CN113845234B - 一种模拟地下水氧化还原带的沙柱装置及使用方法 - Google Patents

一种模拟地下水氧化还原带的沙柱装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种模拟地下水氧化还原带的沙柱装置及使用方法，主要结构包括：1)水箱；2a)橡胶导水管一；2b)橡胶导水管二；3a)蠕动泵一；3b)蠕动泵二；4)进水漏斗；5)柱体；6a)尼龙网一；6b)尼龙网二；7)出水漏斗；8)水化学参数探针/探头；9)微生物培养液输入瓶。本发明通过针对性设置模拟地下水中N2和O2比例，调控模拟柱体形成地下介质不同氧化还原区带，设计的成套沙柱体系可以用于地下水有机污染机理研究和修复药剂研制，该装置可灵活调控水体氧化还原电势、操作简便，是地下水研究的得力装置。

Description

一种模拟地下水氧化还原带的沙柱装置及使用方法
技术领域
本发明属于水体污染修复技术领域，特别涉及一种模拟地下水氧化还原带的沙柱装置及使用方法。
背景技术
目前，卤代烃的大规模使用，已使其成为地下水中分布最广的污染物种类之一。因其在地下水中结构稳定，毒性较大，难以降解，使得地下水卤代烃污染成为目前国际上地下水污染防治和保护的热点之一。在众多的卤代烃处理技术中，以原位微生物修复处理技术最为经济有效。
原位微生物修复技术是通过刺激自然环境中的土著微生物生长繁殖或注入特定菌群，在人为促进条件下，利用微生物的代谢作用将卤代烃降解或转化为毒性较小或无毒产物。目前，各类针对刺激微生物的药剂研发模型中仍存在着无法较好地反应出卤代烃污染水体在不同氧化还原带的垂向迁移机理及污染修复药剂作用效果和影响因素的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种模拟地下水氧化还原带的沙柱装置以及利用该装置进行卤代烃氧化还原条件研究的方法，
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种模拟地下水氧化还原带的沙柱装置，包括由装有填充试剂的柱体，柱体的上端连接进水漏斗，下端连接出水漏斗，进水漏斗的入口连接带有蠕动泵一的橡胶导水管一的一端和带有蠕动泵二的橡胶导水管二的一端，橡胶导水管一的另一端连接用于盛放模拟卤代烃污染地下水的水箱，橡胶导水管二的另一端连接微生物培养液输入瓶，柱体在不同高度处连接有水化学参数探针/探头。
本发明中所述模拟地下水氧化还原带的沙柱装置，其特征在于，所述水箱和微生物培养液输入瓶都为带有刻度的棕色细口装置，封口后能够避免气体的泄露并带有避光作用；柱体为实验的主体部分，材质为聚四氟材质，高15cm，内径3-5cm，外径4-6cm，一侧沿高度方向设有4个不小于0.1cm的等距圆孔，供样本采集和水化学参数探针/探头使用，在实验前盛装满足实验要求的填充试介质，柱体两端分别设置一层尼龙网，以防止填充试介质散逸；所述填充试介质为模拟地下水介质，包括中砂、细砂、粉细砂和黏土等，具体视模拟污染场地当地情况而定，保证渗透系数为6×10-3～3×10-6cm/s。
上述模拟地下水氧化还原带的沙柱装置的进行卤代烃氧化还原条件研究的方法，包括：
(1)将柱体中盛装满足实验要求的填充试介质；
(2)向模拟地下水中加入不同浓度的卤代烃，模拟卤代烃地下水污染，将欲测验的模拟卤代烃污染地下水样品放入水箱中，将卤代烃地下水修复药剂(药剂中可包含功能菌剂也可不包含)放入微生物培养液输入瓶中；
(3)O2和N2通过氧气瓶和氮气瓶由导管接入模拟地下水箱中，并***到液面以下至水箱底部，调整模拟卤代烃污染地下水样品的N2和O2充气比例和时间，在不同柱体中依次形成不同的氧化还原带；
(4)实验应由三个阶段形成由强氧化还原向弱氧化还原阶段逐步过渡，以增强氧化还原带的稳定性，这种逐步形成过程也比较符合自然条件下不同氧化还原带的形成特征；
(5)通过蠕动泵一调节模拟卤代烃污染地下水的流速，通过蠕动泵二控制卤代烃污染地下水修复药剂的流速，精确还原地下水受污场地地；
(6)柱体持续通模拟卤代烃污染地下水，保持饱水状态，每周采样监测模拟柱中水体氧化还原电势等水化学参数指标，样品水体反应过后通过柱体底端的出水漏斗收集反应后水体，获得卤代烃污染地下水分别在氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带的反应效率；
(7)利用上述模拟柱体系，分别分析卤代烃在不同氧化还原带中的浓度部分，采样测定药剂对卤代烃降解效果，研究药剂作用原理，分析地下水在氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带对药剂作用影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明适用于不同卤代烃污染场地，可根据实验需要，针对性设置模拟地下水中N2和O2比例，调控模拟柱体形成地下介质不同氧化还原区带，设计的成套沙柱体系，能够批次研究卤代烃污染水体在不同氧化还原带的垂向迁移机理及污染修复药剂作用效果和影响因素的问题。
