土壤含水层处理系统对再生水入渗过程中“三氮”去除的柱试验模拟

土壤含水层处理系统(soil aquifer treatment,SAT)是一种重要的人工回灌地下水方式。以再生水为回灌水源时,水中含有的"三氮"可能会对回灌区地下水造成污染风险。研究各种因素对在SAT中去除再生水中"三氮"的影响具有重要意义。本研究中,通过高200cm、内径50cm土柱试验,研究了SAT系统中粒径、干湿比(落干期与淹水期的比值)、在系统表层增加生物炭及渗透流速对实际再生水"三氮"去除效果的影响。结果表明,在干湿比1∶1条件下,实际河道细砂和中细砂柱底部出水中NH_4-N平均去除率分别为73%和66%,去除机理主要为吸附和硝化作用,NO_2-N基本被去除。系统中硝化作用导致NO_3-N浓度升高,出水中NO_3-N浓度平均增长了3.0%～4.1%。在深度115cm以上,中细砂柱内比细砂柱内的硝化作用更强,这导致了更高的NH_4-N去除率和更低的NO_3-N去除率。延长落干期后(干湿比3∶1),系统具有了更强的复氧能力,促进了硝化作用,使得NH_4-N的平均去除率提高了20%,而NO_3-N的降低了3%～4%,增加了NO_3-N污染风险。在中细砂层添加5%重量生物炭后,吸附性能增强,使其对NH_4-N平均去除率增加了20%～32%,但对NO_3-N影响不明显。渗透流速与NH_4-N的去除和NO_3-N的增加均呈负相关。综合分析可得出,影响SAT系统去除"三氮"的最主要因素是干湿比和渗透流速,在回补水源中NH_4-N浓度较高时,可考虑在SAT系统表层添加生物炭以增强其去除效果。     

再生水干湿交替回灌过程氮素动态变化特征研究

再生水地下回灌过程中,研究了前处理和含水层中氮污染物在干湿交替回灌过程中的变化特征。结果表明:回灌期间,在臭氧氧化作用下会发生硝化反应,使NH4-N平均浓度降低0.196 mg/L,NO_3-N平均浓度上升为2.26 mg/L。再生水进入含水层后,水中游离氧仍然较高(6.89 mg/L),注入井附近会继续发生硝化反应,使5#井中NH4-N下降至0.07 mg/L;NO_3-N浓度在3#井到5#井之间符合线性方程y=-0.172 8 x+31.245;NO_2-N在3#井、4#井和5#井中平均浓度分别为2.02 mg/L、2.023 mg/L和2.427 mg/L。非回灌期地下水中反硝化反应使NO_3-N降低了12.241 mg/L,NO_2-N均上升了0.918 mg/L。另外,TN的变化规律与NO_3-N类似,非回灌期5#井中TN的去除率达56.6%。     

干湿交替条件下包气带土柱中氮素迁移转化规律实验

干湿交替的回灌方法常被用于解决地面回灌补给地下水的堵塞问题。研究干湿交替条件下地面回灌对地下水的影响对于指导再生水回灌地下水具有重要实际意义。通过室内土柱模拟实验,在入渗强度为10.5 mm/h的条件下,日均进水量3 888 mL;用干湿交替的地面回灌模式持续运行136 d,累计灌入氨氮含量为5 mg/L的模拟再生水23 894 L,研究包气带土柱对氨氮的去除效果及氮素在包气带中的迁移转化规律。研究表明,充分利用包气带的好氧、兼氧和厌氧环境,生物脱氮是地下水回灌过程中脱氮的主要途径。包气带对氨氮的去除机理主要为土壤对氨氮的吸附作用和微生物的降解作用。回灌过程中累积在土颗粒表面的氨氮在干期发生硝化作用,干湿交替会加强氮素在包气带的迁移转化,导致干期后的回灌初期大量硝态氮迁移到饱和带地下水中。     

包气带水入渗过程中水化学组分运移规律研究

选择华北平原典型地区,利用多功能观测竖井,通过采集、测试包气带水溶液中的水化学组分,研究了包气带水在入渗过程中水化学组分的运移转化规律,利用氯质量平衡法分析了包气带水中化学组分变化机理。结果表明:(1)包气带水入渗过程可导致不同深度的包气带水化学组分浓度发生变化;(2)粘性土层对包气带水入渗有一定的阻碍作用,但在某些特定条件下,包气带水仍然可以穿过粘性土层,水中的化学组分亦随之下移;(3)包气带水向下运移过程发生了水化学组分的混合。     

