CN105712454B - 一种在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置，所述设备包括：密封的A柱填料区、B柱填料区、C柱填料区，其中所述A柱填料区顶部设有入水口，且A柱填料区底部与B柱填料区的底部导通，且B柱填料区顶部与C柱填料区顶部导通，所述C柱填料区底部设有出水口；所述A柱填料区填充有含膨润土的释氧材料和天然河砂的混合物；所述B柱填料区内填充有碱改性凹凸棒石；所述C柱填料区填充有粒径1—2mm的天然沸石。上述方案中，利用释氧材料和碱改性凹凸棒在岸滤取水过程中，联用动态原位去除氨氮，能够将区域内的地下水氨氮浓度至少降低到地下水水质的Ⅲ类标准，解决了现有地下水中氨氮的污染问题。

Description

一种在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置
技术领域
本发明涉及水净化技术领域，特别是指一种在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置。
背景技术
岸滤取水起源于十九世纪七十年代的欧洲，并在第二次世界大战以后得到了普遍应用。在第二次世界大战之后，由于河流受到市政和工业废水的污染，莱茵河、易北河、多瑙河和塞纳河等欧洲主要河流的沿岸国家广泛采用岸滤取水技术来获取饮用水。
岸滤取水过程中的过滤作用、吸附作用、酸碱中和作用、氧化还原作用、水解作用、生物地球化学等其他天然衰减作用的影响能够较好的去除污染物质，因此岸滤取水作为一种高效、低成本的饮用水处理或预处理方法已受到世界范围内普遍关注。
随着经济的发展和人口增长，人类对环境的破坏与日俱增，同时随着降水量的减少，地下水的超标开采，地下水区域水位下降，我国地下水污染程度日益严重。其中，工业废水、城市生活污水、生活垃圾产生的溶出物、农业中氮肥的过量使用，产生了大量的含氮化合物和有机物质。这些物质进入水体或土壤后，部分随降水直接进入地下水，部分随地表径流往下游迁移并下渗，使得地下水中氨氮含量增高，形成了岸滤取水过程中污染物主要的污染类型之一。在傍河区地下水氨氮污染修复技术较为常用的是抽出处理法，即将受氨氮污染的地下水抽出地表进行处理后，再使用通常折点加氯、投加吸附剂等比较常用的方法，它们无需改变水厂原有运行工艺，无需新建水处理设施，且应用方便、处理性能稳定、比较经济，在实际应用中具有更强的适应性。但是处理成本高，并且会产生诸如消毒副产物等有毒物质的二次污染。
渗透反应格栅(Permeable Reactive Barrier，PRB)是指通过在地下含水层补给路径上安置反应介质以拦截污染羽，受污染的地下水流通过反应介质，利用降解、吸附、沉淀反应将污染物转化为环境可接受的形式，从而实现格栅下游污染物修复目的。相对于抽出处理法技术，技术具有操作简单、维护成本低和对环境影响小的特点，目前已经成功的应用在国外的一些地下水污染地区。但是通过选用不同的反应介质，则以不同的反应机理去除地下水中的氨氮。目前，国内针对PRB技术的反应介质问题仍然处于初试阶段。因此，探索一种高效、低成本的反应介质应用于岸滤取水过程中氨氮的去除，对于我国北方地区及全国傍河取水的开采具有重要的意义。
同时，傍河水源地是我国北方地区重要的供水水源，其氨氮污染问题因人类活动及地表水污染影响而日益凸显。作为一种高效低成本的地下水污染修复材料，凹凸棒石及其改性产物得到越来越广泛的关注。综合国内外现状，凹凸棒在应用方面的主要特点是：大力发展深加工，充分开发其本身的优异性能，增加或赋予矿物必要的特性，以提高其利用性能和价值。凹凸棒石加工是指针对其用途，利用各种方法或措施提高其纯度，或改变其矿物结构、化学组成等，进一步扩大或改善其应用范围，其有效途径之一是改性。
