专利名称：地下水原位化学和生物修复模拟试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于地下水治理技术领域，具体涉及一种能够准确反映化学和生物强化技术原位修复有机污染地下水情况的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置。
背景技术：
地下水作为重要的淡水资源，与人类的生活息息相关。随着工农业生产的不断发展，我国地下水污染状况日益严重，其中氯代烃、苯系物和石油烃等有机物污染已超过了重金属污染，成为当前主要的地下水污染形式，并对生态环境和人类健康造成极大危害，因此，选择有效的修复技术对其进行控制和治理已成为环保领域重要的研究课题之一，具有十分重要的社会经济效益。常用的有机污染地下水修复技术包括异位抽出处理法和原位化学、生物处理法。前者是指从污染区域的含水层中直接抽取已经污染的地下水，经地表后续处理并达标后重新注回地下水体中；后者是指向地下水污染区域直接注入化学和(或)生物药剂，通过强化地下环境中有机污染物的化学和生物降解过程以加快其去除。异位抽出处理是早期地下水修复的代表性技术，应用较为广泛，但其存在处理成本高、治理范围有限和后期修复效果差等缺点；实践表明原位化学和生物法处理地下水有机污染物能达到较高的去除效率，并具有费用低、施工简便、修复范围广、环境扰动少和污染物暴露机率低等优势，从而越来越受到人们的青睐与关注，应用前景非常广阔，其在欧美国家已逐渐成为了主流的有机污染地下水修复技术。由于地下环境的复杂性、多变性和不可见性，使得化学和生物强化措施对有机污染物在地下含水层中迁移、转化和降解规律的影响并不十分清楚，从而无法有针对性地提高原位化学和生物处理法的修复效率，因此，需要在室内条件下深入研究原位化学、生物及其联合强化措施促进地下水有机污染物降解的作用机制。目前，有关该领域的实验室研究主要在静态或一维动态条件下开展，其无法完全反映污染物在地下含水层中的环境行为特征，因此，有必要研制一种能在三维尺度下准确模拟有机污染地下水原位化学和生物修复动态过程的小试模拟装置，以探讨化学和生物强化处理有机污染地下水的机理，为地下水修复技术的开发提供可靠的理论依据和基础参数。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决现有技术的不足，提供一种结构简单，可控性强，能够准确模拟有机污染地下水原位化学和生物修复动态过程的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，该装置可用于研究原位化学、生物及其联合强化措施处理有机污染地下水的作用机制，也可用于观察特定污染物在地下水中的衰减过程。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:一种地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，主要包括渗流槽、进水缓冲槽、出水缓冲槽、供水装置和液体回收瓶，供水装置由顺序相连的氮气囊、储液瓶和蠕动泵组成；供水装置通过输水软管与进水缓冲槽底部连接，渗流槽进水侧面和出水侧面分别通过多孔布水隔板与进水缓冲槽和出水缓冲槽连通，出水缓冲槽外侧不同高度分别设有带阀门的排水孔，通过输水软管和流量计连接到液体回收瓶；渗流槽上游设有注射井；渗流槽内设有若干监测井，监测井内设有多参数水质分析探头，多参数水质分析探头与位于渗流槽外部的水质分析终端显示器连接；渗流槽和进、出水缓冲槽顶部设有起密封作用的顶板，顶板上设有进、排气孔；渗流槽的侧壁上距底部附近位置有开孔，开孔处安装有L形测压管。优选方案:所述渗流槽和进、出水缓冲槽均为方形，均由有机玻璃板做成；所述渗流槽和进、出水缓冲槽顶部均设有法兰式有机玻璃顶板，渗流槽顶板上设有进气孔及进气管、排气孔及带压力表的排气管，进水缓冲槽顶板上设有排气孔及带压力表的排气管，出水缓冲槽顶板上设有排气孔及带压力表的排气管。所述渗流槽上游设有一排纵向等间距排列的注射井；每个注射井底部密封，顶部设有带有橡胶塞的螺口盖；每个注射井下部开有一系列孔。所述渗流槽槽体内设有多列横向排列的监测井，每列监测井在渗流槽平面纵向范围内均匀分布多个监测点，每个监测点布设有多根距渗流槽底部不同高度的监测井管；每根监测井管底部密封，顶部设有带有橡胶塞的螺口盖；每根监测井管下部为带条形筛缝的筛管，每根监测井管上部设有排气口。所述渗流槽前侧壁上设有横向等间距排列的多根L形测压管。