土柱实验在土壤重金属污染研究中的应用进展与展望

近年来土壤重金属污染状况不容乐观,重金属在土壤中的吸附、迁移和转化等行为显著影响着土壤重金属污染的生态环境效应,成为学者研究热点。土柱实验能够较好地模拟污染物进入土壤中的迁移转化过程,在土壤重金属污染机制、土壤和地下水环境风险评估以及土壤重金属污染的修复等方面均已得到广泛应用。但由于研究中淋滤环境、土壤性质及重金属性质等实验条件的不同,土柱实验并没有一套通用流程,需要研究者自主设计土柱结构,并制定合理的实验方案。本文回顾了近年来土柱实验在重金属污染研究方面的应用进展,总结了在设计土柱实验时供水、渗流及接收等各环节需要注意的问题,并对土柱实验在土壤重金属污染研究方面的应用前景进行了展望,为复杂条件土壤重金属污染研究提供新的研究思路和方法。

土柱实验装置的应用进展与展望

土柱实验在监测和评估土壤情况的研究中得到了广泛应用,并发挥了重要作用,合理布置土柱实验装置,对保障实验拟真性有着积极影响。通过对近年来土柱实验的相关研究进行梳理,本文分析了土柱实验装置布置(土柱系统、供水及蒸发称重系统、监测系统)及关键系统设备的应用情况,比较了不同应用方案的利弊,讨论了影响土柱实验结果的相关问题,并对土柱实验装置的改进和应用方向提出了展望,以期为后续土柱实验装置的布置提供参考。

河北省地质环境监测院研制的“一种土壤污染与修复治理过程模拟的室内土柱实验装置”获国家实用新型专利

河北省地质环境监测院研制的"一种土壤污染与修复治理过程模拟的室内土柱实验装置"获得国家实用新型专利,专利号:ZL201821498500.2。该专利实现了土壤污染与修复治理过程的室内仿真模拟实验,以获取土壤修复治理工程设计所需的必要参数,解决了现有土柱实验装置过于简单,适用性不强,用途单一,特别是在实验过程中不能随时采取土样进行分析测试的问题。

嘉兴垃圾填埋场渗滤液的土柱淋滤实验研究

通过室内淋滤实验分析垃圾渗滤液-水-岩相互作用过程。实验发现Cl-的保守性是相对的,其中在粉砂土中Cl-存在吸附解吸现象,平衡浓度为4446mg/L时,分配系数Kd=0.18L/kg,而在壤土(亚粘土)中Cl-保持保守。SO42-和F-积极参与水岩相互作用,粉砂土和壤土对SO42-和F-均有较强的吸附作用。阴离子交换作用的结果使大量的NO 3-从粉砂土中解吸出来。

土柱淋洗实验研究进展及其在土壤有机碳迁移研究中的应用展望

土壤碳库是陆地生态系统碳循环中重要的源与汇,其小幅的变化都将对大气CO2含量造成巨大的反馈。全球约有1 500 Gt的有机碳储存在土壤中,土壤有机碳的迁移转化一直以来是学者们关注的热点问题。土柱淋洗实验在农业、林业、环境科学等研究领域广泛应用,并在土壤溶质运移模拟、土壤水文性质、重金属和污染物迁移转化等科学研究中取得了大量的研究成果。土柱淋洗实验的设计细节直接关乎实验结果的真实性,存在一些不容忽视的问题,例如大孔隙的数量、优先流的特征等。本文总结了目前国内外土柱淋洗实验研究的现状,讨论了一些土柱淋洗实验设计的常见问题,并在回顾前人土柱淋洗实验研究的基础上,对土柱淋洗实验在研究土壤有机质迁移转化的应用前景做出了展望。

