CN114262007A - 一种地下水原位污染修复的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下水原位污染修复的实验装置，包括至少两个并排平行的实验槽，所有实验槽的上游端共同连接同一个进水布水区，每个实验槽的下游端分别设有对应的出水布水区；所述实验槽的底部设有若干个可活动的固定凹槽，用于固定圆柱管井和/或反应墙；所述圆柱管井和反应墙分别用于进行原位注入实验和可渗透反应墙实验。

Description

一种地下水原位污染修复的实验装置

技术领域

本发明属于地下水修复技术领域，具体涉及一种地下水原位污染修复的实验装置。

背景技术

地下水是人类赖以生存的重要资源，优质的地下水是确保经济社会发展，人民身体健康的物质基础。在过去的几十年中，随着社会经济的快速发展，大量的污染物进入地下水环境中，使得地下会遭受了严重的污染，对污染地下水进行修复已经迫在眉睫。目前，主墙(PRB)法。由于地下水环境的复杂性，在地下水要的修复方法为原位注入法和可渗透反应污染污染修复研究中，一般通过构建模拟试验来进行。目前地下水修复的模拟试验方式主要包括建立野外试验场或开展室内批实验、土柱试验、模拟槽试验等。室内试验与野外试验场相比，具有操作方便、成本低廉、条件易于控制等优点。由于室内试验中的模拟槽试验可以模拟更加接近真实地下水的条件，已经成为地下水修复试验最常用的研究手段。因此搭建实用的地下水模拟槽已经是开展地下水污染修复实验室研究关注的热点问题。

现有地下水污染修复模拟槽的功能较为单一，某些情况下很难满足试验需要。首先，现有模拟槽一般只能模拟一种修复技术(如原位注入或PRB)，在一项技术研究完成之后不能再用于其他技术。其次，现有地下水污染修复模拟槽一般没有设置同一试验条件对照槽，因此没有考虑未实施修复技术时地下水自净作用，不能准确的刻画修复技术对污染物的去除作用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种地下水原位污染修复的实验装置，包括至少两个并排平行的实验槽，所有实验槽的上游端共同连接同一个进水布水区，每个实验槽的下游端分别设有对应的出水布水区；

所述实验槽的底部设有若干个可活动的固定凹槽，用于固定圆柱管井和/或反应墙；所述圆柱管井和反应墙分别用于进行原位注入实验和可渗透反应墙实验。

可选的，所述进水布水区的上游侧底部设有进水口，下游侧壁面为第一多孔板，允许进水通过均匀分布后，由第一多孔板的通孔以相同流速分别进入每个实验槽。

可选的，所述出水布水区的上游侧壁面为第二多孔板，允许对应实验槽的水体由第二多孔板的通孔进入出水布水区；出水布水区的下游侧壁面上由上至下设有若干个出水口，用于采集不同位置的出水水样。

可选的，所述实验槽的一侧壁面设有若干个取样孔，且呈矩阵均匀分布在实验槽侧壁上，所述取样孔连接取样管。

可选的，所述实验槽的一侧壁面设有若干个测压管，且位于实验槽的上部，所述测压管的底部与实验槽内部连通，测压管的壁面上设有刻度线，用于测量实验槽长度方向上不同位置的压力和水位。

在本发明的一个具体实施方式中，所述实验装置包括至少三个实验槽，中部实验槽处于两侧外部实验槽之间，两个外部实验槽的取样孔和测压管的设置如上所述，中部实验槽的两侧壁面均为内侧面，即均与两侧外部实验槽相接触，取样孔设在中部实验槽的任一侧面上，取样管呈L型，取样管的底部水平连接取样孔，上部为竖直管，延伸到实验槽顶面以上的位置，提供些许抽取压力，将中部实验槽的样品抽出。由于中部实验槽的取样孔呈阵列均匀分布，在同一竖直线上有若干个取样孔，每个取样孔对应的取样管呈一定倾斜角度彼此错开，防止同一竖直线上的取样管均垂直设置时，侵占外部实验槽内部过多的空间，影响外部实验槽实验。中部实验槽的任一侧面上设有测压管，测压管呈L型，测压管的底部与实验槽内部连通，上部为竖直管，且延伸到实验槽顶面以上的位置。