所述多孔布水隔板材质为有机玻璃，多孔布水隔板外侧设有过滤网；所述注射井下部孔的外面和监测井下部筛管的外面均设有过滤网。更优选在渗流槽体内设有5列监测井，每列监测井在渗流槽平面纵向范围内均匀分布3个监测点，每个监测点布设有2根距渗流槽底部不同高度的监测井管。本实用新型的有益效果:与现有的技术相比，本实用新型提供的用于模拟有机污染地下水原位化学和生物修复的实验室小试模拟装置具有以下优点:1、本实用新型提供的装置可在三维尺度下，通过对地下水流量、渗透系数和水力坡度等参数的控制，准确模拟有机污染地下水原位化学和生物修复的动态过程，其也可用于观察特定污染物在地下水中的衰减规律，实现对平面和剖面上污染物在化学和生物强化处理下沿纵向及横向降解程度的测定，从而有助于全面阐明原位化学、生物及其联合强化措施促进地下水有机污染物降解的作用机制；2、本实用新型的设计灵活简便，过程可控性强，试验成本低廉，投资远低于现成观测井法，且采样、管理更为方便和快捷，具有较高的推广使用价值；3、本实用新型对地下水环境和污染物种类的适用范围广，既可模拟厌氧条件下地下水中氯代烃类污染物的还原脱氯过程，也可模拟好氧条件下地下水中石油烃类污染物的生物降解过程。4、本实用新型并不只局限于模拟污染地下水的修复过程，也可作为反应器用于城市地表污水的治理研究。
[0021]图1是本实用新型地下水原位化学和生物修复模拟试验装置的正面结构示意图；图2是图1模拟装置的俯视图；图3是本实用新型中多孔布水隔板的结构示意图；图4是本实用新型中注射井的结构示意图；图5是本实用新型中监测井的结构示意图；附图中的标号分别为:1、氮气囊，2、蠕动泵，3、储液瓶，4、进水缓冲槽，5、进水缓冲槽排气孔及带压力表的排气管，6、渗流槽，7、多孔布水隔板，8-1、进水缓冲槽顶板，8-2、渗流槽顶板，8-3、出水缓冲槽顶板，9、注射井，10、监测井，11、多参数水质分析探头，12、水质分析终端显示器，13、测压管，14、出水缓冲槽，15、排水孔及阀门，16、液体流量计，17、渗流槽进气孔及进气管，18、渗流槽排气孔及带压力表的排气管，19、出水缓冲槽排气孔及带压力表的排气管，20、液体回收瓶，21、带橡胶塞的螺口盖，22、取样针管，23、监测井排气口，24、筛管25、条形筛缝。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。如图1飞所示，本实用新型的一种地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，主要包括矩形渗流槽6、进水缓冲槽4、出水缓冲槽14、供水装置和液体回收瓶20，其中，供水装置由顺序相连的氮气囊1、储液瓶3和蠕动泵2组成；供水装置通过输水软管与进水缓冲槽4底部连接，渗流槽6进水侧面和出水侧面分别通过多孔布水隔板7与进水缓冲槽4和出水缓冲槽14连通，出水缓冲槽14外侧不同高度分别设有带阀门的排水孔(即图1中的排水孔及阀门15)，排水孔通过输水软管和液体流量计16连接到液体回收瓶20 ;渗流槽6上游设有一排纵向等间距排列的注射井9，槽内空间设有若干监测井10，井内装有多参数水质分析探头11，所有的多参数水质分析探头11都连接到位于渗流槽6外部的水质分析终端显示器12 ;渗流槽和进、出水缓冲槽顶部均设有起密封作用的法兰式有机玻璃顶板，渗流槽顶板8-2上设有渗流槽进气孔及进气管17、渗流槽排气孔及带压力表的排气管18，进水缓冲槽顶板8-1上设有进水缓冲槽排气孔及带压力表的排气管5，出水缓冲槽顶板8-3上设有出水缓冲槽排气孔及带压力表的排气管19。渗流槽前侧壁上设有横向等间距排列的四根L形测压管13，即渗流槽侧壁距底部附近位置开孔，开孔处安装L形测压管。这四根L形测压管用于观察模拟含水层的沿程水位，并排出槽体内的多余气泡。所述的供水装置由顺序相连的氮气囊1、储液瓶3和蠕动泵2组成，储液瓶3和蠕动泵2之间用输水软管连接。氮气囊I用于维持储液瓶3内压力与外界大气压一致，以保证液体顺利从瓶中流出；蠕动泵2用于调节渗流槽6的进水流量，可选用标准型蠕动泵，流量范围为0.03 500mL/min(本实施例选用BT100N型蠕动泵，河北省保定申辰泵业有限公司生产)。所述的渗流槽和进、出水缓冲槽均由有机玻璃板构成，板厚度为Icm;渗流槽的尺寸为105 X 36 X 46cm (长X宽X高)，进、出水缓冲槽的尺寸为7 X 36 X 46cm (长X宽X闻)。所述的多孔布水隔板7材质为有机玻璃,厚度为Icm,孔直径为0.5cm,孔间距为Icm,隔板外侧包裹60 μ m不锈钢丝网以防止泥砂堵住布水孔。