王雅萍等在2014进行了硅酸盐矿物对废水中氨氮吸附性能的研究，采用焙烧、酸化、钠化和碱化四种改性方法对其改性,用模拟氨氮废水进行了吸附实验。通过研究发现碱改性后的沸石、凹凸棒石粘土和膨润土对模拟氨氮废水的去除率较高。还研究了结构特征和pH值对吸附效果的影响；结果表明：碱化后矿物的比表面比天然的都得到较大的提高，氨氮在矿物上的吸附容量随着pH值的升高而增加；但在较高pH值下，其吸附容量反而降低，碱改性样品对氨氮的吸附性能得到很大程度的提高。
李圣品等在2015年针对傍河水源地的氨氮污染问题，在沈阳市傍河型水源地的氨氮进行了野外研究区的水文地质调查，在查明研究区氨氮污染特征的基础上，结合室内批试验、柱实验和数值模拟，筛选出最佳的氨氮去除方案，提出了研究区渗透反应格栅(PRB)构建方案，并成功构建了示范工程尺度的PRB，用以去除地下水中的氨氮污染。通过试验证实了利用微生物硝化作用结合沸石的吸附作用去除地下水中氨氮是可行的。通过对研究区水质数值模拟，发现构建有一定弧度的PRB能最大限度的保护水源井。并且在PRB的构建过程中，利用高压旋喷技术和旋挖技术解决了大深度(＞30m)，PRB的构建问题，且PRB建成运行监测表明，示范工程尺度的PRB能有效阻断和去除地下水中氨氮。
但是目前针对傍河区地下水氨氮污染修复都着重在异位修复，对原位修复方法的研究较少。而在已有的原位修复研究中大多采用PRB技术或者是PRB技术与其他技术联用的方式，并且对于PRB技术中反应介质的问题上一直处于探索阶段。另外，凹凸棒作为一种水处理中的吸附材料，国内外的研究大多集中在对有机物类和重金属类的吸附研究，对氨氮的吸附研究也偏重于对医药、印染等废水中的研究；因此国内外一直没有将凹凸棒作为吸附介质用于岸滤取水过程中氨氮去除的相关研究。
名词解释：
1、岸滤取水：即傍河取水(riverbank filtration，RBF)，是利用河岸或者湖岸天然的净化能力将流过的水进行净化，然后在距河流或湖泊一定距离利用抽水井开采饮用水的一种过滤技术。
2、凹凸棒土(attapulgite)，又名坡缕石(palygorskite)，是一种层链状富镁铝硅酸盐粘土矿物，成细小的棒状、纤维状晶体形态，具有较高的比表面积和吸附能力。
3、原位去除：指在污染发生的场地里通过各种工程技术方法，直接将污染物从包气带土层和地下水中去除，以便恢复其原来的环境功能的原位修复。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置，能够更好的对碱改性凹凸棒去除傍河区地下水的氨氮的效果进行试验，以为水净化技术改进提供更好的依据。
为了实现上述目的，本发明实施例提出了一种碱改性凹凸棒动态去除氨氮试验的设备，包括：
密封的A柱填料区、B柱填料区、C柱填料区；
其中所述A柱填料区顶部设有入水口，且A柱填料区底部与B柱填料区的底部导通，且B柱填料区顶部与C柱填料区顶部导通，所述C柱填料区底部设有出水口；
所述A柱填料区填充有含膨润土的释氧材料和天然河砂的混合物；
所述B柱填料区内填充有碱改性凹凸棒石；
所述C柱填料区填充有粒径1—2mm的天然沸石。
进一步，所述含膨润土的释氧材料和天然河砂的混合物，包括：含有膨润土的粒径2—3cm释氧材料和粒径小于2mm的天然河砂；且所述含有膨润土的粒径2—3cm释氧材料与粒径小于2mm的天然河砂的重量比为1：8；
其中，所述释氧材料中膨润土与释氧材料质量比在10:1.0—2.0。
进一步，所述释氧材料的制备方法如下：
(1)称取一定量的过氧化钙、砂、膨润土、磷酸钾和氯化铵、水泥和水依顺序按重量比1.5:0.7:0.6:0.8:0.7:1.4:2于500mL的聚四氟乙烯的烧杯；
(2)用磁力搅拌器在180r/min的转速下搅拌30min使其充分混合、分散均匀；
(3)混合均匀后制作成2cm左右的立方体小块，在自然条件下风干。
