不同pH值条件下地表水体中氮的转化影响研究 pH值.docx

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不同pH值条件下地表水体中氮的转化影响研究pH值

天津师范大学

本科生毕业论文（设计）

题目：

不同pH值条件下地表水体中氮的转化影响研究

学号：

09508093

姓名：

齐立茹

专业：

资源环境与城乡规划管理

年级：

2009级

学院：

城市与环境科学学院

完成日期：

2013年5月

指导教师：

薛冬梅

不同pH值条件下地表水体中氮的转化影响研究

摘要：

水是人类赖以生存的物质环境，氮（N）是水体中微生物生长的重要生源元素。

随着人类活动的加剧，水体都已受到不同程度的污染与破坏，而不同的pH值对N在水体中的循环具有一定的影响。

本文以天津地区河水为研究对象，模拟水体在夏冬季节的水温变化（35℃和10℃），设置3个不同的pH值（河水本底值，pH=5以及pH=6），以观察不同pH值条件下对水体中N的迁移转化的影响。

实验结果表明：

（1）DO的消耗速度与酸度有关，酸度强的水体中DO的消耗速度较快；

（2）实验过程中水体背景pH值并无太大变化，但是两个酸性水体中pH值在培养后期都呈现上升的趋势;（3）相对高温下（35℃）pH值的变化可以加速改变N的循环转化过程，培养后期背景值下的NO3-含量低于初期，而pH值为5和6的水体在培养后期都显示出不同程度的累积过程；（4）高温对于pH值为5的水体中NO2-的影响较大，造成NO2-的累积，而低温对其的影响并不大；（5）高温条件背景pH值的水体中NH4+的变化呈现上下浮动的变化趋势，而在酸性水体和低温条件下NH4+的变化及其微弱。

由此可见，pH值对于N的循环转化过程具有一定的影响。

关键词：

pH值；地表水；硝化反应；反硝化反应

TheEffectsofDifferentpHonNitrogen（N）DynamicsinSurfaceWater

Abstract:

Wateristhephysicalenvironmenttothesurvivalofhumanbeings,nitrogen（N）isanimportantelementformicrobialgrowthinwater.Withtheintensificationofhumanactivities,waterhavedifferentdegreeofpollutionanddestruction,anddifferentpHvalueofNinthewatercyclehascertaininfluence.Thispaperthewaterbodyintianjinareaastheresearchobject,simulationofthewaterinsummerwatertemperaturechange,setupthreedifferentpHvalues（thebackgroundpHvalue,pH=5andpH=6）,toobservedifferentpHconditionsaffectthemigrationtransformationofNinwater.TheresultsshowedthattheconsumptionrateDOrelatedtotheacidity,aciditytothefastestconsumptionofDOinwater.NinthebackgroundthepHofwatermigrationtransformationtomaintaininastateofbalance.In35℃undertheconditionofacidicwaterpresentinthedifferentlevelsofNO2-accumulationphenomenon.Undertheconditionof10℃NO2-andNH4+changeanditsweak,showsthatundertheconditionoflowtemperaturetheeffectsofpHonNO2-andNH4+issmaller.InthewholeexperimentprocesspHshowedadifferentdegreeofrisingtrend.

Keywords:

pHvalues;surfacewater;nitrificationanddenitrificationreaction

1绪论

1.1研究意义

氮（N）是水体植物生长所需的重要生源要素，但是过量的N输入会导致河湖藻类繁盛，造成水体富营养化[1]。

富营养化会造成水体的水质恶化，大量鱼类和水生生物死亡会引起水体发臭等一系列恶劣现象。

在利用水生植物去除水体中的N时，通常认为附着在植物体表的微生物的硝化-反硝化功能起着水体脱氮的主要作用，植物对N的吸收同化也发挥一定的作用。

由于微生物对pH值的变化很敏感，存在着脱氮作用的最佳的pH值范围，水体中pH值的变化也会影响氮的去除效果[2]。

中国有些城市正在面临酸沉降以及水体酸化的危害。

酸沉降进入水体后便会造成水体酸化。

至今为止对于酸性条件下氮的转化影响的研究较为缺少，本实验模拟了3个不同的pH值（河水本底值，pH=5以及pH=6）条件下对水体中N的迁移转化的影响，为将来水体的N污染预防以及治理提供可靠的数据支持，为水环境的可持续发展做出一些贡献。

