CN112723539A - 修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水平井的技术领域，具体涉及修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置。包括水平的实验平台，实验平台上布置有横截面为扇形的实验槽，实验槽的圆弧面一端对应设有进水槽，且实验槽和进水槽贯通，实验槽的另一端设有抽水槽，抽水槽内设有抽水泵；水平管的一端和抽水槽连通，水平管的另一端端部为进水管，且进水管的管壁上均匀开设有孔；碳源注入机构包括通过管道依次连通的碳源储存桶、自吸式计量泵和碳源注入器，碳源注入器的出口和水平管连通；水位调节机构包括水箱，水箱通过竖直的螺旋调节杆固定安装在实验平台上，且水箱通过管道和进水槽的槽底连通；因此本发明模拟的原位水平井修复装置扩展性强，适用范围广。

Description

修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置
技术领域
本发明属于水平井的技术领域，具体涉及修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置。
背景技术
原位修复技术是一种环境扰动小、环境友好的地下水污染物处理方法，也是倍受关注的一种技术，如应用较为广泛的可渗透反应墙（PRB）技术，该技术现阶段主要用于处理点源污染，其修复效果与修复材料、反应时间等因素存在密切的联系，其中可渗透反应墙的厚度直接决定了反应路径及反应时间的长短，为提高修复效率和效果，PRB的厚度通常需设置为数米甚至到几十米，增加了修复成本与能量消耗，也限制了其应用推广。
此外，在修复介质选取方面，逐渐从化学脱氮发展到生物脱氮反硝化作用，碳源主要包括棉花、木屑、麦秆等固体碳源和乙醇、甲醇、醋酸、葡萄糖等液体碳源。
而现有PRB主要结构类型为连续墙式或漏斗门式两种，不管哪一种结构，均不可避免地存在碳源扩散、不易控制投加量、二次污染、介质堵塞等问题；此外连续墙式或漏斗门式结构均不适用于因农业面源污染诱发的地下水水源地硝酸盐污染的处理，因为地下水水源地的主要作用是供水，且为保证水源地的可持续利用，需要有可靠的补给来源，特别对于潜水，通过包气带（地面以下潜水面以上的地带）入渗的大气降水是其主要补给来源之一，在大气降水入渗作用下，农田中的氮肥会进入含水层污染地下水，因此，对于地下水水源地而言，即便采用漏斗门式的PRB结构，仍不能阻隔上部氮肥的淋入，仅能实现将碳源限制在漏斗门内，且处理的水量非常有限，并同时存在介质堵塞、二次污染等问题，也严重影响到了侧向补给量。综上，该结构不适用于地下水水源地硝酸盐污染的修复。
发明内容
为解决上述问题，围绕地下水水源地硝酸盐污染修复过程中现有原位生物修复技术存在的问题，本发明提供了一个原位水平井（In-situ Horizontal Well，简写为IHW）修复系统，该系统包括抽水井、液体碳源注入装置、水平井三个主体结构，以及抽水泵、蠕动泵附属设备。具体技术方案如下：
修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置，包括水平的实验平台1，实验平台1上布置有横截面为扇形的实验槽2，实验槽2的圆弧面一端对应设有进水槽3，且实验槽2和进水槽3贯通，实验槽2的另一端设有抽水槽4，抽水槽4内设有抽水泵41；
水平管21水平布置在实验槽2内，水平管21的一端固定在实验槽2侧壁上，且和抽水槽4连通，水平管21的另一端端部为进水管22，且进水管22的管壁上均匀开设有孔；
碳源注入机构包括通过管道依次连通的碳源储存桶51、自吸式计量泵52和碳源注入器53，碳源注入器53的出口和水平管连通；
水位调节机构包括水箱61，水箱61通过竖直的螺旋调节杆62固定安装在实验平台1上，且水箱61通过管道和进水槽3的槽底连通；
