CN108467080A - 一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，在井内设置由改性沸石和天然锰砂按比例混合的复合矿物滤料的滤料框架，对地下水净化，绿色环保、廉价易得；经净化的水通过花管部分进入抽水管中从地下抽出；一段时间复合矿物滤料活性较差后，通过药剂注入管注入药剂活化复合矿物滤料，可再次用于净化地下水，实现长期重复利用复合矿物滤料及实现地下水的原位净化处理，针对高砷地下水水质特征，能够同时去除水中氨氮、铁和砷三类主要污染物；系统结构简单，易于操作；节省了在地面建设水处理系统的成本和占地面积。

Description

一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统
技术领域
本发明属于地下水水质处理技术领域，具体涉及一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统。
背景技术
砷广泛分布于大气、水、土壤、岩石和生物体中，是一种具有类金属特性的原生质毒物，在地壳中平均丰度为5～10mg/kg。砷及其化合物毒性很大，砷通过与生物体中蛋白质和酶中巯基的结合，抑制了生物体内的各种生化与代谢过程。砷与丙酮酸氧化酶的巯基结合，使其失去活性，造成细胞代谢严重紊乱。砷含量达到0.01～0.052g即可使人中毒，0.06～0.2g可以致死；在空气中，砷的最高容许浓度为0.003mg/L。因而砷对人体健康有着很大的危害。
砷可以通过饮食、皮肤接触、呼吸等途径进入人体，并且砷中毒作用是累积的，能积蓄在人体中的肝、肾、脾、肌肉、骨骼和角化组织中致癌。急性和慢性砷中毒均可导致呼吸系统、消化系统、心脏血管系统、神经系统和造血系统等疾病。由于砷化合物性质稳定，在自然状态下不易分解，因而容易残留而造成环境污染，危害极大。
在高砷地下水分布区，如湖北省江汉平原，地下水中高砷、高铁存在伴生现象，并且由于地下水长期处于还原性环境，地下水中的氨氮含量较高。对当地一机井地下水水样分析测试发现，地下水中砷含量超过0.5mg/L，总铁含量超过10mg/L，氨氮含量超过2mg/L，以上指标均超过了生活饮用水卫生标准的限值。
相关技术中，对于砷、铁、氨氮等地下水污染物采用独立的去除方法或装置，提高了地下水处理的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种地下水处理成本低，可联合同时去除污染物的复合矿物滤料原位净化处理系统。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是，一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，包括抽水井、泵房和填充由改性沸石和天然锰砂按比例混合的复合矿物滤料的滤料框架；所述抽水井包括抽水管，所述抽水管及滤料框架均位于地下井中，抽水管位于滤料框架的中心，其下部为管壁设有小孔的花管部分；所述泵房包括药剂注入管，所述药剂注入管的末端位于所述滤料框架的复合矿物滤料中，通过所述药剂注入管向所述滤料框架注入活化复合矿物滤料的活化剂。
优选地，所述花管部分表面设置纱布层，其高度与所述滤料框架的相同。
优选地，所述花管部分的长度为1～2m，所述小孔的孔径为0.8cm～1.2cm；所述纱布层的目数为80目～100目。
优选地，所述滤料框架的顶面至所述地下井的井口处从上往下依次设置河沙保护层和粘土隔水层。
优选地，所述滤料框架的内表面为滤网；所述滤料框架的底部设置固定所述药剂注入管的细管。
优选地，还包括抽水泵，所述抽水泵位于地面上，从所述抽水管中抽出净化后的水。
优选地，所述泵房还包括药剂贮存桶及药剂注入泵，所述药剂注入泵一端与所述药剂贮存桶连通，另一端与所述药剂注入管连通。
优选地，所述活化剂为盐酸与氯化钠的混合溶液。
优选地，所述复合矿物滤料由改性沸石和天然锰砂按照体积为1:1的比例均匀混合而成；所述改性沸石的制备步骤为：
(1)选取天然斜发沸石破碎，过目筛后得到粒径为3～5mm的颗粒；
(2)将所述颗粒置于酸性溶液中经超声波清洗，清洗后的颗粒置于盐溶液中浸泡；
(3)取浸泡后的颗粒洗涤干净后烘干得到改性沸石。
优选地，所述天然锰砂中MnO2含量为35％以上，粒径为3～5mm。
