CN111847715A

CN111847715A - 一种高效原位无动力地下水污染修复装置

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Publication number: CN111847715A
Application number: CN202010702402.1A
Authority: CN
Inventors: 马文洁; 高柏; 孙占学; 杨芬; 伏慧平; 高杨
Original assignee: East China Institute of Technology
Current assignee: East China Institute of Technology
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2020-10-30

Abstract

本发明涉及种高效原位无动力地下水污染修复装置，包括收集污染水源的原水池，与原水池连接的串联反应格栅系统，串联反应格栅系统包括污水净化箱体，污水净化箱体的一侧带有进水孔，另一侧带有出水孔，污水净化箱体内设有多个相互间隔的污水净化墙体单元，相邻污水净化墙体单元之间、污水净化墙体单元与污水净化箱体的内壁之间形成净化过渡腔，污水净化箱体的侧面设有与净化过渡腔连通的取样孔。该技术具有经济成本低、处理效果好、无需占用地表空间、不产生二次污染且运行管理简单的优势，经修复后的地下水中放射性核素和重金属浓度达到环境标准。

Description

一种高效原位无动力地下水污染修复装置

技术领域

本发明涉及地下水污染修复领域，尤其是一种高效原位无动力地下水污染修复装置。

背景技术

传统铀矿山的开采会产生大量废石和尾矿，因历史原因废弃矿山的尾矿库和废石堆等设施没有得到很好的防渗处理，在长期的风化和雨水淋滤作用下，含有重金属和放射性核素的酸性废水可通过下渗进入到地下水环境中，这些有害成分不仅会对矿山及其周边地下水环境造成危害，也会对周边居民健康构成威胁。常规抽出-处理方法在金属矿山地下水污染防控中将会涉及到电力供应、占用耕地、处理厂建设及维护运行等一系列难题。

随着科学技术的发展，从上世纪60年代初开始，世界各国竞相发展着能源优质化的核电。我国对铀矿资源的需求也在大幅度增加，但与此同时，传统的开采工艺也带来了大量的废石、尾渣和废水。由于生态环保意识的不足，未对矿山尾矿库进行良好的防护措施，露天存放的尾矿在长期氧化、降水淋滤和风化等作用下，含有重金属和放射性核素的污染物水可通过向下迁移渗漏进入地下含水层中，从而导致地下水污染问题的发生。铀矿山污染地下水中存在的重金属会对动植物和人类健康产生很大影响，而放射性核素会随着地下水的流动在生态系统中迁移扩散，并可通过水资源利用途径进入人体产生内照射，进而引发基因突变导致癌症的发生。

有研究发现，印度西哈里亚纳邦地区11％地下水中放射性核素铀浓度超出印度原子能管理委员会标准值；克罗地亚山泉水中的放射性核素的年有效剂量当量是世界卫生组织(WHO)推荐的剂量的7-8倍。我国巴彦乌拉铀矿周围地下水中放射性水平总α活度也超出了中国饮用水中规定的限值；南方某铀尾矿区周边地下水中核素²³⁸U、²²⁶Th、²²⁶Ra健康风险评估结果发现，周边地区存在致癌风险高出世界卫生组织的指导值的情况。由此可见，矿山渗漏水中存在的各种有毒、有害物质不仅会破坏矿区周边的水环境，还会对周边居民健康构成威胁，废弃铀矿山污染地下水的处理和处置已引起世界的高度重视；

国内外广泛应用的地下水污染修复技术为抽出-处理法。这是一种通过在场地地下污染羽的上游建造注水井，在下游建造抽水井，并在地表建造相应的污水处理系统，利用抽水井将污染地下水抽出至地表进行深度处理的异位地下水修复技术。该方法具有需要持续的能量供给、对天然地下水系统扰动大、耗资高及运行维护难等缺点；