实验时，将实验槽2内填入密度为1.3~1.35g/cm3的细砂，水平管21和进水管（22）内填入松散粗砂，且粗砂渗透系数与细砂渗透系数的比值≥3；水箱61向进水槽3内连续注入硝酸盐浓度为20mg/L~30mg/L的地下水，且保持进水槽3的水位高度为50～60cm，碳源注入器53向水平管21内连续注入碳源，抽水泵41以2L/d～4L/d低流量抽水，待上述模拟装置运行数天后，抽水泵41以5L/d～15L/d抽水，抽水中硝酸盐浓度<1.25mg/L。
进一步，所述碳源为浓度100%的乙醇溶液，且碳源注入器53的乙醇注入量满足实验槽2内碳氮元素质量为2:1。
进一步，所述水箱61的中间设置有分隔板62将水箱61分隔为进水箱和溢水箱，进水箱63的底部通过管道连通着所述进水槽3的底部。
进一步，所述实验槽2的高度为≥40cm，实验槽2的扇形角度为≥25°。
进一步，所述水平管21距离实验槽2槽底的距离为15cm、水平管21的长度为85cm、进水管22长度为25cm；所述碳源注入器53的注入口位于水平管21长度的2/5～3/5处。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明的原位水平井模拟装置包括进水槽、实验槽、水平管和出水槽，其中实验槽和水平管模拟地下修复井，进水槽模拟含水层向地下修复井内补水，抽水槽模拟抽水井出水；根据连通器原理，可调节水箱的高度来调节进水槽中水位的高度，进而模拟不同土体含水情况下向实验槽内注入地下水；同时碳源通过碳源注入器向水平管内注入乙醇碳源，使得水平管内进行反硝化过程来净化地下水，当进入地下修复井的地下水中硝酸盐浓度为25mg/L时，抽水泵的抽水量从3L/d逐渐增大到5L/d、10L/d、15L/d时，水平管内反硝化过程平稳后，抽水泵的抽水中硝酸盐的浓度均小于1.25mg/L，硝酸盐的去除率达到95%以上，表明原位水平井模拟装置具有非常好的稳定性，当抽水泵的抽水量从15L/d继续增大至20L/d时，反硝化过程平稳后，抽水泵的抽水中硝酸盐的浓度为15mg/L左右，硝酸盐的去除率由95%下降至40%左右，但是抽水泵的抽水中亚硝酸盐浓度均在1mg/L以下、铵盐浓度在0.5～1.00mg/L之间，均满足地下水质量标准中III类水的要求。因此本发明的原位水平井模拟装置对地下水水源地硝酸盐污染原位修复将具有良好的实用价值。
2、本发明的原位水平井模拟装置中碳源通过碳源注入器添加到水平管中，与试验槽隔离，不存在外加碳源引起试验槽二次污染的问题，同时碳源注入由自吸式计量泵控制，可根据污染源中硝酸盐浓度的大小，实时调控碳源的投加量；
同时水平管与抽水槽连通，经冲洗过后的堵塞物可由抽水槽排出，解决了地下水原位修复过程中水平井的堵塞问题，可根据修复效果增加水平管的长度以增加反映距离，增加水平井的个数以增加处理水量；因此本发明模拟的原位水平井修复装置扩展性强，适用范围广。本发明模拟的原位水平井处理过后的地下水直接被开采使用，不需要切断污染源和污染途径，可实现修复与开采同步进行。
3、本发明的抽水槽中地下水的pH值一直在8.11左右，模拟开始水平管中介质的渗透系数K为39.81m/d，结束后K值为31.63m/左右，K值变化幅度较小，表明模拟期间水平管中未出现微生物生长而产生的阻塞现象；此外，水平管外未检测出乙醇，说明乙醇没有扩散至周围含水层中，当地下水硝酸盐的浓度为25mg/L时，原位水平井模拟装置可修复的流量负荷为20L/d；本模拟装置通过冲洗之后，水平管的透水性能可恢复至反硝化反应发生前的水平，模拟试验60天内运行良好，效果稳定。
附图说明
图1为本发明原位水平井模拟装置的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1的正视图。
