一种地下含水层有机污染物挥发动力学分析装置及方法

本发明涉及环境，特别是涉及一种地下含水层有机污染物挥发动力学分析装置及方法。

背景技术：

1、由于供地矛盾突出，污染场地的修复和二次开发利用对于城市建设和发展具有重要现实意义。由于有机污染物具有体系复杂、种类繁多、毒性强、周期长等特点，去除和治理难度较大，严重危害社会经济、生态环境和人类健康，有机污染问题已成为环境治理领域备受关注的焦点之一。研究表明，土壤-地下水环境受到工业发展的影响，有机污染严重，多种有机污染物在地下水中检出率超标，我国有机污染场地问题形势严峻。有机污染物进入地下环境后发生挥发、吸附、降解、溶解等多相迁移转化行为，实际情况下，受到地下环境中介质性质、生物化学条件及环境因素的影响，napl相、液相和气相间转化的不断发生，形成多相多组分的复杂系统，引发一系列水土环境问题。其中，挥发是有机污染物在环境中迁移转化的一项重要途径，是污染物在土壤和地下水中自然衰减的重要机制之一。因此，在污染场地的评估、管控和修复等工作中，需要充分考虑挥发作用的影响。

2、目前，针对挥发性有机污染物在地下含水层迁移的研究大多集中于室内实验，采用实验室中进行的重量分析法和填充柱实验法。重量分析法是将下垫面介质与污染物置于同一容器内从而制得污染土样，然后每间隔一定时间对样品进行称重，用差减法求得挥发量。该方法无法分析污染物挥发作用对地下含水层中气相浓度的影响。填充柱实验是将人工制备或现场采集的污染土壤置于填充柱内制成模拟土柱装置，用色谱法测定在不同时间从不同层位收集的污染物样品或在空气流动条件下产生的气相流出物样品中的污染物浓度，从而分析气相污染物浓度变化情况。该方法缺少污染物与场地规模、水流情况等实际场地条件关系的考虑。因此，开发一种新的实验方法，实现以更接近实际场地的条件来揭示有机污染物迁移过程中挥发作用对地下含水层气相浓度的影响是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中有机污染物在地下含水层迁移过程的挥发作用分析存在的技术缺陷，而提供一种地下含水层有机污染物挥发动力学分析装置。

2、本发明的另一个目的是提供一种基于所述分析装置的地下含水层有机污染物挥发动力学分析方法。

3、为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

4、一种地下含水层有机污染物挥发动力学分析装置，包括箱体以及覆盖于所述箱体顶部开口上的顶盖；

5、所述箱体的左右侧面板上分别设有进水口和出水口，所述进水口上设有进水球阀，所述出水口上设有出水球阀，所述箱体的底板上设有下端口，所述下端口上设有底部球阀；

6、所述箱体内左右两侧分别设有一个多孔隔板，所述多孔隔板与所述侧面板之间形成水井，两个多孔隔板之间形成介质槽用于装填介质层，每一个多孔隔板以及所述底板上均设有尼龙筛网；

7、所述顶盖上设有顶部开孔，所述顶部开孔通过第一硅胶塞封堵，所述箱体的前面板上设有n个位于不同高度的前开孔，每一个前开孔由一个第二硅胶塞封堵。

8、在上述技术方案中，所述进水口和出水口均设有多个且左右对应设置，多个进水口或出水口在箱体的高度方向上均匀间隔设置。

9、在上述技术方案中，所述下端口设有多个，多个下端口在水平方向上均匀间隔设置。

10、在上述技术方案中，所述顶部开孔设置在顶盖的中心位置，所述前开孔矩阵设置在所述箱体的前面板上。

11、本发明的另一方面，还包括基于所述分析装置的地下含水层有机污染物挥发动力学分析方法，包括以下步骤：

12、步骤1，向所述介质槽内装填介质层；

13、步骤2，打开底部球阀，通过下端口向所述箱体内注入co2气体以排出介质层孔隙内的空气；

14、通过下端口向介质层注水至预定高度以模拟地下含水层，静置，待模拟地下含水层稳定；

15、步骤3，将进水球阀通过硅胶管与一蠕动泵连接实现进水，将出水球阀通过硅胶管与一蠕动泵连接实现出水，调节进水流速和出水流速保持一致，模拟地下含水层横向流场，通过调节两侧蠕动泵的流速控制地下含水层横向流场的流速；

