CN106630235A - 模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，属于地下污水治理领域。包括竖直的可渗透反应柱；可渗透反应柱包括壳体和填满壳体内腔的可渗透性吸附屏障反应墙；可渗透性吸附屏障反应墙包括注水段和渗透段；注水段包括贴合壳体内壁的辅助屏障材料层，设有沿轴向贯通辅助屏障材料层的污染液加注孔。该发明更精准地模拟了可渗透性反应墙中吸附屏障材料和受污染地下水固液之间的充分作用过程，更便于研究不同渗流速率对吸附屏障材料去除效果的影响，更有利于评估动态条件下屏障材料的安全吸附量，将为野外可渗透性反应墙的设计和工程实施(特别是渗流速率、径向宽度和纵向厚度，吸附屏障材料的用量以及更换时间等要素)提供重要依据。
Description
技术领域
本发明属于地下污水治理领域，具体的是模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置。
背景技术
水是生命之源，地下水是水资源的重要组成部分，对人类和社会经济的生存发展具有深远意义。地下水污染修复是目前国际环境领域研究的重大热点课题。
可渗透性吸附屏障反应墙是一种原位被动修复技术，由透水的反应介质组成，一般安装于地下水污染羽状体的下游，通常与地下水流相垂直，并且它也可以作为污染地下水的地面处理设施。当地下水在自身水力梯度作用下通过吸附屏障反应墙时，污染物与吸附屏障材料发生各种反应而被去除，从而达到地下水修复的目的。该修复法以其节约成本，且能够在对岩体及土壤不进行大面积扰动的前提下清除地下水中的污染物而备受关注。
模拟可渗透性吸附屏障反应墙的室内实验装置，操作简单、使用方便，为研究可渗透性吸附屏障反应墙修复地下水技术提供了良好的手段。如申请号为201320583241.4的专利申请，公开了一种模拟可渗透性反应墙去除地下水中污染溶质的室内实验系统，包括进水管和模拟可渗透反应墙的实验柱，实验柱装置包括柱状壳体和自下而上设置于实验柱中的砂砾石垫层、用于去除地下水中污染溶质的可渗透性反应柱和用于防止水流冲刷的砂砾石保护层；申请号为201610464148.x的专利申请，公开了一种可调控可渗透性反应墙，其包括由上至下顺序设置的PRB进水区、PRB反应区和位于PRB出水区，在PRB反应区填充有活性介质材料污水通过PRB进水区进入，通过PRB反应区渗透处理，处理过的污水由PRB出水区排出。
以上实验柱装置的装填方式普遍存在的不足在于：因屏障吸附材料层渗透性较弱部分污染液会不流经下部的可渗透性反应柱直接沿柱状壳体柱壁渗流而下(如图2所示,有部分污染液会以箭头方向沿着柱状壳体内壁向下渗流)而造成污染液直接向外泄露，故，该实验柱的实验结果无法真实反应屏障材料的吸附效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，避免污染液沿壳体内壁流过而不经过可渗透性屏障材料反应墙。
本发明采用的技术方案是：模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，包括竖直设置的可渗透反应柱，可渗透反应柱一端为进水端，另一端为出水端；可渗透反应柱包括壳体和填充于壳体内腔的可渗透性吸附屏障反应墙；所述可渗透性吸附屏障反应墙包括高度为a的注水段和位于注水段下方高度为b的渗透段；所述注水段包括贴合壳体内壁的辅助屏障材料层，所述辅助屏障材料层环绕壳体轴线围成沿壳体轴向延伸的污染液加注孔。
进一步的，所述注水段还包括石英砂防护层，所述石英砂防护层铺设于污染液加注孔的内壁和底部，所述石英砂防护层的内壁到壳体内壁的距离为c。
进一步的，所述渗透段包括N层石英砂层和N+1层屏障材料层；所述屏障材料层和石英砂层间隔布置。
进一步的，a:b＝1:1.5～4。
进一步的，a:c＝1:0.25～1。
进一步的，所述N位于1-4之间。
进一步的，在可渗透性吸附屏障反应墙的下方设有隔滤层。
进一步的，设有与污染液加注孔连通的进水管，在进水管上设有蠕动泵。
进一步的，设有安装于出水端的出水管，在出水管上设有流量计和取样口。
进一步的，在进水管位于污染液加注孔的一端安装有花洒状喷头。
