污染物吸附對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)特性的影響的研究現(xiàn)狀

任艷粉, 朱　超, 趙連軍, 吳國(guó)英

(黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003)

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污染物吸附對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)特性的影響的研究現(xiàn)狀

任艷粉, 朱超, 趙連軍, 吳國(guó)英

(黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003)

摘要：污染物與泥沙的相互作用十分復(fù)雜.一方面,泥沙對(duì)污染物的吸附、解吸等行為產(chǎn)生影響;另一方面,泥沙吸附污染物質(zhì)后,不僅改變了其表面形貌,而且泥沙自身的力學(xué)運(yùn)動(dòng)特性也發(fā)生了改變.因此，污染物吸附對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)特性影響的問(wèn)題越來(lái)越受到人們關(guān)注.綜述了國(guó)內(nèi)外在泥沙顆粒污染后的表面特征和污染物對(duì)泥沙行為的影響等方面的研究動(dòng)態(tài),最后提出環(huán)境泥沙研究需進(jìn)一步深入研究的方向：①?gòu)奈⒂^尺度研究有機(jī)污染物在顆粒表面的吸附現(xiàn)象;②環(huán)境泥沙沖淤變形方面的研究;③新興有機(jī)污染物對(duì)泥沙力學(xué)特性的影響.

關(guān)鍵詞：污染物;泥沙;吸附;運(yùn)動(dòng)特性

我國(guó)河流眾多、水資源豐富，但其中很多流域水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致泥沙隨水匯集到河流之中，使得河水挾沙運(yùn)移.近年來(lái),隨著我國(guó)人口數(shù)量的增長(zhǎng)、現(xiàn)代工業(yè)廢水的亂排亂放、城市垃圾、農(nóng)村農(nóng)藥噴灑等,造成河流污染嚴(yán)重.污染水體中的泥沙與污染物之間存在著強(qiáng)烈的相互作用：一方面,泥沙對(duì)河流水質(zhì)有著重要的影響,即泥沙對(duì)污染物的吸附和解吸等行為產(chǎn)生影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了不少相關(guān)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、結(jié)構(gòu)、密度等)隨之發(fā)生變化,并最終影響其起動(dòng)、懸浮、輸移、沉降等運(yùn)動(dòng)特性.

河流泥沙在流體作用下的起動(dòng)、懸浮、輸移、沉降等過(guò)程的規(guī)律研究,是挾沙水流運(yùn)動(dòng)特性研究的基礎(chǔ),國(guó)內(nèi)外諸多著名學(xué)者為該研究貢獻(xiàn)了畢生精力,奠定了泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ),并已形成一套較為完整的理論體系.在傳統(tǒng)的泥沙研究中,研究對(duì)象往往是干凈泥沙,但近數(shù)十年來(lái),受水污染現(xiàn)象的影響,水體中被污染的泥沙日益受到人們的重視，在水環(huán)境系統(tǒng)中研究泥沙特性時(shí)必須將作用在泥沙上的污染物考慮在內(nèi).研究污染物對(duì)泥沙的物理、化學(xué)特性的影響,是研究河流污染物與泥沙之間的相互作用機(jī)理不可缺少的一部分.

1污染物吸附對(duì)泥沙顆粒表面特性的影響

1.1天然泥沙顆粒表面特性

泥沙與各種污染物質(zhì)相互作用的界面是泥沙顆粒的表面,正確認(rèn)識(shí)泥沙顆粒表面的形貌和結(jié)構(gòu)是研究泥沙與污染物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ).泥沙顆粒物的表面特性非常復(fù)雜,其中顆粒的比表面、孔分布及表面電荷等是顆粒最基本的表面理化參數(shù).

湯鴻霄等[1]測(cè)定了我國(guó)東部河流沉積物的比表面數(shù)據(jù),分析了南北分布出現(xiàn)的差異.并認(rèn)為沉積物顆粒的比表面越大,其表面的絡(luò)合吸附位也越多,對(duì)污染物的吸附能力也越強(qiáng).在顆粒的孔分布研究上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者就此分別探討了改性蒙脫土[2]、活性炭[3]、黏土[4]等不同顆粒的孔隙特征.方紅衛(wèi)等[5]通過(guò)氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)研究官?gòu)d水庫(kù)底泥沙樣表面的孔隙分布特征,得出官?gòu)d水庫(kù)底泥顆粒的分形維數(shù)為2.60~2.85,底泥顆粒在被污染前后孔徑小于10 nm的孔隙體積變化很大,相應(yīng)其分形維數(shù)也因?yàn)楸砻婵紫侗晃廴疚锾畛涠冃?

