污泥掺混改良沙土的水分入渗及再分布规律

2020-04-27黄殿男焦美怡傅金祥张贺凯

水土保持研究 2020年1期

黄殿男, 焦美怡, 李琳, 傅金祥, 张贺凯, 常沙

(沈阳建筑大学辽河流域水污染防治研究院, 沈阳 110168)

随着城市人口的快速增长，污水处理行业不断发展，污泥产量大幅增加，污泥科学处置是事关生态系统和人类健康安全的大事[1]。目前我国沙化土地面积占国土面积的1/6 以上，土壤沙化成为我国最为严重的生态问题之一[2]。沙化土壤保水能力差，不利于植物生长，是制约沙化土地生态修复的瓶颈问题。污水厂污泥含水率高，且其中水分较难去除，是目前污泥处理处置的难题。本研究旨在通过利用城市污泥治理沙化土地，实现污泥减量化处理，并解决后续环境消纳问题，有效改善沙化土壤保水能力差的缺点[3]，实现“废荒同治”。

污泥改良沙化土壤需要科学确定污泥施用量和最佳保水土层，保障补给水分能在沙土中有效蓄存并被植物利用，是该工作的关键。水分在“泥—沙”复合土壤中的入渗规律、各土层的水分再分布及保贮水能力等均是研究重点[4]。土壤水分入渗特性不仅影响植物根系分布状况，也是合理调控土壤水分、预防干旱的关键和基础[5]。水分再分布是入渗的后续过程，决定着不同土层深度的保水性，直接影响着土壤水分的有效性及植物的生长[5-6]，对植物种类的选择也有一定的参考价值。

许多学者对土壤水分入渗进行了研究。邹焱等[7]通过室内土柱模拟研究了红壤土水分入渗及水分再分布，发现湿润锋运行距离、累积入渗量与时间的平方根呈线性关系，湿润锋速率与时间呈幂函数关系。王永东等[8]对塔克拉玛干风沙土水分入渗规律进行了研究，发现风沙土水分入渗初期速率较大，后逐渐减小，最终达到稳定入渗。肖茜等[9]对施用生物炭黄土的水分入渗进行了研究，发现生物炭添加量影响湿润锋进程与累积入渗量。李帅霖等[10]室内模拟了降雨淋洗土柱试验，发现土壤水分入渗湿润锋入渗深度与时间呈幂函数关系，累积入渗量与时间符合Kostiakov水分入渗模型。包含等[4]水分入渗及再分布试验研究发现，大兴沙壤土保水最佳土层在20—35 cm。上述研究均研究水分在单一介质中的输运规律，对于“污泥—沙土”复合介质中水分输运规律研究鲜有报道。

我国利用污泥治理沙化土壤的研究起步较晚，目前相关研究多集中于：污泥掺混改良沙化土壤的含水率、氮磷钾和有机质含量等土壤理化性质指标的变化[11-14]，植物生长情况[15-17]和污泥应用沙土后环境风险分析[18-19]等方面，但对污泥改良沙土水分运移转化规律研究较少。本文采用模拟降雨淋洗的方式，研究沙化土壤表层上覆盖污泥与沙土掺混土的水分入渗及再分布规律，构建水分入渗模型。该研究可为污泥掺混改良沙土技术评估提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验沙土于2017年10月取自辽宁省阜新市彰武县风蚀沙化土壤0—60 cm土层，按土层深度将沙土编号：1#(10—20 cm)，2#(20—30 cm)，3#(30—40 cm)，4#(40—50 cm)、和5#(50—60 cm)，分别装袋运回实验室。试验污泥于2017年10月取自辽宁省沈阳市北部污水处理厂离心脱水车间；样品取回后存放于4℃低温实验室内，当日测样品含水率、pH值和有机质含量。污泥的含水率、pH值和有机质含量分别是81.3%，6.71，66.4%。沙土的含水率、pH值和有机质含量分别是4.77%，6.64，0.43%，容重、比重、孔隙度分别是1.51 g/cm3，2.662 g/cm3，0.433。污泥机械组成为：砂粒(50～2 000 μm)占98.08%，粉粒(2～50 μm)占1.9%，黏粒(0.01～2 μm)占0.01%；沙土机械组成为：砂粒(50～2 000 μm)占96.55%，粉粒(2～50 μm)占3.43%，黏粒(0.01～2 μm)占0.01%。

