廢棄泥陶砂對土壤滲透及徑流污染物影響研究

趙計奎，夏 霆，黃恩澤，孫淑文，潘新星

(南京工業(yè)大學城市建設學院，南京 211816)

清淤海泥與城市市政污泥作為固體廢棄物，未經恰當處理處置的污泥進入環(huán)境后，直接給水體和大氣帶來二次污染，不但降低了污水處理系統(tǒng)的有效處理能力，而且對生態(tài)環(huán)境和人類的活動構成了嚴重的威脅。尋找合適的處置與資源化利用途徑具有重要的現(xiàn)實意義。此外，隨著城市化進程推進，城市內澇問題的突出，很多城市到雨季就出現(xiàn)“看?！薄安遏~”景象，這與當下我們提出的生態(tài)文明建設理念顯得格格不入。河網區(qū)海綿城市下凹式綠地的建設是海綿城市建設在城市管理中的具體體現(xiàn)，其次，城市地表徑流污染已成為繼農業(yè)污染之后的第二大面污染源，且徑流污染程度具有連年增加的趨勢[1]。本文以蘇南海綿城市建設作為參考，考慮河網區(qū)地下水位高，雨水下滲難度較大等特點[2]，設計采用清淤海泥∶污泥∶碳酸鈣=5∶4∶1的陶粒作為土壤改良劑用于綠地黏滯土壤改良及徑流污染物去除。

研究內容包括土壤滲透試驗及雨水徑流污染物凈化試驗兩部分，通過添加粉煤灰、秸稈及粗砂等與廢棄泥陶?；旌现苽渫寥栏牧紕?，總結清淤海泥所制備陶粒對土壤滲透性能改良及污染物去除是否具有可行性，并考察其改良效果，旨在利用固體廢物利用的基礎上，改善土壤黏滯特性，滿足海綿城市對土壤滲透性能的要求。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土采自南京工業(yè)大學生工樓東側綠地，土壤其植被類型為灌草，土壤類型為輕壤土，通氣性較差，呈暗棕黃色，pH經測定偏中性。經測定，有機質含量為22.9 g/kg，全磷為0.15 g/kg，全氮為1.33 g/kg。

采用前期研究廢棄物資源化所制備的海泥∶污泥∶碳酸鈣=5∶4∶1的陶粒[3]與秸稈混合制備為用以改良土壤滲透性能的CJF改良劑，所用海泥均取自連云港市灘涂航道疏浚的清淤海泥，該清淤海泥色黑，海泥基本特性見表1。

表1 清淤海泥基本特性Tab.1 The basic characteristics of dredging sea mud

1.2 試驗裝置及處理

室內試驗裝置如圖1所示，該裝置有PVC圓筒制備的試驗土柱、降雨設備、馬氏瓶供水器及稱重設備四部分構成。土柱直徑15 cm，用以盛放土壤改良劑與原料土混合土樣。降雨設備采用點膠針頭模擬降雨[4]，通過點膠針頭與供水器水位控制降雨強度。其中7號針頭可模擬0.32～1.90 mm/min(19.2～114 mm/h)降雨強度。5號針頭對應模擬0.10～0.32 mm/min(6～19.2 mm/h)降雨。

圖1 降雨模擬試驗裝置圖Fig.1 Rainfall simulation test device map

試驗設計用量參照以往相關研究[5]，試驗設置空白樣，未添加任何土壤改良劑，另外設置純陶粒組別作為對照，其中CTF、CTJ、CTS改良劑中清淤海泥制備的陶粒施用量為5%，粗砂與粉煤灰質量占總質量的3%、5%、10%；秸稈質量占總質量的0.3%、0.6%、0.9%。試驗共設置13個試驗組，重復6次。如表2所示。