柳林泉域岩溶水中SO2-4的来源探讨

SO2-4浓度偏高是晋西柳林泉域岩溶水的主要特色之一,判断SO2-4来源对于理解岩溶水的水文地球化学过程具有重要意义。在分析区域地质、水文地质条件及岩溶水中SO2-4浓度空间分布特征的基础上,利用化学计量学法、同位素质量平衡模型和Rayleigh蒸馏模型,分析了岩溶水中SO2-4的主要来源,计算了不同来源的SO2-4所占的比例和滞流区岩溶水中SO2-4的还原比例。结果显示,石膏的溶解和黄铁矿的氧化是柳林泉域岩溶水中SO2-4的主要来源,排泄区岩溶水中石膏溶解来源的SO2-4所占比例介于73%~88%之间,平均为81%;黄铁矿氧化来源的SO2-4占比12%~27%,平均为19%。滞流区发生了硫酸盐的还原作用,约有9%~15%的SO2-4被脱硫细菌还原为H2S气体,且越靠近西部边界,还原反应所消耗的SO2-4比例越高。     

冯家江流域水体中氮的空间分布特征

冯家江是北海市区重要的生态廊道。研究冯家江流域水体中氮的空间分布特征、污染来源、影响因素,对掌握冯家江流域氮污染现状及污染防控等具有重要的现实意义。本研究应用地统计学方法分析了冯家江流域地表水及沿岸地下水中氮污染物的空间分布特征。结果表明,地表水中氮污染物呈现出"高氨氮、低硝氮"的特征,NH_3-N质量浓度平均值高达5.42 mg/L,NO_3-N在孔隙潜水中明显富集,其质量浓度最高达32.63 mg/L。城镇生活污染物、人畜粪便及农业生产中化肥的施用是地表水、地下水中氮污染物的主要来源。pH值、氧化还原条件及包气带岩性结构和厚度是影响冯家江流域水体中氮污染物迁移转化的重要因素。     

柳林泉域岩溶水中SO_4~(2-)的来源探讨

SO_4~(2-)浓度偏高是晋西柳林泉域岩溶水的主要特色之一,判断SO_4~(2-)来源对于理解岩溶水的水文地球化学过程具有重要意义。在分析区域地质、水文地质条件及岩溶水中SO_4~(2-)浓度空间分布特征的基础上,利用化学计量学法、同位素质量平衡模型和Rayleigh蒸馏模型,分析了岩溶水中SO_4~(2-)的主要来源,计算了不同来源的SO_4~(2-)所占的比例和滞流区岩溶水中SO_4~(2-)的还原比例。结果显示,石膏的溶解和黄铁矿的氧化是柳林泉域岩溶水中SO_4~(2-)的主要来源,排泄区岩溶水中石膏溶解来源的SO_4~(2-)所占比例介于73%~88%之间,平均为81%;黄铁矿氧化来源的SO_4~(2-)占比12%~27%,平均为19%。滞流区发生了硫酸盐的还原作用,约有9%~15%的SO_4~(2-)被脱硫细菌还原为H2S气体,且越靠近西部边界,还原反应所消耗的SO_4~(2-)比例越高。     

临淄地区地下水中氮的水文地球化学行为

临淄地区地下水普遍受到氮的污染其主要形式为ＮＯ３＾－、ＮＯ２＾－和ＮＨ４＾＋三种溶解离子态。这三种离子在包气带及其上部土壤层中产生交换吸附及氧化还原现象。实验表明：该区土壤对ＮＨ４＾＋的吸附净化率９９％以上，且吸附量由层表向下递减；同时有Ｃａ＾２＋等被解吸，导致地下水总硬度增高，其总硬度与Ｃａ＾２＋的历时曲线完全相似；氮在包气带中的氧化还原反应主要表现为一级硝化作用。     

纳米铁还原脱氮动力学及其影响因素

饮用水中硝酸盐(NO3-)对人体健康有危害。为了去除水溶液中NO3-,在实验室制得纳米铁颗粒。它的粒径为20～40 nm,比表面积(BET)为49.16 m2/g。本研究通过批实验考察了纳米铁对NO3-还原脱氮动力学性质和影响NO3-脱氮快慢的主要因素,如反应pH、纳米铁投加量和NO3-起始浓度。实验结果表明,pH越低越有利于NO 3-还原。在一定范围内,NO 3-还原速率随纳米铁投加量增加而增大,而随NO 3-起始浓度升高而降低,反应遵循准一级反应动力学方程,表面吸附和氧化还原反应是纳米铁对NO3-脱氮的主要去除机理。纳米铁对NO3-还原过程中可能反应的途径进行了讨论,NO3-还原产物取决于反应条件。在本研究条件下,纳米铁对NO3-脱氮的最终产物主要为NH4+-N而不是N2,必须进行更多的研究来解决这一问题。     