渗透反应墙技术作为近年来新兴的地下水污染原位修复技术，是一种垂直立于地下水水流方向，污染水流在天然水力坡度驱动下经过反应格栅，通过物理的、化学的及生物的反应，使污染物得以有效去除的地下水净化技术。该技术可以实现在地下的原位修复，具有对地表构筑物影响小，无需外加动力和无二次污染等优势。PRB技术虽然得到了广泛关注，但由于处理污染物单一、PRB装置淤堵及长效性等问题，工程示范率低下，研究多停留在在反应介质的研发上，使其在实际应用中受到了一定限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种高效原位无动力地下水污染修复装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高效原位无动力地下水污染修复装置，包括收集污染水源的原水池，与原水池连接的串联反应格栅系统，串联反应格栅系统包括污水净化箱体，污水净化箱体的一侧带有进水孔，另一侧带有出水孔，污水净化箱体内设有多个相互间隔的污水净化墙体单元，相邻污水净化墙体单元之间、污水净化墙体单元与污水净化箱体的内壁之间形成净化过渡腔，污水净化箱体的侧面设有与净化过渡腔连通的取样孔。

进一步，所述污水净化墙体单元包括外侧100目的玻纤滤网以及填充在两侧玻纤滤网之间的污水净化介质填料。

进一步，所述污水净化介质填料为天然沸石、717阴离子交换树脂以及椰壳活性炭。

进一步，所述污水净化墙体单元的数量为三个，三个污水净化墙体单元分别为第一污水净化墙体单元，第二污水净化墙体单元以及第三污水净化墙体单元，第一污水净化墙体单元内部填充的污水净化介质填料为天然沸石，第二污水净化墙体单元内部填充的污水净化介质填料为717阴离子交换树脂，第三污水净化墙体单元内部填充的污水净化介质填料为椰壳活性炭。

进一步，第一污水净化墙体单元内部的天然沸石用于地下水中Mn的去除，并同时阻挡其他重金属的干扰，并且对U也具备吸附效能；第二污水净化墙体单元内部的717阴离子交换树脂主要是用于U的去除；第三污水净化墙体单元内部的椰壳活性炭主要用于经前两个污水净化墙体单元修复后的低浓度污染物去除。

进一步，所述污水净化箱体内的净化过渡腔数量为四个，每个净化过渡腔对应一列取样孔，每列取样孔的数量为四个，四个取样孔在污水净化箱体的侧面上纵向等间距排布，取样孔连接取样针头。

进一步，相邻污水净化墙体单元之间安装有机玻璃隔板，有机玻璃隔板上均匀分布有过水孔。

进一步，污水净化箱体的出水端的出水孔通过管道连接清水池，污水净化箱体的进水端和出水端均安装蠕动泵。

进一步，所述进水孔在污水净化箱体的进水端均匀分布。

本发明的有益效果为：本装置能够针对废弃铀矿山地下水中重金属和核素复合污染特征，在高效去除污染物的同时保持装置渗透性能的稳定，使其成为可同时处理多种地下水污染物的新型原位修复技术，真正实现节能和污水资源化利用的目标。本装置对全面实施废弃矿山生态修复具有重要的理论意义和应用价值，是践行我国生态文明建设的重要体现，也是维系核电可持续发展的重要环节；

该技术具有经济成本低、处理效果好、无需占用地表空间、不产生二次污染且运行管理简单的优势，经修复后的地下水中放射性核素和重金属浓度达到环境标准。因此，本装置不仅能够有效降低矿区周边生态环境污染风险及保障水资源的可持续利用，还能实现节能减排和污水资源化利用，并可广泛适用于多种金属矿山的地下水污染修复，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明污水净化箱体的结构示意图；