表2 試驗設計處理Tab.2 Test design treatment

1.3 研究方法

2 試驗結果與分析

2.1 土壤滲蓄試驗

采用配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=5∶4∶1制備的粒徑為1～2 cm的陶粒[2]，與秸稈、粉煤灰及粗砂作為原料，按照上述1.2中試驗設計，其中CTF、CTJ、CTS改良劑中清淤海泥制備的陶粒施用量為5%，粗砂與粉煤灰質量占總質量的3%、5%、10%；秸稈質量占總質量的0.3%、0.6%、0.9%。與原料土混合后裝填入PVC土柱中，測定土壤的在5、8、10、20、30、45、60、75、90、110、120 min的天平質量變化并換算成雨水量，計算不同配比土壤改良劑在各時刻的土壤滲透速率并記錄。試驗結果如圖2和圖3所示。

圖2 不同配比CT改良劑土壤滲透曲線Fig.2 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CT Modifiers

圖3 不同配比CTS改良劑土壤滲透曲線Fig.3 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CTS Modifiers

由圖2可知：在未添加任何改良劑的條件下，使用原料土等體積裝填土柱，其滲透速率隨時間呈減小趨勢，純原料土空白樣的初始入滲速率為2.34 mm/min，120 min后穩(wěn)定入滲速率為0.54 mm/min，120 min的平均入滲速率為1.66 mm/min。而當在原料土中加入單一改良劑時，即配比為3%、5%、8%廢棄泥陶粒時，隨著陶粒比例增加，土壤的入滲速率也隨之增加。當配比為3%陶粒時，其平均入滲速率稍大于空白樣，為2.02 mm/min。其初始入滲速率及穩(wěn)定入滲速率分別為2.88及0.89 mm/min。

當配比為5%陶粒時，其平均入滲速率為3.55 mm/min，其初始入滲速率及穩(wěn)定入滲速率分別為5.55及2.21 mm/min。并且在60 min左右時，土壤入滲速率增勢逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

當配比為8%陶粒時，一方面，其整體入滲速率優(yōu)于上述三組，其初始入滲速率達到8.87 mm/min，穩(wěn)定入滲速率分別為2.1 mm/min，與配比為5%陶粒組持平。另一方面，與上述三組相比，該組土柱入滲速率斜率較大，降低速率較快。

由此可見，隨著土壤中廢棄泥陶粒添加量增加，土壤入滲速率呈上升趨勢，因此可知在使用純廢棄泥陶粒作為改良劑時，廢棄泥陶粒含量的增加可在一定范圍使土壤的滲透速率得到增加。

由圖3可知：在使用廢棄泥陶粒及粗砂混合制備的CTS改良劑用于原料土中時，依據(jù)上述試驗結果選用5%廢棄泥陶粒并添加3%、5%、10%粗砂混合。三組初始入滲速率分別為3.01、5.89及9.88 mm/min，穩(wěn)定入滲速率為1.01、2.11及3.1 mm/min。平均入滲速率為1.96、3.95及6.39 mm/min，均稍優(yōu)于純陶粒組及空白組。

由圖4可知：當使用5%廢棄泥陶?；旌?.3%、0.6%、0.9%的秸稈制備而成的CTJ改良劑用于土壤改良時，在5～10 min之間，土壤的入滲速率快速下降，表現(xiàn)為滲透曲線的前半段快速遞減出現(xiàn)折點。在45 min左右，施放量為0.3%秸稈組別與0.6%組別滲透速率較為接近，均為3.66 mm/min。在45～60 min時0.3%秸稈組別與0.9%組別滲透速率下降較快。而在90 min左右時，添加量為0.9%秸稈試驗組的滲透速率再次快速下降，此時添加量為0.6%秸稈組別滲透速率稍大于0.9%組別。之后三組滲透速率均趨于穩(wěn)定。其穩(wěn)定入滲速率分別為1.11、2.11及2.09 mm/min。初始入滲速率分別為3.89、6.89及10.98 mm/min，平均入滲速率為2.67、4.09及5.94 mm/min。該試驗組滲透速率與純陶粒組及CTS改良劑相比較優(yōu)。

圖4 不同配比CTJ改良劑土壤滲透曲線Fig.4 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CTJ Modifiers

圖5 不同配比CTF改良劑土壤滲透曲線Fig.5 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CTF Modifiers