1.2 试验装置及方法

试验装置为直径20 cm、高60 cm的有机玻璃桶，壁厚1 cm。在桶上纵向设置5个内径5.5 cm的圆孔(各圆孔圆心相距10 cm)，用以布设5组土壤墒情监测仪探头。桶底面有数个直径2 cm的孔(能保证水分自由下渗)。为承受上层沙土，装置底部设置多孔有机玻璃板，板厚2 cm。桶上方设置直径为20 cm的圆形模拟降雨盘，降雨盘通过聚氯乙烯管与水箱、流量控制器、水泵等设备连接，形成模拟淋洗系统。装置示意图如图1所示。

图1 试验装置示意图

在室内封闭条件下进行模拟试验，室内温度恒定(8℃)。试验土壤与空气接触面积较小，忽略蒸发作用，只单一考虑土壤水分入渗。污泥与沙土按照10%，15%，20%，30%，50%等掺比(污泥与沙土质量比为1∶9，1∶5.7，1∶4，1∶2.3，1∶1)均匀混合。将分层采集的5#、4#、3#沙土分层填充入5个相同模拟土柱装置中，每层厚度10 cm，为与污泥治沙实际工程相符，将上述5组不同处理的复合介质作为1#、2#的浅层土壤依次装填各土柱内，填充厚度20 cm。设置沙土水分入渗对照。用去离子水模拟降雨，采取饱和淋洗方式。通过前期课题组对沙土层的饱和淋洗试验结果[18]，将模拟降雨参数设置为：降雨强度约为48 mm/h，降雨总量为2 L。通过装置侧面所插的土壤墒情监测仪探头进行土壤含水率的监测与记录，从模拟降雨开始计时，前30 min每1 min记录一次数据，模拟降雨结束后每60 min记录一次数据，将各土层含水率变化数据上传至电脑，分析水分在入渗过程中各土层含水率的变化以及模拟降雨结束后各土层水分的再分布情况。2017年11月2日进行初次淋洗试验。文中所有数据均为3组平行重复测定的平均值。

1.3 主要仪器与分析方法

污泥和沙土中有机物含量的测定采用灼烧称重法，称重使用分析天平(精度0.001)；污泥与沙土初始含水率采用烘干法，使用YX-HF马弗炉(上海娥江仪器)烘干；试验过程中土层含水率用土壤墒情监测法，选用TRM-ZS1型土壤墒情监测仪(锦州阳光气象科技有限公司)进行测定；污泥与沙土pH测试采用电极法，使用Seveneasy S20型精密pH计(瑞士TOLEDO公司)进行测定；污泥及沙土粒径分布采用激光粒度分析仪分析法，使用MASTERSIZER 2000型激光粒度分析仪(英国马尔文公司)测定；沙土容重采用环刀法，比重采用比重瓶法，沙土孔隙度=(1-容重/比重)×100%。

1.4 数据统计与分析

本试验利用Excel 2010 进行数据计算、整理及统计，利用Excel 2010，Origin 9.0进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 泥沙掺混对沙土物理性质的影响

从试验污泥与试验沙土机械组成上看，二者较为接近。试验中污泥颗粒组成与沙土颗粒组成较为相似。污泥与沙土掺混比0，10%，15%，20%，30%，50%的复合土壤各指标及性质如图2所示。

图2 “泥—沙”不同掺混比例复合土壤性质变化

土壤容重是反映土壤紧实度的一个指标，从图2A可以看出，复合土壤的容重随污泥掺混比增加呈现下降趋势，相比沙土而言，50%掺混比土壤容重下降21.85%，说明随着掺混比的不断增加，土壤紧实度下降。土壤比重主要取决于土壤固相组成物质的种类和相对含量，从图2B可以看出，随着泥沙掺混比的不断增加，复合土壤的比重呈现下降趋势，相比沙土而言，50%掺混比土壤比重下降了11%，说明随着污泥含量的增加，比重下降。土壤孔隙度反映了土壤蓄水保墒能力，从图2C可以看出，随着泥沙掺混比的增加，复合土壤的孔隙度呈现上升趋势，相比沙土而言，50%掺混比土壤孔隙度上升了15.7%，说明随着泥沙掺混比的不断增加，土壤蓄水能力增强。从图2D可以得出，随着污泥掺混比例的增加，复合土壤的有机质含量上升。从复合土壤的容重、孔隙度、比重、有机质含量指标看出，掺混比越大，土壤性质得到明显改善。

