CN213924403U - 含二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐地下水的模拟修复装置 - Google Patents
含二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐地下水的模拟修复装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种含二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐地下水的模拟修复装置，所述装置是将顶部敞口的长方形箱式壳体自左向右依次分隔为污染源段、污染物迁移转化段和污染物修复段；所述污染物修复段的样品空间层自左向右依次为填充电气石、黄铁矿、石英砂和硫自养反硝化菌的混合物的脱氮物填充层、填充过硫酸盐、电气石、黄铁矿和石英砂的混合物的氧化物填充层以及填充电气石、石英砂和硫酸盐还原菌的混合物的脱硫物填充层。本实用新型优化了含水层的pH值和氧化还原电位，整体提高地下水中类芬顿系统的氧化性和反硝化菌、硫酸盐还原菌的活性，明显提升了生物修复装置、化学氧化装置在工业污染地下水修复中的有效性和实用性。
Description
技术领域
本实用新型涉及污染地下水处理技术领域，具体地说是涉及一种含二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐地下水的模拟修复装置。
背景技术
地下水是水文循环的主要参与者，对于发展中国家城乡供水装置极为重要，它是供水装置的重要来源，也是区域上分散供水装置的主要来源，随着我国城市化、工业化进程的加快、经济和人口的快速增长，加之环保意识淡薄，产生污水不达标排放、农药化肥过量施用、垃圾不合理填埋等，导致地下水污染多呈复合型污染，尤其是1,2-二氯乙烷、硝酸盐和和硫酸盐导致地下水污染问题更加凸显：1,2-二氯乙烷(1,2-Dichloroethane)是一种易挥发的剧毒氯代烃有机物，是地下水中含氯污染物毒性最强的污染物之一。它的年产量超过5.443×109kg，是世界上产量最多的工业卤代物，其具有相对较高的水溶性(8524mg/L)和在土壤中的潜在流动性，因此1,2-二氯乙烷早就在地下水中被检测出来。1,2-二氯乙烷密度比水大，一旦进入地下水便会以重非水相液体(DNAPL)形式存在，由于地下水经常移动缓慢，使得1,2-二氯乙烷的残留时间可能持续几年到上百年，因此可能导致持续的环境和健康风险。
20世纪60年代以来我国化肥使用量不断增加，目前成为世界上最大的化肥生产国和消费国，由于氮肥的过量使用，通过地表径流、淋洗和蒸发等途径产生了一系列生态环境问题，尤其是地下水中硝酸盐和硫酸盐污染呈逐年增加的态势。因此，地下水中1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐的污染正在逐渐成为一个全球性的环境问题，如何高效去除地下水中1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐成为各国学者争相研究的工作。
目前国内外学者已经对1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐进行了一系列的研究工作，相关修复方法大致包括：原位化学氧化还原方法、物法、异位修复技术及原位修复技术等。在众多污染地下水修复技术中，利用土著微生物的新陈代谢作用降解污染物的生物修复技术与常利用二价铁或零价铁还原去除污染物的化学修复技术应用较为广泛。然而发展至今，微生物易受污染物毒效应抑制且修复周期长、大量投加铁化合物导致成本较高等局限性依然存在。针对目前对1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐污染问题研究程度不高，相关治理措施体系不完善等，仍需进一步探索可长期、高效、稳定去除1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐污染地下水的化学修复方法和修复装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种含二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐地下水的模拟修复装置，以解决现有修复装置应用效果不理想，装置运行稳定性差，对反应体系pH要求较高等问题。
本实用新型采用的技术方案是：一种含二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐地下水的模拟修复装置，其是将顶部敞口的长方形箱式壳体自左向右依次分隔为污染源段、污染物迁移转化段和污染物修复段；
