Impactos de irrigação de efluentes na condutividade hidráulica do solo: acoplado a amostragem de campo e laboratório determinação da condutividade hidráulica saturada
Summary
Aqui apresentamos uma metodologia que corresponde a um tamanho de amostra de solo e um dispositivo de medição de condutividade hidráulica para impedir o fluxo de chamadas de parede ao longo dentro do contêiner de solo sendo erroneamente incluídos nas medições de fluxo de água. Seu uso é demonstrado com amostras coletadas de um site de irrigação de efluentes.
Abstract
Desde o início dos anos 1960, uma prática de descarga de águas residuais alternativo na The Pennsylvania State University foi pesquisada e seus impactos monitorados. Ao invés de descarregamento tratados de águas residuais para um fluxo e desse modo diretamente impactar a qualidade do fluxo, o efluente é aplicado para florestas e terra recortada gerenciado pela Universidade. Preocupações relacionadas com reduções na condutividade hidráulica do solo ocorrem quando considerando a reutilização de águas residuais. A metodologia descrita neste manuscrito, correspondência de tamanho de amostra de solo com o tamanho do aparato de medição de condutividade hidráulica de base laboratorial, oferece os benefícios de uma coleção relativamente rápida de amostras com os benefícios da controlada condições de contorno do laboratório. Os resultados sugerem que pode ter havido algum impacto de reutilização de águas residuais na capacidade do solo para transmitir água em profundidades mais profundas nas áreas do site depressional. A maioria das reduções da condutividade hidráulica do solo nas depressões parece estar relacionada com a profundidade da qual a amostra foi coletada e por inferência, associados com as diferenças estruturais e texturais de solo.
Introduction
Descarga de águas residuais tratadas de municípios em fluxos tem sido uma prática comum há décadas. Essas águas residuais é tratada principalmente com a finalidade de reduzir o potencial de consumo de oxigênio biológica por microorganismos nas águas receptoras, como resultado de efluentes de águas residuais descarregadas. Consumo de oxigênio por microrganismos degrada materiais orgânicos em águas residuais reduzindo os níveis de oxigênio no corpo da água em que o efluente é descarregado e, assim, prejudicar os organismos aquáticos, incluindo peixes.
Em décadas recentes preocupações desenvolveram relacionados com nutrientes inorgânicos, alguns metais e outros produtos químicos dentro de águas residuais que criar o mal. Devido a um estudo publicado por Kolpin et al 1, um foco maior em uma gama de produtos químicos não previamente considerado evoluiu. Este estudo, publicado pela Sociedade Geológica de Estados Unidos, elevado conscientização a respeito da ampla gama de produtos de cuidados pessoais e outros produtos químicos em rios e córregos através dos E.U. devido à descarga de instalações de tratamento de águas residuais.
Desde o início dos anos 1960, pesquisadores da Penn State University tem investigado e desenvolveu uma prática única de descarga alternativo de águas residuais em uma região húmida. Ao invés de descarregamento Tratado de águas residuais para um fluxo e impactante assim diretamente a qualidade do fluxo, o efluente é aplicada para as florestas e a terra recortada, gerido pela Universidade. Esta área de aplicação, apelidada de “The Living filtro”, atualmente aceita todos os efluentes de águas residuais gerados a partir do campus mais alguns do município. Isto reduz a probabilidade de excesso de nutrientes entrar fluxos que entregam água da Baía de Chesapeake, protege a local da pesca de água fria de descargas de águas residuais quentes que é prejudicial aos peixes e impede a entrega de outros produtos químicos contidos nas águas residuais de contatar diretamente os ecossistemas aquáticos.
No entanto, há sempre consequências de alterações de comportamento, e esta facilidade de uso alternativo não é imune a tal. Perguntas surgiram sobre se a aplicação dos efluentes de águas residuais impactou negativamente a capacidade do solo para permitir que a água se infiltrar o solo superfície2,3,4,5 e causou maior escoamento superficial, se há uma possível contaminação dos poços locais com produtos químicos (nutrientes, antibióticos ou outros compostos farmacêuticos, produtos de cuidados pessoais) contidos nos efluentes de águas residuais, e se os produtos químicos estão criando negativos impactos ambientais, tais como através da captação de produtos químicos em plantas6 crescido no site, ou o desenvolvimento de resistência antibiótica em organismos7 no site do solo.
