某化工廠包氣帶COD污染影響的淋濾試驗研究

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，而且為眾多污染物在土壤中蓄積、遷移和轉(zhuǎn)化提供了場所。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 試驗原理及試驗材料

1.1 試驗原理

淋濾試驗過程中控制水頭高度，試驗溶液以浸沒方式通過土柱，在土柱底部的接取滲出液，分別測量滲濾試驗原溶液和滲出液攜帶出的污染物，污染物濃度減小時說明土柱對于該物質(zhì)具有吸附作用，污染物濃度增加時說明土柱中該物質(zhì)被淋出。試驗過程中保持試驗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 試驗裝置

本次試驗裝置采用φ125 mm、σ6 mm的PE管作為試驗裝置。PE管長度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，在底部內(nèi)緣填入10 cm膨潤土，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。

試驗注水裝置采用雙馬氏瓶注水，調(diào)節(jié)出水口閥門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 試驗材料

試驗土柱材料分為兩類，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)自來水。

2 試驗方法及過程

2.1 試驗方法

本次包氣帶土柱淋濾試驗分為吸附和解吸兩個過程進(jìn)行：

2.1.1 吸附過程

對未污染狀態(tài)下的土柱先用自來水飽和后，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，按一定間隔時間采取淋出液若干毫升進(jìn)行污染物含量測定。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，可以近似認(rèn)為污染物的吸附過程達(dá)到飽和狀態(tài)，即可停止淋濾。

2.1.2 解吸過程

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

2.1.3 樣品檢測

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

2.2 試驗過程

本次共進(jìn)行了3組淋濾試驗。試驗前對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)行天然容重測量，裝填時采用干堆法，每次裝填的高度在5～10 cm之間，裝入土壤后，利用壓實器進(jìn)行土壤壓實，使試驗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，測定未污染土壤對對污染物吸附能力，試驗歷時78 h，取COD含量分析樣29個。

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

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

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 理論依據(jù)

3.1.1 流體動力彌散系數(shù)計算

在土柱入口連續(xù)恒定地注入排污口所取污水(實驗前測定濃度或電導(dǎo)率)C0，出口取樣測定排出污水的濃度(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(時刻：t0.16；t0.5；t0.84)，將時間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 建立土壤對污染物的等溫吸附模型和吸附動力學(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，n→1；C為平衡時液相離子濃度(mg/L)；

(2)建立吸附(解析)動力學(xué)模型

以淋出液時間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)時間(h)；a為與初始濃度有關(guān)的試驗常數(shù)；b為與吸附活化能有關(guān)的吸附速率常數(shù)。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

(1)本次土柱淋濾試驗COD濃度見表1。

表1 COD濃度結(jié)果一覽表

(2)污染土樣彌散系數(shù)計算

根據(jù)化學(xué)檢測，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，對應(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)查找對應(yīng)的時刻t0.16=0.10 h，t0.5=8.43 h，t0.84=63.80 h。計算結(jié)果見表2。

圖1 吸附過程淋濾穿透曲線

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 土柱淋濾試驗結(jié)果一覽表t

(3)吸附過程

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

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

(5)

圖2 吸附過程COD雙常數(shù)擬合曲線

(4)解析過程

①自來水淋入吸附試驗污染土柱

對自來水淋入吸附試驗污染土柱實驗數(shù)據(jù)(解吸過程)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，對曲線進(jìn)行Rrendlich曲線擬合(如圖3)。

圖3 COD解吸過程Frendlich擬合曲線

通過上述擬合分析，得到自來水淋入吸附試驗污染土柱解吸過程淋出液平均濃度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自來水淋入原污染土樣土柱

對自來水淋入原污染土樣土柱試驗數(shù)據(jù)(解吸過程)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，對該曲線進(jìn)行Rrendlich曲線模擬合(如圖4)。

圖4 COD解吸過程Frendlich擬合曲線

通過上述擬合分析，得到自來水淋入吸附試驗污染土柱解吸過程淋出液平均濃度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

通過本次土柱淋濾試驗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，做為擾動土試樣土柱已經(jīng)與原狀土壤情況發(fā)生了改變，所以計算出的彌散系數(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間成雙對數(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間變長而變大，直到達(dá)到飽和。

包氣帶土壤對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，為評價污水滲漏對地下水水質(zhì)的影響提供依據(jù)。