CN107389863A - 基于零价铁‑prb还原修复饱和含水层氯代烃类dnapl污染源的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于零价铁‑PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置及方法。所述实验装置包括依次连接的供水装置、柱体模拟装置、采样装置和废液收集装置。针对饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源造成的污染，本发明通过在污染源附近安装零价铁‑PRB对流经墙体的溶解态DNAPL成分进行还原降解，对饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源进行修复。模拟实验表明，在污染源附近安装零价铁‑PRB能够强化DNAPL污染源的溶解速率，缩短饱和含水层DNAPL污染源在地下环境中的存在时间，为DNAPL污染源的原位化学还原修复研究提供设计思路和关键技术参数。
Description
技术领域
本发明涉及土壤和地下水污染修复领域，特别是指一种基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置及方法。
背景技术
重非水相液体(Dense non-aqueous phase liquid,DNAPL)作为重要的工业原料广泛应用于农业、燃料、医药领域，在生产、运输、储存以及使用过程中极易发生泄漏和排放，导致DNAPL大量进入地下环境。这部分进入地下环境的DNAPL能够在重力作用下不断向土壤和地下水中迁移，在弱透水或不透水层中累积形成DNAPL池，从而缓慢持续地向地下环境释放污染物，形成一种持久性的污染源，对其的修复也被称为“永久性的修复”。美国《国家优先治理污染场地顺序名单》显示，大约有60％的场地存在DNAPL污染(McDade et al.,2005)。常见的DNAPL污染物包括：氯代烃类、煤焦油类以及农药类污染物，其中氯代烃类污染物是我国地下水污染物中检出率较高的一类物质，这类污染形成的氯代烃类DNAPL生物降解性低，污染深度甚至达到地下60m的基岩中，使生物处理、抽出-处理或挖掘焚烧等技术对DNAPL的修复效果不佳。目前国内外研究已证明可渗透反应格栅技术(PermeableReactive Barrier，缩写PRB)能够对土壤或地下水污染羽中污染物进行长期的原位处理，并且具有经济效益好、便于管理的特点，在国际上尤其是欧美地区已经得到广泛应用，但在国内因PRB技术修复周期相对较长，并无单独应用的案例(马妍等，2016；张弛等，2014；邱锦安等2011)。
欧洲应用最早的PRB目前仍旧在运行当中，且对地下水中氯代烃污染物仍具有降解作用。但是这种将PRB安装在远离污染源的下游污染羽区域的方式，去除的是下游污染羽区域地下水中的污染物，对DNAPL污染源的持久性并无影响。这主要是由于DNAPL污染区DNAPL相向地下水的溶解过程主要受DNAPL在地下水中的实际浓度与DNAPL理论上的溶解平衡浓度的影响，二者浓度差越大，DNAPL溶解越快。但是在实际情况下，下游污染羽区域距离DNAPL污染源较远，下游污染羽中的污染物还原去除对DNAPL污染区水相污染物浓度的影响甚微，无强化污染源中DNAPL相向水相的溶解速率的作用，从而导致了PRB技术修复DNAPL污染地下水时所需修复时间远大于其它修复技术(Berge et al.,2010；Phillips et al.,2010；Gillham et al.，1998)。因此如何提高DNAPL污染场地DNAPL污染源的溶解速率以快速、彻底的去除DNAPL污染物，成为了修复DNAPL污染场地修复的关键点。
