CN113683208A - 一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，包括模型箱、砂箱、水箱、注药井、溢流水箱、加水漏斗、蠕动泵、压缩气体瓶；模型箱的内部在竖直方向分隔形成砂箱和水箱，砂箱和水箱通过渗水孔连通，砂箱位于模型箱的中部，水箱位于砂箱的两侧；注药井通过注药井插入孔与砂箱连通；模型箱底板上布设有曝气口，曝气口与砂箱连通且通过进气管与压缩气体瓶相连；加水漏斗通过水管接头与水箱相连；溢流水箱用于收集溢流管的出水；蠕动泵通过水管将溢流水箱中的溶液抽注到加水漏斗中。该兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱可以研究淋洗与曝气复合修复技术中两种技术的相互影响，可通过试验参数的调整使两种技术间的不利影响降到最小，即在最小的能源消耗下达到最优的修复效果。

Description

一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱及其操作方法

技术领域

本发明涉及曝气及淋洗二维模型试验装置领域，特别是一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱。

背景技术

随着工业的快速发展，由于缺乏有效的环境保护政策与措施，我国环境污染问题日益严重，其中土壤与地下水的污染尤为突出，这些污染的土壤与地下水存在很大的环境隐患和人体健康风险。因此，寻找有效的污染场地修复技术成了科研人员及环境工程师面临的共同难题。

常见的污染场地修复技术有曝气法、淋洗法、固化稳定法等。曝气法是将一定压力的压缩空气注入饱和土中，促进污染物生物降解，并产生气压劈裂增加水力和气流通道，促进污染物质挥发至地表，收集后去除污染物质。该技术的优点是可进行深部处理，但缺点是不能洗提、降解所有物质，一些挥发性污染物质有扩散到周围环境的危险。淋洗法是将淋洗液注入含水层，使物质挥发至非饱和区被真空抽井收集，或溶解于水中被抽取，其操作简单，但是产生的废水易造成二次污染。

污染场地修复中，修复技术的选择通常根据污染物类型而定。例如：挥发性有机物污染场地通常采用曝气法，重金属污染场地常采用淋洗法。但是，近年来，越来越多的场地受到两种及以上的复合污染物的污染，这种复合污染场地通常具有污染物成分多样、场地状况复杂、污染物浓度高、不易修复等特点，有研究者尝试使用两种或者多种技术修复这类场地。例如，受挥发性有机物及重金属污染的场地会使用曝气法与淋洗法的复合技术进行修复，其中曝气法可有效地去除土壤及水中的有机物，而淋洗法可以将吸附在土壤上的重金属溶解到水中之后被抽出进行处理。但是，在曝气法与淋洗法复合使用时，它们之间会产生相互影响，例如曝气法引入地下水中的氧气可能会使部分淋洗剂被氧化失效，从而减弱淋洗的效果；而淋洗剂的添加会消耗地下水中的溶解氧抑制好氧微生物的活性，从而减弱曝气处理有机污染物的效果。

因此，有必要设计一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，在该模型箱中进行淋洗与曝气协同修复的模型试验，明确该复合修复技术中两种技术之间的相互影响及复合修复效果，并通过试验参数的调整使复合技术中两种技术的作用均发挥到最大，为其在工程实践中应用提供依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，该兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱可以研究淋洗与曝气复合修复技术中两种技术的相互影响，可通过试验参数的调整使两种技术间的不利影响降到最小，即在最小的能源消耗下达到最优的修复效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，包括模型箱、砂箱、水箱、溢流水箱、加水漏斗、蠕动泵、压缩气体瓶；所述模型箱为封闭的长方体箱体；所述模型箱的内部沿竖直方向布设两个相互平行的砂箱左侧板和砂箱右侧板，所述砂箱左侧板和砂箱右侧板将模型箱的内部在竖直方向分隔形成砂箱和水箱，所述砂箱位于模型箱的中部，所述水箱位于砂箱的两侧；所述砂箱左侧板和砂箱右侧板上设置有渗水孔，所述渗水孔连通砂箱和水箱；所述模型箱顶盖布设注药井插入孔和排气管插入孔；所述药井插入孔连通砂箱；所述排气管插入孔通过排气管将连通砂箱和外部的尾气处理装置，所述排气管上设置止气夹；所述砂箱前侧板布设取样孔，所述取样孔连通砂箱，所述取样孔上设有橡胶塞；所述模型箱底板布设曝气口和泄水阀；所述泄水阀连通水箱；所述曝气口与砂箱连通，曝气口通过进气管与压缩气体瓶相连；所述砂箱的上左右两侧布设溢流软管；所述加水漏斗、溢流水箱、蠕动泵均设置在模拟箱外部；所述位于砂箱右侧的水箱的侧边在竖直方向设置多个水管接头，加水漏斗通过水管接头连通水箱；所述溢流水箱用于收集溢流管的出水；所述蠕动泵通过水管将溢流水箱中的溶液抽注到加水漏斗中。