生物通风法修复柴油污染土壤模拟实验研究

通过生物通风技术修复不同柴油浓度污染土壤的土柱模拟实验,研究了各土柱中土壤总石油烃(total petroleum hydrocarbon,TPH)的去除规律,并对影响柴油去除效果的因素进行了分析,结果表明:①经过3个月的生物通风后,初始柴油浓度为5(柱Ⅰ)、10(柱Ⅱ)、20(柱Ⅲ)、40(柱Ⅳ)g/kg的土柱柴油去除率为Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ,柱Ⅱ的修复效果最佳,半衰期为60.05天,TPH最终去除率达65.3%;②挥发和生物降解作用影响土柱中柴油的去除,由于重力引起的向下迁移作用只对柴油在土柱中的空间分布产生影响,三者共同作用决定各土柱不同取样口柴油的去除规律;③在实验过程中,各土柱土壤pH变化不大,初始柴油浓度越高土柱水分损失率越小;有效磷和速效氮含量均有所降低,柱Ⅲ降低率最大,分别为58.27%和31.87%,柱Ⅰ最小;土柱上层土壤中的酶活性要低于下层,过氧化氢酶和脱氢酶活性均呈现出先升高后降低的趋势。实验结果为研究各土柱中柴油的生物降解规律提供了依据。

一维变密度溶质运移实验及参数推求

通过室内土柱注水实验,观测沙质土壤中氯离子浓度的变化过程。以变密度水流连续性方程、溶质运移方程和达西方程为基础,运用有限单元法和差分法对这3个方程进行联立求解,建立了一维变密度水流和溶质运移数值模型。利用实验数据反求变密度渗透系数、弥散系数等水动力参数。

推求土壤水分运动参数的简单入渗法──Ⅱ.实验验证

预报土壤中水分流动需要的土壤导水特性可通过观测水平土柱的入渗过程来确定，这一观测过程的分析是基于对Richards方程求积分解。土壤水分特征曲线中的参数由观测的水平立柱的特征湿润长度和吸力来确定，非饱和土壤导水率由已确定的特征曲线中的参数和测定的饱和导水率导出。供试土壤有三种，它们的质地从砂壤到粘壤。由这种方法所确定的这三种土壤的水分特征曲线与实测的特征曲线符合良好，所确定的砂壤的非他和导水率与实测值的比较令人满意。利用数值法和积分法分别计算了土壤含水量剖面，计算结果吻合良好，说明了这种方法的合理性。

核素迁移柱法实验和模拟计算

提出了一种计算土柱实验中核素迁移参数的方法,并采用脉冲源法测定了核素在土柱中的水流速度、弥散系数,使用计算软件对核素的流出曲线进行了数值模拟,并对影响核素流出时间的参数进行了灵敏度分析.结果表明,在本实验条件下,CXTFIT程序能对实验值给出很好的拟合,含有化学平衡吸附的对流-弥散模型可较好地模拟核素在土柱中的运移特性,水流速度对核素的流出时间影响最大.

土地处理池塘污水影响因素的实验研究

通过户外动态土柱模拟实验,研究了淹水时间、土壤厚度、土壤粒径和淹水深度对池塘污水处理效果的影响。实验结果表明:连续淹水超过4～5d,COD去除率明显下降;相同进水条件下,土层厚度在120cm处,COD去除率达到80%以上;土壤粒径<0.1mm时,COD去除率达到90%;在土层厚度120cm处,淹水深度为60cm时,COD去除率仅40%。

地下水中砷去除机理实验研究

为了研究地下水中砷的去除机理,采用吸附和土柱模拟实验,研究了不同吸附介质、初始浓度和价态等因素对砷去除的影响.吸附实验结果表明,As(Ⅴ)在初始浓度为0.05 mmol/L的条件下,在水铁矿和针铁矿上的平均吸附率分别为35%和14%;As(Ⅴ)在初始浓度为0.01 mmol/L条件下,在水铁矿和针铁矿上的平均吸附率分别为87%和37%;As(Ⅲ)在初始浓度为0.01 mmol/L的条件下,在水铁矿和针铁矿上的平均吸附率分别为73%和39%.土柱模拟实验结果表明,As(Ⅴ)在细砂中的平均吸附率为72%,而在加入氢氧化铁的细砂中平均吸附率为93%;As(Ⅴ)在粗砂中的平均吸附率为80%,在加入氢氧化铁的粗砂中平均吸附率为93%;As(Ⅲ)在细砂和粗砂中的平均吸附率为99.9%.结果表明,砂土中加入Fe3+和OH-后由于产生的氢氧化铁有利于As的吸附,粗砂和细砂对As(Ⅲ)的吸附较强.

