CN114230025A - 一种用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修复简易填埋场壤中流污染的小型可渗透反应屏障系统及方法，包括可渗透反应砖单元和支撑可渗透反应砖单元的骨架单元，可渗透反应砖单元包括高、低渗透系数可渗透反应砖，所述骨架单元包括金属网和尼龙网，所述金属网支撑设置在可渗透反应砖外围，所述金属网外附尼龙网；可渗透反应砖单元由活性炭、陶粒、沸石、膨胀珍珠岩、硅酸盐水泥、石英砂等材料压制而成，养护后微生物挂膜。高、低渗透系数可渗透反应砖照间距/厚度比值为6并列布设于壤中流集水池中或垒砌于土壤中。本发明适用于山地丘陵地区村镇简易填埋场壤中流污染修复，具有针对性高、投资低、效果好、运行维护简单等优点。

Description

一种用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统 及方法

技术领域

本发明属于水污染控制技术领域，涉及简易填埋场壤中流的原位净化方法，具体涉及一种用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统及方法。

背景技术

随着我国“乡村振兴”战略的实施，开展农村环境污染整治与修复，打造绿色宜居村镇越发受到重视。简易填埋场是村镇地区典型的点源污染，目前我国村镇地区排查出的简易填埋场有两万余座。垃圾在填埋场中降解周期极长，前期报道发现，即使停止服役近20年，简易填埋场依然会向周边环境中释放污染物。因此开展简易填埋场污染修复具有重要性和必要性。

原位修复具有针对性强、投资运行成本低、环境扰动小等优势，被广泛用于地表、地下水、渗滤液等修复。其中，可渗透反应屏障技术(permeable reactive barrier，PRB)是原位修复技术中应用最广的一种技术(吕本儒,吴巍,李银光等.可渗透反应墙,CN109179528A[P].2019.)。公开号为CN 213506470 U的中国专利公开了一种原位修复地下水的可渗透反应屏障；公开号为CN 106629914 A的中国专利公开了一种原位修复重金属污染溪流的可渗透反应装置；公开号为CN 206476899 U的中国专利公开了一种原位修复汞污染农田的可渗透反应墙；公开号为CN 213085761 U的中国专利公开了一种原位修复渗滤液的可渗透反应墙，各专利均取得了较好的原位修复效果。但应用于简易填埋场壤中流修复的可渗透反应墙还未见报道。

山地丘陵地区，表层土壤较薄，下方母岩渗透系数急剧减少，降雨后在表土与母岩的界面会产生壤中流。它们顺着地形坡度流动，会将填埋场污染从点源扩散到广阔的面源，且其水质水量与传统地表、地下水具有很大差别。水质方面，简易填埋场壤中流以COD和总氮为主，水质随季节波动大、碳氮比可低至2.0以下，总氮中以有机氮(53.27％)、硝态氮(32.28％)为主要成分；水量方面，壤中流产流极度依赖降雨，全年尺度上为间歇产流，产流时段主要集中在雨季，因此呈现干湿交替特性。鉴于此，开发面向简易填埋场壤中流原位修复的可渗透反应屏障系统具有必要性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统；本发明的目的之二在于提供一种使用所述小型可渗透反应屏障系统修复简易填埋场壤中流的方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统

包括可渗透反应砖单元和支撑可渗透反应砖单元的骨架单元；可渗透反应砖单元包括高渗透系数可渗透反应砖(5)和低渗透系数可渗透反应砖(6)；所述骨架单元包括金属网(7)和尼龙网(8)，所述金属网(7)支撑设置在高渗透系数可渗透反应砖(5)或低渗透系数可渗透反应砖(6)外围，所述金属网外附尼龙网(8)；