由圖5可知：當使用5%廢棄泥陶粒混合3%、5%、10%粉煤灰制備而成的CTF改良劑用于土壤改良時，在5～20 min時三組滲透速率相對穩(wěn)定，30 min時，粉煤灰施加量為10%組別滲透速率下降速度增加，降至3.1 mm/min，與施加量為5%組別持平，而后上升在45 min左右達到4.32 mm/min，在60 min后，該組滲透速率趨于穩(wěn)定，滲透速率為1.78 mm/min。而另外兩試驗組60～90 min之間同步增降，75 min滲透速率達到2.21 mm/min。之后趨于穩(wěn)定。三組平均入滲速率分別為1.83、2.22及3.50 mm/min。

通過對以上不同配比制備的4種土壤改良劑在不同施加量下對土壤滲透性能的影響試驗可以得出：利用清淤海泥∶污泥∶碳酸鈣=5∶4∶1制備的粒徑為1～2 cm的陶粒作為土壤改良劑一定范圍內，土壤的滲透性能隨陶粒的施放量增加而增加。與未添加改良劑的空白組別相比，當施加3%廢棄泥陶粒作為改良劑時，可將初始入滲速率由2.34 mm/min提高至2.88 mm/min，穩(wěn)定入滲速率由0.54 mm/min提高至0.89 mm/min，平均入滲速率由1.66 mm/min提高至2.02 mm/min。

當使用5%廢棄泥陶粒分別與秸稈、粗砂及粉煤灰混合制備成CTJ、CTS及CTF 3種改良劑并用于原料土中，3種改良劑對土壤的滲透速率均有不同程度的提高，具體效用表現(xiàn)為秸稈>粗砂>廢棄泥陶粒>粉煤灰。即廢棄泥陶粒與秸稈組合對土壤的滲透性能影響優(yōu)于其他組別。相反地，粉煤灰與廢棄泥陶粒組合對土壤滲透性能影響稍差于另外3個試驗組。

2.2 水質凈化試驗

本試驗采用5號針頭作為降雨系統(tǒng)模擬0.10～0.32 mm/min(6～19.2 mm/h)降雨，降雨強度設為恒定，未加以研究。當試驗水頭達到5 cm時開始計時。待雨水由土柱下滲后，靜置后采集并測定其對降雨徑流污染物去除率。試驗結果分析如下。

2.2.1 氨氮、總氮去除效果

各試驗組對氨氮的去除情況及出水濃度見圖6：試驗用雨水經測定氨氮的初始值為7.6 mg/L，CTF改良劑對氨氮的去除效果優(yōu)于其他組別，其中B1組出水濃度為5.25 mg/L，B2組出水濃度與B1組較接近，為5.21 mg/L。而當粉煤灰添加量為10%時，其出水氨氮濃度為4.89 mg/L，三組氨氮去除率為30.29%、31.45%及35.66%，平均去除率達到32.68%。 與此相反，單一廢棄泥陶粒試驗組(A組)對氨氮的去除效果最差，去除率僅為10.79%～18.16%。當添加量為3%廢棄泥陶粒時，氨氮出水濃度為6.78 mg/L。另外，CTJ及CTS改良劑對氨氮的去除效果均良好，其中C2與D2組出水濃度為5.11及6.23 mg/L。

圖6 氨氮出水濃度及去除率Fig.6 effluent concentration and removal rate

各試驗組對總氮的去除情況及出水總氮濃度見圖7：在試驗原水總氮濃度為13.8 mg/L條件下，添加粉煤灰的CTF型改良劑對總氮的去除效果最佳，CTJ改良劑次之，CTS型與CT型再次之。其中B1B2B3中原水經土柱凈化后出水總氮濃度為7.23、 6.65及6.78 mg/L，去除率分別為47.61%、51.81%及50.87%，CTJ型改良劑3個試驗組，即C1C2C3，出水總氮濃度為8.12、7.65、7.12 mg/L，去除率范圍為41.16%～48.41%，平均去除率為44.71%。單一廢棄泥陶粒試驗組對總氮去除效果稍差于其他組別，其中A2組出水總氮濃度為9.47 mg/L，三組平均去除率為31.04%。

