某化工厂包气带COD污染影响的淋滤试验研究

徐伟平

(甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院，甘肃 张掖 73400)

随着社会的发展，工业以及生活污水的不合理排放造成地下水污染的现象日益严重，使地下水受到不同程度的污染破坏。而污染物从地表进入地下水，必然要经过包气带，包气带是指地面以下潜水面以上具有吸收水分、保持水分和传递水分的地带。作为环境系统重要的组成部分，包气带不仅为大气水、地表水同地下水发生水力联系提供了平台，而且为众多污染物在土壤中蓄积、迁移和转化提供了场所。因此，包气带的防污性能好坏直接影响着地下水受污染程度和状况。本文采用土柱淋滤试验法研究某化工厂外排污水中所含污染物在包气带中的吸附、转化、自净机制，确定该地区包气带的防护能力。

1 试验原理及试验材料

1.1 试验原理

淋滤试验过程中控制水头高度，试验溶液以浸没方式通过土柱，在土柱底部的接取渗出液，分别测量渗滤试验原溶液和渗出液携带出的污染物，污染物浓度减小时说明土柱对于该物质具有吸附作用，污染物浓度增加时说明土柱中该物质被淋出。试验过程中保持试验溶液高度在土柱表面以上8～10 cm。土柱底部渗出液的出水速率取决于土柱截面积、孔隙形状、尺度和孔隙率。污染物的吸附率(渗出率)主要取决于土柱岩性及结构特征。

1.2 试验装置

本次试验装置采用φ125 mm、σ6 mm的PE管作为试验装置。PE管长度1.35 m，内壁采用电钻、挫刀使其内壁呈毛面，土柱装填时，在底部内缘填入10 cm膨润土，防止滤液沿内壁快速下渗。管内土柱高度控制在1.20 m，土柱底部距离地面25 cm。

试验注水装置采用双马氏瓶注水，调节出水口阀门使注水水面保持在一定高度。渗漏液采用广口瓶收集，渗漏液体积采用250 ml量筒量取。

1.3 试验材料

试验土柱材料分为两类，一是化工厂原排污池周边未污染状态下的土壤；二是排污池已污染土壤。淋滤液采用化工厂外排污水和小镇自来水。

2 试验方法及过程

2.1 试验方法

本次包气带土柱淋滤试验分为吸附和解吸两个过程进行：

2.1.1 吸附过程

对未污染状态下的土柱先用自来水饱和后，加入初始含污染物污水溶液，调节该溶液流速为定值进行淋滤试验，按一定间隔时间采取淋出液若干毫升进行污染物含量测定。并记录淋入、淋出液的体积。当淋出液污染物浓度接近或达到初始溶液污染物浓度时，可以近似认为污染物的吸附过程达到饱和状态，即可停止淋滤。

2.1.2 解吸过程

将上述污染物吸附达到饱和状态的试验土柱搁置36 h之后，加入与初始溶液pH值相当的自来水进行污染物的淋溶(流速与上面实验需要一致)解吸试验过程。同样间隔时间取淋出液样分析污染物含量，并记录当时淋入、淋出液体积。当淋入液的体积与上述吸附过程停止淋滤时所加初始溶液的体积相同时(或以淋出液污染物浓度接近或达到自来水浓度时，可以近似认为污染物的解吸过程达到完全解吸状态)，即可停止污染物的解吸淋溶试验。

2.1.3 样品检测

滤出液样品中污染物含量测定采用室内化学滴定法，检测项目为COD。

2.2 试验过程

本次共进行了3组淋滤试验。试验前对某化工厂原排污池周边未污染土壤和排污池已污染土壤进行天然容重测量，装填时采用干堆法，每次装填的高度在5～10 cm之间，装入土壤后，利用压实器进行土壤压实，使试验土柱的干容重与天然情况下土壤干容重基本一致。

第一组试验土样采用化工厂排污池周边未污染状态土壤，注入液体选用化工厂外排污水，测定未污染土壤对对污染物吸附能力，试验历时78 h，取COD含量分析样29个。

第二组试验选用自来水作为注入液，土样用第一组吸附土柱(吸附污染物后的污染土柱)，对土柱吸附的污染物质进行解吸，试验历时62 h12 min，取COD含量分析样18个。

第三组试验选用化工厂原排污池内污染土壤，注入液为自来水进行试验，测定原始污染土壤中污染物的解吸能力，试验历时377 h，取COD含量分析样29个。

3 试验数据分析

3.1 理论依据

3.1.1 流体动力弥散系数计算

在土柱入口连续恒定地注入排污口所取污水(实验前测定浓度或电导率)C0，出口取样测定排出污水的浓度(电导率)。以出口处污水浓度(电导率)C为Y轴，相应时间为X轴绘制穿透曲线。

