一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样方法和系统
阅读说明：本技术 一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样方法和系统 (Method and system for sampling soil leaching solution applied to forest land of urban domestic sludge product ) 是由 贾清棋 陈玲 杨文彬 李海洋 彭祚登 马富亮 熊建军 崔超 姚海 白家云 张晓娟 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明属于城镇生活污泥产品处置领域,公开了一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样方法和系统。该系统包括模拟雨水输入装置、淋溶柱和淋溶液收集装置；所述模拟雨水输入装置包括模拟雨水储存设备和蠕动泵；所述模拟雨水储存设备、蠕动泵、淋溶柱和淋溶液收集装置依次连接。通过利用本发明的系统和方法模拟自然降雨条件,收集取样淋溶液并测定淋溶液的相关指标以研究不同污泥施用量对地下水环境的影响,对预测污泥施用后的潜在环境污染风险具有重要意义。(The invention belongs to the field of treatment of urban domestic sludge products, and discloses a method and a system for sampling an urban domestic sludge product by applying a soil leaching solution to a forest land. The system comprises a simulated rainwater input device, a leaching column and a leaching solution collecting device; the simulated rainwater input device comprises a simulated rainwater storage device and a peristaltic pump; the simulated rainwater storage equipment, the peristaltic pump, the leaching column and the leaching solution collecting device are sequentially connected. By utilizing the system and the method provided by the invention to simulate natural rainfall conditions, collect sampled leaching solution and determine the relevant indexes of the leaching solution to research the influence of different sludge application amounts on the groundwater environment, the system and the method have important significance for predicting potential environmental pollution risks after sludge application.)
技术领域
本发明属于城镇生活污泥产品处置领域，更具体地，涉及一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样方法和系统。
背景技术
城镇生活污泥是污水净化处理过程中的产物，随着我国人口的不断增加和城镇化进程的加快，污水的排放量逐年增加，从而导致了排水污泥产量也大幅度提升。年产量从2007年的3.1亿吨增加到目前的405亿吨。由于城市工业和生活污水处理后的污泥中含有大量的毒性有机物、病原微生物、重金属等，如若处置不当可能会对环境造成二次污染。
