废弃泥陶砂对土壤渗透及径流污染物影响研究

赵计奎，夏 霆，黄恩泽，孙淑文，潘新星

(南京工业大学城市建设学院，南京 211816)

清淤海泥与城市市政污泥作为固体废弃物，未经恰当处理处置的污泥进入环境后，直接给水体和大气带来二次污染，不但降低了污水处理系统的有效处理能力，而且对生态环境和人类的活动构成了严重的威胁。寻找合适的处置与资源化利用途径具有重要的现实意义。此外，随着城市化进程推进，城市内涝问题的突出，很多城市到雨季就出现“看海”“捕鱼”景象，这与当下我们提出的生态文明建设理念显得格格不入。河网区海绵城市下凹式绿地的建设是海绵城市建设在城市管理中的具体体现，其次，城市地表径流污染已成为继农业污染之后的第二大面污染源，且径流污染程度具有连年增加的趋势[1]。本文以苏南海绵城市建设作为参考，考虑河网区地下水位高，雨水下渗难度较大等特点[2]，设计采用清淤海泥∶污泥∶碳酸钙=5∶4∶1的陶粒作为土壤改良剂用于绿地黏滞土壤改良及径流污染物去除。

研究内容包括土壤渗透试验及雨水径流污染物净化试验两部分，通过添加粉煤灰、秸秆及粗砂等与废弃泥陶粒混合制备土壤改良剂，总结清淤海泥所制备陶粒对土壤渗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，旨在利用固体废物利用的基础上，改善土壤黏滞特性，满足海绵城市对土壤渗透性能的要求。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土采自南京工业大学生工楼东侧绿地，土壤其植被类型为灌草，土壤类型为轻壤土，通气性较差，呈暗棕黄色，pH经测定偏中性。经测定，有机质含量为22.9 g/kg，全磷为0.15 g/kg，全氮为1.33 g/kg。

采用前期研究废弃物资源化所制备的海泥∶污泥∶碳酸钙=5∶4∶1的陶粒[3]与秸秆混合制备为用以改良土壤渗透性能的CJF改良剂，所用海泥均取自连云港市滩涂航道疏浚的清淤海泥，该清淤海泥色黑，海泥基本特性见表1。

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

1.2 试验装置及处理

室内试验装置如图1所示，该装置有PVC圆筒制备的试验土柱、降雨设备、马氏瓶供水器及称重设备四部分构成。土柱直径15 cm，用以盛放土壤改良剂与原料土混合土样。降雨设备采用点胶针头模拟降雨[4]，通过点胶针头与供水器水位控制降雨强度。其中7号针头可模拟0.32～1.90 mm/min(19.2～114 mm/h)降雨强度。5号针头对应模拟0.10～0.32 mm/min(6～19.2 mm/h)降雨。

图1 降雨模拟试验装置图Fig.1 Rainfall simulation test device map

试验设计用量参照以往相关研究[5]，试验设置空白样，未添加任何土壤改良剂，另外设置纯陶粒组别作为对照，其中CTF、CTJ、CTS改良剂中清淤海泥制备的陶粒施用量为5%，粗砂与粉煤灰质量占总质量的3%、5%、10%；秸秆质量占总质量的0.3%、0.6%、0.9%。试验共设置13个试验组，重复6次。如表2所示。

表2 试验设计处理Tab.2 Test design treatment

1.3 研究方法

2 试验结果与分析

2.1 土壤渗蓄试验

采用配比为海泥∶污泥∶碳酸钙=5∶4∶1制备的粒径为1～2 cm的陶粒[2]，与秸秆、粉煤灰及粗砂作为原料，按照上述1.2中试验设计，其中CTF、CTJ、CTS改良剂中清淤海泥制备的陶粒施用量为5%，粗砂与粉煤灰质量占总质量的3%、5%、10%；秸秆质量占总质量的0.3%、0.6%、0.9%。与原料土混合后装填入PVC土柱中，测定土壤的在5、8、10、20、30、45、60、75、90、110、120 min的天平质量变化并换算成雨水量，计算不同配比土壤改良剂在各时刻的土壤渗透速率并记录。试验结果如图2和图3所示。

图2 不同配比CT改良剂土壤渗透曲线Fig.2 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CT Modifiers

图3 不同配比CTS改良剂土壤渗透曲线Fig.3 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CTS Modifiers

由图2可知：在未添加任何改良剂的条件下，使用原料土等体积装填土柱，其渗透速率随时间呈减小趋势，纯原料土空白样的初始入渗速率为2.34 mm/min，120 min后稳定入渗速率为0.54 mm/min，120 min的平均入渗速率为1.66 mm/min。而当在原料土中加入单一改良剂时，即配比为3%、5%、8%废弃泥陶粒时，随着陶粒比例增加，土壤的入渗速率也随之增加。当配比为3%陶粒时，其平均入渗速率稍大于空白样，为2.02 mm/min。其初始入渗速率及稳定入渗速率分别为2.88及0.89 mm/min。

当配比为5%陶粒时，其平均入渗速率为3.55 mm/min，其初始入渗速率及稳定入渗速率分别为5.55及2.21 mm/min。并且在60 min左右时，土壤入渗速率增势逐渐降低并趋于稳定。