16、步骤4，通过第一硅胶塞或第二硅胶塞向地下含水层一次性注入预定量的有机污染物；

17、步骤5，每隔预定的时间间隔，抽取预定量的箱体内顶部气相气体，然后将所得气体注入气相样品瓶中，保存待测；

18、步骤6，测定气相样品瓶中气体污染物的浓度，使用模型对测定结果进行拟合，分析污染物挥发动力学的参数。

19、在上述技术方案中，所述步骤1中，以石英砂或土壤作为介质，介质层装填方法如下：将干燥的石英砂或土壤通过塑料长颈漏斗左右来回移动均匀撒入介质槽，每装填0.5～1.0cm介质层用橡胶锤敲击箱体的左右侧面板，装填介质层的高度为14～18cm。

20、在上述技术方案中，所述步骤2中，将底部球阀通过硅胶管与co2气瓶连接，向装填的介质层保持低速注入co2气体，co2气体的纯度大于99％，注入co2气体的时间为30～60min，注入co2气体的速度为1～5l/min。

21、在上述技术方案中，所述步骤2中，将底部球阀通过硅胶管与蠕动泵连接，从盛有去离子水的玻璃瓶中向装填有介质层的箱体中注入去离子水，速度为0.5～2.0ml/min，直到两侧水井水位高度上升至12～16cm停止注水，用特氟龙胶带密封箱体和顶盖连接处，静置10～20h，待模拟地下含水层稳定。

22、在上述技术方案中，所述步骤3中，设置与进水球阀连接的蠕动泵和与出水球阀连接的蠕动泵的流速均为0～2.0ml/min。

23、在上述技术方案中，所述步骤4中，向模拟地下含水层注入有机污染物的量为3～10ml。

24、在上述技术方案中，所述步骤5中，将玻璃气密取样针针头穿过第一硅胶塞，抽取1ml箱体顶部气相气体，每次取样的时间间隔为5～100min，在每次取样的时间点从砂箱顶部气相抽取的气体的量为0.6～1.0ml，取样一次，然后将所得气体等量平分，分别注入到2～4个10ml气相样品瓶中，获得2～4份平行样，样品置于-4℃冰箱中保存，然后根据标准方法用气相色谱法等方法测定污染物浓度。

25、在上述技术方案中，所述步骤6中，使用准一级动力学模型对所得气相污染物浓度变化数据进行拟合。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、1.本发明开发了一种基于所述分析装置的地下含水层有机污染物挥发动力学分析装置及分析方法，用于研究有机污染物在地下含水层迁移的挥发过程。本发明选取典型可挥发有机污染物为研究对象，通过在分析装置中进行的挥发实验考察不同污染物在模拟地下含水层中随时间的气相浓度变化，研究地下含水层中有机污染物迁移的挥发过程，建立有机污染物挥发动力学的定量模型，对于有机污染物地下迁移过程的内在机理研究和数值模拟研究具有重要的科学意义。

28、2.本发明采用箱体以及装填其内的介质层进行污染物挥发实验，通过箱体左右两侧的进水口和出水口以及蠕动泵可模拟横向地下水水流流动，通过顶盖上的顶部开孔或箱体上的前开孔注入污染物，从而设置污染源位置，在污染物与场地规模的相对关系和水流情况方面更加接近实际情况。

29、3.本发明通过测定砂箱内中地下含水层上方保留顶部空间的气体污染物浓度，可以表征污染物挥发作用对地下含水层中气相浓度的影响。