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河流渗滤系统对已污染河水净化作用的模拟研究

作　者: 李金荣
导　师: 李云峰
学　校: 长安大学
专　业: 地质工程
关键词: 污染 模拟的渭河渗滤系统 净化作用 氮 苯胺 环境行为 反硝化作用 矿化作用 生物降解作用 数值模拟
分类号: X52
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要


水是生命之源，随着世界范围的环境污染问题越来越受到广泛的关注，许多国家的地表水体都已不同程度地受到“三氮”和苯胺的污染。河流渗滤系统对入渗的地表水有一定的净化作用，目前国内外许多学者都在致力于这方面的研究，然而河流渗滤系统对氮和苯胺的去除机理研究未见报道，这是本文立项的依据。本文采用自行设计的室内土柱实验装置来模拟渭河渗滤系统，模拟研究了含有氮和苯胺污染的河水在渭河渗滤系统中的环境行为及净化机制，建立氮和苯胺在渗滤系统中迁移转化的数学模型，采用定性分析与定量分析相结合的方法，得到了一些重要结论与认识，对保护地下水资源，指导已污染河水入渗地下水的净化措施等具有重要理论价值和实践意义。 1．作者对河流渗滤系统作了定义和解释。 2．首次开展了含有氮污染的河水在模拟的渭河渗滤系统中的净化机制及净化效果的研究，不同结构的渗滤系统其净化效果及机制差异很大。 ①NH4+-N在渭河渗滤系统中的环境行为包括阳离子交替吸附作用、硝化作用、反硝化作用，三者对氮的损失都有一定的贡献作用，其中反硝化作用引起氮损失量较大。 ②由于NH4+-N的阳离子交替吸附作用以及硝化作用，使地下水钙镁离子浓度增加，引起地下水硬度的升高，对地下水环境产生负效应。 ③影响矿化作用的因素很多，主要包括有机质含量、沉积层厚度、温度等等。有机质的矿化行为结果不仅引起地下水NH4+-N浓度的升高，而且引起地下水硬度升高。 ④土柱渗滤系统中NO3--N的环境行为主要是反硝化作用。土柱渗滤系统中反硝化作用很强烈，对NO3--N的净化效果很好。而砂柱渗滤系统反硝化作用很微弱，对NO3--N的去除效果很差。 ⑤氮在渗滤系统中的迁移转化过程，一般不会引起渭河渗滤系统的生物堵塞问题。 3．首次开展含有苯胺污染的河水在模拟的渭河渗滤系统中的净化机制及净化效果的研究，不同结构的渗滤系统其净化效果及机制也不同。 ①苯胺在土柱渗滤系统中的环境行为包括吸附作用和生物降解作用。真正去除苯胺的作用是生物降解作用。 ②在以硝酸根为电子受体的情况下，苯胺在土柱渗滤系统中的生物降解能力很高，苯胺去除率达到100％，系统的反硝化作用同样也很强烈。砂柱渗滤系统中苯胺生物降解作用较微弱，苯胺的去除率为50％，以好氧生物降解为主。 ③在厌氧环境中，以硫酸根作为电子受体的情况下，苯胺在渭河渗滤系统中生物降解作用不彻底，苯胺的去除率为76％。 ④两种电子受体的反应能量不同，它们作为电子受体时，使苯胺降解程度存在很大差异。苯胺在以硝酸根为电子受体情况下降解完全，而硫酸根作为电子受体降解苯胺的情况不如硝酸根理想。 ⑤苯胺通过渭河渗滤系统入渗时，易造成空隙的生物堵塞想象，但不是很严重。 4.首次用数学模型模拟氨氮和苯胺在渗滤系统中的环境行为，得到下面几点认识: ①建立氨氮迁移转化的数学模型，通过求参得到确定性迁移方程，预测不同时间、不同深度氨氮相对浓度的变化情况，模型预测结果较合理，证明了氨氮数学模拟与所求参数可信。 ②以硫酸根为电子受体的苯胺渗滤实验中，建立苯胺迁移转化的数学模型，通过求参得到确定性迁移方程，预测不同时间、不同深度苯胺相对浓度的变化情况，预测结果合理，说明苯胺数学模型和所求参数基本可信，可以用于指导野外实践。 ③用均衡法定量论述了硝态氮在不同结构的渗滤实验中，其反硝化能力存在很大差异。同样用均衡法定量说明以硝酸根为电子受体的土柱渗滤实验中，苯胺的生物降解作用的强度和反硝化作用的程度均很大。