进一步，B柱填料区内填充的碱改性凹凸棒石通过以下方式制备：
称取相同质量的凹凸棒石和NaOH混合均匀后混合均匀后放入马弗炉550℃加热2h；
(2)取出后混合均匀加入75mL的蒸馏水，在烘箱内100℃加热8h；
(3)冷却后加入50mL 1mol/L的氯化钠溶液，混合均匀，再用1mol/L HCl调节pH＝6；
(4)离心后将固体烘干。
进一步，所述密封的A柱填料区、B柱填料区、C柱填料区分别设置在500mm×50mm×60mm密封有机玻璃柱A、B、C中，所述有机玻璃柱A、B、C的顶端中心设有高50mm、内径20mm、外径30mm的进水柱，底端为厚度10mm、长宽均为100mm的中心有内径50mm开口的正方形。
进一步，所述有机玻璃柱A、B、C还设有底座，所述底座为厚度20mm、长宽均为100mm的中心有内径20mm、外径30mm、高50mm出水柱的正方形。
进一步，所述有机玻璃柱A、B、C中过PVC材质的塑料管进行串联。
本发明上述技术方案的具有如下有益效果：
上述方案中，利用释氧材料和碱改性凹凸棒在岸滤取水过程中，联用动态原位去除氨氮，能够将区域内的地下水氨氮浓度至少降低到地下水水质的Ⅲ类标准，解决了现有地下水中氨氮的污染问题。
附图说明
图1为本发明实施例的在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置的结构示意图。
图2为图1中的有机玻璃柱的底座的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
为解决现有地下水中氨氮的污染问题，本发明的实施例提供一种在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置。
如图1和图2所示的，本发明实施例提出了一种在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置，所述设备包括：
密封的A柱填料区、B柱填料区、C柱填料区；
其中所述A柱填料区顶部设有入水口，且A柱填料区底部与B柱填料区的底部导通，且B柱填料区顶部与C柱填料区顶部导通，所述C柱填料区底部设有出水口；
所述A柱填料区填充有含膨润土的释氧材料和天然河砂的混合物；
所述B柱填料区内填充有碱改性凹凸棒石；
所述C柱填料区填充有粒径1—2mm的天然沸石。
进一步，所述含膨润土的释氧材料和天然河砂的混合物，包括：含有膨润土的粒径2—3cm释氧材料和粒径小于2mm的天然河砂；且所述含有膨润土的粒径2—3cm释氧材料与粒径小于2mm的天然河砂的重量比为1：8；
其中，所述释氧材料中膨润土与释氧材料质量比在10:1.0—2.0。
进一步，所述释氧材料的制备方法如下：
(1)称取一定量的过氧化钙、砂、膨润土、磷酸钾和氯化铵、水泥和水依顺序按重量比1.5:0.7:0.6:0.8:0.7:1.4:2于500mL的聚四氟乙烯的烧杯；
(2)用磁力搅拌器在180r/min的转速下搅拌30min使其充分混合、分散均匀；
(3)混合均匀后制作成2cm左右的立方体小块，在自然条件下风干。
进一步，B柱填料区内填充的碱改性凹凸棒石通过以下方式制备：
称取相同质量的凹凸棒石和NaOH混合均匀后混合均匀后放入马弗炉550℃加热2h；
(2)取出后混合均匀加入75mL的蒸馏水，在烘箱内100℃加热8h；
(3)冷却后加入50mL 1mol/L的氯化钠溶液，混合均匀，再用1mol/L HCl调节pH＝6；
(4)离心后将固体烘干。
再如图1和图2所示的，本发明实施例中，所述密封的A柱填料区、B柱填料区、C柱填料区分别设置在500mm×50mm×60mm密封有机玻璃柱A、B、C中，所述有机玻璃柱A、B、C的顶端中心设有高50mm、内径20mm、外径30mm的进水柱，底端为厚度10mm、长宽均为100mm的中心有内径50mm开口的正方形，所述正方形底端的四个角设有内径10mm的螺纹。