灌溉对非饱和带中砷迁移转化过程的影响

通过场地灌溉试验,探讨了灌溉活动对非饱和带中砷迁移转化过程的影响机理。结果表明:灌溉过程中非饱和带中砷的迁移转化受多个地球化学过程共同控制,非饱和带pH值、Ec值、SO_4~(2-)和HCO_3~-与As的竞争吸附以及氧化还原条件的波动都会影响土壤孔隙水中砷的质量浓度。灌溉活动导致土壤处于相对还原环境,铁氧化物矿物还原溶解,被吸附或与之共沉淀的砷被释放进入水相,灌溉结束后,土壤逐渐恢复相对氧化环境,重新生成铁氧化物矿物,土壤孔隙水中砷以吸附/共沉淀形式被其固定。因此,通过改变非饱和带氧化还原条件导致铁氧化物矿物的沉淀/溶解是灌溉作用下非饱和带水体中砷迁移转化的主要原因。     

井上下联合处理矿井水中污染物效果研究

为了去除矿井水中多种污染物,建立了"采空区+常规处理+深度处理"的井上下联合处理工艺组合。结果表明:受煤矿顶板含水层水岩作用,矿井水中Cl-、SO₄2-和Fe离子出现了超标现象,有的甚至达到Ⅴ类地下水标准;溶解性有机质含量较低,以大分子和芳香族化合物为主。采空区主要利用其顶板岩石破碎充填物吸附过滤矿井水中悬浮物,对Fe离子和有机质也有一定的处理效果,Fe离子去除率约20%,TOC和UV₂₅₄的平均去除率分别为67.45%和65.40%。常规处理工艺对F-的去除率为11.90%~35.21%,铁锰离子则完全被去除;由于前端好氧沉淀池,硝酸盐和有机质含量略有升高,其中增加的有机质主要为溶解性微生物代谢产物。深度处理工艺对常规离子、硝酸盐、氟离子、有机质等有较好的去除效果,去除率均在95%以上。总体上,在采空区和常规处理工艺去除悬浮物和部分污染物的基础上,再利用深度处理工艺完成绝大部分污染物的去除,是一套比较有效的矿井水处理工艺组合。      

河床起伏条件下生物堵塞对潜流带氮素迁移转化的影响

生物作用造成河床於堵普遍存在,并受到多种环境因素的影响.以往研究较少考虑生物堵塞对潜流带氮循环的影响.采用数值模拟方法建立水流-溶质运移-生物生长耦合模型,模拟河床驱动下的潜流交换过程,探讨生物堵塞作用对氮素迁移转化的影响.研究表明:生物作用导致沙丘表面形成堵塞层和生物聚集区,并限制了NO_3~-的运移深度,潜流带中以NH_4~-为主;河水中充足的有机碳会增大堵塞程度,促进反硝化作用去除NO_3~-;强烈的河床起伏和较大的河流流速均会增大沙丘表面的压力差,增大堵塞范围和细菌生物量,从而加快硝化和反硝化作用速率,有利于NO_3~-、NH_4~-的去除.生物堵塞作用有利于氮污染物的去除,且主要受到河床表面的压力梯度和异养细菌生物量的影响.     

土壤含水层处理系统对再生水入渗过程中"三氮"去除的柱试验模拟

土壤含水层处理系统(soil aquifer treatment,SAT)是一种重要的人工回灌地下水方式。以再生水为回灌水源时,水中含有的“三氮”可能会对回灌区地下水造成污染风险。研究各种因素对在SAT中去除再生水中“三氮”的影响具有重要意义。本研究中,通过高200 cm、内径50 cm土柱试验,研究了SAT系统中粒径、干湿比(落干期与淹水期的比值)、在系统表层增加生物炭及渗透流速对实际再生水“三氮”去除效果的影响。结果表明,在干湿比1∶1条件下,实际河道细砂和中细砂柱底部出水中NH₄-N平均去除率分别为73%和66%,去除机理主要为吸附和硝化作用,NO₂-N基本被去除。系统中硝化作用导致NO₃-N浓度升高,出水中NO₃-N浓度平均增长了3.0%4.1%。在深度115 cm以上, 中细砂柱内比细砂柱内的硝化作用更强,这导致了更高的NH₄-N去除率和更低的NO₃-N去除率。延长落干期后(干湿比3∶1),系统具有了更强的复氧能力,促进了硝化作用,使得NH₄-N的平均去除率提高了20%,而NO₃-N的降低了3%4%,增加了NO₃-N污染风险。在中细砂层添加5%重量生物炭后,吸附性能增强,使其对NH₄-N平均去除率增加了20%32%,但对NO₃-N影响不明显。渗透流速与NH₄-N的去除和NO₃-N的增加均呈负相关。综合分析可得出,影响SAT系统去除“三氮”的最主要因素是干湿比和渗透流速,在回补水源中NH₄-N浓度较高时,可考虑在SAT系统表层添加生物炭以增强其去除效果。     