城镇生活污泥的土地利用是指将处理后的城镇生活污泥产品作为营养物质用于农业、园林绿化、林业等。污泥中含有大量的营养物质如氮、磷、钾和一些微量元素等可以起到提高土壤肥力，改良土壤性质等作用。污泥土地利用的相关技术政策法规在国外起步较早，英国、美国及许多欧盟国家鼓励污泥土地利用使得该种处置方法所占比例不断上升并维持在较高水平。对于中低产土壤所占比例较高的地区，将污泥应用于土壤不仅解决污泥处置问题同时能起到改善土壤质地，实现营养物质合理循环的作用，但是由于城镇生活污泥来源的特殊性，施入土壤后是否会带来重金属污染又成为人们关注的重要问题。当前污泥的土地利用是最适合中低产土壤所占比例较高的地区的处置方法，通过加强对污泥中污染物的监测与控制是更好的实现污泥资源化利用的重要措施。
污泥施用后，其中的部分有害的微量元素如重金属、多环芳烃等会在雨水、土壤pH等条件作用下使其发生淋溶析出，从而极有可能对地下水造成重金属污染，且不同重金属对地下水的影响程度还不同，因此有必要在降水量大、降雨频率高的时期对施用污泥的地块进行地下水环境检测。但在自然条件下收集淋溶地下水具有不可控性和较高难度，以往通过直接在林地挖穴取样或在林地地下安装装置都无法取到有效淋溶液检测样，且对林地土壤造成破坏性影响，因此，目前亟待提出一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样方法和系统，减少获得淋溶液的难度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样方法和系统。通过利用本发明的系统和方法模拟自然降雨条件，收集取样淋溶液并测定淋溶液的相关指标以研究不同污泥施用量对地下水环境的影响，对预测污泥施用后的潜在环境污染风险具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样系统，该系统包括模拟雨水输入装置、淋溶柱和淋溶液收集装置；
所述模拟雨水输入装置包括模拟雨水储存设备和蠕动泵；
所述模拟雨水储存设备、蠕动泵、淋溶柱和淋溶液收集装置依次连接。
在本发明中，作为优选方案，所述淋溶液收集装置包括漏斗和烧杯。所述模拟雨水储存设备、蠕动泵、淋溶柱、漏斗和烧杯依次连接。
根据本发明，优选地，所述淋溶柱为圆筒形，所述淋溶柱内从上到下依次设置有污泥与土壤混合层、土壤层和防渗过滤层；所述蠕动泵与所述污泥与土壤混合层连接；所述淋溶液收集装置与所述防渗过滤层连接。
根据本发明，优选地，所述淋溶柱的筒体的壁厚为2-3mm，直径为20-30cm，高度为1.2-1.3m，所述污泥与土壤混合层的高度为15-20cm，土壤层的高度为80-85cm，防渗过滤层的高度为15-25cm。
根据本发明，优选地，所述淋溶柱的筒体的材质为PVC材料。
根据本发明，优选地，所述淋溶柱内的所述污泥与土壤混合层上方还设置有防溢出结构，所述蠕动泵与所述防溢出结构连接。
根据本发明，优选地，所述防渗过滤层从上到下依次设置有石英砂层和尼龙网纱。所述尼龙网纱用于对淋溶液起到初步过滤的作用，尼龙网纱上方填充的石英砂用于防止土壤随淋溶液流出所述淋溶柱。
根据本发明，优选地，所述石英砂层的石英砂的颗粒大小为3-5mm。
根据本发明，优选地，所述尼龙网纱的粒径为250-350目。
本发明另一方面提供了一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样方法，该方法采用所述的城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样系统，包括：
将模拟雨水通过所述蠕动泵控制，从所述模拟雨水储存设备送至所述淋溶柱的顶端，并利用所述淋溶液收集装置收集从所述淋溶柱的底端流出的淋溶液，待所述淋溶柱的底端无淋溶液流出结束，测试所述淋溶液内的重金属含量。
在本发明中，测试所述淋溶液内的重金属含量的方法按照GB/T-148482017《地下水质量标准》中的方法进行。
根据本发明，优选地，所述淋溶柱的制备方法包括如下步骤：
S1：将所述尼龙网纱设置于淋溶柱的底端，将所述石英砂填充于所述淋溶柱内的所述尼龙网纱上方，得到防渗过滤层；
