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聚丙烯酰胺和椰糠配合对绿地土壤换填介质渗、蓄、净的效果
Effects of polyacrylamide and coir on the media infiltration, retention and purification in urban greenland soils
: 2019 - 03 - 22
: 2019 - 07 - 26
: 2019 - 08 - 05
12 0 0
摘要&关键词
摘要:绿地土壤换填介质性能对海绵城市雨水径流源头削减起着至关重要的作用。为解决西咸新区海绵城市绿地土壤换填介质(土沙椰糠=442,体积比)去污性能不佳和椰糠遇水漂浮的问题,通过设置不同浓度(0、0.5%、0.75%、1%、1.5%)的聚丙烯酰胺(,PAM)溶液与换填介质进行混合,测定其饱和导水率、饱和含水量、全氮(TN)、全磷(TP)、化学需氧量(COD)以及重金属铜(Cu)、锌(Zn)和镉(Cd)静态吸附效果。结果表明与不添加PAM处理相比,用量为0.75%、1%、1.5%(质量分数)的PAM处理,介质的容重分别显著降低了9.1%10.8%、12.2%;用量为1%、1.5%的PAM处理,介质的饱和含水量分别显著增加了24.3%、30.0%;用量为1.5%的PAM处理,介质的饱和导水率显著提高了52.6%;不同处理对TN和COD的吸附效果没有显著影响;与对照相比,用量为0.75%、1%、1.5%的PAM处理,滤液中磷的含量分别显著增加了20.1%31.3%、51.1%;PAM的添加增加了介质对Cu、Zn和Cd的吸附。总之,用量为1.5%的PAM处理对于介质容重、饱和含水量、饱和导水率及对污染物(TN、COD、Cu、Zn、Cd)的静态吸附效果方面表现最优,因此推荐1.5%的PAM与土沙椰糠(442)配合可作为西咸新区绿地土壤换填介质。
关键词:聚丙烯酰胺;;填介;;理性状;;染物去除;
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Bioretention, a promising technology for urban stormwater pollution treatment. The mixture of soil, sand and coir was recommended to use as a bioretention media in the sponge city of the Fengxi New Town. The media amelioration was significantly enhanced soil infiltration, however, there were still problems on soil purification and the coir was floating with the stormwater. In order to improve the current situation, this study mixed PAM with the soil, sand and coir (the volume ratio is 4∶4∶2), to investigate the effects of different dosages of PAM on saturated water content, saturated water conductivity and pollutant removal rate. Materials and methods The emulsive PAM with different dosages (0%, 0.5%, 0.75%, 1%, 1.5%) (w/w) were mixed with the soil, sand and coir (the volume ratio is 4∶4∶2), which was incubated at laboratory lasted 20 days, the medium water content kept at 15% during the incubation study. And then saturated water conductivity, water content and chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), copper, zinc and cadmium contents in different leachates were measured to evaluate the pollution removal rate. Results The ratio of different amount of PAM and coconut chaff was important to improve the physical and chemical properties of the filter media. Compared with the control, the medium bulk density was decreased by 9.1%, 10.8% and 12.2% under PAM amendment at 0.75%, 1% and 1.5%, respectively. The saturated water content and saturated water conductivity were increased by 30.0% and 52.6% under PAM amendment at 1.5% treatment, respectively. However, there was no significant difference between other treatments and the control. Compared to the control, the content of COD and total nitrogen of the leachate was no significant under PAM amendment. However, the content of phosphorus of the leachate increased by 20.1%, 31.3% and 51.1% under PAM amendment at 0.75%, 1% and 1.5%, respectively. The addition of PAM increases the removal rate of Zn, Cu and Cd. DiscussionPAM can effectively improve soil structure, reduce soil bulk density, increase the total soil porosity and capillary porosity, maintain the stability of soil particles and pore structure, thereby increasing soil infiltration rate and soil moisture content. PAM directly affects the adsorption of pollutants by the media through its molecular structure, and indirectly affects the adsorption of pollutants by the media through the effect on soil structure. Application of PAM can influence on soil physical and chemical properties, and the changes depended on the emulsive PAM rate. Conclusions The mixture of soil, sand, coir (4∶4∶2 (v∶v∶v)) and with PAM (1.5% (w/w)) amendment was recommended to use as a soil amelioration in the sponge city of the Fengxi New Town. Recommendations and perspectives We should be based on the actual situation of the soil, and comprehensively consider the effects of the infiltration, retention and purification, in order to select a suitable replacement media for the local.