本发明的有益效果是：本发明，通过将注水段设计成包括贴合壳体内壁的辅助屏障材料层，并使辅助屏障材料层环绕壳体轴线围成沿壳体轴向延伸的污染液加注孔避免了污染液沿壳体内壁渗流，使得污染液从上而下均匀渗入吸附屏障材料反应柱，从而确保了吸附屏障材料良好作用，提高了实验的准确性。而且污染液自上而下均匀渗入吸附屏障材料，更符合实际工程应用中受污染地下水渗入可渗透反应墙的方式。室内通过蠕动泵调节不同的进水速度，有益于通过室内模拟去确定受污染地下水流经可渗透反应墙的最佳流速，既保障渗透反应墙对污染物的高去除率又便于处理液的及时排出。通过从出水管的取样口定时取处理液监测，同时流量计记录特定时间段的流量，实时监测屏障失效的时间，进而计算一定渗流速率下某时段内可渗透性反应墙中屏障材料的吸附量。该实验结果将为野外可渗透性反应墙的设计和工程实施(特别是渗流速率、径向宽度和纵向厚度，吸附屏障材料的用量以及更换时间等要素)提供重要依据
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为现有技术污染液渗流示意图。
图中，壳体1、可渗透性吸附屏障反应墙2、注水段21、辅助屏障材料层211、污染液加注孔212、石英砂防护层213、渗透段22、石英砂层221、屏障材料层222、隔滤层3、进水管4、蠕动泵5、出水管6、流量计7、取样口8、花洒状喷头9。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例对本发明做进一步的说明如下：
模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，如图1所示，包括竖直设置的可渗透反应柱，可渗透反应柱一端为进水端，另一端为出水端；可渗透反应柱包括壳体1和填充于壳体1内腔的可渗透性吸附屏障反应墙2；所述可渗透性吸附屏障反应墙2包括高度为a的注水段21和位于注水段21下方高度为b的渗透段22；所述注水段21包括贴合壳体1内壁的辅助屏障材料层211，所述辅助屏障材料层211环绕壳体1轴线围成沿壳体1轴向延伸的污染液加注孔212。
模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，通过室内模拟评价渗流速率对吸附屏障材料去除污染物效率的影响和一定量吸附屏障材料动态状况下的饱和吸附量的测评，为野外可渗透性吸附屏障反应墙的设计和工程实施提供重要依据。在现有的模拟实验中，污染液最容易沿壳体1的内壁向下渗透，从而使污染液不经过吸附过滤而直接排出，影响实验结果。本发明，污染液加入到污染液加注孔212，由于污染液加注孔212由辅助屏障材料层211环绕壳体1轴线包围而成，辅助屏障材料层211通用微米级或者纳米级的吸附介质与一定级配的砂混合而成，且辅助屏障材料层211贴合壳体1内壁，故，注入污染液加注孔212的污染液沿污染液加注孔212径向的流动被辅助屏障材料层211阻挡，使沿污染液加注孔212径向流动的污染液的量沿径向向外逐渐减小，至到壳体1内壁处，几乎没有污染液沿壳体1内壁向下渗流，而沿污染液加注孔212径向被辅助屏障材料层211阻挡的污染液向下流经渗透段22进行过滤，即，辅助屏障材料层211将污染液分散，使污染液从上而下均匀渗入渗透段22，使污染液与渗透段22良好作用，提高了实验的准确性。同时污染液自上而下均匀渗入吸附屏障材料，更符合实际工程应用中受污染地下水渗流的方式。
为了避免辅助屏障材料层211中的材料流入污染液加注孔212，同时也起到初步分散污染液的作用，优选的，所述注水段21还包括石英砂防护层213，所述石英砂防护层213铺设于污染液加注孔212的内壁和底部，所述石英砂防护层213的内壁到壳体1内壁的距离为c。石英砂防护层213首先起到保护辅助屏障材料层211，避免辅助屏障材料层211的材料流入到污染液加注孔212的作用，其次，石英砂防护层213还起到首次分散污染液流速的作用，减缓污染液沿污染液加注孔212径向流入辅助屏障材料层211的速率，有利于阻挡污染液流至壳体1的内壁。
渗透段22主要起去除污染物的作用，渗透段22的流速过快，污染物难以被充分去除；流速过慢，污染液不能及时向下渗流，就易于流向壳体1内壁，透过内壁直接向下渗流。为克服上述现象，优选的，所述渗透段22包括N层石英砂层221和N+1层屏障材料层222；所述屏障材料层222和石英砂层221间隔布置。屏障材料层222通常采用微米级或者纳米级的吸附介质与一定级配的砂混合而成，在污染液的冲刷以及重力作用下，屏障材料层222中细小的吸附介质颗粒会逐渐向下迁移，当下段堆积的细小颗粒较多时就会造成板结现象，污染液无法透过渗透段22。而石英砂层221与屏障材料层222间隔布置，有如下优点，即便屏障材料层222中的细小吸附介质颗粒迁移至石英砂层221中，也不会发生板结；同时石英砂层221还起到了分散污染液和调节渗流速率的作用。