本发明实施例还提供了一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理方法，包括以下步骤：
(1)采用钻机向地下钻出竖直井孔；
(2)将改性沸石和天然锰砂按比例混合的复合矿物滤料填充至滤料框架中，将药剂注入管与滤料框架底部的细管固定连接，将安装好的滤料框架置于井孔底部；
(3)将抽水管放入井孔内，抽水管下部的花管部分固定于所述滤料框架的中心；
(4)依次将粘土、河沙依次填入所述抽水管的周围，并在井口处压实；
(5)将露出河沙层的药剂注入管与抽水管分别与药剂注入泵、抽水泵连接，抽水泵从井内抽水直至抽出的水中无泥沙即可使用；
(6)抽出井水水质变差时，药剂注入泵从药剂贮存桶中抽取药剂通过药剂注入管注入复合矿物滤料中，活化复合矿物滤料，然后通过抽水泵将药剂抽出，向药剂贮存桶注入清水清洗经活化的复合矿物滤料，即可再次抽取井水使用。
与相关技术比较，本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，在井内设置由改性沸石和天然锰砂按比例混合的复合矿物滤料的滤料框架，通过复合矿物滤料对地下水净化，经净化的水通过花管部分进入抽水管中从地下抽出；一段时间复合矿物滤料活性较差后，通过药剂注入管注入药剂活化复合矿物滤料，可再次用于净化地下水，实现长期重复利用复合矿物滤料，针对高砷地下水水质特征，能够同时去除水中氨氮、铁和砷三类主要污染物；系统结构简单，易于操作，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例的系统结构示意图；
图2是本发明实施例的系统局部结构示意图；
图3是本发明实施例的方法流程示意图。
其中：滤料框架1、复合矿物滤料11、抽水管2、花管部分21、井孔3、药剂注入管4、河沙保护层5、粘土隔水层6、抽水泵7、药剂贮存桶8、药剂注入泵9。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1、2，本发明的实施例提供了一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，包括抽水井、泵房和填充由改性沸石和天然锰砂按比例混合的复合矿物滤料11的滤料框架1；所述抽水井包括抽水管2，所述抽水管2及滤料框架1均位于地下井孔3中，抽水管2的下部为管壁设有小孔的花管部分21，所述花管部分21位于所述滤料框架1的中心；所述泵房包括药剂注入管4，所述药剂注入管4的末端位于所述滤料框架1的复合矿物滤料11中，通过所述药剂注入管4向复合矿物滤料11中注入活化复合矿物滤料活化剂。抽水管2位于滤料框架1的中心，经改性沸石和天然锰砂组成的复合矿物滤料11净化后的水经花管部分21的小孔流入抽水管2中，并被从抽水管2中抽出地下，复合矿物滤料11去除地下水中的砷、氨氮及铁三类主要污染物，有效提高了水质；当水质变差时，通过所述药剂注入管4注入活化剂活化所述复合矿物滤料，所述复合矿物滤料则可恢复其净化功能，实现循环重复利用，降低了成本，同时便于操作，降低了水处理的难度和强度。
进一步地，所述滤料框架1的顶面至所述井孔3的井口处从上往下依次设置河沙保护层5和粘土隔水层6。所述粘土隔水层6填充介质为质地细腻、可塑性好且透水性较差的天然粘土，可就地取材得到，填入井后压实，厚度为1～2m，起到隔水层的作用；所述河沙保护层5填充介质为50～200目的天然河沙，可就地取材得到，从粘土隔水层一直填充至地面，用于保护抽水管2。
进一步地，还包括抽水泵7，所述抽水泵7位于地面上并与抽水管2的上部相连，从所述抽水管2中抽出净化后的水。
进一步地，所述泵房还包括药剂贮存桶8及药剂注入泵9，所述药剂注入泵9一端与所述药剂贮存桶8连通，另一端与所述药剂注入管4连通。所述药剂注入管4为铝塑管。
进一步地，所述复合矿物滤料11由改性沸石和天然锰砂按照体积为1:1的比例均匀混合而成；所述改性沸石的制备步骤为：
(2-1)选取天然斜发沸石破碎，过目筛后得到粒径为3～5mm的颗粒；
(2)将所述颗粒置于酸性溶液中经超声波清洗，清洗后的颗粒置于盐溶液中浸泡；所述酸性溶液pH值为2，超声波清洗的时间10min，所述盐溶液为0.5mol/L的NaCl溶液，浸泡24h；增加沸石的氨氮与重金属交换吸附容量；