所述高渗透系数可渗透反应砖由下述重量份的填料混合压制而成：：

17～21份活性炭粒径1～2mm 11～13份陶粒粒径1～3mm

14～17份沸石粒径0.5～1mm 8～9份膨胀珍珠岩粒径1～3mm

33～40份硅酸盐水泥 1～17份石英砂粒径2～4mm

所述低渗透系数可渗透反应砖由下述重量份的填料混合压制而成：：

17～21份活性炭粒径1～2mm 11～13份陶粒粒径1～3mm

14～17份沸石粒径0.5～1mm 8～9份膨胀珍珠岩粒径1～3mm

33～40份硅酸盐水泥

本发明优选的，小型可渗透反应屏障系统的构建方式为：每层反应砖为一级，两级反应砖为一组，每组反应砖与骨架单元为一子系统，前两级高渗透反应砖与骨架单元构成高渗透反应屏障子系统，后两级低渗透反应砖与骨架单元构成低渗透反应屏障子系统，高、低渗透反应屏障子系统并列布设。

本发明进一步优选的，高、低渗透反应屏障子系统之间的间距/厚度比值为6。

本发明优选的，所述高、低渗透系数可渗透反应砖的制作方法为：将所述填料按比例混合均匀，送入振动型制砖机加压振动制成反应砖，成型后养护2～3d，即可投入使用。

本发明优选的，所述可渗透反应砖规格为300mm×200mm×40mm。

本发明优选的，所述金属网为40目铁网，所述尼龙网为100目纱网。

2、使用所述小型可渗透反应屏障系统修复简易填埋场壤中流的方法，包含如下步骤：

(1)将高、低渗透系数可渗透反应砖进行微生物挂膜处理；

(2)按照需阻控修复的简易填埋场场地的尺寸裁取金属网作为骨架，将经过微生物挂膜处理后的高、低渗透系数可渗透反应砖分别置于金属网中，并在金属网上覆尼龙网构建成一个完整的小型可渗透反应屏障系统；

(3)将简易填埋场周边埋入隔水屏障材料，使壤中流污染羽集中，隔水屏障材料底端需嵌入渗透系数极低的母岩中，保证壤中流污染羽可被完全导流；在污染羽集中处开挖，将小型可渗透反应屏障系统按所述构建方式垒砌于土壤中；或在污染羽集中处设置集水池，将小型可渗透反应屏障系统按所述构建方式放置于集水池中，污染壤中流渗过小型可渗透反应屏障系统，反应砖中的吸附填料和微生物能有效去除壤中流中的总氮和COD，从而对污染壤中流产生净化作用。

本发明优选的，步骤(1)中，所述微生物挂膜为：当高、低渗透系数可渗透反应砖用于放置在简易填埋场壤中流集水池中使用时，采用间歇式曝气的方法接种微生物；当高、低渗透系数可渗透反应砖用于垒砌在壤中流污染羽集中处的土壤中使用时，采用浸泡高浓度菌液的方式接种微生物。

本发明进一步优选的，所述间歇式曝气的方法接种微生物为：将功能菌液活化后稀释倍数加入挂膜容器中，再加入养护后的高、低渗透系数可渗透反应砖，曝气时菌液溶解氧保持在4mg/L以上，持续12h后结束曝气，待菌液溶解氧降低至0.5mg/L后，维持12h，再进行下一次曝气；每隔3d更换一次挂膜容器中的水，每次排出约1/4的水量，并补入相同水量的壤中流，同时按照投加比补充菌液，监测菌液总氮及COD去除率，5d内均保持稳定，则挂膜完成。

本发明进一步优选的，所述浸泡高浓度菌液的方式接种微生物为：将养护后的高、低渗透系数可渗透反应砖加入活化后的微生物菌液中，浸泡48h后作为小型可渗透反应砖单元投入使用。

本发明优选的，步骤(1)中，所述微生物为氨化或/和硝化或/和反硝化的高效功能菌，包括但不限于芽孢杆菌属、微球菌属、乙酸钙不动杆菌、絮凝菌中一种或者多种复合的脱氮菌。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明能经济有效地去除简易填埋场壤中流总氮、COD污染，能适用于干湿交替的环境；可改善周边水环境安全，切实助力生态文明建设，改善人居生态环境；