宁波市不同粒径颗粒物中无机离子污染特征研究

细颗粒物(PM_(2.5))对气候、空气质量和人体健康具有显著影响,水溶性无机离子是PM_(2.5)主要成分。在2018-01-24至2018-02-20期间,宁波地区经历了一系列低温和PM_(2.5)浓度较高的天气过程,利用在线离子色谱(MARGA)和颗粒物化学组分监测仪(ACSM)监测宁波气溶胶的无机离子,研究了PM_(2.5)和亚微米细颗粒物(PM_(1.0))中硫酸根(SO_4~(2-))、硝酸根(NO_3~-)和铵根(NH_4~+)(三者统称为SNA)的变化特征。结果表明,SNA的质量浓度均与PM_(2.5)有明显正相关;随PM_(2.5)质量浓度的增加,SO_4~(2-)当量浓度(摩尔浓度×所带电荷数)百分比呈现减少趋势,而NO_3~-百分比呈现增加趋势;NH_4~+百分比未呈现明显变化趋势;NH_4~+主要分布在1.0μm以下粒径的颗粒物中,SO_4~(2-)主要分布在1.0～2.5μm的粒径的颗粒物中;PM_(2.5)中NH_4~+当量浓度百分比低于PM_(1.0)。0～1.0μm粒径段的颗粒物中NH_4~+可以完全中和SO_4~(2-)和NO_3~-,形成硫酸铵和硝酸铵,还可形成其他形态的铵盐;1.0～2.5μm粒径段的颗粒物中NH_4~+不能完全中和SO_4~(2-)及NO_3~-,NH_4~+当量浓度低于SO_4~(2-)和NO_3~-两者当量浓度之和,SNA主要以硝酸铵和硫酸铵形式存在,还存在其他形态的硝酸盐或硫酸盐。本次工作通过对PM_(2.5)和PM_(1.0)中SNA存在形式及其在不同粒径中主导成分的研究,为宁波市大气污染特征的了解提供科学依据。     

洛河冲积平原包气带对入渗水污染物净化能力研究

包气带是地下水补给和地下水污染的主要通道,包气带的性质直接控制了地下水的污染化速度和程度。文章以洛阳市区洛河河床岩性(以砂砾石为主)以及由亚粘土、亚砂土、中细砂等介质构成的包气带为研究对象,分析河床和包气带对污染物的自净能力,并对其天然的自净机制进行了简要分析,结论如下:洛河河床岩性对各种污染物(NO3-除外)的净化能力均达到90%以上;亚粘土、亚砂土、中细砂等包气带介质层对重金属(Cu2+等)有很强的净化能力,而对Cl-、Cr6+的净化能力则较弱,在短时间内介质中就达到饱和而失去净化能力;在环境条件相近及水文地质条件基本相同的条件下,包气带厚度与地下水的污染程度呈负相关关系;污水经过包气带,能有效地去除污水中的有害物质,防止地下水污染。 更多还原     

氢气还原针铁矿紫外光协同催化双氧水氧化气体中甲醛

甲醛作为一种致畸、致癌的高毒性有机污染物,对人体健康构成威胁,如何有效去除气体中的甲醛是关注的热点问题之一。采用粒径0.84～3.35 mm的天然针铁矿矿石于300℃氢还原转化为磁铁矿纳米材料,将纳米磁铁矿固定床非均相Fenton氧化反应器与紫外光催化双氧水氧化反应器串接,对比研究了双氧水、双氧水-紫外光、磁铁矿-双氧水、磁铁矿-双氧水-紫外光4种不同反应体系中双氧水投加量、甲醛初始浓度、载气流量对甲醛净化效率的影响。通过小型质谱仪对甲醛Fenton光催化氧化产物进行在线监测及TOC碳平衡分析,探讨甲醛净化的机理。结果显示制备的磁铁矿作为催化剂去除甲醛气体效果明显,在紫外光-10%双氧水-磁铁矿协同作用下,最高去除率可达98%,且在不同气速下对气体中不同浓度的甲醛都有很好的净化效果。研究结果表明,制备的磁铁矿纳米材料催化剂在去除甲醛气体过程中起着重要作用,经紫外光均相催化的双氧水协同作用可以在常温下很好地把气体中的甲醛氧化为CO₂,是一种低成本的有机废气净化技术方法。     

