在水固两相间的赋存状态。同时，伴随着泥沙在水体中的运动，污染物质在水体和底泥之中的赋存状态也发生着变化。因此，泥沙与水流共同成为污染物的主要载体，影响着污染物在水体中的迁移转化过程，从而最终影响着水生态环境的状态。这种作用，可以称为泥沙的环境作用。泥沙对水体环境质量的影响含沙水体的环境效应在很多方面均有体现，原状水体中主要表现为浓度-生理化学效应和浓度-生态效应。泥沙对水体重金属的影响及其环境效应研究，一直受到不同领域研究者的关注。美国和欧洲中部已污染河流颗粒物上的重金属含量占总金属含量的比例，Cu、Hg、Cr在60％～70％之间，Pb在80％左右。总体上讲，相应的研究和分析工作以重金属居多，近年来针对有毒有机物和耗氧有机物的研究也日益受到关注。一些实验及其结论一．一些科研人士进行了黄河泥沙重金属在背景条件下的生物累计效应模拟实验，实验结果表明，Cu、Pb、Cr、Cd在浑水中鱼体内的含量与清水对照组比较，均略有不同程度的增加，随着时间的延长，这种差异逐渐显著。以上在河流实体上进行的原型观测数据表明，重金属物质在泥沙颗粒物上以吸附状态的存在占有很大比例，并且由于泥沙悬浮而构成的浑水环境对水体的生化效应和生态效应都产生重要影响。二．一些研究者从水质监测分析的角度研究了黄河泥沙对CODMn的影响，分析结果表明，含沙水样加酸保存测试的CODMn值比不加酸保存测试值显著增大，并且随着含沙量增加CODMn也增加。这些研究者认为，黄河水体中有机还原性物质大都被泥沙吸附，当加酸保存时，泥沙吸附着的还原物质释放到水相中，使样品的CODMn较不加酸保存大。三．另外一些研究者在河流实体上，对泥沙与耗氧有机物的相关关系进行了研究。对黄河中游潼关至三门峡水库坝下区间河段的三门峡水库泄洪期、蓄水期和汛前枯水期进行的监测表明，各断面浑水的COD值随着悬浮物含量的升高而增大，并且这种增大趋势与水库运用方式直接相关。水库蓄水期，上游来水蓄于库内，悬浮物沉于库底，相应断面COD值由上游向下游锐减。水库泄洪期，原本沉积于库底的悬浮物下泄，使得各断面浑水COD值明显高于其他时段。四．通过对辽河泥沙对CODCr测定值的影响分析，发现辽河泥沙含量对CODCr测定值有显著影响，悬浮物测定值与原状水CODCr含量有明显的正相关关系。五.通过采集长江口表层泥沙和水中悬沙，进行泥沙吸附有机物的实验，证明泥沙对微量甲苯、乙苯、四氧化碳、乙烯、氯苯和对一二氯苯都具有一定的吸附作用。六．另通过实验研究，证明了含沙水体对多种有机物(包括对硝基甲苯、甲基对硫磷和一，二-二氯苯)具有吸附作用，并得到了三种化合物在黄河悬浮泥沙-水中的分配系数。七.通过采样对北京永定河水体进行的有毒有机物污染状况的研究，从基因突变的角度研究北京官厅水库及其下游的水体中有毒有机污染物的污染状况，发现水库上游静止水未表现出对实验菌株的致突变性，而水库下游流动水体则表现出较强的致突变性。这表明污染物在流速缓慢的区域发生了沉降作用，从而使得水底沉积物成为难降解有毒有机物的储藏库，这些污染物在流速增大的条件下重新进入水体，产生污染。以上研究成果表明，水体中悬浮的泥沙可以吸附一定量的还原性物质，使水体的耗氧作用加大，从而在水体耗氧有机物污染的过程中发挥重要作用。关于泥沙吸附有毒有机物的研究，通过实验和实体观测都证明了水体悬浮泥沙和底泥都有降低水中微量溶解有机物的作用。泥沙吸附污染物模式及影响因素一．水体中污染物形态对于重金属在水体中形态分布，根据重金属的赋存状态区分为水溶态及颗粒态，其中颗粒态重金属又划分为以下形态：(1)交换吸附在粘土矿物、氢氧化铁、氢氧化锰或腐殖质成分上，对环境变化最敏感的离子交换态；(2)环境pH值变化时易释放进入水体的碳酸盐结合态；(3)与水合氧化铁、氧化锰结合，环境变化时会部分释放的铁锰水合氧化物结合态；(4)进入或包裹在有机质颗粒上，同有机质发生螯合或生成硫化物，较稳定的有机硫化物和硫化物结合的残渣态。