图3为本发明污水净化箱体的正面示意图；

图4为本发明污水净化箱体的俯视示意图；

图5为本发明污水净化箱体的侧面示意图；

图6为本发明污水净化介质填料天然沸石的吸附机理示意图；

图7为本发明污水净化介质填料717阴离子交换树脂的吸附机理示意图；

图8为本发明污水净化介质填料椰壳活性炭的吸附机理示意图；

图9a为A列取样口U浓度去除率随时间的变化曲线；

图9b为天然沸石处理后的B列取样口U浓度去除率随时间的变化曲线；

图9c为树脂处理后的C列取样口U浓度去除率随时间的变化曲线；

图9d为活性炭处理后的D列取样口U浓度去除率随时间的变化曲线；

图10a为A列取样口Mn浓度去除率随时间的变化曲线；

图10b为天然沸石处理后的B列取样口Mn浓度去除率随时间的变化曲线；

图10c为树脂处理后的C列取样口Mn浓度去除率随时间的变化曲线；

图10d为活性炭处理后的D列取样口Mn浓度去除率随时间的变化曲线。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种高效原位无动力地下水污染修复装置，包括收集污染水源的原水池1，与原水池1连接的串联反应格栅系统，串联反应格栅系统包括污水净化箱体2，污水净化箱体2的一侧带有进水孔21，另一侧带有出水孔22，进水孔21和出水孔22在污水净化箱体2的侧面上均匀分布；

污水净化箱体2的出水端的出水孔22通过管道连接清水池3，污水净化箱体2的进水端和出水端均安装蠕动泵4；

污水净化箱体2内设有多个相互间隔的污水净化墙体单元，相邻污水净化墙体单元之间、污水净化墙体单元与污水净化箱体的内壁之间形成净化过渡腔23，污水净化箱体2的侧面设有与净化过渡腔连通的取样孔24。

污水净化墙体单元包括外侧100目的玻纤滤网以及填充在两侧玻纤滤网之间的污水净化介质填料，污水净化介质填料为天然沸石、717阴离子交换树脂以及椰壳活性炭。

主要是因为，铀矿山地下水中的特征污染物主要为放射性核素铀(U)和重金属锰(Mn)。在经济有效、获取便利的筛选条件下，常用于地下水中U、Mn去除的材料主要有以下三种：

(1)天然沸石

天然沸石具有比表面积大、易催化、耐酸、耐辐射性等优点，作为一种价廉、无污染的吸附剂，目前已经广泛使用于水处理工程中。鉴于沸石具有良好的吸附性能和可重复再生使用特征，适合在实际工程中使用。

(2)717阴离子交换树脂

阴离子交换树脂是一种带有交换离子的功能基团高分子材料，其离子基团可通过静电作用与带有相反电荷离子相结合，从而进行离子交换过程。树脂具有比表面积大、吸附容量高，且可再生重复使用等优点，是常用的吸附剂。

(3)椰壳活性炭

椰壳属于农业废弃物，其具有多孔隙、高强度及价廉易得等优点。使用椰壳作为原料制作活性炭，制作出的椰壳活性炭具有稳定的物理化学性质和较高的吸附容量，常用作水处理中的吸附材料。

本实施例中，污水净化墙体单元的数量为三个，三个污水净化墙体单元分别为第一污水净化墙体单元25，第二污水净化墙体单元26以及第三污水净化墙体单元27，第一污水净化墙体单元25内部填充的污水净化介质填料为天然沸石，第二污水净化墙体单元26内部填充的污水净化介质填料为717阴离子交换树脂，第三污水净化墙体单元27内部填充的污水净化介质填料为椰壳活性炭。为了保证水流的均匀性，相邻污水净化墙体单元之间安装有机玻璃隔板，有机玻璃隔板上均匀分布有过水孔。

进一步，第一污水净化墙体单元25内部的天然沸石用于地下水中Mn的去除，并同时阻挡其他重金属的干扰，并且对U也具备吸附效能；第二污水净化墙体单元26内部的717阴离子交换树脂主要是用于U的去除；第三污水净化墙体单元27内部的椰壳活性炭主要用于经前两个污水净化墙体单元修复后的低浓度污染物去除。