(2)装置中柱体一侧沿高度方向设有4个不小于0.1cm的等距圆孔，能够实现一孔多功能，方便采样测定药剂对卤代烃降解效果，研究药剂作用原理，分析地下水不同氧化还原带对药剂作用影响。
(3)装置中柱体采用材质为聚四氟材质，高15cm，内径3-5cm，外径4-6cm，可防止填充试介质的不正常沉积，体积较小方便实验操作。
附图说明
图1是本发明沙柱装置结构示意图。
图2～图5是本发明的一套研究地下水氧化还原带沙柱装置图，其中图2示出了O2还原带，图3示出了NO3 -还原带，图4示出了Fe3+还原带，图5示出了SO4 2-还原带，填充介质为石英砂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种模拟地下水氧化还原带的沙柱装置包括装有填充试剂的柱体5，柱体5的上端连接进水漏斗4，下端连接出水漏斗7，进水漏斗4的入口连接带有蠕动泵一3a的橡胶导水管一2a的一端和带有蠕动泵二3b的橡胶导水管二2b的一端，橡胶导水管一2a的另一端连接用于盛放模拟卤代烃污染地下水的水箱1，橡胶导水管二2b的另一端连接微生物培养液输入瓶9，柱体5在不同高度处连接有水化学参数探针/探头8；所述柱体5的上端与进水漏斗4之间设置有尼龙网一6a，下端与出水漏斗7之间设置有尼龙网二6b；所述水箱1和微生物培养液输入瓶9都为带有刻度的棕色细口装置，封口后能够避免气体的泄露并带有避光作用；所述柱体5的材质为聚四氟材质，高15cm，内径3-5cm，外径4-6cm，一侧沿高度方向设有4个不小于0.1cm的等距圆孔，供样本采集和水化学参数探针/探头8使用。
如图2、图3、图4和图5所示，本实验根据不同实验的目的，使用一套装置组成沙柱体系，批次研究卤代烃污染水体氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带的垂向迁移机理及污染修复药剂作用效果和影响因素的问题。
上述一套模拟地下水氧化还原带的沙柱装置的进行卤代烃氧化还原条件研究的方法，包括：
(1)将柱体中盛装满足实验要求的填充试介质，包括中砂、细砂、粉细砂和黏土等，具体视模拟污染场地当地情况而定，保证渗透系数为6×10-3～3×10-6cm/s；
(2)向模拟地下水中加入不同浓度的卤代烃，模拟卤代烃地下水污染，将欲测验的模拟卤代烃污染地下水样品放入水箱1中，将卤代烃污染地下水修复药剂(药剂中可包含功能菌剂也可不包含)放入微生物培养液输入瓶9中；
(3)O2和N2通过氧气瓶和氮气瓶由导管接入模拟地下水箱中，并***到液面以下至水箱底部，调整模拟卤代烃污染地下水样品的N2和O2充气比例和时间，在不同柱体5中依次形成不同的氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带，要求氧还原带模拟地下水氧化还原电势(Eh)控制在+1.1～1.3V(pH＝7)，硝酸盐还原带模拟地下水Eh控制在+0.9～1V，Fe3+还原带模拟地下水Eh控制在+0.7～0.8V，SO4 2-还原带模拟地下水Eh控制在0.1～0.2V。；
(4)氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带形成方法和参数见表1、2和3，共分三个阶段，三个阶段形成由强氧化还原向弱氧化还原阶段逐步过渡，以增强氧化还原带的稳定性；
表1第一阶段参数表
Figure BDA0003274450320000051
表2第二阶段参数表
Figure BDA0003274450320000052
表3第三阶段参数表
Figure BDA0003274450320000053
(5)通过蠕动泵一3a调节模拟卤代烃污染地下水的流速为4-8mL/天，通过蠕动泵二3b控制卤代烃污染地下水修复药剂的流速2-3mL/天，精确还原地下水受污场地；
(6)柱体持续通模拟卤代烃污染地下水，保持饱水状态，每周采样监测模拟柱中水体氧化还原电势等水化学参数指标。样品水体反应过后通过柱体底端的出水漏斗收集反应后水体，获得卤代烃污染地下水分别在氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带的反应效率；
(7)利用上述4套模拟柱体系，分别分析卤代烃在4种氧化还原带中的浓度部分，采样测定药剂对卤代烃降解效果，研究药剂作用原理，分析地下水在氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带对药剂作用影响。

Claims (9)