所述有机玻璃柱A、B、C还设有底座，所述底座为厚度20mm、长宽均为100mm的中心有内径20mm、外径30mm、高50mm出水柱的正方形；所述正方形底座的四个角设有内径10mm的螺纹，以与有机玻璃柱A、B、C的底端适配固定连接。所述有机玻璃柱A、B、C中过PVC材质的塑料管进行串联。
本发明上述技术方案的具有如下有益效果：
上述方案中，利用释氧材料和碱改性凹凸棒在岸滤取水过程中，联用动态原位去除氨氮，能够将区域内的地下水氨氮浓度至少降低到地下水水质的Ⅲ类标准，解决了现有地下水中氨氮的污染问题。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置，其特征在于，包括：
密封的A柱填料区、B柱填料区、C柱填料区；
其中所述A柱填料区顶部设有入水口，且A柱填料区底部与B柱填料区的底部导通，且B柱填料区顶部与C柱填料区顶部导通，所述C柱填料区底部设有出水口；
所述A柱填料区填充有含膨润土的释氧材料和天然河砂的混合物；
所述B柱填料区内填充有碱改性凹凸棒石；
所述C柱填料区填充有粒径1—2mm的天然沸石；
所述含膨润土的释氧材料和天然河砂的混合物包括含有膨润土的粒径2—3cm释氧材料和粒径小于2mm的天然河砂；且所述含有膨润土的粒径2—3cm释氧材料与粒径小于2mm的天然河砂的重量比为1：8；
其中，所述释氧材料中膨润土与释氧材料质量比在10：1.0—2.0。
2.根据权利要求1所述的在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置，其特征在于，
所述释氧材料的制备方法如下：
(1)称取一定量的过氧化钙、砂、膨润土、磷酸钾和氯化铵、水泥和水依顺序按重量比1.5：0.7：0.6：0.8：0.7：1.4：2于500mL的聚四氟乙烯的烧杯；
(2)用磁力搅拌器在180r/min的转速下搅拌30min使其充分混合、分散均匀；
(3)混合均匀后制作成2cm的立方体小块，在自然条件下风干。
3.根据权利要求1所述的在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置，其特征在于，B柱填料区内填充的碱改性凹凸棒石通过以下方式制备：
(1)称取相同质量的凹凸棒石和NaOH混合均匀后放入马弗炉550℃加热2h；
(2)取出后混合均匀加入75mL的蒸馏水，在烘箱内100℃加热8h；
(3)冷却后加入50mL1mol/L的氯化钠溶液，混合均匀，再用1mol/LHCl调节pH＝6；
(4)离心后将固体烘干。
4.根据权利要求1－3任一项所述的在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置，其特征在于，所述密封的A柱填料区、B柱填料区、C柱填料区分别设置在500mm×50mm×60mm密封有机玻璃柱A、B、C中，所述有机玻璃柱A、B、C的顶端中心设有高50mm、内径20mm、外径30mm的进水柱，底端为厚度10mm、长宽均为100mm的中心有内径50mm开口的正方形。
5.根据权利要求4所述的在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置，其特征在于，所述有机玻璃柱A、B、C还设有底座，所述底座为厚度20mm、长宽均为100mm的中心有内径20mm、外径30mm、高50mm出水柱的正方形。
6.根据权利要求4所述的在岸滤取水过程中原位去除氨氮的装置，其特征在于，所述有机玻璃柱A、B、C中过PVC材质的塑料管进行串联。
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