作为本发明的进一步的优选方案，所述模型箱底板上设置多个曝气口，且曝气口均可通过进气管与压缩气体瓶连通。

作为本发明的进一步的优选方案，所述砂箱的内部设有注药井，所述注药井从注药井注入孔插入砂箱中。

作为本发明的进一步的优选方案，所述模型箱底板的底部安装滑轮。

根据上述的一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，提出一种淋洗与曝气协同修复模型试验的操作方法，包括以下步骤：

步骤1、打开模型箱顶盖，向砂箱中填筑粉质黏土，关闭模型箱顶盖，并将模型箱移入通风橱中；

步骤2、关闭模型箱的所有曝气口、排气管、泄水阀，打开左侧水箱、右侧水箱上连接加水漏斗的水管接头上的水阀，向加水漏斗中注入含挥发性有机物及重金属的水溶液，直至溢流软管有水溶液溢出，停止注入水溶液，静置砂箱，使粉质黏土在水溶液中充分饱和；

步骤3、关闭右侧水箱上所有水管接头上的水阀，拆下右侧水箱上连接的加水漏斗，在右侧水箱上的任一水管接头上连接溢流管，并打开其上的水阀，启动蠕动泵，使得水箱和砂箱中的水溶液循环流动，并调节蠕动泵的流速使左右两侧的水箱保持固定的水头差，此时通过取样孔取砂箱中的水样并检测其中的有机物浓度和重金属浓度；

步骤4、通过注药井向砂箱中注入淋洗剂，定时从取样孔中取水样，测定水样中的淋洗剂浓度、有机物浓度和重金属浓度；

步骤5、在步骤4中，当砂箱最左侧的取样孔采集到的水样中检测到淋洗剂时，打开排气管上的止气夹，打开与曝气口相连的压缩气体瓶的开关，启动曝气，定时从取样孔上取水样，测定水样的淋洗剂浓度、有机物浓度、重金属浓度和溶解氧值，同时观察气泡在砂箱中的运移过程；

步骤6、当所取水样中的有机物浓度为0且重金属的浓度保持不变时，关闭压缩气体瓶的开关，停止曝气；

步骤7、分析采集的数据，得出结论；

步骤8、清洗模型箱及模型箱的各个部件，以备下次使用。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

1、本发明可进行淋洗与曝气复合修复的模型试验，明确该种复合修复技术的修复效果。

2、可通过本发明进行淋洗与曝气复合修复的模型试验，研究淋洗与曝气复合修复技术中两种技术间的相互影响，可通过试验参数的调整使两种技术间的不利影响降到最小，即：在最小的能源消耗下达到最优的修复效果。

3、本发明在同一个模型箱中可单独实施淋洗和曝气操作，也可同时进行两种技术的复合操作，节省了分别制作模型箱的材料与时间，符合绿色节能的发展理念。

4、本发明可根据真实的现场土层情况，采取分层填筑的方法模拟现场土层情况，同时可通过调整两侧水箱中的水位再现现场土层饱和与非饱和带，并且可以模型现场地下水的流动情况，尽可能地使试验条件接近现场情况，可为现场施工提供可靠依据。

附图说明

图1为实施例1中二维模型箱整体示意图；

图2为实施例1中砂箱与注药井示意图；

图3为实施例1中水管接头示意图；

图4为实施例1中加水漏斗示意图；

图5为实施例1中模型箱的顶盖示意图。

其中有：1为加水漏斗、2为水箱、3为注药井、4为砂箱、5为模型箱顶盖、6为模型箱底板、7为滑轮、8为曝气口、9为溢流管、10为溢流水箱、11为螺口、12为蠕动泵、21为泄水阀、22为砂箱左侧板、23为砂箱右侧板、31为井盖、32为井底、33为井壁、41为排气管、42为取样孔、43为溢流软管、44为水管接头、45为砂箱后侧板、46为砂箱前侧板、51为注药井插入孔、52为排气管插入孔、221为溢流孔、231为渗水孔、441为水阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，包括模型箱，布设在模型箱内部的砂箱4和水箱2，布设在模型箱外部的加水漏斗1、溢流水箱10、蠕动泵12和压缩气体瓶。