当配比为8%陶粒时，一方面，其整体入渗速率优于上述三组，其初始入渗速率达到8.87 mm/min，稳定入渗速率分别为2.1 mm/min，与配比为5%陶粒组持平。另一方面，与上述三组相比，该组土柱入渗速率斜率较大，降低速率较快。

由此可见，随着土壤中废弃泥陶粒添加量增加，土壤入渗速率呈上升趋势，因此可知在使用纯废弃泥陶粒作为改良剂时，废弃泥陶粒含量的增加可在一定范围使土壤的渗透速率得到增加。

由图3可知：在使用废弃泥陶粒及粗砂混合制备的CTS改良剂用于原料土中时，依据上述试验结果选用5%废弃泥陶粒并添加3%、5%、10%粗砂混合。三组初始入渗速率分别为3.01、5.89及9.88 mm/min，稳定入渗速率为1.01、2.11及3.1 mm/min。平均入渗速率为1.96、3.95及6.39 mm/min，均稍优于纯陶粒组及空白组。

由图4可知：当使用5%废弃泥陶粒混合0.3%、0.6%、0.9%的秸秆制备而成的CTJ改良剂用于土壤改良时，在5～10 min之间，土壤的入渗速率快速下降，表现为渗透曲线的前半段快速递减出现折点。在45 min左右，施放量为0.3%秸秆组别与0.6%组别渗透速率较为接近，均为3.66 mm/min。在45～60 min时0.3%秸秆组别与0.9%组别渗透速率下降较快。而在90 min左右时，添加量为0.9%秸秆试验组的渗透速率再次快速下降，此时添加量为0.6%秸秆组别渗透速率稍大于0.9%组别。之后三组渗透速率均趋于稳定。其稳定入渗速率分别为1.11、2.11及2.09 mm/min。初始入渗速率分别为3.89、6.89及10.98 mm/min，平均入渗速率为2.67、4.09及5.94 mm/min。该试验组渗透速率与纯陶粒组及CTS改良剂相比较优。

图4 不同配比CTJ改良剂土壤渗透曲线Fig.4 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CTJ Modifiers

图5 不同配比CTF改良剂土壤渗透曲线Fig.5 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CTF Modifiers

由图5可知：当使用5%废弃泥陶粒混合3%、5%、10%粉煤灰制备而成的CTF改良剂用于土壤改良时，在5～20 min时三组渗透速率相对稳定，30 min时，粉煤灰施加量为10%组别渗透速率下降速度增加，降至3.1 mm/min，与施加量为5%组别持平，而后上升在45 min左右达到4.32 mm/min，在60 min后，该组渗透速率趋于稳定，渗透速率为1.78 mm/min。而另外两试验组60～90 min之间同步增降，75 min渗透速率达到2.21 mm/min。之后趋于稳定。三组平均入渗速率分别为1.83、2.22及3.50 mm/min。

通过对以上不同配比制备的4种土壤改良剂在不同施加量下对土壤渗透性能的影响试验可以得出：利用清淤海泥∶污泥∶碳酸钙=5∶4∶1制备的粒径为1～2 cm的陶粒作为土壤改良剂一定范围内，土壤的渗透性能随陶粒的施放量增加而增加。与未添加改良剂的空白组别相比，当施加3%废弃泥陶粒作为改良剂时，可将初始入渗速率由2.34 mm/min提高至2.88 mm/min，稳定入渗速率由0.54 mm/min提高至0.89 mm/min，平均入渗速率由1.66 mm/min提高至2.02 mm/min。

当使用5%废弃泥陶粒分别与秸秆、粗砂及粉煤灰混合制备成CTJ、CTS及CTF 3种改良剂并用于原料土中，3种改良剂对土壤的渗透速率均有不同程度的提高，具体效用表现为秸秆>粗砂>废弃泥陶粒>粉煤灰。即废弃泥陶粒与秸秆组合对土壤的渗透性能影响优于其他组别。相反地，粉煤灰与废弃泥陶粒组合对土壤渗透性能影响稍差于另外3个试验组。

2.2 水质净化试验

本试验采用5号针头作为降雨系统模拟0.10～0.32 mm/min(6～19.2 mm/h)降雨，降雨强度设为恒定，未加以研究。当试验水头达到5 cm时开始计时。待雨水由土柱下渗后，静置后采集并测定其对降雨径流污染物去除率。试验结果分析如下。

2.2.1 氨氮、总氮去除效果

各试验组对氨氮的去除情况及出水浓度见图6：试验用雨水经测定氨氮的初始值为7.6 mg/L，CTF改良剂对氨氮的去除效果优于其他组别，其中B1组出水浓度为5.25 mg/L，B2组出水浓度与B1组较接近，为5.21 mg/L。而当粉煤灰添加量为10%时，其出水氨氮浓度为4.89 mg/L，三组氨氮去除率为30.29%、31.45%及35.66%，平均去除率达到32.68%。 与此相反，单一废弃泥陶粒试验组(A组)对氨氮的去除效果最差，去除率仅为10.79%～18.16%。当添加量为3%废弃泥陶粒时，氨氮出水浓度为6.78 mg/L。另外，CTJ及CTS改良剂对氨氮的去除效果均良好，其中C2与D2组出水浓度为5.11及6.23 mg/L。

