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含氮污染物在水体中的迁移转化是影响氮形态及其生态效应的重要过程。目前对河流和湖泊中含氮污染物进行的研究主要针对单一的水相、沉积相或水-沉积物界面,有关自然水体悬浮颗粒物对含氮污染物转化作用的影响机理、含氮污染物在水-沙界面迁移转化规律的深入研究尚不多见。黄河是一条典型的多泥沙河流,本研究针对黄河泥沙含量高和氮污染严重的特点,以氨氮和有机氮为主要研究对象,采用微宇宙实验模拟方法系统研究了自然条件下含氮污染物在黄河水体中的迁移转化过程以及添加人工富集纯化的黄河优势菌种条件下含氮污染物的转化过程,阐明了含氮污染物在高含沙水体中的迁移转化规律,分析了颗粒物的含量、粒径、组成以及颗粒物的不同存在状态对含氮污染物迁移转化的影响,从化学和微生物学相结合的角度揭示悬浮颗粒物对含氮污染物转化过程的影响机理,探讨含氮污染物在水.颗粒物界面的吸附解吸与转化作用之间的相互关系。论文得到了以下主要研究结果:
(1)在实验浓度范围内,氨氮和有机氮在颗粒物上的吸附均符合Henry等温吸附方程,氮的吸附总量随含沙量的增加而增加,吸附系数随颗粒物含量的增加而降低。氨氮的吸附以离子交换作用为主,吸附系数随颗粒物粒径的增大而减小,随颗粒物有机质含量的增加而增加。有机氮在颗粒物上存在不可逆吸附现象。
(2)以自然水样为培养介质,在不添加人工富集微生物的条件下,水体颗粒物对氨氮的硝化作用和有机氮的降解作用均有显著的促进作用,氨氮的硝化速率和有机氮的降解速率均随颗粒物含量的增加而增加。水体的硝化反应可以用Logistic动力学方程拟合,当水体颗粒物含量为0,1.84和5 g/L时,硝化速率常数分别为0.0022,0.0035和0.0054.d~<-1>·(μmol/L)<-1>。有机氮的降解符合一级反应动力学,当水体含沙量为0,5和10g/L时,有机氮的降解速率常数分别为0.286,0.333和0.538 d<-1>。以自然水样为培养介质,向体系添加人工富集的黄河优势菌种,在微生物初始数量一致的情况下,有机氮的降解速率和氨氮的硝化速率均随颗粒物含量的增加而增加;颗粒物的粒径和组成对硝化作用的影响表现为硝化速率常数随粒径的增加而增大,随有机质含量的增加而减小。颗粒物不同存在状态对含氮污染物迁移转化的影响不同,沉积物对含氮污染物转化影响最小,悬浮颗粒物对含氮污染物的转化促进作用最大。
(3)膜实验的结果表明颗粒相的硝化速率大于水相,含沙水体的硝化作用主要发生在颗粒相。当颗粒物与微生物在膜内共存时,体系的硝化速率常数为0.282 d<-1>,而当颗粒物与微生物分离时,体系的硝化速率只有0.199 d<-1>。水体悬浮颗粒物对含氮污染物转化作用的影响机理包括:①颗粒物含量不同的水体其初始微生物数量不同,颗粒物含量越高,微生物数量也越大;②颗粒物对微生物生长有促进作用,微生物亦主要存在于颗粒物表面,且颗粒物的存在使水体含氮污染物主要存在于颗粒相:含氮污染物的转化主要发生在水-颗粒物界面;③颗粒物的存在增加了微生物与含氮污染物的接触几率,促进了含氮污染物的转化。
(4)氮污染物初始浓度对其降解和硝化作用亦有明显的影响,初始浓度越高,微生物的驯化期越长,初始反应速率越小。不同采样时间黄河氮污染物的反应速率也有较大差别,以7月份的反应速率最快,3月份的反应速率最慢,这与不同采样时间微生物的初始数量和活性有密切关系。
(5)黄河水体氨氮污染超标的原因:水体悬浮颗粒物对硝化过程有明显的促进作用,氨氮的超标不是因为泥沙对硝化作用的影响所导致。含氮污染物的不断输入是黄河水体氨氮超标的根本原因,高浓度氨氮和有机氮对硝化过程有抑制作用;水体中耗氧有机物和有毒物质对硝化细菌活性的影响间接导致了氨氮在水体中的滞留。黄河水体高pH值导致非离子氨浓度较高,进一步对硝化细菌产生抑制作用。水量较小、颗粒物含量较低和微生物的活性降低是枯水期氨氮污染加重的原因。