徐偉平

(甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖 73400)

隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)以及生活污水的不合理排放造成地下水污染的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，使地下水受到不同程度的污染破壞。而污染物從地表進(jìn)入地下水，必然要經(jīng)過(guò)包氣帶，包氣帶是指地面以下潛水面以上具有吸收水分、保持水分和傳遞水分的地帶。作為環(huán)境系統(tǒng)重要的組成部分，包氣帶不僅為大氣水、地表水同地下水發(fā)生水力聯(lián)系提供了平臺(tái)，而且為眾多污染物在土壤中蓄積、遷移和轉(zhuǎn)化提供了場(chǎng)所。因此，包氣帶的防污性能好壞直接影響著地下水受污染程度和狀況。本文采用土柱淋濾試驗(yàn)法研究某化工廠外排污水中所含污染物在包氣帶中的吸附、轉(zhuǎn)化、自凈機(jī)制，確定該地區(qū)包氣帶的防護(hù)能力。

1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)原理

淋濾試驗(yàn)過(guò)程中控制水頭高度，試驗(yàn)溶液以浸沒(méi)方式通過(guò)土柱，在土柱底部的接取滲出液，分別測(cè)量滲濾試驗(yàn)原溶液和滲出液攜帶出的污染物，污染物濃度減小時(shí)說(shuō)明土柱對(duì)于該物質(zhì)具有吸附作用，污染物濃度增加時(shí)說(shuō)明土柱中該物質(zhì)被淋出。試驗(yàn)過(guò)程中保持試驗(yàn)溶液高度在土柱表面以上8～10 cm。土柱底部滲出液的出水速率取決于土柱截面積、孔隙形狀、尺度和孔隙率。污染物的吸附率(滲出率)主要取決于土柱巖性及結(jié)構(gòu)特征。

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)裝置采用φ125 mm、σ6 mm的PE管作為試驗(yàn)裝置。PE管長(zhǎng)度1.35 m，內(nèi)壁采用電鉆、挫刀使其內(nèi)壁呈毛面，土柱裝填時(shí)，在底部?jī)?nèi)緣填入10 cm膨潤(rùn)土，防止濾液沿內(nèi)壁快速下滲。管內(nèi)土柱高度控制在1.20 m，土柱底部距離地面25 cm。

試驗(yàn)注水裝置采用雙馬氏瓶注水，調(diào)節(jié)出水口閥門(mén)使注水水面保持在一定高度。滲漏液采用廣口瓶收集，滲漏液體積采用250 ml量筒量取。

1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土柱材料分為兩類，一是化工廠原排污池周邊未污染狀態(tài)下的土壤；二是排污池已污染土壤。淋濾液采用化工廠外排污水和小鎮(zhèn)自來(lái)水。

2 試驗(yàn)方法及過(guò)程

2.1 試驗(yàn)方法

本次包氣帶土柱淋濾試驗(yàn)分為吸附和解吸兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行：

2.1.1 吸附過(guò)程

對(duì)未污染狀態(tài)下的土柱先用自來(lái)水飽和后，加入初始含污染物污水溶液，調(diào)節(jié)該溶液流速為定值進(jìn)行淋濾試驗(yàn)，按一定間隔時(shí)間采取淋出液若干毫升進(jìn)行污染物含量測(cè)定。并記錄淋入、淋出液的體積。當(dāng)淋出液污染物濃度接近或達(dá)到初始溶液污染物濃度時(shí)，可以近似認(rèn)為污染物的吸附過(guò)程達(dá)到飽和狀態(tài)，即可停止淋濾。

2.1.2 解吸過(guò)程

將上述污染物吸附達(dá)到飽和狀態(tài)的試驗(yàn)土柱擱置36 h之后，加入與初始溶液pH值相當(dāng)?shù)淖詠?lái)水進(jìn)行污染物的淋溶(流速與上面實(shí)驗(yàn)需要一致)解吸試驗(yàn)過(guò)程。同樣間隔時(shí)間取淋出液樣分析污染物含量，并記錄當(dāng)時(shí)淋入、淋出液體積。當(dāng)淋入液的體積與上述吸附過(guò)程停止淋濾時(shí)所加初始溶液的體積相同時(shí)(或以淋出液污染物濃度接近或達(dá)到自來(lái)水濃度時(shí)，可以近似認(rèn)為污染物的解吸過(guò)程達(dá)到完全解吸狀態(tài))，即可停止污染物的解吸淋溶試驗(yàn)。