注水段21的高度a和渗透段22的高度b应该在一定的比例范围内。注水段21的高度a一定时，渗透段22的高度b越大，渗透段22达到失效饱和点的时间就越长。优选的，a:b＝1:1.5～4。
石英砂防护层213的内壁到壳体1内壁的距离c越大，越有利于阻止污染液沿壳体1内壁渗流，优选的，a:c＝1:0.25～1。
进一步的，所述N位于1-4之间。
为了阻止可渗透性吸附屏障反应墙2中的细小吸附介质颗粒向外迁移，优选的，在可渗透性吸附屏障反应墙2的下方设有隔滤层3。
可渗透性吸附屏障反应墙2的渗流速率直接决定了屏障材料层222与污染液作用的时间，会明显影响可渗透性吸附屏障反应墙2去除污染物的效率。对比同一吸附屏障材料在不同的渗流速率下对同一污染物去除效率的差异，进而为野外可渗透性吸附屏障反应墙渗流速率的设计和工程实施提供重要依据。优选的，设有与污染液加注孔212连通的进水管4，在进水管4上设有蠕动泵5。
可渗透性吸附屏障反应墙2中起吸附作用的吸附介质的容量是有限的，一旦污染物穿透屏障层直接向外泄露就会造成安全事故，这是必须要防备的。故，本实验装置中，设有安装于出水端的出水管6，在出水管6上设有流量计7和取样口8。取样口8的目的在于定期取样监测处理液中污染物的浓度，设计流量计7的目的在于实时监测可渗透性吸附屏障反应墙2处理污染液的总量，一旦可渗透性吸附屏障反应墙2达到了失效点，实验即停。进而根据实验数据进行拟合，计算一定量吸附介质动态状况下在失效点时的吸附量，为野外吸附屏障材料反应墙的径向宽度和纵向厚度的设计和工程实施提供重要依据。当吸附屏障材料达到失效点时，需要及时更换新的吸附屏障材料以防污染物穿透渗透层向外泄露造成安全事故。
为了控制进液速度，避免污染液加注速度过大，冲毁污染液加注孔212，优选的，在进水管4位于污染液加注孔212的一端安装有花洒状喷头9。花洒状喷头9起到分散污染液的作用。
利用该实验装置，注水段21和渗透段22的总高度100mm，柱体内径100mm，蠕动泵流速为0.01-0.03ml/min，在25℃条件下对浓度为35mg/L的钒污染液进行动态吸附实验，实验结果见表1。
表1动态吸附实验结果对比
由表1可知：实验1中，注水段21没有辅助屏障材料层211，且渗透段22(高100mm)仅有屏障材料层222，实验进行12h(即12小时)时，渗透段22堵塞，处理液无法流出。
实验2中，注水段21没有辅助屏障材料层211，渗透段22(高100mm)中石英砂层221(N＝1)和屏障材料层222(N+1＝2)互层填充，实验进行5d(即5天)时，渗透段22堵塞，处理液无法流出。
实验3中，注水段21没有辅助屏障材料层211，渗透段22(高100mm)中石英砂层221(N＝4)和屏障材料层222(N+1＝5)互层填充，实验进行12h时钒的去除率大于60％，24h时去除率低于30％，2d时钒的去除率低于15％。
实验4中，注水段21没有辅助屏障材料层211，渗透段22(高100mm)中石英砂层221(N＝3)和屏障材料层222(N+1＝4)互层填充，实验进行12h时钒的去除率大于65％，24h时去除率低于35％，2d时钒的去除率低于15％。
实验5中，注水段21有辅助屏障材料层211，渗透段22(高60mm)中石英砂层221(N＝3)和屏障材料层222(N+1＝4)互层填充，a:b＝1:1.5，a:c＝1:0.25，实验进行10d时去除率大于70％，20d时去除率小于50％，30d时去除率小于30％。
实验6中，注水段21有辅助屏障材料层211，渗透段22(高60mm)中石英砂层221(N＝3)和屏障材料层222(N+1＝4)互层填充，a:b＝1:1.5，a:c＝1:1，实验进行20d时去除率大于85％，30d时去除率小于50％。
实验7中，注水段21有辅助屏障材料层211，渗透段22(高75mm)中石英砂层221(N＝3)和屏障材料层222(N+1＝4)互层填充，a:b＝1:3，a:c＝1:0.25，实验进行20d时去除率大于92％，30d时去除率大于75％。