零价铁的氧化还原电位为-0.44eV，能够将溶解在水相中的DNAPL成分还原降解。但是目前关于Fe0去除DNAPL污染源的研究主要集中于纳米零价铁及其二元负载体系，并未将视角转向工程应用价值较高的零价铁-PRB体系，零价铁粒径越小，能够参与污染物降解反应的有效比表面积越大，但是在实际工程应用及实验室模拟实验中，粉末状零价铁与石英砂比重相差大极难混合均匀，因此有关粉末状零价铁的应用较少。本发明所建立的零价铁-PRB体系使用无水乙醇事先将粉末状零价铁与石英砂混合均匀后进行PRB填充，填充后零价铁-PRB体系能够达到零价铁与石英砂均匀分布的状态，使得流经该体系的污染物质与零价铁的反应达到最大化。为探索零价铁-PRB体系用于DNAPL污染源修复的可行性，获得零价铁-PRB修复体系工程应用的指导性参数，本发明首次建立了一种零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置与方法，与现有类似一维及二维装置仅能够用于模拟自然运移相比，本发明所建立的实验装置不仅能够进行DNAPL污染源的实验室模拟，而且能够模拟零价铁-PRB墙体在DNAPL污染区的修复。
发明内容
解决的技术问题：本发明目的在于针对以上不足，提供一种基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置及方法。该装置通过设置不同饱和含水层区域的填充介质、区域长度、饱和含水层的流水场等条件，和科学合理的取样方法，同时连续监测不同区域的污染物成分与浓度，对DNAPL污染源在饱和含水层中的持久性以及DNAPL污染源在7d内的修复效率进行分析，为零价铁-PRB修复体系工程的应用提供科学依据，适用于一维尺度上研究零价铁-PRB还原修复饱和含水层DNAPL污染源的研究。
技术方案：基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，其特征在于包括：依次管道连接的供水装置、柱体模拟装置和废液收集装置，所述柱体模拟装置上设有一组采样装置；所述柱体模拟装置包括柱体，所述柱体的两端设有进水端柱体盖和出水端柱体盖，两个柱体盖上分别设有进水孔和出水孔，所述进水孔和出水孔上分别设有气动管，柱体盖与柱体之间设有筛网，柱体内依次设有第一过滤层、DNAPL污染区、PRB区域、PRB下游区域和第二过滤层，所述DNAPL污染区对应的柱体表面设有DNAPL注入孔，所述PRB区域和PRB下游区域对应的柱体表面设有一组顶部采样孔；所述采样装置设于顶部采样孔内。
上述供水装置和柱体模拟装置之间的输水管上设有蠕动泵。
上述柱体模拟装置和废液收集装置之间的出水管上设有采样装置。
上述DNAPL注入孔距离进水孔为6.5cm；顶部采样孔距离进水孔依次为8cm、9.5cm、11cm、12.5cm、15.5cm、18.5cm、21.5cm、24.5cm、30.5cm、36.5cm和66.5cm。
上述采样装置为带有鲁尔接口的20-gauge不锈钢取样针，取样针的一端由顶部采样孔垂直***含水层，另一端与带有鲁尔接口的止通阀连接，止通阀的外接口设有微量注射器。
上述在柱形槽体内分区域均匀填充介质，包括：粒径为60-150目的石英细砂，粒径为35-80目的石英中砂、粒径为4-35目的石英粗砂以及粒径为100-300目的零价铁；DNAPL污染区和PRB下游区域填充介质均为细砂，对照组与实验组PRB区域的填充介质的选取需要确保该区域的渗水系数大于DNAPL污染区和PRB下游区域的渗透系数；实验组PRB区域填充介质为零价铁与石英中砂质量比为1:5的均匀混合物，对照组则填充等质量石英中砂；填充介质的预处理特征在于，所述石英砂均分别使用0.1M NaOH及0.1M HNO3浸泡6h，使用去离子水洗至中性后105℃烘箱烘干；所述零价铁分别使用0.1M NaOH及0.1M HNO3迅速重复洗三次，使用去离子水洗至中性后，在真空冷冻干燥机中干燥并保存。