在所述箱式壳体的前壁板与后壁板的内侧均匀设置有若干直立的凹形卡槽，所述卡槽的下沿与所述箱式壳体的底板相接触，所述卡槽的上沿与所述箱式壳体的上口平齐；在所述箱式壳体的前壁板与后壁板上的位置相对的两个所述卡槽之间插接一张矩形的多孔配水板，在所述多孔配水板的板面上密布有过流孔眼，所述多孔配水板的下沿与所述箱式壳体的底板相接触，所述多孔配水板的上沿与所述箱式壳体的上口相平齐；所述多孔配水板将所述箱式壳体的内腔分隔为若干样品空间层；在所述箱式壳体的上口设置有可掀起或扣合的密封盖；
在所述箱式壳体的左壁板上接有分层设置的若干进水口，在所述箱式壳体的右壁板上接有分层设置的若干出水口；靠近所述左壁板的若干样品空间层构成所述污染源段，靠近所述右壁板的若干样品空间层构成所述污染物修复段，位于污染源段与污染物修复段之间的若干样品空间层构成所述污染物迁移转化段，所述污染源段、污染物迁移转化段和污染物修复段相邻或由样品空间层分隔开来；所述污染源段和污染物迁移转化段的样品空间层均为土壤样品填充层，所述污染物修复段的样品空间层自左向右依次为填充电气石、黄铁矿、石英砂和硫自养反硝化菌的混合物的脱氮物填充层、填充过硫酸盐、电气石、黄铁矿和石英砂的混合物的氧化物填充层以及填充电气石、石英砂和硫酸盐还原菌的混合物的脱硫物填充层；
在对应污染源段的箱式壳体顶部设有用于承载1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐的污染源装置，在所述污染源装置的上方设有模拟雨淋装置，所述模拟雨淋装置包括供水总管、配水管、蛇形管和喷淋管，在喷淋管上沿轴向开有双排水孔；所述喷淋管分成若干组，喷淋管水平设置在所述污染源段的上方，每组所述喷淋管通过所述蛇形管连接到所述配水管的下端，各组的所述配水管的上端共接到所述供水总管上，在每根所述配水管上装有一个雨淋控制阀；所述供水总管由水泵或自来水管供水。
所述箱式壳体设置在一个底盘上，在所述底盘的底面接有若干脚轮；在所述箱式壳体的底板安装有排水排泥装置，所述的排水排泥装置是在所述箱式壳体的底板上开有若干排水排泥孔，每个排水排泥孔的底口上接有一个排水排泥管，在所述排水排泥管上接有排水排泥控制阀，所有所述排水排泥管的下端共接到一根横置的排水排泥总管上。
在所述箱式壳体的前壁板和后壁板上分别均匀设置有若干分层设置的采样口，所述采样口分布在由所述多孔配水板分隔开的每个样品空间层所对应的前壁板和后壁板上；在所述箱式壳体的前壁板和后壁板的两端分别设置有呈纵向排列的一列溢流口；在所述箱式壳体内由所述多孔配水板分隔开的每个样品空间层中分别插接有若干直立的监测/加药/加菌孔管。
本实用新型的硫自养反硝化菌为市场上购得的、CGMCC或CCTCC可获得的或者实验室自行保藏的任意以黄铁矿为硫源的硫自养反硝化菌菌株，本实用新型的硫酸盐还原菌为市场上购得的、CGMCC或CCTCC可获得的或者实验室自行保藏的任意硫酸盐还原菌菌株。将菌株通过常规的方法活化、发酵后得到对应菌种的发酵液，发酵液中菌体浓度一般为109个/毫升。
本实用新型的硫自养反硝化菌和硫酸盐还原菌也可通过常规的方法筛选得到，菌种的培养、驯化、分离、保存和固定的方法包括以下操作步骤：
1、采集野外1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐污染代表性研究区域中不同污染程度的泥土作为微生物来源，采集表层以下5～10cm的土壤样品作为菌源，共采集2000-2800g土壤样品；通过对不同污染场地不同地点采集来的土壤样品筛分出1800g，将其充分混合并按试验流程需要等分六份，分别加入到6个4L培养基中进行间歇富集培养；
2、硫自养反硝化菌培养、筛选与驯化：每2天换一次培养基，培养15天左右即认为培养完成，筛选硫自养反硝化菌作为目标菌种；微生物驯化过程是在富集培养完成后开始，取目标菌菌种15mL与一定量黄铁矿粉末混合均匀，形成硫还原菌-硫矿物共还原体系，再加入待处理地下水样品和一定量电气石粉末并充分混合均匀，最后将混合溶液体系进行密封保持，使混合溶液体系在厌氧状态进行避光培养，直到水体中硝酸盐达到去除目标要求；培养条件为：温度为10℃低温；避光；曝气流量约为30ml/min；120r/min摇床；菌体浓度为109个/ 毫升，厌氧密封，4℃的低温条件下保存；
3、硫酸盐还原菌培养、筛选与驯化：每2天换一次培养基，培养15天左右即认为培养完成，筛选硫酸盐还原菌作为目标菌种；微生物驯化过程是在富集培养完成后开始，取目标菌菌种15mL，接种于培养基中，密封、避光，放置于37℃的生化培养箱中使之活化；培养过程中发现培养瓶内溶液变黑，用醋酸铅试纸放置于瓶口，试纸变成黄黑色，并有臭鸡蛋气味，说明硫酸盐还原菌已经活化，并开始大量繁殖；培养条件为：温度为37℃；避光；曝气流量约为30ml/min；120r/min摇床；菌体浓度为109个/毫升，厌氧密封，4℃的低温条件下保存；
4、活性材料中微生物的固定：
硫自养反硝化菌的固定：将经过前期处理的黄铁矿、电气石在105℃下烘干置于滚筒搅拌器中，加入硫自养反硝化微生物液体培养基，在110r/min滚筒搅拌器中固定4h即完成活性材料与硫自养反硝化微生物的负载固定。
