一种土壤污染与修复治理过程模拟的室内土柱实验装置及方法与流程

本发明涉及一种土壤污染与修复治理过程模拟的室内土柱实验装置及方法，可作为土壤污染与修复治理过程的室内仿真模拟实验，以获取土壤修复治理工程设计所需的必要参数的一种室内实验专用设备，属于土壤污染与修复治理过程模拟的室内实验装置技术领域。

背景技术

土壤是人类赖以生存和发展的自然环境要素之一，是构成生态系统的重要组成部分。据相关资料显示，目前全国土壤环境状况不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃土地土壤环境问题突出，土壤污染已经成为制约我国经济可持续发展和影响人类居住环境安全的重要问题。土壤污染修复工作是最终解决上述问题的方法之一，目前土壤污染修复的方法有很多种，但都存在投资大、周期长、见效慢等弊端，这严重制约了我国土壤污染修复工作的推进。其主要原因就是，目前我国对土壤污染与修复机理的实验性研究以及针对场地修复实验研究深度不足。因此急需研发结合我国国情的针对土壤污染与修复治理过程模拟的实验装置，以解决我国土壤修复的问题。

土壤污染修复可分为原位修复与异位修复两种大类，目前我国《土壤污染防治行动计划》之中明确提出：土壤的治理与修复工程原则上在原址上进行，即原位修复技术是目前国家优先推荐的技术。其中土壤污染原位修复技术包括多种方法，例如原位氧化还原法、原位微生物修复法、原位土壤淋洗法、土壤蒸气浸提法（sve）、原位固化稳定化法、原位电动力学修复法以及污染土壤联合修复法等等。上述种种土壤污染原位修复方法，在具体工程实施过程中的关键就是获取场地土壤污染及修复施工过程的各项参数，这是保障修复工程效果的最重要基础条件。而室内土柱模拟实验则是，进行土壤污染及修复治理过程模拟的首选实验方法，其具备方法简便、结果可靠、经济性好、操作简便等一系列优点。

土壤污染修复过程土柱模拟实验，是针对不同的土壤污染修复方法（如原位氧化还原法、原位微生物修复法、原位土壤淋洗法等）开展的室内仿真模拟实验，通过实验对修复方案的合理性进行验证，同时获取修复施工设计所需的必要参数（如氧化还原药剂配比及施用量、微生物菌剂投加量及营养剂的配比与施用量、污染土壤淋洗的用水量等等），为土壤污染修复工程的顺利实施奠定坚实的基础。2009年，张欣等采用土柱淋洗方法,开展了利用酒石酸溶液对冶炼厂土壤中重金属离子去除率的影响的研究；2015年，刘培亚等采用土柱淋洗方法,选取三氯化铁和有机酸复合淋洗,对cd、pb污染土壤进行淋洗实验；2012年，杨金凤等，开展了生物通风技术修复柴油污染土壤的土柱模拟实验研究；2013年，刘莎莎等利用土柱实验，开展了柴油污染土壤生物通风修复效果及柴油降解菌的降解能力研究；2017年，曹荣莉等利用土柱实验，开展了强化动态纳米零价铁复合流动体系修复土壤六价铬污染研究。但是，现有的室内土柱实验装置功能单一，适用性不强，用途单一，特别是存在不能在实验过程之中采取土样分析测试的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种土壤污染与修复治理过程模拟的室内土柱实验装置及方法，适用性强，用途多样，能在实验过程之中采取土样进行分析测试，解决背景技术存在的上述问题。

