CN103336100A - 地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，包括：一模拟槽，分为前部分箱体和后部分箱体，前部分箱体和后部分箱体的一侧均为敞开端，渗透反应墙安装在两个箱体的敞开端之间，渗透反应墙对应两个箱体的敞开端的两侧面设置有垂直排列的取样孔；所述两个箱体的敞开端为凹型卡槽，以抽插钢制阻挡板；模拟槽两边的侧壁分别设有取样孔和监测孔；两个箱体的另一侧分别设有上游水箱和下游水箱，上游水箱和下游水箱与箱体之间分别安装有多孔板；上游水箱的外侧壁底部设有进水孔，下游水箱的外侧壁设有垂直排列且高度不同的溢水孔，在下游水箱的外侧壁底部设有止水阀门。本发明还公开了上述装置的使用方法。

Description

地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置及方法

技术领域

本发明属于环境模拟技术研究领域，更具体地涉及一种用于模拟地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置。

本发明还涉及上述装置的使用方法。

背景技术

地下水作为重要的城乡供水水源，在维护经济社会健康发展等方面发挥着不可替代的作用。但由于人类活动的影响，使得大量的污染物进入地下水环境，致使地下水污染问题日益严重。因此，多年来，众多的科研工作者从事着地下水污染防治的科学研究工作，研究此类科学问题的重要手段是可通过构建模拟地下水环境实验装置，开展污染物迁移过程和修复技术的研究与开发，因此搭建设计科学的、易操作的、经济成本较低的地下水污染过程模拟与修复装置成为从事地下水污染防治研究的实验室关注的热点问题。

研究发现，当今的地下水物理模拟装置存在一些缺点：首先，实验室内使用的小型模拟装置，如土柱或小的模拟槽，这些装置操作简单，更换介质材料容易且成本较低，然而地下水环境的复杂性，使得这些装置很难模拟真实地下水环境。其次，一些较大的中试规模的装置虽能克服小型模拟装置的不足，但在实际试验过程中往往在介质装填量较大，所需成本高。再者，中试模拟装置虽能较真实的反映实际地下水环境系统。但目前在进行污染修复过程后，特别是采用PRB修复技术，如PRB设置常用的方法是将设置位置处介质开挖后填充修复材料，此种方法修复试验完成后修复材料空隙中重新填充的含水层介质材料渗透性与原有的不同，不利于重新进行其他相关的模拟实验也不能根据修复材料的不同设置PRB墙体厚度。

目前，地下水污染过程与修复模拟试验是地下水系统理论研究的基础，因此对于构建实验室内准确反应野外真实的水文地质环境至关重要。准确的并能较真实的反映地下水环境、易操作以及低成本的物理模拟装置将会更加受到科研人员的关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置。

本发明的又一目的是提供上述装置的使用方法。

为实现上述目的，本发明提供的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，包括：

一模拟槽，分为前部分箱体和后部分箱体，前部分箱体和后部分箱体的一侧均为敞开端，渗透反应墙安装在两个箱体的敞开端之间，渗透反应墙对应两个箱体的敞开端的两侧面设置有垂直排列的取样孔；

所述两个箱体的敞开端为凹型卡槽，以抽插钢制阻挡板；

模拟槽两边的侧壁分别设有取样孔和与监测孔；

两个箱体的另一侧分别设有上游水箱和下游水箱，上游水箱和下游水箱与箱体之间分别安装有多孔板；

上游水箱的外侧壁底部设有进水孔，下游水箱的外侧壁设有垂直排列且高度不同的溢水孔，在下游水箱的外侧壁底部设有止水阀门。

所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，上游水箱和下游水箱与箱体之间安装的多孔板为致密性纱网多孔板。

所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，两个箱体中的一个底部设置滚动滑轮，可以水平移动。

所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，下游水箱外侧壁设置的溢水孔与储水箱相连。

所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，渗透反应墙与两个箱体的敞开端之间均采用内有防漏衬层的材料液封。

所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，模拟槽两边侧壁的取样孔和与监测孔均呈矩阵分布。

所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，模拟槽两边侧壁的取样孔均设有取样器用于随时取样，未取样的取样孔均用硅胶垫圈的堵头堵住。