如图6至图8所示，模拟污染地下水从侧面四个进水孔21均匀进入污水净化箱体2当中，当污染水流依次经过第一污水净化墙体单元25，第二污水净化墙体单元26以及第三污水净化墙体单元27时，分别与墙内介质发生吸附作用。吸附反应属于两种相态物质在溶液中的非均相反应，其反应过程一般有以下几个步骤：(1)反应物分子向固体表面扩散；(2)扩散到固体表面的反应物分子被固体所吸附；(3)被吸附的产物分子脱附至固体表面附近的液相空间；(4)脱附了的产物分子通过扩散而远离固体表面。

另外，本实施例中，污水净化箱体2内的净化过渡腔23数量为四个，每个净化过渡腔23对应一列取样孔，分别为A、B、C、D四列取样口，每列取样孔的数量为四个，四个取样孔在污水净化箱体2的侧面上纵向等间距排布，取样孔连接取样针头28。系统运行期间，取样针头28对各污水净化墙体单元前后等间距设置的A、B、C、D四列取样口(共计16个)进行定期取样，用于评估污水净化墙体单元对污染物的去除能力。

系统运行过程中，模拟水每经过一堵污水净化墙体单元，其铀的浓度均有不同程度降低，浓度随时间的变化如图9所示。图中9a为A列取样口U浓度随时间的变化曲线，代表进入模拟含水层的污染物初始浓度。9b为天然沸石处理后的B列取样口浓度变化图，可发现B列取样点的去除效果可分为两个阶段，前一阶段铀的去除率达48-100％，103h后一阶段铀的去除率稳定在10-40％之间。图9c和图9d为经过树脂和活性炭污水净化墙体单元的C、D列取样口浓度变化图，从图中可以发现该两种吸附材料对U的去除能力较强，最高去除率可达100％，最低吸附率也为95％。

系统运行过程中，模拟水经过每堵污水净化墙体单元时，锰的浓度均有不同程度的降低，浓度随时间的变化如图10a、10b、10c、10d所示。三堵污水净化墙体单元对锰的去除效果具有差异，去除率最高可达100％。

本系统出水的pH值始终维持在6.57-7.58之间，在矿山地下水pH值范围内，满足我国地下水质量标准(GB/T 14848-2017)所规定的Ⅲ类水质要求，不会带来酸碱二次污染。系统在运行了1035h后，出水中未检测出铀，说明设计的串联反应格栅能够高效去除地下水中的铀，去除率可达100％；出水中锰的浓度在800h前逐渐降低，最小为0.08mg/L。综上可知，经本系统处理后的特征污染物浓度能够满足地下水质量标准(见表1)。

表1.出水浓度与排放标准对照

本系统的经济成本与节能减排分析如下：

以运行时间为25年计算，污染地下水处理成本对比如表2所示。抽出处理系统和PRB技术处理地下水成本分别为6.89元/吨和1.96元/吨，可节约4.93元/吨。

采用PRB技术的电费为1000元，采用抽出处理方式的电费为1423500元。使用PRB技术共节省电费1422500元，电费以0.63元/kWh计(2020年南昌市工业用电收费)，共节省电费1422500元折合能源225.8万kWh。

根据国家发改委能源研究所推荐排放系数标准：1万kWh电折合1.229吨标煤，折标系数来源于《综合能耗计算通则》(GB/T2589-2008)。1吨标煤可折合减少CO₂排放2.4567t，SO₂排放16.5kg，NOx排放15.6kg，烟尘排放9.6kg，因此使用PRB技术运行25年相当于节约了277.5吨标煤，减少了681700kgCO₂、4578.8kgSO₂、4329kg NO_x、266.4kg烟尘的排放。

表2.污染地下水处理费用对比表

本发明采用的Multi-PRBs技术可使地下水在天然水力梯度下依次流经污水净化墙体单元，无需能源供应且不占用地面空间；串联的污水净化墙体单元可有效解决放射性核素和重金属复合污染的协同去除；修复后的地下水不产生二次污染，特征污染物的浓度可达到安全排放标准；Multi-PRBs技术不会对天然地下水流场产生干扰，能够长期有效的运行