本发明的技术方案是：

一种土壤污染与修复治理过程模拟的室内土柱实验装置，包含实验装置支架、可活动的固定夹板、马氏瓶、进液流量计、进液阀门、供液管、滴液阀门、土柱管、液位连通口、液位连通管、上层滤纸垫层、上层石英砂垫层、实验土柱、预留孔、预留孔封闭器、下层石英砂垫层、下层滤纸垫层、底部封管器、出液流量计、出液阀门、出液管、出液收集瓶和实验溶液或修复药剂，所述实验装置支架顶部设有马氏瓶，马氏瓶内部设有实验溶液或修复药剂，可活动的固定夹板水平设置在实验装置支架内部；土柱管为多个，顶端开口，穿过可活动的固定夹板后从左至右依次设在实验装置支架内部，多个土柱管的上端均设有液位连通口，多个土柱管的液位连通口通过液位连通管相互连通，土柱管底部设有底部封管器，土柱管内部从上至下依次设有上层滤纸垫层、上层石英砂垫层、实验土柱、下层石英砂垫层和下层滤纸垫层；所述土柱管设有实验土柱部分的侧壁上，从上至下均匀设有多个预留孔，预留孔外面匹配设有预留孔封闭器；供液管一侧与马氏瓶相连通，另一端与进液阀门相连接后分成多路，每路分别通过滴液阀门伸入到相应的土柱管开口处；所述出液管的一端与底部封管器相连通，另一端通过出液阀门伸入到出液收集瓶内。

所述液位连通口位于上层滤纸垫层的上方。

所述供液管上设有进液流量计。

所述出液管上设有出液流量计。

所述预留孔为取土样预留孔或放置传感器预留孔；预留孔封闭器为取土样预留孔封闭器或放置传感器预留孔封闭器。

所述预留孔为放置传感器预留孔时，传感器穿过放置传感器预留孔设置在土柱管的实验土柱内。

所述马氏瓶可以是多个，多个马氏瓶从左至右依次设置在实验装置支架顶部，每个马氏瓶与一个以上的供液管匹配连接，通过不同的马氏瓶与供液管的组合，可实现不同方法的土壤修复实验在相同环境条件下同时进行。

在不同的马氏瓶中装填不同的修复药剂（不同类型或不同浓度的修复药剂，不同种类的微生物等），继续开展土壤污染修复治理过程土柱模拟实验。

一种土壤污染与修复治理过程模拟的室内土柱实验方法，采用上述实验装置，步骤如下：

①实验装置安装：

首先对参与的土壤进行充分的混合，然后依次按照下层滤纸垫层、下层石英砂垫层、实验土柱、上层石英砂垫层和上层滤纸垫层的次序自下而上依次填充在土柱管中，形成实验土柱；填充完毕后，利用可活动的固定夹板将填充好的土柱管从左至右依次固定在实验装置支架内，并确保土柱管高度保持一致，连接好供液管、液位连通管和出液管；

②实验调节：

实验装置安装到位以后，首先在马氏瓶内装入一定量的蒸馏水作为实验溶液；打开全部的进液阀门、滴液阀门和出液阀门，正式开始实验前的调节工作，在各个土柱管全部都开始滴液之后，利用调节各个土柱管下方的出液阀门，将全部土柱管下方的出液流量计数值调整为一致，并保持一段时间，保证各个土柱管的实验溶液流量相同，则实验调节工作完成；

③土壤污染过程土柱模拟：

实验调节工作完成之后，将马氏瓶内用于实验调节的蒸馏水换做污染物溶液为实验溶液，正式开始土壤污染过程土柱模拟实验，并在此过程中通过对出液阀门的实时调整保持全部土柱管中实验土柱的出液流量计数值一致；

④土壤污染修复治理过程土柱模拟：

在完成土壤污染过程土柱模拟实验，污染物溶液全部击穿实验土柱或达到预设土壤污染模拟条件的情况下，可继续开展土壤污染修复治理过程土柱模拟，首先对设置在实验装置支架上的土柱管按照不同的土壤修复治理方法进行分组，在马氏瓶中装填修复药剂，对不同组的土柱管中的实验土柱分别进行修复，开展土壤污染修复治理过程土柱模拟实验；

⑤取土样：

在实验过程中或实验完成后，可选取一个或多个土柱管作为取土样检测对象，在开展取土样之前首先关闭选定土柱管的滴液阀门，并断开液位连通口与液位连通管的联系，待全部修复药剂自出液管流出后，打开可活动的固定夹板将选定的土柱管取下实验装置支架，在保持竖直状态的情况下，自上而下的依次打开预留孔封闭器，利用注射器型取土器自预留孔中取出实验土样分析测试，同时对其余继续实验的土柱管底部的滴液阀门进行调节，保持全部实验土柱的出液流量计数值一致。

