CN111272613A - 一种可调节多影响因子的prb室内试验装置系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，包括气压调节系统、可调节定水头污水储水装置和污水修复装置；所述可调节定水头污水储水装置的一端连接气压调节系统，另一端连接污水修复装置；所述污水修复装置包括保温材料填充箱；所述保温材料填充箱内设置有垂向水槽和水平向水槽；所述垂向水槽和水平向水槽交叉连接；所述垂向水槽和水平向水槽的连接处填充有PRB墙体。该试验装置考虑了地下水污染修复过程中的多种影响因素，提供了一个系统、全面、可调节多因素的室内试验模型，通过正交试验可对不同的影响因素进行组合试验，从而得出相关结论和规律。

Description

一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统

技术领域

本发明涉及地下水中污染物运移规律及修复技术研究的试验装置系统，具体说是一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统。

背景技术

地下水在人类生产生活用水中所占的比重巨大，与人类的健康息息相关，随着社会的发展，环境及用水安全越来越受到重视，国家出台了一系列法律法规并在地下水污染修复中投入大量的资金。目前修复的方法主要包括：吸附分离技术、抽取-处理技术、活化和提取技术、生物漱洗技术等，可渗透反应墙技术（Permeable Reactive Barrier, 简称PRB）作为一种原位修复技术，因其运行费用低、安装施工方便、无需外加动力、可处理多种污染物、反应介质消耗慢等优点，已在欧美等一些发达国家进行了大量的工程研究及试验研究，并已逐步开始投入商业应用，我国由于起步晚，PRB技术还处于试验摸索阶段。虽然PRB技术具有很好的应用前景，但该技术仍然存在一些问题。比如：PRB去除地下水污染物的针对性较强，即针对某一类污染物处理效果好的同时而对另外一种污染物处理效果差。地下水中的各种因素(包括水中微生物、水流速度、水的pH值等) 对反应的影响不完全明确。随着有毒金属、盐和生物活性物质在化学活性栅中的不断淀积和积累，PRB会逐渐失去其活性，所以需要定期地更换填入的化学活性物质。此外，鲜见用以同时模拟和研究天然状态下，地下水中污染物垂向流动扩散和水平向流动扩散的机制。

目前PRB技术处理污染地下水的研究主要集中在以下几个方面：①存在与不同介质及不同类型含水层的反应过程；②合适的墙体反应材料；③系统的设计与施工；④长期处理的有效性；⑤多种污染物混合情况下的处理；⑥系统施工与检测的标准。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，以正交试验的方法来模拟研究现有技术中存在的水流速度对反应的影响不能完全明确、PRB填充材料修复活性有限和鲜见能够同时模拟和研究地下水中污染物垂向流动扩散和水平向流动扩散的机制的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，包括气压调节系统、可调节定水头污水储水装置和污水修复装置；所述可调节定水头污水储水装置的一端连接气压调节系统，另一端连接污水修复装置；所述污水修复装置包括保温材料填充箱；所述保温材料填充箱内设置有垂向水槽和水平向水槽；所述垂向水槽和水平向水槽交叉连接；所述垂向水槽和水平向水槽的连接处填充有PRB墙体。

进一步的，所述垂向水槽和水平向水槽内还填充有含水介质层。

进一步的，所述气压调节系统包括空气压缩机和排气管线；所述排气管线上安装有调压阀和排气压力表；排气管线连接可调节定水头污水储水装置。

进一步的，所述可调节定水头污水储水装置包括污水进水管、污水储水瓶和进气管；所述污水进水管安装在污水储水瓶的侧壁上；所述进气管贯穿污水储水瓶；所述污水储水瓶内的进气管上设置有出气孔；所述污水进水管上设置有污水控制阀；所述进气管的上端连接排气管线，下端连接污水修复装置。

进一步的，所述污水修复装置还包括水平进水管和垂向进水管；所述水平进水管和垂向进水管同时连接进气管。

进一步的，所述垂向水槽上设置有出水管一；所述水平向水槽上设置有出水管二；所述出水管一上设置有出水控制阀一；所述出水管二上设置有出水控制阀二。

进一步的，所述PRB墙体由滤层、筛网和透水反应介质组成。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