Keywords: polyacrylamide; coir; soil amelioration; physical properties; pollutant removal rate
随着城镇化的,由此带来的弊端也日益凸显,如城市内涝、水资源短缺、水污染比较严重。海绵城市是指城市能够像海绵一样,在应对城市内涝、净化水资源等方面具有良好的功能,并达到“自然积存”、“自然渗透”、“自然净化”的目的(崔广柏等2016)。土壤介质是海绵设施功能发挥的重要载体。土壤本身特别是黏质土壤很难达到海绵设施渗滤介质“下渗”和“净污”的要求(高晓丽2014)。换填介质作为海绵设施的重要组成部分可以有效平衡保水与下渗这对矛盾体,同时,设施中合理的植物搭配会促进其渗透、滞蓄和净化功能,因此选择合适的土壤换填介质对源头减排项目实施有效性起着关键作用。换填介质是在原土性状的基础上,合理选择其他透水、保水、去污等功能较强的介质填料与原土按照一定比例进行混合,综合改良原土下渗能力弱或保水性能差等不良性状,既能保证不失去原土供养植物生长的能力,又可加速雨水下渗,实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。目前换填介质的主要配比为以土壤为基础,同时添加一定有机质物料(孟莹莹等2010)。国外对于换填介质已做了相应的规范,并对不同的物料进行量化配比,如:北卡罗来纳州推荐使用85%88%的沙、8%12%的土和粉沙、3%5%的有机质且成本相对较低(Hunt and Lord2006);特拉华州推荐使用1/3的沙、1/3的泥炭、1/3的有机物料进行混合,但是价格相对较高(DNREC2005);也有推荐使用80%的沙壤土、10%的蛭石、10%的珍珠岩作为换填介质(Bratieres et al2008)。目前不同的填料对于雨水污染物的去除效果有较大的差异。
聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)是由丙烯酰胺(acrylamide,AM)经聚合而合成的水溶性线性高分子聚合物,具有良好的絮凝性,喷施或撒于地表能提升土壤水分的入渗(Yu et al2003),改良土壤结构并能促进土壤团聚体的形成,同时减少土壤养分流失(李晶晶等2016)。椰糠是椰子壳外层纤维,具有较好入渗和排水性能,由于这两种填料改土的特性所以将二者结合起来(相宗国等2012孙建磊等2016)。西咸新区沣西新城是2015年4月入选全国首批海绵城市建设试点,由于土壤质地为粉黏土,对于雨水的下渗、净化作用差,不宜直接作为海绵设施渗滤介质,通过系列渗透及保水性能实验,提出土沙椰糠(442)为换填介质应用配比,其稳定下渗速率可达到1×10-5 m/s,但是椰糠密度较轻,与土壤和沙的密度差值较大,在运行初期,设施蓄水后大量椰糠上浮,影响换填介质的均匀性及下渗保水性能的稳定性。为解决这一问题,选用PAM与换填介质进行混合,改善换填介质中椰糠分散漂浮的现象。因此本研究以西咸新区当下应用的换填介质为研究对象,添加一定用量的PAM,探究不同用量的PAM添加对换填介质容重、饱和含水量、饱和导水率、以及对污染物去除效果的影响。
1材料与方法
1.1供试材料
椰糠购于斯里兰卡,容重为0.116 gcm-3,总孔隙度为55.95%,pH值为5.24,有机质含量为908.5 gkg-1。聚丙烯酰胺(PAM):分析纯,分子量500万以上,水解度30%,固体含量90%,购买于天津市科密欧化学试剂有限公司。供试土壤采自西咸新区沣西新城区域土壤,质地为壤土,容重为1.48 gcm-3,孔隙度为44.2%,饱和导水率为22.2 md-1。试验选用沙料的平均粒径为0.35 mm。
1.2试验设计及样品采集
