炉渣对土壤含盐量的影响分析

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本文作者：柳宪布 吴丽萍 陈 洁 王荫荫 张振宇 曹 文 李 悦 单位：天津市生活垃圾处理中心 天津城市建设学院 环境与市政工程学系 水质科学与技术重点实验室

盐渍土区土壤脱盐主要由其蒸发和入渗条件决定［1］。蒸发条件下，由于土壤的毛管作用，盐分随水分而上升，造成土壤表层盐分升高；降雨或灌水时，入渗的水流夹带表层的盐分向深层移动，使表层盐分逐渐降低。改碱暗管一方面有效调控土壤的地下水位，降低土壤毛管作用引起的土壤积盐；另一方面，利用灌溉和降雨对含盐土层的盐分进行淋洗脱盐，通过暗管将盐分排出土体，达到土壤脱盐的目的。有研究表明，暗管埋设后能有效降低地下水位和明显改善土壤通气状况［2］。暗管一般采用管径为80~110mm的带孔PVC波纹管。暗管外裹无纺布或编织袋等织物，埋深按地下水位和土壤结构特征确定，一般为0.8～2.5m［3］。外包过滤材料是暗管排水工程中质量能否有效保证的关键［4］。在重黏土中埋设水平暗管排水，过滤材料常常采用各种级配的砂砾料，厚度一般为10～20cm，其反滤排水效果显著，但货源不足或造价较高制约了砂砾料的应用。为了降低暗排工程费用，必须继续寻求新的过滤材料。针对滨海地区地势低洼、地下水埋深浅、矿化度高、土壤含盐量高、土壤黏重、通气透水性不良，绿化和基础建设条件差等问题，本着就地取材的原则，开发利用工业固体废料炉渣作为改碱暗管包敷滤料，研究其对暗管排盐的影响与作用。

1试验方法

1.1试验材料试验选取了4种锅炉炉渣作为排盐暗管包敷滤料，天津滨海热电厂增钙液态渣（GZ）为立式旋风炉于高温（约1600℃）燃烧室排放的熔融物经水淬形成的粒状渣体，具有较高的化学活性，主要化学成分为硅铝酸钙；泰达炉渣（TZ）主要组成元素为Si、Al、Ca、Na、Fe、C、K和Mg，以及青光流化床炉渣（LZ）和校内供热锅炉炉渣（RZ）。4种炉渣的密度、孔隙度以及粒径组成见表1~2。排盐暗管为带孔PVC波纹管，管径80mm，外裹透水无纺布，以防止盐渍土颗粒堵塞暗管。

1.2试验装置与方法试验装置为60cm×60cm×120cm规格的钢化玻璃柱，如图1所示，共8个土柱。以包敷滤料种类、包敷滤料厚度、暗管规格为主要影响因素，选取L8（41×24）正交表安排试验，见表3。滤料层铺设于装置底部中间位置，外裹透水无纺布的暗管埋设于滤料层中心。滤料周边装填盐渍土（密度1.28g/cm3，孔隙度5.25%），填充高度为80cm。距盐渍土表层20、40、50cm处开设Φ6cm的取样孔，盐渍土上层覆盖10~20cm客土，并种植植物。盐渍土取自天津滨海新区海岸，土壤电导率为382.85mS/m。试验期间采用灌溉补水方式对含盐土层的盐分进行淋洗脱盐，淋溶补水量参考天津多年平均降水量（600mm）确定。采用WET土壤水分/温度/电导率速测仪（英国）测定各土柱20、40、50cm盐渍土剖面的土壤电导率，每7~10d取样测定，并重复测定3次。通过统计分析确定各因素的影响大小，筛选出暗管排盐效果最佳的组合形式。

