CN115925142A - 用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙及其应用方法 - Google Patents
用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙及其应用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，包括：缓冲防堵层，设置在土壤内，用于阻挡土壤层间径流中的土壤细砂；主反应层，设置在缓冲防堵层下游，用于除去土壤层间径流中的硝酸盐；一级吸附层，设置在主反应层下游，用于除去土壤层间径流中的残留的硝酸盐；以及二级吸附层，设置在一级吸附层下游，用于除去土壤层间径流中的氨氮。本发明的方法适用于山地丘陵地区土壤层间径流氮素污染的针对性修复，适应土壤层间径流季节性产流和污染物浓度突发性变化的特点，具有运行成本低，效果好，更换方便等优点。
Description
技术领域
本发明属于土壤水修复技术领域，具体涉及一种用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙及其应用方法。
背景技术
紫色土是我国南方山地丘陵地区的重要耕地土壤类型之一。由于山地丘陵地区紫色土表面疏松且存在明显的土壤—基岩界面，降水后产生的垂直入渗水可快速到达土壤—基岩界面，易形成土壤层间径流。土壤层间流贯穿农田含水层，易与农田土壤交换成分。在降雨和灌溉的补给后，土壤中的氮化合物易被带入含水层，土壤层间径流中的污染物浓度会出现波动和上升的情况。紫色土土层薄，在雨季养分易于流失。地表径流和土壤层间径流的氮素损失主要以NO3 --的形式发生，土壤层间径流是地表径流养分损失的首选途径。在不同的耕种方式下，山地丘陵地区土壤层间径流NO3 --N浓度可达到20.00-50.00mg/L，我国《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)则要求TN最高不超过2.00mg/L，地表水源地NO3 --N标准限值为10.00mg/L，土壤层间径流带来的硝态氮污染极其严重。土壤层间径流携氮素流入周围水体，不仅会造成周围水体污染，还会影响地下水及长江水质，造成当地饮用水水质下降。
常规脱氮技术主要包括物理、化学和生物法。生物反硝化法是城镇污水处理厂处理受污染水体最常用的方法，但其存在如需要电子供体和碳源，需要末端处理(如臭氧氧化)，维护时间长，启动时间长，受pH和温度影响和膜污染等缺点。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供了一种用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙及其应用方法，解决了现有的土壤层间径流脱氮手段运行维护复杂、处理寿命有限、跨媒介污染的关键技术问题。
本发明提供如下技术方案：用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，包括：缓冲防堵层，设置在土壤内，用于阻挡土壤层间径流中的土壤细砂；主反应层，设置在缓冲防堵层下游，用于除去土壤层间径流中的硝酸盐；一级吸附层，设置在主反应层下游，用于除去土壤层间径流中残留的硝酸盐；以及二级吸附层，设置在一级吸附层下游，用于除去土壤层间径流中的氨氮及防止主反应层和一级吸附层流失，其中，缓冲防堵层包括粗粒石英砂和细粒石英砂，粗粒石英砂和细粒石英砂的质量比为1–3：1-3；主反应层包括海绵铁和低温生物炭，海绵铁和低温生物炭的体积比为1：3，质量比的比值为3.9–4，二者均匀混合；一级吸附层包括大孔吸附介质；二级吸附层包括细粒径沸石和粗粒径沸石，粗粒径沸石设置在细粒径沸石的下游。
进一步地，粗粒石英砂的粒径为2mm–4mm，细粒石英砂的粒径为1mm–2mm。
进一步地，海绵铁的粒径为1mm–3mm，低温生物炭的粒径为0.15mm–0.3mm。
进一步地，低温生物炭包括烧制温为350℃-450℃，烧制时间为1h-4h、在氮气气氛下烧制的低温木屑生物炭。
进一步地，细粒径沸石的粒径为0.5mm–1mm，粗粒径沸石的粒径为1mm–2mm。
进一步地，主反应层还包括上折流板和下折流板，用于延长土壤层间径流在主反应层内的停留时间，上折流板设置在主反应层内的靠上部位，下折流板设置在主反应层内的靠下部位。
进一步地，土壤渗透系数为0.415cm/min-0.972cm/min，多介质非生物反应墙的渗透系数为为土壤渗透系数的2倍，土壤层间径流在主反应层的停留时间为2h-6h。