1.2国内外研究进展

目前，很多学者已对N的迁移循环过程、硝化反硝化作用以及地表地下水中硝酸盐氮的来源、循环过程和影响因素等方面进行了研究并取得了一定的进展。

N的迁移转化也受到很多因素的影响，而其中pH值就是其中的一个影响因素。

由于河流、湖泊的酸化情况越来越严重，为了向减少氮排放，研究者根据议定书的修订版提供的科学基础提出了一套新的方法，以便把多种污染物（硫和氮）的多种污染效应（富氧化和酸化）考虑在内[3]。

外源N进入水生生态系统经矿化或氨化转变成NH4+，NH4+经NO2-氧化为NO3-，这一过程被定义为硝化作用[4]。

水生生态系统中生物脱氮作用主要为反硝化和厌氧氨氧化两种过程，多发生于沉积物的还原环境中。

近年来，随着对脱氮研究的发展，学者们对其机制提出了多种假设，其中耦合硝化-反硝化过程就是其中之一，这一假设的理论是脱氮过程所需的硝酸盐主要是沉积物中的氨氮经过硝化作用生成，而非耦合硝化-反硝化过程中脱氮过程所需的硝酸盐主要来自在于上覆水[5]。

1882年Gayon和Dupetit提出了反硝化作用这一概念，而反硝化作用是很重要的脱氮作用。

2003年胡玲珍等人在反硝化试验方法研究综述中提出：

在自然条件下，影响反硝化作用的因素有很多，而水体的pH值就是影响反硝化作用的一个重要因素，他们通过实验得出pH值在碱性时硝化细菌受到抑制，而pH值在酸性时亚硝化细菌被抑制这样一个结论[6]。

影响厌氧氨氧化反应最显著的因素就是厌氧氨氧化菌的种类和数量，以及一些其他的环境因子（有机质、温度和pH值等）。

其中高浓度的有机质会与氨氮竞争电子受体，而且有机质更容易成为电子供体，以至于使厌氧氨氧化的脱氮效率降低。

而温度和pH值的变化影响着厌氧氨氧化菌的生长速率以及酶活性的限制因子[7]。

早在20世纪末，Rysgaard在研究中发现盐度和pH值是影响潮滩沉积物中N循环的参数之一[8]。

刘培芳等人在2001年开始对崇明东滩沉积物中NH4+的释放与盐度和pH值的影响进行了研究。

结果显示潮滩沉积物中NH4+的释放受到盐度以及pH值的共同控制。

NH4+随盐度的变化呈现明显的上升下降循环交替的规律，而随着pH值的释放规律由于盐度环境和沉积物类型的不同而不同[9]。

2010年傅金祥等人采用人工配置的生活污水为研究对象，在温度为（23±1℃）的条件下，通过控制进水的pH值，研究pH值对系统短程硝化反硝化的影响。

实验结果显示：

在实验初期，过大或过小的pH值对系统中的硝化细菌的活性都有一定的抑制作用，致使硝化初期NH4+的降解速率并不高，随着硝化反应的继续进行，在高pH值条件下，系统中的pH值下降直至适合硝化菌的范围时，NH4+的降解速率开始升高，而且在pH值越高的情况下，NO2-的积累越大[10]。

蒋红梅等人通过在酸沉降重污染、轻污染和对照区的菜地里埋设渗滤液收集器、原位土壤溶液采集器以及离子树脂养分交换球，进行定时、原位、动态监测，对不同酸沉降地区中N在菜地系统中的迁移转化进行了研究。

结果表明：

酸沉降轻污染地区和对照地区的N循环基本平衡；在酸沉降重污染地区，降水输入系统的N远大于轻污染和对照区，同时酸沉降危害蔬菜产量，结果导致大量N停留在土壤中并且以硝酸态渗滤淋失，以至于造成水体污染[11]。

