CN103529190B - 一种曝气联合气相抽提二维试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曝气联合气相抽提二维试验装置，包括二维试验模型、与二维试验模型连接的曝气模块和气相抽提模块。曝气模块依次连接有第二空压机、空气过滤器、第一气压调节阀、第二气压调节阀、第一流量计和气压传感器；气相抽提模块依次连接有气相抽提管、第二流量计、活性炭过滤器、真空泵。本发明装置能够进行各种土层条件下的地下水曝气试验，气相抽提试验以及曝气联合气相抽提的试验；在试验过程中能够实时监测各项参数，主要包括曝气压力、曝气流量以及抽提流量等；同时，还能在试验的不同阶段对土层中不同位置处采取水样或气体样品进行定量分析。

Description

一种曝气联合气相抽提二维试验装置

技术领域

本发明涉及一种曝气二维试验装置，特别是涉及曝气联合气相抽提二维试验装置。 

背景技术

随着经济的快速发展，由于缺乏有效的环境保护，我国土壤和地下水污染问题日益严重。2011年国务院发布《全国地下水防治规划（2011-2020年）》，要求有计划地加快推进地下水污染修复，到2015年基本掌握地下水污染状况，2020年建成地下水污染防治体系。国家“十二五”规划也特别提出须“加强地下水污染防治”。以江苏为例，2006年~2011年，江苏省连续两轮开展了共为期6年的化工生产企业专项整治。为进一步提升化工产业发展层次，确定从2012年～2014年，再用3年时间在全省开展新一轮化工生产企业专项整治，旨在全面提高化工行业环保和安全水平，推进化工行业高端发展、转型发展、绿色集约发展。预计到2014年年底，全省化工生产企业安全生产标准和环境保护标准全部达到国家相关标准要求，城市主城区、居民集中区、饮用水水源地的化工生产企业原则上全部迁出或转产、关闭。这些工业污染场地如不加治理或修复直接使用将存在很大的环境隐患和人体健康风险。工业场地污染物中，挥发/半挥发性有机染物占有较大的比重，约占70%以上。

挥发性有机污染物主要来源于：（1）石油化工生产区、加油站等形成的落地油或事故泄漏、含油生产污水排放和输油管道的渗漏；（2）化工厂、农药厂等化学品生产企业，在生产车间、分装车间、药品储存仓库和厂区内运输途中造成的药品泄露。大量的挥发性有机污染物直接进入土壤中，吸附于土壤颗粒内外表面，由于其具有较强的挥发性，容易在土壤中扩散，从而造成更大面积的土壤污染，甚至渗透到地下水中，造成严重的地下水污染，还会对地表生物造成危害。

地下水曝气法（AS）自80年代中期发展起来，是处理土壤和地下水中可挥发有机污染物的一种非常有效的方法，具有成本低、效率高、原位操作和修复时间短等优点。在1982-2008年美国地下水污染“超级基金”治理项目地下水原位修复各技术中曝气法所占的比例高达23%。地下水曝气法一般与土壤气相抽提法结合使用，该方法的基本原理是将压缩空气注入地下水饱和区，气流在浮力作用下向上运动，带动部分易挥发性污染物从土壤和地下水中挥发并进入空气流，含有污染物的空气上升到非饱和区，然后采用土壤气相抽提技术进行处理。同时，注入的新鲜空气可以帮助好氧生物进行生物降解，进一步提高污染物的去除率。

由于地下水曝气理论研究仍处在初始阶段，修复机理尚未完全达成共识，导致实际工程中不可避免地出现设计不合理，造成资源浪费，因此研究地下水曝气修复的内在机理非常重要。目前我国对土壤和地下水污染影响及修复技术研究较少，修复技术手段相对薄弱且缺乏完善的理论体系，治理经验明显不足，不能满足土壤和地下水污染大规模有效治理的需要。在借鉴发达国家先进修复技术的同时，国内也应积极开展污染修复技术的基础性研究。

发明内容

技术问题：本发明提供一种针对地下水曝气法室内试验需求，可以模拟对处于不同条件下的土体和地下水中挥发/半挥发性有机污染物进行曝气联合气相抽提修复，同时对过程中的各项工艺参数进行调节和监测，试验过程中可实时采取水样进行定量分析，从而对修复过程和内在机理进行研究的曝气联合气相抽提二维试验装置。

技术方案：本发明的曝气联合气相抽提二维试验装置，包括二维试验模型、与二维试验模型连接的曝气模块和气相抽提模块，二维试验模型包括模型槽、设置在模型槽内部临近两端内壁的隔板、设置在模型槽上端的多孔钢板、设置在多孔钢板上侧的加压气囊、设置在模型槽底面上的曝气孔和污染物注入孔，模型槽两端底部分别连接一个水箱，加压气囊连接有第一空压机，水箱与模型槽的连接管道上设置有阀门，模型槽的一个侧面板上设置有多个取样孔。曝气模块包括依次连接的第二空压机、空气过滤器、第一气压调节阀、第二气压调节阀、第一流量计和气压传感器，气压传感器通过管路与曝气孔连接，或与设置在模型槽内的空气注入管连接。气相抽提模块包括依次连接的气相抽提管、第二流量计、活性炭过滤器、真空泵，气相抽提管的主体设置在模型槽上部，排气口设置在模型槽外部。