本发明提供的上述地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置的使用方法：

1)将待测试的土壤样品分层装入模拟槽的前部分和后部分的箱体内，在模拟槽上游水箱和下游水箱侧壁底部注水，使上游水头和下游水头升高达到研究水头的80％，然后通过止水阀门调节水头变化直至达到研究水头要求，并将模拟槽内的介质分为包气带和含水层；

2)在污染过程模拟实验过程中，用蠕动泵将示踪剂或污染物通过上游水箱土体中注入模拟槽内，示踪剂或污染物在注射进模拟槽体内通过包气带进入含水层，从取样孔取样分析并记录，分析污染过程变化；

3)在污染过程模拟实验结束后，在前部分箱体和后部分箱体之间模拟槽前后部分之间安装渗透反应墙，并在渗透反应墙内填充修复介质材料，通过取样孔设置取样设备取样监测污染物通过墙体时降解变化。

所述的方法，其中，步骤2是在取样孔安装pH、电导率、溶解氧在线监测装置，根据测得的数据绘制污染物浓度趋势图分析污染过程变化。

所述的方法，其中，步骤3是在取样孔安装pH、电导率、溶解氧在线监测装置，根据以上数据绘制污染物等浓度趋势图，得出污染降解变化，分析实际环境中修复材料对污染物的修复效果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明可以在原有模拟污染过程的系统下，设置PRB墙体，不需重新装填模拟槽中的介质材料，同时也不用挖走PRB设置部分的土壤，达到减少实际操作的步骤和投入成本，增加过程模拟试验与PRB修复实验的转换的便捷性；

2)本发明将模拟污染过程实验和模拟修复实验很好的结合，同时也可根据修复材料的不同选用PRB墙体框设置不同厚度的PRB修复墙体，增加装置一次填充介质材料后的利用效率，具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的地下水污染过程及污染修复一体化模拟中试装置的整体结构剖面示意图。

图2为本发明的装置沿A向的侧面图。

图3为本发明装置的PRB墙体框立体示意图。

附图中主要组件符号说明：

1上游水箱；2下游水箱；3组成模拟槽的前部分箱体；4组成模拟槽的后部分箱体；5渗透反应墙(PRB)；6滚动滑轮；7进水孔；8致密性纱网多孔板；9钢制阻挡板；10溢水孔；11渗透反应墙(PRB)墙体取样孔或在线监测孔；12模拟槽取样孔与监测孔；13固定螺丝；14可调节的止水阀门；15液封区域。

具体实施方式

本发明在过程模拟和修复模拟试验中不需重新装填模拟槽中的介质材料，同时也不用挖走PRB设置部分的土壤，达到减少实际操作的步骤和投入成本，增加过程模拟试验与PRB修复实验的转换的便捷性，同时可多次研究不同修复材料对污染物的修复效果，提高中试装置的实际使用效率。

本发明的技术方案是：地下水污染过程及污染修复一体化模拟中试装置，其装置至少包括：模拟槽、可拆卸PRB墙体框以及液封材料。

模拟槽主要是由两个可分离和连接的箱体以及两个箱体的水箱组成。

模拟槽的两个箱体由三个侧壁以及底板组成，分为前部分箱体和后部分箱体，由这两个箱体将模拟槽分成前后两部分，两个箱体之间安装垫圈并用螺钉固定。后部分箱体设置滚动滑轮用于水平移动，前部分箱体尾部的两边侧壁并排设有“凹”型卡槽，后部分箱体的相应位置处也设有卡槽，两处卡槽均可插入钢制阻挡板。PRB墙体框尺寸与模拟槽一致，可安装在模拟槽的前后部分之间，并且在PRB墙体框两侧壁分别设有垂直的一排采样孔，其前后宽度可设置不同尺寸。试验过程中，在模拟槽前部分、模拟槽后部分和PRB墙体框结合部均需采用内有防漏衬层的材料液封。

上、下游水箱与箱体之间均有致密纱网的多孔板，模拟槽两边的侧壁是带有密实的多孔板，其孔可设置为取样孔或监测孔，呈矩阵分布，用于取样的开孔均设有取样器用于随时取样，未取样的取样孔均用硅胶垫圈的堵头堵住；模拟槽上游水箱前侧壁底部设有进水口，并安装调节水流大小的阀门，下游水箱后壁垂直设置一排溢水孔，安装水流调节阀，根据需要在溢水孔处安装取样器。