上述介质填充方法包括以下步骤：填充过程中柱形槽体竖直放置，按照第二过滤层、PRB下游区域、PRB区域、DNAPL污染区和第一过滤层依次进行填充；PRB下游区域和DNAPL污染区以及对照组PRB区域介质的填充采用湿填充方式；使用蠕动泵将已除氧的模拟地下水从出水孔注入，使用漏斗和内径小于1/2槽体内径的空心管将洗净烘干并杀菌的细砂加入，分层填充，每填充3cm扰动压实一次，湿填充过程中保证水平面高于砂层面2cm-5cm；实验组PRB区域介质的填充采用干填充方式；填充前使用无水乙醇将ZVI与中砂混合均匀，使用漏斗和内径小于1/2槽体内径的空心管将混合均匀的ZVI-中砂混合物分层填充至PRB区域，每填充3cm压实一次，压实过程中应使填充介质所受扰动尽量小；填充完毕后，密封出水孔，槽体竖直静置24h后将进水端柱体盖与柱形槽体连接，将连接后的柱体模拟装置密封，水平静置24h；依次连接供水装置、柱体模拟装置和废液收集装置，使用蠕动泵将已除氧的模拟地下水泵入饱和含水层模拟装置试运行6h，以除去填充过程中引入的杂质。
上述DNAPL污染区内的污染物首先使用油红O进行染色，染色方法为：称取0.0005g油红O粉末溶解于100mL DNAPL液体中，得到DNAPL染色液体。
上述装置的实验方法，所述实验方法包括以下步骤：a.首先进行柱体模拟装置与采样装置的连接；b.然后进行介质填充及实验装置试运行；c.使用1mL玻璃微量注射器从DNAPL注入孔注入染色的DNAPL，注入速率为0.5μL/min；d.注入完成后，将5cm长且一端事先使用硅胶封口的PTFE管分别***进水孔与出水孔的气动管中，使柱体密封，静置24h使DNAPL稳定分布；e.重新依次连接供水装置、柱体模拟装置和废液收集装置，使用蠕动泵泵入已除氧的模拟地下水；f.定时从采样孔采集样品，对污染物成分及浓度进行检测，样品采集速率应小于模拟地下水体泵入速率的2％。
有益效果：①本发明装置可根据野外研究区的水文地质情况，按比例开展室内的模拟修复实验装置，对氯代烃类DNAPL污染源的持久性进行定量分析，研究溶解态DNAPL成分在地下水流向上的变化。相比于三维模拟装置，该一维实验装置在满足零价铁-PRB修复饱和含水层DNAPL污染源的基础上，最大程度缩短实验周期，缩小装置占地空间，降低模拟研究成本，提高单人可操作性，使实验室研究更具操作性和经济性。②相较于以整个装置作为PRB墙体填充区域的一维实验装置，该实验装置中将DNAPL污染源、PRB及PRB下游区域按科学比例(1:4:3)分配，考虑到了实际场地零价铁-PRB还原修复过程中的整体环境，对PRB上、下游均进行了模拟。③创新性的将零价铁-PRB安装在DNAPL污染区，强化了DNAPL相向水相的溶解，大大降低了DNAPL污染源的持久性，为实际工程应用提供了科学依据。④该实验装置中含水层装置的柱体材质为高硼硅酸盐玻璃，其具有亲水表面，避免优先流的产生，此外对DNAPL类污染物不具有吸附性。⑤本发明填充前使用乙醇将零价铁与中砂混合均匀的方法有效避免了由于粉末状零价铁与中砂比重差别大造成混合不均匀的现象，同时能够有效避免零价铁的快速氧化。⑥该实验装置中，含水层柱体两端的尼龙筛网不影响原有的出水速率，且可根据模拟研究不同填充介质的需要，进行更换所需目数的尼龙筛网，使填充层的选择不受筛网的限制。⑦该实验装置中，PRB填充介质也可以替换为对溶解态DNAPL具有还原、氧化或吸附作用的其它不溶于水的物质与石英砂的混合物。
附图说明
图1为本发明所述实验装置的结构示意图；
图2为本发明所述柱体模拟装置(a)、柱形槽体顶部采样孔俯视图(b)及采样装置(c)的示意图；
图3为本发明所述实验案例的结果图。
图中：供水装置1、柱体模拟装置2、采样装置3、废液收集装置4、进水端柱体盖5、出水端柱体盖6、DNAPL污染区7、PRB区域8、PRB下游区域9、进水孔10、出水孔11、进水端气动管12、出水端气动管13、第一过滤层14、第二过滤层15、DNAPL注入孔16、顶部采样孔17、输水管18、蠕动泵19、出水管20、不锈钢采样针21、止通阀22、微量注射器23、筛网I 24、筛网II 25、硅胶堵头26。
具体实施方式
