CN111157702A - 重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置与方法，装置包括上游重金属污染源水箱、多级阻控模型箱、下游检测水箱和溶液收集系统；多级阻控模型箱包括渗透反应墙模型箱和工程屏障模型箱；上游重金属污染源水箱、渗透反应墙模型箱、工程屏障模型箱和下游检测水箱之间由原状土模型箱连接；原状土模型箱、渗透反应墙模型箱与工程屏障模型箱底部安装有溶液收集系统。本发明还包括使用上述重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置的试验方法。本发明能实时监测重金属污染物在土壤中的迁移规律、多级阻控下重金属污染的隔离及修复情况，对重金属污染场地的修复及地下水重金属污染迁移问题研究具有重要科学价值和工程研究意义。
Description
技术领域
本发明涉及地质工程及环境岩土工程技术领域，特别涉及一种重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置与方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，同时带来的一系列环境问题也逐渐暴露出来。其中重金属污染问题尤为突出，各类金属冶炼场、采矿、选矿等场地及固体废弃物填埋场为重金属元素主要聚集地。冶炼废水、酸性矿山废水及垃圾渗滤液的随意排放，导致了大量重金属元素进入土壤地层中，随后进入地下水系统，对生态环境造成严重的威胁。主要体现在以下几点：(1)重金属元素与土壤中的有机质及微生物等发生一系列物化反应，导致土体结构发生变化，整体强度变低，易发生地质灾害等；(2)土壤中的部分重金属元素可植被根系被吸收，最终导致植被死亡或者进入动物及人类身体中；(3)富含重金属的土壤中常在雨水入渗的情况下继续向下迁移，导致更深部的土壤环境遭到污染。然而，重金属元素一旦进入土壤中，其迁移过程变得复杂多变。目前，针对重金属污染迁移的室内试验研究，主要以淋溶试验为主。淋溶试验是将一定浓度的重金属溶液通过其重力作用在土壤中向下迁移，定时采集和测定上下柱中重金属浓度，最终来反应重金属的迁移过程。然而，实际中环境更为复杂、多变，弄清楚重金属离子在土壤中的运移转化过程对于污染土壤治理的重要性不言而喻。
目前修复重金属污染问题的方法较多，但是投入生产实践的却十分的少。国外多采用黏土类工程屏障对重金属污染进行控制，其主要是在下游地层中设置工程屏障墙体，对迁移到墙体上的重金属元素进行吸附阻滞。但是，如酸性矿山废水(AMD)及酸性垃圾场渗滤液等在这种酸性环境下重金属污染物极易迁移扩散，且复杂化学成分可能导致工程屏障分解、腐蚀，最终导致工程屏障的失效。
基于目前重金属迁移及阻滞的研究现状，本发明专利提出重金属迁移过程及多级阻控模型试验装置。针对各类金属冶炼场、采矿、选矿等场地及固体废弃物填埋场等重金属污染场地中的一系列地质及环境问题，该发明装置能够解决重金属迁移及阻滞与修复问题，对于改善重金属污染地区环境具有重要研究意义。
发明内容
本发明提供了一种重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置与方法，其目的是为了实时监测重金属污染物在土壤中的迁移规律、多级阻控下重金属污染的隔离及修复情况，为重金属污染场地的修复及地下水重金属污染迁移问题的研究提供重要依据。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置，所述装置包括上游重金属污染源水箱、多级阻控模型箱、下游检测水箱和溶液收集系统；
所述多级阻控模型箱包括渗透反应墙模型箱和工程屏障模型箱；所述上游重金属污染源水箱、渗透反应墙模型箱、工程屏障模型箱和下游检测水箱之间由原状土模型箱连接，所述原状土模型箱左右两侧安装有透水石板；
所述原状土模型箱、渗透反应墙模型箱与工程屏障模型箱底部与溶液收集系统连接。
优选地，所述装置安装在可活动底座上，所述可活动底座可根据预设值调节所述装置与地面的夹角。
优选地，所述溶液收集系统包括溶液收集控制开关和3个溶液收集瓶，所述3个溶液收集瓶分别与原状土模型箱、渗透反应墙模型箱与工程屏障模型箱底部连通。