城市污泥中氮磷在壤土和砂土中的淋溶实验研究

研究探讨了壤土和砂土上施用城市污泥对地下水中氮和磷的影响。以北京市高碑店污水处理厂的生污泥和庞各庄堆肥厂的堆肥作为土壤施加的污泥源,采用自制土柱淋溶模型的方法研究壤土和砂土上施用不同污泥量时灌水对土柱中pH、氮、磷的淋出情况,测定分析淋滤液中的pH值、总氮和总磷。实验设计4种处理,分别为污泥施用量占土壤干重的0(不施污泥,对照处理)、2%、4%和6%。实验结果表明:淋滤液的pH值显著变低;总氮和总磷以波动方式逐渐降低,并随淋洗次数的增多逐渐低于空白对照水平,而且壤土和砂土中淋滤液的变化规律不同。污泥添加2%时淋滤液氮磷含量最低,堆肥添加4%时淋滤液氮磷含量最低。污泥施用到壤土和砂土上,适量时不会造成地下水氮磷的污染,同时有益于土壤养分的保持,减少养分流失。

莠去津在填充土柱中的运移

用土柱实验模拟莠去津在土壤中的运移.实验结果表明相当浓度的莠去津被淋溶到土柱的底部,说明莠去津对地下水存在很大威胁.应用CXTFIT的平衡与非平衡模型模拟莠去津在土柱中的运移,模拟结果表明CXTFIT的非平衡模型能很好地模拟莠去津的穿透曲线.由CXTFIT率定得到的莠去津在土柱实验中的吸附和降解参数和从批次实验得到的吸附和降解参数有较好的一致性.

不同龄期垃圾渗滤液对浅层地下水污染的实验研究

为了深入了解垃圾渗滤液对浅层地下水污染的机理,揭示不同龄期垃圾渗滤液在浅层地下水中多组分运移规律,文章以阜新市垃圾填埋场为研究对象,通过室内土柱对比实验,研究了不同龄期垃圾渗滤液在浅层地下水中多组分运移的机理和规律。结果表明不同龄期垃圾渗滤液在入渗过程中都会引起地下水不同程度的污染,且新鲜垃圾渗滤液较老龄垃圾渗滤液更易污染地下水,其污染机理主要为吸附、解析、溶解、沉淀和离子交换等水岩作用。研究结果为今后垃圾填埋场的治理和地下水的修复提供理论依据。

一维非达西径向抽水模拟实验

文章通过不同取水条件下一维渗流场室内模拟试验,分别改变表面水层水位、含水层结构、竖井降深等条件,分析各要素对取水量的影响变化。实验结果表明:当垂向入渗速率小于含水介质的饱和渗透系数而难以维持饱和流运动时,部分介质开始由饱和状态转变为非饱和状态,地下水水位降低导致表层水与地下水脱节,从而形成非饱和带。且表水层水位越高,相应的取水量越大,越不易出现非饱和带,运行时间更长;含水层上部存在弱透水层时,相同竖井降深情况下,对应取水量小于不存在弱透水层的情况;饱和取水的条件下,由含水层下部取水,竖井降深越大,相应的取水量越大,但随着竖井降深的增大,含水层内部出现非饱和带,相应的取水量呈下降趋势,二者呈线性关系。