室外培养试验在西北农林科技大学旱棚内进行,在土沙椰糠(442)的基础上,分别添加质量浓度为0、0.5%、0.75%、1%、1.5%的PAM(分别记为处理A1、A2、A3、A4、A5),共计5个处理,每个处理重复3次。具体步骤为先将土、沙和椰糠三者按照442的体积比混匀,然后边加溶胶态的PAM边混匀,将混合好的1010 g介质放在口径13.5 cm、高9 cm塑料盒中培养,培养期保持介质湿度为总干重的25%,每隔12 d称重、浇水用于控制水分含量,共培养20 d。培养结束后,用环刀采取培养盒内的介质,带回实验室内测定不同配比介质的饱和导水率、饱和含水量。在砸入环刀的附近取土带回实验室内测初始含水率以计算容重。塑料盒内剩余介质用四分法一半储存于4℃冰箱中,另一半自然风干,过2 mm筛,装袋备用。
静态吸附试验:准确称取2.5 g培养后过2 mm筛的风干介质于50 mL离心管中,按照水土比101添加25 mL人工配置的污水(表1)。在25℃恒温、180 rmin-1频率下震荡16 h,以3000 rmin-1速度离心10 min,之后过滤,测定不同处理滤液中化学需氧量(COD)、全氮、全磷、铜、锌、镉的含量。其中重金属去除率(%)=(进水重金属浓度-滤液中重金属浓度)/进水浓度×100%。
表1   试验配水浓度
全氮
Total Nitrogen
全磷
Total Phosphorus
化学需氧量COD
Cu

Zn

Cd
浓度(mg L-1
Concentration
823002.25301.5
配水试剂
Test water
硝酸钾
KNO3
磷酸二氢钾
KH2PO4
葡萄糖
C6H12O6
氯化铜
CuCl2·2H2O
硫酸锌
ZnSO4·7H2O
氯化镉
CdCl2·2H2O
1.3测定指标及方法
换填介质的容重、饱和导水率、饱和含水量按照土壤的测定方法进行。介质容重用环刀法测定:环刀带回实验室后先进行称重,记为m1,初始含水量记为W%,环刀体积为100 cm3,则介质容重(gcm3)=m1/1001+W%。介质饱和导水率采用室内环刀定水头法,水头高控制在5 cm。土壤饱和导水率是在饱和土壤中单位势梯度下单位时间内通过土壤横截面积的水流体积,可根据达西定律获得(邵明安等2006)
Ks =\(\mathrm{ }\frac{Q}{A·T}\)
式中:Ks为单位梯度下的通量,也即饱和导水率(cmmin);Q为出流量(mL);A为水流经过的横截面积();T为出流时间(min)。
用烘干法测定介质饱和含水量:介质饱和导水率测完后,称重,记为m2,将环刀放入105℃烘箱烘干至恒重后称重,记为m3,环刀质量事先已知为m0,介质饱和含水量=m2-m3/(m3-m0)100%(鲍士旦2000)。
全磷用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法;全氮用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法;COD用快速密闭消解法;铜、锌、镉用石墨炉-原子吸收分光光度方法测定。TN、TP、COD、Cu、Zn、Cd检测方法参照国家标准《水和废水监测分析方法(第四版)》。
1.4   数据分析
所有数据均采用3次重复,采用Microsoft Excel 2016和IBM SPSS Statistics 20软件整理和分析数据,用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和Duncan’s法进行方差分析和多重比较(<0.05),3次重复的平均值和标准差Origin作图。
2结果与分析
2.1   PAM添加对介质容重、饱和导水率和饱和含水量的影响