司静等人在不同的pH值和光照条件下考察了镧改性膨润土对模拟农田区河水中氮、磷的去除效果，研究表明：

当pH值为4至8时，膨润土对N和P的去除效果较好；在pH值为4至6时，3天以后对P的去除率保持在95%以上，最高达99%。

通过实验研究，得出当pH值不同时，镧改性膨润土对N的吸附效果也不同。

总体上，在pH值为4到8的范围内，膨润土对N的吸附效果较好[12]。

综上所述，可以得出现如今氮污染、水体酸化相当严重的情况下，水体中的N的迁移循环受到多方面因素的干扰，而其中pH值就是一种印象因子，因此，我们更应该了解其之间的相互关系，探究出水体在酸化的情况下对N的作用，然后对其进行综合治理，达到治理最大化。

2材料与方法

2.1实验材料

实验试剂：

超纯水、盐酸、硫酸银、氢氧化钡、酒石酸钾钠、氢氧化钠、碘化汞、碘化钾、以及氯化铵。

实验仪器：

水质参数测定仪、恒温振荡培养箱、离心机、离子色谱仪、分光光度计等。

2.2实验方法

实验所取河水为蓟运河河水。

采集后过滤将水样冷冻，以防微生物发生变化。

（1）设置2个不同温度梯度：

10℃，35℃；

（2）调节pH值（水体背景pH值，pH=6，pH=5）；

（3）水样在转数200r.min-1的条件下分别在培养时间序列中的0h,2h,5h,10h,48h,72h,120h时取样；

（4）参数测定：

NO3-,NO2-,NH4+,DO,pH。

水样中NO2-和NO3-的测定使用离子色谱法进行测定，NH4+的测定使用纳氏比色法，pH和DO使用水质参数仪进行测定。

2.3实验过程

2.3.1实验前期准备

计算实验所需的用水量以及实验所需试管数量，将实验所需的仪器浸泡在超纯水中并加入一定的盐酸溶液，使其浸泡一天以除去仪器中的有机杂质。

一天后将仪器取出用自来水冲刷后再用超纯水冲洗三次，待其干燥后进行使用。

2.3.2实验阶段

2.3.2.1前期的实验阶段

根据不同pH值（水体背景pH值，pH=6，pH=5）分为三组实验，每组设置7个反应时间段（0h,2h,5h,10h,48h,72h,120h）以及两个温度梯度（10℃，35℃）来模拟水体中N在夏冬两个季节的反应进行情况。

第一组的pH值为水样的背景值（水体pH值都在8左右），另外两组分别为pH=5和pH=6的水样。

根据水质参数仪测定其的pH值，用浓度0.2mol/L的盐酸进行调节。

水样配备完成后放入恒温振荡培养箱调至设定的温度振荡培养120h。

在培养时间序列中的0h,2h，5h，10h，48h，72h，120h取样测定NO2-、NO3-和NH4+的浓度。

2.3.2.2NO2-和NO3-的测量

从40ml的水样中取出20ml放入到另一个试管中。

加入硫酸银溶液后放置到一阴凉的地方静置30min后取出放入离心机进行离心，待离心结束后取出其中的上清液至另外一干净的试管，然后加入氢氧化钡溶液，混匀后静置一会之后再次放入离心机进行离心，待离心结束之后取出上清液并进行过滤。