1.基于模拟地下水氧化还原带的沙柱装置进行卤代烃氧化还原条件研究的方法，所述沙柱装置包括装有填充试剂的柱体（5），柱体（5）的上端连接进水漏斗（4），下端连接出水漏斗（7），进水漏斗（4）的入口连接带有蠕动泵一（3a）的橡胶导水管一（2a）的一端和带有蠕动泵二（3b）的橡胶导水管二（2b）的一端，橡胶导水管一（2a）的另一端连接用于盛放模拟卤代烃污染地下水的水箱（1），橡胶导水管二（2b）的另一端连接微生物培养液输入瓶（9），柱体（5）在不同高度处连接有水化学参数探针/探头（8），根据不同实验的目的，使用一套装置组成沙柱体系，批次研究卤代烃污染水体氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带的垂向迁移机理及污染修复药剂作用效果和影响因素的问题；
其特征在于，所述方法包括：
步骤（1），在柱体（5）中盛装满足实验要求的填充试介质；
步骤（2），向模拟地下水中加入不同浓度的卤代烃得到模拟卤代烃污染地下水，将欲测验的模拟卤代烃污染地下水样品放入水箱（1）中，将卤代烃地下水修复药剂放入微生物培养液输入瓶（9）中；
步骤（3），O2和N2通过氧气瓶和氮气瓶由导管接入水箱（1）中，调整模拟卤代烃污染地下水的N2和O2充气比例和时间，在不同柱体（5）中分别形成氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带，其中氧还原带模拟卤代烃污染地下水氧化还原电势控制在+ 1.1~1.3 V、pH=7，硝酸盐还原带模拟卤代烃污染地下水氧化还原电势控制在+ 0.9~1 V，Fe3+ 还原带模拟卤代烃污染地下水氧化还原电势控制在+ 0.7~0.8 V，SO4 2-还原带模拟卤代烃污染地下水氧化还原电势控制在0.1~0.2 V；
步骤（4），通过蠕动泵一（3a）调节水箱（1）中模拟卤代烃污染地下水的流速为4-8 mL/天，通过蠕动泵二（3b）控制卤代烃污染地下水修复药剂的流速2-3 mL/天，精确还原地下水受污场地；
步骤（5），柱体（5）持续通入模拟卤代烃污染地下水，保持饱水状态，每周采样监测柱体（5）中包括水体氧化还原电势在内的水化学参数指标，获得卤代烃污染地下水分别在氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带的反应效率，并通过出水漏斗（7）收集反应后水体；
步骤（6），分别分析卤代烃在氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带中的浓度，采样测定卤代烃地下水修复药剂对卤代烃降解效果，研究药剂作用原理，分析地下水在氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带对药剂作用影响。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柱体（5）的上端与进水漏斗（4）之间设置有尼龙网一（6a），下端与出水漏斗（7）之间设置有尼龙网二（6b）。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水箱（1）和微生物培养液输入瓶（9）都为带有刻度的棕色细口装置，封口后能够避免气体的泄露并带有避光作用。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柱体（5）的材质为聚四氟材质，高15cm，内径3-5 cm，外径4-6 cm，一侧沿高度方向设有4个不小于0.1 cm的等距圆孔，供样本采集和水化学参数探针/探头（8）使用。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充试介质为模拟地下水介质，包括中砂、细砂、粉细砂和黏土，具体视模拟卤代烃污染场地当地情况而定，保证渗透系数为6×10-3~3×10-6 cm/s。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卤代烃地下水修复药剂中包含水溶态功能菌剂，具体组成部分需视模拟卤代烃污染场地情况而定。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧气瓶和氮气瓶的导管***到液面以下至水箱（1）底部。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，充气N2比例越高，模拟卤代烃污染地下水氧化还原电势越低，O2比例越高，模拟卤代烃污染地下水氧化还原电势越高。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，氧还原带、硝酸盐还原带、铁还原带和硫酸盐还原带形成方法分别分为三个由强氧化还原向弱氧化还原逐步过渡的阶段，其中：
在第一阶段，O2/N2体积比、充气速度、充气时间、模拟卤代烃污染地下水总量和饱水时间在形成氧还原带时的取值为：8:1、3 L/min、50 min、0.5 L、3天；形成硝酸盐还原带时的取值为：1:2、2 L/min、40 min、0.5 L、3天；形成铁还原带时的取值为：1:4、3 L/min、60min、0.5 L、3天；形成硫酸盐还原带时的取值为：1:9、3 L/min、60 min、0.5 L、3天；
在第二阶段，O2/N2体积比、充气速度、充气时间、模拟卤代烃污染地下水总量和饱水时间在形成氧还原带时的取值为：6:1、3 L/min、50 min、0.5 L、7；形成硝酸盐还原带时的取值为：1:4、3 L/min、40 min、0.5 L、7天；形成铁还原带时的取值为：1:10、3 L/min、60 min、0.5 L、7天；形成硫酸盐还原带时的取值为：1:15、3 L/min、60 min、0.5 L、7天；
在第三阶段，O2/N2体积比、充气速度、充气时间、模拟卤代烃污染地下水总量和饱水时间在形成氧还原带时的取值为：1:1、3 L/min、50 min、0.5 L、14天；形成硝酸盐还原带时的取值为：1:10、2 L/min、40 min、0.5 L、14天；形成铁还原带时的取值为：1:20、3 L/min、60min、0.5 L、14天；形成硫酸盐还原带时的取值为：1:30、3 L/min、60 min、0.5 L、14天。
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