土壤中銨態(tài)氮與重金屬共存時(shí)的運(yùn)移實(shí)驗(yàn)與模擬研究.pdf

1、土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是人類社會的生存基礎(chǔ)。隨著工業(yè)的發(fā)展，生活污水的大量排放、采礦冶煉、垃圾的淋濾、礦山尾礦廢液的排放、大氣沉降、農(nóng)業(yè)上的污水灌溉、農(nóng)藥化肥的大量施用等，使得土壤污染尤其是重金屬和氮肥污染狀況日趨嚴(yán)重，同時(shí)，也造成了土壤中重金屬Cu、Pb、Zn、Cd等重金屬與NH4+共存的現(xiàn)象。通常情況下，一般認(rèn)為上述元素在土壤中是很難遷移的，也就是說它們往往積聚在土壤表層。但由于土壤是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其中會發(fā)生一系列的物

2、理、化學(xué)及生物的反應(yīng)過程，在某些情況下，重金屬Cu、Pb、Zn、Cd等與NH4+將向土壤深部運(yùn)移，對土壤的污染范圍將會增大，甚至污染地下水。因此，研究土壤中的重金屬和銨態(tài)氮在不同理化條件下的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，對防治環(huán)境污染和修復(fù)已污染土壤具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。
　　 本文以較為常見的銅、鋅、鎘三種重金屬和無機(jī)氮中的銨態(tài)氮作為研究對象，分析了重金屬和銨態(tài)氮共存條件下，在取自青島地區(qū)的棕壤中的吸附特性；揭示了重金屬和銨態(tài)氮在不同

3、pH和離子強(qiáng)度條件下的遷移規(guī)律及作用機(jī)制；并進(jìn)一步探.討了兩種重金屬與銨態(tài)氮共存時(shí)，競爭吸附作用對其遷移規(guī)律和作用機(jī)理的影響。進(jìn)而應(yīng)用美國鹽土室開發(fā)的CXTFIT2.1軟件，模擬了重金屬和銨態(tài)氮在棕壤土柱中的遷移特征曲線，獲得了擬合參數(shù)：最后運(yùn)用這些參數(shù)對土壤不同埋深條件下重金屬和銨態(tài)氮的遷移行為進(jìn)行了預(yù)測。
　　 通過等溫靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)和土柱混合置換實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：
　　 1)靜態(tài)等溫吸附實(shí)驗(yàn)中，棕壤對重金屬和銨態(tài)氮

4、的吸附量隨著pH的增加而增大。棕壤對Cu/Zn/Cd的吸附分配系數(shù)Kd隨初始加入濃度的增大而降低，表明隨著平衡液中重金屬濃度的增大，吸附率降低。棕壤對三種重金屬吸附能力的大小順序?yàn)镃d>Cu>Zn。用Langmuir和Freundlich方程對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，其確定性系數(shù)都達(dá)到了0.9以上（除Langmuir對Cu的擬合外），擬合效果均較好。Freundlich模型和Langmuir模型對NH4+的擬合效果都非常好，R2均大于0.99。<

5、br>　　 2)與Br的BTCs相比，pH和離子強(qiáng)度對重金屬和銨態(tài)氮BTCs的形狀及峰值等有影響。重金屬和銨態(tài)氮的BTCs均呈現(xiàn)出不同程度的非對稱性，BTCs的解吸部分均出現(xiàn)較長的拖尾。低pH時(shí)，重金屬和銨態(tài)氮的運(yùn)移較快，出流略早，峰值較高。這可能是因?yàn)椋簩χ亟饘賮碚f，pH較低時(shí)，在土壤顆粒表面的吸附以靜電吸附為主，H+濃度升高，達(dá)到破壞介質(zhì)表面官能團(tuán)與重金屬離子所形成的絡(luò)合物的濃度，使吸附態(tài)的重金屬離子交換解吸，進(jìn)入到土壤溶液中去。

6、隨pH升高，更多的重金屬離子被絡(luò)合，不易發(fā)生解吸作用。pH繼續(xù)升高，超過一定值后，會產(chǎn)生沉淀，導(dǎo)致溶解于土壤溶液中的重金屬離子迅速減少。對銨態(tài)氮來說，pH升高使土壤溶液中的OH增多，與NH4+反應(yīng)生成了NH3，減少了其在土壤表面的吸附，從而使吸附量急劇減小。
　　 3)隨著離子強(qiáng)度的增大，重金屬和銨態(tài)氮在棕壤中的吸附量逐漸降低，這可能是由于代表離子強(qiáng)度的Na+大量占據(jù)介質(zhì)表面的負(fù)電荷點(diǎn)位，從而降低了電性吸附作用，使其電性吸附點(diǎn)位

7、吸附的離子趨于飽和。另外，離子強(qiáng)度的增加也導(dǎo)致重金屬和銨態(tài)氮與Na+間相互作用力增加，使其離子活度系數(shù)減小，有效濃度降低，加速了重金屬和銨態(tài)氮在溶液中的遷移。
　　 4)在競爭實(shí)驗(yàn)中，三種金屬離子與NH4+吸附能力的順序?yàn)椋篘I-14+>Cu2+>Cd2+>Zn2+。這與單一重金屬元素的結(jié)果有差異（單一重金屬與銨態(tài)氮共存時(shí)，吸附能力的順序?yàn)閆n2+>Cu2+>Cd2+>NH4+），引起這種差異的原因可能與金屬元素的離子半徑和水解

8、常數(shù)等性質(zhì)有關(guān)。在兩種重金屬銨態(tài)氮競爭條件下，NH4+的吸附能力最強(qiáng)，而在單一重金屬存在時(shí)，吸附能力最小，這可能是因?yàn)楦偁帡l件下，重金屬離子濃度成倍增加，相互抑制了重金屬離子的吸附，反而增加了土壤顆粒對NH4+的吸附。
　　 5)用LEA模型對Br"的BTCs進(jìn)行擬合，得到的，r2>0.9，MSE<0.0094。采用TRM擬合得到的動水體所占的比例接近于l，在研究重金屬和銨態(tài)氮在棕壤土柱中遷移時(shí)，可忽略物理非平衡的影響。將靜態(tài)吸

9、附的數(shù)據(jù)，用Langmuir、Freundlich方程等方法得到的Rd值用于擬合過程，發(fā)現(xiàn)各種擬合方法普遍低估了BTCs的拖尾部分，這說明將靜態(tài)吸附方法求得的參數(shù)用于遷移實(shí)驗(yàn)有一定的局限性。
　　 6)由TSM數(shù)學(xué)模型對不同實(shí)驗(yàn)條件下重金屬和銨態(tài)氮的遷移行為進(jìn)行描述可以看出，BTCs的擬合的r2>0.9，MSE<0.010，這就說明應(yīng)用TSM能較好地描述重金屬的遷移行為。TSM擬合重金屬和銨態(tài)氮得出的w值均遠(yuǎn)小于100，a值變化