将处理好的样品用离子色谱仪测定NO2-和NO3-的含量。

2.3.2.3NH4+的测量

（1）试剂配置

①纳氏试剂：

称取16g氢氧化钠，溶于50ml超纯水中，充分冷却至室温。

另称取7g碘化钾和10g碘化汞溶于水，然后将此溶液在搅拌下徐徐注入氢氧化钠溶液中，用超纯水稀释至100ml，贮于聚乙烯瓶中，密封保存。

②酒石酸钾钠溶液：

称取50g酒石酸钾钠溶于100ml超纯水中，加热煮沸以除去氨，放冷，定容至100ml。

③氨标准贮备溶液：

称取3.819g经100℃干燥过的优级纯氯化铵溶于超纯水中，移入1000ml容量瓶中，稀释至标线。

此溶液每毫升含1.00mg氨氮。

④氨标准使用溶液：

移取5.00ml按标准贮备溶液于500ml容量瓶中，用超纯水稀释至标线。

此溶液每毫升含0.010mg氨氮。

（2）操作步骤

①校准曲线的绘制

吸取0、0.5、1.0、3.0、5.0、7.0和10.0ml的氨标准使用液至50ml的比色管中，加水到刻度线，然后加入1ml的酒石酸钾钠溶液并混匀，再加入1.5ml的纳氏试剂并混匀后放置10分钟之后在波长420nm处，用光程20mm比色皿，以水为参比测量吸光度。

由得到的吸光度减去零浓度空白的吸光度后，得到校正吸光度，绘制以氨氮含量（mg）对校正吸光度的校准曲线。

②水样的测定

校准曲线绘制完成后进行水样的测定，取1ml的水样放入至50ml的比色管中，用超纯水定容至刻度线，加入1ml的酒石酸钾钠溶液并混匀后再加入1.5ml的纳氏试剂后混匀，放置10min后在分光光度计上测量。

以超纯水代替水样，做全程空白测定。

（3）计算

由水样测得的吸光度减去空白实验的吸光度后，从校准曲线上查得氨氮的含量为（mg）

式中：

m—由校准曲线查得的氨氮量（mg）；

V—水样体积（ml）。

3实验结果

3.135℃条件下参数的变化

3.1.1溶解氧DO的变化

在温度为35℃的情况下，由图1可以看出在0h到5h这一时间段中水体中的溶解氧迅速下降，表明此时间段中水体以耗氧为主，应该以硝化反应为主。

图1中5h至48h这一时间段中，DO开始上升，此时有氧气产生，有可能是水体中的有机物释放了一些氧气。

在经过上升之后水体中DO的总体趋势是下降再小幅上升的过程。

由图1还可以看出水体中N的转化速率在前5小时内最为迅速；并且酸度强的水样中DO的消耗速度最快。

图1：

35℃条件下溶解氧变化趋势

3.1.2pH值的变化

水体的背景pH值的变化并不明显（图2），10h之后呈现出小幅上升之后又转而下降到初始水平的变化趋势。

而另外两个呈现弱酸性的水体其pH值的变化较大。

pH值为6的水体在最后PH值变为了8.49，而PH值为5的水体最后的PH值变成了7.33，这一明显的变化则说明在硝化与反硝化反应进行的过程中水体的pH值逐渐趋于中性。

图2：

35℃条件下pH变化趋势

3.1.3背景pH条件下水体中氮的迁移转化

结合图3中的信息可以看出在背景pH条件下水体的NO3-、NO2-和NH4+在前5h内均呈现下降的趋势，NO3-的值下降表明此时水体发生的是反硝化反应。

而NH4+的微幅降低，这说明此时NH4+在硝化反应中转化成为NO2-，而NO2-又进一步的转换成NO3-，但是硝化反应速率低于反硝化反应速率。

即前5h内水体中硝化与反硝化反应共存。

在5至10小时的这一时间段中NO3-、NO2-和NH4+都呈现上升的趋势，这说明该时间段以硝化反应为主要过程，水体中的有机物矿化产生NH4+，进一步氧化成NO2-，而NO2-又最终被氧化成为NO3-，因此，NO3-、NO2-和NH4+在这一时段中都呈现出上升的趋势。

图3:

背景pH值条件水体中氮的迁移转化

在10h至72h之间，NO3-呈现先下降后上升的交替波动趋势；NO2-则是下降之后在上升的趋势；而NH4+则与NO3-相反，呈现出先缓幅上升后缓幅下降的交替波动趋势。

