含沙水環境中影響水質監測結果的因素分析

蘇 琴

(新疆維吾爾自治區水文局水環境監測中心，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

水作為生物生存不可或缺的因素之一，其品質的高低直接決定了環境的多樣性[1]。我國北方地區由于黃土地質較為發達，植被覆蓋程度降低，水體中泥沙含量較高，導致北方許多河流為典型含沙水環境[2]。同普通水環境一樣，在含沙水環境中包含著大量的污染物，嚴重影響水質的評價等級與安全使用[3]。氨氮作為水體富營養化的一種典型的污染物，在水環境中通常以氨態氮、硝態氮和氮氨的形式存在[4]。水環境中氨氮含量偏高會導致水體中藻類的生長和堆積，進而影響其他水下植物進行光合作用，致使水體中溶解氧的濃度降低，當水體長期處于缺氧環境下時，會促進水中厭氧細菌的分解作用，產生大量刺激性氣味[5]。并且水體中的金屬元素也會由于氧氣缺乏而向黑色物質轉變，最終導致水體出現黑臭等極端現象[6]。因此，針對含沙水環境中氨氮分解的研究顯得相當重要，本文以含沙水環境中原狀水為基礎，對影響氨氮濃度降解的因素進行分析。

2 試驗方案與試驗原理

2.1 試驗原理

氨氮濃度的測定使用納氏試劑比色法[7]，該方法的主要原理是利用碘化汞和碘化鉀的堿性溶液與氨發生化學反應后生成棕色膠態化合物的試驗方法，且生成的棕色膠態化合物的顏色深淺直接與氨氮含量相對應，依據顏色深淺不同所反應出來的波長差異，進而直接確定河流取樣水中氨氮含量濃度值。

2.2 試驗方案

為對氨氮降解的因素進行分析，選定水環境中直接影響氨氮濃度的幾個因素，包括水體穩定、水體pH值、氨氮的初始濃度和含沙水環境中泥沙的分布特征等4個因素進行量化分析，制定的試驗方案分別改變原狀水中的溫度、pH、氨氮初始濃度和泥沙分布狀態，試驗方案分別見表1～表4。

表1 溫度對氨氮降解速率影響試驗參數

表2 pH值對氨氮降解速率影響試驗參數

表3 氨氮初始濃度對氨氮降解速率影響試驗參數

表4 泥沙分布狀態對氨氮降解速率影響試驗參數

3 試驗結果分析

3.1 溫度

分別對不同溫度下氮氨濃度每天進行測量，直至氮氨濃度接近于0 mg/L為止，得到的氮氨變化曲線見圖1。

圖1 不同溫度下氮氨降解速度

由圖1可知，在其他試驗條件相同前提下，溫度不同水樣氨氮降解速度不一致。其中，當水樣溫度為28℃時，水樣中氨氮降解速度最快，其平均降解速度達到2.83 mg/(L·d)，在本次試驗中水樣溫度為20℃時，氨氮降解速度最慢，其平均降解速度為2.70 mg/(L·d)，當水樣溫度為25℃和30℃時，水樣中氨氮平均降解速度居中，約為2.76 mg/(L·d)。出現這一現象的原因為水體中的消化細菌和微生物活性不一致，相關學者研究表明[8]，硝化反應最適應的溫度為30℃～35℃，并且溫度的變化直接影響水體中硝化細菌的數量和反應速度。當溫度在5℃以上時，水體中的硝化細菌的數量和反應速度隨著水文的增加逐漸增加，當溫度為28℃時達到峰值，隨著溫度的繼續增加，水體中硝化細菌的數量不在持續增加，反應速度逐漸降低，因此當水樣溫度為28℃時，水樣較適合硝化細菌和微生物的生長和反應速度，使得水樣氨氮降解速度最高。

3.2 pH值

依據試驗方案中水樣pH值不一致，連續多天測得水樣中氨氮濃度見圖2。

圖2 不同pH水樣中氨氮降解速率

由圖2中不同pH濃度水樣中氨氮降解速率可以得到，當水樣pH為5時，氨氮濃度降解速率最慢，其平均降解速度為1.82 mg/(L·d)，當水樣pH為7時，氨氮濃度降解速率最快，其平均降解速度為2.32 mg/(L·d)，當水樣pH為6和pH為8時，氨氮濃度降解速率居中，其平均降解速率分別為2.16 mg/(L·d)和2.18 mg/(L·d)。由此可見，當水樣pH由5增加至8時，水樣氨氮降解速率呈現先增加后降低的趨勢，當pH為7時，水樣氨氮降解速率達到最大值。由于氨氮濃度降解速率直接受到水樣中硝化細菌和微生物的數量和反應速率影響，且硝化細菌對水樣pH值相當敏感，研究表明[9]，當水體pH值為6.5～7.5時，此時硝化細菌活性最強，當pH值超過此范圍時，硝化細菌活性會受到抑制。因此，文中當水樣pH為5～8時，水樣氨氮降解速度呈現先增加后降低的狀態，且當pH為7時，水樣氨氮降解速率達到最大值。