水體顆粒物由于晶格缺陷、同晶置換和表面化學(xué)反應(yīng)而帶有一定量的電荷[6],并在顆粒表面形成復(fù)雜的雙電層,強(qiáng)烈地影響著顆粒本身的穩(wěn)定性和各個(gè)方面的相互作用特性.黃磊等[7]對(duì)泥沙顆粒表面電荷的分布進(jìn)行了初步研究,利用掃描探針顯微鏡(SPM)中的靜電力顯微鏡(EFM)測(cè)量技術(shù),用相位成像模式測(cè)量了石英砂顆粒表面的微形貌和電荷分布.結(jié)果表明，電荷在泥沙顆粒表面的分布是不均勻的,電荷大多集中在顆粒表面的鞍部、凸起和凹地部位,而在凹槽、凸脊和平坦部位分布較少.

1.2　污染物對(duì)泥沙顆粒表面特性的影響

水環(huán)境中的污染物,總體上可劃分為無(wú)機(jī)污染物和有機(jī)污染物兩大類.在水環(huán)境化學(xué)中較為重要的、研究較多的污染物是重金屬、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及微生物.泥沙顆粒吸附不同的污染物，其表面特性的變化也是不同的.

1.2.1重金屬污染物吸附對(duì)泥沙顆粒表面特性的影響

重金屬污染物主要由采礦、廢氣排放、污水灌溉和使用重金屬超標(biāo)制品等人為因素所致,因人類活動(dòng)導(dǎo)致水環(huán)境中的重金屬含量增加,超出正常范圍,直接危害人體健康,并導(dǎo)致水環(huán)境惡化.重金屬污染物在水體中主要以離子形式存在,離子類污染物質(zhì)與泥沙吸附后,改變了泥沙顆粒的表面特性,這方面研究主要集中在銅離子方面.

陳志和等[8]采用物理化學(xué)吸附儀對(duì)銅離子吸附后的實(shí)驗(yàn)沙進(jìn)行孔徑分布分析與孔隙特征變化研究.泥沙顆粒表孔以微孔和中孔為主,泥沙顆粒表孔對(duì)銅離子有較強(qiáng)的吸附作用;在吸附過(guò)程中,銅離子易于吸附在半徑r<5 nm的孔隙之中;r>5 nm的中孔及大孔為銅離子輸移、擴(kuò)散的通道,其孔體積變化較小;當(dāng)銅離子逐漸填充孔隙內(nèi)部空間后,泥沙顆粒比表面積、總孔體積和平均孔徑逐漸趨于常數(shù).

為了研究泥沙吸附污染物質(zhì)后的形貌變化,陳志和等[9-10]通過(guò)硝酸銅吸附實(shí)驗(yàn),歸納出重金屬銅離子在泥沙顆粒表面的分布規(guī)律,并對(duì)銅離子所處位置的顆粒表面形態(tài)特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.銅離子吸附主要位于泥沙顆粒表面的邊脊與凹谷區(qū)域,占到整個(gè)吸附數(shù)量的90%以上,曲率在一定程度上反映了復(fù)雜形貌對(duì)于重金屬銅離子的吸附能力,在曲率為1.1的區(qū)域吸附離子最多.

1.2.2氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸附對(duì)泥沙顆粒表面特性的影響

氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來(lái)源廣、數(shù)量大,有生活污水(有機(jī)質(zhì)、洗滌劑)、農(nóng)業(yè)(化肥、農(nóng)家肥)、工業(yè)廢水、垃圾等.氮、磷是水生系統(tǒng)中重要的影響因素,也是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因子之一.進(jìn)入水體中的含磷污染物在隨水體擴(kuò)散、遷移的同時(shí),部分污染物會(huì)被水體中的泥沙顆粒吸附.研究含磷污染物吸附對(duì)泥沙顆粒表面特性的影響,主要針對(duì)含磷污染物在泥沙顆粒上的分布規(guī)律進(jìn)行研究.

陳明洪等[11]借助掃描電子顯微鏡(SEM)等手段從微觀尺度出發(fā),研究含磷污染物在顆粒表面的吸附現(xiàn)象,并通過(guò)圖像處理和微分幾何方法分析磷在泥沙表面的分布規(guī)律,將泥沙的傳統(tǒng)研究方法擴(kuò)展到多維空間.通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在泥沙顆粒表面的鞍部、凹地和凸起等地方存在較多活性吸附位,吸附磷的可能性較大.

肖洋等[12]在對(duì)泥沙進(jìn)行分級(jí)、去除有機(jī)物和氧化物的基礎(chǔ)上，研究了不同粒徑下泥沙顆粒的表面特性及其對(duì)磷吸附的影響.發(fā)現(xiàn)泥沙顆粒的表面特性是影響泥沙吸附污染物的重要因素之一,泥沙的中值粒徑與比表面積呈指數(shù)關(guān)系,當(dāng)粒徑減小到黏?；蚣?xì)粉沙時(shí),比表面積顯著增大.Langmuir等溫式較Freundlich等溫式能更好地描述泥沙對(duì)磷吸附實(shí)驗(yàn)中液相磷平衡濃度與磷平衡吸附量的關(guān)系.在各個(gè)液相初始磷濃度下,泥沙對(duì)磷的平衡吸附量隨著泥沙粒徑的增大而減小,且低濃度區(qū)的平衡吸附量增速大于高濃度區(qū),當(dāng)磷初始濃度增大到一定程度后,平衡吸附量逐漸不再變化,達(dá)到最大吸附量.

1.2.3微生物吸附對(duì)泥沙顆粒表面特性的影響

微生物是一種活的有機(jī)體,是地球上數(shù)目最多、分布最廣、個(gè)體最小的生命體,在自然界中大多是以附著狀態(tài)而非游離狀態(tài)存在于生長(zhǎng)環(huán)境中.因?yàn)槟嗌程赜械谋砻嫖教匦?可以吸附各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等,從而吸引多種微生物生存在泥沙表面.方紅衛(wèi)等[13]采用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察泥沙顆粒生長(zhǎng)生物膜后的形貌變化,發(fā)現(xiàn)泥沙顆粒因生物膜的生成而發(fā)生較大變化,群體泥沙互相黏連,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或絮狀結(jié)構(gòu)等,單顆粒泥沙因長(zhǎng)膜之后表面比較平滑,形貌起伏相對(duì)較少.

2環(huán)境泥沙的運(yùn)動(dòng)特性

2.1　離子類污染物吸附對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)特性的影響

離子類污染物對(duì)泥沙的影響主要表現(xiàn)在水中陽(yáng)離子對(duì)泥沙絮凝的影響.在天然水體條件下,泥沙表面一般帶負(fù)電荷,泥沙表面電荷與水中離子形成擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu),當(dāng)水中反號(hào)離子增加時(shí),可中和壓縮泥沙表面的雙電層結(jié)構(gòu)，從而使顆粒之間的靜電斥力減小,其結(jié)果也就是使泥沙的絮凝程度增強(qiáng).

水中陽(yáng)離子主要是指Na+，Ca2+，Mg2+以及Fe2+等.陳洪松等[14-16]對(duì)NaCl，CaCl2及AlCl3對(duì)細(xì)顆粒泥沙靜水絮凝及沉降的影響作了研究.研究結(jié)果表明，在絮凝沉降段,NaCl，CaCl2濃度越大絮凝沉降越快.武漢大學(xué)劉林等[17]研究了泥沙濃度在不同的Ca2+離子濃度條件下對(duì)絮凝沉降過(guò)程的影響.該過(guò)程是隨著泥沙濃度的增加,絮凝沉降速度先增加,達(dá)到最大值以后又逐漸減小;在不同的離子條件下,絮凝沉降速度的最大值及相對(duì)應(yīng)的泥沙濃度均不同：絮凝沉降速度達(dá)到最大值時(shí)的泥沙濃度隨著離子濃度的增加而減小,絮凝沉降速度最大值則隨著離子濃度的增加而增加.

金鷹、蔣國(guó)俊等[18-19]研究了水中陽(yáng)離子數(shù)量及其價(jià)數(shù)對(duì)細(xì)顆粒泥沙絮凝沉積的影響,離子價(jià)數(shù)高的絮凝量大,并得出海水中絮凝量和陽(yáng)離子的關(guān)系式.王家生等[20-21]研究了水中常見(jiàn)陽(yáng)離子對(duì)河流中細(xì)顆粒泥沙沉速的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著陽(yáng)離子濃度的增加，泥沙沉速也增大.

由此可以看出,離子類污染物對(duì)泥沙行為的影響,主要是對(duì)細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉積產(chǎn)生影響.這種現(xiàn)象在河口地區(qū)比較明顯,主要影響河口地區(qū)細(xì)顆粒泥沙的淤積和河口河床演變.

2.2　微生物污染物對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)特性的影響

微生物對(duì)泥沙顆粒物的影響主要是其生成的生物膜對(duì)泥沙顆粒的影響.在受污染水體中,由于過(guò)剩的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),泥沙表面的微生物活動(dòng)形成的生物膜會(huì)影響并導(dǎo)致泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)特性的改變.

方紅衛(wèi)等[22-23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了泥沙顆粒生長(zhǎng)生物膜后運(yùn)動(dòng)特性的改變情況,包括起動(dòng)、沉降等特性.在分析泥沙顆粒生長(zhǎng)生物膜后的沉降實(shí)驗(yàn)中,利用圖像分析、測(cè)量顆粒大小和沉速的變化,推導(dǎo)了生長(zhǎng)生物膜后的顆粒沉速計(jì)算公式.研究表明，生物膜極大地改變了顆粒的表面特性,使得顆粒下沉阻力增大,與同等大小無(wú)生物膜黏連的泥沙顆粒相比，沉速明顯減小.

Andersen等[24]通過(guò)實(shí)測(cè)資料認(rèn)為水體中的生物群落結(jié)構(gòu)和組成會(huì)影響泥沙顆粒性質(zhì),對(duì)泥沙顆粒的沉降有重要影響,并通過(guò)實(shí)地測(cè)量、研究了微生物排泄物對(duì)潮間帶床面侵蝕物沉速的影響[25].Stal[26]對(duì)微生物及其分泌物對(duì)潮間帶泥沙的形態(tài)形成的影響進(jìn)行了探索.

3結(jié)論與展望

綜上所述,已有的研究結(jié)果表明,在天然水環(huán)境中、尤其是受污染水域中,污染物對(duì)泥沙行為的影響不容忽視,目前的研究成果主要集中在離子類污染物和微生物污染物方面,其他方面研究還比較少.

目前,有關(guān)污染物對(duì)泥沙的影響研究尚不是很充分,許多方面仍需進(jìn)一步深入探索.

1)從微觀尺度研究污染物在泥沙顆粒表面的吸附現(xiàn)象.主要集中在重金屬銅及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)磷等方面,對(duì)于其他重金屬、有機(jī)污染物,特別是難降解的有機(jī)物等研究比較少,今后需加強(qiáng)各種污染物對(duì)泥沙表面特征的影響研究,建立更為完善的泥沙與污染物相互作用機(jī)制.

2)在污染物對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)特性的影響研究方面.主要集中在污染物對(duì)泥沙絮凝沉降、起動(dòng)流速等方面,至于泥沙沖淤變形方面的研究尚未涉及,今后需加強(qiáng)這方面的研究.

3)以往的研究對(duì)象局限于常見(jiàn)的幾種污染物,而水體中的污染物種類繁多,如一些新興有機(jī)污染物：增塑劑、表面活性劑、抗生素、香料、化妝品等,這些新興有機(jī)污染物成分復(fù)雜,對(duì)泥沙的運(yùn)動(dòng)特性會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的影響.如不同的有機(jī)污染物所帶電荷不同,被泥沙吸附后,既可以加速泥沙絮凝,也可能促進(jìn)泥沙分散,導(dǎo)致其對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響越發(fā)復(fù)雜.

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(責(zé)任編輯：蔡洪濤)

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

中圖分類號(hào)：TV142

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5634(2015)02-0089-04

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.019

作者簡(jiǎn)介：任艷粉(1980—),女,河南沁陽(yáng)人,工程師,碩士,主要從事水力學(xué)及環(huán)境水力學(xué)方面的研究.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)青年基金(51309109);黃河水利科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(HKY-JBYW-2013-08).

收稿日期:2015-02-16