可选的，所述固定凹槽包括中部的凹槽主体和凹槽主体两端的滑块，实验槽的两个内侧面对应所述滑块的位置分别设有导轨槽，滑块在导轨槽内滑动；一个实验槽的固定凹槽上固定若干个圆柱管井或反应墙。

进一步可选的，所述实验槽的底部设有两个可活动的固定凹槽，分别为靠近实验槽上游侧的第一固定凹槽和靠近实验槽下游侧的第二固定凹槽；

第一固定凹槽连接第一液压缸，第一液压缸设在进水布水区的外部的上游侧，第一液压缸的伸缩杆固定连接第一固定凹槽；第二固定凹槽连接第二液压缸，所述第二液压缸设在出水布水区的外部的下游侧，第二液压缸的伸缩杆固定连接第二固定凹槽；第一液压缸和第二液压缸分别用于推动第一固定凹槽和第二固定凹槽沿实验槽的长度方向移动，进而灵活改变两个固定凹槽的位置，适应不同实验要求。

可选的，所述圆柱管井由上至下包括无孔区和有孔区，无孔区穿出实验槽顶面，连接供料装置，用于向圆柱管井输入修复药剂或纯水；所述有孔区完全处于实验槽内部，且表面均匀分布若干个通孔，用于将修复药剂或纯水均匀输入实验槽，进行修复实验或对照实验。

进一步可选的，所述圆柱管井的内部设有挡水套圈，挡水套圈处于所述有孔区的范围内，挡水套圈与圆柱管井为同一圆心，挡水套圈连接推动杆的底端，推动杆通过水平旋转杆与外部的驱动装置连接，用于推动挡水套圈在有孔区内上下移动，遮蔽任意高度位置的有孔区通孔；

推动杆的表面沿自身的长度方向设有水平齿槽，水平旋转杆的一端穿过所述无孔区的侧壁并连接驱动装置，另一端设有齿轮，该齿轮与所述水平齿槽啮合；水平旋转杆向不同方向转动时通过齿轮带动推动杆向上或向下移动，从而带动挡水套圈上下移动；水平旋转杆穿过圆柱管井侧壁的位置设有机械密封。

可选的，所述反应墙为中空的立方体，反应墙的上游侧和下游侧表面均为第三多孔板，第三多孔板的外表面均设有筛网，筛网的网孔孔径小于第三多孔板的通孔孔径，防止反应墙内部的装填物与实验槽内部的装填物彼此交换；

反应墙内部装填修复介质材料或含水层介质，且垂直于实验槽内的水流方向；当污染的地下水通过装填有修复介质材料的反应墙时，进行修复实验，当污染的地下水通过装填有含水层介质的反应墙时，进行对照实验。

附图说明

图1为一种实施形式的所述地下水原位污染修复的实验装置的结构图；

图2为图1中所述实验装置的结构图；

图3为另一种实施形式的所述地下水原位污染修复的实验装置的侧面剖视图；

图4为中部实验槽的取样管的布设示例。

附图中，1-实验槽，2-进水布水区，3-出水布水区，4-固定凹槽，5-圆柱管井，501-无孔区，502-有孔区，6-反应墙，7-进水口，8-出水口，9-第一多孔板，10-第二多孔板，11-第三多孔板，12-取样孔，13-取样管，14-测压管，15-第一固定凹槽，16-第二固定凹槽，17-第一液压缸，18-第二液压缸。

具体实施方式

本实施例提供一种地下水原位污染修复的实验装置，如图1-图4所示，包括至少两个并排平行的实验槽1，所有实验槽1的上游端共同连接同一个进水布水区2，每个实验槽1的下游端分别设有对应的出水布水区3；