2数据分析与讨论

2.1实验数据的极差分析极差分析法［5］直观形象、简单易懂。根据正交表的综合可比性，极差分析法通过简便的计算和判断就可以求得试验的优化成果、主次因素、优水平及优组合，能比较圆满地达到一般试验分析要求。首先对测得的土壤电导率数据采用序时平均数加权法进行计算，作为每组试验的代表性指标值，计算公式为：Yi=3y1i+y2i+y3i/5。（1）式中：y1i、y2i、y3i分别表示土柱盐渍土剖面20、40、50cm层土壤电导率的序时平均数（i=1、2、3）。依据表4Rj的大小可知，A因素对土壤含盐量的影响最大，其次为B因素，C因素的影响最小。即各影响因素重要性依次为A>B>C。以土壤电导率作为主要衡量指标而言，该值越高，则土壤含盐量越高，排盐效果越差。因此，由各因素对应值的大小可认为暗管排盐的优组合为A3B1C1，即：流化床炉渣作为包敷滤料，厚度10cm，采用孔隙面积1200mm2/m的PVC暗管，可以达到较好的脱盐效果。根据表4中kij值，对各影响因素的优水平分析如下：①A因素（滤料种类）对土壤电导率的影响极显著。其中流化床炉渣（LZ）对降低土壤电导率的作用最大，其次为泰达炉渣（TZ）、增钙液态渣（GZ）和供热锅炉炉渣（RZ）。从表1和表2炉渣的密度与粒径组成来看，流化床炉渣密度为1.39g/cm3，具有较为均匀的粒径级配。增钙液态渣细粒子多，≤1mm的渣粒占38%。供热锅炉炉渣密度小，在压力作用下可能易发生淤化。②B因素（滤料厚度）对土壤电导率的影响较显著。试验采用的是滨海盐渍土，其土壤黏滞性较高，淤积倾向较为严重，故设定厚度不小于8cm［6］。依据极差分析结果，滤料厚度的优水平为10cm。③C因素（暗管规格）对土壤电导率的影响不显著，其影响可以忽略。

2.2实验结果的方差分析极差法无法确定试验优化成果的可信度，也不能应用于回归分析与回归设计。而方差分析则在偏差平方和分解的基础上借助于F检验法，对影响总偏差平方和的各因素效应及其交互效应进行分析，判断各因素对试验指标影响的显著性［7］。基于此，进一步对试验数据进行方差分析，以检验上述优组合的可靠性。由表5的方差分析可知，因素A对土壤电导率的影响较显著，该实验指标的影响显著性的可信度高于95%。B因素影响显著性的可信度略高于90%，而C因素的影响不显著。依据F大小，3种因素对土壤电导率的影响性排序为A>B>C，与极差分析的结果一致。

2.3水平效应和工程平均估计经试验数据的极差分析和方差分析，可以确定A3B1C1组合为该试验条件下排盐效果最优的组合形式，但该组合并没有出现在L8（41×24）正交试验的8组试验中，需应用水平效应和工程平均估计的方法对优组合的指标值进行估算。即用各因素的各水平效应值定量估计L8（41×24）试验中16种组合类型对土壤电导率的贡献值（工程平均）。各因素的水平效应值见表6。工程平均的估算式为：μ（AiBjCn）=总平均+主要因子在该水平下出现水平的效应。（2）以选出的最优组合A3B1C1为例，应用公式（2）对该组合土壤电导率指标值估算如下。式中：Se为误差项偏差平方和；fe为误差项自由度；ne为误差项的有效重复数，ne=数据总个数/（1+显著性因子的自由度之和）。依据表5中计算值，得δ0.01=26.7。因此，试验优组合A3B1C1的土壤电导率为184.8~238.2mS/m，置信度为99%。

3结论

1）包敷滤料种类、滤料厚度和暗管规格对土壤电导率的影响存在明显差异。其中，包敷滤料种类的影响效果最为显著，其次为滤料厚度，暗管规格对其影响可忽略。2）试验条件下对降低土壤含盐量优组合为A3B1C1，即包敷滤料选用流化床炉渣，敷设厚度为10cm，暗管选取孔面积为1200mm2/m规格的PVC波纹管，外裹透水无纺布。通过补水淋溶和重力水下渗作用，盐渍土土壤脱盐率达44.8%。3）工业固体废料———炉渣用作排盐暗管过滤材料，可有效降低土壤含盐量，替代砂砾料，降低暗排工程费用。