CN114062637A - 一种多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，包括装置主体、供液装置和废水回收与处理装置；所述供液装置由配液池、抽水泵、上游入水管和上游溢流管组成，所述上游溢流管包括一总管，总管连接有若干个不同高度的上游排水管，上游排水管与上游水槽的一侧面连通，上游排水管上安装有阀门；下游水槽的底部开设有下游排水管，下游排水管为软管，与下游水槽形成U形管效应，下游排水管最高处设有裂口。本发明能够根据水力梯度要求，灵活调控上下游水位高差，监测污染羽的三维时空分布状况，研究地下水原位注射技术、可渗透反应墙技术、水力调控技术对污染地下水的修复效果。

Description

一种多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置及应用

技术领域

本发明属于污染地下水修复技术领域，具体涉及一种多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置及应用。

背景技术

地下水作为支撑经济社会可持续发展的重要战略资源，在维护经济社会健康发展等方面发挥着不可替代的作用。然而，随着经济社会发展和工业化进程推进，地下水石油烃污染问题日益突出。石油作为工业的“血液”，是国民经济发展的重要基础性能源，在化工生产中广泛使用。在生产运输的过程中，由于“跑冒滴漏”、生产事故以及污水、废弃物的排放等诸多原因，石油烃污染物无法避免会进入到地下水系统中，从而造成地下水环境污染，严重威胁人们的生产生活。因此，污染地下水的治理已经成为我国必须面临的环境、经济和社会问题。目前，去除地下水中石油烃污染物的方法主要有抽出处理、空气扰动、原位化学氧化、可渗透反应墙等技术，但这些技术往往需要注入大量化学试剂，施工及长期运维成本高，对于污染修复后期出现的拖尾或反弹现象效果并不理想。近年来，原位生物修复因其对场地扰动小、修复成本低，环境友好等优点而受到广泛关注。

专利1(CN201210501869.5)公开了地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，装置包括渗流槽、进出水缓冲槽、供水装置和液体回收瓶，渗流槽分别通过多孔布水隔板与进、出水缓冲槽连通，出水缓冲槽外侧设带阀门的排水孔；渗流槽上游设一排注射井，槽内设若干监测井，监测井内装水质分析探头；渗流槽和进出水缓冲槽顶部设密封顶板，顶板上设进、排气孔；渗流槽侧壁上设测压管。试验方法包括：装填介质、饱水、泵入污染地下水、加入药剂模拟原位化学和生物修复过程。专利2(CN 103336100A)公开了地下水污染过程及污染修复一体化模拟装置，该装置包括模拟槽，分为前部分箱体和后部分箱体，前部分箱体和后部分箱体的一侧均为敞开端，渗透反应墙安装在两个箱体的敞开端之间，渗透反应墙对应两个箱体的敞开端的两侧面设置有垂直排列的取样孔；所述两个箱体的敞开端为凹型卡槽，以抽插钢制阻挡板；模拟槽两边的侧壁分别设有取样孔和监测孔；两个箱体的另一侧分别设有上游水箱和下游水箱，上游水箱和下游水箱与箱体之间分别安装有多孔板；上游水箱的外侧壁底部设有进水孔，下游水箱的外侧壁设有垂直排列且高度不同的溢水孔，在下游水箱的外侧壁底部设有止水阀门。专利3(CN203033844U)公开了地下水污染原位修复模拟装置，该装置包括进水槽、出水槽，设置于进水槽和出水槽之间的前置多孔介质模拟槽和后置多孔介质模拟槽，进水槽与前置多孔介质模拟槽之间设置有固定透水墙壁，进水槽与出水槽之间设置有五个固定插槽，最后一个固定插槽内插装有透水墙体形成后置多孔介质模拟槽和出水槽之间的隔离透水墙壁，另外四个固定插槽中的任意两个插装有透水墙体形成两个活动透水墙壁，两个活动透水墙壁之间为反应墙体。本实用新型可以缩小受污染地下水原位修复模拟环境与实际环境之间的差距，真实地反映地下水污染原位修复状况，能够为地下水污染原位修复技术的工程应用提供客观的理论参考。上述现有技术存在以下问题：

(1)上游水位难以多级固定水位高度。如果上游入水流量大于砂箱渗流流量，则会导致上游水位不断升高；若入水流量小于砂箱渗流流量，上游水位则会下降。难以固定上游水位高度，或无法根据需要在不同高度固定水位。