上图中序号：1实验平台、2实验槽、21水平管、22进水管、3进水槽、4抽水槽、41抽水泵、51碳源储存桶、52自吸式计量泵、53碳源注入器、61水箱、62螺旋调节杆、63分隔板。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例
修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置，包括水平的实验平台1，实验平台1上布置有横截面为扇形的实验槽2，实验槽2的圆弧面一端对应设有进水槽3，且实验槽2和进水槽3贯通，实验槽2的另一端设有抽水槽4，抽水槽4内设有抽水泵41；
水平管21水平布置在实验槽2内，水平管21的一端固定在实验槽2侧壁上，且和抽水槽4连通，水平管21的另一端端部为进水管22，且进水管22的管壁上均匀开设有孔；
碳源注入机构包括通过管道依次连通的碳源储存桶51、自吸式计量泵52和碳源注入器53，碳源注入器53的出口和水平管21连通；
水位调节机构包括水箱61，水箱61通过竖直的螺旋调节杆62固定安装在实验平台1上，且水箱61通过管道和进水槽3的槽底连通。
实验时，将实验槽2内填入密度为1.3~1.35g/cm3的细砂，水平管21内填入松散粗砂，且粗砂渗透系数与细砂渗透系数的比值≥3；水箱61向进水槽3内连续注入硝酸盐浓度为20mg/L~30mg/L的地下水，且保持进水槽3的水位高度为50～60cm，碳源注入器53向水平管21内连续注入碳源，抽水泵41以2L/d～4L/d低流量抽水，待上述模拟装置运行数天后，抽水泵41以5L/d～15L/d抽水，抽水中硝酸盐浓度<1.25mg/L。
所述碳源为浓度100%的乙醇溶液，且碳源注入器53的乙醇注入量满足实验槽2内碳氮元素质量为2:1。
所述水箱61的中间设置有分隔板63将水箱61分隔为进水箱和溢水箱，进水箱的底部通过管道连通着所述进水槽3的底部，根据连通器原理，水箱61的水面高度和进水槽3的进水箱水面高度保持一致。
所述实验槽2的高度≥40cm，实验槽2的扇形角度≥25°、扇形半径根据水平管21的长度设置。
所述水平管21距离实验槽2槽底的距离为15cm、水平管21的长度为85cm、进水管22长度为25cm；所述碳源注入器53在水平管21上的注入口开设于水平管21长度的2/5～3/5处。
上述实验槽2和水平管21模拟原位地下修复井，进水槽3模拟地下水向地下修复井内注水，抽水槽4模拟出水井；根据连通器原理，可调节水箱61的高度来调节进水槽3中水位的高度，进而模拟不同土体含水情况下向地下修复井内进水；同时碳源通过碳源注入器53向水平管21内注入乙醇碳源，使得水平管21内进行反硝化过程来净化地下水。
碳源通过碳源注入器53添加到水平管21中，与试验槽2隔离，不存在碳源泄漏引起二次污染的问题，同时碳源注入由自吸式计量泵52控制，可根据污染源中硝酸盐浓度的大小，实时调控碳源的投加量。
水平管21与抽水槽4连通，经冲洗过后的堵塞物可由抽水槽排出，解决了地下水原位修复的堵塞问题。
同时可根据修复效果增加水平管21的长度以增加反映距离，增加水平井的个数以增加处理水量。
本发明模拟的原位水平井处理过后的地下水直接被开采使用，不进入到下游含水层，可实现修复与开采同步进行。
实验时，将实验槽2内填入密度为1.3~1.35g/cm3的细砂，水平管21内填入松散粗砂，且粗砂渗透系数与细砂渗透系数的比值≥3；水箱61向进水槽3内连续注入硝酸盐浓度为20mg/L~30mg/L的地下水，根据连通器原理，通过调节水箱61高度保持进水槽3的水位高度为50～60cm，碳源注入器53向水平管21内连续注入碳源，抽水泵41以3L/d低流量抽水，待上述模拟装置运行数天后，抽水泵41分别以5L/d、10L/d、15L/d抽水，依次进行数天，水平管内反硝化过程平稳后，抽水中硝酸盐的浓度均小于1.25mg/L，硝酸盐的去除率达到95%以上，表明原位水平井模拟装置具有非常好的稳定性。