本发明中，隔板包括由外向内依次设置的多孔有机玻璃、土工布和细孔钢丝网。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本装置可以参照实际工程地质勘察报告，采用分层填装土样的方法模拟现场土体分层及非均质等情况，通过左右两侧水箱水位控制再现现场土层饱和与非饱和带，在此基础上进行各种复杂土层条件下的地下水曝气试验、气相抽提试验以及曝气联合气相抽提试验。

（2）本装置在模型槽两端底部还分别连接有一个水箱，它们不仅仅是用于实验的时候调整地下水位。还可以通过调节两个水箱的高度，以在模型槽两端形成一定的水头差，从而可在试验过程中模拟地下水的流动，还原现场修复时的地下水条件，以研究地下水流动对修复效果的影响。

（3）本装置设置了气压调节阀、流量计与气压传感器，同时还在模型槽侧面不同位置处设置了多个取样孔。通过对流量计与气压传感器数据的记录，以及通过取样孔取得的液体和气体样品进行定量分析，使得试验过程中能够实时控制和监测各项工艺参数，主要包括曝气压力、曝气流量、真空压力以及抽提流量等。同时，还能在试验的不同阶段对土层中不同位置处取样进行定量分析。充分实现了修复工艺参数控制以及修复全过程污染物清除规律实时监控。

（4）由于本装置既可以在模型槽内部设置空气注入管，也可利用模型槽底板上设置的曝气孔分别进行地下水曝气操作，因此，实验过程中曝气点可灵活选择。通过底板曝气孔进行曝气操作时，便于对模型箱内土体及地下水状况进行***研究，因曝气管路对地层及地下水没有干扰，有利于专门进行曝气机理研究。而通过自上而下伸入土层中特定深度的空气注入管进行曝气时，更符合现场真实工况，因此可以最大程度模拟现场修复工艺如曝气井点深度、曝气井直径、曝气管段长度、曝气管与土层接触条件等对修复效果的影响。

（5）本装置在模型槽底面共设置了三个曝气孔，实验过程中可选择一个或多个进行曝气。因此，利用本装置既能进行单孔曝气试验，还能进行多孔曝气试验，以研究单一曝气井的影响范围以及多个曝气井之间的相互影响，为现场应用时确定曝气井的最优间距提供试验研究依据。

（6）装置顶部有多孔钢板置于土层顶面，通过在装置外施加刚度较大的钢架进行整体固定，然后用气囊可以对土层加压，从而模拟不同深度土层所受的应力状态。 

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是本发明装置的另一种连接方法示意图。

图3是模型槽各面板上取样点及连接孔布置示意图。

图中：10、模型槽；11、隔板；12、多孔钢板；13、加压气囊；14、曝气孔；15、污染物注入孔；16、水箱；17、第一空压机；18、阀门；19、取样孔；20、第二空压机；21、空气过滤器；22、第一气压调节阀；23、第二气压调节阀；24、第一流量计；25、气压传感器；26、空气注入管；30、气相抽提管；31、第二流量计；32、活性炭过滤器；33、真空泵；40、连接孔。 

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明最进一步具体说明。

如图1、图2和图3所示，本发明的曝气联合气相抽提二维试验装置中，包括二维试验模型、与二维试验模型连接的曝气模块和气相抽提模块。二维试验模型包括模型槽10、设置在模型槽10内部且临近两端内壁的隔板11、设置在模型槽10上端的多孔钢板12、设置在多孔钢板12上侧的加压气囊13、设置在模型槽10底面上的曝气孔14和污染物注入孔15，模型槽10两端底部分别连接一个水箱16，加压气囊13连接有第一空压机17，水箱16与模型槽10的连接管道上设置有阀门18，模型槽10的一个侧面板上设置有取样孔19；曝气模块包括依次连接的第二空压机20、空气过滤器21、第一气压调节阀22、第二气压调节阀23、第一流量计24和气压传感器25，气压传感器25通过管路与曝气孔14连接，或与设置在模型槽10内的空气注入管26连接；气相抽提模块包括依次连接的气相抽提管30、第二流量计31、活性炭过滤器32、真空泵33，气相抽提管30的主体设置在模型槽10上部，排气口设置在模型槽10外部。隔板11包括由外向内依次设置的多孔有机玻璃、土工布和细孔钢丝网。