硫酸盐还原菌的固定：将经过前期处理的电气石在105℃下烘干置于滚筒搅拌器中，加入硫酸盐还原微生物液体培养基，在110r/min滚筒搅拌器中固定4h即完成活性材料与硫酸盐还原微生物的负载固定。
本实用新型的优点和有益效果为：
1、本实用新型首先利用黄铁矿作为硫自养反硝化菌的硫源，对水中的NO3 -进行反硝化脱氮，然后利用黄铁矿活化过硫酸盐形成类芬顿系统氧化水中的1,2-二氯乙烷，最后依靠硫酸盐还原菌对水中的SO4 2-进行脱硫，再联合电气石来调控装置内的水环境，实现优化类芬顿系统氧化性以及提高硫自养反硝化菌脱氮和硫酸盐还原菌脱硫活性，实现高效去除水中1,2- 二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐的目的；本实用新型由于直接利用天然矿物，省去繁琐的催化剂和修复环境调节剂制备及添加环节，因此工艺过程操作简便，从而能够为1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐污染地下水修复提供一个成本低廉、简单有效、绿色环保的处理方法；
2、硫自养反硝化菌和硫酸盐还原菌环境分布广泛，增殖速度快，适宜生长温度宽泛；微生物进行脱氮或脱硫时速率快，且无需外加药剂，可连续运行；微生物适用条件广泛，菌液分离效果好，微生物固化稳定；
3、本实用新型采用黄铁矿提供硫作为硫自养反硝化菌的电子供体，微生物以水中的NO3 -作为电子受体进行自养反硝化将NO3 -还原为氮气和水，中间产物NO2 -及NH4 +富集少，一般不产生毒性更强的反硝化产物，并有效提升地下水污染源区中硝酸盐的去除率，无二次污染，生态环境风险小，安全性高，操作简单，在技术性和环保性上具有显著的优势；
4、黄铁矿投放到水中时能原位产生H2O2，并与黄铁矿释放到水体中的Fe2+形成类芬顿体系产生·OH，当把过硫酸盐加入到这个体系中时，Fe2+就能活化过硫酸盐产生大量的SO4-·，与黄铁矿原位产生的活性物质共同作用于污染物从而达到高效氧化污染物的目的；相关类芬顿系统能够彻底氧化水中的1,2-二氯乙烷，中间不产生毒性更强的脱氯产物，二次污染小，生态环境风险小，安全性高，操作简单，在技术性和环保性上具有显著优势；
5、本实用新型硫自养反硝化菌的硫源来自黄铁矿，许多矿山由于开采后黄铁矿被作为尾矿而废弃，黄铁矿容易在雨水淋滤条件下产生酸性矿山废水，因此黄铁矿来源丰富，价格低廉，同时本实用新型将废弃的天然矿石资源化利用，起到了资源回收和避免污染的多重功效；
6、本实用新型采用硫酸盐还原菌对溶液中的硫酸盐进行脱硫生成S2-，S2-几乎可与水中的所有金属离子反应而生成沉淀，从而即达到防止溶液中S2-富集生成H2S气体毒害硫酸盐还原菌，又可实现去除水中各种金属离子的双重目的，有效提升本方法对水环境的净化效果；
7、本实用新型采用铁电气石来优化水环境，因为该特定性能的铁电气石具有热电性和压电性，内部存在自发极化，本身具有永久性电极，能够自动地、永久地释放负离子，负离子具有较强的氧化性，可将碳氢键断裂且能自动将液体pH值调节至中性，从而在类芬顿系统氧化1,2-二氯乙烷以及硫自养反硝化菌脱氮和硫酸盐还原菌脱硫过程中能保持反应体系pH 优化，故而在装置运行过程中不需再额外添加pH缓冲剂，避免产生二次污染；由于电气石存在永久性电极，理论上可长期发挥调节pH值和氧化还原电位的效能；
8、电气石由于本身存在永久性弱电极，从而诱导电气石周围产生了不均匀的弱磁场，磁场强化了铁矿石的溶解，因为有洛伦兹力的作用，磁场又易于引起附近具有顺磁性Fe2+的对流转移，从而在外弱磁场条件下能够有效强化黄铁矿和过硫酸盐体系的活化效果和黄铁矿的表面腐蚀，且相关磁场对环境友好；
9、本实用新型不需加热、曝气、紫外光照射、通电等，也不用再额外添加过渡金属离子、双氧水等活性材料，相关反应体系在常温常压下即可进行，体系运行条件简单，反应条件温和，操控简单，运行与维护管理成本低廉；使用本方法，可显著降低现有原位处理工艺的技术要求，进而可大比例降低建设、运行费用，易于工程化应用，同时也可运用于地下水尤其是深层地下水污染物原位化学修复及突发应急污染事故处理等方面，适用面广；
10、本实用新型可高效运用在可渗透反应墙装置内，并根据污染地下水所含污染组分降解、去除需要条件来科学调整填充材料，科学营造适宜污染地下水中相关污染组分去除的修复环境，利于针对类似1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐这种难降解污染地下水开展全流程处理，从而达到污染地下水的整体修复优化的目的；正是由于上述方法的科学、合理组合，有望解决目前利用原位化学修复工艺和原位生物修复工艺的可渗透反应墙技术领域存在的诸多问题，因此，该实用新型利于针对难降解污染目标物开展综合修复，具有广泛的应用前景；