具体实施方式将结合附图及应用实例进一步说明本发明的技术方案。其目的在于让熟悉此项技术方案的工作者能够详细了解本发明的内容并据此实施，方便本发明为其它工作者所用。本发明典型但非限制性的实施案例如下：
实施例1
基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，包括：依次管道连接的供水装置1、柱体模拟装置2和废液收集装置4，所述柱体模拟装置2上设有一组采样装置3；所述柱体模拟装置2包括柱体，所述柱体的两端设有进水端柱体盖5和出水端柱体盖6，两个柱体盖上分别设有进水孔10和出水孔11，所述进水孔10和出水孔11上分别设有气动管，柱体盖与柱体之间设有筛网，柱体内依次设有第一过滤层14、DNAPL污染区7、PRB区域8、PRB下游区域9和第二过滤层15，所述DNAPL污染区7对应的柱体表面设有DNAPL注入孔16，所述PRB区域8和PRB下游区域9对应的柱体表面设有一组顶部采样孔17；所述采样装置3设于顶部采样孔17内。所述供水装置1和柱体模拟装置2之间的输水管18上设有蠕动泵19。所述柱体模拟装置2和废液收集装置4之间的出水管20上设有采样装置。所述DNAPL注入孔16距离进水孔10为6.5cm；顶部采样孔17距离进水孔10依次为8cm、9.5cm、11cm、12.5cm、15.5cm、18.5cm、21.5cm、24.5cm、30.5cm、36.5cm和66.5cm。所述采样装置3为带有鲁尔接口的20-gauge不锈钢取样针21，取样针的一端由顶部采样孔17垂直***含水层，另一端与带有鲁尔接口的止通阀22连接，止通阀22的外接口设有微量注射器23。所述在柱形槽体内分区域均匀填充介质，包括：粒径为60-150目的石英细砂，粒径为35-80目的石英中砂、粒径为4-35目的石英粗砂以及粒径为100-300目的零价铁；DNAPL污染区7和PRB下游区域9填充介质均为细砂，对照组与实验组PRB区域8的填充介质的选取需要确保该区域的渗水系数大于DNAPL污染区7和PRB下游区域9的渗透系数；实验组PRB区域8填充介质为零价铁与石英中砂质量比为1:5的均匀混合物，对照组则填充等质量石英中砂；填充介质的预处理特征在于，所述石英砂均分别使用0.1M NaOH及0.1M HNO3浸泡6h，使用去离子水洗至中性后105℃烘箱烘干；所述零价铁分别使用0.1M NaOH及0.1M HNO3迅速重复洗三次，使用去离子水洗至中性后，在真空冷冻干燥机中干燥并保存。所述介质填充方法包括以下步骤：填充过程中柱形槽体竖直放置，按照第二过滤层15、PRB下游区域9、PRB区域8、DNAPL污染区7和第一过滤层14依次进行填充；PRB下游区域9和DNAPL污染区7以及对照组PRB区域8介质的填充采用湿填充方式；使用蠕动泵19将已除氧的模拟地下水从出水孔11注入，使用漏斗和内径小于1/2槽体内径的空心管将洗净烘干并杀菌的细砂加入，分层填充，每填充3cm扰动压实一次，湿填充过程中保证水平面高于砂层面2cm-5cm；实验组PRB区域8介质的填充采用干填充方式；填充前使用无水乙醇将ZVI与中砂混合均匀，使用漏斗和内径小于1/2槽体内径的空心管将混合均匀的ZVI-中砂混合物分层填充至PRB区域8，每填充3cm压实一次，压实过程中应使填充介质所受扰动尽量小；填充完毕后，密封出水孔11，槽体竖直静置24h后将进水端柱体盖5与柱形槽体连接，将连接后的柱体模拟装置2密封，水平静置24h；依次连接供水装置1、柱体模拟装置2和废液收集装置4，使用蠕动泵19将已除氧的模拟地下水泵入饱和含水层模拟装置试运行6h，以除去填充过程中引入的杂质。所述DNAPL污染区内的污染物首先使用油红O进行染色，染色方法为：称取0.0005g油红O粉末溶解于100mL DNAPL液体中，得到DNAPL染色液体。所述装置的实验方法，所述实验方法包括以下步骤：a.首先进行柱体模拟装置2与采样装置3的连接；b.然后进行介质填充及实验装置试运行；c.使用1mL玻璃微量注射器从DNAPL注入孔16注入染色的DNAPL，注入速率为0.5μL/min；d.注入完成后，将5cm长且一端事先使用硅胶封口的PTFE管分别***进水孔10与出水孔11的气动管中，使柱体密封，静置24h使DNAPL稳定分布；e.重新依次连接供水装置1、柱体模拟装置2和废液收集装置4，使用蠕动泵19泵入已除氧的模拟地下水；f.定时从采样孔采集样品，对污染物成分及浓度进行检测，样品采集速率应小于模拟地下水体泵入速率的2％。