(2)本发明通过材料筛选、改良屏障渗透系数和布设方式缓解了生物可渗透反应屏障易堵的问题，降低了运行维护成本。同时，本发明的可渗透反应屏障渗透系数较大，能够适应多种土壤类型；

(3)本发明和常用砖尺寸相近，易于运输，还可灵活组合以更改反应屏障系统尺寸和形状，便于安装，更能适用于地区规模小、分散性强的情况。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的原位修复壤中流的小型可渗透反应屏障系统布设示意图；

图2为本发明原位修复壤中流的小型可渗透反应砖实施示意图；

图3为本发明的原位修复壤中流小型可渗透反应砖示意(A)及实物图(B)；

附图标记说明：

1-简易填埋场；2-隔水屏障材料；3-受污染壤中流；4-小型可渗透反应屏障系统；5-高渗透系数可渗透反应砖；6-低渗透系数可渗透反应砖；7-金属网；8-尼龙网。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。本发明所用到的原料均有市售卖。

实施例1：

本实施例直接将本系统按布设方式置于盛有简易填埋场污染壤中流的容器中进行污水净化，以模拟简易填埋场设置集水池收集污染壤中流的场景，具体实施方法按如下步骤：

步骤一：高、低渗透系数反应砖制作

本实施例采用高渗透系数反应砖(5)具体配比为17份粒径1～2mm活性炭，11份粒径1～3mm陶粒，14份粒径0.5～1mm沸石，8份粒径1～3mm膨胀珍珠岩，33份硅酸盐水泥，17份粒径2～4mm石英砂。低渗透系数反应砖(6)系统，反应砖单元由21份粒径1～2mm的活性炭，13份粒径1～3mm的陶粒，17份粒径0.5～1mm的沸石，9份粒径1～3mm的膨胀珍珠岩，40份硅酸盐水泥组成。

所有填料经搅拌机混匀后采用振动型制砖机加压振动成型(激震力68KN，震动时间10s/次)，制成规格为300mm×200mm×40mm的反应砖，经养护后投入使用。

步骤二：微生物挂膜培养

本实施例采用间歇式曝气的微生物挂膜法进行微生物挂膜培养。

具体的，将功能菌液活化后按投加比(具体活化方式及投加比视菌种而定)加入挂膜容器中，再加入养护后的可渗透反应砖(5，6)。

反应砖(5，6)可接种氨化、硝化、反硝化的高效功能菌如芽孢杆菌属、微球菌属、乙酸钙不动杆菌、絮凝菌等复合脱氮菌。

进一步，菌液采用间歇式曝气，以驯化功能菌适应好氧和缺氧环境。

具体的，曝气时菌液溶解氧保持在4mg/L以上，持续12h后结束曝气。待菌液溶解氧降低至0.5mg/L后，维持12h，再进行下一次曝气。

进一步，每隔3d更换一次挂膜容器中的水，每次排出约1/4的水量，并补入相同水量的壤中流。同时，按照投加比补充菌液。监测菌液总氮及COD去除率，5d内均保持稳定，则挂膜完成。

步骤三：系统构建

将完成挂膜后的反应砖单元按布设方式放入容器中。

具体的，每层反应砖为一级，两级反应砖为一组，每组反应砖与骨架单元为一系统。布设方式为前两级高渗透反应砖(5)与骨架单元为一组高渗透反应屏障系统，后两级低渗透反应砖(6)与骨架单元为一组低渗透反应屏障系统。前后两系统并列布设，而两系统之间按照间距/厚度比值为6布设。

步骤四：壤中流修复

污染壤中流渗过可渗透反应屏障系统，系统将对污染壤中流产生净化作用。每日更换污水(8L)，测定装置水力停留时间为3d的去染污去除效果。

经验证，系统将发挥较强的去除污染物的能力，系统进水COD为100～200mg/L，TN为45～70mg/L时，总氮平均去除率68.78％，COD平均去除率为73.3％，出水水质满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)标准。