11、本实用新型能够实现全方位水动力场、水化学场的模拟再现，可用于水质演化机理的探讨，还可用于不同氧化还原环境条件下污染物在含水层中的迁移转化模拟实验，通过在线监测装置可清晰的观测污染物在包气带土壤及含水层中的运移过程，便于深入分析不同氧化还原环境条件下污染物在包气带土壤及含水层中的溶质运移及迁移转化规律；
12、本实用新型提高了模拟实验的保真度，降低了模拟实验的成本，为地下水的原位化学氧化技术、原位生物修复技术、可渗透性反应墙等工艺修复技术的研究实验提供了一种可靠的实验基础，扩大了模拟装置的普适性。
综上，本实用新型针对现有原位化学氧化装置运行稳定性差、工艺反应条件要求苛刻、设备操作难度大、修复效果差、服务年限短等问题，创新性地采用来源丰富、价格低廉、化学稳定性好、无毒无害、纯天然的黄铁矿作为硫自养反硝化菌的硫源和过硫酸盐类芬顿反应的活化剂，并引入天然材料电气石参与到类芬顿反应中来优化水环境的pH值和氧化还原电位，整体提高地下水中类芬顿系统的氧化性和反硝化菌、硫酸盐还原菌的活性，明显提升了原位生物修复技术、原位化学氧化技术、可渗透性反应墙等工艺在污染地下水修复中的有效性和实用性。
附图说明
图1是本实用新型修复装置的结构示意图。
图2是本实用新型修复装置的各功能段的俯视平面示意图。
图3是本实用新型修复装置中填充材料装填的结构示意图。
图4是本实用新型修复装置中的排水排泥结构示意图。
图5是本实用新型修复装置中的移动平台结构示意图。
图6是本实用新型修复装置中的箱式壳体的俯视结构示意图。
图7是本实用新型修复装置中的喷淋管的平面布置图。
其中，1、脱氮物填充层，2、氧化物填充层，3、脱硫物填充层，4、脱氮物填充材料，5、氧化物填充材料，6、脱硫物填充材料，7、污染源装置，8、污染渗漏带，9、污染羽，10、地面，11、包气带，12、地下水液面，13、地下水流向，14、饱水带，15、隔水层上边界， 16、加药管口，17、壳式箱体，18、进水口，19、溢流口，20、采样口，21、出水口，22、卡槽，23、底盘，24、排水排泥管，25、排水排泥控制阀，26、脚轮，27、升降架，28、排水排泥总管，29、监测/加药/加菌孔管，30、排水排泥孔，31、多孔配水板，32、污染源段， 33、污染物迁移转化段，34、污染物修复段，35、喷淋管，36、雨淋控制阀，37、蛇形管， 38、供水总管，39、配水管。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本实用新型。
1,2-二氯乙烷(1,2-Dichloroethane)是一种无色透明油状液体，具有类似氯仿气味，是地下水中比较常见的结构较简单的挥发性氯代有机污染物；1,2-二氯乙烷密度为1.253g/mL，相对蒸气密度(空气＝1)3.35，溶解度8.7g/L，沸点83.5℃，蒸汽压12mmHg(25℃)；微溶于水，能与乙醇、氯仿、乙醚混溶。由于1,2-二氯乙烷具有良好的理化性质，在工业领域、农业领域和生活领域得到了广泛的应用，从而是一种地下水中较常见的易挥发剧毒性氯代烃有机物，为DNAPL代表污染物之一。
硝酸盐是硝酸衍生的化合物的统称，一般为金属离子或铵根离子与硝酸根离子组成的盐类，属于离子化合物，含有硝酸根离子NO3 -和对应的正离子，如硝酸铵中的NH4 +离子；硝酸盐几乎全部易溶于水，由于氮肥的过量使用，导致地下水中硝酸盐污染呈逐年增加的态势；欧盟规定的地下水硝酸盐氮质量浓度的最大饮用标准为11.3mg/L，而我国环境保护部对地表水源生活饮用水的最大限制为10mg/L，并规定集中式饮用水水源地下水的硝酸盐氮最大质量浓度为20mg/L；硝酸盐氮对水质安全造成影响，对人体健康造成严重危害，容易诱发高铁血红蛋白症和产生致癌的亚硝胺；
硫酸盐经常存在于地下水中，其主要来源是地层矿物质的硫酸盐溶解，多以硫酸钙和硫酸镁的形态存在，以及生活污水、化肥、矿山废水及工业生产废水等都可导致水中硫酸盐含量增高；少量的硫酸盐对人体健康无影响，但在大量摄入SO4 2-后会出现的最主要生理反映是腹泻、脱水和胃肠道紊乱等，人们常把硫酸镁含量超过600mg/L的水用作导泻剂，当水中硫酸钙和硫酸镁的质量浓度分别达到1000mg/L和850mg/L时，有50％的被调查对象认为水的味道令人讨厌，不能接受；
黄铁矿，又名硫铁矿、磁黄铁矿、白铁矿，分子式为FeS2，分子量为120；黄铁矿最常见的晶体是六方体、八面体及五角十二面体，并有黄亮的金属光泽。比重4.95-5.20，硬度6.0-6.5。
电气石，又名托玛琳、碧玺，电气石是一类环状硅酸盐矿物，其结构通式可表示为XY3Z6Si6O18(BO3)3W4，式中X＝Na+、Ca2+、K+、空位，Y＝Mg2+、Fe2+、Mn2+、AI3+、Fe3+、 Mn3+、Li+，Z＝AI3+、Fe3+、Cr3+、Mg2+，W＝OH-、F-、O2-，其中X，Y，Z三位置的原子或离子种类不同会影响电气石的物理性质；结构呈三方/六方晶系，结晶习性：柱状、三方柱、六方柱、三方单锥，集合体呈放射状、束状、棒状；玻璃光泽，透明至不透明，硬度7.0-7.5，比重3.0-3.2，折射率1.62-1.64；双折射：0.018-0.040，通常为0.020。