实施例2
如图所示，一种零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置与方法，包括供水装置1、柱体模拟装置2、采样装置3和废液收集装置4。
所述柱体模拟装置2的长度为50cm，内径为5cm，外径为6cm，包括饱和含水层模拟区域和两端过滤层。饱和含水层模拟区域包括DNAPL污染区7、PRB区域8和PRB下游区域9。其中DNAPL污染区7的长度为5cm，PRB区域8安装在距离DNAPL注入孔16下游2cm的位置，长度为20cm，PRB下游区域9的长度为15cm。两端过滤层包括第一过滤层14和第二过滤层15，长度分别为3cm和1.5cm。DNAPL注入孔16的内径为0.4cm及顶部采样孔17内径为0.2cm。
所述柱体模拟装置2填充过程竖直放置，实验过程水平放置，柱形槽体顶部按比例排列DNAPL注入孔16和顶部采样孔17，采样装置3针头处于同一水平线，均位于1/2柱体内径处。
实验选择纯度为99.4％的白色石英砂作为多孔介质，填充前使用0.1M NaOH、0.1MHNO3分别浸泡6h后，使用去离子水洗至中性，后置于105℃烘箱烘干，使用前使用紫外线杀菌2h。选用纯度为99.0％的零价铁粉末作为PRB区域8的填充介质之一，填充前使用0.1MNaOH和0.1M HNO3分别浸泡洗三次，时间分别为3min，使用去离子水洗至中性后真空冷冻干燥，柱体填充前使用乙醇将零价铁与中砂混合均匀。使用乙醇混合的主要原因有二(1)粉末状零价铁与中砂比重差别大，干混合无法混合均匀；(2)采用乙醇实施混合能够有效避免零价铁的快速氧化。
柱体填充前，首先将所有实验器材紫外杀菌，连接采样装置3，将不锈钢采样针21从硅胶堵头26中心穿过，使针尖到硅胶堵头26底部的距离为3cm；然后使用硅胶将与硅胶堵头26组装好的不锈钢采样针21依次固定在柱形槽体DNAPL注入孔16和顶部采样孔17上，最后连接不锈钢采样针21与止通阀22，使用硅胶密封连接部位。样品采集时，开启止通阀22，将微量玻璃注射器23***不锈钢采样针21针头位置即柱体1/2内径的位置缓慢采集样品。
采样装置固定后，分别将进水端柱体盖5与出水端柱体盖6和柱形槽体相连，并首先密封出水孔11，从进水端注满去离子水后密封进水孔10，分别水平和竖直放置24h进行各部位的气密性测试。
气密性测试结束后，打开进水端柱体盖5，依次按照第二过滤层15、PRB下游区域9、PRB区域8、DNAPL污染区7、第一过滤层14的顺序进行柱体填充。填充过程中柱形槽体竖直放置，出水端为底。其中除PRB区域采用干填充外，其余区域均采用湿法填充。湿法填充从底部进水，使水位线始终高于砂层2cm-5cm，且每填充3cm用橡胶锤扰动压实依次。填充至PRB区域时，首先使用虹吸方法使水位与砂层平齐，然后将事先使用乙醇混合均匀的零价铁与中砂混合物填充至PRB区域，每填充5cm，压实一次。填充完毕后，缓慢从底部进水使水位线再次高于砂层3cm，依次进行其他区域的填充。
填充完成后，将进水端柱体盖与柱形槽体连接并密封，竖直放置48h，柱体内无镂空或气泡后水平放置24h，仍无镂空或气泡产生后依次连接供水装置1、柱体模拟装置2和废液收集装置4。
以四氯化碳作为DNAPL代表成分。使用1mL玻璃注射器，分两次(每次注入0.5mL)缓慢地将染色DNAPL从DNAPL注入孔16注入DNAPL污染区7。注入方式为：以速率0.5μL/min注入DNAPL污染区7，第一次注入与第二次注入间隔10-20min，保证第一次注入的DNAPL完全渗入DNAPL污染区后再进行第二次注射。两次注射完成后，将DNAPL注入孔16及柱体模拟装置密封，静置6h后重新连接供水装置1、柱体模拟装置2和废液收集装置4，运行实验装置。