(2)下游水位无法灵活调节。下游排水口多按照固定间距布设，若下游目标水位高度在2个出水口之间，则难以实现。水位高度仅能实现跳跃性调节，无法实现连续调节。

(3)现有监测井难以监测污染羽的三维时空分布。专利2、3砂箱的侧向取样孔只能监测污染物在含水层中的纵向二维分布；专利1布设的监测井可以监测横向和纵向的污染分布情况，但是为监测多个深度的水质，该装置在每个深度各布设了1个监测井，存在浪费材料、占据空间等问题，增加对地下水渗流扰动，影响准确性。

(4)现有装置只能模拟原位注射技术(专利1)或可渗透反应墙技术(专利2、3)对污染物的修复效果，无法验证复合技术的修复效果。

(5)现有装置无法开展抽注实验，模拟地下水天然流场叠加人工水力调控对污染羽的控制效果以及对修复剂有效组分迁移的加速作用。

(6)现有装置下游未配备废水处理装置。为模拟地下水的迁移过程，装置中的水始终处于流动状态，实验将产生大量废水。

发明内容

本发明提供了一种多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，能够根据水力梯度要求，灵活调控上下游水位高差，监测污染羽的三维时空分布状况，模拟污染物在含水层介质中的迁移、吸附等地球化学行为，研究地下水原位注射技术、可渗透反应墙技术、水力调控技术对污染地下水的修复效果。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，包括装置主体、供液装置和废水回收与处理装置；

所述装置主体包括依次连通的上游水槽、砂箱和下游水槽，所述砂箱内填充有填充介质，所述砂箱的进水侧面与上游水槽通过滤水板连通，所述砂箱的出水侧面与下游水槽通过滤水板连通；

所述供液装置由配液池、抽水泵、上游入水管和上游溢流管组成，所述上游入水管与上游水槽的顶部连接，所述抽水泵将配液池内的液体经由上游入水管进入上游水槽中；所述上游溢流管包括一总管，总管连接有若干个不同高度的上游排水管，不同高度的上游排水管与上游水槽的一侧面连通，所述上游排水管上安装有阀门；

所述下游水槽的底部开设有孔洞，孔洞密封连接有下游排水管；所述下游排水管为软管，与下游水槽形成U形管效应，下游排水管最高处设有裂口；所述下游排水管的出水口位于废水回收与处理装置的上方；

所述砂箱内垂直设有可渗透反应墙以及若干个监测井和若干个注入井；所述监测井内纵向设有若干个筛管和水泥，筛管和水泥交替设置，水泥密封和阻隔各筛管；所述监测井中内含多根取样管，取样管从井口处直通筛管，取样管的顶部设有三通阀，每个取样管直通不同的筛管，所述水泥固定所述取样管；所述若干个注入井包括第一注入井，所述第一注入井位于砂箱靠近上游水槽一侧的中部，其余注入井均匀分布在靠近上游水槽的砂箱左部、砂箱中部和靠近下游水槽的砂箱右部。

本发明通过供液装置以及废水回收与处理装置的结构设计，可灵活、快速调节下游水位高度及上下游水位差，有利于稳定流场调控。上游的排水管阀门，控制各排水管的开关，将上游水位控制在固定高度；下游排水管为软管，可任意调节高度，与下游水槽形成U形管，控制下游水位，排水管最高处设有裂口，与大气联通，防止虹吸。本发明监测井的结构设计，可在1个监测井中分层取样，实现了对污染羽三维时空分布的刻画。污染羽，指污染物在环境介质中的迁移包括对流扩散、机械弥散和分子扩散等作用，在这些的共同作用下，污染物的分布往往呈由排放点发散的带状。同时，密封的监测井井口以及带有三通阀的取样管，简化了监测过程，使用无针注射器即可洗井与采样，最大程度地降低了具有挥发性的污染物的挥发损失，提高了监测准确度。

在本发明中，优选地，所述滤水板表面密布小孔，水可通过滤水板的小孔进出砂箱，同时小孔阻隔砂土，防止坍塌和流出。

在本发明中，优选地，所述监测井均匀分布在砂箱内，多列横向排列，监测井的数量为15-18个。

在本发明中，优选地，所述上游入水管安装有流量计。设置流量计，能够更好地控制上游水槽的水量。

具体地，所述砂箱顶部设有密封盖，所述密封盖可打开关闭。

在本发明中，优选地，所述第一注入井位于砂箱靠近上游水槽一侧的中部，其余注入井多列横向排列分布于砂箱内。多个注入井的设置和位置排列，使本发明的模拟装置可用于多种应用场景。本发明中的注入井可作为注入井、污染投加井、水位监测井以及抽水井进行使用。