如图1至图3所示，本实用新型修复装置的主体为顶部敞口的长方形箱式壳体17，其长 *宽*高＝2400*600*1200mm。在箱式壳体17的前壁板与后壁板的内侧均匀设置有若干直立的凹形卡槽22，卡槽22的下沿与箱式壳体17的底板相接触，卡槽22的上沿与箱式壳体17的上口平齐。在箱式壳体17的前壁板与后壁板上的位置相对的两个卡槽22之间插接一张矩形的多孔配水板31，在多孔配水板31的板面上密布有过流孔眼，多孔配水板31的下沿与箱式壳体17的底板相接触，多孔配水板31的上沿与箱式壳体17的上口相平齐；多孔配水板31 将箱式壳体17的内腔分隔为若干样品空间层。在箱式壳体17的上口设置有可掀起或扣合的密封盖。
在箱式壳体17的左壁板上接有分层设置的若干进水口18，在箱式壳体17的右壁板上接有分层设置的若干出水口21；箱式壳体17的左壁板、右壁板以及箱式壳体17内的多孔配水板31均与饱水带内的地下水的流向13垂直。
靠近所述左壁板的若干样品空间层构成所述污染源段32，其有效长度是500mm，靠近所述右壁板的若干样品空间层构成所述污染物修复段34，其有效长度是800mm，位于污染源段 32与污染物修复段34之间的若干样品空间层构成所述污染物迁移转化段33，其总长度是 1100mm，所述污染源段32、污染物迁移转化段33和污染物修复段34相邻或由样品空间层分隔开来；所述污染源段32和污染物迁移转化段33的样品空间层均为土壤样品填充层，所述污染物修复段34的样品空间层自左向右依次为填充电气石、黄铁矿、石英砂和硫自养反硝化菌的混合物的脱氮物填充层1、填充过硫酸盐、电气石、黄铁矿和石英砂的混合物的氧化物填充层2以及填充电气石、石英砂和硫酸盐还原菌的混合物的脱硫物填充层3。
脱氮物填充层1的有效长度为300mm，其黄铁矿、电气石和石英砂含量(按照重量比)分别为30％、30％和40％，脱氮物填充层1的填充材料内负载固定有硫自养反硝化菌。氧化物填充层2的有效长度为300mm，其过硫酸盐、黄铁矿、电气石和石英砂含量(按照重量比)分别为15％、30％、30％和25％。进一步地，过硫酸盐为过硫酸钾和过硫酸钠，过硫酸钾和过硫酸钠的质量比为1∶9，过硫酸盐的纯度≥98wt％。脱硫物填充层3的有效长度为300mm，其电气石和石英砂含量(按照重量比)分别为30％和70％，脱硫物填充层3的填充材料内负载固定有硫酸盐还原菌。
黄铁矿为粒径0.5μm-5μm的工业级黄铁矿；电气石为粒径0.5μm-5μm的工业级铁电气石。黄铁矿和电气石原材料在装填之前要进行预处理，具体预处理过程为：先将单种的反应材料用自来水清洗干净，然后置于马弗炉中，在60℃的温度下烘烤12h，烘干后从炉内取出，再用土壤振动机和土壤筛进行过筛处理之后待用；也可根据污染地下水修复试验的需要，将不同种反应材料按试验要求确定的比例，用土壤振动机混合均匀后待用。
污染物修复段34的脱氮物填充层1、氧化物填充层2以及脱硫物填充层3内填充物的高度低于所述箱式壳体的上口50mm-300mm，在污染物修复段34的填充物上覆盖有土壤样品，污染源段32、污染物迁移转化段33和污染物修复段34的土壤样品均为野外原位土壤样品。土壤样品前期处理完成后，逐层均匀填入到装置的两端及中间指定空间中；各空间中填入的同层反应材料的厚度基本相同，最终土壤样品和反应材料的填充总高度比箱式壳体的上口低 50mm。
如图1、图7所示，在对应污染源段32的箱式壳体顶部设有承载1,2-二氯乙烷、硝酸盐、硫酸盐的污染源装置，在污染源装置的上方设有模拟雨淋装置，模拟雨淋装置包括有供水总管38、配水管39、蛇形管37和喷淋管35等部分。在喷淋管35上沿轴向开有双排水孔；喷淋管35分成若干组，喷淋管35水平设置在污染源段32的上方，每组喷淋管通过蛇形管37 连接到配水管39的下端，各组的配水管39的上端共接到供水总管38上，在每根配水管39 上装有一个雨淋控制阀36；供水总管38由水泵或自来水管供水，通过调控雨淋控制阀36形成降雨模拟。在供水总管38上开有一个加药管口16(图1)，管口上设有封堵，需要时可向里加药。模拟雨淋装置可通过升降架吊装在箱式壳体17的上方，通过升降架的调节，使喷淋管35距箱式壳体17顶面的高度在100～500mm之间，同时还可根据实验要求进行左右平移，平移距离可在400mm左右。模拟雨淋装置的作用是模拟自然环境中的降雨，可以模拟小雨、中雨、大雨、暴雨等各种自然环境中所出现的降雨状态。
结合图4和图5，箱式壳体17设置在一个底盘23上，在底盘23的底面接有若干脚轮26。在底盘23的右端连接一个折叠式矩形升降架27，在升降架27上安放高度可调的水箱，水箱通过连通管路连接到箱式壳体17右端的出水口21上。在连通管路上安装电磁阀和流量计，流量计上的数据线连接到中控计算机上。
排水排泥装置是在箱式壳体17的底板上开有若干排水排泥孔30，每个排水排泥孔30的底口上接有一个排水排泥管24，在排水排泥管24上接有排水排泥控制阀25，所有排水排泥管24的下端共接到一根横置的排水排泥总管28上。