[0032]所述的出水缓冲槽14外侧从底部到顶部共设5个排水孔，孔间距为7.5cm,所带螺旋阀门用于调节出水流量，并用所接流量计测定准确数值，流量计可选用玻璃转子流量计，测量范围为0.Γ2.0L/h (本实施例优选天津流量仪表有限公司生产的LZB-50型转子流量计)。所述的注射井9为多孔PVC管，直径为3cm，长度为40cm，孔直径为0.5cm,孔间距为Icm ;所述的监测井10为PVC管,直径为2.5cm,长度为36cm,每根监测井管下部为带条形筛缝25的筛管24,监测井下部的筛管部分长度为IOcm,筛管上的条形筛缝宽度为0.5cm,监测井上部设有I个排气口(即监测井排气口 23)，用于采集监测井内的气体成分。注射井下部孔的外面和监测井下部筛管的外面均包裹60 μ m不锈钢丝网以防止泥砂堵住筛孔；注射井和监测井管底部均密封；注射井和监测井管顶部均用带橡胶塞的螺口盖21密封。所述的多参数水质分析探头11用于在线测定筛管内水样的溶解氧(DO)、pH、电导率(EC)和氧化还原电位(ORP)等指标，可选用复合型探头以节省空间(本实施例优选意大利HANNA仪器公司生产的HI9829型探头)。下面以模拟厌氧条件下氯代烃污染地下水的原位化学生物联合修复过程为例，说明上述地下水原位化学和生物修复模拟试验装置的使用方法。试验过程中，首先打开渗流槽6顶部的法兰式有机玻璃顶板8-2，将粗砂作为含水层介质装入槽体内，为保证介质在进水后不产生裂缝，每加入5cm高粗砂需要进行铺平、夯实。含水层装填高度为30cm,并在含水层介质上表面填6cm厚粘土作为包气带，以防止氯代烃污染物的挥发。在装填含水层介质的同时，将注射井管10和监测井管11也按一定的纵向和横向布局从槽顶部装入槽体中。注射井管共5根，在渗流槽平面纵向范围内均匀分布，以保证在含水层中形成充分的反应带，管间距为6cm，管距渗流槽底部3cm，距槽进水端为15cm ;在渗流槽体内共设5列监测井，其中I列监测井在注射井上游，距注射井10cm，其余4列监测井在注射井下游,分别距注射井10cm、30cm、55cm和85cm,每列监测井在渗流槽平面纵向范围内均匀分布3个监测点(如图`2所示)，间距为9cm，每个监测点布设2根监测井管，分别距渗流槽底部6cm和18cm (如图1所示)，每根监测井管内安装多参数水质分析探头11，并与装置外的水质分析终端显示器12相连。所有介质装填完毕后，从进水缓冲槽4底部缓慢注入蒸馏水，以对模拟含水层进行饱水。当槽内水位每升高5cm高时，停止提升水位，稳置一段时间，直到水位最终浸没砂层表面为止。通过蠕动泵2控制流量为0.5L/h。进水流量很低是为了获得最大饱水度，减少在水渗入期间介质中气泡体积，避免槽内空气对后续试验的影响。介质饱水过程持续约24h，并稳定24h，之后将砂层中残存的空气从测压管13中吸出，使测压管水位全部稳定在30cm高度。饱水结束后，将除氧后的氯代烃污染地下水从储液瓶3中经蠕动泵流入渗流槽中。分别通过蠕动泵和出水缓冲槽排水孔(不同高度)控制进、出水流量，调节模拟含水层的水力参数，使渗流槽水头差为0.5^1.5cm，水力坡度为4.8^14.3%。，并通过氯离子示踪实验确定模拟含水层中的水流速度。当污染地下水在模拟含水层中饱和并均匀分布后，从注射井9中加入能同时促进氯代烃化学和生物降解的复合药剂，开始模拟原位化学和生物强化措施联合修复氯代烃污染地下水的过程。加完药剂后，先用带橡胶塞的螺口盖21将各注入井和监测井密封，再用法兰式有机玻璃顶板8-2将模拟装置密封，最后经顶板的渗流槽进气孔17向渗流槽中通入一段时间氮气，以保证整个系统处于厌氧地下水条件。模拟系统运行期间维持进、出水流速稳定，含水层温度1(T12°C。运行时间120d，每隔7d用多参数水质分析探头11连接水质分析终端显示器12测定监测井中水的pH、DO、ORP和EC，再将有机玻璃顶板取下，用带
0.45 μ m滤膜的针管注射器(即取样针管22)经螺口盖橡胶塞采取监测井中水样20ml，按国家标准测定其中氯代烃浓度、TOC和微生物数量，并用多参数气体分析仪经监测井排气口23采集和分析监测井中CO2和O2含量。每次采样结束后重新用有机玻璃顶板将模拟装置密封，并通氮气除氧。运行结束后，将模拟装置中的污染地下水缓慢排尽，采集各监测井底部附近砂样，分析其中氯代烃含量及微生物数量和活性。利用上述数据，并与不加药剂的对照处理比较，探讨化学和生物强化措施联合修复氯代烃污染地下水的动态修复效果和作用机制。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，主要包括渗流槽、进水缓冲槽、出水缓冲槽、供水装置和液体回收瓶，供水装置由顺序相连的氮气囊、储液瓶和蠕动泵组成；供水装置通过输水软管与进水缓冲槽底部连接，渗流槽进水侧面和出水侧面分别通过多孔布水隔板与进水缓冲槽和出水缓冲槽连通，出水缓冲槽外侧不同高度分别设有带阀门的排水孔，通过输水软管和流量计连接到液体回收瓶；渗流槽上游设有注射井；渗流槽内设有若干监测井，监测井内设有多参数水质分析探头，多参数水质分析探头与位于渗流槽外部的水质分析终端显示器连接；渗流槽和进、出水缓冲槽顶部设有起密封作用的顶板，顶板上设有进、排气孔；渗流槽的侧壁上距底部附近位置有开孔，开孔处安装有L形测压管。