进一步地，大孔吸附介质包括201*7型号阴离子交换树脂和煅烧类水滑石。
进一步地，用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙包括：缓冲防堵层1份，主反应层1.5～2份，一级吸附层1份，二级吸附层1份。
本发明还提供了用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙的应用方法，包括如下步骤：
步骤S1，在土壤中设置安装空间，安装空间的底部至母岩层；
步骤S2，在安装空间的上游断面连接处铺设透水土工布，在安装空间的下游断面连接处铺设尼龙网；
步骤S3，将如权利要求1-9中任意一项的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙置于安装空间内，且位于尼龙网上游。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明可以原位降解山地丘陵地区土壤层间径流中的污染物，不需要将污染水体进行先收集后处理的过程，无潜在的跨媒介污染。原位降解污染物，本发明反应层墙提供了有效的污染物修复的技术效果，而非简单的污染物迁移控制。
2、本发明采用非生物的化学法去除山地丘陵地区土壤层间径流中的氮素，适应于土壤层间径流的产流及污染特性。同时，本发明的主反应层中包括海绵铁和低温生物炭，低温生物炭表面含有的丰富的酚羟基、醚、羧基、醌基等含氧官能团具有中和碱和氧化还原活性，在本发明体系中低温生物炭与海绵铁形成微型原电池，在相对电势差的作用下，形成了Fe→NO3 --N的电子传递。由于低温生物炭对N中间体没有迁移约束，NH4 +-N的生成率受抑制而减小，N2选择性生成率升高，有利于土壤层间径流中总氮的去除。另外，本发明中的一级吸附层包括大孔吸附介质，大孔吸附介质对硝酸根具有交换吸附的作用，作为硝酸盐吸附层用以应对突发性硝酸盐氮污染和尾水处理。而且，二级吸附层材料包括细粒径沸石和粗粒径沸石，沸石有良好的氨氮吸附性能，用于吸附海绵铁-生物炭还原硝酸盐产生的氨氮，进一步提高了主反应层的总氮去除效果。本发明中的海绵铁-生物炭体系改善了零价铁的无法有效去除总氮的问题，在保持硝酸盐去除效果的同时能减少氨氮的生成，产生氮气等气态氮物质。
3、本发明通过优选材料和材料粒径，及优化不同粒径级配实现反应墙渗透系数适应于山地丘陵地区土壤层间径流，改善了反应墙易堵塞的问题。
4、本发明通过增加可调节折流板延长土壤层间径流在反应墙的主反应层的水力停留时间，提高污染物去除效果，同时，还可以根据场地土壤系数及污染物出水要求，灵活调节折流板的数量和位置，适应于多种土地类型。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是本发明实施例1中提供的实验模拟场景中用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙的结构示意图。
图2是本发明实施例2中提供的紫色土坡耕地小区中二级多介质非生物反应墙的安装示意图。
图3是本发明实施例2中提供的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙的结构示意图。
附图标号说明：
1-反应墙；2-汇水区；3-监测井；4-缓冲防堵层；5-主反应层；6-一级吸附层；7-二级吸附层；8-可调节折流板；9-反应槽；10-进水口；11-出水口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例中将用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙(以下简称反应墙)设置在模拟山地丘陵地区土壤层间径流的反应槽中，模拟土壤层间径流经过反应墙的场景，修复土壤层间径流。
图1是本发明实施例1中提供的实验模拟场景中用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙的结构示意图。
如图1所示，反应槽9整体呈长方体结构，总长360mm，总宽80mm，总高80mm，总体积2304cm3，内部容积1715mL，内长350mm，内宽70mm，内高70mm。反应槽9的制作材料为聚甲基丙烯酸甲酯，内部中空，用于填充反应墙与土壤层间径流进水。进水口10和出水口11分别设置在反应槽9的两侧，且位于反应槽9两侧面的中心点上。进水口10和出水口11处均设有阀门(图中未示出)，实验中将进水口10的一侧抬高，使其与水平面呈6°的夹角，来模拟实际山地丘陵地区土壤层间径流产流的倾斜程度，进水流量由微量蠕动泵控制。