优选地，所述原状土模型箱、渗透反应墙模型箱与工程屏障模型箱通过镶嵌在底部的透水石板与所述溶液收集瓶连通。
优选地，所述上游重金属污染源水箱四面为透明钢化玻璃，下游面与原状土模型箱的透水石板相连，顶部为开有两孔的有机玻璃盖。上游重金属污染源水箱作用为添加化学溶液及施加液体压力。
优选地，所述原状土模型箱包括一个镂空的长方体钢架，左右两侧为内嵌透明钢化玻璃，底部为内嵌设有开槽处理的有机玻璃，顶部为开孔的PVC板；所述原状土模型箱内填充有原状地层土样。功能在于模拟现实中原状地层。
优选地，所述渗透反应墙模型箱包括一个镂空的长方体钢架，左右两侧为内嵌透明钢化玻璃，底部为内嵌设有开槽处理的有机玻璃，顶部为开孔的PVC板；所述渗透反应墙内填充有由飞灰、红黏土及膨润土压制而成的墙体。功能是与重金属溶液发生化学反应，并阻滞吸附部分重金属污染物。
优选地，所述工程屏障模型箱包括一个镂空的长方体钢架，左右两侧为内嵌透明钢化玻璃，底部为内嵌设有开槽处理的有机玻璃，顶部为开孔的PVC板；所述工程屏障模型箱内填充有由红黏土、膨润土或红黏土-膨润土混合土压制而成的墙体。功能是吸附和阻滞重金属污染物。
所述下游检测水箱四面为透明钢化玻璃，上游面与原状土模型箱的透水石板相连，顶部为开有两孔的有机玻璃盖。功能是检测下游溶液中重金属污染物含量。
本发明还提供一种使用上述重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：
(1)向上游重金属污染源水箱中注入重金属溶液，设置所述上游重金属污染源水箱距离地面高度大于所述下游检测水箱距离地面的高度，或对所述上游重金属污染源水箱施加压力，使重金属溶液向前迁移；
(2)观察重金属溶液动态，利用所述溶液收集系统收集重金属溶液进行金属离子浓度测试；
(3)实时监测原状土模型箱、渗透反应墙模型箱与工程屏障模型箱中的湿度、温度和土压力和孔隙水压力；
(4)当所述下游检测水箱持续有溶液流出并达到稳定时，停止向所述上游重金属污染源水箱中注入溶液，待所述下游检测水箱不再有溶液流出时停止步骤(2)与步骤(3)，完成试验。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
(1)本发明提供的装置实现了重金属污染物在土壤地层的迁移过程模拟；并考虑了迁移过程中水力坡度及不同重金属污染源对迁移过程中的影响；
(2)本发明提供的装置通过将土样在各模型箱内分层压实，考虑了土体分层对重金属迁移的影响，更加精准的模拟了重金属在土壤中迁移，使监测数据更加科学、准确。通过上游重金属污染水箱顶盖的孔位，用不同浓度的HCl溶液和NaOH溶液调节水箱内溶液的pH值，可以考虑不同pH值下重金属元素的迁移规律，特别是酸性条件下重金属污染物的迁移规律；
(3)本装置设有多级阻控模型箱，应用了渗透反应墙、中和墙和工程屏障对酸性废水的中和、重金属元素的吸附与阻滞；在检测重金属元素迁移规律基础上，同时评价了工业废弃物(飞灰)、不同黏土基材料渗透反应墙及工程屏障的吸附与阻滞效果。渗透反应墙或中和墙可以中和大部分污染物成分，如酸性矿山废水(AMD)及酸性垃圾渗滤液等；
(4)与以往方法相比，本发明提供的方法通过改变原状土模型箱中填土成分，并对填土层进行了分层，实现了重金属在不同地层中的迁移规律，同时考虑了多级阻控下重金属元素的阻滞与修复。灵活改变不同模型箱前后位置及内部墙体材料成分，能较好的模拟不同的工况。
附图说明
图1为本发明重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置主体结构示意图；
图2为本发明重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置中可活动钢架床结构示意图；
图3为本发明重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置中PVC-透水石板结构示意图；
图4为本发明重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置中原状土模型箱的结构示意图；
