CN103837449B - 地下水中挥发性有机污染物迁移转化模拟装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下水中挥发性有机污染物迁移转化模拟装置及应用，所述地下水中挥发性有机污染物迁移转化模拟装置，包括依次串联连接的水箱、输送泵、污染补给柱、缓冲柱、包括含水层介质柱和反应格栅柱构成的污染模拟柱以及废液取样柱，所述反应格栅柱设置在含水层介质柱之间，含水层介质柱中装填有含水介质。使用本装置具有如下效果：占用空间减小，灵活多变，防挥发效果好，无二次污染，能够提供可靠的模拟环境和工程。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下水中挥发性有机物（VOCs）的迁移转化规律模拟装置。
背景技术
由于工农业生产活动，地下水环境正遭受着越来越严重的污染。其中，挥发性有机物（VOCs）的是地下水中最为常见的污染之一。挥发性有机物作为优良的有机溶剂和中间体，广泛用于各工业领域，但因储存及处置不当等原因致使其通过挥发、泄露和废水排放等途径进入土壤及地下水环境中，对人类的健康和生态环境造成威胁。美国等发达国家对于挥发性有机物的使用历史长久且应用广泛，在土壤和地下水中普遍发现存在此类污染且污染检出浓度较大。我国地下水调查同样发现了严重的VOCs污染。
此外，近几十年来，随着工农业的快速发展和城市化进程的加快，国家“退二进三”旧城改造政策的逐步实施，我国大中城市中大批的重度污染行将会关闭和搬迁，搬迁后遗留下来的场地存在着不同程度的土壤和地下水污染，对周边的河流和居民饮用水也造成了威胁。场地土壤和地下水污染中，有机物污染污染十分普遍，其中，对于挥发性有机物（VOCs）的污染规律和修复十分困难。地下水中挥发性有机物（VOCs）污染已经引起了各国普遍关注，其环境行为和修复技术已经成为地球科学、环境科学和水文地质等多学科领域的研究热点。
鉴于污染场地中地下水有机污染的复杂性，很多学者为了研究地下水污染规律，设计出了与污染物迁移与转化相关的模拟装置，如野外试验场地、室内污染模拟槽和基于多孔介质的土柱模拟试验等。室内污染模拟装置与野外试验装置相比，具有花费少，污染小，造作简单和效果显著等特点，特别适合于地下水污染的相关研究。但现有的室内模拟装置均有不同的侧重点，功能比较单一，更重要的是没有针对挥发性有机污染的特点进行设计，对于装置的密闭性和防挥发防吸附性有较高的要求，现有装置并不能满足地下水中挥发性有机物（VOCs）污染研究模拟的需要。此外，室内模拟装置一般填充砂砾等粗粒的含水层介质，对污染物的研究都基于一个模拟装置内而忽略了功能区域的划分。另一方面，针对有机污染消除的反应格栅模拟，装置中设计的反应格栅大多为一次性的，即一次模拟实验运行结束后需重新填充整个装置，使用十分不便，也无法实现多种格栅的组合实验。
发明内容
本发明的目的是提供一种地下水中挥发性有机污染物迁移转化模拟装置及应用，以克服现有技术存在的上述缺陷。
所述的地下水中挥发性有机污染物迁移转化模拟装置，包括依次串联连接的水箱、输送泵、污染补给柱、缓冲柱、包括含水层介质柱和反应格栅柱构成的污染模拟柱以及废液取样柱，所述反应格栅柱设置在含水层介质柱之间，含水层介质柱中装填有含水介质；
所述含水介质为污染场地地下含水层土壤，保证近似模拟含水层环境；
所述的反应格栅柱包括中空的两端开放的格栅柱柱体、反应填料和多孔挡板；
所述多孔挡板通过卡件设置在所述的格栅柱柱体的两个端口，所述反应填料设置于多孔挡板之间，所述的反应填料为能够去除污染物的反应材料；
所述缓冲柱包括粒径5～6mm的玻璃珠层和设置在其两边的1～2层纱布；
本装置中功能格栅区为组合式反应格栅，考虑了设计实验方案过程中，格栅可以灵活组合或替换的情况，可进行多种模式的连接组合。格栅内可装有不同厚度的活动式多孔挡板，可对反应填料进行组合和量化。整体装置将为研究污染场地地下水挥发性有机污染物扩散规律和修复方法优化提供条件。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为反应格栅柱示意图。
图3为零价铁格栅去除三氯乙烷的出水浓度变化图。
图4为零价锌格栅格栅去除三氯乙烷的出水浓度变化图。
图5为零价铁和锌粉组合去除三氯乙烷的出水浓度变化图。