本发明所述的模拟槽、多孔板以及其他部件的材质均采用有机玻璃，水管采用硅胶管。

下面将结合附图对本发明提供的地下水污染过程及污染修复一体化模拟中试装置做进一步详细说明。

如图1、图2以及图3中所示，本发明所提供的结合地下水污染过程与修复模拟一体化装置至少包括模拟槽、可拆卸的渗透反应墙(PRB)墙体框、水位调节装置以及取样装置，模拟槽是由两个独立的前部分箱体3和后部分箱体4组成，前部分箱体3和后部分箱体4的一侧为均敞开端(即只有三个侧边和一个底板)，在前部分箱体3和后部分箱体4的另一侧分别设有上游水箱1与下游水箱2，整个模拟槽分割为前后两部分。上游水箱1和下游水箱2与模拟槽之间安装有致密性纱网的多孔板8，上游水箱1左侧壁底部设有进水孔7与蠕动泵相连通，下游水箱2右侧设有垂直一排且高度不同的溢水孔10，在溢水孔10的下方设有可调节的止水阀门14。模拟槽的后部分4底座处设有四个滚动滑轮6，可水平移动。在模拟槽的前部分与后部分之间可设有渗透反应墙(PRB)墙体5，该PRB墙体5的结构可随意拆卸，PRB墙体5两边侧面设置垂直一排的取样孔11。在安装PRB墙体5时可在模拟槽的前部分3和后部分4卡槽内插入钢制阻挡板9。水头控制系统是由进水孔7、溢水孔10、可调节的止水阀门14组成。上游水箱1的进水孔7可通过水管连接蠕动泵(图中未示)，下游水箱2不同高度的溢水孔10下方处安装的止水阀门14，可以达到调节模拟槽中的水头高度目的。取样设施是在模拟槽两边的侧壁设有取样孔和与监测孔12，呈矩阵分布。取样孔处均设有取样器用于随时取样，未取样的取样孔12均用硅胶垫圈的堵头堵住。同时在PRB墙体左右侧壁处设有垂直一排采样孔或在线监测孔11。

在实验过程中，可先将模拟槽前部分3和模拟槽后部分4用固定螺丝固定牢固，且结合部不发生漏水或渗水后，将取回的土壤样品按照野外土层结构分层装入模拟槽的前部分和后部分内，在模拟槽上游水箱1和下游水箱2侧壁底部缓慢注入水，使上、下游水头升高达到研究水头的80％，然后通过止水阀门14调节水头变化直至达到研究水头要求，可将模拟槽内的介质分为包气带和含水层。调节完毕后，再在模拟槽前部分和模拟槽后部分的结合部(液封区域15)采用内有防漏衬层的材料液封，防止装置发生漏水或渗水。

在污染过程模拟过程中，可用蠕动泵将示踪剂或污染物通过上游水箱土体中注入模拟槽内。示踪剂或污染物在注射进模拟槽体内通过包气带进入含水层。因上、下游的水头作用示踪剂或污染物可发生弥散作用以及迁移变化，所以根据需要在模拟槽两边侧壁选取合适的取样孔，取样分析或在线监测。

在模拟污染过程实验结束后，可将在模拟槽前后部分之间的两个卡槽处分别插入钢制阻挡板9。然后水平拖动模拟槽后部分4将其与模拟槽前部分3分开，将PRB墙体框固定于模拟槽前部分3，再将模拟槽后部分4与PRB墙体框结合固定牢固，三者之间均有硅胶垫圈，同时分别在模拟槽前部分3、模拟槽后部分4与PRB墙体框结合部采用内有防漏衬层的材料液封，防止后期实验过程中发生漏水或渗水。PRB墙体框内填充修复介质材料，并在侧壁的取样孔设置取样设备取样监测污染物通过墙体时降解变化。

本发明所提供的地下水污染过程中试模拟及污染修复一体化模拟装置实际操作情况如下，现实例说明。

地下水环境是一个复杂的环境系统，对于模拟装置的尺寸大小之间决定着模拟能否真实反映野外实际情况，本实例中装置采用中试水平来模拟地下水环境中污染过程变化与修复效果。设计的模拟槽的前部分3和后部分4分别占模拟槽整体的2/3和1/3，且通过螺钉固定前后部分，组合成一个整体的模拟槽，模拟槽(包括上下游水箱和渗流槽)大小为长×宽×高＝10m×5m×7m。选择某地地质剖面，依次包气带结构和含水层介质取对应的土壤样品一层层的均匀填充入模拟槽。为了更加贴近野外实际情况，本发明通过上游水箱相连的蠕动泵调节水流流速，并与下游水箱的溢水孔共同控制地下水水头变化，达到实际环境中相似比例的水位。