实施例2：

本实施例为采用本发明修复模拟简易填埋场装置内壤中流，具体实施方法按如下步骤进行：

步骤一：高、低渗透系数反应砖制作

具体的，高渗透系数反应砖(5)具体配比为21份粒径1～2mm的活性炭，13份粒径1～3mm的陶粒，17份粒径0.5～1mm的沸石，9份粒径1～3mm的膨胀珍珠岩，40份硅酸盐水泥，17份粒径2～4mm的石英砂。低渗透系数可渗透反应砖(6)具体配比为17份粒径1～2mm的活性炭，11份粒径1～3mm的陶粒，14份粒径0.5～1mm的沸石，8份粒径1～3mm的膨胀珍珠岩，33份硅酸盐水泥。

进一步，所有填料按照配比在搅拌机内混合均匀后，采用振动型制砖机加压振动成型(激震力68KN，震动时间10s/次)，制成规格为300mm×200mm×40mm的反应砖，经过养护后投入使用。

步骤二：微生物挂膜培养

本实施例采用浸泡高浓度菌液的微生物挂膜法进行微生物挂膜培养。

具体的，将养护后的可渗透反应砖(5，6)加入活化后的微生物菌液中(具体活化方式视菌种而定；菌液浓度为活化浓度即高浓度菌液，而非投加浓度)，浸泡48h后作为可渗透反应砖单元投入使用。

步骤三：系统构建

按照需阻控修复场地的尺寸裁取金属网(7)作为反应砖单元骨架(本实施例裁取金属网尺寸为长×高＝0.5m×0.6m)，将反应砖置于其中，并在金属网上覆尼龙网(8)组成一完整系统。

具体的，反应砖布设级数为四级，布设方式为前两级为一组系统，后两级为一组系统。前后两系统并列布设，而两系统之间按照间距/厚度比值为6布设，前一组系统为高渗透系数反应砖(5)，后一组系统为低渗透系数反应砖(6)。

步骤四：壤中流修复

由于模拟装置为独立装置，装置边壁与隔水屏障(2)相似，可达到汇集壤中流目的，因此不需在装置内部再次埋入隔水屏障(2)。

进一步，将可渗透反应屏障系统按步骤三构建方法垒砌于模拟装置壤中流汇集处土壤中。

进一步，降水产生壤中流后，污染壤中流渗过反应屏障系统，反应层中的吸附填料和微生物将有效去除壤中流中的总氮和COD。

具体的，随降雨频次增加，模拟简易填埋场中产生的壤中流浓度逐渐降低，初期壤中流水质COD为100～120mg/L，TN为106～120mg/L；后期壤中流水质COD为20～50mg/L，TN为25～44mg/L。不同污染程度下，本系统均有较好的修复效果。

经验证，系统将发挥较强的去除污染物的能力，系统进水COD为100～120mg/L，TN为106～120mg/L时，总氮平均去除率70.50％，COD平均去除率为67.50％；系统进水COD为20～50mg/L，TN为25～44mg/L时，系统对污染壤中流中COD具有52.09％的去除率，总氮具有50.33％的去除率。出水水质均能满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)标准。

实施例3：

本实施例为采用本发明修复四川某村镇简易填埋场壤中流，具体实施方法按如下步骤进行：

步骤一：高、低渗透系数反应砖制作

具体的，高渗透系数反应砖(5)具体配比为21份粒径1～2mm的活性炭，13份粒径1～3mm的陶粒，17份粒径0.5～1mm的沸石，9份粒径1～3mm的膨胀珍珠岩，40份硅酸盐水泥，17份粒径2～4mm的石英砂。低渗透系数可渗透反应砖(6)具体配比为17份粒径1～2mm的活性炭，11份粒径1～3mm的陶粒，14份粒径0.5～1mm的沸石，8份粒径1～3mm的膨胀珍珠岩，33份硅酸盐水泥。