图6 氨氮出水浓度及去除率Fig.6 effluent concentration and removal rate

各试验组对总氮的去除情况及出水总氮浓度见图7：在试验原水总氮浓度为13.8 mg/L条件下，添加粉煤灰的CTF型改良剂对总氮的去除效果最佳，CTJ改良剂次之，CTS型与CT型再次之。其中B1B2B3中原水经土柱净化后出水总氮浓度为7.23、 6.65及6.78 mg/L，去除率分别为47.61%、51.81%及50.87%，CTJ型改良剂3个试验组，即C1C2C3，出水总氮浓度为8.12、7.65、7.12 mg/L，去除率范围为41.16%～48.41%，平均去除率为44.71%。单一废弃泥陶粒试验组对总氮去除效果稍差于其他组别，其中A2组出水总氮浓度为9.47 mg/L，三组平均去除率为31.04%。

图7 总氮出水浓度及去除率Fig.7 Total Nitrogen effluent concentration and removal rate

2.2.2 总磷、CODMn去除效果

各试验组对总磷的去除情况及出水浓度见图8：在原水总磷浓度为1.5mg/L情况下，5%废弃泥陶粒与秸秆混合制备的CTJ型改良剂对总磷去除效果较优，CTF型改良剂次之，CTS及CT型再次之。对总磷去除效果表现为CTJ>CTF>CT>CTS。其中C3组在12个试验组中去除效果最好，出水中总磷浓度由初始浓度1.5 mg/L降至0.59 mg/L，去除率达60.67%。C1C2组出水总磷浓度为0.68及0.65 mg/L，去除效果较为接近。此外，CTS型改良剂对总磷去除效果较差，平均去速率仅为29.33%。

图8 总磷出水浓度及去除率Fig.8 TP effluent concentration and removal rate

各试验组对CODMn的去除情况及出水浓度见图9：试验期间保持原水CODMn进水浓度为237 mg/L，12个试验组对CODMn的去除效果表现为CTS>CTF>CT>CTJ，整体上看，4个试验组对CODMn的去除效果均良好，试验结果较为接近。其中含粗砂的CTS改良剂对CODMn的去除效果较为理想，去除率范围为47.26%～56.96%，平均去除速率达51.48%。由图9可见，经CTF及CT型改良剂改良土柱CODMn出水浓度范围为123～145 mg/L。去除率为38.82%～48.10%。CTJ型改良剂对CODMn去除效果稍差，平均去除速率为36.01%。

图9 CODMn出水浓度及去除率Fig.9 COD effluent concentration and removal rate

2.2.3 综合分析

综合土壤渗透性能及污染物去除效果分析，在等体积装填土柱试验中，通过添加5%废弃泥陶粒与粉煤灰混合制备成的CTF型土壤改良剂与5%废弃泥陶粒与秸秆混合制备的CTJ型改良剂对土壤渗透性能及水质净化的效果较好。作为土壤生态系统的基质，土壤中矿物质及有机成分的组成对污水净化起着化学作用、物理沉淀及生物分解3个方面的作用，同时为土壤中微生物提供了适宜的分解条件及环境。粉煤灰与秸秆的添加有效的增加了土壤的矿物质含量及比表面积[11]。微生物作为生物净化污水的主要角色，粉煤灰与秸秆的添加也使微生物获得丰富的营养物质，使土壤中的能量与物质循环得到有效的改善，从而对雨水径流中的污染物起到良好的净化作用。

此外，使用清淤海泥制备的废弃泥陶粒有着良好的孔隙度[12]和吸水性能，其良好的孔隙度及吸水性能可以使雨水在渗透过程中形成良好的过流通道并实现良好的渗透效果。与此同时，通过高温烧结的清淤海泥陶粒与普通黏土烧结的陶粒相比造价更低，并能很好的实现废弃物的资源化利用。

表3 综合分析结果Tab.3 Comprehensive analysis of the results

3 结 语

(1)使用清淤海泥制备的废弃泥陶粒在作为土壤改良剂用以促进径流渗透与水质净化是可行的。通过添加海泥、污泥及碳酸钙，采用一定配比并通过控制温度及烧结时间制备的废弃泥陶粒具有良好孔隙度及吸水性能，可使雨污水在土壤中实现更好的渗蓄。此外，将废弃泥陶粒将清淤海泥与秸秆、粉煤灰及粗砂混合可使土壤的渗透性能得到进一步提高。

(2)根据土柱渗透试验结果：在试验的配比范围内，确定5%废弃泥陶粒与秸秆混合制备的CTJ型改良剂对土壤的渗透性能具有良好的改良作用，其中采用5%废弃泥陶粒与秸秆混合制备的CTJ型改良剂120 min内的平均入渗速率为4.09 mm/min。其次，通过添加粉煤灰、粗砂及单一废弃泥陶粒对土壤渗透系数均有一定影响。