NO3-下降说明水体进行的是反硝化反应，反硝化反应中的NO3-被反硝化细菌分解成NO2-，NO2-又迅速的被转化成为N2O和N2。

而NO3-上升说明水体发生了硝化反应。

而通过图3中NH4+在10至48h内上升，可以推断出水体中的有机物在这一时间段矿化产生NH4+，以至于其在这一时间段的值有所上升，而NH4+的上升为硝化反应提供了条件，因此在48至72h内NH4+下降而NO3-上升。

在硝化与反硝化反应中NO2-作为中间产物，其值应该是上升的，而在10至72h内其值一直在下降，有可能是其产生速度小于转换速度，生成的NO2-在前一时间段发生的反硝化反应中迅速转化N2O和N2，而在后一时间段的硝化反应中又迅速的氧化成为NO3-。

在72至120h这一反应时间段内则主要以反硝化反应为主，此时上一时间段硝化反应生成的NO3-发生反硝化反应，其值开始下降，NO2-上升。

观察可以看到NH4+略微有所上升，这说明水体中有机物又在生成NH4+。

通过以上分析可以看出，背景pH值条件下水体中NO3-、NO2-和NH4+在整个时间段内都呈现出下降后上升，然后再下降、再上升的一个过程，这表明水体中发生的硝化与反硝化反应维持在一个相对稳定的平衡状态。

3.1.4pH值为6时水体中氮的迁移转化

通过图4与图3可以看出水体的pH值不同，水体中氮的迁移转化也不同。

在图4中，前两小时水体中以发生硝化反应为主，在NO3-的值升高的同时NO2-和NH4+的值则稍有下降，但下降的趋势并不明显。

在2h至5h这一时间段内NO3-下降的同时NO2-也下降，这说明水体中发生了反硝化反应，反应最终形成N2O和N2。

再经过这一时间段的反硝化反应之后NO3-在5h至10h内发生硝化反应，直到10h后其值维持在基本稳定的状态无明显波动。

在图4中可以看出NH4+这整个反应过程中的变化并不明显，其值一直保持在0.44mg/l左右，而出现这一现象很有可能是水体中有机质的矿化维持在相对稳定的状态。

图4:

35℃条件下pH值为6水体中氮的迁移转化

3.1.5pH值为5时水体中氮的迁移转化

在pH值为5时，水体中NO3-与NO2-在2h到5h之间呈现一种镜像关系，而NH4+的值与图4一样保持着一定的稳定性。

在前两个小时内NO3-与NO2-的值都有所上升，这说明水体在前两个小时发生硝化反应。

在2至10h这一时间段内，NO3-与NO2-的变化呈现镜像的趋势，NO3-先下降后上升而NO2-则是先上升后下降。

因此可以断定在这一时间段内水体中先发生了反硝化反应后发生硝化反应。

在反硝化反应发生的过程中，NO3-反应生成的NO2-并未快速的转换成为N2O与N2，而是有一段时间的积累或者延缓过程；而在发生硝化反应的过程中NO2-迅速下降，这一现象的产生可能使之前积累的NO2-被消耗，迅速的转化成为NO3-。

在10h之后图5中的各项参数的变化基本上都趋于稳定。

说明相关N反应处于平衡状态。

图5:

35℃条件下pH值为5水体中氮的迁移转化

小结：

水体在背景的pH值条件下，其NO3-的值保持着一种相对稳定的动态波动即反硝化与硝化交替进行的过程，NO2-则是下降之后再上升的趋势；而NH4+则与NO3-相反，呈现出先缓幅上升后缓幅下降的交替波动趋势。

