造纸废水灌溉入渗的地球化学过程及其影响下的地下水环境演化机制

The shortage of available fresh water and increased consciousness of environmental protection among people make the reuse of treated wastewater an essential component of integrated water resources management. Irrigation with paper wastewater can increase soil fertility and crop yields, while imposes negative impacts on groundwater environment. Based on field investigation, sample collection and analysis, laboratory experiments, isotopic analysis, numerical modeling and comprehensive study, this research will establish a multiple element end member mixing analysis (EMMA) model to quantify the impacts of paper wastewater irrigation on groundwater environment. The various geochemical processes associated with wastewater infiltration and flow will be investigated in detail based on laboratory experiments such as degradation experiment, adsorption experiment and infiltration experiment and PHREEQC modeling. The parameters for various geochemical reactions will be estimated from the laboratory results. A reactive mass transport model which takes into account biogeochemical and hydrogeochemical processes will be established. Finally, isotopes, hydrogeochemistry, modeling and multivariate statistics will be integrated to investigate the mechanisms of groundwater evolution under the impacts of wastewater irrigation. This research is meaningful and helpful for better understanding of the responses of groundwater system to human activities, promoting the development of environmental hydrogeochemistry.

淡水资源的短缺以及人们环保意识的提高，使再生水再利用成为水资源综合管理的重要组成部分。造纸废水灌溉在提高土壤肥力和作物产量的同时，也对地下水环境施加了不可避免的负面影响。本课题拟通过野外调查、水土样品采集与测试、室内实验、同位素技术、数值模拟与综合研究等手段，建立多元地下水端元混合分析模型，定量评价造纸废水对地下水环境的影响。通过室内实验与模拟研究，重点研究造纸废水入渗过程中以及入渗进入含水层后的各种地球化学过程，确定地球化学参数，建立统一考虑生物地球化学与水文地球化学作用的反应性溶质运移模型；综合利用同位素、水文地球化学、数值模拟和多元统计等先进理论与方法，对造纸废水灌溉影响下的地下水环境演化机制及地下水污染防治进行全面综合的研究，为地下水环境保护提供科学的理论支撑。该项目的完成有利于深刻理解地下水系统对人类活动的响应机制，有利于促进环境水文地球化学学科的发展，具有重要的理论与实际意义。

造纸废水灌溉在提高土壤肥力和作物产量的同时，也对地下水环境施加了不可避免的负面影响。本项目通过野外调查，资料收集，水土样品采集与分析等手段，查清了地下水污染现状，估算了造纸废水灌溉对地下水环境的影响。通过室内降解实验、吸附实验和土柱入渗试验，深入研究了造纸废水在入渗过程中所发生的地球化学反应。综合利用环境同位素、水文地球化学和多元统计等理论与方法，对地下水污染物的来源、迁移转化规律以及地下水污染防治进行了全面综合的研究，通过建立地下水溶质运移模型，对造纸废水灌溉影响下的地下水环境演化进行了模拟预测，提出了应对造纸废水灌溉的地下水环境保护措施。研究结果表明造纸废水灌溉既抬高了地下水位，可能诱发次生盐渍化，又对地下水质产生了不利的影响。造纸废水在入渗及流动过程中，不仅存在天然的水岩作用，如矿物的溶解沉淀、阳离子吸附等，也存在有机物的降解、吸附等生物化学过程，这些综合过程影响着地下水质的演化。地球化学模拟表明在研究区的上游，伊利石、方解石和钠长石的沉淀，钙长石、钾长石和绿泥石的溶解以及二氧化碳和阳离子交换反应的参与，使得上游地区地下水化学由Cl–Ca转变为HCO3∙SO4–Ca。岩盐、绿泥石、钙长石和石膏的溶解以及白云石的沉淀，使下游水化学类型由HCO3∙SO4–Ca转变为HCO3∙SO4–Ca∙Mg。COD吸附动力学参数表明，COD在供试土样表面的平均吸附平衡时间约为56 min，平均平衡吸附量约为3131.60 mg/kg，平均平衡吸附速率为3445.33 mg/(kg•h)。造纸废水中COD在土壤中的吸附动力学过程不是一个简单可逆的一级动力学反应，而是一个复杂的反应过程，可能包含吸附、扩散、溶解、反应等过程。而COD的降解过程基本上符合一级反应动力学模式，COD的衰减速率一般为0.00175-0.00446。造纸废水中含有高浓度的COD，即使与黄河水经过配比之后用于速生林灌溉，依然会对地下水产生影响。随着浇灌年份的增长，地下水中COD浓度最高值基本呈线性增长。研究结果对于深刻理解地下水系统对人类活动的响应机制具有重要的理论与实际意义。

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