Abwasser Bewässerung Auswirkungen auf Boden hydraulische Leitfähigkeit: Bereich Probenahme und Labor-Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in Verbindung
Summary
Hier präsentieren wir eine Methodik entspricht einer Stichprobengröße von Boden und eine hydraulische Leitfähigkeit Messgerät zu verhindern, dass die sogenannten wandströmung entlang der Innenseite des Behälters Boden in Wasser Durchflussmessungen fälschlicherweise aufgenommen zu werden. Seine Verwendung ist mit Proben von einer Abwasser-Bewässerung-Website unter Beweis gestellt.
Abstract
Seit den frühen 1960er Jahren eine alternative Abwasser-Entlastung-Praxis an der Pennsylvania State University erforscht und seine Auswirkungen überwacht. Anstatt entladen Abwasser in einen Stream behandelt und somit unmittelbar Auswirkungen auf die Streamqualität, wird das Abwasser zu bewaldeten angewendet und beschnittenen Land bewirtschaftet von der Universität. Bedenken in Bezug auf Kürzungen im Boden hydraulische Leitfähigkeit auftreten wenn Abwasserwiederverwendung in Betracht. In dieser Handschrift, die passende Boden-Sample-Größe mit der Größe des Labor-basierte hydraulische Leitfähigkeit Messung Apparates beschriebene Methode bietet die Vorteile einer relativ raschen Sammlung von Proben mit den Vorteilen des kontrolliert Labor-Randbedingungen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es einige Auswirkungen der Abwasserwiederverwendung auf den Boden-Fähigkeit, Wasser in größeren Tiefen in den depressional Bereichen der Website übertragen wurden. Die meisten der Kürzungen in den Boden hydraulische Leitfähigkeit in den Vertiefungen scheinen zu beziehen sich auf die Tiefe von der Probe erfasst wurden und Folgerung, verbunden mit dem Boden bauliche und strukturelle Unterschiede.
Introduction
Entlastung von gereinigtem Abwasser aus den Gemeinden in Streams ist seit Jahrzehnten gängige Praxis. Solches Abwasser wird in erster Linie zum Zweck der Verringerung des Potenzials für biologische Sauerstoffzehrung durch Mikroorganismen in den Vorfluter, durch das austretende Abwasser Abwasser behandelt. Sauerstoffverbrauch von Mikroorganismen verschlechtert sich organische Stoffe im Abwasser Reduzierung der Sauerstoff in das Gewässer, in die das Abwasser geleitet wird und damit Schaden aquatische Organismen, einschließlich Fisch.
In den letzten Jahrzehnten entwickelten Bedenken im Zusammenhang mit anorganischen Nährstoffen, einige Metalle und andere Chemikalien im Abwasser, die Schaden verursachen. Aufgrund einer Studie Kolpin Et al. 1, entwickelte sich eine stärkere Konzentration auf eine Reihe von Chemikalien, die bisher nicht in Betracht gezogen. Diese Studie, veröffentlicht von der United States Geological Society, Bewusstsein über die breite Palette von Körperpflege-Produkten und anderen Chemikalien in Flüssen und Bächen in den USA wegen aus Kläranlagen.
Seit den frühen 1960er Jahren haben Forscher an der Penn State University untersucht und entwickelt eine alternative Abwasser Entlastung Praxis etwas einzigartig in einem feuchten Bereich. Anstatt entladen Abwasser in einen Stream behandelt und somit unmittelbar Auswirkungen auf die Streamqualität, das Abwasser gilt für die bewaldeten und beschnittenen Land verwaltet von der Universität. Dieser Anwendungsbereich, den Spitznamen “The Living Filter” nimmt derzeit alle Abwasser Abwasser erzeugt aus dem Campus plus einige aus der Gemeinde. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit für überschüssige Nährstoffe Streams eingeben, die Wasser an der Chesapeake Bay zu liefern, schützt die lokalen Kaltwasser Fischerei vor Einleitung von warmen Abwasser, das ist schädlich für die Fische, und verhindert, dass die Lieferung anderer Chemikalien enthalten im Abwasser von aquatischen Ökosystemen direkt zu kontaktieren.
