土壤渗滤技术处理公路路面径流污染物的实验研究

作     者：沈会栋 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周添红;李旭

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：土壤渗滤技术 公路径流 生物炭 羧甲基纤维素钠 重金属 

摘      要：在交通量飞速增长的同时,公路表面不断累积污染物质,经雨水冲刷后进入附近水体、土壤,形成水域或陆域面源污染。与城市道路径流处理相比,我国公路陆域径流处理设施相对缺失,环境污染问题越来越突出。公路径流源分散、水量不均匀、有多种重金属,直接采用城市道路径流处理模式不适宜。且经过基质改良后,土壤渗滤技术可以应用到公路路面径流处理中。因此本研究拟采用石英砂、生物炭(Biochar,BC)、羧甲基纤维素钠(Carboxymethyl cellulose sodium,CMC)材料对土壤进行改良,强化下渗以及吸附污染物能力。通过设置对照组(CK)、羧甲基纤维素钠组(CM)、生物炭组(BC)、羧甲基纤维素钠-生物炭组(CBC)不同基质的土壤渗滤系统,研究土壤渗滤系统长期运行下污染物处理性能变化,探究不同深度土壤基质的理化指标变化以及污染物累积情况,以期为我国土壤改良及土壤渗滤技术在公路陆域中的设计应用提供技术依据。主要结论如下:(1)通过对基质改良实验,可得出稻壳生物炭对改良土壤基质的孔隙结构效果最好。CMC的加入可以改善土壤孔隙结构,改变土壤的持水能力。静态吸附和下渗实验表明,与对照相比,砂土比为6:4,稻壳生物炭添加量为5%,CMC添加量为0.1%的改良配比,下渗系数降低60.69%,饱和含水率显著降低,对氨氮、磷、铜的去除率分别提升38.97%、19.47%、33.78%,对铬的去除率为30.14%。(2)构建了四个土壤渗滤柱,土壤渗滤系统的启动时间为30 d。在土壤渗滤实验中,原土CK土柱对COD的去除效果相对较差,平均去除率在59.44%。改良后的系统对COD、氨氮、总氮、总磷的去除效率均有提升,四个土柱出水COD可达到《农田灌溉水质标准》(GB5084-2021)中旱地作物标准。添加生物炭可以使系统具备更高的渗透系数,更强的复氧能力,COD去除效率相对更高。出水氨氮去除率均达到51%以上,对总氮的平均去除率分别为15.05%、18.48%、25.76%、24.11%。并且在运行至中期时,四个土柱对径流总磷的去除率分别为67.11%、89.93%、40.27%、75.17%,出水氨氮、总氮、总磷可达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准。但对有机污染物的去除研究中发现随着运行时间增加,土壤渗滤系统对磷的去除率是逐渐降低的趋势。(3)土壤渗滤系统对重金属铜、铬的去除效果较稳定,出水铜、铬可达《农田灌溉水质标准》(GB5084-2021)中旱地作物标准。四个土柱出水铜浓度变化趋势相似,前期出水浓度较低,随着运行时间增长,四组土柱对铜的去除率呈现减少的趋势。改良土柱CBC出水铜的浓度低于0.5 mg/L。并且由于进水六价铬波动,出水也呈现对应的波动特征。运行70～96 d时,CK土柱对六价铬的吸附能力显著下降,而改良后CBC土柱对六价铬的去除能力仍保持稳定。CMC可以显著提高土壤基质对重金属六价铬的去除能力,改良土柱CBC对六价铬的平均去除率为85.30%。(4)对土壤基质的理化指标和元素含量前后对比发现,添加稻壳生物炭与CMC的改良后的基质p H更稳定,抗冲击能力更强,有机质消耗量更高,缓冲能力更强。与CK土柱相比,总氮没有明显提升,而总磷含量显著提高,同时添加CMC、BC可有效提高吸附磷的效果。对比CK土柱,CM、BC、CBC土柱的铜含量分别增加了31.92%、66.18%、51.19%。基质中铬的总量表现为CBCBCCMCK。并且实验表明在径流下渗后,铜积累在土壤表层,其中0～15 cm的铜含量最高。而重金属铬积累水平最高点位没有明显规律。(5)对不同深度土壤基质的重金属铜、铬形态分析表明,添加生物炭与CMC协同改良,对重金属铜、铬的固定效果更好。未经过改良的土壤基质固定的重金属铜更加活跃,迁移的速率与风险更大。对照土柱中,土壤基质重金属铜主要形态是可氧化态,而其他土柱中则以残渣态为主。