水环境中泥沙作用的研究进展及分析

泥沙的环境作用
水环境系统中，泥沙通过对污染物质的吸附 与解吸，直接影响着污染物质在水固两相间 的赋存状态。同时，伴随着泥沙在水体中的 运动，污染物质在水体和底泥之中的赋存状 态也发生着变化。因此，泥沙与水流共同成 为污染物的主要载体，影响着污染物在水体 中的迁移转化过程，从而最终影响着水生态 环境的状态。这种作用，可以称为泥沙的环 境作用。
四．通过对辽河泥沙对CODCr测定值 的影响分析，发现辽河泥沙含量对 CODCr测定值有显著影响，悬浮物测 定值与原状水CODCr含量有明显的正 相关关系。
五.通过采集长江口表层泥沙和水中悬沙，进行泥沙吸 附有机物的实验，证明泥沙对微量甲苯、乙苯、四 氧化碳、乙烯、氯苯和对一二氯苯都具有一定的吸 附作用。
由于一般采用吸附动力学方程描述解吸过程，因此解 吸过程中吸附和解吸系数的相对关系十分重要。有研究 者提出对应泥沙吸附和解吸重金属状态，相应有两个吸 附速率系数。但已经进行的研究工作对于吸附系数和解 吸系数在吸附和解吸过程中出现差异的原因，都未进行 深入的研究。未来的研究工作，需要探讨是否有可能建 立吸附、解吸系数与影响因素的数学表达式，从而建立 统一的吸附-解吸数学模式，这是把实验研究和理论模 式推广应用到天然水体的关键因素之一。
(3)与水合氧化铁、氧化锰结合，环境变化时会 部分释放的铁锰水合氧化物结合态； (4)进入或包裹在有机质颗粒上，同有机质发生 螯合或生成硫化物，较稳定的有机硫化物和硫 化物结合的残渣态。一定区域的分析结果表明， 残渣态、硫化物或有机结合态的比例为60％～ 80％，而水溶态、态； (5)稳定存在于石英或粘土矿物等结晶矿物晶格 里的稳定离子交换态、碳酸盐结合态及铁、锰 氧化物结合态占20％～40％，稳定态比例大于 活动态.
污染物在水体中的迁移转化
污染物在水体中的迁移转化过程是一个物理、 化学及生物综合的过程，结合其形态特征(如 果其他污染物也都具有上述重金属的形态特 征)，主要包括如下几类过程： (1)溶解态和悬移态污染物在水流中的对流扩 散过程； (2)沉积态污染物随床沙的推移过程；
(3)泥沙吸附溶解态污染物，水溶态向 颗粒态转移过程； (4)悬移态和沉积态吸附污染物的解吸 过程； (5 )伴随床沙与悬移质动态交换的污染 物迁移过程； (6)生物摄取、富集、微生物转化过程； (7)水体中污染物通过空气界面向空气 迁移的气态迁移过程。
在泥沙吸附重金属的研究当中许多研究者都观察到所谓的重金属吸附的泥沙效应即在相同条件下随着泥沙浓度增大水相重金属浓度降低泥沙吸附容量增大并且随着泥沙浓度的增大吸附容量趋近于一定数值单位质量悬浮泥沙吸附总金属污染物能力下降
水环境中泥沙作用的研究进展及 分析
姓名：祝金娜 学号：200475020144
概述
相对于重金属方面所进行工作的全面与丰富， 泥沙浓度对其他污染物吸附的影响研究还十 分有限，对于在其它污染物的吸附中是否存 在“泥沙吸附效应”还不能得到肯定的结论， 需要进行进一步的观测和实验。
泥沙颗粒的吸附分类
泥沙颗粒的吸附分为物理吸附和化学吸附， 物理吸附主要与泥沙的比表面积(面积／重量) 有关，化学吸附与泥沙所含活性成分有关。
如果将泥沙颗粒近似视为球体，其比表 面积与半径成反比，泥沙粒径越小，比 表面积越大，所含活性成分也越多，因 而有机物或重金属吸附量也越大。泥沙 粒径对污染物的吸附影响研究，包括单 独粒径组的影响和多粒径组份共存体系 的影响。
渭河选自同一断面理化性质基本相同的悬移质泥沙 和床沙的吸附实验表明，悬移质泥沙对Cu的吸附量 是底泥的3倍之多。通过对泥沙粒径对重金属污染 物吸附影响的研究成果表明，相同条件下，不同粒 径泥沙单独存在时，泥沙吸附量、吸附速率、分配 系数都随泥沙粒径增大而减小。不同粒径泥沙共存 体系各粒径之间不存在竞争和干扰，共存体系单位 重量泥沙的吸附量等于各粒径泥沙单独存在、在相 同条件下单位重量泥沙的吸附量乘以其在共存体系 中所占的份额的总和。