另外，第一流量计24、第二流量计31和气压传感器25通过数据线连接到电脑数据采集器。模型槽10的长度为110 cm，宽度为10 cm，高度为90 cm，且材质为有机玻璃。气相抽提管30和空气注入管26所用的材料为PVC管，内径为25 mm，且通过连接孔40与模型槽10连接。连接水箱16与模型槽10所用的材料为乳胶管，且乳胶管通过连接孔40与模型槽10相连。模型槽10底面三个曝气孔之间的间距为20 cm。模型槽10侧面共设置了4行7列的取样孔19，其横向间距为10 cm，纵向间距从上到下依次为11、12和11 cm。所有取样孔的内径为1.5 cm，外径为2.0 cm。隔板11与模型槽10两端的间距为10 cm，隔板11所用细孔钢丝网的孔径为0.5 mm。第一空压机17排气量小于150 L/min，最高压力为0.8~1MPa。真空泵33流量为20~50 L/min，真空度小于30kPa。第一气压调节阀22的调节范围为0~200 kPa，第二气压调节阀23的调节范围为0~15 kPa。第一流量计24和第二流量计31的测量范围为0~10 L/min。

本发明装置在使用时：

（1）在仅进行曝气试验的情况下，可去除装置中的气相抽提管30和真空泵33。先将试验土样按特定的干密度装入模型槽10中，然后蒸馏水由水箱16从装置的底部慢慢注入，达到指定的高度，然后关闭阀门18，旨在控制地下水位高度。污染物可从模型槽10底面中间的污染物注入孔15注入，也可与水混合一起注入土层。最后，单独运行曝气***，并选定好工艺参数（曝气点深度、曝气压力/流量等），使空气从空气注入管26或模型槽10底板上的曝气孔14注入试验土层。试验过程中可实时监测曝气压力和曝气流量等参数，同时可在试验不同阶段、在土层的不同位置处取样进行定量分析。

（2）在进行曝气联合气相抽提试验时，先将试验土样按设定的干密度装入模型槽中，然后脱气水由水箱16自装置两侧底部慢慢注入，直至地下水位达到指定高度，然后关闭阀门18。污染物可从模型槽10底板中间的污染物注入孔15注入，也可与水混合一起注入土层。最后，依次运行气相抽提***和曝气***，并选定好工艺参数，使空气从空气注入管26或模型槽10底板上的曝气孔14注入土层，然后在非饱和带通过气相抽提管30抽出。试验过程中可实时监测曝气压力、曝气流量、真空压力和抽提流量等参数，同时可在试验不同阶段、在土层的不同位置处取样进行定量分析。

（3）由于曝气试验过程中涉及挥发性污染物的去除，因此装置顶盖一般是密封的。但如果试验中未加入挥发性有机污染物，而仅仅是研究空气的流动形态和运动规律，则顶盖无需密封。

（4）在模拟深部土层的曝气试验或是曝气联合气相抽提试验时，可通过加压气囊13在土层顶部施加一定的均布荷载，以模拟深部土体所受竖向应力。另外，在施加荷载时需要在装置周围使用刚度较大的钢架加固，以提供足够的反力。

（5）在试验过程中，如果需要模拟地下水的流动，由于连接水箱16使用的是软管，因此可通过打开阀门18，然后使模型箱左右两侧的水箱16液面保持一定的水头差，以形成一定的水流梯度，从而实现水的流动，更加真实地还原现场水文地质条件。

（6）试验过程中需采取水样（或气体）进行气相色谱分析时，采用5.0 ml玻璃注射器在取样孔19处抽取，其中取样孔处采用医用橡胶塞封闭，以便于针孔采样及封闭。

Claims (2)

1.一种曝气联合气相抽提二维试验装置，其特征在于，该装置包括二维试验模型、与所述二维试验模型连接的曝气模块和气相抽提模块，所述二维试验模型包括模型槽（10）、设置在所述模型槽（10）内部且临近两端内壁的隔板（11）、设置在模型槽（10）上端的多孔钢板（12）、设置在所述多孔钢板（12）上侧的加压气囊（13）、设置在模型槽（10）底板上的曝气孔（14）和污染物注入孔（15），模型槽（10）两端底部分别连接一个水箱（16），所述加压气囊（13）连接有第一空压机（17），所述两个水箱（16）与模型槽（10）的连接管道上均设置有阀门（18），模型槽（10）的一个侧面板上设置有多个取样孔（19）；

所述曝气模块包括依次连接的第二空压机（20）、空气过滤器（21）、第一气压调节阀（22）、第二气压调节阀（23）、第一流量计（24）和气压传感器（25），所述气压传感器（25）通过管路与曝气孔（14）连接，或与设置在模型槽（10）内的空气注入管（26）连接；

所述气相抽提模块包括依次连接的气相抽提管（30）、第二流量计（31）、活性炭过滤器（32）、真空泵（33），所述气相抽提管（30）的主体设置在模型槽（10）上部，排气口设置在模型槽（10）外部。

2.如权利要求1所述的曝气联合气相抽提二维试验装置，其特征在于，所述的隔板（11）包括由外向内依次设置的多孔有机玻璃板、土工布和细孔钢丝网。