全文目录


第一章 绪言  12-24
  1.1 氮的污染状况及危害  12-13
    1.1.1 氮的污染状况  12
    1.1.2 氮的危害  12-13
  1.2 苯胺的污染状况及危害  13-14
    1.2.1 苯胺的污染状况  13-14
    1.2.2 苯胺的危害  14
  1.3 苯胺废水的治理技术及生物降解机理  14-17
    1.3.1 治理技术简介  14-16
    1.3.2 苯胺生物降解的机理  16-17
  1.4 本课题研究的意义  17-18
  1.5 河流渗滤系统研究进展  18-21
    1.5.1 作为天然过滤器  18-19
    1.5.2 去除无机污染物  19
    1.5.3 去除天然有机物质  19-20
    1.5.4 作为生物地球化学反应器  20
    1.5.5 降解合成有机污染物  20-21
  1.6 研究现状  21-22
  1.7 研究内容、创新点及推广价值  22-24
第二章 渭河基本概况  24-28
  2.1 自然环境状况  24-25
    2.1.1 气候、水文及地貌  24-25
    2.1.2 经济与人口  25
  2.2 两岸水化学条件  25-26
  2.3 本文拟研究的问题  26-28
第三章 渗滤实验方法介绍  28-39
  3.1 渗滤实验的设计思路  28-29
    3.1.1 实验目的  28
    3.1.2 渗滤实验系统功能要求  28-29
  3.2 试剂、实验仪器及实验分析方法  29-31
    3.2.1 试剂  29-30
    3.2.2 实验仪器  30
    3.2.3 实验分析方法  30-31
  3.3 实验系统的装配  31-32
    3.3.1 实验设备的组装  31
    3.3.2 渗滤介质的采集及预处理  31-32
    3.3.3 渗滤系统的装填及预处理  32
  3.4 五大实验步骤介绍  32-39
    3.4.1 氨氮渗滤实验步骤  32-36
    3.4.2 硝态氮渗滤实验步骤  36-37
    3.4.3 矿化培养实验步骤  37
    3.4.4 苯胺渗滤实验步骤(以硝酸根为电子受体)  37
    3.4.5 苯胺渗滤实验步骤(以硫酸根为电子受体)  37-38
    3.4.6 其它实验  38-39
第四章 渭河渗滤系统中氨氮渗滤时的环境行为研究  39-49
  4.1 该实验拟研究的主要问题  39
  4.2 实验取得的主要数据  39
  4.3 氨氮在渭河渗滤系统中的环境行为分析  39-47
    4.3.1 阳离子交替吸附作用  39-43
    4.3.2 硝化作用  43-45
    4.3.3 反硝化作用  45-46
    4.3.4 渗滤系统的水质净化意义  46-47
  4.4 环境负效应  47-48
    4.4.1 矿化作用  47
    4.4.2 钙镁离子及总硬度升高  47
    4.4.3 渗透性能的变化  47-48
  4.5 小结  48-49
第五章 渭河渗滤系统中硝态氮渗滤时的环境行为研究  49-60
  5.1 利于反硝化作用的因素  49
    5.1.1 厌氧环境  49
    5.1.2 有机质含量  49
    5.1.3 适宜的pH值及温度  49
  5.2 该实验拟研究的主要问题及实验方案  49-50
  5.3 实验过程及取得的主要数据  50
  5.4 硝态氮在渭河渗滤系统中的环境行为分析  50-53
    5.4.1 反硝化作用  50-52
    5.4.2 渗滤系统的水质净化意义  52-53
  5.5 其它环境效应  53-59
    5.5.1 pH的变化  53-54
    5.5.2 氨氮的变化  54
    5.5.3 钙离子、总硬度和电导率的升高  54-56
    5.5.4 渗透性能的变化  56-58
    5.5.5 NO_3~--N去除率的比较  58-59
  5.6 小结  59-60