2.2 污泥沙土掺混比对水分入渗的影响

在土壤水分下渗过程中，湿润区前端与干土层形成的明显交界面称作湿润锋[20]。湿润锋可以直观表示在土壤基质势和重力势共同作用下水分入渗特征。试验中记录湿润锋位置和时间，并绘制入渗曲线，分析污泥沙土掺混比对土壤水分入渗的影响，为确定污泥治沙合适掺混比提供理论参考。

图3 水分湿润锋随时间变化

2.2.1 泥沙掺混比对沙土水分湿润锋的影响湿润锋如图3所示，沙土与5种不同掺混比土壤湿润锋入渗深度均随时间而发生变化。不同污泥沙土掺混比例设置的全程水分入渗总时间排序为：10%(996 s)<15%(1 289 s)<20%(1 513 s)<沙土(1 699 s)<30%(1 796 s)<50%(2 196 s)，表明污泥沙土掺混比例对水分湿润锋入渗深度有明显的影响。在试验过程中，掺混比10%，15%和20%的表层复合土壤以及沙土表面在整个试验过程中都没有产生径流，而掺混比30%和50%的表层复合土壤表面产生径流，水分不易下渗。这是因为污泥与沙土掺混后，使得沙土中有机质和黏粒含量增加，改善了土壤状况，使得土壤颗粒胶结，形成较大的团聚体，进而使沙土孔隙度增大[20]，因此当掺混比小于20%时，随掺混比例的增加沙土孔隙度也就越大，故掺混比为10%，15%，20%的复合土壤水分入渗速率也比较大。但掺混比30%和50%的复合土壤入渗速率却小于沙土，这可能由于污泥保水性好，加之掺混比例大，使复合土壤的基质势能升高，从而导致入渗速率减小，甚至几乎不下渗[21]。

对试验中水分湿润锋下渗距离S(cm)与入渗时间t(s)进行曲线拟合(表1)，发现其符合幂函数S=atb(a表示第一个单位时间内水分湿润锋下移的距离；b表示曲线的衰减程度)，拟合曲线相关系数R2均大于0.99。污泥掺混比从0到20%，a值依次增大，从30%到50%呈现下降趋势，体现了污泥添加程度导致的水分入渗特征变化，0到20%水分入渗速率增大，30%到50%速率下降。

2.2.2 泥沙掺混比对水分入渗速率的影响如图4所示，水分入渗速率随时间呈现降低的趋势，整个曲线可以分成3个阶段：第一阶段为水分入渗速率迅速下降阶段，此阶段时间较为短暂；第二阶段为入渗速率缓慢降低阶段，此阶段较第一阶段时间长；第三阶段为入渗速率稳定阶段，此阶段时间最长。第一阶段各污泥沙土掺混比的入渗速率较为接近，而第二阶段各污泥沙土掺混比的水分入渗速率开始出现明显的变化，其中掺混比10%的水分入渗速率持续变化时间较长，而稳定入渗速率维持时间较短；掺混比15%和20%的水分入渗速率较为接近；掺混比30%和50%的复合土壤水分稳定入渗速率维持时间最长。这与水分入渗速率与模拟降雨强度(雨水与土壤接触时的初速度)有关。浅层土壤与淋洗雨水直接接触，入渗速度较大，而随着深度增加，土壤层对水分入渗产生阻力，水分入渗速率减小[4]。随着试验进行，装置内各个土层含水率逐渐升高，土壤基质势能升高，对水分的接受能力下降，入渗速率达到稳定(稳定入渗速率)。试验结果表明，污泥沙土掺混比10%的土壤入渗能力最强，50%的复合土壤入渗能力最弱。

表1 湿润锋深度与入渗时间拟合

图4 水分入渗速率随时间变化

2.3 泥沙掺混比对水分累积入渗量及土壤水分入渗参数的影响

2.3.1 泥沙掺混比对水分累积入渗量的影响累积入渗量是指入渗开始后一定时间内通过地表单位面积入渗到土壤中的总水量。水分入渗达到稳定之前，通常用累积入渗量来表示土壤水分入渗能力[9]。

由图5可见，泥沙掺混比对水分累积入渗量影响较为明显，各泥沙掺混比的复合土壤的累积入渗量均随时间逐渐增大，复合土壤累积入渗量大小排序为：10%(54.15 cm)>15%(47.12 cm)>20%(40.80 cm)>沙土(34.97 cm)>30%(23.10 cm)>50%(12.68 cm)。与沙土相比，掺混比10%，15%，20%的复合土壤水分累积入渗量都较大，土壤入渗能力较强，有利于水分入渗，而掺混比30%和50%的复合土壤水分则不易下渗，不是污泥改良沙土的适宜比例。