2.按权利要求1所述的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，所述渗流槽和进、出水缓冲槽均为方形，均由有机玻璃板做成；所述渗流槽和进、出水缓冲槽顶部均设有法兰式有机玻璃顶板，渗流槽顶板上设有进气孔及进气管、排气孔及带压力表的排气管，进水缓冲槽顶板上设有排气孔及带压力表的排气管，出水缓冲槽顶板上设有排气孔及带压力表的排气管。
3.按权利要求1或2所述的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，所述渗流槽上游设有一排纵向等间距排列的注射井；每个注射井底部密封，顶部设有带有橡胶塞的螺口盖；每个注射井下部开有一系列孔。
4.按权利要求1或2所述的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，所述渗流槽槽体内设有多列横向排列的监测井，每列监测井在渗流槽平面纵向范围内均匀分布多个监测点，每个监测点布设有多根距渗流槽底部不同高度的监测井管；每根监测井管底部密封，顶部设有带有橡胶塞的螺口盖；每根监测井管下部为带条形筛缝的筛管，每根监测井管上部设有排气口。
5.按权利要求3所述的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，所述渗流槽槽体内设有多列横向等间距排列的监测井，每列监测井在渗流槽平面纵向范围内均匀分布多个监测点，每个监测点布设`有多根距渗流槽底部不同高度的监测井管；每根监测井管底部密封，顶部设有带有橡胶塞的螺口盖；每根监测井管下部为带条形筛缝的筛管，每根监测井管上部设有排气口。
6.按权利要求4所述的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，所述渗流槽前侧壁上设有横向等间距排列的多根L形测压管。
7.按权利要求5所述的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，所述渗流槽前侧壁上设有横向等间距排列的多根L形测压管。
8.按权利要求6所述的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，所述多孔布水隔板材质为有机玻璃，多孔布水隔板外侧设有过滤网；所述注射井下部孔的外面和监测井下部筛管的外面均设有过滤网。
9.按权利要求7所述的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，所述多孔布水隔板材质为有机玻璃，多孔布水隔板外侧设有过滤网；所述注射井下部孔的外面和监测井下部筛管的外面均设有过滤网。
10.按权利要求9所述的地下水原位化学和生物修复模拟试验装置，其特征在于，在渗流槽体内设有5列监测井，每列监测井在渗流槽平面纵向范围内均匀分布3个监测点，每个监测 点布设有2根距渗流槽底部不同高度的监测井管。
专利摘要本实用新型公开了一种地下水原位化学和生物修复模拟试验装置。它包括矩形渗流槽、进出水缓冲槽、供水装置和液体回收瓶，供水装置由氮气囊、储液瓶和蠕动泵组成，与进水缓冲槽底部连接，渗流槽分别通过多孔布水隔板与进水缓冲槽和出水缓冲槽连通，出水缓冲槽外侧设带阀门的排水孔，连接到液体回收瓶；渗流槽上游设一排注射井，槽内设若干监测井，监测井内装有水质分析探头；渗流槽和进出水缓冲槽顶部设密封顶板，顶板上设进、排气孔；渗流槽侧壁上设测压管。本实用新型装置设计灵活简便，试验成本低，过程可控性强，可用于研究原位条件下化学和生物强化处理有机污染地下水的动态效果及其作用机制，也可用于观察特定污染物在地下水中的衰减过程。
文档编号G01N33/18GK202929029SQ201220646990
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者罗启仕, 孟梁, 郭琳, 李炳智, 朱杰 申请人:上海市环境科学研究院