一定区域的分析结果表明，残渣态、硫化物或有机结合态的比例为60％～80％，而水溶态、态；(5)稳定存在于石英或粘土矿物等结晶矿物晶格里的稳定离子交换态、碳酸盐结合态及铁、锰氧化物结合态占20％～40％，稳定态比例大于活动态.污染物在水体中的迁移转化污染物在水体中的迁移转化过程是一个物理、化学及生物综合的过程，结合其形态特征(如果其他污染物也都具有上述重金属的形态特征)，主要包括如下几类过程：(1)溶解态和悬移态污染物在水流中的对流扩散过程；(2)沉积态污染物随床沙的推移过程；(3)泥沙吸附溶解态污染物，水溶态向颗粒态转移过程；(4)悬移态和沉积态吸附污染物的解吸过程；(5)伴随床沙与悬移质动态交换的污染物迁移过程；(6)生物摄取、富集、微生物转化过程；(7)水体中污染物通过空气界面向空气迁移的气态迁移过程。二．泥沙吸附模式河流悬浮沉积物的理化特征是泥沙环境作用的重要物质基础，泥沙的组成成分主要为有机质和矿物质，另外泥沙颗粒表面还附着了一定量的微生物。泥沙颗粒的理化性质与其吸附特性的关系，一直是水化学和土壤化学的重要研究课题。一些研究人士认为非离子型有机物在泥沙颗粒上吸附的主要机理是有机物在泥沙颗粒中的有机质和液相水之间的分配。一些研究者通过采用逐级化学分离法，将天然样品逐级分离，进行了水体沉积物各组份吸附作用的研究。研究成果表明，天然水体悬浮沉积物各组份在重金属吸附中所起的作用，在总吸附值的贡献是以粘土为主(60％～70%)，金属水合氧化物(15％～25%)和有机物(11％～22％)大致在同一水平上，碳酸盐则较小(0.1％～5％)。而以单位重量的吸附能力衡量，则是金属水化合物大于有机物，并且两者远大于粘土。所以分析泥沙颗粒物吸附能力，必须综合考虑各组份的吸附能力和各自的相对含量。泥沙吸附模式的建立是为了对泥沙吸附过程进行定量的描述和分析，采用污染物在水沙两相间的分配量及相应系数，对泥沙吸附量和吸附时间过程分别建立数学描述方程。主要包括三种吸附模型方程：Henry模型、Langmuir模型和Freandish模型（P121）。这三种模型都有严格的理论基础并可以用统计热力学的方法进行推导，也得到了大量研究成果的证明。三种模型都分别采用平衡吸附等温线和吸附动力学方程对吸附过程进行描述，前者用来描述吸附过程处于平衡状态下吸附质在固液两相间的分配量，后者则描述瞬时状态下吸附速率与主要影响因素之间的关系。一些研究者认为泥沙颗粒由活动有机成份和无机成份构成，相应成份表现出不同的吸附特征，据此提出了复合分布模型，将吸附等温式表达成线性方程和非线性方程的叠加，从理论上讲这种复合模式更具有物质基础。三．泥沙吸附污染物影响因素泥沙吸附污染物主要影响因素包括：泥沙理化特性、水体泥沙浓度、污染物浓度、泥沙粒度、紊动强度、温度和pH值等。对于这些影响因素与泥沙吸附的相关性，大多是通过泥沙吸附重金属实验和理论分析进行的。在泥沙吸附重金属的研究当中，许多研究者都观察到所谓的“重金属吸附的泥沙效应”，即在相同条件下，随着泥沙浓度增大，水相重金属浓度降低，泥沙吸附容量增大，并且随着泥沙浓度的增大，吸附容量趋近于一定数值，单位质量悬浮泥沙吸附总金属污染物能力下降。在甲苯、乙苯和三氯乙烯的吸附实验中，同样发现单位重量泥沙吸附能力随着泥沙浓度的增大而减小。对于这种效应的成因，存在多种解释：(1)泥沙浓度的提高增加了颗粒间碰撞的几率，从而增加了有机物从泥沙颗粒表面有机质胶膜中解吸出来的速率，使得有机质内分配溶解的有机物浓度也相应降低；(2)悬浮浓度增大，使得固相吸附位增加，从而单位固体颗粒物的吸附量相应减少；(3)颗粒的聚合(如絮凝)增加，使得可利用的吸附位减少。