Avloppsvatten bevattning påverkan på jord hydraulisk konduktivitet: kopplade fältprovtagning och laboratorium bestämning av mättad hydraulisk konduktivitet

Summary

Här presenterar vi en metodik som matchar en urvalsstorlek för smutsa och en hydraulisk konduktivitet mätinstrument för att förhindra att den så kallade väggen flöden längs insidan av behållaren jord felaktigt i vatten flöde mätningar. Dess användning är visat med prover som tagits från en avloppsvatten bevattning webbplats.

Abstract

Sedan början av 1960, en alternativ avloppsvatten ansvarsfrihet praxis vid Pennsylvania State University har forskat och dess konsekvenser övervakas. Snarare än urladdning behandlade avloppsvatten till en bäck, och därmed direkt påverkar strömmen kvalitet, utflödet tillämpas till skogsklädda och beskurna mark förvaltas av universitetet. Problem med anknytning till minskningar i jord hydraulisk konduktivitet uppstå när man överväger avloppsvatten återanvändning. Den metod som beskrivs i detta manuskript, matchande jord provstorlek med storleken på laboratoriebaserade hydraulisk konduktivitet mätning apparaten, ger fördelarna med en relativt snabb insamling av prover med fördelarna med kontrollerad laboratoriet randvillkor. Resultaten tyder på att det kan ha varit några effekterna av avloppsvatten återanvändning på markens förmåga att överföra vatten på djupare djup i de depressional områdena av webbplatsen. De flesta av minskningarna i jord hydrauliska konduktiviteten i nedsänkningarna verkar vara relaterade till djupet från som provet samlades, och genom slutledning, på markens struktur och textur skillnader.

Introduction

Utsläpp av renat avloppsvatten från kommuner i vattendrag har varit en normal praxis i decennier. Sådant avloppsvatten behandlas primärt i syfte att minska risken för biologiska syreförbrukningen av mikroorganismer i recipienten, till följd av urladdade avloppsvatten utflödet. Syreförbrukningen av mikroorganismer försämrar organiska material i avloppsvattnet minskar syrehalten i vatten kroppen till som utflödet är urladdat och därmed skada vattenlevande organismer, inklusive fisk.

Under de senaste decennierna har oro utvecklat relaterade till oorganiska näringsämnen, vissa metaller och andra kemikalier i avloppet som skapar skada. På grund av en studie som publicerades av Kolpin et al. ¹, ett större fokus på en rad kemikalier inte tidigare ansetts har utvecklats. Denna studie, utgiven av United States Geological Society, höjde medvetenhet om det breda utbudet av personliga hygienprodukter och andra kemikalier i floder och vattendrag över hela USA på grund till utsläpp från avloppsreningsverk.

Sedan början av 1960, har forskare vid Penn State University undersökt och utvecklat en alternativ avloppsvatten ansvarsfrihet praxis något unikt i en fuktig region. Snarare än urladdning behandlade avloppsvatten till en ström, och därmed direkt påverkar strömmen kvalitet, utflödet tillämpas på den skogsklädda och beskurna marken förvaltas av universitetet. Detta användningsområde, smeknamnet ”The Living Filter”, accepterar för närvarande alla avloppsvatten avloppsvatten genereras från campus plus några från kommunen. Detta minskar sannolikheten för överskottet av näringsämnen att ange strömmar som levererar vatten till Chesapeake Bay, skyddar det lokala kallvattenlevande fisket från utsläpp av varmt avloppsvatten vilket är skadligt för fisk, och förhindrar leverans av andra kemikalier som finns i avloppsvattnet från att direkt kontakta akvatiska ekosystem.

Dock finns det alltid konsekvenserna av beteendeförändringar, och detta alternativ användning anläggning är inte immunt mot sådana. Frågor har uppkommit om huruvida tillämpningen av avloppsvatten utflödet har negativt markens förmåga att låta vatten att infiltrera de jord ytbehandla^2,3,4,5 och orsakade större avrinning, om det finns en eventuell förorening av lokala brunnar med kemikalier (näringsämnen, antibiotika eller andra läkemedelssubstanser, kroppsvårdsprodukter) som finns i avloppsvatten utflödet och om dessa kemikalier skapar negativa miljöeffekter, såsom genom användningen av kemikalier i växter⁶ odlas på webbplatsen, eller utvecklingen av antibiotikaresistens i jord organismer⁷ på platsen.

Till följd av några av dessa farhågor genomförs denna studie för att avgöra effekterna av bevattning av avloppsvatten avloppsvatten på jord hydraulisk konduktivitet på mättnad. Den metod som används innebär att samla jordar från utvalda webbplatser antingen inom eller utanför området bevattnade och matchande jord urvalsstorleken behållare med laboratoriet setup. Det är viktigt för jord provbehållaren att passa in i laboratorieutrustning och vattnet som rör sig nedåt genom matrisen jord i provet separeras från vattnet som rör sig nedåt mellan jorden och marken provbehållaren. Protokollet beskrivs hur laboratorieutrustning är konstruerad för att säkerställa detta inträffade.

