污染物在不同水环境中的迁移与转化

(1)高含沙水环境中污染物的迁移转化。长期以来,国内外针对污染物质在水体中的迁移转化机理与规律开展了大量的研究,并且许多研究成果在实践中得到广泛应用。但是,这些研究主要是基于清水水样水质监测结果,因而研究结果一般只适用于清水或低含沙水环境。越来越多的观测结果表明,在高含沙水环境中用澄清水样的浓度来代替挟沙水流的实际浓度,其结果明显偏小,反映不了挟沙水流的实际污染情况,不能说明水生生物生长的真实环境。因此,众多学者开始将研究重点转向含沙水环境中污染物质的迁移转化,其中对重金属的研究已有丰富成果,而对有毒有机物、耗氧有机物和营养性污染物的研究则在近年来开始受到重视。

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,结合其形态特征主要划分如下几类过程: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。目前主要相关的重点研究内容包括泥沙吸附污染物过程、泥沙解吸污染物过程以及泥沙污染物数学模式。

在泥沙吸附重金属的观测和实验中都发现,随着泥沙颗粒物粒度降低,泥沙吸附重金属的含量增加。相关研究表明,水体颗粒物中小于63μm 粒级部分重金属含量高,与重金属总量和地球化学相含量相关性明显,物理意义显著,且便于采集和分离,因此可作为水体颗粒物重金属研究的介质。

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。有学者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。所以分析泥沙颗粒物吸附能力,必须综合考虑各组分的吸附能力和各自的相对含量。

泥沙吸附模式的建立大致遵循两种途径:第一种途径着眼于泥沙吸附的群体特征,对泥沙吸附量和吸附时间过程分别建立模型,而不关注吸附过程中的具体化学过程,如Henry模型、Langmuir模型和Freandish模型等;第二种途径对吸附过程中的化学过程进行详细研究,并结合第一种途径的群体特征,建立泥沙的吸附模式。有学者在吸附模式的基础上,进一步引入随机过程的研究方法,建立了泥沙随机吸附理论。近年来,作为描述天然沉积物的另外一种比较新的尝试途径,表面络合模式得到发展,成为环境水质研究的热点。

泥沙吸附污染物主要影响因素包括:水体泥沙浓度、污染物浓度、泥沙粒度、紊动强度、温度和p H 值等。理论分析和实验结果都说明,泥沙浓度对平衡吸附量和水相平衡浓度影响较大,但吸附等温式本身不受泥沙浓度的影响,泥沙浓度也不影响吸附动力学方程中的吸附和解吸系数。

污染物浓度对泥沙吸附污染物的影响,目前所报道的研究成果大多集中在重金属方面。黄河泥沙对重金属吸附的研究表明,重金属水相初始浓度对水相平衡浓度有较大影响,平衡浓度随初始浓度增大而增高。初始浓度对泥沙平衡吸附量也具有较大影响,水相初始浓度增加,泥沙平衡吸附量增大显著。初始浓度与泥沙吸附总量呈正相关,初始浓度增大,吸附总量随之增大,并逐渐接近泥沙饱和吸附量。多种吸附质共存体系的泥沙吸附是一个十分重要的问题,在多组分共存体系中是否存在竞争吸附,或者竞争吸附与吸附质有关,这方面的研究还有待进行深入研究。

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。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分共存体系的影响。有研究者认为,颗粒物中重金属主要结合在小于63μm 的粒级中,一些实测资料证明,颗粒物中重金属含量与小于63μm 粒级在颗粒物中的百分比具有很好的相关性。

目前,关于运动状态下泥沙吸附过程的研究进行的还很不充分:①目前都是进行吸附平衡和动力稳定条件下的研究和分析,缺少对不平衡和非稳定条件的研究;②天然水体中存在床沙与悬沙的动态交换,现有研究还缺少对这种交换过程在污染物变化过程中的机理与作用的深入工作。

水环境化学条件和水体动力条件的改变,是引发自然水体中泥沙解吸污染物过程的主要原因。按照水体紊动特征,泥沙解吸可分为以下两类:①紊动微弱时,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强紊动时,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。

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p H 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。

泥沙解吸污染物的能力大小,与泥沙粒径呈正相关,这点与泥沙吸附能力相反。一般而言,粗颗粒泥沙的吸附能力弱,解吸能力强,细颗粒泥沙则相反。不同粒径泥沙共存体系中各粒径间不存在竞争和干扰。共存体系的剩余吸附量等于各粒径泥沙单独存在、在相同条件下的剩余吸附量乘以该粒径泥沙在共存体系中所占份额之和。(www.xing528.com)

动态水沙体系中,实际的污染物释放过程主要表现为动力条件的扰动加速底泥污染物释放、悬移吸附态污染物转移和底泥被冲刷悬浮,这些都会对水生态环境造成不利作用,所以动态条件下污染物释放的研究具有重要的理论和应用价值。有结果表明,重金属释放浓度与水流紊动强度之间的关系,释放浓度与水流雷诺数的指数正相关。