具体实施方式
参见图1和图2，所述的地下水中挥发性有机污染物迁移转化模拟装置，包括依次串联连接的水箱1、输送泵4、污染补给柱6、缓冲柱8、包括含水层介质柱901和反应格栅柱12构成的污染模拟柱9以及废液取样柱16，所述反应格栅柱12设置在含水层介质柱901之间，含水层介质柱901中装填有含水介质11；
所述含水介质11为污染场地地下含水层土壤，如，4～6m的砂质粉土，经过自然风干3～5天后，粉碎，过200目的筛子，所得到的介质土壤和水的混合物，其中，水的重量含量为30～45%，保证近似模拟含水层环境；
优选的，所述含水层介质柱901中的含水介质11的密度为1.65～2.95g/cm3，总有机碳含量为0.02～0.2%，含水层介质柱901填充介质控制容重1.15～2.15g/cm3，孔隙度为0.25～0.45；
所述的反应格栅柱12包括中空的两端开放的格栅柱柱体1201、反应填料1202和多孔挡板1203；
所述多孔挡板1203通过卡件设置在所述的格栅柱柱体1201的两个端口，所述反应填料1202设置多孔挡板1203之间，所述格栅柱柱体1201的两端设有用于不同柱体间连接的连接板13；
所述的反应填料1202为能够去除污染物的反应材料，可选用金属材料（零价铁、锌等）、吸附材料（活性炭粉末、活性炭纤维等）、生物修复材料（接种菌剂或生物膜的载体）、新型复合修复材料（固定化生物修复小球）或多种材料的组合；
所述地下水中挥发性有机污染物优选为三氯乙烷；
所述固定化生物修复小球，如刘巍《新型固定化生物小球的研制及其处理模拟苯胺废水的特性》文献报道的固定化生物修复小球，为一种用微生物固定化技术将降解菌固定在反应格栅之内的方法。通常采用海藻酸钠、聚乙烯醇包埋固定优势混合菌，并添加活性炭纤维或活性炭等对固定化填充介质进行改进。
所述卡件包括格栅柱柱体内设置的凹槽和相对应位置的多孔挡板外围的凸槽，利用凹凸槽进行嵌入式连接在固定位置。通过这样才能充分利用不同厚度的挡板保证了填充体积的可控；
优选的，所述的格栅柱柱体1201为圆柱形；
参见图1，所述的污染补给柱6设有压力表601、污染物补给口602，所述污染补给柱的柱的两端设有柱体间连接的连接板，优选的，所述污染补给柱6为圆柱形；压力表601用于观察装柱体内的压力变化；污染物补给口602，主要用于污染物的投加和进水的取样；
所述缓冲柱8包括粒径5～6mm的玻璃珠层和设置在其两边的1～2层纱布，保证模拟液与填充介质接触时能够浓度均匀，减少水土流失；
所述废液取样柱16设有取样口1601；
优选的，为了保证污染物在所述污染模拟柱9中的迁移呈一维状态，所述污染模拟柱9的长径比为1～5∶1；反应格栅柱的长径比为0.5～2∶1；污染补给柱的长径比为0.5～2∶1；
所述反应格栅柱12的数量为1～3个，反应格栅柱12的总长度为污染模拟柱9总长度的12.5～37.5%；
所述多孔挡板1203的小孔的孔径为4～10mm，孔密度为0.5～1个/cm3；
上述结构的地下水中挥发性有机污染物迁移转化模拟装置可用于模拟地下水中挥发性有机污染物迁移转化规律，应用方法包括如下步骤：
向水箱中加入目标污染物，在20～25℃下，启动蠕动泵，控制蠕动泵的流量为0.10～0.80mL/min，然后取样测定进水、取样点和出水的污染物浓度，即可获得污染物的时间和空间分布规律；
优选的，污染模拟前，需用去离子水湿润含水介质11，直到出水与去离子水电导率差值低于0.5ms/cm为止，以消除土壤中原有土壤离子对实验结果的影响。
总的来说，使用本装置具有如下效果：占用空间减小，灵活多变，防挥发效果好，无二次污染，能够提供可靠的模拟环境和工程。
具体实施方式
实施例1
采用图1和2所示的装置进行三氯乙烷的迁移转化模拟实验：
装置的结构参数：
污染模拟柱直径100mm，长度150mm；
反应格栅柱12直径100mm，长度100mm；
反应填料1202为零价铁粉末，质量300g，零价铁粉末密度2.65g/cm3；
污染补给柱直径100mm，长度50mm；
缓冲柱8中设有粒径为6mm的玻璃珠层和设置在其两边的2层纱布；
所有柱体壁厚8mm；组合装置柱体间连接8mm厚的带孔有机玻璃挡板，要求孔径6mm，孔密度为0.5个/cm3；
实验室内温度控22摄氏度，蠕动泵的控制流量在0.24mL/min。
