地下水環(huán)境中鐵對三氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究

趙偉++韓書寶

摘要： 為研究鐵離子對氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響，開展室內(nèi)土柱模擬實驗。結(jié)果表明：Fe2+通入前，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮穿透時間基本一致，趨于平衡，而NH4+因含水層介質(zhì)的吸附作用，其穿透時間較長。FeSO4溶液通入后，硝酸鹽和亞硝酸鹽出現(xiàn)明顯的下降，F(xiàn)e2+的存在導(dǎo)致硝態(tài)氮的濃度降低而氨氮的濃度升高，F(xiàn)e2+還原硝酸鹽間生成NH4+；隨著Fe2+持續(xù)通入后，生成的Fe3+轉(zhuǎn)化Fe（OH）3沉淀物，吸附NH4+，導(dǎo)致氨氮的濃度降低。因此，鐵離子的存在對地下水環(huán)境中三氮的轉(zhuǎn)化具有極大的影響，故在地下水高濃度鐵的地下水環(huán)境下，不可忽視鐵離子的存在對三氮的影響。

Abstract： In order to study the effect of iron ions on nitrogen transport and transformation， the indoor soil column simulation experiment was carried out. The results showed that before Fe2+ was introduced， the permeation time of nitrate nitrogen and nitrite nitrogen was basically the same， and the permeation time of NH4+ was higher due to the adsorption of aquifer media. After the FeSO4 solution was introduced， the nitrate and nitrite were decreased obviously. The presence of Fe2+ resulted in the decrease of the concentration of nitrate nitrogen and the increase of ammonia nitrogen. NH4+ was generated during Fe2+ reducing the nitrates. After continuous introduction of Fe2+， the Fe3+ converted to Fe（OH）3 precipitate， and adsorbed NH4+， resulting in a decrease in ammonia concentration. Therefore， the presence of iron ions has a great influence on the transformation of tri-nitrogen in the groundwater environment. Therefore， the influence of iron ions on the tri-nitrogen concentration can not be neglected in the groundwater environment with high concentration of iron.

關(guān)鍵詞： 地下水；硝酸鹽；氨氮；亞硝酸鹽；土柱

Key words： groundwater；nitrate；ammonia nitrogen；nitrite；soil column

中圖分類號：TU991.11+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0195-03

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量的外源物質(zhì)進入地下水環(huán)境，對地下水環(huán)境影響越來越大，逐漸對地下水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生危害[1-2]。常見的污染物主要有無機鹽、重金屬和有機污染物，而三氮類污染物是目前環(huán)境中最為常見的污染物[3-5]，其主要來源有化肥、垃圾填埋場等。

20世紀70年代以來，國內(nèi)外相繼開展了地下水氮污染遷移規(guī)律等方面的研究，但關(guān)于三氮轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性、影響因素的多樣性研究較為缺乏，特別是地下水介質(zhì)中含有的自身特有物質(zhì)對其氮素的遷移規(guī)律的影響。因此，本文主要考慮地下水環(huán)境介質(zhì)中所含有的常見的Fe元素作為主要的研究重點，并通過采用土柱模擬，柱內(nèi)填充鐵元素含量較高的地下水環(huán)境介質(zhì)，研究鐵對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響，為地下水三氮修復(fù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗選用中砂作為土壤介質(zhì)填充土柱，中砂的pH值一般呈中性或弱堿性，內(nèi)含硝氮、亞硝氮、氨氮、鐵錳等物質(zhì)，本實驗選用中砂的理化性質(zhì)見表1。填充土柱前，砂土風(fēng)干、過篩備用，在填充過程中，每填充5cm厚土壤介質(zhì)，用一定的力度和次數(shù)把土壤介質(zhì)壓實，再進行下次填土。實驗用水均為蒸餾水，實驗所用試劑均為分析純。

1.2 實驗裝置

土柱的實驗裝置見圖1，土柱為高100cm，內(nèi)徑20cm的有機玻璃柱，由上至下設(shè)有6個取樣口，編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#，距柱頂分別為10，25，40，55，70，85cm。采樣點均設(shè)有土壤溶液采樣器（OD 2.5mm，10cm porous，荷蘭），各柱由下至上填充10 cm厚石英砂、85cm厚中砂、5cm厚玻璃珠（直徑5～6 mm）。

1.3 實驗與檢測方法

1.3.1 實驗方法

實驗裝置見圖1。實驗在室溫環(huán)境下進行，溫度為（20±3）℃。實驗開始前先從柱底以2.4×10-4cm/s的流速注入蒸餾水，使從下往上的水流帶走土柱中的空氣，保證實驗環(huán)境處于相對缺氧狀態(tài)。實驗中從柱底以1.1×10-4cm/s的流速注入340mg/L NaNO3、138mg/L NaNO2、321mg/L NH4Cl的混合溶液，歷時8d后，再從柱底另外注入139 mg/L FeSO4·7H2O溶液，歷時10d。在預(yù)定時間采集土柱內(nèi)各采樣點水樣進行分析檢測，指標為pH、Eh、溫度、NO3--N、NO2--N 、NH4+-N、Fe2+與總鐵，樣品取出后24h內(nèi)完成分析。

