一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置

1.本发明涉及土壤及地下水原位修复技术领域，特别是涉及一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置。

背景技术：

2.土壤系统是人类赖以生存和发展的主要生态系统之一。近年来随着工业化的发展和城市化进程的深入，许多原先在城市圈附近的工业企业被整改搬迁，遗留下许多的工业场地，这些场地存在不同程度的污染。如果不及时进行修复，一方面会导致土地闲置浪费资源，另一方面场地内污染物的扩散会危害周边居民的身体健康。因此，土壤和地下水修复技术的发展迫在眉睫。污染物进入土壤后的迁移扩散受土壤异质性影响，污染物在土壤中分布不均，同时由于土壤的吸附能力导致污染物很难从土壤中去除。土壤的自然成因各不相同导致土层分布复杂。同时，土壤饱和带的水流受地势和土壤性质的影响，流动方向复杂，流速缓慢，造成土壤和地下水污染难以发现和难以治理的特点。
3.目前，土壤和地下水修复技术可以分为原位修复和异位修复，其中异位修复是将受污染的土壤和地下水全部挖出，然后将其送入响应的修复设备中，而原位修复是在尽量少扰动土壤和地下水的情况下，利用修复技术的特点，在污染的地块原位进行修复。原位修复相比异位修复具有成本低、对土壤扰动小、二次污染小、施工简单等特点。
4.目前，常用的原位修复技术包括：原为蒸发提取、原位固化/稳定化、原位生物修复、原位化学氧化、可渗透反应墙等。其中，渗透性反应墙prb技术凭借其工程设施简单，后期运转及维护费用低，反应介质消耗慢，具有几年甚至几十年的处理能力，受到了国内外大量学者的关注。prb技术是指在地下水污染区域的地下水流动的路径横截面上设置与地下水水流方向垂直的反应墙，被污染地的地下水通过天然水力梯度驱动经过反应墙并发生一系列的物理、化学反应使污染物能转化为环境接受的另一种形式或者使污染物浓度达到环境标准。目前制约prb技术应用的重要原因是其驱动力不足。prb技术的反应驱动力是依靠地下水天然水力梯度，因此在地势平坦或地下水流向复杂的地区，难以保证污染物被反应墙全部截至，因而修复效率低修复时间长。而电动耦合渗透反应墙作为一种新型绿的技术，它是在prb的基础上加入电场，通过电渗析、电迁移、电泳使地下污染物定向迁移至反应墙，便于污染物更好地参与反应墙内的一系列反应，最终完成土壤地下水的修复处理。其中脉冲电源的供电参数较高，能量较集中，能够在短时间内作用，因此选用脉冲电源作为污染物迁移方式。
5.沉箱式反应墙是在prb的基础上提出的渗透式反应墙组合的一种新形式；因此，亟需设计一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置。