潮白河流域人工复合土层系统去除甲氧苄氨嘧啶的模拟研究

基于潮白河流域再生水的场地回灌,为提高抗生素甲氧苄氨嘧啶(TMP)的去除率,降低其进入地下水的风险,选用价格低廉对TMP有高效去除性能的黏土陶粒作为吸附剂,构建去除TMP的人工复合土柱。吸附实验研究结果显示黏土陶粒对TMP吸附容量达到151.824μg/g,具有去除再生水中TMP能力;TMP在黏土陶粒解吸过程中存在解吸滞后性的现象。柱实验研究结果表明此人工复合土柱能够有效地去除再生水中TMP,去除率高于95%,其去除机制主要是吸附与生物降解协同作用。本研究建立的人工复合土层系统能有效地去除再生水中TMP,对实际场地回灌工程具有指导性作用。     

邯郸市冬季一次霾过程中细颗粒物化学组分的污染特征及消光贡献

近年来京津冀地区大气环境污染受到广泛关注,邯郸作为京津冀南部地区燃煤为主的工业城市之一,大气污染问题较为突出。为厘清邯郸市冬季大气重污染发生时细颗粒物(PM_(2.5))中主要化学成分的形成过程及光学特性,本研究于2016年1月23～30日,采集了PM_(2.5)样品,测定了水溶性离子组分和碳质组分的质量浓度,探讨了PM_(2.5)污染特征,在此基础上进一步分析了PM_(2.5)的光学特性。结果表明,采样期间PM_(2.5)平均质量浓度为(122.6±66.9)μg/m~3,水溶性离子占PM_(2.5)的36.0%,SO_4~(2-)、NO_3~-和NH_4~+3种离子(SNA)占水溶性离子的74.7%,是邯郸市PM_(2.5)中最主要的水溶性离子。有机碳(OC)与元素碳(EC)平均质量浓度分别为(35.6±24.0)μg/m~3和(10.4±8.0)μg/m~3,分别占PM_(2.5)的29.2%和7.5%。重污染期间PM_(2.5)平均质量浓度为216.3μg/m~3,是清洁时段(58.6μg/m~3)的3.7倍,且重污染期间EC、SNA和OC的质量浓度涨幅较明显。采样期间大气消光系数平均值为(780.9±439.1)Mm~(–1),有机物(OM)、EC、(NH_4)_2SO_4和NH_4NO_3的消光贡献依次为51.4%、12.3%、11.4%和11.3%。重污染期间大气消光系数为(1351.9±208.5)Mm~(–1),EC和NH_4NO_3消光系数的增长幅度高于其他组分,说明邯郸市大气重污染发生时需要加强关注EC和NH_4NO_3。     

潮白河流域人工复合地层系统去除甲氧苄胺嘧啶的模拟研究

基于潮白河流域再生水的场地回灌,为提高抗生素甲氧苄氨嘧啶（TMP）的去除率,降低其进入地下水的风险,选用价格低廉对TMP有高效去除性能的黏土陶粒作为吸附剂,构建去除TMP的人工复合土柱。吸附实验研究结果显示黏土陶粒对TMP吸附容量达到151.824 μg/g,具有去除再生水中TMP能力;TMP在黏土陶粒解吸过程中存在解吸滞后性的现象。柱实验研究结果表明此人工复合土柱能够有效地去除再生水中TMP,去除率高于95%,其去除机制主要是吸附与生物降解协同作用。本研究建立的人工复合土层系统能有效地去除再生水中TMP,对实际场地回灌工程具有指导性作用。     

元素硒的无机氧化动力学研究Ⅱ:硝酸与二氧化锰的氧化

地球表生环境中还原态硒的氧化释放是生物可利用态硒的重要来源,为了解元素Se氧化至硒氧离子过程的反应动力学机制和规律,使用~(74)Se-~(77)Se同位素双稀释剂硒浓度测定技术,开展了HNO_3、MnO_2氧化元素Se的实验研究。结果表明,两者均可将元素Se氧化为Se~(4+),且产物较为单一。HNO_3和MnO_2氧化元素Se的过程可分别用拟一级和零级动力学方程描述,其反应速率常数分别为0.0045h~(-1)和0.033μg·m L~(-1)·h~(-1)。从实验数据和动力学模拟推测,NO_3~-离子向固体元素Se内部扩散是NO_3~-氧化元素Se反应的控制步骤,固体MnO_2与元素Se的反应则主要与Se表层原子活化的量密切相关。