所述模型箱为封闭的长方体箱体；所述模型箱的内部沿竖直方向布设两个相互平行的砂箱左侧板22和砂箱右侧板23，所述砂箱左侧板22和砂箱右侧板23将模型箱的内部在竖直方向分隔形成砂箱4和水箱2，所述砂箱4位于模型箱的中部，所述水箱2位于砂箱4的两侧；所述砂箱左侧板22和砂箱右侧板23上设置有渗水孔231，所述渗水孔231连通砂箱4和水箱2；所述模型箱顶盖5布设有注药井插入孔51和排气管插入孔52；所述注药井插入孔51连通砂箱4；所述排气管插入孔52通过排气管41将连通砂箱4和外部的尾气处理装置，所述排气管41上设置止气夹；所述砂箱前侧板46布设取样孔42，所述取样孔42连通砂箱4，所述取样孔42上设有橡胶塞；所述模型箱底板6布设曝气口8、泄水阀21；所述泄水阀21连通水箱2；所述曝气口8与砂箱4连通，曝气口8通过进气管与压缩气体瓶相连；所述砂箱4的左右两侧布设溢流软管43；所述加水漏斗1、溢流水箱10、蠕动泵12均设置在模型箱外部；所述位于砂箱4右侧的水箱2的侧边在竖直方向设置多个水管接头44，加水漏斗1通过水管接头44连通水箱2；所述溢流水箱10用于收集溢流管9的出水；所述蠕动泵12通过水管将溢流水箱10中的溶液抽注到加水漏斗1中。

在本实施例中，所述的砂箱4由砂箱左侧板22、砂箱右侧板23、砂箱后侧板45和砂箱前侧板46组成，其材料为有机玻璃，砂箱的长、宽和高分别为100 cm、3 cm和70 cm，砂箱前侧板46上分布有取样孔42，所述的砂箱左侧板22和砂箱右侧板23上分别分布有溢流孔221和渗水孔231，在溢流孔221中插入溢流软管43，当砂箱4中的水面高于溢流孔221的位置时，砂箱4中的水可通过溢流软管43溢流，使砂箱4中的水面保持在溢流孔221的位置处。

在本实施例中，所述的水箱2由有机玻璃组成，长度为10 cm，宽度和高度同砂箱4的相同，分别为3 cm和70 cm，两个水箱2分别位于砂箱4的左右两侧，其通过砂箱左侧板22和砂箱右侧板23与砂箱4相连通，砂箱左侧板22和砂箱右侧板上23的渗水孔231可以使水箱2中的水进入砂箱4，但砂箱4中的土颗粒无法进入水箱2。

在本实施例中，所述水管接头44的中间段设有水阀441，且其一端设置有螺纹，每个水管接头44都可连通加水漏斗1或者溢流管9。

此外，为了方便移动本装置，故在模型箱底板6的底部安装滑轮7。

为得到不同曝气位置对污染土壤与水的修复效果的影响，在模型箱底板6上设置多个曝气口8，且曝气口8均可通过进气管与压缩气体瓶连通，通过采集距离曝气口8不同位置处的溶液数据信息，研究曝气口8的不同位置对模拟土壤污染复合修复效果的影响。

为了便于向砂箱4中注淋洗剂，在模型箱顶盖5上设置注药井插入孔51，将淋洗剂装入注药井3中，注药井3从注药井注入孔51插入砂箱4中，注药井3是由新型单向渗透材料制成的圆柱桶，例如醋酸纤维素，注药井3中的淋洗剂只可向外渗出，而注药井3外部的溶液不能向注药井3内部渗入。

利用上述的兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，提出一种淋洗与曝气协同修复模型试验的操作方法，包括以下步骤：

步骤1、打开模型箱顶盖5，向砂箱4中填筑粉质黏土，关闭模型箱顶盖5，并将模型箱移入通风橱中；

步骤2、关闭模型箱的所有曝气口8、排气管41、泄水阀21，打开左侧水箱2、右侧水箱2上连接加水漏斗1的水管接头44上的水阀441，向加水漏斗1中注入含挥发性有机物及重金属的水溶液，直至溢流软管43有水溶液溢出，停止注入水溶液，静置砂箱4，使粉质黏土在水溶液中充分饱和；

步骤3、关闭右侧水箱2上所有水管接头44上的水阀441，拆下右侧水箱2上连接的加水漏斗1，在右侧水箱2上的任一水管接头44上连接溢流管9，并打开其上的水阀441，启动蠕动泵12，使得水箱2和砂箱4中的水溶液循环流动，并调节蠕动泵12的流速使左右两侧的水箱2保持固定的水头差，此时通过取样孔42取砂箱4中的水样并检测其中的有机物浓度和重金属浓度；

步骤4、通过注药井3向砂箱4中注入淋洗剂，定时从取样孔42中取水样，测定水样中的淋洗剂浓度、有机物浓度和重金属浓度；

步骤5、在步骤4中，当砂箱4最左侧的取样孔42采集到的水样中检测到淋洗剂时，打开排气管41上的止气夹，打开与曝气口8相连的压缩气体瓶的开关，启动曝气，定时从取样孔42上取水样，测定水样的淋洗剂浓度、有机物浓度、重金属浓度和溶解氧值，同时观察气泡在砂箱4中的运移过程；