Allerdings gibt es immer wieder Folgen von Verhaltensänderungen und anderweitige Verwendung ist nicht immun gegen solche. Fragen entstanden in Bezug auf, ob die Anwendung des Abwassers Abwasser des Bodens Fähigkeit, Wasser, Boden Oberfläche2,3,4,5 zu infiltrieren kann negativ beeinflusst hat und verursacht mehr Abfluss, sei eine mögliche Kontamination der örtlichen Brunnen mit Chemikalien (Nährstoffe, Antibiotika oder andere Arzneimittel zur Behandlung, Körperpflege-Produkte) im Abwasser Abwasser enthalten, und ob diese Chemikalien negativ erstellen Auswirkungen auf die Umwelt, wie z. B. durch die Aufnahme von Chemikalien in Pflanzen6 gewachsen auf der Website oder die Entwicklung von Antibiotika-Resistenzen in Organismen7 auf dem Gelände des Bodens.
Durch einige dieser Bedenken ist diese Studie durchgeführt, um die Auswirkungen der Bewässerung des Abwasser Abwasser am Boden hydraulische Leitfähigkeit bei Sättigung zu ermitteln. Die Vorgehensweise umfasst Böden aus ausgewählten Standorten innerhalb oder außerhalb der bewässerten Fläche zu sammeln und Abgleich den Boden Stichprobenumfang-Container mit der Laboraufbau. Es ist wichtig für den Boden-Probe-Container in die Laborgeräte passen und für das Wasser, das nach unten der bodenmatrix in der Probe durchläuft getrennt werden aus dem Wasser, die zwischen dem Boden und der Probenbehälter Boden nach unten bewegt. Das Protokoll beschreibt, wie die Laborgeräte aufgebaut ist, um sicherzustellen, dass dies geschah.
Bodenproben werden gesammelt mit einem hydraulischen Core Sampler an einen Traktor angehängt. Boden-Kerne werden aus ausgewählten Gebieten in die hügelige Landschaft gesammelt und aufbewahrt in einer Kunststoffhülle ausgestattet in den Boden Core Sampler. Diese Kerne werden aus einer Hagerstown Silt Lehm, befindet sich in der Lage sein Gipfel Landschaft oder in einer depressional Gegend gesammelt. Sechs Vertreter Gipfeln und sechs depressional Seiten sind der bewässerten Fläche (insgesamt 12 bewässerten Fläche Meßstellen) entnommen. Darüber hinaus sind drei Gipfel und drei depressional Seiten aus einem benachbarten, nicht bewässerte Gebiet (insgesamt sechs nicht bewässerte Standorte) abgetastet. Maximal sechs Kernen ist an jedem Standort zu einer maximalen Tiefe von ca. 1.200 mm, mit jeder Bohrkern wird ca. 150 mm lang (100 mm von der Probe in der Plastikhülle und 50 mm in den Schneidkopf des Metal Sampler enthalten enthalten gesammelt. ). Nach der Entnahme aus dem Metal Sampler die Kunststoffhülsen, enthält die gesammelten Boden-Kerne sind mit Endkappen versehen, aufrecht ins Labor transportiert und aufrecht gelagert, bis sie zur Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit verwendet werden. Gleichzeitig werden Bodenproben in jeder Tiefe für die Bestimmung des Bodens und Boden lösungskonzentrationen von Calcium (Ca), Magnesium (Mg) und Natrium (Na) mit einer Mehlich 3 Extraktion für Schätzungen des Bodens Konzentrationen8 und deionisiertes Wasser gesammelt. Auszüge im Verhältnis 1:2 Masse: Bodenwasser Masse. Die chemischen Analysen der Wasser-Extrakte wurden induktiv gekoppelten Plasma Atomic Emission-Spektroskopie (ICP-AES) entnommen und wurden verwendet, um das Natrium Adsorption Verhältnis (SAR) zu berechnen.
Die Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit ist in erster Linie mit einem konstant-Kopf Methode9durchgeführt. Eine Lösung mit Ca und Na Salze um Abwasser elektrische Leitfähigkeit (EC) zu imitieren und SAR des Abwassers wird erstellt, sodass der Boden ausgesetzt werden wird Qualität Variablen ähnlich dem Abwasser im Bereich angewendet. In diesem Fall ist die EG 1,3 dS/m und der SAR-Wert beträgt 3, EG / SAR des Abwassers in den letzten Jahren vor der Probe reflektiert. [Technisch die Einheiten für SAR (Milliequivalents/Liter)½ sind und sind in der Regel nicht in der Literatur gekennzeichnet.]