而在pH值为6的水体中，前10个小时也是呈现下降与上升交替进行的趋势，直到10h后维持在基本稳定的状态无明显波动。

NO2-是下降之后在上升的趋势，而NH4+则维持在相对稳定的状态。

对于pH值为5的水体，在2至10h这一时间段内，NO3-与NO2-的变化呈现明显的镜像关系，并在10h之后各项参数的变化基本上都趋于稳定。

由此可见，pH值的变化可以改变N的循环转化过程，培养后期背景值下的NO3-含量低于初期，而pH值为5和6的水体在培养后期都显示出不同程度的累积过程。

3.210℃条件下参数的变化

3.2.1溶解氧DO的变化

综合图6中的信息可以看出在前10h内水体中的溶解氧都呈现出下降的趋势，这说明在这一时间段内水体中的好氧细菌消耗水中的氧气。

在背景pH值条件下，水中的DO在下降之后又开始上升，并且交替进行。

当pH值为6时水中的DO在下降之后开始持续的上升，而在pH值为5时DO的含量与背景pH值的变化趋势相同，只不过其在下降与上升的趋势中更为明显。

同一水体在不同的pH值条件下，DO的变化也不同。

图6：

10℃条件下溶解氧变化趋势

3.2.2pH值的变化

如图7所示，在水体背景pH值条件下，水体的背景pH值在变化趋势基本上保持平衡。

在pH值为6的水体中，经过120h的培养之后，水体的pH值上升至7.92，由酸性水体逐步变化至中性水体。

而pH值为5的水体经过120h的培养之后，pH值上升至6.46，仍偏弱酸性。

图7：

10℃条件下pH变化趋势

3.2.3背景pH条件下水体中N的迁移转化

通过图8所显示的信息，可以看出背景pH值的水体在10°C的情况下其NO3-、NO2-和NH4+的变化幅度较小，且可以看出其中所进行的硝化与反硝化反应也很微弱。

水体在10至72h的时间里NO3-的量持续升高，说明水体中进行硝化反应。

在72至120h的时间内，NO3-的含量降低，水体此时进行反硝化反应。

而在整个过程中NO2-和NH4+的变化及其微弱,整个反应过程维持一个动态平衡。

图8:

10℃条件下背景pH值水体中氮的迁移转化

3.2.4pH值为6时水体中N的迁移转化

图9所显示的是当pH值为6时水体在10°C条件下的反应情况。

如图所示，在0h至2h的时间里NO3-的值下降，这表明水体此时进行反硝化反应，之后NO3-的值呈现上升的趋势，这表明在之后的时间里水体以硝化反应为主，继而维持相对稳定的状态。

另外，水体中NO2-和NH4+的值并未有明显的波动。

图9:

10℃条件下pH值为6水体中氮的迁移转化

3.2.5pH值为5时水体中N的迁移转化

当pH值为5时，NO3-的变化（见图10）与背景pH值水体中NO3-的变化不同，在背景pH值的水体中其值呈现持续升高的趋势，而在pH为5的水体中NO3-的值出现升高与降低交替进行的现象。

NO2-的值相比背景pH值水体和pH值为6的水体其变化的幅度也略微大些，而NH4+的值也未发生太大的变化。

4+

图10:

10℃条件下pH值为5水体中氮的迁移转化

小结：

在10°C的情况下，pH为背景值的水体，其NO3-在10至72h的时间里持续升高，说明水体中进行硝化反应；pH为6的水体在0h至2h的时间里NO3-的值下降后又上升表明了先发生反硝化反应又发生硝化反应；而pH为5的水体中NO3-的值出现先升高后降低的过程。

在10°C的情况下，不同pH值的水体中NO2-和NH4+的变化幅度较小，由此可见，相对低温下，pH对这两个参数影响较小。

3.3不同温度条件下参数的变化

3.3.1不同温度下NO3-变化趋势

不同的温度条件下，相同pH值的水体中NO3-的变化趋势不同（见图11）。

在水体背景pH值条件下，35℃水体中NO3-的变化趋势为在前5h内下降且前两小时迅速下降,5至10h经历小幅的上升之后又开始下降，再之后的时间内都保持着上升与下降交替进行的过程。

而在10℃水体中NO3-在前10h之内有小幅的下降与上升，但变化趋势并不明显。

在10至72小时经历了迅速上升之后又迅速下降，且终值与初值基本相同。

在水体pH值为6的条件下，35℃水体中NO3-在前10h内的变化趋势为先上升后下降，然后再上升的过程。

在10h之后，水体中NO3-的含量持续下降。

而在10℃水体NO3-的含量在前5h内持续下降