填充介质填装：选取模拟区的填充介质，采用氯代烃污染场地的地下7m的土壤样品，取土到实验室后，经过自然风干3天后，进行土壤粉碎，过200目的筛子。得到的介质土壤，采用逐层填充-润湿-压实的方法，填充介质到含水层介质柱901中，填充好后，竖直放置24h，让填充介质自然压实，土壤密度为1.75g/cm3，总有机碳含量为0.064%，柱体填充介质控制容重1.23g/cm3，孔隙度为0.296；
调试进水：装置搭建好后，本装置确定竖直放置（入水口在下面），利用水箱和柱体的水头差，让柱体的水自然饱和，期间可以利用蠕动泵，调节流量来加快柱体含水饱和。
模拟准备：污染模拟前，用去离子水湿润土柱，直到出水与去离子水电导率差值低于0.2ms/cm为止，以消除土壤中原有土壤离子对实验结果的影响。
污染模拟：模拟选取三氯乙烷作为污染物，进行向水源中加污染物，取样测定进水和出水的污染物浓度，观察污染物的时间和空间分布。本污染模拟选取的投放模式为：（3）污染补给柱和水箱中为等浓度的污染物的水源。
物理污染规律曲线：当模拟准备完毕后，将去离子水改为注入恒定浓度的三氯乙烷溶液，通过测定获得出水三氯乙烷浓度的规律，如图3。
实施例2
采用图1和2所示的装置进行三氯乙烷的迁移转化模拟实验：
装置的结构参数：
污染模拟柱直径70mm，长度350mm；
反应格栅柱12直径70mm，长度80mm；
反应填料1202为零价锌粉末，质量60g，零价锌粉末密度2.75g/cm3；
污染补给柱直径70mm，长度70mm；
缓冲柱8中设有粒径为6mm的玻璃珠层和设置在其两边的2层纱布；
所有柱体壁厚8mm；组合装置柱体间连接8mm厚的带孔有机玻璃挡板，要求孔径6mm，孔密度为0.5个/cm3；
实验室内温度控22摄氏度，蠕动泵的控制流量在0.46mL/min。
填充介质填装：选取模拟区的填充介质，采用氯代烃污染场地的地下4～6m的土壤样品，取土到实验室后，经过自然风干3天后，进行土壤粉碎，过200目的筛子。得到的介质土壤，采用逐层填充-润湿-压实的方法，填充介质到含水层介质柱901中，填充好后，竖直放置24h，让填充介质自然压实，土壤密度为2.36g/cm3，总有机碳含量为0.038%，柱体填充介质控制容重1.47g/cm3，孔隙度为0.387；
调试进水：装置搭建好后，本装置确定竖直放置（入水口在下面），利用水箱和柱体的水头差，让柱体的水自然饱和，期间可以利用蠕动泵，调节流量来加快柱体含水饱和。
模拟准备：污染模拟前，用去离子水湿润土柱，直到出水与去离子水电导率差值低于0.2ms/cm为止，以消除土壤中原有土壤离子对实验结果的影响。
污染模拟：模拟选取三氯乙烷作为污染物，进行向水源中加污染物，取样测定进水和出水的污染物浓度，观察污染物的时间和空间分布。本污染模拟选取的投放模式为：（3）污染补给柱和水箱中为等浓度的污染物的水源。
物理污染规律曲线：当模拟准备完毕后，将去离子水改为注入恒定浓度的三氯乙烷溶液，通过测定获得出水三氯乙烷浓度的规律，如图4。
实施例3
采用图1和2所示的装置进行三氯乙烷的迁移转化模拟实验：
装置的结构参数：
污染模拟柱直径70mm，长度500mm；
反应格栅柱12直径70mm，长度40mm，数量2个；
反应填料1202为零价铁粉末和锌粉，质量比为1:1，总质量200g，两者密度分别为2.65g/cm3,2.75g/cm3；
污染补给柱直径70mm，长度70mm；
缓冲柱8中设有粒径为6mm的玻璃珠层和设置在其两边的2层纱布；
所有柱体壁厚8mm；组合装置柱体间连接8mm厚的带孔有机玻璃挡板，要求孔径6mm，孔密度为0.5个/cm3；
实验室内温度控22摄氏度，蠕动泵的控制流量在0.6mL/min。
填充介质填装：选取模拟区的填充介质，采用氯代烃污染场地的地下3m的土壤样品，取土到实验室后，经过自然风干3天后，进行土壤粉碎，过200目的筛子。得到的介质土壤，采用逐层填充-润湿-压实的方法，填充介质到含水层介质柱901中，填充好后，竖直放置24h，让填充介质自然压实，土壤密度为2.65g/cm3，总有机碳含量为0.126%，柱体填充介质控制容重1.71g/cm3，孔隙度为0.356；
调试进水：装置搭建好后，本装置确定竖直放置（入水口在下面），利用水箱和柱体的水头差，让柱体的水自然饱和，期间可以利用蠕动泵，调节流量来加快柱体含水饱和。