1.3.2 檢測方法

實驗中NO3--N、NO2--N、NH4+-N、總鐵的質(zhì)量濃度以及其他指標的檢測方法列舉如下：NO3--N采用酚二磺酸光度法；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NH4+-N采用納氏試劑光度法；總鐵采用鄰菲啰啉分光光度法；pH、水溫分別采用pH計與溫度計檢測；Eh采用便攜式氧化還原電位儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 土柱環(huán)境指標變化

由圖2（a）可知，通入三氮溶液的前8d土柱內(nèi)氧化還原電位呈先上升后下降的趨勢，表明三氮溶液通入后柱內(nèi)發(fā)生了硝化反應(yīng)，在通入亞鐵溶液后氧化還原電位波動較大，說明柱內(nèi)發(fā)生了復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)。如圖2（b）整個實驗中土柱都處在弱堿性的環(huán)境中，pH值整體呈上升趨勢，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生OH-，使pH值升高[5]。整個實驗過程中氨氮濃度在不斷升高，氨氮本身為弱堿性，其升高也可導(dǎo)致整個土柱的pH升高。

2.2 三氮在時間上遷移規(guī)律

由圖3所示，通入溶液后，硝態(tài)氮濃度隨時間逐漸增大，6#最先達到平衡，1#在48h后達到平衡，趨于進水硝態(tài)氮濃度。添加硫酸亞鐵溶液后，6#硝態(tài)氮濃度開始急劇減小，在264h后基本穩(wěn)定，1#硝態(tài)氮濃度開始緩慢減小，288h后開始急劇減小，312h后基本穩(wěn)定。通入三氮溶液后，柱內(nèi)硝態(tài)氮濃度顯著增大，而在通入硫酸亞鐵溶液后，由于亞鐵離子會將硝酸鹽還原，所以各取樣口硝態(tài)氮濃度由下往上均開始逐漸減小。硝酸鹽是最不易被吸附的陰離子之一[8]，所以吸附作用不是硝酸鹽濃度減小的主要原因。亞硝氮濃度在未添加硫酸亞鐵溶液前隨時間逐漸增大，6#由于最接近進水口最先達到平衡，1#在48h后達到平衡，濃度均高于進水亞硝氮濃度，由于亞硝氮是硝化作用的中間產(chǎn)物，證明柱內(nèi)發(fā)生了硝化作用。氨氮濃度在通入溶液后開始逐漸增大，48h后出現(xiàn)減小的情況，可能由于這段時間柱內(nèi)硝化細菌比較活躍導(dǎo)致柱內(nèi)發(fā)生了硝化反應(yīng)，部分氨氮轉(zhuǎn)化為了硝氮，由于吸附作用的存在，氨氮的濃度小于進水氨氮濃度。

2.3 三氮空間上遷移規(guī)律

由圖4所示，通入溶液后，硝氮亞硝氮濃度開始在土柱內(nèi)由下往上逐漸升高，由于土壤對氨氮的吸附作用氨氮在每個取樣口處測得數(shù)據(jù)顯示其升高的速率較慢，并且其中一部分氨氮發(fā)生硝化反應(yīng)生成了硝氮和亞硝氮。一段時間后，每個取樣口的硝氮和亞硝氮的濃度達到平衡趨于進水濃度，而氨氮的濃度還在不斷升高。當(dāng)柱內(nèi)通入硫酸亞鐵溶液后，氨氮濃度還在由下往上升高，而硝氮亞硝氮的濃度開始下降，在2-3#取樣后處出現(xiàn)了短暫的升高，可能是由于這部分硝化反應(yīng)比較強烈產(chǎn)生的，4#取樣口后三氮都開始減小，在實驗?zāi)┢诰呌谄胶狻?/p>

2.4 鐵與三氮的形態(tài)變化

圖5為第16d土柱內(nèi)三氮與鐵離子的濃度變化。此時硝氮和亞硝氮濃度在進水濃度上下穩(wěn)定波動，氨氮在距離柱底70cm出有明顯降低，而亞鐵濃度升高，表明柱內(nèi)的亞鐵與硝氮的反應(yīng)已經(jīng)趨于平衡，因此沒有氨氮繼續(xù)生成，此時三價鐵的濃度也在升高，三價鐵離子的作用主要是促進硝化反應(yīng)，銨態(tài)氮被氧化，濃度降低[5]。

3 結(jié)論

①地下水中Fe2+的存在直接影響了三氮的遷移規(guī)律。Fe2+通入前，三氮間硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮穿透模擬柱所需時間基本一致，趨于平衡，而NH4+因含水層介質(zhì)的吸附作用，其穿透時間較長。②鐵離子的存在對地下水環(huán)境中三氮的轉(zhuǎn)化具有極大的影響，故在地下水高濃度鐵的地下水環(huán)境下，不可忽視鐵離子的存在對三氮的影響。

參考文獻：

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