柱体运行过程中，模拟地下水流速为0.145m/d，蠕动泵的泵入速率为0.2mL/min，实验进行过程中，定时采水样，采样速率不超过槽体水流速度的5％，为4μL/min。在保证足够样品用于化学定量分析的前提下，每个取样孔的单次取样体积在10μL。采集水样经稀释后使用顶空气相色谱进行测定。
顶空气相色谱仪配电子捕获检测器(ECD)，DB-624毛细管柱(60m×250μm×1.4μm)。柱流量为1mL/min，载气为高纯氮气，注射器和烘箱的最高温度为220℃，检测下限为1μg/L。
根据实验中不同采样孔水样中污染物浓度的变化作出水相污染物浓度随时间变化的曲线图(图3-a，图3-b)，其中图3-a为DNAPL污染源变化表征孔2#污染物浓度变化曲线。在DNAPL存在的情况下，2#孔所采集样品污染物浓度的变化表现为从0逐渐上升至DNAPL在水中的溶解平衡浓度，并在该平衡浓度保持不变。当DNAPL完全溶解后，由于污染源的消失水相污染物浓度不断下降至0。在零价铁-PRB还原修复体系中(即实验组)，DNAPL在水中的溶解平衡浓度为DNAPL向水相的溶解与溶解态DNAPL成分的还原脱氯共同决定的。在无零价铁-PRB还原修复体系(即对照组)中，DNAPL在水中的溶解平衡浓度仅由DNAPL向水相的溶解决定。DNAPL污染源中DNAPL相的存在时间即为DNAPL污染源的持久性。图3-b为9#孔中水相污染物浓度的变化，该采样孔位于PRB下游区域，主要用于监测流经PRB墙体的地下水中污染物的成分及浓度，从而表征零价铁-PRB墙体的有效性。图3-c为本发明在应用过程中的质量守恒计算，通过质量守恒计算，表征本发明装置及方法的实验室可行性。
零价铁-RPB对DNAPL污染源的修复主要通过零价铁还原溶解态DNAPL成分，强化了DNAPL相向水相的溶解实现的。通过对照组与实验组曲线浓度的变化可以评估该技术下零价铁-PRB还原修复溶解态DNAPL成分对DNAPL污染源的修复效率。与对照组相比，零价铁-PRB还原修复溶解态DNAPL成分能够显著降低DNAPL污染源的持久性(图3-a DNAPL污染源的持久性降低了30％-40％)；图3-b中，与对照组相比，实验组中流经PRB区域的模拟地下水中溶解态的DNAPL成分出水浓度降低了600mg/L-700mg/L，约有80％的DNAPL溶解到地下水中并被零价铁-PRB还原去除，说明20cm PRB长度能够有效降解溶解态的DNAPL成分。但是本案例中所用DNAPL以四氯化碳作为代表成分，四氯化碳与零价铁的还原脱氯反应为逐级脱氯过程，其脱氯中间产物三氯甲烷仅有10％被零价铁-PRB进一步还原，出水中三氯甲烷浓度高达590mg/L。考虑到对中间产物出水浓度的控制，在实际场地应用中可适当延长PRB长度同时对中间产物进行修复。图3-c为实验过程中，对照组与实验组中污染物摩尔数守恒计算。实验组各污染物摩尔数之和与对照组各污染物摩尔数之和基本相等。与对照组相比，实验组中约13％的摩尔损失可能来自于实验过程尚未检出的未知产物。
申请人声明，上述实施案例主要用于说明本发明的详细结构特征及实现方法，但并不局限于上述详细结构特征及实现方法，也就是说不意味着本发明必须按照上述详细结构特征及方法才能实现。该相关领域的技术人员应该明了，对该发明的任何改进，包括对使用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择及通过任何合适的方式所进行的组合等，均应当视为本发明所公开的内容，属于本发明的保护范围和公开范围之内。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的零部件替换及各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (9)