模拟准备：污染模拟前，用去离子水湿润土柱，直到出水与去离子水电导率差值低于0.2ms/cm为止，以消除土壤中原有土壤离子对实验结果的影响。
污染模拟：模拟选取三氯乙烷作为污染物，进行向水源中加污染物，取样测定进水和出水的污染物浓度，观察污染物的时间和空间分布。本污染模拟选取的投放模式为：（3）污染补给柱和水箱中为等浓度的污染物的水源。
物理污染规律曲线：当模拟准备完毕后，将去离子水改为注入恒定浓度的三氯乙烷溶液，通过测定获得出水三氯乙烷浓度的规律，如图5。
Claims (6)
1.地下水中挥发性有机污染物迁移转化模拟装置，其特征在于，包括依次串联连接的水箱(1)、输送泵(4)、污染补给柱(6)、缓冲柱(8)、包括含水层介质柱(901)和反应格栅柱(12)构成的污染模拟柱(9)以及废液取样柱(16)，所述反应格栅柱(12)设置在含水层介质柱(901)之间，含水层介质柱(901)中装填有含水介质(11)；所述的反应格栅柱(12)包括中空的两端开放的格栅柱柱体(1201)、反应填料(1202)和多孔挡板(1203)；所述多孔挡板(1203)通过卡件设置在所述的格栅柱柱体(1201)的两个端口，所述反应填料(1202)设置在多孔挡板(1203)之间，所述格栅柱柱体(1201)的两端设有用于不同柱体间连接的连接板(13)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述含水介质(11)为污染场地地下含水层土壤，经过自然风干3～5天后，粉碎后所得到的介质土壤和水的混合物，其中，水的重量含量为30～45％。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述含水层介质柱(901)中的含水介质(11)的密度为1.65～2.95g/cm3，总有机碳含量为0.02～0.2％，含水层介质柱(901)填充介质控制容重1.15～2.15g/cm3，孔隙度为0.25～0.45。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的反应填料(1202)为零价铁、锌、活性炭粉末、活性炭纤维、接种菌剂或生物膜的载体或固定化生物修复小球中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，格栅柱柱体为圆柱形，所述的污染补给柱(6)设有压力表(601)和污染物补给口(602)，所述污染补给柱的柱的两端设有柱体间连接的连接板，所述污染补给柱(6)为圆柱形；所述缓冲柱包括粒径5～6mm的玻璃珠层和设置在其两边的1～2层纱布，所述废液取样柱(16)设有取样口(1601)。
6.根据权利要求1～5任一项所述的装置，其特征在于，所述污染模拟柱(9)的长径比为1～5∶1；反应格栅柱的长径比为0.5～2∶1；污染补给柱的长径比为0.5～2∶1；
所述反应格栅柱(12)的数量为1～3个，反应格栅柱(12)的总长度为污染模拟柱(9)总长度的12.5～37.5％；多孔挡板(1203)的小孔的孔径为4～10mm，孔密度为0.5～1个/cm3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Hui Inventor after: Huang Botao Inventor after: Yang Jie Inventor after: Wang Xiaoli Inventor after: Zhu Ruili Inventor after: Zhou Yang Inventor before: Li Hui Inventor before: Lin Kuangfei Inventor before: Liu Yongdi Inventor before: Yang Jie Inventor before: Wang Xiaoli Inventor before: Zhu Ruili |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160817 Termination date: 20200113 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |