土壤中铵态氮与重金属共存时的运移实验与模拟研究

摘要

土壤是生态环境的重要组成部分，是人类社会的生存基础。随着工业的发展，生活污水的大量排放、采矿冶炼、垃圾的淋滤、矿山尾矿废液的排放、大气沉降、农业上的污水灌溉、农药化肥的大量施用等，使得土壤污染尤其是重金属和氮肥污染状况日趋严重，同时，也造成了土壤中重金属Cu、Pb、Zn、Cd等重金属与NH4+共存的现象。通常情况下，一般认为上述元素在土壤中是很难迁移的，也就是说它们往往积聚在土壤表层。但由于土壤是一个非常复杂的系统，其中会发生一系列的物理、化学及生物的反应过程，在某些情况下，重金属Cu、Pb、Zn、Cd等与NH4+将向土壤深部运移，对土壤的污染范围将会增大，甚至污染地下水。因此，研究土壤中的重金属和铵态氮在不同理化条件下的迁移转化规律，对防治环境污染和修复已污染土壤具有重要的理论价值和实际意义。
　　 本文以较为常见的铜、锌、镉三种重金属和无机氮中的铵态氮作为研究对象，分析了重金属和铵态氮共存条件下，在取自青岛地区的棕壤中的吸附特性；揭示了重金属和铵态氮在不同pH和离子强度条件下的迁移规律及作用机制；并进一步探.讨了两种重金属与铵态氮共存时，竞争吸附作用对其迁移规律和作用机理的影响。进而应用美国盐土室开发的CXTFIT2.1软件，模拟了重金属和铵态氮在棕壤土柱中的迁移特征曲线，获得了拟合参数：最后运用这些参数对土壤不同埋深条件下重金属和铵态氮的迁移行为进行了预测。
　　 通过等温静态吸附实验和土柱混合置换实验，得到以下结论：
　　 1)静态等温吸附实验中，棕壤对重金属和铵态氮的吸附量随着pH的增加而增大。棕壤对Cu/Zn/Cd的吸附分配系数Kd随初始加入浓度的增大而降低，表明随着平衡液中重金属浓度的增大，吸附率降低。棕壤对三种重金属吸附能力的大小顺序为Cd>Cu>Zn。用Langmuir和Freundlich方程对实验数据拟合，其确定性系数都达到了0.9以上（除Langmuir对Cu的拟合外），拟合效果均较好。Freundlich模型和Langmuir模型对NH4+的拟合效果都非常好，R2均大于0.99。
　　 2)与Br的BTCs相比，pH和离子强度对重金属和铵态氮BTCs的形状及峰值等有影响。重金属和铵态氮的BTCs均呈现出不同程度的非对称性，BTCs的解吸部分均出现较长的拖尾。低pH时，重金属和铵态氮的运移较快，出流略早，峰值较高。这可能是因为：对重金属来说，pH较低时，在土壤颗粒表面的吸附以静电吸附为主，H+浓度升高，达到破坏介质表面官能团与重金属离子所形成的络合物的浓度，使吸附态的重金属离子交换解吸，进入到土壤溶液中去。随pH升高，更多的重金属离子被络合，不易发生解吸作用。pH继续升高，超过一定值后，会产生沉淀，导致溶解于土壤溶液中的重金属离子迅速减少。对铵态氮来说，pH升高使土壤溶液中的OH增多，与NH4+反应生成了NH3，减少了其在土壤表面的吸附，从而使吸附量急剧减小。
　　 3)随着离子强度的增大，重金属和铵态氮在棕壤中的吸附量逐渐降低，这可能是由于代表离子强度的Na+大量占据介质表面的负电荷点位，从而降低了电性吸附作用，使其电性吸附点位吸附的离子趋于饱和。另外，离子强度的增加也导致重金属和铵态氮与Na+间相互作用力增加，使其离子活度系数减小，有效浓度降低，加速了重金属和铵态氮在溶液中的迁移。
　　 4)在竞争实验中，三种金属离子与NH4+吸附能力的顺序为：NI-14+>Cu2+>Cd2+>Zn2+。这与单一重金属元素的结果有差异（单一重金属与铵态氮共存时，吸附能力的顺序为Zn2+>Cu2+>Cd2+>NH4+），引起这种差异的原因可能与金属元素的离子半径和水解常数等性质有关。在两种重金属铵态氮竞争条件下，NH4+的吸附能力最强，而在单一重金属存在时，吸附能力最小，这可能是因为竞争条件下，重金属离子浓度成倍增加，相互抑制了重金属离子的吸附，反而增加了土壤颗粒对NH4+的吸附。
　　 5)用LEA模型对Br