图5为本发明重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置中渗透反应墙模型箱、中和墙体模型箱或工程屏障模型箱的结构示意图；
图6为本发明重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置的溶液收集系统。
附图说明：1、可活动钢架床；2、上游重金属污染源水箱；3、PVC-透水石板；4、原状土模型箱；5、渗透反应墙模型箱；6、工程屏障模型箱；7、下游检测水箱；8、活动铰接；9、溶液收集系统；10、千斤顶；11、透水石板；12、内螺纹孔；13、内嵌钢化玻璃；14、透水石片；15、底部内嵌有机玻璃；16、土壤数据采集系统；17、溶液收集控制开关；18、溶液收集瓶。
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，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
(1)按照图1主体结构示意图组装本发明中的模型箱，将每个模型箱与PVC-透水石板通过内螺纹孔连接，每节之间用中间镂空的乳胶圈夹紧并检查装置密封性。将原状土模型箱内填满现场取回的原状土，或者按照一定的干密度填入分层压实红黏土、黄土或黏土-砂土混合土等。多级阻控模型箱中按照一定的干密度填入并分层压实不同的土样，根据渗透反应墙、中和墙或工程屏障模型箱的区别，分别填入不同成分的土样或混合土。将每个模型箱连接并填满土后，水平放置在可活动钢架床上(如图2所示)，完成各项前期准备工作。
(2)通过千斤顶使可活动钢架床中床板上升一定高度，使得整个试验装置有一定的坡度；或者通过体积压力控制器对上游重金属污染水箱进行加压，使水箱中溶液保持恒定的体积与压力。每个模型箱底部接入软管，并与溶液收集系统连接，开始时关闭溶液收集控制开关。将提前配制好的重金属溶液注入上游重金属污染源水箱中，使重金属溶液在水力坡度的作用下向前迁移。在此期间通过各模型箱两侧观察重金属溶液动态，通过溶液收集系统间歇性收集不同阶段溶液，并进行金属离子浓度测试。
(3)在试验进行过程中，使用土壤数据采集系统在各模型箱顶部插入湿度传感器、温度传感器及土压力、孔隙水压力传感器等，实时监测重金属迁移过程中土壤地层中的动态参数变化。当下游检测水箱持续有溶液流出并达到稳定时，停止上游重金属污染源水箱溶液提供，待下游检测水箱不再有溶液流出时停止本次数据监控。整体环境稳后，再次向上游重金属污染源水箱注入不同的重金属溶液，如此重复，完成不同种类重金属元素在同一地层环境中的迁移过程。同时，完成多级阻控(渗透反应墙、中和墙或工程屏障)模型箱对不同重金属元素的阻滞过程。
(4)完成(3)过程后，使用千斤顶使整体结构放置水平，将部分或者全部模型箱中土样取出，换上新的土样再次进行试验，重复(2)-(3)过程。
(5)试验完成之后从模型箱中取出的土样，进行相关的辅助性分析试验(如压汞试验、扫描电镜试验、密度测试和XRD矿物成分分析等)。
实施例2
一种重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置与方法，考虑水力坡度及不同重金属污染源对迁移过程的影响，所采用的工艺具体步骤如下：
(1)首先，考虑水力坡度的影响下，将整体模型装置放入钢架床之上，通过千斤顶使钢架床床面一侧上升一定高度如图2所示，使整体模型箱装置具有一定坡度。模型箱总长200cm，可通过千斤顶使整体模型箱一侧抬升分别14cm、10cm和6cm，此时整体模型箱坡度分别为7％、5％和3％。上游重金属污染源水箱中溶液在水力坡度的作用下，向下游装好土的原状土模型箱及多级阻控模型箱迁移，还原了现场原位地层中污染物在水力坡度作用下的迁移环境。
(2)其次，考虑不同重金属污染源迁移规律的研究，主要通过上游重金属污染水箱实现。上游重金属污染水箱顶盖中间有两小孔，其作用分别为在试验过程中添加化学溶液和提供液体压力。假设一次试验为模拟垃圾焚烧飞灰填埋场中重金属污染物迁移规律，已知飞灰填埋场中主要以Zn(锌)、Cu(铜)、Cr(铬)及Pb(铅)等重金属污染为主，可配制ZnSO4、CuSO4、Cr2(SO4)3及Pb(NO3)2溶液，可配制不同浓度，如0.1mol/L、0.5mol/L和1mol/L，分别依次注入这些溶液，其他步骤与实施例1相同，得到飞灰填埋场中不同重金属污染源迁移规律。