Die Änderung der konstant-Kopf Methode Klute und Dirksen9 ist die Entwicklung eines Separators fließen durch Walker8 Durchfluss durch die Spalte zu verhindern, die außerhalb der bodenmatrix aufgetreten aus in die Schätzung der hydraulischen Boden aufgenommen wird Leitfähigkeit. Der Fluss-Separator basiert auf Polyvinylchlorid (PVC) Schläuche ausgewählt und bearbeitet den Boden Stichprobenumfang entsprechen. Ein Bildschirm der Bodenprobe unterstützt und ermöglicht das Wasser, das durch die bodenmatrix fließen heraus die Unterseite der Probe ist umgezogen. Eine zweite Steckdose strahlt das Wasser, das an der Innenseite der Kunststoffhülse, wodurch sogenannte “wall Flow” von nicht falsch aufgenommen in der Schätzung der Menge an Wasser, das durch die bodenmatrix bewegt geflossen ist.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Fähigkeit, Feld-basierte, ungestörten Bodenproben zu sammeln und erhalten ihre hydraulische Leitfähigkeit-Werte ist wichtig bei der Beschaffung von Daten repräsentativ für eine Website. Um am besten Feldbedingungen repräsentieren, ist es wichtig, Bodenproben zu verwenden, die in einem Aggregatzustand Vertreter ihrer Umgebung im Bereich bleiben. Bodenproben gesammelt von der Wiese, die sind dann gestört durch Unterabtastung oder Handhabung induzierte Verdichtung, zum Beispiel, strukturelle Veränderungen, die A…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchte der Pennsylvania State Universität Büro der physische Anlage für die Bereitstellung von Teilfinanzierung, dieses Projekt zu unterstützen. Teilfinanzierung sorgte auch die USDA-Regional-Forschungsprojekt W-3170. Wir würden gerne unsere Ephraim Govere für seine Hilfe bei der analytischen Arbeit bedanken. Unsere tiefste Dankbarkeit soll Charles Walker, deren Konstruktion und Bau Fähigkeiten ermöglichte es uns, diese Arbeit durchzuführen.
Materials
| Sampling equipment: | |||
| Soil Sampler Drill Rig | Giddings Machine Co. Inc | #25-TS / Model HDGSRTS | * NOTE: This model is comparable to the model we utilized but which is no longer produced |
| Kelly Bar | Giddings Machine Co. Inc | #KB-208 8 Ft. Kelly Bar | |
| Soil Sample Collection Tube | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-180 4-3/4” X 7-1/4” | |
| Soil Collection Tube Bit | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-190 4-3/4” Standard Relief | |
| Plastic Liner for Soil Sample | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-208 3-5/8” x 6” | Enough for the number of samples being collected |
| Black end caps a for bottom of sample liners | Giddings Machine Co. Inc | To retain samples in liners | |
| Red end caps a for top of sample liners | Giddings Machine Co. Inc | To retain samples in liners | |
| Cooler Chest | Store & maintain samples upright in sample liners during transport from field to lab | ||
| Protective gear: | |||
| Hardhats, googles, and gloves | other items as needed for personal protection | ||
| Saw | |||
| Drill and bits | |||
| PVC Cement | |||
| 6 to 8 – 19 mm x 184 mm x 2438 mm boards | |||
| 2 – barbed fittings; 13 mm HB x MGHT | to connect plastic tubing to supply gutter and to drainage gutter | ||
| 6 – barbed fitting | to connect plastic tubing to outer PVC cylinder to allow for water drainage | ||
| 3000 mm long – 19 mm OD / 13 mm ID plastic tubing | |||
| 6 – 85 mm diameter circular mesh pieces | Can be cut from (e.g.) a 600 mm long, 6 mm x 18 gauge wire mesh (e.g. galvanized steel gutter guard) | ||
| Schedule 40 PVC pipe – 96 mm ID / 114 mm OD | |||
| Schedule 40 PVC pipe – 73 mm ID / 89 mm OD | |||
| Schedule 40 PVC pipe – 63 mm ID / 73 mm OD, OR 6 – 73 mm plastic shower drains | |||
| Schedule 40 PVC pipe – 25 mm ID | |||
| 6 – 6 mm thick x 155 mm square sheets of PVC | Can purchase 2 – 6 mm x 300 mm (appx) sheets for about $20 each from: https://www.interstateplastics.com/Pvc-Gray-Sheet-PVCGE~~SH.php?vid=20180212222911-7p | ||