本实施例中将反应墙填进反应槽9内，并在反应墙上下部填充土壤，本实施例中的反应墙包括：1-3mm海绵铁2份和低温松木屑生物炭6份作为主反应层，Mg-Fe 3:1煅烧类水滑石1份作为一级吸附层，粒径为0.5mm–1mm的细粒径沸石和粒径为1mm–2mm粗粒径沸石2份作为二级吸附层。其中，海绵铁经稀盐酸酸洗10min后与低温松木屑生物炭均匀混合，填入反应槽9内，将反应墙压实后在表面覆盖一层土壤。通过微量蠕动泵控制土壤层间径流渗透过反应墙，控制运行的水力停留时间为3h。反应墙对土壤层间径流进行修复，持续运行10天。
在实施例1中通过测定反应槽9进出水的水质指标以验证装置的去除污染物的效果和能力。进水口10的进水中NO3 --N的初始浓度为30mg/L左右，反应墙TN平均出水为3.24mg/L，平均去除率达89.20％；NO3 --N平均出水为0.71mg/L，平均去除率达97.63％；NH4 +-N平均出水为2.50mg/L，NO2 --N平均出水为0.03mg/L。从实验数据可知，在本实施例中中低温生物炭与海绵铁能够形成微型原电池，在相对电势差的作用下，形成了Fe→NO3 --N的电子传递。由于低温生物炭对N中间体没有迁移约束，NH4 +-N的生成率受抑制而减小，N2选择性生成率升高，有利于土壤层间径流中总氮的去除。另外，本实施例中的一级吸附层包括大孔吸附介质，大孔吸附介质对硝酸根具有交换吸附的作用，作为硝酸盐吸附层用以应对突发性硝酸盐氮污染和尾水处理。而且，二级吸附层材料包括细粒径沸石和粗粒径沸石，沸石有良好的氨氮吸附性能，用于吸附海绵铁-生物炭还原硝酸盐产生的氨氮，进一步提高了反应墙的总氮去除效果。
实施例2
本实施例中将用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙(以下简称反应墙)应用于修复四川某县紫色土土壤层间径流。测定该县紫色土壤的土壤渗透系数为0.415～0.972cm/min，反应墙的渗透系数需大于土壤渗透系数的2倍。
基于上述土壤渗透系数，本实施例的反应墙1包括：2-4mm的粗粒石英砂8份和1-2mm的细粒石英砂8份作为缓冲防堵层4；1-3mm海绵铁6.75份和0.15-0.3mm低温木屑生物炭20.25份的均匀混合物共27份作为主反应层5；201*7型号阴离子交换树脂16份作为一级吸附层6；0.5-1mm沸石8份和1-2mm沸石8份作为二级吸附层7。
另外，针对该县紫色土坡耕地，本实施例中安装如图2所示的二组反应墙。第一级反应墙1与第二级反应墙1分别置于土壤层间径流产流区中部与下游末段。并在第二级反应墙的下游填入石子作为汇水区2。反应墙上端覆盖紫色土。该紫色土区域包括反应墙上端覆盖土均可种植当季作物，不影响耕地的实际使用。
本实施例中将用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙(以下简称反应墙)应用于修复四川某县紫色土土壤层间径流包括如下步骤：
步骤S1，在土壤中设置安装空间，安装空间的底部至母岩层。
在四川某县紫色土坡耕地小区中开挖出反应墙安装空间，安装空间底部挖至母岩层上，保证该断面污染羽完全流过反应墙。
步骤S2，在安装空间的上游断面连接处铺设透水土工布，在所述安装空间的下游断面连接处铺设尼龙网；
步骤S3，将反应墙1置于安装空间内，且位于尼龙网上游。
在本实施例中，通过监测井3检测土壤层间径流处理情况，在降水后紫色土坡耕地产生土壤层间径流，产生的土壤层间径流流经土壤和反应墙1，透过反应层墙1，土壤层间径流中的杂质被不同级配的石英砂拦截，硝酸根与海绵铁和木屑生物炭反应生成气态氮和氨氮，树脂吸附残留的硝酸根，土壤层间径流最后流经沸石后氨氮被吸附。经验证，本实施例反应墙1对土壤层间径流中的污染有较强的去除效果，系统进水TN为5～30mg/L，第一级反应墙和第二级反应墙出水稳定后TN均低于2mg/L，大部分出水TN小于1.5mg/L，满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)四类水标准。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，其特征在于，包括：
缓冲防堵层，设置在土壤内，用于阻挡土壤层间径流中的土壤细砂；
主反应层，设置在所述缓冲防堵层下游，用于除去所述土壤层间径流中的硝酸盐；