一些研究者通过采用逐级化学分离法，将天然样品逐级 分离，进行了水体沉积物各组份吸附作用的研究。研究 成果表明，天然水体悬浮沉积物各组份在重金属吸附中 所起的作用，在总吸附值的贡献是以粘土为主(60％～ 70%)，金属水合氧化物(15％～25%)和有机物(11％～22 ％)大致在同一水平上，碳酸盐则较小(0.1％～5％)。 而以单位重量的吸附能力衡量，则是金属水化合物大于 有机物，并且两者远大于粘土。所以分析泥沙颗粒物吸 附能力，必须综合考虑各组份的吸附能力和各自的相对 含量。
泥沙解吸模式
由于天然水体都处在一定的运动状态，因此 按照水体紊动特征，将泥沙解吸分为以下两 类：(1)紊动微弱时，底泥(床沙)基本不起浮， 底泥释放以孔隙水污染物向上扩散迁移为主， 释放过程主要与污染物扩散通量、上覆水寄 宿时间、水体污染物含量及水深有关；(2 )紊 动变化引起床沙与悬沙发生动态交换，泥沙 解吸除了床沙中污染物释放外，还包括悬浮 泥沙解吸，并且起悬床沙携带的污染物在很 大程度影响到水质。
我国河流普遍多沙，河流含沙量 总体水平大于国外。随着人口增 长、工农业生产发展以及城镇建 设速度的加快，我国工业废水和 城镇生活污水排放总量仍在逐年 增加，水污染状况严峻的局面还 未得到有效控制。河流多沙的客 观条件和排污量大的外部因素决 定了进行泥沙环境作用研究的必 要性，进行更加深入的研究工作 对于水质监测、水质评价、水污 染控制与规划工作具有重要意义 和价值。
泥沙对水体环境质量的影响
含沙水体的环境效应在很多方面均有体现， 原状水体中主要表现为浓度-生理化学效应和 浓度-生态效应。泥沙对水体重金属的影响及 其环境效应研究，一直受到不同领域研究者 的关注。美国和欧洲中部已污染河流颗粒物 上的重金属含量占总金属含量的比例，Cu、 Hg、Cr在60％～70％之间，Pb在80％左右。 总体上讲，相应的研究和分析工作以重金属 居多，近年来针对有毒有机物和耗氧有机物 的研究也日益受到关注。
一些实验及其结论
一．一些科研人士进行了黄河泥沙重金属在 背景条件下的生物累计效应模拟实验，实验 结果表明，Cu、Pb、Cr、Cd在浑水中鱼体 内的含量与清水对照组比较，均略有不同程 度的增加，随着时间的延长，这种差异逐渐 显著。以上在河流实体上进行的原型观测数 据表明，重金属物质在泥沙颗粒物上以吸附 状态的存在占有很大比例，并且由于泥沙悬 浮而构成的浑水环境对水体的生化效应和生 态效应都产生重要影响。
六．另通过实验研究，证明了含沙水 体对多种有机物(包括对硝基甲苯、甲 基对硫磷和一，二-二氯苯)具有吸附 作用，并得到了三种化合物在黄河悬 浮泥沙-水中的分配系数。
七.通过采样对北京永定河水体进行的有毒有机物 污染状况的研究，从基因突变的角度研究北京官 厅水库及其下游的水体中有毒有机污染物的污染 状况，发现水库上游静止水未表现出对实验菌株 的致突变性，而水库下游流动水体则表现出较强 的致突变性。这表明污染物在流速缓慢的区域发 生了沉降作用，从而使得水底沉积物成为难降解 有毒有机物的储藏库，这些污染物在流速增大的 条件下重新进入水体，产生污染。
泥沙吸附模式的建立是为了对泥沙吸附过程进 行定量的描述和分析，采用污染物在水沙两相 间的分配量及相应系数，对泥沙吸附量和吸附 时间过程分别建立数学描述方程。主要包括三 种吸附模型方程：Henry模型、Langmuir模型和 Freandish模型（P121）。这三种模型都有严格 的理论基础并可以用统计热力学的方法进行推 导，也得到了大量研究成果的证明。三种模型 都分别采用平衡吸附等温线和吸附动力学方程 对吸附过程进行描述，前者用来描述吸附过程 处于平衡状态下吸附质在固液两相间的分配量， 后者则描述瞬时状态下吸附速率与主要影响因 素之间的关系。