所述实验槽1的底部设有若干个可活动的固定凹槽4，用于固定圆柱管井5和/或反应墙6；所述圆柱管井5和反应墙6分别用于进行原位注入实验和可渗透反应墙6实验。

可选的，所有实验槽1的尺寸均相同，且处于同一水平高度，实验槽1的顶部设有盖板。例如，所述实验装置从上游端至下游端包括进水布水区2、水槽和出水区，所述水槽内部由长隔板分隔成若干个实验槽1，实验槽1内填充含水层介质，出水区由短隔板分隔成若干个出水布水区3，实验槽1和出水布水区3一一对应。

可选的，所述进水布水区2的上游侧底部设有进水口7，下游侧壁面为第一多孔板9，允许进水通过均匀分布后，由第一多孔板9的通孔以相同流速分别进入每个实验槽1。

实验开始时，地下水从所述进水口7缓慢进入进水布水区和实验槽，进行饱水，将实验槽含水层介质空隙中的空气排出。饱水完成后，调节进水流量，控制实验槽内水头，水体以相同流速进入每个实验槽1，并且在不断进水的前体下，可实现不同高度的同时进水。

可选的，所述出水布水区3的上游侧壁面为第二多孔板10，允许对应实验槽1的水体由第二多孔板10的通孔进入出水布水区3；出水布水区3的下游侧壁面上由上至下设有若干个出水口8，用于采集不同位置的出水水样。优选的，所述若干个出水口8处于同一竖直线上，使得出水口8出水一致。

进一步可选的，所述第一多孔板9的下游侧表面和第二多孔板10的上游侧表面均设有筛网，筛网的网孔孔径小于第一多孔板9和第二多孔板10的通孔孔径，防止实验槽1内填充的含水层介质和修复介质材料进入进水布水区2和出水布水区3。

可选的，所述筛网选自聚四氟乙烯筛网或玻璃纤维筛网。

为了模拟地下水，所述进水布水区2和出水布水区3的顶部均密封，防止外界对进水和出水的影响。

可选的，所述实验槽1的一侧壁面设有若干个取样孔12，且呈矩阵均匀分布在实验槽1侧壁上，所述取样孔12连接取样管13，取样管13选自不锈钢管或聚四氟乙烯管，实验时对所有取样孔12进行标号，用于对实验槽1不同位置进行取样。

可选的，所述实验槽1的一侧壁面设有若干个测压管14，且位于实验槽1的上部，所述测压管14的底部与实验槽1内部连通，测压管14的壁面上设有刻度线，用于测量实验槽1长度方向上不同位置的压力和水位。

在本发明的一个具体实施方式中，所述实验装置包括两个实验槽1，两个实验槽1的内侧面重合，所述取样孔12和测压管14设在两个实验槽1各自的外侧面上，取样孔12呈矩阵均匀分布在两个实验槽1各自的外侧面上，测压管14设在两个实验槽1各自的外侧面上，测压管14的底部与实验槽1内部连通，且测压管14位于实验槽1的顶部。

在本发明的另一个具体实施方式中，如图4所示，所述实验装置包括至少三个实验槽1，中部实验槽1处于两侧外部实验槽1之间，两个外部实验槽1的取样孔12和测压管14的设置如上所述，中部实验槽1的两侧壁面均为内侧面，即均与两侧外部实验槽1相接触，取样孔12设在中部实验槽1的任一侧面上，取样管13呈L型，取样管13的底部水平连接取样孔12，上部为竖直管，延伸到实验槽1顶面以上的位置，提供些许抽取压力，将中部实验槽1的样品抽出。由于中部实验槽1的取样孔12呈阵列均匀分布，在同一竖直线上有若干个取样孔12，每个取样孔12对应的取样管13呈一定倾斜角度彼此错开，防止同一竖直线上的取样管13均垂直设置时，侵占外部实验槽1内部过多的空间，影响外部实验槽1实验。中部实验槽1的任一侧面上设有测压管14，测压管14呈L型，测压管14的底部与实验槽1内部连通，上部为竖直管，且延伸到实验槽1顶面以上的位置。