根据穿透曲线查找以下数值：即当C/C0=0.16，0.5，0.84时(时刻：t0.16；t0.5；t0.84)，将时间t0.5的数据代入下列公式。

v=L/t0.5

(1)

式中：V为流速；L为土柱长度；

得到速度V，然后带入下式：

(2)

式中：DL为弥散系数

3.1.2 建立土壤对污染物的等温吸附模型和吸附动力学模型

(1)建立等温吸附(解析)模型

以淋出液中溶质的平均浓度C为X轴，溶质在土壤中的单位吸附量(单位残留量)G为Y轴，绘制等温吸附(解析)曲线，采用Frendlich曲线进行等温解析模拟。

Frendlich曲线：

G=KCn

(3)

式中：G为吸附量；K为常数；n为表示该等温吸附线线性度的常数，介于0与1之间；当液相中被吸附组分浓度很低，或在土壤(粗颗粒CEC值小)中产生吸附时，n→1；C为平衡时液相离子浓度(mg/L)；

(2)建立吸附(解析)动力学模型

以淋出液时间t为X轴，溶质在土壤中的单位吸附量C为Y轴，绘制吸附动力学曲线，采用双常数速率方程进行吸附模拟。

双常数速率方程：

lnC=a+b·lnt

(4)

式中：C为为溶质在单位土体上的吸附量(mg/kg)；t为反应时间(h)；a为与初始浓度有关的试验常数；b为与吸附活化能有关的吸附速率常数。

3.2 试验数据分析

(1)本次土柱淋滤试验COD浓度见表1。

表1 COD浓度结果一览表

(2)污染土样弥散系数计算

根据化学检测，排污口排除污水中化学需氧量(COD)为210 mg/L。即C0=210 mg/L；当C/C0=0.16，0.5，0.84时，对应的C0.16=33.6 mg/L，C0.5=105 mg/L，C0.84=176.4 mg/L。根据吸附穿透曲线(如图1)查找对应的时刻t0.16=0.10 h，t0.5=8.43 h，t0.84=63.80 h。计算结果见表2。

图1 吸附过程淋滤穿透曲线

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 土柱淋滤试验结果一览表t

(3)吸附过程

对外排污水淋入未污染土柱试验数据(吸附过程)建立吸附动力学模型：以淋出液时间t为x轴，以COD在土壤中的单位吸附量c为Y轴，绘制吸附动力学曲线。对吸附动力学曲线进行拟合分析(如图2)，拟合分析结果如下：

COD动力学方程：lnc=0.000 3+0.000 076lnt

(5)

图2 吸附过程COD双常数拟合曲线

(4)解析过程

①自来水淋入吸附试验污染土柱

对自来水淋入吸附试验污染土柱实验数据(解吸过程)建立等温解吸模型：以淋出液中溶质COD的浓度C为x轴，溶质在土壤中的单位吸附量G为Y轴，绘制等温解吸曲线，对曲线进行Rrendlich曲线拟合(如图3)。

图3 COD解吸过程Frendlich拟合曲线

通过上述拟合分析，得到自来水淋入吸附试验污染土柱解吸过程淋出液平均浓度C与单位吸附量G之间的关系式：

COD等温解吸方程：G=0.000 084C0.602 6

(6)

②自来水淋入原污染土样土柱

对自来水淋入原污染土样土柱试验数据(解吸过程)建立等温解吸模型：以淋出液中溶质COD的浓度C为x轴，溶质在土壤中的单位吸附量G为Y轴，绘制等温解吸曲线曲线，对该曲线进行Rrendlich曲线模拟合(如图4)。

图4 COD解吸过程Frendlich拟合曲线

通过上述拟合分析，得到自来水淋入吸附试验污染土柱解吸过程淋出液平均浓度C与单位吸附量G之间的关系式：

COD等温解吸方程：G=0.000 084C0.602 6

(7)

4 结语

通过本次土柱淋滤试验研究主要得出以下结论：

(1)研究区包气带土壤的弥散系数为46.03 m2/d，做为扰动土试样土柱已经与原状土壤情况发生了改变，所以计算出的弥散系数偏大。

(2)污染物中COD在包气带土壤中的单位吸附量与淋出时间成双对数关系，污染物在包气带土壤中的单位吸附量与污染物的初始浓度及淋出时间有关。

(3)污染物初始浓度越大，污染物在包气带土壤中的单位吸附量越大。

(4)污染物中COD初始浓度一定的情况下，污染物在包气带土壤中的单位吸附量随淋出时间变长而变大，直到达到饱和。

包气带土壤对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。包气带土壤截留污染物的能力对地下水污染的治理起着关键作用。该化工厂污染物中COD在包气带土壤中的吸附、转化机制初步清楚，为评价污水渗漏对地下水水质的影响提供依据。