结合图1和图6可知，在箱式壳体17的前壁板和后壁板上分别设置有若干分层设置在采样口20，采样口20分布在由多孔配水板31分隔开的每个样品空间所对应的前壁板和后壁板上。在每个采样口20上安装有取样器或者封接有封口塞。在箱式壳体17的前壁板和后壁板的两端分别设置有呈纵向排列的一列溢流口19；监测/加药/加菌装置是在箱式壳体17内由多孔配水板31分隔开的每个样品空间中分别插接有若干直立的监测/加药/加菌孔管29。
应用上述含1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐地下水的模拟修复装置的方法，包括以下步骤：
(a)设置上述的模拟修复装置；根据需要安装监测装置，并将监测装置与中控计算机相连，利用中控计算机的监控平台对水循环过程中各种参数进行实时、自动采集；
根据修复试验的要求确定不同在线监测装置的安装位置，并在监测/加药/加菌孔管29中插入在线监测装置的监测探头，监测探头的插入深度按照修复试验设定规程的需要确定，在线监测装置的数据线均连接到中控计算机上。根据修复试验设定规程的要求，在箱式壳体17 上选定采样口20作为样品采集点，或选择进水口18、出水口21、溢流口19或排水排泥孔 30进行特殊样品采集，在所选定的采样口上摘除封口塞并分别安装好取样器。
(b)从分层进水口连续注水，先从分层进水口的最下层进水口注入清水，然后每隔24h 由下往上变换注水的分层进水口，最终使箱式壳体中填充的样品材料充分湿润至饱和，整个饱水过程中多孔样品中的气体被排出，使箱式壳体的上部形成模拟包气带，箱式壳体的中部和下部形成模拟饱水带；
(c)利用中控计算机接收监测装置输入的水位信息，当水位达到设定值时保持水流稳定，即达到设定的水循环模拟条件；箱式壳体17内模拟地下水的渗流速度保持在0.25-0.30m/d。根据设定的降雨强度、降雨时间，通过控制自来水管或水泵进行供水加压，进行自然环境中的小雨、中雨、大雨或暴雨各种降雨状态的模拟；
(d)污染源装置中的1,2-二氯乙烷、硝酸盐、硫酸盐在模拟雨淋装置的淋漓作用下进入到所述箱式壳体内，并在模拟饱水带形成污染羽，实现持续污染源或临时污染源的模拟；在模拟污染源的给药过程中，可利用中控计算机对污染源段32和污染物迁移转化段33内的水循环过程中的各种参数进行实时、自动采集，以得到地下水污染物迁移转化的变化数据，同时，可根据监测数据对模拟地下水的流速以及模拟雨淋装置的降雨量进行调整；
(e)当含1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐的模拟地下水进入污染物修复段后，脱氮物填充层内的硫自养反硝化菌依托黄铁矿对水中NO3 -进行反硝化脱氮，将NO3 -还原为氮气，同时脱氮物填充层内黄铁矿释放的亚铁离子可对硝酸盐起到还原作用，从而进行辅助脱氮；
当模拟地下水进入氧化物填充层后，氧化物填充层利用黄铁矿释放的Fe2+来活化过硫酸盐形成类芬顿系统，装置内开始连续、稳定氧化1,2-二氯乙烷，氧化反应导致模拟地下水pH 值持续下降，电气石可对pH值进行调整，从而维持反应体系pH稳定；
当模拟地下水进入脱硫物填充层后，脱硫物填充层中的硫酸盐还原菌将水中的SO4 2-还原为不稳定的硫化物，硫化物进而与水环境中的金属离子反应生成不溶性或难溶性硫化物沉淀，进而可同时去除水中硫酸盐和金属离子；最终，在污染物修复段作用下，模拟地下水中的1,2- 二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐被去除，可利用中控计算机对污染物修复段内的相应反应过程中的各种参数进行实时、自动采集，以得到地下水污染物降解的变化数据；经处理后的模拟地下水由箱式壳体的出水口流出。
结合图2和图3，污染源装置7在喷淋管35的作用下形成淋滤液，当污染源装置7中的污染物渗漏进入地下后，会在包气带11中产生污染渗漏带8从而开始不断的向周边迁移转化，当污染组分穿过包气带11进入到饱水带14后，则会在地下水流梯度作用下发生横向扩散，从而造成污染组分扩散形成污染羽9。
在脱氮物填充层由黄铁矿在水环境中作为脱氮硫杆菌的电子供体而提供硫，微生物以水中的NO3 -作为电子受体进行自养反硝化将NO3 -还原为氮气，相关反应式如下： 5FeS2+14NO3 -+4H+→7N2+10SO4 2-+5Fe2++2H2O；脱氮物填充层中黄铁矿释放的亚铁离子对硝态氮也有一定的还原作用，当溶液体系中含有一定量的Fe2+时对硝酸盐起到了很好的化学还原作用，对地下水脱氮也有一定的辅助作用，其反应如下： 2NO3 -+10Fe2++12H+→N2+5Fe3++3H2O。