(3)取浸泡后的颗粒洗涤干净后烘干得到改性沸石。清水洗涤干净，烘干温度为100℃。沸石是一类一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物，具有多孔性，内部孔道内含有可交换阳离子的孔道和空洞；天然沸石由于其生成环境的原因，孔道内常含有各种有机或无机杂质，导致吸附性能较低。通过改性去除天然沸石孔道内杂质，并用钠盐或钾盐交换孔道内其他金属离子，可以提升沸石对氨氮的吸附去除效果。本发明利用沸石的这一特性制备出改性沸石，并用于吸附去除地下水中的氨氮污染物。
进一步地，所述天然锰砂中MnO2含量为35％以上，粒径为3～5mm。锰砂是一种天然的氧化剂，其含有的MnO2对水中Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的氧化能够起到催化的作用，将溶解状态的二价铁或二价锰分别氧化成不溶解的三价铁或四价锰的化合物，达到去除水中铁和锰的目的，净化水质。
进一步地，所述活化剂为0.5mol/L的盐酸和0.5mol/L的氯化钠混合液。
进一步地，所述花管部分21高度与所述滤料框架1的高度相同，其表面设置纱布层。经滤料框架1中的复合矿物滤料11净化后的水通过花管部分21的小孔进入抽水管2中，纱布层可进一步地对进入抽水管2中的水净化。
进一步地，所述花管部分21的长度为1～2m；纱布层的目数为80目～100目；所述小孔的孔径为0.8cm～1.2cm。
进一步地，所述滤料框架1为环形，其内直径为20cm、外直径为60cm、高度为2m，其框架侧壁均是厚度为5～10mm的PP板，均匀分布直径5mm的圆孔，且内表面为80目的滤网，采用尼龙材质；其底部为厚度20cm的空心有底圆筒框架，设置固定所述药剂注入管4的细管；所述细管上均匀分布孔径1～2mm的细孔；所述细管为PP材质。地下水经过滤料框架1的侧壁流入复合矿物滤料11中，经复合矿物滤料11吸附净化后，经花管部分21上的小孔至抽水管2中，被抽水泵7通过抽水管2从地下抽出。
参照附图3，本发明实施例还提供了一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理方法，包括以下步骤：
(1)采用钻机向地下钻出竖直井孔3；
(2)将改性沸石和天然锰砂按比例混合的复合矿物滤料11填充至滤料框架1中，将药剂注入管4与滤料框架1底部的细管固定连接，将安装好的滤料框架1置于井孔3底部；
(3)将抽水管2放入井孔3内，抽水管2下部的花管部分21固定于所述滤料框架1的中心；
(4)依次将粘土、河沙从下往上依次填入所述抽水管2的周围，形成河沙保护层5、粘土隔水层6，并在井口处压实；
(5)将露出河沙保护层5的药剂注入管4与抽水管2分别与药剂注入泵9、抽水泵7连接，抽水泵7从井内抽水直至抽出的水中无泥沙即可使用；
(6)抽出井水水质变差时，药剂注入泵9从药剂贮存桶8中抽取药剂通过药剂注入管4注入复合矿物滤料中，活化复合矿物滤料，然后通过抽水泵7将药剂抽出，向药剂贮存桶8注入清水清洗经活化的复合矿物滤料11，即可再次抽取井水使用。所采用的改性沸石和天然锰砂滤料在使用一段时间以后，改性沸石内部因吸附氨氮达到饱和，吸附能力下降；天然锰砂则因为表面铁和锰的沉积形成大量铁锰沉积物，降低了锰砂除铁、锰的能力，在这种情况下，需要对矿物滤料进行活化再生。
活化再生的机理为采用弱酸性含钠离子溶液对矿物滤料进行冲洗，溶解去除锰砂表面的铁锰沉积物和沸石孔隙内部杂质，高浓度钠离子还能够将氨氮置换出，使得沸石再次恢复吸附氨氮的能力。药剂注入清洗一段时间以后再用清水洗井，恢复正常出水。
实施例二
根据本发明实施例一的系统及方法选取湖北省江汉平原仙桃市某村为试验地，进行现场实验。本实例的具体实施过程如下：
(1)利用钻机向地下钻出直径为60cm，深度为15m的井孔3，钻井过程中保持井管竖直；
(2)将复合矿物滤料11填入环形的滤料框架1内，保证滤料压实，不留空隙；将8根长度为13m以上的铝塑管与环形滤料框架1中8根不锈钢细管对应用螺帽连接，保证连接牢固且管内通道贯通；将安装好的环形滤料框架1放入井孔3底部；
(3)将长度为15m的抽水管2放入井孔3内，底部长度为2m的花管部分21插入环形滤料框架1的中心圆环；
(4)依次将粘土、河沙从下往上填入井孔3内的抽水管2四周，粘土隔水层6的厚度为1～2m；河沙保护层5的厚度11～12m，填完后在地面压实，保证井孔3稳定不会沉降移动；