进一步，所有填料按照配比在搅拌机内混合均匀后，采用振动型制砖机加压振动成型(激震力68KN，震动时间10s/次)，制成规格为300mm×200mm×40mm的反应砖，经过养护后投入使用。制备的可渗透反应砖示意如图3，A所示，可渗透反应砖实物图如图3，B所示。

步骤二：微生物挂膜培养

本实施例采用浸泡高浓度菌液的微生物挂膜法进行微生物挂膜培养。

具体的，将养护后的可渗透反应砖(5，6)加入活化后的微生物菌液中(具体活化方式视菌种而定；菌液浓度为活化浓度即高浓度菌液，而非投加浓度)，浸泡48h后作为可渗透反应砖单元投入使用。

步骤三：系统构建

小型可渗透反应屏障系统布设示意图如图1所示，按照需阻控修复场地的尺寸裁取金属网(7)作为反应砖单元骨架(本实施例裁取金属网尺寸为长×高＝2m×0.6m)，将反应砖置于其中，并在金属网上覆尼龙网(8)组成一完整系统。

具体的，小型可渗透反应砖实施示意图如图2所示，反应砖布设级数为四级，布设方式为前两级为一组系统，后两级为一组系统。前后两系统并列布设，而两系统之间按照间距/厚度比值为6布设，前一组系统为高渗透系数反应砖(5)，后一组系统为低渗透系数反应砖(6)。

步骤四：壤中流修复

在四川某村镇简易填埋场周边埋入隔水屏障(2)，使污染壤中流污染羽集中。

进一步，隔水屏障材料底端需嵌入渗透系数极低的母岩中，保证壤中流污染羽被完全导流。

进一步，在污染羽集中处开挖，按步骤三的构建方式垒砌于土壤中，或在污染羽集中处设置集水池，将可渗透反应砖单元直接按构建方式置于其中。

降水产生壤中流后，污染壤中流被导流、渗过可渗透反应屏障系统(5，6)，反应砖中的吸附填料和微生物将有效去除壤中流中的总氮和COD，从而对壤中流产生净化作用。

经验证，系统将发挥较强的去除污染物的能力，系统进水COD为20～41mg/L，TN为15～32mg/L时，总氮平均去除率62.06％，COD平均去除率为43.54％，出水水质满足《城镇污水处理厂排放标准》(GB18918-2002)二级标准。本系统有效切断了简易填埋场壤中流带来的面源污染，实现了简易填埋场壤中流污染的削减。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统，其特征在于：包括可渗透反应砖单元和支撑可渗透反应砖单元的骨架单元；可渗透反应砖单元包括高渗透系数可渗透反应砖(5)和低渗透系数可渗透反应砖(6)；所述骨架单元包括金属网(7)和尼龙网(8)，所述金属网(7)支撑设置在高渗透系数可渗透反应砖(5)或低渗透系数可渗透反应砖(6)外围，所述金属网(7)外附尼龙网(8)；

所述高渗透系数可渗透反应砖(5)由下述重量份的填料混合压制而成：

17～21份活性炭粒径1～2mm 11～13份陶粒粒径1～3mm

14～17份沸石粒径0.5～1mm 8～9份膨胀珍珠岩粒径1～3mm

33～40份硅酸盐水泥 1～17份石英砂粒径2～4mm

所述低渗透系数可渗透反应砖(6)由下述重量份的填料混合压制而成：

17～21份活性炭粒径1～2mm 11～13份陶粒粒径1～3mm

14～17份沸石粒径0.5～1mm 8～9份膨胀珍珠岩粒径1～3mm

33～40份硅酸盐水泥

所述小型可渗透反应屏障系统的构建方式为：每层可渗透反应砖为一级，两级可渗透反应砖为一组，每组可渗透反应砖与骨架单元为一子系统，前两级高渗透系数可渗透反应砖(5)与骨架单元构成高渗透反应屏障子系统，后两级低渗透系数可渗透反应砖(6)与骨架单元构成低渗透反应屏障子系统，高、低渗透反应屏障子系统并列布设。

