污水土地处理磷迁移转化模拟模型与检验

王红旗等 污水土地处理磷迁移转化模拟模型与检验
3 模型检验
采用有限差分法求解联合模型, 对联合模型进 行参数调整和验证。 将 号土柱的灌水条件作为联
合模型的上边界条件, 将计算得出的含水率和各种 形态的磷的浓度值与实测值比较, 进一步调整水动 力参数和化学反应参数, 使之更趋合理和可靠。模型 中参数取值见表 1。
=
-
Λ4
q
5G 4 5z
Θ Η
+
K 4 (ΗC +
Fra Baidu bibliotek
ΘS )
(5)
式中: G 2、G 3、G 4 为中间态钙磷、沉淀态钙磷、沉淀态 铝 - 铁磷浓度 (m g kg) ; K 2、K 3、K 4 为中间态钙磷、 沉 淀态钙磷、沉淀态铝 - 铁磷的转化速度常数 (1 d ) ; Λ2、Λ3、Λ4 为中间态钙磷、沉淀态钙磷、沉淀态 铝 - 铁磷对流项分配系数。 2. 4 磷在土壤中的迁移转化联合模型
月、3 个月后取各土柱中不同层位的土样, 测定各剖
将溶质运动基本方程与各种形态磷的转化方程
面土壤含水率, 同时测定各种形态磷的浓度, 并定期 测定土壤剖面点上的基质势。
相结合, 得到可溶态磷在土壤中迁移转化方程
Η55Ct + Θ55St =
5 5z
D sh (Η)
5C 5z
-
q
5C 5z
-
K 1 (ΗC + Λ1
将水运动模型和溶质运动模型相结合, 就得到 了磷在土壤中沉淀过程模拟的联合模型。
联合 模型
: 水运动模型 : 磷运动模型
21: 可溶态磷- 微沉淀态钙磷运动模型 22: 中间态钙磷运动模型 23: 沉淀态钙磷运动模型 24: 沉淀态铝- 铁磷运动模型
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在方程中增加吸附项转化系数 Λ1 , 表示只有部 分吸附态磷向微沉淀态钙磷和沉淀态铝- 铁磷发生 了转化。 在土壤中, 吸附态磷附着于土体颗粒上, 只 有部分与土壤中 Ca、A l、Fe 等阳离子接触的吸附态 磷才可能发生化学反应, 增加吸附项转化系数与土 壤中磷的转化机理更为符合。 2. 3 沉淀态磷在土壤中的迁移转化方程
中间态钙磷、沉淀态钙磷和沉淀态铝- 铁磷以 类似悬移质的不平衡输送的形式在土壤中迁移。 参 考悬移质泥沙在水流中运移的过程, 只考虑水流的 对流作用对悬移质的输送, 由于固体小颗粒在迁移 过程中不是完全随水流运动, 而是部分随水流运动,
2 污水土地处理条件下磷迁移转化模拟模型
且在迁移中有一部分沉降[9～ 12], 为简便起见, 为沉
淀态磷迁移增加对流项分配系数, 以部分对流来模 拟迁移效果。将中间态钙磷、沉淀态钙磷和沉淀态铝
- 铁磷在土壤中的迁移转化方程写为
5(ΘG 2) 5t
=
-
Λ2
q
5G 2 5z
Θ Η
+
K 2ΘG 1 -
K 3ΘG 2
(3)
5(ΘG 3) 5t
=
-
Λ3
q
5G 3 5z
Θ Η
+
K 3ΘG 2
(4)
5(ΘG 4) 5t
3 国家自然科学基金资助项目 (N o: 29777001)
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环境污染与防治 第 25 卷 第 3 期 2003 年 6 月
土壤水吸力。 分别于加灌污水后 2 天、1 个月、2 个 Fe2P 综合起来称为沉淀态铝 - 铁磷。
本文试图通过对污水土地处理条件下磷在土壤 中迁移转化的模拟试验, 综合考虑污水中的磷在土 壤中的吸附- 解吸、沉淀- 溶解反应, 建立磷在土壤 中迁移转化联合模型, 并对模型进行验证。
1 污水土地处理条件下磷的迁移转化模拟实验
本研究设计了垂直土柱实验用以模拟含磷污水 进入土壤后发生的迁移转化沉淀过程, 试图寻找出
取风干、过筛的土样按 1. 40 g cm 3 的干容重填 充 到 4 个 土 柱 中, 各 土 柱 稳 定 后, 加 灌 不 同 浓 度 KH 2PO 4 溶液污水, 灌水后, 每天测定 、 号土柱
第一作者: 王红旗, 男, 1960 年出生, 教授, 博士生导师, 博士。已发表学术论文 60 余篇, 参加及主笔完成专著及教材 11 部。曾获北京市科 技进步三等奖、国家环保局科技进步二等奖等科技成果奖 5 项。
ΘS ) - K 4 (ΗC + Λ1 ΘS )
(2)
式中: C 为可溶态磷在土壤中的浓度, m g L ; S 为吸
附态磷浓度, m g kg; Θ为土壤容重, g cm 3; q 为土壤