技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现可渗透性反应墙的被动式修复变成主动式修复，并且利
用沉箱反应器降低维护成本。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，包括下沉井和设置在所述下沉井内的沉箱反应器与脉冲系统；
8.所述下沉井设置于地面以下，且沿地下水流向设置；
9.所述沉箱反应器在所述下沉井内设置有若干个，所述沉箱反应器内通过隔板分设有还原单元，氧化单元和吸附单元；每一所述隔板上均开设有利于液相迁移的筛孔；
10.所述脉冲系统形成电场，所述沉箱反应器置于所述电场内。
11.所述下沉井包括注射井和水平井；所述水平井设置在土壤的饱和带内；所述水平井两端固定连接有所述注射井底部；所述注射井顶部置于底面。
12.两所述注射井顶面安装有井盖。
13.所述水平井采用聚乙烯筛管，用于支撑结构的同时使地下水可以渗透到所述沉箱反应器内。
14.所述脉冲系统包括阳极板，阴极板和脉冲电源；所述阳极板和阴极板分设于所述水平井两端，且均与所述脉冲电源电性连接；所述阳极板和阴极板均开设有过水孔。
15.所述下沉井内固定安装有滑轨，所述沉箱反应器在所述滑轨上滑动设置。
16.所述沉箱反应器为圆柱体结构，所述沉箱反应器两端面也均固定安装有所述隔板；所述隔板上开设有若干个直径为8-12mm的所述筛孔。
17.所述还原单元的反应介质选用纳米零价铁。
18.所述氧化单元的反应介质选用过氧化钙。
19.所述吸附单元的反应介质选用氮改性生物炭。
20.本发明公开了以下技术效果：(1)本发明采用一种主动修复技术，利用脉冲系统形成稳定的电场，加速污染物在反应井中的迁移速率。而传统的可渗透式反应墙是被动的修复技术，依赖地下水流动，但是地下水流动复杂、缓慢、不固定，因此修复效果受环境因素影响较大。本发明提供一个稳定的电场，能过将污染物沿水平井方向流动，不受地下水流向流速影响，修复效率高，成本低。
21.(2)该发明采用的下沉井结构施工简单，成本低廉；且对污染场地扰动小，不会改变原来的土层结构和水文地质条件。
22.(3)该沉箱反应器采用嵌套式滑轨设计，其内部的反应单元可以简单更换，而且可以调整不同的调整反应单元的顺序，反应单元内部可以灵活更换不同的反应药剂，能够节省多次施工的成本，减少维修费用。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为整体结构示意图；
25.图2为沉箱反应器立体示意图；
26.其中，1、下沉井；2、井盖；3、沉箱反应器；4、阳极板；5、阴极板；6、水平井；7、隔板；
8、滑轨。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.本发明提供一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，包括下沉井1和设置在下沉井1内的沉箱反应器3与脉冲系统；
30.下沉井1设置于地面以下，且沿地下水流向设置；
31.沉箱反应器3在下沉井1内设置有若干个，沉箱反应器3内通过隔板7分设有还原单元，氧化单元和吸附单元；每一隔板7上均开设有利于液相迁移的筛孔；
32.脉冲系统形成电场，沉箱反应器3置于电场内。
33.在本发明的一个实施例中，沉箱反应器3是一个箱体结构，箱体内安置了吸附不同反应介质的反应墙，根据污染场地的大小，可以选用单个箱体或串联式多个箱体结构，同时针对地下水流向的复杂性，沉箱式反应墙也能对地下水进行更好的治理和污染物的去除。
34.进一步的，沉箱反应器3内每个反应单元内的反应介质可以自由组合，以便于应对不同的土壤及地下水污染情况。
35.进一步的，图中所示的沉箱反应器3包含了3个反应单元，这不是固定的，反应单元按功能划分有吸附单元，还原单元和氧化单元，沉箱反应器内部可以放1个反应单元，也可以放多个反应单元，多个反应单元之间可以按照顺序自由组合，比如，吸附-氧化-还原，氧化-吸附-还原，还原-氧化-吸附等等，具体顺序根据实际土壤和地下水污染情况决定。
36.下沉井1包括注射井和水平井6；水平井6设置在土壤的饱和带内；水平井6两端固定连接有注射井底部；注射井顶部置于底面。
37.在本发明的一个实施例中，注射井垂直设置，水平井6为沉箱反应器3提供设置空间便于地下水的反应交换。
38.两注射井顶面安装有井盖2。
39.水平井6采用聚乙烯筛管，用于支撑结构的同时使地下水可以渗透到沉箱反应器3内。
40.脉冲系统包括阳极板4，阴极板5和脉冲电源；阳极板4和阴极板5分设于水平井6两端，且均与脉冲电源电性连接；阳极板4和阴极板5均开设有过水孔。
41.在本发明的一个实施例中，阳极板4和阴极板5被固定在水平井6的两端，并接入脉冲电流通过电渗析、电泳、电迁移的作用，使地下水中的污染物在电流作用下由阳极迁移至阴极，在反应井中形成稳定的电场，能够增加水流通过沉箱反应器的速度，强化修复效果的作用。阳极板4和阴极板5上均匀分布直径为1mm的过水孔，以保证地下水匀速通过，形成稳定的水流。
42.下沉井1内固定安装有滑轨8，沉箱反应器3在滑轨8上滑动设置。
43.沉箱反应器3为圆柱体结构，沉箱反应器3两端面也均固定安装有隔板7；隔板7上开设有若干个直径为8-12mm的筛孔。
44.还原单元的反应介质选用纳米零价铁。
45.在本发明的一个实施例中，纳米零价铁是在氮气氛围下，将硼氢化钠溶液滴加到硫酸亚铁溶液中，并缓慢搅拌过滤得到。
46.优选地，纳米零价铁制备过程中用的硫酸亚铁浓度为0.2-0.5mol/l,硼氢化钠与硫酸亚铁的摩尔浓度比为1：3-1：5，滴加的速率为5-10ml/min。
47.氧化单元的反应介质选用过氧化钙。
48.在本发明的一个实施例中，过氧化钙是将过氧化氢滴加到氧化钙溶液中，并加入一定浓度的盐酸溶液，缓慢搅拌过滤得到。
49.优选地，过氧化钙制备过程中用的氧化钙溶液中过氧化钙的比例为0.5％-1％，过氧化氢和氧化钙溶液的比例为2：1-3：1，盐酸的浓度为15-20％。
50.吸附单元的反应介质选用氮改性生物炭。
51.在本发明的一个实施例中，氮改性生物炭是将秸秆和尿素混合后，将其在无氧条件下烧制得到。