| 6 – 140 mm by 19 mm plastic funnels | To direct water flowing from soil sample into collection beaker | ||
| Adhesive caulk | |||
| 1 – length of 150 mm x 1200 mm wire mesh cloth | 4 Mesh works well | ||
| 2 – 120 mm x 1219 mm plastic gutter with end caps | |||
| 4 – gutter hangers | |||
| 1 – additional gutter end cap | To be cut as described in procedures to create a constant head in the supply gutter | ||
| 1 – large plastic tub | Appx 65 L in volume, for example, to serve as water source for the hydraulic conductivity procedure | ||
| 1 – large plastic tub | To serve for wetting up soil samples | ||
| 1 – Submersible pump | e.g. Beckett M400 AUL or M400 AS | ||
| Plastic tubing | Various sized drainage tubes, water supply tube, and drain from drainage gutter | ||
| Container of Cheese Cloth | To place at bottom of soil sample help retain soil in plastic sample container during hydraulic conductivity and wetting up | ||
| Rubber bands | Large enough to fit around plastic sample liners tightly | ||
| Scale which measures to at least 0.1 gram | |||
| Beaker or other container to collect water from each sample | |||
| Sodium Chloride | For creating a water quality similar to that which is typically applied to the soil | ||
| Calcium Chloride | For creating a water quality similar to that which is typically applied to the soil |
References
- Kolpin, D. W., et al. Pharmaceuticals, hormones, and other organic wastewater contaminants in U.S. streams, 1999-2000: a national reconnaissance. Environmental Science & Technology. 36 (6), 1202-1211 (2002).
- Duan, R., Sheppard, C. D., Fedler, C. B. Short-term effects of wastewater land application on soil chemical properties. Water, Air, & Soil Pollution. 211 (1-4), 165-176 (2010).
- Frenkel, H., Goertzen, J. O., Rhoades, J. D. Effects of clay type and content exchangeable sodium percentage, and electrolyte concentration on clay dispersion and soil hydraulic conductivity. Soil Science Society of America Journal. 42 (1), 32-39 (1978).
- Goncalves, R. A. B., et al. Hydraulic conductivity of a soil irrigated with treated sewage effluent. Geoderma. 139 (1-2), 241-248 (2007).
- Halliwell, D. J., Barlow, K. M., Nash, D. M. A review of the effects of wastewater sodium on soil physical properties and their implications for irrigation systems. Australian Journal of Soil Research. 39 (6), 1259-1267 (2001).
- Franklin, A. M., Williams, C. F., Andrews, D. M., Woodward, E. E., Watson, J. E. Uptake of Three Antibiotics and an Antiepileptic Drug by Wheat Crops Spray Irrigated with Wastewater Treatment Plant Effluent. Journal of Environmental Quality. 45 (2), 546-554 (2016).
- Franklin, A. M., et al. Antibiotics in agroecosystems: introduction to the special section. Journal of Environmental Quality. 45 (2), 377-393 (2016).
- Wolf, A. M., Beegle, D. B., Sims, J. T., Wolf, A. Recommended soil tests for macronutrients. Recommended Soil Testing Procedures for the Northeastern United States. , 39-47 (2011).
- Klute, A., Dirksen, C., Klute, A. Hydraulic conductivity and diffusivity: laboratory methods. Methods of Soil Analysis: Part 1-Physical and Mineralogical Methods. , 687-743 (1986).
- Walker, C. . Enhanced techniques for determining changes to soils receiving wastewater irrigation for over forty years. , (2006).
- Perroux, K. M., White, I. Designs for disc permeameters. Soil Science Society of America Journal. 52 (5), 1205-1215 (1988).
- Clothier, B. E., White, I. Measurement of sorptivity and soil water diffusivity in the field. Soil Science Society of America Journal. 45 (2), 241-245 (1981).
- Ankeny, M. D., Ahmed, M., Kaspar, T. C., Horton, R. Simple field method for determining unsaturated hydraulic conductivity. Soil Science Society of America Journal. 55 (2), 467-470 (1991).
- Larson, Z. M. . Long-term treated wastewater irrigation effects on hydraulic conductivity and soil quality at Penn State’s Living Filter. , (2010).