第六章 渭河渗滤系统中有机氮矿化行为的模拟研究  60-71
  6.1 矿化作用概述  60-62
  6.2 该实验拟研究的主要问题  62-63
  6.3 矿化实验方案介绍  63
  6.4 矿化实验过程及实验数据介绍  63-64
  6.5 渭河渗滤系统中有机氮矿化行为实验结果分析与讨论  64-68
    6.5.1 自来水矿化培养的结果  64-65
    6.5.2 加入硝酸根后矿化培养的结果  65-67
    6.5.3 渗滤介质中有机质对矿化作用的影响分析  67-68
    6.5.4 渗滤介质中细粒沉积层厚度对矿化作用的影响分析  68
    6.5.5 温度对矿化作用的影响分析  68
  6.6 有机氮矿化实验产生的环境生物效应  68-69
  6.7 有机氮矿化的动力学模型  69-70
  6.8 小结  70-71
第七章 渭河渗滤系统中苯胺渗滤时的环境行为研究  71-96
  7.1 影响苯胺生物降解的因素  71-74
    7.1.1 苯胺的物理化学性质  71
    7.1.2 影响苯胺生物降解的因素  71-74
  7.2 该实验拟研究的主要问题  74-75
  7.3 苯胺在渭河渗滤系统中的环境行为(硝酸根为电子受体)  75-85
    7.3.1 实验方案  75
    7.3.2 实验过程及取得的主要数据介绍  75-76
    7.3.3 苯胺在渭河渗滤系统中的环境行为分析  76-81
    7.3.4 其它环境效应  81-84
    7.3.5 小结  84-85
  7.4 苯胺在渭河渗滤系统中的环境行为(硫酸根为电子受体)  85-94
    7.4.1 实验方案  85-86
    7.4.2 实验过程及取得的主要数据介绍  86
    7.4.3 苯胺在渭河渗滤系统中的环境行为分析  86-92
    7.4.4 其它环境效应  92-93
    7.4.5 出现的问题  93-94
    7.4.6 小结  94
  7.5 本章小结  94-96
第八章 氮和苯胺在渭河渗滤系统中环境行为的数学模拟  96-122
  8.1 污染物在渭河渗滤系统中迁移的定解问题描述  96-97
    8.1.1 保守性物质迁移的定解问题  96
    8.1.2 非保守性物质的迁移方程  96-97
  8.2 污染物定解问题的求解方法  97-103
    8.2.1 氯离子定解问题的求解  98-103
    8.2.2 非保守性物质定解问题的求解  103
  8.3 氨氮环境行为的数学模拟  103-109
    8.3.1 定解问题  103
    8.3.2 求解公式  103-104
    8.3.3 参数的求解  104-107
    8.3.4 求解结果及模型预测  107-109
  8.4 硝态氮环境行为的数学模拟  109-111
    8.4.1 定解问题  109-110
    8.4.2 均衡法原理  110
    8.4.3 均衡法结果及讨论  110-111
  8.5 以硫酸根为电子受体时苯胺环境行为的数学模拟  111-120
    8.5.1 定解问题  111
    8.5.2 求解公式  111-112
    8.5.3 参数的求解  112-116
    8.5.4 求解结果及模型预测  116-120
  8.6 以硝酸根为电子受体时苯胺环境行为的数学模拟  120
    8.6.1 定解问题  120
    8.6.2 均衡法结果及讨论  120
  8.7 小结  120-122
第九章 结论、创新点及建议  122-126
  9.1 结论  122-123
  9.2 创新点  123-124
  9.3 建议  124-126
参考文献  126-143
致谢  143

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境污染及其防治 > 水体污染及其防治
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