圖7 總氮出水濃度及去除率Fig.7 Total Nitrogen effluent concentration and removal rate

2.2.2 總磷、CODMn去除效果

各試驗組對總磷的去除情況及出水濃度見圖8：在原水總磷濃度為1.5mg/L情況下，5%廢棄泥陶粒與秸稈混合制備的CTJ型改良劑對總磷去除效果較優(yōu)，CTF型改良劑次之，CTS及CT型再次之。對總磷去除效果表現(xiàn)為CTJ>CTF>CT>CTS。其中C3組在12個試驗組中去除效果最好，出水中總磷濃度由初始濃度1.5 mg/L降至0.59 mg/L，去除率達60.67%。C1C2組出水總磷濃度為0.68及0.65 mg/L，去除效果較為接近。此外，CTS型改良劑對總磷去除效果較差，平均去速率僅為29.33%。

圖8 總磷出水濃度及去除率Fig.8 TP effluent concentration and removal rate

各試驗組對CODMn的去除情況及出水濃度見圖9：試驗期間保持原水CODMn進水濃度為237 mg/L，12個試驗組對CODMn的去除效果表現(xiàn)為CTS>CTF>CT>CTJ，整體上看，4個試驗組對CODMn的去除效果均良好，試驗結果較為接近。其中含粗砂的CTS改良劑對CODMn的去除效果較為理想，去除率范圍為47.26%～56.96%，平均去除速率達51.48%。由圖9可見，經CTF及CT型改良劑改良土柱CODMn出水濃度范圍為123～145 mg/L。去除率為38.82%～48.10%。CTJ型改良劑對CODMn去除效果稍差，平均去除速率為36.01%。

圖9 CODMn出水濃度及去除率Fig.9 COD effluent concentration and removal rate

2.2.3 綜合分析

綜合土壤滲透性能及污染物去除效果分析，在等體積裝填土柱試驗中，通過添加5%廢棄泥陶粒與粉煤灰混合制備成的CTF型土壤改良劑與5%廢棄泥陶粒與秸稈混合制備的CTJ型改良劑對土壤滲透性能及水質凈化的效果較好。作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的基質，土壤中礦物質及有機成分的組成對污水凈化起著化學作用、物理沉淀及生物分解3個方面的作用，同時為土壤中微生物提供了適宜的分解條件及環(huán)境。粉煤灰與秸稈的添加有效的增加了土壤的礦物質含量及比表面積[11]。微生物作為生物凈化污水的主要角色，粉煤灰與秸稈的添加也使微生物獲得豐富的營養(yǎng)物質，使土壤中的能量與物質循環(huán)得到有效的改善，從而對雨水徑流中的污染物起到良好的凈化作用。

此外，使用清淤海泥制備的廢棄泥陶粒有著良好的孔隙度[12]和吸水性能，其良好的孔隙度及吸水性能可以使雨水在滲透過程中形成良好的過流通道并實現(xiàn)良好的滲透效果。與此同時，通過高溫燒結的清淤海泥陶粒與普通黏土燒結的陶粒相比造價更低，并能很好的實現(xiàn)廢棄物的資源化利用。

表3 綜合分析結果Tab.3 Comprehensive analysis of the results

3 結 語

(1)使用清淤海泥制備的廢棄泥陶粒在作為土壤改良劑用以促進徑流滲透與水質凈化是可行的。通過添加海泥、污泥及碳酸鈣，采用一定配比并通過控制溫度及燒結時間制備的廢棄泥陶粒具有良好孔隙度及吸水性能，可使雨污水在土壤中實現(xiàn)更好的滲蓄。此外，將廢棄泥陶粒將清淤海泥與秸稈、粉煤灰及粗砂混合可使土壤的滲透性能得到進一步提高。

(2)根據(jù)土柱滲透試驗結果：在試驗的配比范圍內，確定5%廢棄泥陶粒與秸稈混合制備的CTJ型改良劑對土壤的滲透性能具有良好的改良作用，其中采用5%廢棄泥陶粒與秸稈混合制備的CTJ型改良劑120 min內的平均入滲速率為4.09 mm/min。其次，通過添加粉煤灰、粗砂及單一廢棄泥陶粒對土壤滲透系數(shù)均有一定影響。