可选的，所述固定凹槽4包括中部的凹槽主体和凹槽主体两端的滑块，实验槽1的两个内侧面对应所述滑块的位置分别设有导轨槽，滑块在导轨槽内滑动；一个实验槽的固定凹槽上固定若干个圆柱管井或反应墙。

进一步可选的，所述实验槽1的底部设有两个可活动的固定凹槽4，分别为靠近实验槽1上游侧的第一固定凹槽154和靠近实验槽1下游侧的第二固定凹槽164；

第一固定凹槽15连接第一液压缸17，第一液压缸17设在进水布水区2的外部的上游侧，第一液压缸17的伸缩杆固定连接第一固定凹槽15；第二固定凹槽16连接第二液压缸18，所述第二液压缸18设在出水布水区3的外部的下游侧，第二液压缸18的伸缩杆固定连接第二固定凹槽16；第一液压缸17和第二液压缸18分别用于推动第一固定凹槽15和第二固定凹槽16沿实验槽1的长度方向移动，进而灵活改变两个固定凹槽4的位置，适应不同实验要求。

当具有多个实验槽时，设有多个第一液压缸17和多个第二液压缸18，以分别对应每个实验槽的第一固定凹槽15和第二固定凹槽16。进水布水区2和出水布水区3的底面略高于实验槽1的底面，为液压缸的伸缩杆留出空间，伸缩杆穿过实验槽1壁面的位置设有机械密封，实验前伸缩杆调整好位置，实验过程中实验槽1内部通水时，伸缩杆不再移动。

任选的，当固定凹槽4与圆柱管井5配合使用时，采用原位注入法，所述固定凹槽4移动到实验槽1从上游端起的1/5-1/3的长度位置，便于修复药剂随上游进水扩散、迁移至整个实验槽1。

任选的，当固定凹槽4与反应墙6配合使用时，采用可渗透反应墙6法，所述固定凹槽4移动在实验槽1从上游端起的2/3-4/5的长度位置，便于实验槽1内污染的地下水流经反应墙6进行处理。

本发明所述的实验槽1的设计，满足了多组不同条件、不同修复方法、实验组和对照组同步实验的方面需求。若干个实验槽1的设计，增加了同步进行的实验组数，提高了实验效率。可通过控制长隔板和短隔板的数量和安装位置，根据需要灵活设置实验槽1的数量。可活动的固定凹槽4能够灵活改变圆柱管井5和反应墙6的位置，也可设置多组圆柱管井5或反应墙6，研究不同实验条件下地下水的修复效果。甚至可以将圆柱管井5和反应墙6联用，即将原位注入法和可渗透反应墙6法联用，研究新的修复方法。由于固定凹槽4、导轨槽、液压缸的伸缩杆均位于实验槽1的底部，不会对实验槽1内的填料及填料中的水体产生影响，即不影响修复实验。每次实验前未装填填料或实验后移除填料后，再移动固定凹槽4，不影响实验槽1内的填料。

另外，同一实验槽1内的第一固定凹槽15和第二固定凹槽16均可固定圆柱管井5，其中一个固定凹槽的圆柱管井作为抽提井，模拟抽提井与原位注入井共同治理的工况。

可选的，所述圆柱管井5由上至下包括无孔区501和有孔区502，无孔区501穿出实验槽1顶面，连接供料装置，用于向圆柱管井5输入修复药剂或纯水；所述有孔区502完全处于实验槽1内部，且表面均匀分布若干个通孔，用于将修复药剂或纯水均匀输入实验槽1，进行修复实验或对照实验。优选的，所述无孔区501和有孔区502的长度之比为1:(3-6)。所述修复药剂为常规原位注入法使用的氧化剂。