2.1.3 樣品檢測(cè)

濾出液樣品中污染物含量測(cè)定采用室內(nèi)化學(xué)滴定法，檢測(cè)項(xiàng)目為COD。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

本次共進(jìn)行了3組淋濾試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)某化工廠原排污池周邊未污染土壤和排污池已污染土壤進(jìn)行天然容重測(cè)量，裝填時(shí)采用干堆法，每次裝填的高度在5～10 cm之間，裝入土壤后，利用壓實(shí)器進(jìn)行土壤壓實(shí)，使試驗(yàn)土柱的干容重與天然情況下土壤干容重基本一致。

第一組試驗(yàn)土樣采用化工廠排污池周邊未污染狀態(tài)土壤，注入液體選用化工廠外排污水，測(cè)定未污染土壤對(duì)對(duì)污染物吸附能力，試驗(yàn)歷時(shí)78 h，取COD含量分析樣29個(gè)。

第二組試驗(yàn)選用自來(lái)水作為注入液，土樣用第一組吸附土柱(吸附污染物后的污染土柱)，對(duì)土柱吸附的污染物質(zhì)進(jìn)行解吸，試驗(yàn)歷時(shí)62 h12 min，取COD含量分析樣18個(gè)。

第三組試驗(yàn)選用化工廠原排污池內(nèi)污染土壤，注入液為自來(lái)水進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定原始污染土壤中污染物的解吸能力，試驗(yàn)歷時(shí)377 h，取COD含量分析樣29個(gè)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 理論依據(jù)

3.1.1 流體動(dòng)力彌散系數(shù)計(jì)算

在土柱入口連續(xù)恒定地注入排污口所取污水(實(shí)驗(yàn)前測(cè)定濃度或電導(dǎo)率)C0，出口取樣測(cè)定排出污水的濃度(電導(dǎo)率)。以出口處污水濃度(電導(dǎo)率)C為Y軸，相應(yīng)時(shí)間為X軸繪制穿透曲線。

根據(jù)穿透曲線查找以下數(shù)值：即當(dāng)C/C0=0.16，0.5，0.84時(shí)(時(shí)刻：t0.16；t0.5；t0.84)，將時(shí)間t0.5的數(shù)據(jù)代入下列公式。

v=L/t0.5

(1)

式中：V為流速；L為土柱長(zhǎng)度；

得到速度V，然后帶入下式：

(2)

式中：DL為彌散系數(shù)

3.1.2 建立土壤對(duì)污染物的等溫吸附模型和吸附動(dòng)力學(xué)模型

(1)建立等溫吸附(解析)模型

以淋出液中溶質(zhì)的平均濃度C為X軸，溶質(zhì)在土壤中的單位吸附量(單位殘留量)G為Y軸，繪制等溫吸附(解析)曲線，采用Frendlich曲線進(jìn)行等溫解析模擬。

Frendlich曲線：

G=KCn

(3)

式中：G為吸附量；K為常數(shù)；n為表示該等溫吸附線線性度的常數(shù)，介于0與1之間；當(dāng)液相中被吸附組分濃度很低，或在土壤(粗顆粒CEC值小)中產(chǎn)生吸附時(shí)，n→1；C為平衡時(shí)液相離子濃度(mg/L)；

(2)建立吸附(解析)動(dòng)力學(xué)模型

以淋出液時(shí)間t為X軸，溶質(zhì)在土壤中的單位吸附量C為Y軸，繪制吸附動(dòng)力學(xué)曲線，采用雙常數(shù)速率方程進(jìn)行吸附模擬。

雙常數(shù)速率方程：

lnC=a+b·lnt

(4)

式中：C為為溶質(zhì)在單位土體上的吸附量(mg/kg)；t為反應(yīng)時(shí)間(h)；a為與初始濃度有關(guān)的試驗(yàn)常數(shù)；b為與吸附活化能有關(guān)的吸附速率常數(shù)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