水沙系统中污染物迁移转化的数值模型按照考虑污染物形态分布的不同方式,可以分为分相模型和整体模型。分相模型从质量守恒原理出发,分别对水体中污染物的溶解态、悬浮态和沉积态分别建立控制方程;整体模型将溶解态、悬浮吸附态和推移吸附态污染物在一个方程中进行描述,相对于分相模型中以吸附态污染物为主体,将泥沙运动的影响处理为影响项的方法,整体模型的物理概念更加合理。

总体而言,目前高含沙水环境中污染物迁移转化的研究有以下几个特点:①对泥沙吸附、解吸重金属进行了全面的研究,成果比较丰富,对有毒有机物也有部分研究成果,但是对于有机污染综合指标和营养污染物的研究还十分缺乏;②大部分的研究成果是在实验环境下取得的且偏重于定性分析;③实验大多是静态实验,有限的动态实验也是在特定的简化条件下进行的,还未见到完全意义上动态水沙环境下的实验研究;④尽管已经有了完整的水沙污染物模拟模式,但这些模型还缺乏足够机理研究成果的支持。

从发展趋势上看,有关高含沙水环境中污染物迁移转化的未来研究重点包括:①耗氧有机物及营养性污染物的吸附解吸机理;②动态条件下污染物吸附解吸实验;③水沙污染物迁移转化数学模式;④不同尺度模式和参数的转换等。

(2)地下水环境中污染物的迁移转化。地下水污染的复杂性、隐蔽性、漫长性和修复的艰巨性,使人们认识到:深入了解和预测模拟污染物在地下水环境中的迁移转化规律对于地下水保护具有至关重要的意义。20世纪70年代以来,国外发达国家对地下水问题开展了大量的研究。Mackay等1979年首次将逸度概念引入有机化学品在环境各相中的预测研究以评价化学品在环境各相中的浓度和质量分布反应特性和持久性,此后逸度模型得到不断完善和发展,此外,一系列描述地下水环境中污染物迁移转化的模型相继建立,如用来模拟不饱和土壤系统中植物根区化学物质迁移转化的PRZM 模型、进行地下水污染风险评价的RUSTIC 模型、模拟非点源引起的非饱和区域污染物迁移转化的GLEAMS模型等。

根据研究方法,目前的模型大致可以分成三类:①确定性模型:由基本对流-弥散方程和相应的辅助方程构成,模型参数变量及边界条件都是确定的,模型也唯一确定;②随机模型:模型同样以对流-弥散方程为基础,但模型参数和边界条件是随机的,模型解为通常以在一定空间和时间具有一定浓度的概率来表示;③传递函数模型:同样是一类随机模型,但概念简明、无须深入了解土壤特征和污染物迁移过程。

从实际过程来划分,地下水环境中污染物的迁移转化过程包括土壤中的挥发、地下介质的吸附、随水流运动的迁移、生物化学降解、土壤中植物的吸收等部分。不论何种类型的模型,在具体运用时最核心的问题是如何选取反映模型的各种参数以尽可能地反映上述实际过程。由于国外发达国家已经建立较为完善的地下水监测体系并有较长系列的实测资料,这些资料为模型在本国的实际运用奠定了良好基础。

地下水环境中污染物迁移转化研究的难点之一,就是对于非均匀非饱和含水层中,不同好氧与厌氧微生物作用下各种污染物质的生物降解机理与过程。在这方面国外发达国家开展了不少理论研究,针对包括难降解有机污染物在内的各种污染物质,建立了众多含非均匀裂隙、含不同微生物细菌条件下有机污染物质迁移转化的理论模型。但是,得到广泛验证和成功运用的成果尚不多见。

地下水与地表河水两种生态系统的相互作用也是国际上的前沿研究课题,在我国还属于全新的领域。该方面的研究对于水资源科学评价和合理开发利用、对于保护地下水与河水交错带的生态环境均具有重要的理论和实践意义。目前有关的重点研究内容包括地下水与河水的补排机理,河水补给量的激发机制,地下水与河水水量水质的耦合模拟等。

与国外发达国家相比,我国在地下水方面的研究起步较晚,研究成果也相对较少,尤其是在区域性、大尺度地下水运动及地下水污染形成机理方面研究明显不足。由于缺乏系统的地下水水文、水质、生物、地质等方面的监测资料,国内前期研究多集中模型理论研究方面。近一些年来,随着地下水问题日益引起重视,我国不少学者也开展了一些模型应用研究,如张蔚臻等在区域非均匀含水层中污染物运移机理及预测预报随机模型的应用基础研究中,提出了非饱和弥散系数与土壤含水量有较大影响的结论,论证了化肥在灌排条件下的运移过程中大孔隙的存在,及其对氮素的运移转化过程产生决定性的影响;王超等在分析野外现场观测资料的基础上,建立了河流污水饱和入渗对沿岸地下水质影响的数学模型;邱元锋等尝试利用随机模拟方法求解地下水污染问题等。