一些研究者认为泥沙解吸和吸附可以用形式相同的动力 学模式表达，在此基础上，对泥沙解吸动力学过程进行了 实验研究和理论推导。反应器内泥沙解吸重金属静态实验 的研究，在一定程度上揭示了泥沙解吸重金属污染物的定 性规律。实验结果和理论分析都表明：(1)其他条件相同 时，泥沙剩余平衡吸附量和水相平衡浓度均随悬浮泥沙浓 度增大而增大；(2)其他条件相同时，泥沙初始重金属浓 度越高，泥沙剩余平衡吸附量和水相平衡浓度越高；(3) 泥沙饱和吸附量越大，则在其他条件相同时，泥沙剩余平 衡吸附量越高，水相平衡浓度越低。黄延林等研究人士将 重金属释放过程中伴发的凝聚吸附、络合、共沉等作用引 入到重金属释放动力学的研究中，以解释释放过程中水溶 态重金属浓度随时间的变化经历了一个先升后降再达平衡 的过程。
二．一些研究者从水质监测分析的角度研究 了黄河泥沙对CODMn的影响，分析结果表 明，含沙水样加酸保存测试的CODMn值比 不加酸保存测试值显著增大，并且随着含沙 量增加CODMn也增加。这些研究者认为， 黄河水体中有机还原性物质大都被泥沙吸附， 当加酸保存时，泥沙吸附着的还原物质释放 到水相中，使样品的CODMn较不加酸保存 大。
以上研究成果表明，水体中悬浮的泥沙可以吸附一 定量的还原性物质，使水体的耗氧作用加大，从 而在水体耗氧有机物污染的过程中发挥重要作用。 关于泥沙吸附有毒有机物的研究，通过实验和实 体观测都证明了水体悬浮泥沙和底泥都有降低水 中微量溶解有机物的作用。
泥沙吸附污染物模式及影响因素
一．水体中污染物形态 对于重金属在水体中形态分布，根据重 金属的赋存状态区分为水溶态及颗粒态，其 中颗粒态重金属又划分为以下形态： (1)交换吸附在粘土矿物、氢氧化铁、氢氧化 锰或腐殖质成分上，对环境变化最敏感的离 子交换态； (2)环境pH值变化时易释放进入水体的碳酸盐 结合态；
三．另外一些研究者在河流实体上，对泥 沙与耗氧有机物的相关关系进行了研究。 对黄河中游潼关至三门峡水库坝下区间河 段的三门峡水库泄洪期、蓄水期和汛前枯 水期进行的监测表明，各断面浑水的COD 值随着悬浮物含量的升高而增大，并且这 种增大趋势与水库运用方式直接相关。水 库蓄水期，上游来水蓄于库内，悬浮物沉 于库底，相应断面COD值由上游向下游锐 减。水库泄洪期，原本沉积于库底的悬浮 物下泄，使得各断面浑水COD值明显高于 其他时段。
二．泥沙吸附模式
河流悬浮沉积物的理化特征是泥沙环境作用 的重要物质基础，泥沙的组成成分主要为有 机质和矿物质，另外泥沙颗粒表面还附着了 一定量的微生物。泥沙颗粒的理化性质与其 吸附特性的关系，一直是水化学和土壤化学 的重要研究课题。一些研究人士认为非离子 型有机物在泥沙颗粒上吸附的主要机理是有 机物在泥沙颗粒中的有机质和液相水之间的 分配。
在泥沙吸附重金属的研究当中，许多研究者都 观察到所谓的“重金属吸附的泥沙效应”，即 在相同条件下，随着泥沙浓度增大，水相重金 属浓度降低，泥沙吸附容量增大，并且随着泥 沙浓度的增大，吸附容量趋近于一定数值，单 位质量悬浮泥沙吸附总金属污染物能力下降。
在甲苯、乙苯和三氯乙烯的吸附实验中，同样发 现单位重量泥沙吸附能力随着泥沙浓度的增大而 减小。对于这种效应的成因，存在多种解释：(1) 泥沙浓度的提高增加了颗粒间碰撞的几率，从而 增加了有机物从泥沙颗粒表面有机质胶膜中解吸 出来的速率，使得有机质内分配溶解的有机物浓 度也相应降低；(2)悬浮浓度增大，使得固相吸 附位增加，从而单位固体颗粒物的吸附量相应减 少；(3)颗粒的聚合(如絮凝)增加，使得可利用的 吸附位减少。，相应成份表现出不同的吸附特征， 据此提出了复合分布模型，将吸附等温式表达 成线性方程和非线性方程的叠加，从理论上讲 这种复合模式更具有物质基础。
三．泥沙吸附污染物影响因素
泥沙吸附污染物主要影响因素包括：泥沙理 化特性、水体泥沙浓度、污染物浓度、泥沙 粒度、紊动强度、温度和pH值等。对于这些 影响因素与泥沙吸附的相关性，大多是通过 泥沙吸附重金属实验和理论分析进行的。
泥沙解吸污染物的影响因素
对泥沙解吸污染物影响较大的因素主要包括： 水体泥沙浓度、水体污染物浓度、泥沙粒度、 紊动强度、沉积物厚度、温度和pH值等，其 中，水流紊动强度与水体泥沙浓度直接相关。 对这些影响因素的研究成果，也大多是在泥 沙解吸重金属的研究中取得的。