3.3 氨氮初始濃度

依據不同初始濃度試驗水樣氨氮降解速率，得到氨氮降解速率與初始濃度之間的關系，見圖3。

圖3 初始濃度對氨氮降解速度的影響

由圖3中氨氮降解速率與初始濃度之間關系可以看出，氨氮初始濃度越高，水樣中氨氮降解所消耗的時間越長。當氨氮初始濃度為19.5 mg/L時，氨氮降解過程需要的時間為10天，氨氮平均降解速度為1.93 mg/(L·d)；當氨氮初始濃度為19.5 mg/L時，氨氮降解過程需要的時間為4天，氨氮平均降解速度為2.06 mg/(L·d)；由此可以得出，氨氮初始濃度越高，氨氮平均降解速度越慢，出現這一現象的原因是隨著氨氮濃度的增加，水樣中非離子氨含量也逐漸增加，非離子氨含量對水樣中微生物有一定毒害作用，抑制水體中微生物的活性，導致微生物對氨氮的降解速率有所降低，具體表現為氨氮初始濃度越高，水樣氨氮降解速率越慢。

3.4 泥沙分布狀態

依據泥沙在水體中的分布特征，將泥沙分為三種狀態，靜止狀態、半懸浮狀態和充分懸浮狀態，分別得到對應狀態下氨氮降解過程，見圖4。

圖4 泥沙狀態對氨氮降解速率影響

由圖4中泥沙狀態與氨氮降解速率之間的影響因素可以看出，泥沙處于充分懸浮狀態時，氨氮降解速度最快，其平均降解速度為2.91 mg/(L·d)；泥沙處于靜止狀態時，氨氮降解速度最慢，其平均降解速度為2.31 mg/(L·d)，且整個降解過程持續時間最長。當泥沙處于半懸浮狀態時，氨氮降解速度居中，其平均降解速度為2.36 mg/(L·d)。由此可以得出，含沙水環境下，泥沙的狀態對氨氮的降解速率有較為明顯的影響，分析其中緣由為，水樣中氨氮的降解需要水樣中硝化細菌和微生物的作用，當水樣中泥沙處于靜止狀態是，此時泥沙大量堆積于實驗器皿底部，泥沙與水之間無法充分的接觸。當泥沙處于充分懸浮狀態時，泥沙顆粒在水樣中處于完全分散的狀態，泥沙與水體充分接觸。泥沙作為水體中硝化細菌和微生物的載體，其與水體的接觸程度直接決定了水體中硝化細菌與微生物的反應速度，因此表現為當泥沙處于充分懸浮狀態時，水樣氨氮降解速度最快。

綜上所述，水樣的溫度、酸堿度、氨氮初始濃度和含沙水環境中泥沙的狀態都直接影響了水樣中氨氮的降解速度，進而影響水質監測結果評價值，因此，在對水樣水質監測結果進行評價時，要選取合適外界參數。

4 結論

為分析含沙水環境中影響氨氮濃度降解的因素，分別對水體溫度、酸堿度、氨氮初始濃度和含沙水環境泥沙狀態對氨氮降解速率進行量化研究，得到如下結論：

(1)當水體溫度有25℃上升至30℃時，氨氮的降解速率先增加后降低，當水體溫度為28℃時，氨氮降解速率達到最大值；當水體pH由5上升至8時，氨氮的降解速率先增加后降低，當水體pH為7時，氨氮降解速率達到最大值；氨氮的降解速率受到水體中硝化細菌和微生物速率和反應速度直接相關。

(2)水體中氨氮初始濃度越高，非離子氨含量越高；非離子氨對水樣中微生物有毒害作用，能夠抑制水體中微生物的活性；氨氮初始濃度越高，水樣氨氮降解速率越慢。

(3)含沙水環境中泥沙分布越散亂，泥沙攜帶的微生物與水體接觸越好，促進水體氨氮降解效果越明顯。