PAM的添加影响了介质容重、饱和导水率和饱和含水量(图1、2、3)。随着PAM的添加容重降低,与不添加PAM对照处理相比,用量为0.75%、1%和1.5%的PAM添加,介质容重分别降低了9.1%,10.8%和12.2%,而用量为0.5%的PAM处理与对照相比,介质容重没有显著差异(图1)。PAM表面有大量亲水基团,吸水后通过氢键对粒吸附、凝聚,有效促成中团粒凝聚成大团粒,增加土壤大团聚体和水稳性团聚体的含量,从而改善土壤结构(曹丽花等2008康倍铭等2014),使得换填介质变疏松,增加介质空隙。这与方鑫等(2016)的研究结果一致,秸秆复合PAM显著降低了土壤容重。用量为1.5%的PAM添加后介质容重降低幅度最大,对介质孔隙结构改善最明显。


图1   基质容重的变化
Fig. 1 Bulk density of matrix under different treatments
由于PAM表面有大量的亲水基团,因此添加PAM处理土壤的饱和含水量增加,特别是用量为1%和1.5%的处理。与对照相比,饱和含水量分别增加了24.3%和30.0%,而处理与对照相比没有显著差异(图2)。康倍铭等(2014)研究发现,添加0.1%的PAM与风化煤、秸秆和油渣处理的提高了土壤的保水性。这与介质的容重降低,孔隙度增加有关(图1)。PAM的添加也提高了介质的饱和导水率,用量为1.5%的PAM处理,与对照相比,介质的饱和导水率提高了52.6%,而处理之间没有显著差异。由于PAM施用改善土壤结构,增加土壤孔隙度,解决了土壤保水和渗透之间的矛盾,但这种效果与PAM的用量有关(图3)。韩凤朋等(2010)研究,PAM的用量在2.0 gm-2时,土壤的饱和导水率达到最大,但是用量为3.0 g m-2,降低了土壤饱和导水率。由于PAM本身的透水性能弱,PAM遇水发生膨胀后,增加水的滞度,而溶于水后的PAM由颗粒状变为多枝的纤维状,从而进入土壤原有的空隙,阻塞渗透水入渗的路径,增加水流入渗的阻力,从而导致土壤的饱和导水率降低。因此在使用PAM时,应考虑PAM的用量,避免高用量的PAM对土壤水分入渗造成影响。综合不同质量浓度的PAM添加对介质饱和导水率和饱和含水量的影响,用量为1.5%的PAM添加对介质饱和含水量、饱和导水率的影响最佳。


图2   基质饱和含水量的变化
Fig. 2 Saturated moisture of matrix under different treatments


图3   基质饱和导水率的变化
Fig. 3 Saturated hydraulic conductivity of matrix under different treatments
2.2不同用量的PAM添加对介质渗滤液中COD、氮和磷含量的影响
不同用量的PAM添加对于换填介质渗滤液中的COD和全氮含量没有显著影响(图45),但是0.75%,1%和1.5%的PAM处理与对照相比,渗滤液中磷的含量分别增加了20.1%31.3%和51.1%。员学锋等(2003)研究发现,PAM添加减少土壤淋溶液中、和累积量,与本试验中用的阴离子型PAM有关。贺春凤等(2011)阴离子型的PAM添加降低了沙质土壤对磷的最大吸附量,PAM的阴离子基团与磷酸根存在竞争吸附位点,降低土壤对磷酸根的吸附;或者是PAM与土壤中的铁铝氧化物和粒形成有机-无机复合体,降低了活性铁铝氧化物对磷的吸附;PAM的添加增加土壤团聚体中大粒径,减少<0.01 mm物理性粒含量,减少土壤颗粒表面对磷的吸附位点(王旭东和杨雪芹2006付海曼和贾黎明2009)。PAM施用对于不同处理滤液中COD、TN含量没有显著性的影响,而用量为0.75%、1%和1.5%的PAM处理,显著增加介质渗滤液中磷的含量,但是都低于进水浓度。


图4   基质渗滤液中COD含量的变化
Fig. 4 COD content of matrix under different treatments


图5   基质渗滤液中氮含量的变化
Fig. 5 Nitrogen content of matrix under different treatments


图6   基质渗滤液中磷含量的变化