1.基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，其特征在于包括：依次管道连接的供水装置（1）、柱体模拟装置（2）和废液收集装置（4），所述柱体模拟装置（2）上设有一组采样装置（3）；所述柱体模拟装置（2）包括柱体，所述柱体的两端设有进水端柱体盖（5）和出水端柱体盖（6），两个柱体盖上分别设有进水孔（10）和出水孔（11），所述进水孔（10）和出水孔（11）上分别设有气动管，柱体盖与柱体之间设有筛网，柱体内依次设有第一过滤层（14）、DNAPL污染区（7）、PRB区域（8）、PRB下游区域（9）和第二过滤层（15），所述DNAPL污染区（7）对应的柱体表面设有DNAPL注入孔（16），所述PRB区域（8）和PRB下游区域（9）对应的柱体表面设有一组顶部采样孔（17）；所述采样装置（3）设于顶部采样孔（17）内。
2.根据权利要求1所述基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，其特征在于所述供水装置（1）和柱体模拟装置（2）之间的输水管（18）上设有蠕动泵（19）。
3.根据权利要求1所述基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，其特征在于所述柱体模拟装置（2）和废液收集装置（4）之间的出水管（20）上设有采样装置。
4.根据权利要求1所述基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，其特征在于所述DNAPL注入孔（16）距离进水孔（10）6.5 cm；顶部采样孔（17）距离进水孔（10）依次为8 cm、9.5 cm、11 cm、12.5 cm、15.5 cm、18.5 cm、21.5 cm、24.5 cm、30.5 cm、36.5 cm和66.5 cm。
5.根据权利要求1所述基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，其特征在于所述采样装置（3）为带有鲁尔接口的20-gauge不锈钢取样针（21），取样针的一端由顶部采样孔（17）垂直***含水层，另一端与带有鲁尔接口的止通阀（22）连接，止通阀（22）的外接口设有微量注射器（23）。
6.根据权利要求1所述基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，其特征在于所述在柱形槽体内分区域均匀填充介质，包括：粒径为60-150 目的石英细砂，粒径为35-80 目的石英中砂、粒径为4-35 目的石英粗砂以及粒径为100-300目的零价铁； DNAPL污染区（7）和PRB下游区域（9）填充介质均为细砂，对照组与实验组 PRB区域（8）的填充介质的选取需要确保该区域的渗水系数大于DNAPL污染区（7）和PRB下游区域（9）的渗透系数；实验组 PRB区域（8）填充介质为零价铁与石英中砂质量比为1:5的均匀混合物，对照组则填充等质量石英中砂；填充介质的预处理特征在于，所述石英砂均分别使用0.1 M NaOH及0.1 M HNO3浸泡6 h，使用去离子水洗至中性后105℃烘箱烘干；所述零价铁分别使用0.1 M NaOH及0.1 M HNO3迅速重复洗三次，使用去离子水洗至中性后，在真空冷冻干燥机中干燥并保存。
7.根据权利要求1所述基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，其特征在于所述介质填充方法包括以下步骤：填充过程中柱形槽体竖直放置，按照第二过滤层（15）、PRB下游区域（9）、 PRB区域（8）、DNAPL污染区（7）和第一过滤层（14）依次进行填充；PRB下游区域（9）和DNAPL污染区（7）以及对照组 PRB区域（8）介质的填充采用湿填充方式；使用蠕动泵（19）将已除氧的模拟地下水从出水孔（11）注入，使用漏斗和内径小于1/2槽体内径的空心管将洗净烘干并杀菌的细砂加入，分层填充，每填充3 