过程模拟试验开始后，每隔一定时间选取适当的数量的取样孔取样分析，并记录，并选取一定量的取样孔作为监测孔安装pH，电导率，溶解氧在线监测装置，直到整个装置的数据变化不明显为止，根据以上数据绘制等浓度趋势图，分析污染过程变化。

在污染过程模拟结束后，停止蠕动泵供水，并关闭上游水箱的进水孔的止水阀和下游水箱的溢水孔的止水阀。在模拟槽前部分和后部分结合处的卡槽处分别插入钢制阻挡板9，使模拟槽分割成两个独立的槽体。然后将模拟槽后部分4向后水平拉动，使模拟槽前部分3和后部分4分开。将0.5m宽的PRB墙体框安装在模拟槽的前部分，再将后部分与墙体槽固定一起，使模拟槽的前后部分之间形成一个0.5m宽的空间，在这空间中填充污染物修复材料(零价铁)，便安装了PRB墙体。

安装完毕后，开展修复模拟实验，每隔一定时间选取适当的数量的取样孔取样分析，并记录，并选取一定量的取样孔作为监测孔安装pH，电导率，溶解氧在线监测装置，根据以上数据绘制污染物等浓度趋势图，得出污染降解变化，分析实际环境中修复材料对污染物的修复效果。

Claims (10)

1.一种地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，包括：

一模拟槽，分为前部分箱体和后部分箱体，前部分箱体和后部分箱体的一侧均为敞开端，渗透反应墙安装在两个箱体的敞开端之间，渗透反应墙对应两个箱体的敞开端的两侧面设置有垂直排列的取样孔；

所述两个箱体的敞开端为凹型卡槽，以抽插钢制阻挡板；

模拟槽两边的侧壁分别设有取样孔和监测孔；

两个箱体的另一侧分别设有上游水箱和下游水箱，上游水箱和下游水箱与箱体之间分别安装有多孔板；

上游水箱的外侧壁底部设有进水孔，下游水箱的外侧壁设有垂直排列且高度不同的溢水孔，在下游水箱的外侧壁底部设有止水阀门。

2.根据权利要求1所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，上游水箱和下游水箱与箱体之间安装的多孔板为致密性纱网多孔板。

3.根据权利要求1所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，两个箱体中的一个底部设置滚动滑轮，可以水平移动。

4.根据权利要求1所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，下游水箱外侧壁设置的溢水孔与储水箱相连。

5.根据权利要求1所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，渗透反应墙与两个箱体的敞开端之间均采用内有防漏衬层的材料液封。

6.根据权利要求1所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，模拟槽两边侧壁的取样孔和监测孔均呈矩阵分布。

7.根据权利要求1或6所述的地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，其中，模拟槽两边侧壁的取样孔均设有取样器用于随时取样，未取样的取样孔均用硅胶垫圈的堵头堵住。

8.权利要求1所述地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置的使用方法：

1)将待测试的土壤样品分层装入模拟槽的前部分和后部分的箱体内，在模拟槽上游水箱和下游水箱侧壁底部注水，使上游水头和下游水头升高达到研究水头的80％，然后通过止水阀门调节水头变化直至达到研究水头要求，并将模拟槽内的介质分为包气带和含水层；

2)在污染过程模拟实验过程中，用蠕动泵将示踪剂或污染物通过上游水箱土体中注入模拟槽内，示踪剂或污染物在注射进模拟槽体内通过包气带进入含水层，从取样孔取样分析并记录，分析污染过程变化；

3)在污染过程模拟实验结束后，在前部分箱体和后部分箱体之间模拟槽前后部分之间安装渗透反应墙，并在渗透反应墙内填充修复介质材料，通过取样孔设置取样设备取样监测污染物通过墙体时降解变化。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤2是在取样孔安装pH、电导率、溶解氧在线监测装置，根据测得的数据绘制污染物浓度趋势图分析污染过程变化。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤3是在取样孔安装pH、电导率、溶解氧在线监测装置，根据以上数据绘制污染物等浓度趋势图，得出污染降解变化，分析实际环境中修复材料对污染物的修复效果。

Images