步骤6、当所取水样中的有机物浓度为0且重金属的浓度保持不变时，关闭压缩气体瓶的开关，停止曝气；

步骤7、分析采集的数据，得出结论；

步骤8、清洗模型箱及模型箱的各个部件，以备下次使用。

实施例2

按实施例1组装模型箱，在淋洗剂浓度固定不变的情况下，多次调整曝气压力并按实施例1中步骤1到步骤8所述方法进行淋洗与曝气复合修复方法进行模型试验，由此分析曝气压力对淋洗与曝气复合修复效果的影响，并筛选出该淋洗剂浓度下最优的曝气压力；

在选定的最优曝气压力下，多次调整淋洗剂的浓度进行并按实施例1中步骤1到步骤8所述方法进行淋洗与曝气复合修复方法进行模型试验，分析淋洗剂浓度对淋洗与曝气复合修复效果的影响，并筛选出最优淋洗剂浓度。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，其特征在于：包括模型箱、砂箱、水箱、溢流水箱、加水漏斗、蠕动泵、压缩气体瓶；

所述模型箱为封闭的长方体箱体；

所述模型箱的内部沿竖直方向布设两个相互平行的砂箱左侧板和砂箱右侧板，所述砂箱左侧板和砂箱右侧板将模型箱的内部在竖直方向分隔形成砂箱和水箱，所述砂箱位于模型箱的中部，所述水箱位于砂箱的两侧；

所述砂箱左侧板和砂箱右侧板上设置有渗水孔，所述渗水孔连通砂箱和水箱；

所述模型箱顶盖布设有注药井插入孔、排气管插入孔；

所述注药井插入孔连通砂箱；

所述排气管插入孔通过排气管将连通砂箱和外部的尾气处理装置，所述排气管上设置止气夹；

所述砂箱前侧板布设取样孔，所述取样孔连通砂箱，所述取样孔上设有橡胶塞；

所述模型箱底板布设曝气口、泄水阀；

所述曝气口与砂箱连通，曝气口通过进气管与压缩气体瓶相连；

所述泄水阀连通水箱；

所述砂箱的左右两侧布设溢流软管；

所述加水漏斗、溢流水箱、蠕动泵均设置在模型箱外部；

所述位于砂箱右侧的水箱的侧边在竖直方向设置多个水管接头，加水漏斗通过水管接头连通水箱；

所述溢流水箱用于收集溢流管的出水；

所述蠕动泵通过水管将溢流水箱中的溶液抽注到加水漏斗中。

2.根据权利要求1所述的兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，其特征在于：所述砂箱的内部设有注药井，所述注药井从注药井注入孔插入砂箱中。

3.根据权利要求1所述的兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，其特征在于：所述模型箱底板的底部安装滑轮。

4.根据权利要求1至3所述的兼备淋洗与曝气功能的二维模型箱，提出一种淋洗与曝气协同修复模型试验的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、打开模型箱顶盖，向砂箱中填筑粉质黏土，关闭模型箱顶盖，并将模型箱移入通风橱中；

步骤2、关闭模型箱的所有曝气口、排气管、泄水阀，打开左侧水箱、右侧水箱上连接加水漏斗的水管接头上的水阀，向加水漏斗中注入含挥发性有机物及重金属的水溶液，直至溢流软管有水溶液溢出，停止注入水溶液，静置砂箱，使粉质黏土在水溶液中充分饱和；

步骤3、关闭右侧水箱上所有水管接头上的水阀，拆下右侧水箱上连接的加水漏斗，在右侧水箱上的任一水管接头上连接溢流管，并打开其上的水阀，启动蠕动泵，使得水箱和砂箱中的水溶液循环流动，并调节蠕动泵的流速使左右两侧的水箱保持固定的水头差，此时通过取样孔取砂箱中的水样并检测其中的有机物浓度和重金属浓度；

步骤4、通过注药井向砂箱中注入淋洗剂，定时从取样孔中取水样，测定水样中的淋洗剂浓度、有机物浓度和重金属浓度；

步骤5、在步骤4中，当砂箱最左侧的取样孔采集到的水样中检测到淋洗剂时，打开排气管上的止气夹，打开与曝气口相连的压缩气体瓶的开关，启动曝气，定时从取样孔上取水样，测定水样的淋洗剂浓度、有机物浓度、重金属浓度和溶解氧值，同时观察气泡在砂箱中的运移过程；

步骤6、当所取水样中的有机物浓度为0且重金属的浓度保持不变时，关闭压缩气体瓶的开关，停止曝气；

步骤7、分析采集的数据，得出结论；

步骤8、清洗模型箱及模型箱的各个部件，以备下次使用。

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