具体地，所述注入井的井管壁在水位以下全部为筛管结构，井顶部连接有井盖。

具体地，所述可渗透反应墙设置在靠近下游水槽的一侧，可渗透反应墙内填充有反应性介质。所述可渗透反应墙包括可渗透反应格栅。

具体地，所述废水回收与处理装置将废水处理后获得的净水再通过蠕动泵回收到所述供液装置。

本发明所述的多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置应用于模拟污染物在含水层介质中的迁移、吸附，以及应用于研究地下水原位注射技术、可渗透反应墙技术、水力调控技术对污染地下水的修复效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本装置可灵活、快速调节下游水位高度及上下游水位差，有利于稳定流场调控。

(2)本装置可模拟不同的污染场景，通过向注入井中投加污染物，模拟污染物在地下水中的迁移、扩散、吸附等行为；通过向上游水槽中注入配制好的污染地下水溶液，又可模拟均匀、稳定的污染环境，便于评估修复技术的影响范围和修复效果。

(3)本装置可在1个监测井中分层取样，实现了对污染羽三维时空分布的刻画。同时，密封的监测井井口以及带有三通阀的取样管，简化了监测过程，使用无针注射器即可洗井与采样，最大程度地降低了具有挥发性的污染物的挥发损失，提高了监测准确度。

(4)本装置可模拟原位注射技术、可渗透反应墙技术等多种修复技术或联合技术对污染物的修复效果。

(5)本装置可开展抽水实验，通过水位监测井监测各点位水位变化，刻画降水漏斗，判断影响范围。

(6)本装置模拟地下水天然流场叠加人工水力调控对污染羽的控制效果以及对修复剂有效组分迁移的加速作用。

(7)本装置下游配备了废水处理与回收装置，全套模拟系统能够在满足地下水研究工作的同时，实现污染零排放。

附图说明

图1为本发明多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置的侧视图。

图2为本发明中的砂箱布井点位示意图。

图3为本发明中的滤水板的结构示意图。

图4为本发明的监测井的结构示意图。

图5为本发明的注入井的结构示意图。

图6为本发明具体使用示例时砂箱结构尺寸示意图。

图7为本发明具体使用示例时砂箱布井点位示意图。

图8为2#砂箱苯分布图。

图9为3#砂箱苯分布图。

图10为4#砂箱苯分布图。

图11为4#砂箱水力调控前后水位变化图；a：调控前，b：调控后。

其中，

1—砂箱；

2—填充介质；可为任何类型的砂土，模拟包气带和含水层；

3—监测井；在不同深度设有筛管31和水泥32，水泥密封、阻隔各筛管，实现可分层监测。井中内含多根取样管33，从井口直通筛管层位，井中水泥32对取样管33起到固定作用，取样管33的顶部设有三通阀34；

4—注入井；水位以下井管壁全部为筛管结构，其中41-第一注入井，42-第一列注入井，43-其余列注入井；

5—滤水板；表面密布小孔，水可通过滤水板进出砂箱，同时阻隔砂土，防止坍塌和流出；

6—上游排水管；上游水槽高于管口的水可通过上游排水管回流；

7—阀门；控制各上游排水管的开关，将上游水位控制在固定高度；

8—配液池；

9—抽水泵；

10—上游入水管；

11—流量计；

12—可渗透反应墙；

13—反应性介质；

14—下游排水管；为软管，可任意调节高度，与下游水槽形成U形管，控制下游水位，下游排水管最高处设有裂口，与大气联通，防止虹吸；

15—废水回收与处理装置；根据装置内的污染物，针对性填充活性炭、零价铁、离子反应树脂等吸附剂，去除砂箱下游废水中的污染物；

16—上游水槽；

17—下游水槽；

18—总管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例和附图，对本发明进一步详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例。

实施例1

如图1所示，

一种多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，包括装置主体、供液装置和废水回收与处理装置15。

所述装置主体包括依次连通的上游水槽16、砂箱1和下游水槽17，所述砂箱1内填充有填充介质2，所述砂箱1的进水侧面与上游水槽16通过滤水板5连通，所述砂箱1的出水侧面与下游水槽17通过滤水板5连通；所述砂箱1顶部设有密封盖，所述密封盖可打开关闭。