本发明的积极效果：实现了在不终止实验过程的情况下随时采取土壤样品，实现对实验过程的实时监测，提高实验效率，降低实验成本，提升实验结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明土柱管结构示意图；

图中：1-实验装置支架；2-可活动的固定夹板；3-马氏瓶；4-进液流量计；5-进液阀门；6-供液管；7-滴液阀门；8-土柱管；9-液位连通口；10-液位连通管；11-上层滤纸垫层；12-上层石英砂垫层；13-实验土柱；14-预留孔；15-预留孔封闭器；16-下层石英砂垫层；17-下层滤纸垫层；18-底部封管器；19-出液流量计；20-出液阀门；21-出液管；22-出液收集瓶；23-实验溶液或修复药剂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

一种土壤污染与修复治理过程模拟的室内土柱实验装置，包含实验装置支架1、可活动的固定夹板2、马氏瓶3、进液流量计4、进液阀门5、供液管6、滴液阀门7、土柱管8、液位连通口9、液位连通管10、上层滤纸垫层11、上层石英砂垫层12、实验土柱13、预留孔14、预留孔封闭器15、下层石英砂垫层16、下层滤纸垫层17、底部封管器18、出液流量计19、出液阀门20、出液管21、出液收集瓶22和实验溶液或修复药剂23，所述实验装置支架1顶部设有马氏瓶3，马氏瓶3内部设有实验溶液或修复药剂23，可活动的固定夹板2水平设置在实验装置支架1内部；土柱管8为多个，顶端开口，穿过可活动的固定夹板2后从左至右依次设在实验装置支架1内部，多个土柱管8的上端均设有液位连通口9，多个土柱管8的液位连通口9通过液位连通管10相互连通，土柱管8底部设有底部封管器18，土柱管8内部从上至下依次设有上层滤纸垫层11、上层石英砂垫层12、实验土柱13、下层石英砂垫层16和下层滤纸垫层17；所述土柱管8设有实验土柱13部分的侧壁上，从上至下均匀设有多个预留孔14，预留孔14外面匹配设有预留孔封闭器15；供液管6一侧与马氏瓶3相连通，另一端与进液阀门5相连接后分成多路，每路分别通过滴液阀门7伸入到相应的土柱管8开口处；所述出液管21的一端与底部封管器18相连通，另一端通过出液阀门20伸入到出液收集瓶22内。

所述液位连通口9位于上层滤纸垫层11的上方。

所述供液管6上设有进液流量计4。

所述出液管21上设有出液流量计19。

所述预留孔14为取土样预留孔或放置传感器预留孔；预留孔封闭器15为取土样预留孔封闭器或放置传感器预留孔封闭器。

所述预留孔14为放置传感器预留孔时，传感器穿过放置传感器预留孔设置在土柱管8的实验土柱13内。

一种土壤污染与修复治理过程模拟的室内土柱实验方法，采用上述实验装置，步骤如下：

①实验装置安装：

首先对参与的土壤进行充分的混合，然后依次按照下层滤纸垫层17、下层石英砂垫层16、实验土柱13、上层石英砂垫层12和上层滤纸垫层11的次序自下而上依次填充在土柱管8中，形成实验土柱；填充完毕后，利用可活动的固定夹板2将填充好的土柱管8从左至右依次固定在实验装置支架1内，并确保土柱管8高度保持一致，连接好供液管6、液位连通管10和出液管21；

②实验调节：

实验装置安装到位以后，首先在马氏瓶3内装入一定量的蒸馏水作为实验溶液；打开全部的进液阀门5、滴液阀门7和出液阀门20，正式开始实验前的调节工作，在各个土柱管全部都开始滴液之后，利用调节各个土柱管下方的出液阀门20，将全部土柱管下方的出液流量计19数值调整为一致，并保持一段时间，保证各个土柱管的实验溶液流量相同，则实验调节工作完成；

③土壤污染过程土柱模拟：

实验调节工作完成之后，将马氏瓶3内用于实验调节的蒸馏水换做污染物溶液为实验溶液，正式开始土壤污染过程土柱模拟实验，并在此过程中通过对出液阀门的实时调整保持全部土柱管8中的实验土柱的出液流量计数值一致；

④土壤污染修复治理过程土柱模拟：

在完成土壤污染过程土柱模拟实验（相关污染物全部击穿实验土柱）或达到预设土壤污染模拟条件（实验土柱的污染程度与相应场地条件一致）的情况下，可继续开展土壤污染修复治理过程土柱模拟，首先对设置在实验装置支架上的土柱管按照不同的土壤修复治理方法进行分组，在马氏瓶中装填修复药剂，对不同组的土柱管中的实验土柱分别进行修复，开展土壤污染修复治理过程土柱模拟实验；

⑤取土样：

在实验过程中或实验完成后，可选取一个或多个土柱管作为取土样检测对象，在开展取土样之前首先关闭选定土柱管的滴液阀门7，并断开液位连通9与液位连通管10的联系，待全部修复药剂自出液管21流出后，打开可活动的固定夹板2将选定的土柱管取下实验装置支架1，在保持竖直状态的情况下，自上而下的依次打开预留孔封闭器15，利用注射器型取土器自预留孔14中取出实验土样分析测试，同时对其余继续实验的土柱管底部的滴液阀门进行调节，保持全部实验土柱的出液流量计数值一致。

如土壤污染实验的相关因子，可利用自动监测仪实时监测，则可省去上述取土样的步骤，利用预留孔安放相应传感器则可实现对土壤污染的实时监测。

在一个实验装置支架上并联布置多个土柱管（比如10个），利用土柱管上的液位连通管、流量计及阀门等控制其实验过程中各土柱管流出实验溶液或修复药剂流量的一致性。首先在保障各土柱管流出液体相同的情况下，开展土壤污染过程的土柱模拟实验，实验结束后，关闭其中1个（或多个）土柱管上方的滴液阀门，利用土柱管预留的预留孔采取土样分析测试（或检测传感器数据），可类比获得参与实验的实验土柱中的相关污染物的分布情况和具体污染参数。在此基础上，根据实验方案调整马氏瓶内实验溶液或修复药剂（不同类型或不同浓度的修复药剂，不同种类的微生物等）和供液管的组合，可实现同时对已知污染物分布的实验土柱开展不同方法的污染修复过程模拟。同时在实验过程中依旧可以关闭某个（或某几个）土柱管上方的滴液阀门，采取修复实验过程中的实验土壤原状土壤分析测试（或检测传感器数据），以达到对试样过程和实验效果的实施监测，提高实验效率，降低实验成本，提升实验结果的可靠性。

（1）采用多个土柱管并联开展实验，利用液位连通管、进液流量计、出液流量计及进液阀门等控制其实验过程中流出实验溶液或修复药剂的一致性；（2）在土柱管上部预留液位连通口、在土柱管中部实验段预留取土样预留孔（或放置传感器预留孔），在土柱管底部安装出液流量计及出液阀门；（3）通过对马氏瓶和供液管的不同组合，可实现对相同填充土柱的污染过程模拟及后续不同方法（如原位氧化还原法、原位微生物修复法、原位土壤淋洗法等）的污染修复模拟，同时可根据需求采取土壤样品而不中断实验过程。

（1）在土柱管中部实验段预留取土样预留孔或放置传感器预留孔，可实现实验过程中原状实验土样的采取或通过传感器实时监测土柱的相关参数；（2）在土柱管上部预留液位连通口，利用水管连接后，可保证实验过程中各个土柱管的上部实验溶液或修复药剂液位一致；（3）在土柱管底部安装出液流量计及出液阀门，可控制各个土柱管流出的实验溶液或修复药剂流量一致；（4）通过不同的马氏瓶与供液管的组合，可实现不同方法的土壤修复实验在相同环境条件下同时进行。

本发明将土壤污染与修复治理整个过程的土柱实验集成在一个平台上，使土壤污染土柱实验的过程得到了最大的简化，同时解决了目前存在的一旦采取土柱实验的土壤样品则必须终止实验过程的技术问题。本发明可将土壤的污染过程的土柱实验模拟和不同方法的土壤污染修复土柱实验模拟，在一个平台上同时进行，且实现了在不终止实验过程的情况下随时采取土壤样品，实现对实验过程的实时监测，提高实验效率，降低实验成本，提升实验结果的可靠性。