重 金 屬 在 含 水 層 遷 移 實(shí) 驗(yàn) 方 案 設(shè) 計(jì)

白 靜, 趙勇勝, 秦傳玉

(吉林大學(xué) 地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

進(jìn)入到地下水中的重金屬很難被生物降解，主要通過(guò)一系列的物理化學(xué)作用進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，嚴(yán)重污染地下水[1-3]，會(huì)在地下水流向上形成具有一定濃度梯度的污染物的羽狀體[4-5]，因此了解和掌握重金屬在地下水中的遷移規(guī)律[4-6]，對(duì)于污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[7-9]以及后續(xù)的修復(fù)治理[10-12]至關(guān)重要。重金屬在含水層的遷移是污染場(chǎng)地控制與修復(fù)課程實(shí)驗(yàn)課的重要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，對(duì)于培養(yǎng)環(huán)境工程專業(yè)本科生的專業(yè)素質(zhì)及能力，具有重要意義[13-15]。重金屬在含水層的遷移實(shí)驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的二維有機(jī)玻璃槽作為實(shí)驗(yàn)裝置，以硝酸鎘為目標(biāo)污染物，以蠕動(dòng)泵控制污染源的泄露速度，分析不同泄露時(shí)間下Cd2+在地下水中的濃度分布，研究Cd2+的遷移規(guī)律，同時(shí)對(duì)比不同地下水流速和泄漏量對(duì)Cd2+遷移規(guī)律的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

硝酸鎘，0.25～0.5 mm中砂，10 mL注射器，3號(hào)膠塞，0.22 μm水系濾膜，10 mL塑料離心管，濾布，馬氏瓶，止水夾，乳膠管，二維有機(jī)玻璃模擬槽，萬(wàn)分之一天平，蠕動(dòng)泵，原子吸收分光光度計(jì)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在二維有機(jī)玻璃模擬槽中進(jìn)行，模擬槽尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為400 mm×150 mm×250 mm，模擬槽正面分布有12個(gè)取樣口，用于取地下水水樣，在模擬槽的左側(cè)下部和右側(cè)上部分布進(jìn)水口和溢流口。在模擬槽內(nèi)左右兩側(cè)鋪放濾布，槽內(nèi)填裝一定高度的中砂，填裝過(guò)程中少量多次裝入并不斷夯實(shí)，同時(shí)將地下水取樣針埋設(shè)在取樣口位置處。槽體左右兩側(cè)的進(jìn)水口和溢流口控制地下水流速分別為0.1、0.5、2.5 m/d，待地下水流速穩(wěn)定后，在圖示位置以一定的流速注入一定濃度的硝酸鎘溶液，以初始注入時(shí)間為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，20、40和60 min在全部取樣口分別取水樣，同時(shí)在7號(hào)和11號(hào)取樣口每隔5 min取水樣，分析Cd2+在地下水中的濃度變化.

60 min后切斷污染源，在7號(hào)和11號(hào)取樣口處每5 min取水樣，分析Cd2+在切斷污染源后的濃度變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取得的全部水樣，均過(guò)0.22 μm水系濾膜后，以原子吸收測(cè)定其吸光度值。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。

1-污染物溶液，2-蠕動(dòng)泵，3-止水夾，4-二維模擬槽，5-污染物泄露槽，6-濾布，7-取樣品，8-進(jìn)水口，9-排水口，10-溢流口，11-取樣口

圖1 重金屬在含水層遷移模擬實(shí)驗(yàn)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 泄露過(guò)程中Cd2+的濃度變化

自上而下以模擬槽第3行取樣口連線為橫坐標(biāo)，左側(cè)第1列取樣口連線為縱坐標(biāo)，不同泄露時(shí)間下取樣口處Cd2+的濃度分布見(jiàn)圖2～4。由圖2可以看出：在泄露初始的20 min內(nèi)，隨著地下水流動(dòng)，Cd2+濃度不斷擴(kuò)大，在泄漏點(diǎn)附近形成了Cd2+的污染羽，泄漏點(diǎn)附近Cd2+的濃度不到1 mg/L。以0.2 mg/L的濃度鋒面為例，在泄露第20 min時(shí)，縱向上的遷移距離達(dá)到15 cm，橫向上的遷移距離為12 cm。這說(shuō)明，進(jìn)入到地下水中的Cd2+濃度隨著地下水流動(dòng)在含水層介質(zhì)中進(jìn)行了遷移，對(duì)流作用起主導(dǎo)作用，同時(shí)在垂向上，由于彌散及分子擴(kuò)散作用，也形成了一定濃度梯度的Cd2+污染羽。