S2：在未施城镇生活污泥产品的林地处，从地面向地下，每0-20cm为一层，分层多点取土，将取出的土壤填充在所述淋溶柱内的所述防渗过滤层上方，并依次进行压实和润湿处理，得到所述土壤层；在本发明中，作为优选方案，在未施城镇生活污泥产品的林地处，从地面向地下，按每20cm为一层，分层多点取土，将取出的土壤填充在所述淋溶柱内的所述防渗过滤层上方，每取一层土均进行压实，尤其压实所述淋溶柱的筒壁土壤，尽量减少淋壁效应，每层压实后立马用水进行湿润，减少土壤空隙，同时使土壤达到饱和含水量，得到所述土壤层。
S3：选取所述未施城镇生活污泥产品的林地的地面土壤，并与所述城镇生活污泥产品均匀混合，填充在所述淋溶柱内的所述土壤层上方，并进行压实处理，得到所述污泥与土壤混合层，进而得到所述淋溶柱。
根据本发明，优选地，所述模拟雨水为地下井水。
根据本发明，优选地，所述模拟雨水的用量根据中国气象网公布的试验林地所在区域的降雨强度确定。
根据本发明，优选地，从所述模拟雨水储存设备送至所述淋溶柱的顶端的所述模拟雨水的流量为1-1.2mm/h。
在本发明中，所述试验林地指的是未施城镇生活污泥产品的林地。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
1、通过利用本发明的系统和方法模拟自然降雨条件，收集取样淋溶液并测定淋溶液的相关指标以研究不同污泥施用量对地下水环境的影响，对预测污泥施用后的潜在环境污染风险具有重要意义，且可信度较高。
2、本发明的土壤检测样品和淋溶柱均可以方便替换，并可重复使用，方便在生产中需要长期监测而获得检测样十分困难的问题。通过搜集历年中国气象网公布的降雨数据调整模拟淋溶液参数，可以随时获得在各种降雨条件下的淋溶液，大大提高了检测的效率。
本发明的其它特征和优点将在随后
具体实施方式
部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明实施例1提供的一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样系统的示意图。
附图标记说明如下：
1-模拟雨水储存设备；2-蠕动泵；4-漏斗；5-烧杯；6-防溢出结构；7-污泥与土壤混合层；8-土壤层；9-石英砂层；10-尼龙网纱。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
本实施例提供一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样系统，如图1所示，该系统包括模拟雨水输入装置、淋溶柱和淋溶液收集装置；
所述模拟雨水输入装置包括模拟雨水储存设备1和蠕动泵2；
所述淋溶液收集装置包括漏斗4和烧杯5；
所述模拟雨水储存设备1、蠕动泵2、淋溶柱、漏斗4和烧杯5依次连接。
所述淋溶柱为圆筒形，所述淋溶柱的筒体的壁厚为2mm，直径为20cm，高度为1.3m，筒体的材质为PVC材料；所述淋溶柱内从上到下依次设置有防溢出结构6、污泥与土壤混合层7、土壤层8和防渗过滤层；所述防溢出结构6的高度为10cm，所述污泥与土壤混合层7的高度为20cm，土壤层8的高度为80cm，防渗过滤层的高度为20cm；
所述防渗过滤层从上到下依次设置有石英砂层9和尼龙网纱10；所述石英砂层9的石英砂的颗粒大小为3-5mm，所述尼龙网纱10的粒径为300目。
实施例2
本实施例提供一种城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样方法。
本实施例方法的试验林地为北京市大兴区黄垡苗圃，试验树种为18年生的油松(Pinus tabulaeformis)。采用随机区组实验，将城镇生活污泥产品施用量设为6个水平，即CK(0kg/m2)，T1(1kg/m2)，T2(2kg/m2)，T3(3kg/m2)，T4(4kg/m2)，T5(5kg/m2)，3次重复，18个试验小区。小区内树木均按2×3m的间距种植，每个试验小区面积为200m2。采用撒施的方法，将城镇生活污泥产品按照各个水平均匀撒在样方中后进行旋耕。目前已完成各地块撒施及旋耕任务。
该方法采用实施例1所述的城镇生活污泥产品林地施用土壤淋溶液取样系统，包括：
以油松林地的地下井水作为模拟雨水置于模拟雨水储存设备1中，模拟雨水通过蠕动泵2控制，以1.04mm/h将模拟雨水送至淋溶柱的顶端。所述淋溶柱的尼龙网纱10的下方接漏斗4和烧杯5收集淋溶液，待所述淋溶柱的底端无淋溶液流出结束，测试所述淋溶液内的重金属含量。