一级吸附层，设置在所述主反应层下游，用于除去所述土壤层间径流中残留的硝酸盐；
二级吸附层，设置在所述一级吸附层下游，用于除去所述土壤层间径流中的氨氮；
其中，所述缓冲防堵层包括粗粒石英砂和细粒石英砂，所述粗粒石英砂和所述细粒石英砂的质量比为1–3：1–3；
所述主反应层包括海绵铁和低温生物炭的混合物，所述海绵铁和所述低温生物炭的体积比为1：3，质量比的比值为3.9–4；
所述一级吸附层包括大孔吸附介质；
所述二级吸附层包括细粒径沸石和粗粒径沸石，所述粗粒径沸石设置在所述细粒径沸石的下游。
2.根据权利要求1所述的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，其特征在于，所述粗粒石英砂的粒径为2mm–4mm，所述细粒石英砂的粒径为1mm–2mm。
3.根据权利要求1所述的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，其特征在于，所述海绵铁的粒径为1mm–3mm，所述低温生物炭的粒径为0.15mm–0.3mm。
4.根据权利要求3所述的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，其特征在于，所述低温生物炭包括烧制温为350℃-450℃，烧制时间为1h-4h、在氮气气氛下烧制的低温木屑生物炭。
5.根据权利要求1所述的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，其特征在于，所述细粒径沸石的粒径为0.5mm–1mm，所述粗粒径沸石的粒径为1mm–2mm。
6.根据权利要求1所述的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，其特征在于，所述主反应层还包括上折流板和下折流板，用于延长所述土壤层间径流在所述主反应层内的停留时间，所述上折流板设置在所述主反应层内的靠上部位，所述下折流板设置在所述主反应层内的靠下部位。
7.根据权利要求6所述的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，其特征在于，所述土壤渗透系数为0.415cm/min-0.972cm/min，所述多介质非生物反应墙的渗透系数为为所述土壤渗透系数的2倍，
所述土壤层间径流在所述主反应层的停留时间为2h-6h。
8.根据权利要求1所述的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，其特征在于，所述大孔吸附介质包括阴离子交换树脂和煅烧类水滑石。
9.根据权利要求1所述的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙，其特征在于，包括：所述缓冲防堵层1份，所述主反应层1.5～2份，所述一级吸附层1份，所述二级吸附层1份。
10.一种用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，在土壤中设置安装空间，所述安装空间的底部至母岩层；
步骤S2，在所述安装空间的上游断面连接处铺设透水土工布，在所述安装空间的下游断面连接处铺设尼龙网；
步骤S3，将如权利要求1-9中任意一项所述的用于修复山地丘陵地区土壤层间径流的多介质非生物反应墙置于所述安装空间内，且位于所述尼龙网上游。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117361709A (zh) * | 2023-11-27 | 2024-01-09 | 桂林电子科技大学 | 一种修复地下水的三元微电解陶粒-可渗透反应墙及其应用 |
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2022
- 2022-10-13 CN CN202211258239.XA patent/CN115925142A/zh active Pending
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| CN117361709A (zh) * | 2023-11-27 | 2024-01-09 | 桂林电子科技大学 | 一种修复地下水的三元微电解陶粒-可渗透反应墙及其应用 |
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