水 通量, cm 3; K 1、K 4 为微沉淀态钙磷、沉淀态铝 -
铁磷的转化速度常数, 1 d; Λ1 为吸附项转化系数。
Keywords: L and trea tm en t fo r w a stew a ter Pho sp ho ru s U n ited2m odel
我国对土壤磷运移研究开始较晚, 尤其对污水土 地处理条件下磷的迁移、转化、沉淀模拟研究还处于 起步阶段。 磷是城市污水中常见污染因子, 研究磷在 土壤中的迁移转化机理可以帮助认识含磷污水进入 土壤后磷的存在形态, 从而确定污水土地处理系统对 污水含磷量的承受能力。 磷是反应性溶质, 进入土壤 后受化学、物理等因素的影响, 它的运移机制比较复 杂, 国外一些学者对其运移进行了初步研究[1～ 4]; 国 内近年来一些学者对磷在土壤中迁移也作了初步探 索[5～ 7], 但都没有提出数学模型, 对磷在土壤中的迁 移转化综合过程始终缺乏定量化研究。
污水中的可溶态磷进入土壤后的迁移转化规律及各 种形态磷的浓度变化, 并以此为基础建立磷在土壤 中的迁移转化数学模型。
实验用土柱为圆柱形加盖不透水装置, 总高 103 cm , 土柱直径 15 cm。土柱侧面共有 4 列各 9 个 取样孔, 每个取样孔间隔约 10 cm。取样孔取样前用 橡皮塞封口, 防止水分散失, 取样后以较长的防吸水 木棍填充取土位置, 减少由于取样对土柱结构的破 坏。土柱共有 4 个, 分为两组。组 1 包括土柱 和土 柱 , 两土柱各取一列取样孔安装负压计, 每个土柱 安装 9 个负压计, 每个负压计长 11 cm , 埋入土柱中 8 cm。两组负压计连接到一个负压计水银槽读数板 上 (装置见图 1)。 组 2 包括土柱 和土柱 , 不安装 负压计。本装置可以观测到土壤中水分和溶质以及土 壤水吸力在剖面上的变化, 便于观测溶质在剖面上的 运动, 同时为测量计算各种运动参数提供了可能。
K (Η) 为非饱和土壤导水率; D (Η) 为非饱和土壤扩
散率。
2. 2 可溶态磷在土壤中的迁移转化方程 在 土壤中, 溶质的对流和水动力弥散作用形成
了溶质的主要运动过程。磷在土壤中不仅发生迁移, 而且有自身的化学转化。可溶态磷在土壤中的化学
转化主要有吸附反应和沉淀反应。土壤中沉淀态磷
包括 Ca22P、Ca82P、Ca102P、A l2P 和 F e2P , 根据其物 理化学性质, 将 Ca22P 称为微沉淀态钙磷, Ca82P 称 为 中间态钙磷, Ca102P 为沉淀态钙磷, 将 A l2P 和
Abstract: B a sed on the so il exp erim en t sim u la ting p ho sp ho ru s tran sferring and tran sfo rm ing in so ils and the m echan ism of p ho sp ho ru s tran sferring and tran sfo rm ing in so ils, a un ited m odel abou t p ho sp ho ru s tran sferring and tran sfo rm ing in so ils w a s p u t fo rw a rd. T he un ited m odel con sists of w a ter m odel and p ho sp ho ru s so lu te m odel, so tran sfer, tran sfo rm a tion and p recip ita tion can be con sidered syn thetica lly. Chem ica l tran sfo rm item s includ ing p ho s2 p ho ru s ad so rp tion and p recip ita tion action a re con sidered in the so lu te m odel. A cco rd ing to the com p a rison of the m ea su red va lue and ca lcu la ted va lue, the ra tiona lity and app licab ility of the un ited m odel a re va lida ted.