本装置能够针对废弃铀矿山地下水中重金属和核素复合污染特征，在高效去除污染物的同时保持装置渗透性能的稳定，使其成为可同时处理多种地下水污染物的新型原位修复技术，真正实现节能和污水资源化利用的目标。本装置对全面实施废弃矿山生态修复具有重要的理论意义和应用价值，是践行我国生态文明建设的重要体现，也是维系核电可持续发展的重要环节；

我国南方地区金属矿产丰富，经过多年开采有大量矿山退役或关停，因金属矿山采矿活动造成的周边浅层地下水污染现象较为普遍。本作品提出的Multi-PRBs修复系统具有无动力、原位、经济高效、工程量小、操作性强、适用范围广等特点，并能针对不同矿山场地条件及其地下水具体污染特征选配反应填料。因此，本技术及装置可广泛应用于各类金属矿山的地下水污染治理，具有广阔的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种高效原位无动力地下水污染修复装置，包括收集污染水源的原水池，与原水池连接的串联反应格栅系统，其特征在于，串联反应格栅系统包括污水净化箱体，污水净化箱体的一侧带有进水孔，另一侧带有出水孔，污水净化箱体内设有多个相互间隔的污水净化墙体单元，相邻污水净化墙体单元之间、污水净化墙体单元与污水净化箱体的内壁之间形成净化过渡腔，污水净化箱体的侧面设有与净化过渡腔连通的取样孔。

2.根据权利要求1所述的一种高效原位无动力地下水污染修复装置，其特征在于，所述污水净化墙体单元包括外侧100目的玻纤滤网以及填充在两侧玻纤滤网之间的污水净化介质填料。

3.根据权利要求2所述的一种高效原位无动力地下水污染修复装置，其特征在于，所述污水净化介质填料为天然沸石、717阴离子交换树脂以及椰壳活性炭。

4.根据权利要求3所述的一种高效原位无动力地下水污染修复装置，其特征在于，所述污水净化墙体单元的数量为三个，三个污水净化墙体单元分别为第一污水净化墙体单元，第二污水净化墙体单元以及第三污水净化墙体单元，第一污水净化墙体单元内部填充的污水净化介质填料为天然沸石，第二污水净化墙体单元内部填充的污水净化介质填料为717阴离子交换树脂，第三污水净化墙体单元内部填充的污水净化介质填料为椰壳活性炭。

5.根据权利要求4所述的一种高效原位无动力地下水污染修复装置，其特征在于，第一污水净化墙体单元内部的天然沸石用于地下水中Mn的去除，并同时阻挡其他重金属的干扰，并且对U也具备吸附效能；第二污水净化墙体单元内部的717阴离子交换树脂主要是用于U的去除；第三污水净化墙体单元内部的椰壳活性炭主要用于经前两个污水净化墙体单元修复后的低浓度污染物去除。

6.根据权利要求4所述的一种高效原位无动力地下水污染修复装置，其特征在于，所述污水净化箱体内的净化过渡腔数量为四个，每个净化过渡腔对应一列取样孔，每列取样孔的数量为四个，四个取样孔在污水净化箱体的侧面上纵向等间距排布，取样孔连接取样针头。

7.根据权利要求4所述的一种高效原位无动力地下水污染修复装置，其特征在于，相邻污水净化墙体单元之间安装有机玻璃隔板，有机玻璃隔板上均匀分布有过水孔。

8.根据权利要求4所述的一种高效原位无动力地下水污染修复装置，其特征在于，污水净化箱体的出水端的出水孔通过管道连接清水池，污水净化箱体的进水端和出水端均安装蠕动泵。

9.根据权利要求4所述的一种高效原位无动力地下水污染修复装置，其特征在于，所述进水孔在污水净化箱体的进水端均匀分布。