圖2 20 min時(shí)Cd2+在地下水中濃度分布

圖3 40 min時(shí)Cd2+在地下水中濃度分布

圖4 60 min時(shí)Cd2+在地下水中濃度分布

隨著泄露時(shí)間延長(zhǎng)，Cd2+的污染羽持續(xù)增大，泄漏點(diǎn)附近Cd2+的濃度逐漸增加，最高達(dá)到5.1 mg/L，在泄露第40 min時(shí)，0.2 mg/L的濃度鋒面在縱向上的遷移距離達(dá)到20 cm，在垂向上遷移距離僅增加了3 cm。

泄露時(shí)間達(dá)到60 min時(shí)，泄漏點(diǎn)附近Cd2+的濃度達(dá)到8.95 mg/L，0.2 mg/L的濃度鋒面在縱向上已經(jīng)遷移出模擬槽，而在垂向上的遷移僅為16 cm。

對(duì)比圖2～4中0.2 mg/L Cd2+的濃度鋒面可知：盡管在縱向和垂向上均形成了Cd2+的污染羽，但是縱向的遷移距離始終大于垂向，這表明在該實(shí)驗(yàn)條件下，由于地下水的流動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)流作用是影響Cd2+遷移的主要因素。

2.2 污染源切斷前后7、11號(hào)取樣口濃度變化

由圖5可知：在污染源切斷前，7號(hào)和11號(hào)取樣口處水樣中Cd2+的濃度在前10 min沒(méi)有檢出，隨著泄露時(shí)間的延長(zhǎng)，Cd2+的濃度開始檢出并不斷增加，在第60 min時(shí)，7號(hào)和11號(hào)取樣口處Cd2+的濃度達(dá)到最大值，分別為6.5和5.3 mg/L。在前60 min內(nèi)，7號(hào)取樣口處Cd2+的濃度始終高于11號(hào)，這是由于7號(hào)取樣口所處位置距離泄漏點(diǎn)更近的緣故。

圖5 7和11號(hào)取樣口處Cd2+濃度變化

切斷污染源后，7號(hào)取樣口處Cd2+的濃度逐漸下降，在切斷污染源20 min后，由于地下水的稀釋作用，濃度降低到2.6 mg/L。11號(hào)取樣口處Cd2+的濃度則出現(xiàn)了短暫上升隨后下降的趨勢(shì)，這可能是在切斷污染源的5 min內(nèi)，流經(jīng)11號(hào)取樣口的地下水中攜帶了較高濃度的Cd2+，之后受地下水稀釋作用，Cd2+的濃度開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，最終濃度降為3.2 mg/L。由圖5還可知，在切斷污染源后，7號(hào)取樣口處Cd2+的濃度小于11號(hào)取樣口，這是由于7號(hào)取樣口處在地下水水流上游，受地下水稀釋作用更明顯，但隨著時(shí)間延續(xù)，兩個(gè)取樣點(diǎn)Cd2+的濃度趨于接近。

2.3 地下水流速對(duì)Cd2+濃度分布的影響

實(shí)驗(yàn)中對(duì)比分析了地下水流速對(duì)Cd2+遷移的影響，圖6為地下水流速0.1 m/d時(shí)，污染源泄露20 min后，Cd2+在地下水中的濃度分布。以0.2 mg/L濃度鋒面為例，分析地下水流速對(duì)Cd2+遷移的影響，由圖可知：縱向上遷移距離不足15 cm，而垂向遷移距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)15 cm，這說(shuō)明地下水流速較小時(shí)，對(duì)流作用受到影響。

圖6 地下水流速0.1 m/d時(shí)Cd2+的濃度分布

圖7給出了地下水流速為2.5 m/d時(shí)，地下水中Cd2+的濃度分布，同樣以0.2 mg/L的濃度鋒面為例分析，在泄露60 min后，縱向上已經(jīng)遷移出模擬槽，而垂向上的遷移距離不足12 cm，對(duì)比分析可知，地下水流速增大時(shí)，對(duì)流作用加強(qiáng)。

圖7 地下水流速2.5 m/d時(shí)Cd2+的濃度分布

3 結(jié) 論

(1) 硝酸鎘泄露到含水層后，會(huì)在縱向和垂向上形成Cd2+的污染羽，隨著泄露時(shí)間延長(zhǎng)，污染羽的范圍不斷擴(kuò)大。0.5 m/d的地下水流速時(shí)，0.2 mg/L的濃度遷移鋒面在縱向上的遷移距離要大于垂向，這是由于地下水流動(dòng)導(dǎo)致的，此時(shí)對(duì)流作用起主導(dǎo)作用。

(2) 切斷污染源后，7號(hào)取樣口Cd2+濃度逐漸下降，11號(hào)取樣口Cd2+濃度短暫上升后逐漸下降，這主要與距離污染源的位置有關(guān)。

(3) 流速較慢時(shí)，Cd2+在縱向的遷移速度小于垂向，彌散作用顯著；地下水流速較快，Cd2+在縱向的遷移速度大于垂向，對(duì)流作用明顯。

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