控制砂岩型铀矿床中铀迁移转化的主要水文地球化学作用实验

采集中国北方某砂岩型铀矿床中的含铀矿石样品,共进行7组土柱模拟实验,分别探究氧化-还原条件、HCO-3浓度、有机质和微生物对铀迁移转化的影响。结果表明:氧化-还原条件改变对铀迁移转化会产生重要影响,含氧入渗水带来的氧化环境使含水介质中沉淀态铀大量氧化溶解;HCO-3的促解吸作用及铀酰络合物的强迁移能力对地下水中铀迁移转化影响较大;有机质会参与含水介质中矿物吸附点位竞争,从而造成铀的解吸;微生物作为氧化-还原反应的催化剂,在氧化剂氧化沉淀态铀的反应中起重要作用;氧化作用、解吸作用和溶解作用对地下水中铀迁移转化的贡献比例分别为65.28%、23.91%和10.81%。

HYDRUS数值模拟方法在土壤水动力学实验教学中的应用

土壤水动力学是一门关注多孔介质中流体运动过程的学科,需借助实验观测加强学生对理论知识的理解。但相关过程性实验需耗费大量课时,且实验结果易受装置边界效应影响。该文以典型的土柱入渗实验为背景,采用HYDRUS软件模拟定水头条件下土壤水分的水平向推进过程,揭示了不同土质内水分运移的动态差异。结果表明,HYDRUS模拟软件凭借其可视化的结果输出和实时量化的观测数据,可弥补传统实验教学中的缺陷,提升学生对学科理论的自主探索能力,有助于课本知识与实际应用的结合。

含有非水相液体(苯)的土壤气相抽提体系传质实验研究

选取砂土作为实验室一维土柱通风实验的研究对象,考察了不同含水量(0%、21.9%、36.6%及51.2%)条件下,苯在气-水-油-固4相共存的土壤气相抽提体系(Soil vapor extraction,SVE)体系中的相间传质过程。并用局部相平衡模型及非平衡动力学模型预测结果与实验结果进行了比较。干燥情况下,局部相平衡模型可以描述通风过程,随着含水量的增加实验结果严重偏离平衡模型。含水量为21.9%、36.6%及51.2%时,非平衡动力学模型与实验结果较为符合。结果表明,土壤含水量影响气-液(Non-aqueousphase liquid,NAPL)间的传质,干燥土壤中相平衡模型可以描述SVE修复过程。随含水量的增加修复进程偏离相平衡模型较严重,此时需要用非平衡动力学模型来描述。

某电厂灰渣贮灰场对地下水氟污染影响的淋滤实验研究

针对某电厂灰场灰渣受到降雨淋滤作用而产生的氟对水环境的影响问题,结合其水文地质条件,采用土柱淋滤实验,对土壤淋滤出的溶液进行水质分析,探讨土壤的渗透性能和氟离子浓度变化的规律。结果表明,贮灰场场区土壤渗透性较差,对氟有吸附作用。贮灰场灰渣受到大气降雨的淋滤作用后对灰场场区及周边地区的浅层地下水影响不大,与实际情况相吻合。同时也说明土柱淋滤实验是一种模拟污水渗入过程、确定包气带防护能力的有效手段。

菜田施肥(化肥)对地下水氮污染影响的实验研究

为研究菜田施肥（化肥）对地下水氮污染的影响，进行了２个土柱模拟菜田施肥（化肥）残存量的实验．结果表明，土柱中化肥残存量的７２．０８％和４７．４４％从渗出水中流出．依据实验数据将实验过程分为３个可能阶段：第１阶段，化肥中的ＮＨ＋４被土壤吸附，并交换出土壤中的Ｋ＋＋Ｎａ＋，Ｃａ２＋和Ｍｇ２＋，使之进入渗出水中；第２阶段，为硝化作用增强的阶段，表现为土柱渗出水中ＮＯ－３的质量浓度比注入水有大幅度增加；第３阶段，为硝化作用强度减弱的阶段，表现为渗出水中ＮＯ－３的质量浓度比注入水增加的幅度减小．