所述供液装置由配液池8、抽水泵9、上游入水管10和上游溢流管组成，所述上游入水管10与上游水槽16的顶部连接，上游入水管10安装有流量计11。所述抽水泵9将配液池8内的液体经由上游入水管10进入上游水槽16中。所述上游溢流管包括一总管18，总管18连接有若干个不同高度的上游排水管6，不同高度的上游排水管6与上游水槽16的一侧面连通，所述上游排水管6上安装有阀门7。

所述下游水槽17的底部开设有孔洞，孔洞密封连接有下游排水管14；所述下游排水管14为软管，与下游水槽17形成U形管效应，下游排水管14的最高处设有裂口；所述下游排水管14的出水口位于废水回收与处理装置15的上方；所述废水回收与处理装置15将废水处理后获得的净水再通过蠕动泵回收到所述供液装置。

如图1、图2所示，所述砂箱1内垂直设有可渗透反应墙12以及15个监测井3和15个注入井4；所述可渗透反应墙12设置在靠近下游水槽17的一侧，可渗透反应墙12内填充有反应性介质13。15个监测井按照3个一列分为5列，均匀分布在砂箱内。所述注入井中，包括第一注入井41，所述第一注入井41位于砂箱靠近上游水槽一侧的中部，其余注入井多列横向排列分布于砂箱内，具体分布在靠近上游水槽的砂箱左部、砂箱中部和靠近下游水槽的砂箱右部，其中第一列注入井42，共5个注入井，可作为修复剂投加井，其余列注入井43每列3个。本发明多个注入井的设置和位置排列，使本发明的模拟装置可用于多种应用场景。本发明中的注入井可作为注入井、污染投加井、水位监测井以及抽水井进行使用。

如图3所示，所述滤水板5的表面密布小孔，水可通过滤水板的小孔进出砂箱，同时小孔阻隔砂土，防止坍塌和流出。

如图4所示，所述监测井3内纵向设有若干个筛管31和水泥32，筛管31和水泥32交替设置，水泥32密封和阻隔各筛管31；所述监测井3中内含多根取样管33，取样管33从井口处直通筛管，取样管的顶部设有三通阀34，每个取样管直通不同的筛管，所述水泥固定所述取样管；

如图5所示，所述注入井的井管壁在水位以下全部为筛管结构，井顶部连接有井盖。

具体使用示例

搭建4个开顶式铁箱，编号分别为1#～4#。铁箱内部尺寸：长5898mm/宽2352mm/高2393mm，箱体底部按照集装箱设计，预留凹槽，便于叉车搬运。箱体4个侧面外部横向、纵向加固，满足盛放满箱水和土的压力需求。

在箱体宽2352mm×高2393mm的一个侧面自上而下打一纵列10个圆孔，孔径为100mm，相邻两孔圆心距20cm，每个孔安装吨桶阀门，作为上游排水管；另一侧底部打一个圆孔，孔径为100mm，安装下游排水管。在箱体内面ABCD和面abcd处各加设1块挡板，挡板为钢板，厚度0.5-1cm，钢板开孔，孔径2-3cm，布孔方式如图6所示。挡板加内支撑加固。挡板距离外侧面的距离300mm。

4个砂箱中的填充介质分别为纯砂(1#)，纯砂、红壤3:1混合(2#～4#)，砂土高度为2m。4个铁箱的污染投加井/注入井、修复剂投加井、水质监测井、水位监测井、可渗透反应格栅布设如图7所示。各类井的材质均为PVC管，长度为2.3m，管径为5cm。其中污染投加井/注入井、修复剂投加井、水位监测井结构相同，井管底部用切割机或电钻刻为筛管状，筛管结构高度为2m，外覆100目尼龙网以防止砂土淤积井管；水质监测井底部为3个筛管结构与水泥隔板互层，筛管与水泥隔板高度均为20cm，各层筛管中布有PE材质取样管，取样管顶部高于井口，并配有三通阀(结构示意如图4、图5)。可渗透反应格栅由两块开孔的挡板钢板支撑，两板间隔15cm，其中可根据实验需要填充各类活性材料。

实验方法为打开上游水泵，关闭下部5个上游排水管的阀门，液面保持在阀门为打开状态的第6个上游排水管底部，即高1m处，过量的水可通过该上游排水管排入配液池。下游排水管最高处固定在0.9m处，经过两天的运行，装置内模拟地下水流场达到稳定。经过测定，各类砂土介质渗透系数如下表。

表1

砂箱	1#	2#	3#	4#
					介质类型	纯砂	砂土3:1混合	砂土3:1混合	砂土3:1混合
上游水位(cm)	100	100	100	100
					下游水深(cm)	90	90	90	90
出水流量(mL/s)	8.42	2.39	2.34	2.38
					渗透系数(m/d)	34.21	9.73	9.51	9.66