Jordprover samlas in med hjälp av en hydraulisk core sampler kopplad till en traktor. Jord kärnar ur samlas från utvalda områden i det böljande landskapet och bevaras i en plastficka som monteras i jord kärna sampler. Dessa kärnor samlas in från en Hagerstown silt loam, ligger antingen i toppmötet liggande ställning eller i ett depressional område. Sex representativa toppmöten och sex depressional platser provtas från området bevattnade (totalt 12 bevattnade området provtagningspunkterna). Dessutom provtas tre toppmöten och tre depressional platser från en intilliggande, icke-bevattnade areal (totalt sex icke-bevattnade platser). Högst sex kärnor samlas på varje plats till ett maxdjup på cirka 1.200 mm, med varje core prov skall vara ca 150 mm lång (100 mm av provet att rymmas i plastficka och 50 mm att rymmas i skärhuvudet av metall sampler ). Efter avlägsnande från metall sampler, plast ärmar som innehåller insamlade Jord kärnar ur är utrustade med gavlar, transporteras upprätt till laboratoriet och förvaras i upprätt position tills de används för att bestämma den mättad hydraulisk konduktiviteten. Samtidigt, samlas jordprover på varje djup för bestämning av jord och jord lösning koncentrationer av kalcium (Ca), Magnesium (Mg) och natrium (Na) med en Mehlich 3 utvinning för uppskattningar av jord koncentrationer⁸ och avjoniserat vatten extrakt i förhållandet 1:2 jord massa: vatten samlas. De kemiska analyserna av extrakt av vatten erhölls från induktivt kopplad Plasma utsläpp atomspektroskopi (ICP-AES) och användes för att beräkna natrium Adsorption baserat (SAR).

Bestämning av den mättade hydraulisk konduktiviteten utförs främst med hjälp av en konstant huvud metod⁹. En lösning som innehåller Ca Na salter för att efterlikna den spillvatten elektriska ledningsförmågan (EG) och SAR utflöde skapas så att jorden kommer att utsättas för vatten kvalitet variabler liknar avloppsvattnet tillämpas i fältet. I detta fall EG är 1,3 dS/m och SAR är 3, återspeglar EG och SAR avloppsvattnets senaste åren före provtagningsperioden. [Tekniskt, enheterna för SAR är (milliekvivalenter/liter)^½ och identifieras inte vanligtvis i litteraturen.]

Ändringen till metoden för konstant huvud fått Klute och Dirksen⁹ är utvecklingen av flöde avgränsare av Walker⁸ att förhindra flödet genom kolumnen som inträffade utanför matrisen jord från att inkluderas i uppskattningen av smutsa hydrauliska ledningsförmåga. Flöde separatorn är byggt med polyvinylklorid (PVC) slangar valt och maskinbearbetade för att matcha jord urvalets storlek. En skärm stöder jordprov och tillåter vattnet som har flyttats genom matrisen jord att flöda ut botten på provet. En andra utlopp avger det vatten som runnit ner insidan av plast hylsan, vilket eliminerar s.k. ”vägg flöde” felaktigt inkluderas i uppskattningen av mängden vatten som rör sig genom matrisen jord.

Protocol

1. att välja jord mätplatser Identifiera genom flygfotografering och webbplatsen visit(s) platser som har fått bevattning med avloppsvatten och de som inte har. Välj flera representativa platser att smaka på, betala nära uppmärksamhet till möjliga landskap skillnader (särskilt landskap plats, till exempel toppmötet, side slope, tå lutning och depression) som vatten, jord och växter kan interagera annorlunda. Identifiera delar av landskapet som ett toppmöte, side slope, tå lutni…

Representative Results

För att undersöka frågan om huruvida tillämpningen av avloppsvatten avloppsvatten på webbplatsen levande Filter har påverkat jordens förmåga att överföra vatten, vi har utfört experiment för att mäta den mättad hydraulisk konduktiviteten av smutsar. Vi jämförde hydraulisk konduktivitet av jordar från bevattnade områden på webbplatsen med de icke-bevattnade områden på webbplatsen. Effekterna av avloppsvatten avloppsvatten på jord hydrauliska konduktiviteten är en fr?…

Discussion

Förmågan att samla fältbaserade, ostörda jordprover och få deras hydraulisk konduktivitet värden är viktigt att erhålla data representativa för en webbplats. För att bäst representerar fältförhållanden, är det viktigt att använda jordprover som finns kvar i aggregationstillstånd företrädare för deras miljö i fältet. Jordprover som samlats in från en plats som störs då av delsampling eller hantering inducerad kompaktering, till exempel, kommer att uppleva strukturella förändringar som påverkar …

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