实验8中，注水段21有辅助屏障材料层211，渗透段22(高75mm)中石英砂层221(N＝3)和屏障材料层222(N+1＝4)互层填充，a:b＝1:3，a:c＝1:1，实验进行20d时去除率大于92％，30d时去除率大于80％。
实验9中，注水段21有辅助屏障材料层211，渗透段22(高80mm)中石英砂层221(N＝3)和屏障材料层222(N+1＝4)互层填充，a:b＝1:4，a:c＝1:0.25，实验进行20d时去除率大于96％，30d时去除率大于87％。
实验10中，注水段21有辅助屏障材料层211，渗透段22(高80mm)中石英砂层221(N＝3)和屏障材料层222(N+1＝4)互层填充，a:b＝1:4，a:c＝1:1，实验进行30d时去除率大于96％。
综上所述：渗透段22中的石英砂层221和屏障材料层222互层填充，可以有效地避免吸附介质板结；注水段21的设计，可以避免污染液直接沿柱体内壁向下渗流，有效地提高了渗透段的去除效果；注水段21和渗透段22的高度比一定时，注水段21中辅助屏障材料层211厚度的增加有利于提高屏障吸附柱的去除效果；渗透段22高度的适度增大有利于提高屏障吸附柱的去除效果。
Claims (10)
1.模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，包括竖直设置的可渗透反应柱，可渗透反应柱一端为进水端，另一端为出水端；可渗透反应柱包括壳体(1)和填充于壳体(1)内腔的可渗透性吸附屏障反应墙(2)；其特征在于：所述可渗透性吸附屏障反应墙(2)包括高度为a的注水段(21)和位于注水段(21)下方高度为b的渗透段(22)；所述注水段(21)包括贴合壳体(1)内壁的辅助屏障材料层(211)，所述辅助屏障材料层(211)环绕壳体(1)轴线围成沿壳体(1)轴向延伸的污染液加注孔(212)。
2.如权利要求1所述的模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，其特征在于：所述注水段(21)还包括石英砂防护层(213)，所述石英砂防护层(213)铺设于污染液加注孔(212)的内壁和底部，所述石英砂防护层(213)的内壁到壳体(1)内壁的距离为c。
3.如权利要求1所述的模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，其特征在于：所述渗透段(22)包括N层石英砂层(221)和N+1层屏障材料层(222)；所述屏障材料层(222)和石英砂层(221)间隔布置。
4.如权利要求1所述的模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，其特征在于：a:b＝1:1.5～4。
5.如权利要求2所述的模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，其特征在于：a:c＝1:0.25～1。
6.如权利要求3所述的模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，其特征在于：所述N位于1-4之间。
7.如权利要求1-6任意一项权利要求所述的模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，其特征在于：在可渗透性吸附屏障反应墙(2)的下方设有隔滤层(3)。
8.如权利要求1-6任意一项权利要求所述的模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，其特征在于：设有与污染液加注孔(212)连通的进水管(4)，在进水管(4)上设有蠕动泵(5)。
9.如权利要求8所述的模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，其特征在于：设有安装于出水端的出水管(6)，在出水管(6)上设有流量计(7)和取样口(8)。
10.如权利要求9所述的模拟受污染地下水流经可渗透性反应墙的室内实验装置，其特征在于：在进水管(4)位于污染液加注孔(212)的一端安装有花洒状喷头(9)。
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