流场达到稳定后，在2#、3#、4#砂箱污染投加井中注入3L苯溶液，浓度为600mg/L，模拟点源污染扩散、迁移、修复的情况。其中，在3#、4#砂箱的修复剂投加井中各投入3L假单胞菌菌剂和2kg过氧化钙缓释氧化剂，在3#、4#砂箱的可渗透反应格栅中填充过氧化钙缓释氧化剂和生物炭，并在4#砂箱中进行水力调控，即从抽水井中以193ml/min的流速抽取地下水注入砂箱上游注入井中，以控制苯的迁移范围，同时加速地下水流动，促进修复剂与污染物的充分接触与反应。废水回收与处理装置中填充活性炭、生物炭，过滤处理后的废水经测定苯含量低于检出限(0.0014mg/L)，遂通过蠕动泵注入配液池中循环利用。

投加后按照一定时间间隔用水位尺监测3个砂箱的水位监测井中的水位高度，从3个砂箱的水质监测井中取样，装入40ml棕色样品瓶中保存，通过实验室的气相色谱质谱仪进行分析。苯在3个砂箱中的时空分布规律如图8-10所示，图8为苯在2#砂箱中的时空分布规律，图9为苯在3#砂箱中的时空分布规律，图10为苯在4#砂箱中的时空分布规律。水力调控前后水位高度差变化如图11所示。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，其特征在于，包括装置主体、供液装置和废水回收与处理装置；

所述装置主体包括依次连通的上游水槽、砂箱和下游水槽，所述砂箱内填充有填充介质，所述砂箱的进水侧面与上游水槽通过滤水板连通，所述砂箱的出水侧面与下游水槽通过滤水板连通；

所述供液装置由配液池、抽水泵、上游入水管和上游溢流管组成，所述上游入水管与上游水槽的顶部连接，所述抽水泵将配液池内的液体经由上游入水管进入上游水槽中；所述上游溢流管包括一总管，总管连接有若干个不同高度的上游排水管，不同高度的上游排水管与上游水槽的一侧面连通，所述上游排水管上安装有阀门；

所述下游水槽的底部开设有孔洞，孔洞密封连接有下游排水管；所述下游排水管为软管，与下游水槽形成U形管效应，下游排水管最高处设有裂口；所述下游排水管的出水口位于废水回收与处理装置的上方；

所述砂箱内垂直设有可渗透反应墙以及若干个监测井和若干个注入井；所述监测井内纵向设有若干个筛管和水泥，筛管和水泥交替设置，水泥密封和阻隔各筛管；所述监测井中内含多根取样管，取样管从井口处直通筛管，取样管的顶部设有三通阀，每个取样管直通不同的筛管，所述水泥固定所述取样管；所述若干个注入井包括第一注入井，所述第一注入井位于砂箱靠近上游水槽一侧的中部，其余注入井均匀分布在靠近上游水槽的砂箱左部、砂箱中部和靠近下游水槽的砂箱右部。

2.根据权利要求1所述多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，其特征在于，所述滤水板表面密布小孔，水可通过滤水板的小孔进出砂箱，同时小孔阻隔砂土。

3.根据权利要求1所述多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，其特征在于，所述监测井均匀分布在砂箱内，多列横向排列，监测井的数量为15-18个。

4.根据权利要求1所述多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，其特征在于，所述上游入水管安装有流量计。

5.根据权利要求1所述多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，其特征在于，所述砂箱顶部设有密封盖，所述密封盖可打开关闭。

6.根据权利要求1所述多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，其特征在于，所述第一注入井位于砂箱靠近上游水槽一侧的中部，其余注入井多列横向排列分布于砂箱内。

7.根据权利要求1所述多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，其特征在于，所述注入井的井管壁在水位以下全部为筛管结构，井顶部连接有井盖。

8.根据权利要求1所述多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，其特征在于，所述可渗透反应墙设置在靠近下游水槽的一侧，可渗透反应墙内填充有反应性介质。

9.根据权利要求1所述多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置，其特征在于，所述废水回收与处理装置将废水处理后获得的净水再通过蠕动泵回收到所述供液装置。

10.权利要求1～9任一所述的多功能地下水污染扩散及原位修复模拟装置应用于模拟污染物在含水层介质中的迁移、吸附，以及应用于研究地下水原位注射技术、可渗透反应墙技术、水力调控技术对污染地下水的修复效果。

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