图5 累积入渗量随时间的变化

2.3.2 泥沙掺混比对沙土水分入渗参数的影响采用Philip，Kostiakov入渗经验公式[22-24]对实测结果进行拟合，Philip入渗经验公式表达式为：

I(t)=St0.5+At

式中：I(t)为累积入渗量(cm)；t为水分入渗随时间(s)；S为吸渗率(cm/s0.5)；A为稳渗率(cm/s)。土壤吸渗率(S)是指土壤依靠毛管力吸收或释放液体的能力，是反映土壤前期入渗能力的一个重要指标，对土壤初期入渗率的大小起决定性作用；稳渗率(A)为土壤的稳定下渗强度和稳定入渗率，是衡量土壤入渗性能的指标，随着入渗时间的增加，参数A对土壤入渗率的大小起决定性作用。

各泥沙掺混比的土壤水分下渗曲线与Philip入渗经验公式拟合结果见表2。可见各掺混比土壤的水分下渗曲线与Philip入渗经验公式拟合效果较好。掺混比小于20%时，土壤吸渗率呈现升高趋势，掺混比大于30%时，土壤吸渗率呈现下降趋势，掺混比为50%的吸渗率最低。这是因为泥沙掺混增加了沙土的有机质含量，有机质含量高的土壤，土壤团粒结构多且稳定性好，土壤孔隙分布比较均匀，且毛管孔隙较多，可以贮存大量水分[25]，从而提高了土壤的吸水性能，因此在泥沙掺混比小于20%时，随掺混比的增加，土壤的毛管力对土壤水分吸收的能力增强。而当泥沙掺混比大于30%时，污泥含量过高水分不易下渗，复合介质吸渗率也随之减小。稳渗率大小排序为：10%>15%>20%>沙土>30%>50%。泥沙掺混比20%的复合土壤初期水分入渗能力较强，后期稳定入渗能力较弱，说明该比例土壤前期入渗和后期保水能力较强，有利于植物对水分的吸收。

Kostiakov入渗经验公式表达式为：

I(t)=Ktn

式中：I(t)为累积入渗量(cm)；t为水分入渗随时间(s)；K和n为经验常数。

表2 Philip入渗经验公式参数

污泥与沙土各个掺混比例的水分入渗曲线与Kostiakov公式拟合度均较高，且拟合度高于Philip入渗经验公式(表3)。泥沙掺混比对式中的K和n参数的影响较大，其中掺混比例为20%的K值最大，表明水分从一开始入渗量较大，此掺混比的复合土壤有助于降雨初期水分迅速下渗，利于植物浅层根系更快的接触以及吸收水分；而其n值最小，表明随着时间的推移，水分入渗量衰减程度最低，表明在整个水分入渗过程中累积入渗量都呈较高的水平。

表3 Kostiakov入渗参数

2.4 泥沙掺混比对各土层含水率及水分再分布的影响

2.4.1 在0—30 min内泥沙掺混比对各土层含水率的影响图6列出了泥沙掺混比10%，15%，20%复合土壤0—30 min各土层含水率变化曲线图。如图6A所示，沙土的初始含水率接近于10%，随着试验的进行，第一层、第二层、第三层、第四层、第五层含水率依次迅速升高，当到达18 min时，含水率基本保持稳定。图6B可以看出，10%掺混比复合土壤表层(1#、2#)土壤初始含水率接近20%，而以下三层沙土含水率接近10%。掺混比10%的饱和含水率接近45%，因此当1#、2#土壤含水率接近饱和含水率时变平缓，而时间维持大概15 min又呈现下降趋势，下降到含水率30%左右。下层沙土从含水率接近10%处上升至30%左右，保持平缓。图6C可以看出，15%掺混比的表层(1#、2#)土壤初始含水率接近30%，而以下三层沙土含水率接近10%。掺混比15%的饱和含水率接近60%，因此1#、2#土壤含水率接近饱和含水率后趋于平缓，而时间维持大概20 min又呈现下降趋势，下降到含水率35%左右。下层沙土从含水率接近10%处上升至35%左右，保持平缓。图6D可以看出，掺混比20%与掺混比15%的水分入渗规律较为相似，1#土壤初始含水率为20%左右，2#初始含水率为35%左右，以下三层沙土含水率依然接近10%。掺混比20%的饱和含水率接近65%，因此当1#、2#土壤含水率接近饱和含水率后趋于平缓，时间维持大概20 min又呈现下降趋势，但下降到接近50%又继续保持平稳状态。下层沙土从含水率接近10%上升到含水率35%左右保持平稳。可见20%掺混比例要比15%的饱和含水率高，保水周期长，蓄水能力较强。