cm扰动压实一次，湿填充过程中保证水平面高于砂层面2 cm-5 cm；实验组 PRB区域（8）介质的填充采用干填充方式；填充前使用无水乙醇将ZVI与中砂混合均匀，使用漏斗和内径小于1/2槽体内径的空心管将混合均匀的ZVI-中砂混合物分层填充至 PRB区域（8），每填充3 cm压实一次，压实过程中应使填充介质所受扰动尽量小；填充完毕后，密封出水孔（11），槽体竖直静置24 h后将进水端柱体盖（5）与柱形槽体连接，将连接后的柱体模拟装置（2）密封，水平静置24 h；依次连接供水装置（1）、柱体模拟装置（2）和废液收集装置（4），使用蠕动泵（19）将已除氧的模拟地下水泵入饱和含水层模拟装置试运行6 h，以除去填充过程中引入的杂质。
8.根据权利要求1所述基于零价铁-PRB还原修复饱和含水层氯代烃类DNAPL污染源的实验装置，其特征在于所述DNAPL污染区内的污染物首先使用油红O进行染色，染色方法为：称取0.0005 g油红O粉末溶解于100 mL DNAPL液体中，得到DNAPL染色液体。
9.权利要求1~8任一所述装置的实验方法，其特征在于，所述实验方法包括以下步骤：
a.首先进行柱体模拟装置（2）与采样装置（3）的连接；
b.然后进行介质填充及实验装置试运行；
c.使用1 mL玻璃微量注射器从DNAPL注入孔（16）注入染色的DNAPL，注入速率为0.5 μL/min；
d.注入完成后，将5 cm长且一端事先使用硅胶封口的PTFE管分别***进水孔（10）与出水孔（11）的气动管中，使柱体密封，静置24 h使DNAPL稳定分布；
e.重新依次连接供水装置（1）、柱体模拟装置（2）和废液收集装置（4），使用蠕动泵（19）泵入已除氧的模拟地下水；
f.定时从采样孔采集样品，对污染物成分及浓度进行检测，样品采集速率应小于模拟地下水体泵入速率的2%。
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| CN207472845U (zh) * | 2017-07-17 | 2018-06-08 | 中国科学院南京土壤研究所 | 基于零价铁-prb还原修复饱和含水层氯代烃类dnapl污染源的实验装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 刘园园;高松;邱明英;吕春欣;张兰英;: "强化的零价铁PRB技术对PCBs污染地下水的修复" * |
| 刘园园;高松;邱明英;吕春欣;张兰英;: "强化的零价铁PRB技术对PCBs污染地下水的修复", 生态环境学报, no. 04, pages 733 - 734 * |
| 李书鹏;刘鹏;杜晓明;杜郁;: "采用零价铁-缓释碳修复氯代烃污染地下水的中试研究" * |
| 李书鹏;刘鹏;杜晓明;杜郁;: "采用零价铁-缓释碳修复氯代烃污染地下水的中试研究", 环境工程, no. 04 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108447376A (zh) * | 2018-02-12 | 2018-08-24 | 中国科学院南京土壤研究所 | 一种评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置和方法 |
| CN111056613A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-24 | 中铁科学研究院有限公司成都分公司 | 一种处理油烃污染物中小分子有机酸的装置及其处理方法 |
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| CN107389863B (zh) | 2023-11-07 |
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