通过将利用马里奥特瓶原理的污水储水瓶与空气压缩机连接，调节小型空气压缩机的压力值，即可改变水力梯度的大小，从而模拟不同水力梯度情况；通过改变污水储水瓶中污水的污染类型以研究不同污染物质的修复方法和效果，污染物质可以是有机物、无机污染物或者是多种污染物组成的混合物；通过改变PRB墙体中的填充材料，可以研究不同材料对污染物的修复效果；通过调节进水控制阀，用以模拟和研究天然状态下地下水中污染物垂向流动扩散和水平向流动扩散的机制。

附图说明

图1是一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统的立体示意图；

图2是一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统的左视图；

图3是污水修复装置俯视图

图4是试验的流程图。

附图标记：1-空气压缩机，2-调压阀，3-U型支架，4-排气管线，5-污水进水管，6-污水控制阀，7-污水储水瓶，8-进气管，9-进气出水花管，10-支架，11-控制阀，12-水平进水管，13-垂直进水管，14-保温材料填充箱，15-第一含水介质层，16-第二含水介质层，17-PRB墙体，18-第一修复后储水槽，19-出水控制阀一，20-出水管一，21-第三含水介质层，22-第二修复后储水槽，23-可拆卸板，24-污水出水管，25-出水管二，26-出水控制阀二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，不能以此来限制本发明的保护范围。

为了研究在不同水头流速、不同含水层介质、不同渗流方式及不同PRB反应物效果等条件下PRB技术的修复规律和效果，因此，研制一个可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统。通过该装置不仅可以用来模拟和研究不同污染类型的污水在不同介质含水层、不同PRB填充材料中的运移规律和修复特点及效果，还可以模拟和研究污水在不同的定水头条件下，在不同岩性含水层垂向运移和同岩性含水层水平向运移的规律和修复特点及效果。

实施例1

如图1、图2、图3、图4所示，一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，包括支架、气压调节系统、可调节定水头污水储水装置和污水修复装置。气压调节系统包括空气压缩机1、调压阀2、排气压力表和排气管线4，空气压缩机1固定在U型支架3上，空气压缩机1通过排气管线4与可调节定水头污水储水装置连接；可调节定水头污水储水装置主要由污水进水管5、污水控制阀6、污水储水瓶7、进气管8和进气出水花管9组成，污水进水管5设置在污水储水瓶7的侧壁上，污水控制阀6设置在污水进水管5上，进气管8贯穿污水储水瓶7，进气管8上设置有出气孔，出气孔所在的一段进气管8作为进气出水花管9。进气管8和污水出水管24是同一根管子，且为一根带孔的花管，进气和出水均在带孔的进气出水花管9处，进气管8通过与空气压缩机1连接，在调定的气压下，由马里奥特瓶原理实现固定某一水头的要求。通过调节空气压缩机1的气压（仅可逐渐加压），调节试验水头以实现模拟不同水力梯度的大小。污水通过污水控制阀6控制，从污水进水管5进入污水储水瓶7内。该部分装置通过污水储水瓶7固定在支架10上，底部通过污水出水管24与污水修复装置连接。污水出水管24上设置有控制阀11。

U型支架3包括设在空气压缩机1两侧的支架和一个长方体支架，两个支架均垂直于底座。支架10包括长方体底座、垂直于底座的长方体框架，框架设在污水储水瓶的背面中线上，用三个钉子固定。污水修复装置包括保温材料填充箱14，保温材料填充箱14设置有垂向水槽和水平向水槽；保温材料填充箱14中可以填充保温材料或保温装置，垂向和水平向水槽均包含其中，以维持水槽一定的温度范围，确保PRB中的活性修复材料能充分发挥作用。保温材料填充箱14可通过拆卸位于背面的可拆卸板23更换材料。