进一步可选的，所述圆柱管井5的内部设有挡水套圈，挡水套圈处于所述有孔区502的范围内，挡水套圈与圆柱管井5为同一圆心，挡水套圈连接推动杆的底端，推动杆通过水平旋转杆与外部的驱动装置连接，用于推动挡水套圈在有孔区502内上下移动，遮蔽任意高度位置的有孔区502通孔；

推动杆的表面沿自身的长度方向设有水平齿槽，水平旋转杆的一端穿过所述无孔区501的侧壁并连接驱动装置，另一端设有齿轮，该齿轮与所述水平齿槽啮合；水平旋转杆向不同方向转动时通过齿轮带动推动杆向上或向下移动，从而带动挡水套圈上下移动；水平旋转杆穿过圆柱管井5侧壁的位置设有机械密封。

所述挡水套圈能够在推动杆的作用下，上下移动，遮蔽任意高度位置的有孔区通孔，同时根据实验需要，可以合理选择挡水套圈的高度，遮蔽一段距离的有孔区通孔，在不更换圆柱管井的前提下，研究不同注入深度对地下水修复的影响。为了不影响修复药剂的注入，设计了上述推动杆和水平旋转杆，将水平的机械转动转化成推动杆的竖直运动，同时驱动装置(例如电机)设在外部，不影响圆柱管井顶端连接供料装置。同时，配合可移动的固定凹槽，可以在多维方向上无级改变实验条件，而且无需另设实验装置，结构简单，使用灵活便捷。

可选的，所述反应墙6为中空的立方体，反应墙6的上游侧和下游侧表面均为第三多孔板11，第三多孔板11的外表面均设有筛网，筛网的网孔孔径小于第三多孔板11的通孔孔径，防止反应墙6内部的装填物与实验槽1内部的装填物彼此交换；

反应墙6内部装填修复介质材料或含水层介质，且垂直于实验槽1内的水流方向；当污染的地下水通过装填有修复介质材料的反应墙6时，进行修复实验，当污染的地下水通过装填有含水层介质的反应墙6时，进行对照实验。

进一步可选的，所述修复介质材料包括铁基材料、炭基材料和吸附沉淀型介质材料；所述铁基材料选自零价铁、四氧化三铁或硫化亚铁中的一种或多种；所述炭基材料选自活性炭、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种；所述吸附沉淀型介质材料选自膨润土、消石灰、石灰石、磷石灰、沸石或碳酸钙中的一种或多种；

所述含水层介质为地下原有的含水层地质物。

当所述地下水原位污染修复的实验装置使用原位注入法修复地下水时，工作过程如下：

第一实验槽1和第二实验槽1分别为实验组和对照空白组，第一实验槽1和第二实验槽1的固定凹槽4处于同一直线，在每个实验槽1的固定凹槽4内安装一个圆柱管井5，圆柱管井5距实验槽1外侧壁2cm；将地下含水层介质分层装填到第一实验槽1和第二实验槽1，每装填5cm进行一次夯实，避免进水后产生裂缝。在含水层介质上方装填10cm厚的粘土层，以减少污染物的挥发。

装填结束后，采用蠕动泵向进水布水区2注入污染水，含水层介质饱和后，记录第一实验槽1和第二实验槽1的饱水保水量，当第一实验槽1和第二实验槽1排出的水体的污染物浓度与进水的污染物浓度一致时停止注入污染水。

将进水换为未污染的地下水，根据测压管14显示的水位，通过第一实验槽1的出水口8的选择，调节第一实验槽1的水头达到实验水头要求；通过第二实验槽1的出水口8的选择，调节第二实验槽1的水头与第一实验槽1相同，并计算地下水流速和渗透系数。