(1)本次土柱淋濾試驗(yàn)COD濃度見(jiàn)表1。

表1 COD濃度結(jié)果一覽表

(2)污染土樣彌散系數(shù)計(jì)算

根據(jù)化學(xué)檢測(cè)，排污口排除污水中化學(xué)需氧量(COD)為210 mg/L。即C0=210 mg/L；當(dāng)C/C0=0.16，0.5，0.84時(shí)，對(duì)應(yīng)的C0.16=33.6 mg/L，C0.5=105 mg/L，C0.84=176.4 mg/L。根據(jù)吸附穿透曲線(如圖1)查找對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t0.16=0.10 h，t0.5=8.43 h，t0.84=63.80 h。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 吸附過(guò)程淋濾穿透曲線

v=L/t0.5=0.178 m/h，代入解得：

DL=0.000 532 8 m2/s=46.03 m2/d

表2 土柱淋濾試驗(yàn)結(jié)果一覽表t

(3)吸附過(guò)程

對(duì)外排污水淋入未污染土柱試驗(yàn)數(shù)據(jù)(吸附過(guò)程)建立吸附動(dòng)力學(xué)模型：以淋出液時(shí)間t為x軸，以COD在土壤中的單位吸附量c為Y軸，繪制吸附動(dòng)力學(xué)曲線。對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行擬合分析(如圖2)，擬合分析結(jié)果如下：

COD動(dòng)力學(xué)方程：lnc=0.000 3+0.000 076lnt

(5)

圖2 吸附過(guò)程COD雙常數(shù)擬合曲線

(4)解析過(guò)程

①自來(lái)水淋入吸附試驗(yàn)污染土柱

對(duì)自來(lái)水淋入吸附試驗(yàn)污染土柱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(解吸過(guò)程)建立等溫解吸模型：以淋出液中溶質(zhì)COD的濃度C為x軸，溶質(zhì)在土壤中的單位吸附量G為Y軸，繪制等溫解吸曲線，對(duì)曲線進(jìn)行Rrendlich曲線擬合(如圖3)。

圖3 COD解吸過(guò)程Frendlich擬合曲線

通過(guò)上述擬合分析，得到自來(lái)水淋入吸附試驗(yàn)污染土柱解吸過(guò)程淋出液平均濃度C與單位吸附量G之間的關(guān)系式：

COD等溫解吸方程：G=0.000 084C0.602 6

(6)

②自來(lái)水淋入原污染土樣土柱

對(duì)自來(lái)水淋入原污染土樣土柱試驗(yàn)數(shù)據(jù)(解吸過(guò)程)建立等溫解吸模型：以淋出液中溶質(zhì)COD的濃度C為x軸，溶質(zhì)在土壤中的單位吸附量G為Y軸，繪制等溫解吸曲線曲線，對(duì)該曲線進(jìn)行Rrendlich曲線模擬合(如圖4)。

圖4 COD解吸過(guò)程Frendlich擬合曲線

通過(guò)上述擬合分析，得到自來(lái)水淋入吸附試驗(yàn)污染土柱解吸過(guò)程淋出液平均濃度C與單位吸附量G之間的關(guān)系式：

COD等溫解吸方程：G=0.000 084C0.602 6

(7)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次土柱淋濾試驗(yàn)研究主要得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)包氣帶土壤的彌散系數(shù)為46.03 m2/d，做為擾動(dòng)土試樣土柱已經(jīng)與原狀土壤情況發(fā)生了改變，所以計(jì)算出的彌散系數(shù)偏大。

(2)污染物中COD在包氣帶土壤中的單位吸附量與淋出時(shí)間成雙對(duì)數(shù)關(guān)系，污染物在包氣帶土壤中的單位吸附量與污染物的初始濃度及淋出時(shí)間有關(guān)。

(3)污染物初始濃度越大，污染物在包氣帶土壤中的單位吸附量越大。

(4)污染物中COD初始濃度一定的情況下，污染物在包氣帶土壤中的單位吸附量隨淋出時(shí)間變長(zhǎng)而變大，直到達(dá)到飽和。

包氣帶土壤對(duì)地表污染物的截留作用是地下水免受污染的一道天然屏障。包氣帶土壤截留污染物的能力對(duì)地下水污染的治理起著關(guān)鍵作用。該化工廠污染物中COD在包氣帶土壤中的吸附、轉(zhuǎn)化機(jī)制初步清楚，為評(píng)價(jià)污水滲漏對(duì)地下水水質(zhì)的影響提供依據(jù)。