Fig. 6 Phosphorus content of matrix under different treatments
2.3不同用量的PAM添加对介质Zn、Cu、Cd去除率的影响
由表2可以看出,椰糠本身对Zn、Cu、Cd具有很好的去除效果,而不同用量的PAM添加与对照相比,增加了对Zn、Cu、Cd的去除效果。不同浓度的PAM添加,Zn、Cu、Cd的去除率分别到达99.83%99.88%、100.2%100.5%、101.2%。这与前人的研究结果一致,PAM溶于水后羧基、酰胺基2种活性基团与金属离子形成配位键或氢键(Ruehrwein and Ward1952),且对于Cd2+、Cu2+和Zn2+的吸附在弱酸性的条件下优于在强酸和碱性条件下(孟繁健等2018)。阴离子型的PAM对重金属的作用机理主要是通过吸附架桥、联合吸附、PAM作为基底、配位作用等这几个方面,同时减低重金属在土壤中的暴露风险(孟繁健等2018)。不同处理对污染物的去除效果达到了城市污水再生利用景观环境用水水质的标准(GB/T 189212002)。与标准相比,各处理滤液中Cu的浓度降低98.4%101.2%,Zn的浓度降低87%98.2%,Cd的浓度降低121.6%136.9%。与对照相比,PAM添加后介质对Zn、Cu、Cd的吸附效果显著增强,但不同用量的PAM处理对介质吸附Zn、Cu、Cd的效果不显著。
表2   不同处理对Zn、Cu、Cd去除率的影响
处理
Treatment
Zn去除率
Removal rate of Zn %
Cu去除率
Removal rate of Cu %
Cd去除率
Removal rate of Cd %
铜%锌%镉%
0%99.13±0.551 b99.27±1.084 b100.7±0.410 b-98.4-87.0-121.6
0.5%99.88±0.023 a100.5±0.102 a101.2±0.117 a-101.2-98.2-136.9
0.75%99.83±0.113 a100.3±0.180 a101.2±0.075 a-100.7-97.5-136.5
1%99.83±0.079 a100.5±0.333 a101.2±0.142 a-101.1-97.4-135.9
1.5%99.84±0.069 a100.2±0.209 a101.2±0.127 a-100.5-97.6-135.4
后三列的值表示滤液中的浓度低于城市污水再生利用景观环境用水水质的标准(GB/T 18921-2002)的百分数。
百分数。
3结论
不同用量的PAM与椰糠配比对于基质理化性质的改善有重要的作用。特别是用量为1.5%的PAM添加降低土壤容重增加土壤饱和含水量饱和导水率有重要的影响。但是不同用量的PAM添加对于基质渗滤液中的COD和全氮含量没有显著性的影响,且用量为0.75%,1%和1.5%的PAM处理增加了渗滤液中磷的含量。但PAM的添加增加了Zn、Cu、Cd去除率,并且不同处理对污染物的去除效果达到了城市污水再生利用景观环境用水水质标准。
致谢
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稿件与作者信息
马笑
MA Xiao
王晨光
WANG Chenguang
郝珊
HAO Shan
甘旭
GAN Xu
甘旭,E-mail: af-725@163.com
张阿凤
ZHANG Afeng
王旭东
WANG Xudong
陕西省重点研发计划项目(2017ZDXM-SF-083)
Key Research and Development Program of Shaanxi (2017ZDXM-SF-083)
出版历史
出版时间: 2019年8月5日 (版本1
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地球环境学报
Journal of Earth Environment