在第一实验槽1的圆柱井管内注入一定量的修复药剂，在第二实验槽1的圆柱井管内注入等量的超纯水，定期从取样口取样并监测水体的污染物浓度以及pH、ORP等指标的变化，通过对比第一实验槽1和第二实验槽1的监测数据，分析地下水含水层污染的自净作用和修复技术的修复效果。

Claims (10)

1.一种地下水原位污染修复的实验装置，其特征在于，包括至少两个并排平行的实验槽，所有实验槽的上游端共同连接同一个进水布水区，每个实验槽的下游端分别设有对应的出水布水区；

所述实验槽的底部设有若干个可活动的固定凹槽，用于固定圆柱管井和/或反应墙；所述圆柱管井和反应墙分别用于进行原位注入实验和可渗透反应墙实验。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述进水布水区的上游侧底部设有进水口，下游侧壁面为第一多孔板，允许进水通过均匀分布后，由第一多孔板的通孔以相同流速分别进入每个实验槽。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述出水布水区的上游侧壁面为第二多孔板，允许对应实验槽的水体由第二多孔板的通孔进入出水布水区；出水布水区的下游侧壁面上由上至下设有若干个出水口，用于采集不同位置的出水水样。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验槽的一侧壁面设有若干个取样孔，且呈矩阵均匀分布在实验槽侧壁上，所述取样孔连接取样管。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验槽的一侧壁面设有若干个测压管，且位于实验槽的上部，所述测压管的底部与实验槽内部连通，测压管的壁面上设有刻度线，用于测量实验槽长度方向上不同位置的压力和水位。

6.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括三个实验槽，中部实验槽处于两侧外部实验槽之间，中部实验槽的两侧壁面均为内侧面，均与两侧外部实验槽相接触；

取样孔设在中部实验槽的任一侧面上，取样管呈L型，取样管的底部水平连接取样孔，上部为竖直管，延伸到实验槽顶面以上的位置；每个取样孔对应的取样管呈倾斜角度彼此错开，防止同一竖直线上的取样管均垂直设置时，侵占外部实验槽内部过多的空间。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述固定凹槽包括中部的凹槽主体和凹槽主体两端的滑块，实验槽的两个内侧面对应所述滑块的位置分别设有导轨槽，滑块在导轨槽内滑动。

8.根据权利要求7所述的实验装置，其特征在于，所述实验槽的底部设有两个可活动的固定凹槽，分别为靠近实验槽上游侧的第一固定凹槽和靠近实验槽下游侧的第二固定凹槽；

第一固定凹槽连接第一液压缸，第一液压缸设在进水布水区的外部的上游侧，第一液压缸的伸缩杆固定连接第一固定凹槽；第二固定凹槽连接第二液压缸，所述第二液压缸设在出水布水区的外部的下游侧，第二液压缸的伸缩杆固定连接第二固定凹槽；第一液压缸和第二液压缸分别用于推动第一固定凹槽和第二固定凹槽沿实验槽的长度方向移动，进而灵活改变两个固定凹槽的位置，适应不同实验要求。

9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述圆柱管井由上至下包括无孔区和有孔区，无孔区穿出实验槽顶面，连接供料装置，用于向圆柱管井输入修复药剂或纯水；所述有孔区完全处于实验槽内部，且表面均匀分布若干个通孔，用于将修复药剂或纯水均匀输入实验槽，进行修复实验或对照实验。

10.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述反应墙为中空的立方体，反应墙的上游侧和下游侧表面均为第三多孔板，第三多孔板的外表面均设有筛网，筛网的网孔孔径小于第三多孔板的通孔孔径，防止反应墙内部的装填物与实验槽内部的装填物彼此交换；

反应墙内部装填修复介质材料或含水层介质，且垂直于实验槽内的水流方向；当污染的地下水通过装填有修复介质材料的反应墙时，进行修复实验，当污染的地下水通过装填有含水层介质的反应墙时，进行对照实验。

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