当抽水泵41以20L/d抽水时，反硝化过程平稳后，抽水泵的抽水中硝酸盐的浓度为15mg/L左右，硝酸盐的去除率由95%下降至40%左右，但是抽水泵41的抽水中亚硝酸盐浓度均在1mg/L以下、铵盐浓度在0.5～1.00mg/L之间，均满足地下水质量标准中Ⅲ类水的要求。因此本发明的原位水平井模拟装置对地下水水源地硝酸盐污染原位修复将具有良好的实用价值。
上述实验过程中抽水槽4中地下水的pH值一直在8.11左右，模拟开始水平管21中介质的渗透系数K为39.81m/d，结束后K值为31.63m/左右，K值变化幅度较小，表明模拟期间水平管21中未出现微生物生长而产生的阻塞现象；此外，水平管21外未检测出乙醇，说明乙醇没有扩散至周围含水层中，当地下水硝酸盐的浓度为25mg/L时，原位水平井模拟装置可修复的流量负荷为20L/d；本模拟装置通过冲洗之后，水平管21的透水性能可恢复至反硝化反应发生前的水平，模拟试验60天内运行良好，效果稳定。

Claims (5)

1.修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置，其特征在于：包括水平的实验平台（1），实验平台（1）上布置有横截面为扇形的实验槽（2），实验槽（2）的圆弧面一端对应设有进水槽（3），且实验槽（2）和进水槽（3）贯通，实验槽（2）的另一端设有抽水槽（4），抽水槽（4）内设有抽水泵（41）；
水平管（21）水平布置在实验槽（2）内，水平管（21）的一端固定在实验槽（2）侧壁上，且和抽水槽（4）连通，水平管（21）的另一端端部为进水管（22），且进水管（22）的管壁上均匀开设有孔；
碳源注入机构包括通过管道依次连通的碳源储存桶（51）、自吸式计量泵（52）和碳源注入器（53），碳源注入器（53）的注入口和水平管连通；
水位调节机构包括水箱（61），水箱（61）通过竖直的螺旋调节杆（62）固定安装在实验平台（1）上，且水箱（61）通过管道和进水槽（3）的槽底连通；
实验时，将实验槽（2）内填入密度为1.3~1.35g/cm3的细砂，水平管（21）和进水管（22）内填入松散粗砂，且粗砂渗透系数与细砂渗透系数的比值≥3；水箱（61）向进水槽（3）内连续注入硝酸盐浓度为20mg/L~30mg/L的地下水，且保持进水槽（3）的水位高度为50～60cm，碳源注入器（53）向水平管（21）内连续注入碳源，抽水泵（41）以2L/d～4L/d低流量抽水，待上述模拟装置运行数天后，抽水泵（41）以5L/d～15L/d抽水，抽水中硝酸盐浓度均<1.25mg/L。
2.根据权利要求1所述修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置，其特征在于：所述碳源为浓度100%的乙醇溶液，且碳源注入器（53）的乙醇注入量满足实验槽（2）内碳氮元素质量比为2:1。
3.根据权利要求1所述修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置，其特征在于：所述水箱（61）的中间设置有分隔板（63）将水箱（61）分隔为进水箱和溢水箱，进水箱的底部通过管道连通着所述进水槽（3）的底部。
4.根据权利要求1所述修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置，其特征在于：所述实验槽（2）的高度为≥40cm，实验槽（2）的扇形角度为≥25°。
5.根据权利要求1所述修复硝酸盐污染的地下水源地的原位水平井模拟装置，其特征在于：所述水平管（21）距离实验槽（2）槽底的距离为15cm、水平管（21）的长度为85cm、进水管（22）长度为25cm；所述碳源注入器（53）的注入口位于所述水平管（21）长度的2/5～3/5处。
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