相对于重金属方面所进行工作的全面与丰富，泥沙浓度对其他污染物吸附的影响研究还十分有限，对于在其它污染物的吸附中是否存在“泥沙吸附效应”还不能得到肯定的结论，需要进行进一步的观测和实验。泥沙颗粒的吸附分类泥沙颗粒的吸附分为物理吸附和化学吸附，物理吸附主要与泥沙的比表面积(面积／重量)有关，化学吸附与泥沙所含活性成分有关。如果将泥沙颗粒近似视为球体，其比表面积与半径成反比，泥沙粒径越小，比表面积越大，所含活性成分也越多，因而有机物或重金属吸附量也越大。泥沙粒径对污染物的吸附影响研究，包括单独粒径组的影响和多粒径组份共存体系的影响。渭河选自同一断面理化性质基本相同的悬移质泥沙和床沙的吸附实验表明，悬移质泥沙对Cu的吸附量是底泥的3倍之多。通过对泥沙粒径对重金属污染物吸附影响的研究成果表明，相同条件下，不同粒径泥沙单独存在时，泥沙吸附量、吸附速率、分配系数都随泥沙粒径增大而减小。不同粒径泥沙共存体系各粒径之间不存在竞争和干扰，共存体系单位重量泥沙的吸附量等于各粒径泥沙单独存在、在相同条件下单位重量泥沙的吸附量乘以其在共存体系中所占的份额的总和。泥沙解吸模式由于天然水体都处在一定的运动状态，因此按照水体紊动特征，将泥沙解吸分为以下两类：(1)紊动微弱时，底泥(床沙)基本不起浮，底泥释放以孔隙水污染物向上扩散迁移为主，释放过程主要与污染物扩散通量、上覆水寄宿时间、水体污染物含量及水深有关；(2)紊动变化引起床沙与悬沙发生动态交换，泥沙解吸除了床沙中污染物释放外，还包括悬浮泥沙解吸，并且起悬床沙携带的污染物在很大程度影响到水质。一些研究者认为泥沙解吸和吸附可以用形式相同的动力学模式表达，在此基础上，对泥沙解吸动力学过程进行了实验研究和理论推导。反应器内泥沙解吸重金属静态实验的研究，在一定程度上揭示了泥沙解吸重金属污染物的定性规律。实验结果和理论分析都表明：(1)其他条件相同时，泥沙剩余平衡吸附量和水相平衡浓度均随悬浮泥沙浓度增大而增大；(2)其他条件相同时，泥沙初始重金属浓度越高，泥沙剩余平衡吸附量和水相平衡浓度越高；(3)泥沙饱和吸附量越大，则在其他条件相同时，泥沙剩余平衡吸附量越高，水相平衡浓度越低。黄延林等研究人士将重金属释放过程中伴发的凝聚吸附、络合、共沉等作用引入到重金属释放动力学的研究中，以解释释放过程中水溶态重金属浓度随时间的变化经历了一个先升后降再达平衡的过程。由于一般采用吸附动力学方程描述解吸过程，因此解吸过程中吸附和解吸系数的相对关系十分重要。有研究者提出对应泥沙吸附和解吸重金属状态，相应有两个吸附速率系数。但已经进行的研究工作对于吸附系数和解吸系数在吸附和解吸过程中出现差异的原因，都未进行深入的研究。未来的研究工作，需要探讨是否有可能建立吸附、解吸系数与影响因素的数学表达式，从而建立统一的吸附-解吸数学模式，这是把实验研究和理论模式推广应用到天然水体的关键因素之一。泥沙解吸污染物的影响因素对泥沙解吸污染物影响较大的因素主要包括：水体泥沙浓度、水体污染物浓度、泥沙粒度、紊动强度、沉积物厚度、温度和pH值等，其中，水流紊动强度与水体泥沙浓度直接相关。对这些影响因素的研究成果，也大多是在泥沙解吸重金属的研究中取得的。泥沙解吸污染物的能力大小，与泥沙粒径正相关，这点与泥沙吸附能力相反。一般而言，粗颗粒泥沙的吸附能力弱，解吸能力强，细颗粒泥沙则相反。不同粒径泥沙共存体系解吸动力学理论分析和实验结果表明，体系中各粒径间不存在竞争和干扰。共存体系的剩余吸附量等于各粒径泥沙单独存在、在相同条件下的剩余吸附量乘以该粒径泥沙在共存体系中所占份额之和。沉积物厚度对污染物释放的影响受到间隙水中污染物垂向梯度的作用。根据静态实验的研究结果