实施例3
考察多级阻控中不同土样材料对渗透反应墙与工程屏障的吸附与阻滞效果，可分别设置四个对照组：
(1)渗透反应墙模型箱内填入红黏土、飞灰和膨润土，其对应的质量比为30：60：10；工程屏障模型箱内填入红黏土和膨润土，其对应的质量比为90：10；三个原状土模型箱均填入红黏土和砂土，其对应的质量比为50：50。
(2)渗透反应墙模型箱内填入红黏土、飞灰和膨润土，其对应的质量比为20：70：10；工程屏障模型箱内填入红黏土和膨润土，其对应的质量比为90：10；三个原状土模型箱均填入红黏土和砂土，其对应的质量比为50：50。
3)渗透反应墙模型箱内填入红黏土、飞灰和膨润土，其对应的质量比为30：60：10；工程屏障模型箱内填入红黏土和膨润土，其对应的质量比为80：20；三个原状土模型箱均填入红黏土和砂土，其对应的质量比为50：50。
(3)渗透反应墙模型箱内填入红黏土、飞灰和膨润土，其对应的质量比为20：70：10；工程屏障模型箱内填入红黏土和膨润土，其对应的质量比为80：20；三个原状土模型箱均填入红黏土和砂土，其对应的质量比为50：50。
重金属溶液从上游重金属污染水箱依次流向原状土模型箱1、渗透反应墙模型箱、原状土模型箱2、工程屏障模型箱、原状土模型箱3和下游检测水箱，并通过各模型箱底部溶液收集系统收集溶液。分别收集原状土模型箱1和原状土模型箱2底部溶液，检测分析两处重金属元素浓度变化，得出渗透反应墙的阻滞与吸附效果；同理，收集并检测原状土模型箱2和原状土模型箱3底部溶液，得出工程屏障的阻滞与吸附效果。四组对照通过控制变量法，分别改变了渗透反应墙模型箱和工程屏障模型箱中土样掺入比，可以评价不同黏土基材料下渗透反应墙及工程屏障吸附与阻滞效果。
实施例4
参照实施例3的方法，区别在于原状土模型箱中填入不同成分的土样，分别设置两组对照：
1)渗透反应墙模型箱内填入红黏土、飞灰和膨润土，其对应的质量比为30：60：10；工程屏障模型箱内填入红黏土和膨润土，其对应的质量比为90：10；原状土模型箱1、2及3中均填入砂土和红黏土混合土，其对应的质量比分别为70：30、50：50和30：70。
2)渗透反应墙模型箱内填入红黏土、飞灰和膨润土，其对应的质量比为20：70：10；工程屏障模型箱内填入红黏土和膨润土，其对应的质量比为80：20；原状土模型箱1、2及3中均填入砂土和红黏土混合土，其对应的质量比分别为70：30、50：50和30：70。
重金属溶液从上游重金属污染水箱依次流向原状土模型箱1、渗透反应墙模型箱、原状土模型箱2、工程屏障模型箱、原状土模型箱3及下游检测水箱，并通过各模型箱底部溶液收集系统收集溶液。考察渗透反应墙及工程屏障模型箱阻滞与吸附效果，其方法与实例2一致。此外，实例3中一组实验完成后，可将原状土模型箱1与2对调，此时重金属溶液流向变为从上游重金属污染水箱原状土模型箱2、渗透反应墙模型箱、原状土模型箱1、工程屏障模型箱、原状土模型箱3到下游检测水箱。同理，可将原状土模型箱1与3或原状土模型箱2与3对调，得到重金属在不同地层中的迁移规律。
实施例5
本实施例以实施例3中的第一组实验为例，来完成实验的前期准备工作。首先，准备好足量的砂土、飞灰、红黏土及膨润土等材料，分别测定各土样的密度、比重及含水率等基本参数。然后，根据各模型箱的土样需求，配制好相应的混合土样，如原状土模型箱中红黏土和砂土质量比为50：50、渗透反应墙模型箱中红黏土、飞灰和膨润土的质量比为30：60：10、工程屏障模型箱中红黏土和膨润土质量比为90：10。然后，将配好的混合土样按照干密度为1.4g/cm3压入原状土模型箱内，直到充满整个模型箱；充填好土样的原状土模型箱上游面与PVC-透水石板相连接，并与上游重金属污染水箱相连。同理，将质量比为30：60：10的红黏土、飞灰和膨润土按照1.4g/cm3的干密度填入渗透反应墙模型箱中，其上游面与PVC-透水石板相连接，再与已连接好的上游重金属污染水箱和原状土模型箱相连。同理，按照此方法，各模型箱拼接顺序为上游重金属污染水箱、原状土模型箱、渗透反应墙模型箱、原状土模型箱、工程屏障模型箱、原状土模型箱及下游检测水箱，各模型箱之间均由PVC-透水石板与螺丝相连接。最后，将连接好的整体模型箱水平放置再钢架床上，根据实施例1进行下一步操作，完成前期准备工作。