图6 0-30 min各泥沙掺混比复合土壤各土层含水率变化

2.4.2 在60 min后泥沙掺混比对各土层水分再分布的影响不同泥沙掺混比复合土壤中水分在模拟降雨结束后运动并没有停止。在水分重力势和土壤基质势共同作用下，水分由势能高的位置向势能低的位置迁移。图中显示各土层沙土含水率随时间都呈现下降趋势。不同泥沙掺混比对各土层保水性以及保水周期有不同的影响。如图7A所示，各土层水分含量大小排序为：5#>4#>3#>2#>1#，其中，1#、2#沙土含水率下降最快，在60—4 000 min内下降幅度为84.3%，其次为2#，下降幅度为70.9%。这可能由于浅层(1#、2#)土壤水土势梯度较高，且随着下层水分继续下渗，下层土壤含水率降低，基质势降低，达到饱和含水率后水分又迅速向下层迁移。这与邹焱等[7]研究结果一致。4#、5#沙土含水率下降幅度最慢，基本保持稳定。在2 800 min以后4#与5#含水率相同，甚至4#超过5#，这是由于4#水分在前期向下迁移，随着含水率的不断降低，基质势降低，5#含水率在稳定的情况下会通过毛管作用补充上层水分，同时5#水分继续缓慢向下迁移，所以含水率逐渐与4#一致甚至小于4#。这与吴奇凡等[26]研究结果一致。图7B所示各土层水分含量大小排序为：5#>4#>2#>1#>3#。泥沙掺混比例为10%的土壤填装在1#、2#，使得1#、2#土壤含水率下降幅度减小，4 000 min处含水率分别为17.8%和29.2%，保水性能比沙土有所提高。但依然不如4#、5#的保水效果好。图7C所示各土层水分含量大小排序为：2#>1#>5#≈4#>3#。掺混比为15%的土壤保水性能有明显提高，4 000 min处含水率分别为33%和35.3%，比4#、5#的保水效果好。图7D所示各土层水分含量大小排序为：2#>1#>5#>4#>3#。掺混比为15%和掺混比为20%的土壤水分再分布曲线较为相似。掺混比20%的土壤4 000 min处含水率分别为36.5%和40.4%，保水性较掺混比15%的复合土壤好。综上所述，泥沙掺混比20%的复合土壤保水性较好，4#、5#(40—60 cm)是最佳的保水深度。

图7 污泥与沙土不同掺混比60 min后水分再分布

3 讨论与结论

3.1 讨论

从泥沙掺混对沙土物理性质的影响来看，泥沙掺混确实可以改良沙土的各项理化指标，且呈现向好转变的趋势。这与黄殿男等[25]的研究结果一致。在整个污泥沙土掺混水分入渗试验后，归纳总结发现，水分入渗基本可以分为3个阶段：含水率迅速上升阶段、含水率缓慢上升阶段、含水率稳定持平阶段。水分入渗由水的重力势能和基质势能决定的。当水分入渗之初，沙土含水率接近于零，基质势小，在重力与吸力的共同作用下，土壤含水率迅速升高。随着试验的进行，沙土含水率逐渐升高，沙土基质势能升高，沙土对水分的吸收减弱，因此含水率上升缓慢。当沙土达到饱和时，沙土基质势能接近于零，因此含水率基本保持不变，即达到含水率稳定阶段。这与彭柳军等[27]的研究结果一致。本试验结果表明，10%，15%，20%的复合土壤水分入渗速率及累积入渗量都相对较大，其中泥沙掺混比20%的复合土壤初期水分入渗能力较强，后期稳定入渗能力较弱，且该掺混比的土壤饱和含水率蓄存周期较长。综上所述，污泥与沙土掺混比为20%的土壤前期入渗和后期保水能力较强，有利于植物对水分的吸收。因此，泥沙掺混比为20%的复合土壤为最优选择。