52.优选地，氮改性生物炭制备过程中用的秸秆与尿素的质量比为1：5-1：10，烧制的温度为600-800℃，烧制时间为1-2小时。
53.在本发明的一个实施例中，某地染料化工厂搬迁后遗留的场地内土壤带有红、蓝、橙等，存在严重的污染情况。经过调查后发现，该场内土壤和地下水污染严重，主要污染物为萘磺酸类染料。经过水文地质调查后发现，该地区属于冲积平原，地势平坦，水系发达，地下水流向复杂流速缓慢，土壤以黏土居多，可渗透性差。采用本发明的下沉井结构进行土壤和地下水修复。根据土壤污染情况，在多处土壤污染严重的区域布置下沉井结构，沿着地下水流向设置2-3口下沉井，每口下沉井的注射井的直径为1m，内部水平井长度为5-10m不等，将还原单元、氧化单元和吸附单元分别装入沉箱反应器3(沉箱反应器3为直径0.9m，长为0.5m的圆柱体)内，其中还原单元的反应介质为上述的纳米零价铁，氧化单元的反应介质为上述的过氧化钙，吸附单元的反应介为上述的氮改性生物炭。然后，沿水流方向依次将还原单元、氧化单元和吸附单元利用滑轨送入水平井6内，确保地下水依次经过还原单元、氧化单元和吸附单元。每个水平井内依次为3个还原单元，3个水平单元，3个吸附单元。
54.在设置下沉井的区域利用定向水平钻井技术，将钻头打入地下，调整方向，沿地下水水流方向钻井，然后从另一端钻出，形成下沉井结构。然后将水平井6预装井固定在钻头上，随着钻头的收回，水平井6已经安装到下沉井内部。然后，将高密度聚乙烯筛管沿注射井下套到地下。最后，利用钻头在水平井6两端布设电极板，电极板为直径1.2m的圆形铁网，地下水上游为阳极板4，下游为阴极板5，将电极板与脉冲电源连接，脉冲电源的电压为0-50v，电流为0-3a。
55.地下水会通过注射井壁的筛管进入到水平井6内，在稳定电场的作用下，地下水中的污染物会随着水流加速移动进入到沉箱反应器3中，污染物在沉箱反应器3中依次经过还原单元、氧化单元和吸附单元，所有的污染物被去除。同时，一部分还原介质和氧化介质会随着水流进入到水平井中，扩散出水平井进入土壤中，对土壤中的污染进行去除。经过沉箱
反应器3的地下水会随着地下水流向流出水平井6。
56.每隔一段时间，会对修复区域的地下水进行取样检测，对结果进行分析。并在规定时间内，对沉箱反应器内部的反应介质进行更换，将新的沉箱反应器沿着注射井井壁的滑轨8送入平行管，并将旧的沉箱反应器沿着另外一个方向抽出。
57.经过6个月的修复过程，重新对场地内土壤和地下水进行检测。该场地内土壤和地下水中的萘磺酸类染料含量分别下降85.2％和95.8％。同时，发现地下水颜由红或蓝变无。
58.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
59.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于，包括：下沉井(1)和设置在所述下沉井(1)内的沉箱反应器(3)与脉冲系统；所述下沉井(1)设置于地面以下，且沿地下水流向设置；所述沉箱反应器(3)在所述下沉井(1)内设置有若干个，所述沉箱反应器(3)内通过隔板(7)分设有还原单元，氧化单元和吸附单元；每一所述隔板(7)上均开设有利于液相迁移的筛孔；所述脉冲系统形成电场，所述沉箱反应器(3)置于所述电场内。2.根据权利要求1所述的一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于：所述下沉井(1)包括注射井和水平井(6)；所述水平井(6)设置在土壤的饱和带内；所述水平井(6)两端固定连接有所述注射井底部；所述注射井顶部置于底面。3.根据权利要求2所述的一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于：两所述注射井顶面安装有井盖(2)。4.根据权利要求2所述的一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于：所述水平井(6)采用聚乙烯筛管，用于支撑结构的同时使地下水可以渗透到所述沉箱反应器(3)内。5.根据权利要求2所述的一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于：所述脉冲系统包括阳极板(4)，阴极板(5)和脉冲电源；所述阳极板(4)和阴极板(5)分设于所述水平井(6)两端，且均与所述脉冲电源电性连接；所述阳极板(4)和阴极板(5)均开设有过水孔。6.根据权利要求1所述的一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于：所述下沉井(1)内固定安装有滑轨(8)，所述沉箱反应器(3)在所述滑轨(8)上滑动设置。7.根据权利要求1所述的一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于：所述沉箱反应器(3)为圆柱体结构，所述沉箱反应器(3)两端面也均固定安装有所述隔板(7)；所述隔板(7)上开设有若干个直径为8-12mm的所述筛孔。8.根据权利要求1所述的一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于：所述还原单元的反应介质选用纳米零价铁。9.根据权利要求1所述的一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于：所述氧化单元的反应介质选用过氧化钙。10.根据权利要求1所述的一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，其特征在于：所述吸附单元的反应介质选用氮改性生物炭。

技术总结

本发明公开一种用于地下水及土壤修复的电动沉箱反应装置，包括下沉井和设置在下沉井内的沉箱反应器与脉冲系统；下沉井设置于地面以下，且沿地下水流向设置；沉箱反应器在下沉井内设置有若干个，沉箱反应器内通过隔板分设有还原单元，氧化单元和吸附单元；每一隔板上均开设有利于液相迁移的筛孔；脉冲系统形成电场，沉箱反应器置于电场内。本发明利用脉冲系统形成稳定的电场，加速污染物在下沉井中的迁移速率；下沉井结构施工简单，成本低廉；且对污染场地扰动小，不会改变原来的土层结构和水文地质条件。地质条件。地质条件。