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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置，其特征在于，所述装置包括上游重金属污染源水箱、多级阻控模型箱、下游检测水箱和溶液收集系统；
所述多级阻控模型箱包括渗透反应墙模型箱和工程屏障模型箱；所述上游重金属污染源水箱、渗透反应墙模型箱、工程屏障模型箱和下游检测水箱之间由原状土模型箱连接，所述原状土模型箱左右两侧安装有透水石板；
所述原状土模型箱、渗透反应墙模型箱与工程屏障模型箱底部与溶液收集系统连接。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置与地面具有预设夹角，所述上游重金属污染源水箱距地面的高度大于所述下游检测水箱距离地面的高度。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述溶液收集系统包括溶液收集控制开关和3个溶液收集瓶，所述3个溶液收集瓶分别与原状土模型箱、渗透反应墙模型箱与工程屏障模型箱底部连通。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述原状土模型箱、渗透反应墙模型箱与工程屏障模型箱通过镶嵌在底部的透水石板与所述溶液收集瓶连通。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述上游重金属污染源水箱四面为透明钢化玻璃，下游面与原状土模型箱的透水石板相连，顶部为开有两孔的有机玻璃盖。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述原状土模型箱包括一个镂空的长方体钢架，左右两侧为内嵌透明钢化玻璃，底部为内嵌设有开槽处理的有机玻璃，顶部为开孔的PVC板；所述原状土模型箱内填充有原状地层土样。
7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述渗透反应墙模型箱包括一个镂空的长方体钢架，左右两侧为内嵌透明钢化玻璃，底部为内嵌设有开槽处理的有机玻璃，顶部为开孔的PVC板；所述渗透反应墙内填充有由飞灰、红黏土及膨润土压制而成的墙体。
8.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述工程屏障模型箱包括一个镂空的长方体钢架，左右两侧为内嵌透明钢化玻璃，底部为内嵌设有开槽处理的有机玻璃，顶部为开孔的PVC板；所述工程屏障模型箱内填充有由红黏土、膨润土或红黏土-膨润土混合土压制而成的墙体。
9.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述下游检测水箱四面为透明钢化玻璃，上游面与原状土模型箱的透水石板相连，顶部为开有两孔的有机玻璃盖。
10.一种使用权利要求1～9任意一项所述重金属污染物迁移过程及多级阻控模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)向上游重金属污染源水箱中注入重金属溶液，设置所述上游重金属污染源水箱距离地面高度大于所述下游检测水箱距离地面的高度，或对所述上游重金属污染源水箱施加压力，使重金属溶液向前迁移；
(2)观察重金属溶液动态，利用所述溶液收集系统收集重金属溶液进行金属离子浓度测试；
(3)实时监测原状土模型箱、渗透反应墙模型箱与工程屏障模型箱中的湿度、温度和土压力和孔隙水压力；
(4)当所述下游检测水箱持续有溶液流出并达到稳定时，停止向所述上游重金属污染源水箱中注入溶液，待所述下游检测水箱不再有溶液流出时停止步骤(2)与步骤(3)，完成试验。
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