2.根据权利要求1所述的用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统，其特征在于，高、低渗透反应屏障子系统之间的间距/厚度比值为6。

3.根据权利要求1所述的用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统，其特征在于，所述高渗透系数可渗透反应砖(5)、低渗透系数可渗透反应砖(6)的制作方法为：将所述填料按比例混合均匀，送入振动型制砖机加压振动制成反应砖，成型后养护2～3d，即可投入使用。

4.根据权利要求3所述的用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统，其特征在于，所述高渗透系数可渗透反应砖(5)、低渗透系数可渗透反应砖(6)的规格为300mm×200mm×40mm。

5.根据权利要求1所述的用于简易填埋场壤中流修复的小型可渗透反应屏障系统，其特征在于，所述金属网(7)为40目铁网，所述尼龙网(8)为100目纱网。

6.使用权利要求1-5任一项所述的小型可渗透反应屏障系统修复简易填埋场壤中流的方法，其特征在于，包含如下步骤：

(1)将高渗透系数可渗透反应砖(5)、低渗透系数可渗透反应砖(6)进行微生物挂膜；

(2)按照需阻控修复的简易填埋场(1)场地的尺寸裁取金属网(7)作为骨架，将经过微生物挂膜处理后的高渗透系数可渗透反应砖(5)、低渗透系数可渗透反应砖(6)分别置于金属网(7)中，并在金属网(7)上覆尼龙网(8)构建成一个完整的小型可渗透反应屏障系统(4)；

(3)将简易填埋场(1)周边埋入隔水屏障材料(2)，使壤中流污染羽集中，隔水屏障材料(2)底端需嵌入渗透系数极低的母岩中，保证壤中流污染羽可被完全导流；在污染羽集中处开挖，将小型可渗透反应屏障系统(4)按权利要求1中所述的构建方式垒砌于土壤中；或在污染羽集中处设置集水池，将小型可渗透反应屏障系统(4)按权利要求1中所述的构建方式放置于集水池中，污染壤中流渗过小型可渗透反应屏障系统(4)，可渗透反应砖中的吸附填料和微生物能有效去除壤中流中的总氮和COD，从而对污染壤中流产生净化作用。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述微生物挂膜为：当高渗透系数可渗透反应砖(5)、低渗透系数可渗透反应砖(6)用于放置在壤中流集水池中使用时，采用间歇式曝气的方法接种微生物；当高渗透系数可渗透反应砖(5)、低渗透系数可渗透反应砖(6)用于垒砌在土壤中使用时，采用浸泡高浓度菌液的方式接种微生物。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述间歇式曝气的方法接种微生物为：将功能菌活化后稀释200～1000倍加入挂膜容器中，再加入养护后的高渗透系数可渗透反应砖(5)、低渗透系数可渗透反应砖(6)，曝气时菌液溶解氧保持在4mg/L以上，持续12h后结束曝气，待菌液溶解氧降低至0.5mg/L后，维持12h，再进行下一次曝气；每隔3d更换一次挂膜容器中的水，每次排出约1/4的水量，并补入相同水量的壤中流，同时补充功能菌菌液，监测总氮及COD去除率，5d内均保持稳定，则挂膜完成。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述浸泡高浓度菌液的方式接种微生物为：将养护后的高渗透系数可渗透反应砖(5)、低渗透系数可渗透反应砖(6)加入活化后的微生物菌液中，浸泡48h后作为小型可渗透反应砖单元投入使用。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述微生物为氨化或/和硝化或/和反硝化的功能菌，包括但不限于芽孢杆菌属、微球菌属、乙酸钙不动杆菌、絮凝菌中一种或者多种复合的脱氮菌。

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