垂向水槽的一端设置有垂向进水的垂直进水管13，另一端设置有出水管一20，垂直进水管13上设置有控制阀11，出水管一20上设置有出水控制阀一19；水平向水槽的一端设置有水平向进水的水平进水管12，另一端设置有出水管二25，出水管二25上设置有出水控制阀二26；其中，垂向水槽包括第一含水介质层15、第二含水介质层16、PRB墙体17、第一修复后储水槽18、可拆卸板23，水平向水槽包括第三含水介质层21、PRB墙体17、第二修复后储水槽22、可拆卸板23，PRB墙体由滤层、筛网和透水反应介质组成；垂直进水管13和水平进水管12同时连接污水出水管24。

垂向水槽由控制阀11控制，污水通过垂直进水管13依次进入到第一含水介质层15、第二含水介质层16、PRB墙体17，修复后进入第一修复后储水槽18，由出水控制阀一19控制，通过出水管一20排出；水平向水槽由控制阀11控制，污水通过水平进水管12依次进入第三含水介质层21、PRB墙体17，修复后进入第二修复后储水槽22，由出水控制阀二26控制，通过出水管二25排出。用以模拟和研究天然状态下地下水中污染物垂向流动扩散和水平向流动扩散的机制。

污水储水瓶7中污染物可以是有机物也可以是无机物，也可以是多种污染物组成的混合物，PRB墙体17中的填充物可以是氧化作用强或还原作用强的物质，也可以是吸附剂或者是生物活性物质，PRB填充材料可通过拆卸位于保温材料填充箱14背面的可拆卸板23和位于垂向水槽/水平向水槽背面的可拆卸板23进行更换，第一含水介质层15、第二含水介质层16可通过拆卸位于保温材料填充箱14背面的可拆卸板23和位于垂向水槽背面的可拆卸板23进行更换，第三含水介质层21可通过拆卸位于保温材料填充箱14背面的可拆卸板23和位于水平向水槽背面的可拆卸板23进行更换。

使用前，所有开关和阀门均处于关闭状态，首先打开污水控制阀6，根据试验设计从污水进水管5向污水储水瓶7中输入某一类型的污水，污水储水瓶7中污水水位要高于进气出水花管9的位置，水量充足后关闭污水控制阀6。污水中的污染物质可以是有机物、无机污染物或者是多种物质的混合，通过改变污水的污染类型以研究不同污染物质的修复方法和效果。同时根据试验设计向垂向水槽、水平向水槽和保温材料填充箱14中填充第一含水介质层15、第二含水介质层16、第三含水介质层21、PRB墙体材料及保温填充材料。

上述装置使用时，可调节定水头污水储水装置的进气管8通过与空气压缩机1连接，通过调节气压（仅可逐渐加压）而改变污水进入修复水槽的水头流速，调定气压后污水的水头即固定，这主要由马里奥特瓶原理实现这一要求。可调节定水头污水储水装置的进气管、出水花管是同一根管子，进气和出水均在带孔的花管9处，进入水槽的水头等于调定的气压所折算的水头加上花管口至水槽进水口处的水头差。同时打开垂向水槽进水的控制阀11和出水控制阀一19，污水通过垂直进水管13依次进入到第一含水介质层15、第二含水介质层16、PRB墙体17，修复后进入第一修复后储水槽18，通过出水管一20排出，从出水管一20处采集修复后的污水检测修复效果。研究污水在垂向地层中扩散和修复时，将水平向水槽的进水控制阀11和出水控制阀二26关闭，通过改变第一含水介质层15和第二含水介质层16中的岩土材料，研究污染物在不同渗透系数的地层中的垂向扩散规律，通过改变PRB墙体中的填充材料，研究不同材料对污染物的修复效果；然后关闭垂向水槽进水的控制阀11和出水控制阀一19，打开水平向水槽的进水控制阀11和出水控制阀二26，污水通过进水管12依次进入第三含水介质层21、PRB墙体17，修复后进入第二修复后储水槽22，通过出水管二25排出，待水平向水槽的出水管二25放出一段时间的水量，使前一试验的残液充分排出后，采集修复后的污水进行检测。研究污水在水平向地层中扩散和修复时，通过改变第三含水介质层21中的岩土材料，研究污染物在不同渗透系数的地层中的水平扩散规律，通过改变PRB墙体中的填充材料，研究不同材料对污染物的修复效果；同时研究污水在垂向地层和水平向地层中扩散和修复时，打开垂向水槽进水的控制阀11、出水控制阀一19、水平向水槽的进水控制阀11和出水控制阀二26，并在出水管一20和出水管二25处采集修复后的污水检测修复效果。根据各影响因素设计正交试验，更换污水类型，通过拆卸位于背面的可拆卸板23更换含水介质、PRB填充材料及保温材料，多组试验后对比修复检测数据，分析修复效果得出相关结论。PRB墙体17中的填充物可以是氧化作用强或还原作用强的物质，也可以是吸附剂或者是生物活性物质。