所述模拟雨水的用量根据中国气象网公布的大兴地区的降雨强度确定，即20mm/24h，连续模拟下雨12天；
所述淋溶柱的制备方法包括如下步骤：
S1：将所述尼龙网纱10设置于淋溶柱的底端，将所述石英砂填充于所述淋溶柱内的所述尼龙网纱10上方，得到防渗过滤层；
S2：在未施城镇生活污泥产品的油松林地处，从地面向地下，每20cm为一层，分层多点取土，将取出的土壤填充在所述淋溶柱内的所述防渗过滤层上方，每取一层土均进行压实，尤其压实所述淋溶柱的筒壁土壤，尽量减少淋壁效应，每层压实后立马用水进行湿润，减少土壤空隙，同时使土壤达到饱和含水量，得到所述土壤层8；
S3：选取所述未施城镇生活污泥产品的油松林地的地面土壤，并与所述城镇生活污泥产品均匀混合，填充在所述淋溶柱内的所述土壤层上方，并进行压实处理，得到所述污泥与土壤混合层7，进而得到所述淋溶柱。
本实施例中，当城镇生活污泥产品施用量为T5(5kg/m2)时，选取旋耕后的试验小区的从地面向地下20cm的土壤与污泥的混合物，即选取的未施城镇生活污泥产品的林地的地面土壤和所述城镇生活污泥产品的质量比为56:1。当城镇生活污泥产品施用量为T4(4kg/m2)、T3(3kg/m2)、T2(2kg/m2)、T1(1kg/m2)时，遵循上述规则进行。
测试所述淋溶液内的重金属含量的方法按照GB/T-148482017《地下水质量标准》中的方法进行。测试结果见表1、2。
通过表1可以看出，采用本发明方法和系统取样得到的淋溶液中的锌、铬、铅、镉含量由于低于检出限未测出具体数值，但可以看出检出限值远低于《地下水质量标准》的Ⅲ类水标准。各城镇生活污泥产品施用量水平处理下的淋溶液与地下水本底值相比其中铜、汞、砷都有增高的趋势。铜含量不论是否在城镇生活污泥产品施用量水平处理下，地下水经过淋溶柱后铜的含量都上升了4倍以上，随着城镇生活污泥产品施用量的增加，铜含量出现了下降的趋势，但波动较小。地下水中的汞含量在经过淋溶柱后也有所上升，在T1处理下淋溶液中检出的汞含量要低于地下水的本底值，但在T3处理下达到最高为5.67×10-4μg/L。淋溶液的砷含量在各城镇生活污泥产品施用量水平处理下与对照组相似，城镇生活污泥产品对淋溶液的砷含量影响较小。可以看出各重金属的测量值都低于标准中规定的主要适用于工农业用水的Ⅲ级标准。
国家制定的《地下水质量标准》(GB-14848-2017)中常规指标中的七种重金属包括铜、锌、铬、铅、镉、汞、砷，通过检测模拟自然降雨产生的淋滤液发现在各城镇生活污泥产品施用量水平处理下这七种重金属含量都远小于标准中规定的农用水标准限制，且各城镇生活污泥产品施用量水平处理下重金属含量变化幅度较小，说明施用污泥产品对浅层地下水中七种重金属含量影响不大。
表1不同城镇生活污泥产品施用量水平处理下淋溶液中各重金属的含量
通过表2可以看出，除了八种重金属外，还发现随着城镇生活污泥产品施用量的增加，会使土壤淋溶液中硝酸盐氮、总硬度的数值不断变大，这可能与污泥中盐基离子含量高有关。此外，铁、锰、铝、总大肠菌群、氟化物、硒这些指标有部分处理的数值已超出《地下水质量标准》的Ⅲ类水标准，但是发现这是由于地下水本底值和土壤本身带来的影响，并发现随着污泥施用量的增加能有效减低这些指标的数值，减少污染风险。剩余指标的检出值均远低于主要适用于工农业用水的Ⅲ级标准。表明，短期施用污泥对地下水环境的污染风险较小。
表2-1不同城镇生活污泥产品施用量水平处理下淋溶液中其他指标的含量
表2-2不同城镇生活污泥产品施用量水平处理下淋溶液中其他指标的含量
表2-3不同城镇生活污泥产品施用量水平处理下淋溶液中其他指标的含量
表2-4不同城镇生活污泥产品施用量水平处理下淋溶液中其他指标的含量
表2-5不同城镇生活污泥产品施用量水平处理下淋溶液中其他指标的含量
通过上述表1、2可知，利用本发明的系统和方法在模拟自然降雨条件下收集淋溶液，并进行重金属检测，可以评估短期林地污泥利用对地下水重金属环境的影响。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
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