之后污染羽进入氧化物填充层，黄铁矿释放的Fe2+来活化氧化物填充层中过硫酸盐形成类芬顿系统，装置开始连续降解水中的1,2-二氯乙烷，相关活化反应如下： S2O8 2-+Fe2+→SO4 -·+SO4 2-+Fe3+；由于装置内Fe2+的稳定存在，促使氧化物填充层稳定产生自由基SO4 -·，保障装置连续、稳定氧化污染羽9中的1,2-二氯乙烷；也可对过硫酸盐进行前期处理，来稳定过硫酸盐的溶解速度并延长释放S2O8 2-时间，达到稳定调控装置氧化物填充层内地下水类芬顿条件的目的。
氧化物填充层材料在溶液中缓慢反应过程属于产酸过程，溶液中主要产酸过程如下： S2O8 2-+H2O→2HSO4 -+1/2O2；相关产酸反应过程导致地下水产生pH值下降现象，这需要对不同空间进行pH值调控。电气石在溶液中能够调整pH值；因为电气石具有热电性和压电性，本身存在永久性电极，能够自动地、永久地释放负离子，负离子具有较强的氧化性，可将碳氢键断裂，且能将液体pH值温和调节至中性，从而在1,2-二氯乙烷降解过程中能维持反应体系pH稳定。
经过脱氮反应和氧化反应后污染羽进入脱硫物填充层，其负载固定的硫酸盐还原菌将水中的SO4 2-还原为不稳定的中间产物——硫化物，硫化物进而与水环境中的金属离子反应生成不溶性或难溶性硫化物沉淀，这样脱硫物填充层就具有同时去除了水中硫化物和金属离子的双重功效，其反应式如下：8H+SO4 2-→S2-+4H2O；S2-+Mn+(代表属离子)→M2Sn。
由于污染物修复段内皆添加了电气石，从而在污染物修复过程中可通过电气石来调节水溶液的pH值及氧化还原电位，实现整体提升水中类芬顿系统的氧化性以及硫自养反硝化菌和硫酸盐还原菌活性，利于类芬顿系统高效氧化1,2-二氯乙烷和硫自养反硝化菌脱氮及硫酸盐还原菌脱硫反应，实现1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐被高效去除；硝化菌适应水环境的 pH值范围稍宽，最适宜pH为6-7，而硫酸盐还原菌能忍耐的水环境pH值范围较窄，更适合于微碱性(7.0-8.0)的水环境条件，其最佳pH值条件为7.5-7.8，而通常在pH值低于7.0的情况下水中的S2-多会以H2S的形式存在，H2S富集后容易对硫酸盐还原菌产生一定的毒害性，而在水环境pH值高于7.0的情况下S2-多会以HS-的形式存在，HS-利于产生金属沉淀而被去除，因此本实用新型通过电气石来调节水环境pH值即可以满足类芬顿系统高效氧化1,2-二氯乙烷以及硫自养反硝化菌脱氮和硫酸盐还原菌脱硫的最优环境，又可以让溶液中金属离子大量沉底，实现金属离子的去除，达到修复工艺流程简洁、高效、稳定的目的。
为确定本装置的有效性和稳定性，发明人在布置本装置的同时又设置了3个对照组试验，对照组试验分别是污染物修复段单纯脱氮物填充层修复试验、污染物修复段单纯氧化物填充层修复试验和污染物修复段单纯脱硫物填充层修复试验，三个对照试验的功能层有效长度均为900mm，其他结构和操作均与本实用新型相同。
修复试验结果：
本实用新型装置及其对照组试验装置安装调试完成后，用来处理1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐污染地下水，最长试验持续运行了60天，在污染源段32组分平均浓度1,2-二氯乙烷(84.27μg/L)、1,2-二氯丙烷(8.92μg/L)、二氯甲烷(12.26μg/L)、三氯甲烷(21.23μg/L)、硫酸根离子(215.00mg/L)、锰离子(4.813mg/L)、锌离子(0.104mg/L)和硝酸根离子(48.65mg/L)，相关运行结果见表1。
表1：
表1中“-”代表样品中相关污染组分未检出。
不同的试验设置产生不同的运行情况，相关试验有关运行情况分述如下：
a、组合反应修复试验：该修复试验在运行60天后，污染物修复段对于污染地下水中1,2- 二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐依然表现出强劲的去除能力，水中1,2-二氯乙烷、硝酸根和硫酸根去除明显，出水1,2-二氯乙烷、硝酸根及其中间产物几乎不存在；该段对水溶液中其余有机物去除能力非常好，有机物的最终降解产物基本是CO2和H2O，出水中有机物及其中间产物几乎不存在；该段对水溶液中锰离子和锌离子去除能力非常好，水中锰离子和锌离子几乎被全部去除；
b、脱氮反应修复试验：该对照组试验运行60天后，污染物修复段中硫自养反硝化菌对水溶液中硝酸根去除能力依然非常强大；该段虽然出水显示对照组对有机物有一定的去除能力，但黄铁矿和电气石对1,2-二氯乙烷本身没有如此强大的氧化去除能力，先期静态修复实验观察其4天后的氧化去除能力在30％-40％，且对1,2-二氯乙烷氧化并不彻底，其余的1,2- 二氯乙烷和中间产物大多吸附在黄铁矿或土壤中，同时又因为过低的地下水设计流速更进一步强化了黄铁矿和土壤的物理吸附性能，继续运行可能存在黄铁矿和土壤物理吸附饱和后出水有机污染反弹现象；该段对水溶液中其余有机物去除能力非常好，初步推测也与黄铁矿和土壤的物理吸附有关；该段对水溶液中锰离子和锌离子去除几乎无能为力；该段对水溶液中的硫酸盐去除无能为力，反而由于硫自养反硝化菌脱氮过程产生硫酸根，导致装置出水中硫酸根离子浓度不降反而大幅度升高；
