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《吉林大学》 2011年
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氨氮在弱透水层中的渗透迁移规律研究

朱雅宁  
【摘要】:近年来人们逐渐认识到地下水系统中作为隔水层的粘性土层有部分的弱透水层,发生越流时,相邻含水层通过弱透水层交换的水量相当大。水资源的紧缺和浅层地下水水质的不断恶化造成中深层地下水的大规模开采,目前,地下水开发已处于严重超采状态。深层承压水水位急剧下降,当承压水水位低于潜水水位时,潜水会通过弱透水层越流补给承压水,使位于潜水含水层中的污染物进入承压含水层,造成深层地下水的污染。因此弱透水层的渗透性和污染物在弱透水层中的迁移规律已经成为地下水污染控制和治理中一个重要的研究课题。 本文在查阅国内外相关文献的基础上,采用理论研究和实验室模拟相结合的研究方法,系统分析了氨氮这种地下水常见的污染物在经过弱透水层渗透进入深层地下水的过程中的迁移形式、浓度衰减规律,迁移转化机理其与越流水动力场的关系以及不同pH、硬度、氧化还原条件等对此过程的影响,在此基础上,应用数学模型对氨氮在弱透水层的迁移过程进行模拟。此研究为揭示深层地下水的氮污染规律及探索地下水污染修复提供理论和实验依据。 本文主要实验研究可分为三个部分:静态吸附实验、动态吸附实验、土柱渗透迁移实验。 静态和动态吸附实验主要讨论了氨氮在粘土(层)中的静态、动态吸附过程及其影响因素,总结了氨氮在供试粘土中的吸附特征,并给出了氨氮的吸附动力学方程和动态吸附模型。结果表明:(1)粘土对氨氮的吸附能力很强,大约120min就基本趋于吸附平衡,平衡吸附率达到70%以上。根据实验数据建立的粘土对氨氮的吸附动力学方程拟合曲线与实测曲线不仅吻合度高,而且方程中各参数物理意义明确,与经典动力学方程相比,具有一定的优越性。(2)粘土吸附氨氮的过程符合Langmuir和Freundlich吸附等温曲线,属于单分子层吸附。当氨氮浓度较低时(c15mg/L),氨氮吸附更符合Henry等温线。粘土对氨氮的吸附主要是依靠分子引力和离子键力。(3)弱透水层对氨氮表现出很强的阻截能力。这不仅是由于粘土对氨氮的吸附能力强,还与弱透水层的特殊的孔隙结构有关。氨氮的下渗伴随着微孔隙中结合水向自由水的转化过程,使氨氮与粘土颗粒的接触更为直接和充分。将动态吸附穿透曲线中的数据采用Origin软件进行拟合,得出模型公式:Origin软件拟合出氨氮在粘土层中吸附穿透曲线的模型回归公式具有较高的精度,可以很好的反映水溶液中氨氮在供试粘土层中的动态吸附过程。 土柱渗透迁移实验主要分析了弱透水层的渗透特征、氨氮污染物在以结合水充满为主的弱透水层中运移的水动力场特征、氨氮的迁移形式及浓度衰减规律、氨氮迁移转化机理及其与越流水动力场的关系以及不同条件下对氨氮在弱透水层中的越流迁移和被阻滞特征等的影响。结果表明:(1)地下水通过弱透水层越流迁移的过程主要是克服结合水抗压阻力,使结合水向自由水转化的过程,渗透性很小。在施加较大外压的条件下,粘土微孔隙通道中部分结合水转化为重力水,渗透水流量达到稳定,渗透规律符合达西定律。本研究中弱透水层的渗透系数为6.27×10-7cm/s。(2)氨氮通过弱透水层后去除率可达98%以上。弱透水层对污染物的去除机理与上部含水层不同,氨氮的去除主要依靠吸附作用。因此,在弱透水层中,氨氮不易转化为其他形式,主要以NH4+的形式迁移。(3)渗透液的pH条件对粘土层去除氨氮污染有一定影响。基于地下弱透水层的还原环境及粘土固相物质对溶液pH的缓冲作用,硝化反应受到抑制,渗透液的pH对氨氮生物转化作用的影响很小,pH对弱透水层去除氨氮的影响主要体现在对氨氮吸附作用的影响上。(4)氧化还原条件主要影响硝化作用的发生,弱透水层在缺氧的状态下生物作用弱,因此渗透液的氧化还原条件对氨氮在弱透水层的迁移表现出微弱的影响。(5)弱透水层对氨氮的强烈吸附是表面吸附和离子交换吸附共同作用的结果,但氨氮迁移量受离子交换作用影响不大,因此表面吸附是弱透水层吸附氨氮的主导因素。离子交换吸附是一种可逆反应,具有不稳定性,因此它对氨氮的去除并不彻底。当渗透液硬度大或者含有其他交换能力较强的阳离子时,与氨氮产生吸附竞争,会导致氨氮穿透时间提前。(6)在实验所得数据的基础上估算出各模型参数,通过数学变换对氨氮在弱透水层中的迁移进行模拟。模拟结果与实验结果基本符合,一定程度上可以预测氨氮在弱透水层中的变化。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X523

【引证文献】
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【同被引文献】
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