Como resultado de algumas destas preocupações, este estudo é realizado para determinar os impactos da irrigação de efluentes de águas residuais na condutividade hidráulica do solo na saturação. A abordagem utilizada envolve a coleta de solos de sites selecionados dentro ou fora da área irrigada e o tamanho de recipiente de amostra de solo com a configuração do laboratório de correspondência. É importante para o recipiente de amostras de solo caber dentro do aparelho de laboratório e para a água que se move para baixo através da matriz da amostra de solo a ser separados da água que se move para baixo entre o solo e o recipiente de amostras de solo. O protocolo descreve como os aparelhos de laboratório é construído para garantir que isso ocorreu.
São coletadas amostras de solo usando um amostrador hidráulico do núcleo ligado a um trator. Amostras de solo são coletadas de áreas selecionadas na paisagem ondulante e mantido em uma luva plástica cabida em amostras de núcleo do solo. Estes núcleos são coletados de um barro de silte Hagerstown, localizado em uma posição de paisagem cimeira ou em uma área de depressional. Seis cúpulas representativas e seis sites depressional são amostrados da área irrigada (um total de 12 locais de amostragem da área irrigada). Além disso, três cimeiras e três sites depressional são amostrados de uma área adjacente, sequeiro (um total de seis sites de sequeiro). Um máximo de seis núcleos é coletado em cada local para uma profundidade máxima de cerca de 1.200 mm, com cada amostra de núcleo, sendo cerca de 150 mm (100 mm da amostra sendo constante da luva de plástico e 50 mm, sendo constantes a cabeça de corte de amostras do metal ). Após a retirada de amostras do metal, as mangas de plástico contendo as amostras de solo coletadas são equipadas com tampas, transportados na vertical para o laboratório e armazenado na vertical, até que eles são usados para determinar a condutividade hidráulica saturada. Simultaneamente, amostras de solo são coletadas em cada profundidade para a determinação do solo e concentrações de solução de cálcio (Ca), magnésio (Mg) e sódio (Na) usando uma extração de Mehlich 3 para estimativas de água desionizada e concentrações de solo8 extrai-se a uma proporção de 1:2 de massa de solo: água em massa. As análises químicas dos extratos de água foram obtidas indutivamente acoplado Plasma emissão espectroscopia atômica (ICP-AES) e foram usadas para calcular a relação de adsorção de sódio (SAR).
A determinação da condutividade hidráulica saturada é efectuada principalmente usando um método de cabeça constante,9. Sais de uma solução contendo Ca e at para imitar a efluente condutividade elétrica (CE) e SAR do efluente é criado então o solo estará exposto à água variáveis de qualidade semelhantes à aplicada no campo de águas residuais. Neste caso, o CE é 1,3 dS/m e o SAR é 3, refletindo o CE e SAR do efluente nos últimos anos antes do período de amostra. [Tecnicamente, as unidades de SAR são (miliequivalentes/litro)½ e geralmente não são identificadas na literatura].
A modificação do método de cabeça constante de Klute e Dirksen9 é o desenvolvimento de um separador de fluxo por Walker8 para evitar o fluxo através da coluna que ocorreu fora da matriz de solo sejam incluídos na estimativa do solo hidráulico condutividade. O separador de fluxo é construído usando tubos de policloreto de vinila (PVC) selecionado e usinadas para coincidir com o tamanho da amostra de solo. Uma tela suporta a amostra de solo e permite que a água que foi movido pela matrix solo a fluir para fora a parte inferior da amostra. Uma segunda tomada emite a água que fluiu para baixo dentro da manga de plástico, eliminando assim chamados “fluxo de parede” incorretamente sejam incluídos na estimativa da quantidade de água que se move através da matriz do solo.
Protocol
Representative Results
Discussion
A capacidade de coletar amostras de solo imperturbado, baseada em campo e obter seus valores de condutividade hidráulica é importante na obtenção de dados representativos de um site. Para melhor representar as condições de campo, é importante o uso de amostras de solo que permanecem em um representante do estado físico do seu ambiente no campo. Amostras de solo coletadas de um site de campo, que em seguida são perturbados por subamostragem ou manipulando compactação induzida, por exemplo, irá experimentar mud…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostaria de agradecer a Pensilvânia estado Universidade escritório de planta física para a concessão de financiamento parcial para apoiar este projeto. Financiamento parcial também foi fornecido pela W-3170 projeto de pesquisa do USDA-Regional. Gostaríamos de expressar nossa gratidão a Ephraim Govere pela ajuda com o trabalho analítico. Nossa profunda gratidão é Charles Walker, cujo projeto de engenharia e habilidades de construção tornaram possível para nós realizar este trabalho.
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 |
Referenzen
- 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).