c、氧化反应修复试验：该对照组试验运行60天后，污染物修复段对于污染地下水中1,2- 二氯乙烷依然表现出强劲的去除能力，装置出水中各种污染组分去除明显，特别是所有有机物去除效果都非常理想，有机物的最终降解产物基本是CO2和H2O，出水中有机物及其中间产物几乎不存在；该段对水溶液中硫酸盐和金属离子去除几乎无能为力；该段对水溶液中硝酸盐去除能力较差，其脱氮能力可能与Fe2+存在化学脱氮行为有关；
d、脱硫反应修复试验：该对照组试验运行60天后，污染物修复段中硫酸盐还原菌对水溶液中硫酸根依然保持非常强大的去除能力；该装置虽然出水显示对照组对有机物有一定的去除能力，但实际电气石对1,2-二氯乙烷没有如此强大的氧化去除能力，先期静态修复实验观察其4天后的氧化去除能力在18％-30％，且对1,2-二氯乙烷氧化并不彻底，被去除1,2-二氯乙烷和其余有机物及中间产物大多吸附在土壤中，同时又因过低的地下水设计流速更进一步强化了土壤的物理吸附性能，继续运行可能存在土壤物理吸附饱和后出现装置出水有机污染含量反弹现象；同时该装置对水溶液中锰离子和锌离子去除能力非常好，溶液中锰离子和锌离子所剩无几；该装置对水溶液中硝酸盐去除能力很差，装置的脱氮能力可能与电气石存在化学脱氮行为有关。
从上述结果对比，发现组合反应修复试验对污染地下水中各种污染组分的修复效果明显比三个对照组修复试验更加理想，特别是在对污染地下水中各种污染组分的去除能力上和修复段稳定运行上表现更为突出。
最后应说明的是，以上仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制该技术应用，尽管遵循较佳布置方案对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解并能够操控，同时也可以对本实用新型的技术方案(比如装置的构建方式、各个阶段的具体结构和功能等) 进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种含二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐地下水的模拟修复装置，其特征是，将顶部敞口的长方形箱式壳体自左向右依次分隔为污染源段、污染物迁移转化段和污染物修复段；
在所述箱式壳体的前壁板与后壁板的内侧均匀设置有若干直立的凹形卡槽，所述卡槽的下沿与所述箱式壳体的底板相接触，所述卡槽的上沿与所述箱式壳体的上口平齐；在所述箱式壳体的前壁板与后壁板上的位置相对的两个所述卡槽之间插接一张矩形的多孔配水板，在所述多孔配水板的板面上密布有过流孔眼，所述多孔配水板的下沿与所述箱式壳体的底板相接触，所述多孔配水板的上沿与所述箱式壳体的上口相平齐；所述多孔配水板将所述箱式壳体的内腔分隔为若干样品空间层；在所述箱式壳体的上口设置有可掀起或扣合的密封盖；
在所述箱式壳体的左壁板上接有分层设置的若干进水口，在所述箱式壳体的右壁板上接有分层设置的若干出水口；靠近所述左壁板的若干样品空间层构成所述污染源段，靠近所述右壁板的若干样品空间层构成所述污染物修复段，位于污染源段与污染物修复段之间的若干样品空间层构成所述污染物迁移转化段，所述污染源段、污染物迁移转化段和污染物修复段相邻或由样品空间层分隔开来；所述污染源段和污染物迁移转化段的样品空间层均为土壤样品填充层，所述污染物修复段的样品空间层自左向右依次为脱氮物填充层、氧化物填充层以及脱硫物填充层；
在对应污染源段的箱式壳体顶部设有用于承载1,2-二氯乙烷、硝酸盐和硫酸盐的污染源装置，在所述污染源装置的上方设有模拟雨淋装置，所述模拟雨淋装置包括供水总管、配水管、蛇形管和喷淋管，在喷淋管上沿轴向开有双排水孔；所述喷淋管分成若干组，喷淋管水平设置在所述污染源段的上方，每组所述喷淋管通过所述蛇形管连接到所述配水管的下端，各组的所述配水管的上端共接到所述供水总管上，在每根所述配水管上装有一个雨淋控制阀；所述供水总管由水泵或自来水管供水；
所述箱式壳体设置在一个底盘上，在所述底盘的底面接有若干脚轮；在所述箱式壳体的底板安装有排水排泥装置，所述的排水排泥装置是在所述箱式壳体的底板上开有若干排水排泥孔，每个排水排泥孔的底口上接有一个排水排泥管，在所述排水排泥管上接有排水排泥控制阀，所有所述排水排泥管的下端共接到一根横置的排水排泥总管上。
2.根据权利要求1所述的模拟修复装置，其特征是，在所述箱式壳体的前壁板和后壁板上分别均匀设置有若干分层设置的采样口，所述采样口分布在由所述多孔配水板分隔开的每个样品空间层所对应的前壁板和后壁板上；在所述箱式壳体的前壁板和后壁板的两端分别设置有呈纵向排列的一列溢流口；在所述箱式壳体内由所述多孔配水板分隔开的每个样品空间层中分别插接有若干直立的监测/加药/加菌孔管。
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