0. 0001 0. 005 0. 007 0. 0001 0. 01
图 1 模拟实验装置
由磷在土壤中的化学转化机理, 将磷在土壤中 的形态分为可溶态磷、吸附态磷和沉淀态磷。根据磷 在土壤中的迁移转化模拟实验, 分析了这 3 种形态 的磷在土壤中迁移转化的规律: 可溶态磷是磷在土 壤中迁移转化的起点, 进入土壤后, 主要随水分作溶 质迁移, 在迁移的同时, 不断转化为吸附态磷和各种 沉淀态磷; 吸附态磷由可溶态磷生成, 并与可溶态磷 一起发生沉淀反应生成沉淀态磷, 但固着于土壤颗 粒上, 不发生迁移; 沉淀态磷由可溶态磷和吸附态磷 化学转化而成, 在土壤中也有部分迁移现象[8]。
王红旗等 污水土地处理磷迁移转化模拟模型与检验
污水土地处理磷迁移转化模拟模型与检验3
王红旗 舒 艳 王亚男
(北京师范大学环境科学研究所, 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室, 北京 100875)
摘要 以“污水土地处理条件下磷的迁移转化模拟试验”为基础, 根据磷在土壤中的迁移转化机理, 提出了定量模拟磷在土壤 中迁移转化的联合模型。联合模型包括水运动模型和溶质运动模型两部分, 综合考虑磷在土壤中迁移、转化和沉淀等过程。在传统的 溶质运动模型基础上添加化学转化项形成了具有磷的反应特点的溶质运动模型。通过实测值与计算值的比较, 验证了联合模型的合 理性和可适用性。
参 数 K (Η) D (Η) K 0, m D sh (Η)
K1 K2 K3 K4 Λ1 Λ2 Λ3 Λ4
表 1 联合模型参数取值
取 值 K (Η) = 50. 49 × e1. 4 Η D (Η) = 0. 008 × e2. 8
S = 0. 9C 1. 6 D sh (Η) = 0. 31 × e4. 01 Η
关键词 污水土地处理 磷 联合模型
S im ula tion un ited-m odel and va l ida tion of phosphorus pollutan ts tran sferr ing and tran sform ing in land trea tm en t for wa stewa ter W ang H ong qi, S hu Y an, W ang Y anan. S ta te K ey L abora tory of E nv ironm en ta l S im u la tion and P ollu tion C on trol, Institu te of E nv ironm en ta l S ciences, B eij ing N orm a l U n iv ersity , B eij ing 100875
2. 1 水运动方程 由于土壤中水分的运动及其引起含水率分布的
变化会对土壤中溶质运动产生明显的影响, 因此, 研 究磷在土壤中的运移必须在研究土壤中水分运动的
基础上进行。
只考虑一维垂向流动, 垂直一维流动的非饱和 土壤水运动方程为
55Ηt =
5 5z
D (Η)
5Η 5z
-
5K (Η) 5z
(1)
式中: Η为体积含水率; t 为时间, s; z 为深度, cm ;