本发明结构设计简凑、合理，该模型不仅可以用来模拟和研究不同污染类型的污水在不同介质含水层、不同PRB填充材料中的运移规律和修复特点及效果，还可以模拟和研究污水在不同的水头条件下，在不同岩性含水层垂向运移和同岩性含水层水平向运移的规律和修复特点及效果。该试验装置考虑了地下水污染修复过程中的多种影响因素，提供了一个系统、全面、可调节多因素的室内试验模型，通过正交试验可对不同的影响因素进行组合试验，从而得出相关结论和规律。

本发明可用于对不同水头流速、不同含水层介质、不同渗流方式及不同PRB反应物效果等影响因素进行系统综合的研究。

本发明通过调节进水控制阀，控制污水进入垂向水槽还是进入水平向水槽，以研究污水在不同岩性含水层垂向运移和同岩性含水层水平向运移的规律和修复特点及效果。通过改变含水介质层中的岩土材料，可以研究污染物在不同渗透系数的地层中的扩散规律，通过改变PRB墙体中的填充材料，研究不同材料对污染物的修复效果。PRB墙体中的填充物可以是氧化作用强或还原作用强的物质，也可以是吸附剂或者是生物活性物质。保温材料填充箱中可以填充保温材料或保温装置，垂向和水平向的水槽均包含其中，以维持水槽一定的温度范围，确保在PRB中填充活性修复材料时能保持最大的修复活性，充分发挥修复作用。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，其特征在于，包括气压调节系统、可调节定水头污水储水装置和污水修复装置；所述可调节定水头污水储水装置的一端连接气压调节系统，另一端连接污水修复装置；所述污水修复装置包括保温材料填充箱；所述保温材料填充箱内设置有垂向水槽和水平向水槽；所述垂向水槽和水平向水槽交叉连接；所述垂向水槽和水平向水槽的连接处填充有PRB墙体。

2.根据其权利要求1所述的一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，其特征在于，所述垂向水槽和水平向水槽内还填充有含水介质层。

3.根据其权利要求1所述的一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，其特征在于，所述气压调节系统包括空气压缩机和排气管线；所述排气管线上安装有调压阀和排气压力表；排气管线连接可调节定水头污水储水装置。

4.根据其权利要求3所述的一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，其特征在于，所述可调节定水头污水储水装置包括污水进水管、污水储水瓶和进气管；所述污水进水管安装在污水储水瓶的侧壁上；所述进气管贯穿污水储水瓶；所述污水储水瓶内的进气管上设置有出气孔；所述污水进水管上设置有污水控制阀；所述进气管的上端连接排气管线，下端连接污水修复装置。

5.根据其权利要求4所述的一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，其特征在于，所述污水修复装置还包括水平进水管和垂向进水管；所述水平进水管和垂向进水管同时连接进气管。

6.根据其权利要求1所述的一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，其特征在于，所述垂向水槽上设置有出水管一；所述水平向水槽上设置有出水管二；所述出水管一上设置有出水控制阀一；所述出水管二上设置有出水控制阀二。

7.根据其权利要求1所述的一种可调节多影响因子的PRB室内试验装置系统，其特征在于，所述PRB墙体由滤层、筛网和透水反应介质组成。

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