(5)河沙保护层5填完后，地面岀露8个药剂注入管4与中心的抽水管2；将8个药剂注入管4通过转接头汇集到一根直径25～30mm的总注入管，并连接到地面机房的药剂注入泵9；将抽水管2连接至抽水泵7；
(6)安装完毕后开始抽水洗井至抽出水清澈无泥沙即可开始使用井水；系统运行1个月左右或是观察到出水水质变差可利用药剂活化再生矿物滤料的吸附性能；首先在地面机房药剂桶内配制0.5mol/L的盐酸和0.5mol/L的氯化钠混合液，开启药剂注入泵9，将100L药剂缓慢注入井内，将沸石与锰砂重新活化，同时开启抽水泵7将使用后的药剂抽出；然后再向药剂桶内放入100L清水，注入复合矿物滤料11中对矿物滤料进行清洗；处理前后水质对比见表1。其余同实施例一。
表1水质经本发明实施例的系统及方法处理前后数据对比
本发明实施例的系统针对高砷地下水水质特征，能够同时去除水中氨氮、铁和砷三类主要污染物；采用的绿色环保的天然矿物滤料为原材料，廉价易得，成本低；结合传统水井施工工艺，将复合矿物滤料11在地下水抽水井施工工程中直接埋入抽水管4四周，代替传统的河沙保护层5，可以实现地下水的原位净化处理，也节省了在地面建设水处理系统的成本和占地面积。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，包括抽水井、泵房和填充由改性沸石和天然锰砂按比例混合的复合矿物滤料的滤料框架；所述抽水井包括抽水管，所述抽水管及滤料框架均位于地下井孔中；抽水管的下部为管壁设有小孔的花管部分，所述花管部分位于滤料框架的中心；所述泵房包括药剂注入管，所述药剂注入管的末端位于所述滤料框架的复合矿物滤料中，通过所述药剂注入管向复合矿物滤料中注入活化复合矿物滤料活化剂。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，所述滤料框架的顶面至所述井孔的井口处从上往下依次设置河沙保护层和粘土隔水层；所述粘土隔水层的厚度为1～2m；所述河沙保护层5填充介质为50～200目的天然河沙。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，还包括抽水泵，所述抽水泵位于地面上，并与抽水管的上部相连，从所述抽水管中抽出水。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，所述泵房还包括药剂贮存桶及药剂注入泵，所述药剂注入泵一端与所述药剂贮存桶连通，另一端与所述药剂注入管连通。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，所述复合矿物滤料由改性沸石和天然锰砂按照体积为1:1的比例均匀混合而成；所述改性沸石的制备步骤为：
(1)选取天然斜发沸石破碎，过目筛后得到粒径为3～5mm的颗粒；
(2)将所述颗粒置于酸性溶液中经超声波清洗，清洗后的颗粒置于盐溶液中浸泡；
(3)取浸泡后的颗粒洗涤干净后烘干得到改性沸石。
6.根据权利要求5所述的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，所述步骤(2)中，所述酸性溶液pH值为2，超声波清洗的时间10min，所述盐溶液为0.5mol/L的NaCl溶液，浸泡24h。
7.根据权利要求1或5所述的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，所述天然锰砂中MnO2含量为35％以上，粒径为3～5mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，所述活化剂为0.5mol/L的盐酸和0.5mol/L的氯化钠混合液。
9.根据权利要求1所述的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，所述花管部分高度与所述滤料框架的高度相同；期表面设置纱布层，纱布层的目数为80目～100目；所述小孔的孔径为0.8cm～1.2cm。
10.根据权利要求1所述的一种基于复合矿物滤料的地下水原位净化处理系统，其特征是，所述滤料框架为环形，侧壁均匀分布圆孔，且内表面设置滤网；其底部为空心有底圆筒框架，设置固定所述药剂注入管的所述细管；所述细管上均匀分布孔径1～2mm的细孔。
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