一种原位水力驱动强化氧化还原反应的修复系统

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，特别是涉及一种原位水力驱动强化氧化还原反应的修复系统。

背景技术

研究表明我国新型城镇化的推进加快以及土地利用的变革对土壤水环境造成严重影响，工业废弃场地大量出现，污染场地事件时有发生，威胁周围居民居住环境和健康生活。工业污染场地的污染物主要包括重金属、石油烃、挥发性有机污染物、半挥发性有机污染物等，对工业场地及周边区域的土壤和地下水造成严重污染。污染场地地下水中含有很多水溶性难降解的有机污染物比如萘磺酸盐、叠氮类染料具有强烈的致癌、致畸、致突变作用，场地修复刻不容缓。

目前，我国污染土壤与地下水修复基本都是单独处理。土壤地下水一体化修复相对难度较大，成型的技术较少。对于场地污染的修复，根据修复处理工程位置的不同分为异位修复和原位修复。异位修复是将土壤挖出后进行地上处理的技术，异位修复施工复杂极易造成二次污染。其中地下水抽出处理以及多项抽提等技术虽然工期短但工程复杂，且易惊扰挥发性污染物使其逸散到空气中造成二次污染。

相比之下，对场地污染物进行就地处理处置的原位修复技术就可以避免这一问题。原位修复技术可以对深层污染的土壤和地下水同时进行修复，包括原位热脱附热解析技术、原位抽提技术、原位化学氧化-还原技术、原位光催化技术以及原位生物修复技术。原位化学氧化-还原技术应用颇多，主要依托于可渗透反应格栅、注入抽出井等进行药剂投放及注入，但是存在驱动力不足的问题。

因此，我们亟需设计一种原位水力驱动强化氧化还原反应的修复系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位水力驱动强化氧化还原反应的修复系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现解决现有治理工艺工程量大，对于水土一体化修复效果差等问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种原位水力驱动强化氧化还原反应的修复系统，用于修复污染土壤及地下水，该系统包括：

水力驱动循环系统和反应格栅系统，所述水力驱动循环系统包括驱动组件和储液箱；所述反应格栅系统通过驱动组件与所述储液箱相连接；

所述反应格栅系统设置在地下，直至土壤饱和带；所述反应格栅系统包括互相串联的土壤还原净化单元和土壤氧化净化单元。

进一步的，所述反应格栅系统表面开设有第一注射口，第二注射口和第三注射口；所述第一注射口，第二注射口和第三注射口分别朝地下延伸形成有第一注入井，第二注入井和抽出井；所述第一注入井和抽出井分别通过驱动组件与所述储液箱连通。

进一步的，所述第一注入井，第二注入井和抽出井均设置有至少两个且互相平行；所述第二注入井设置于第一注入井和抽出井之间；所述土壤还原净化单元和土壤氧化净化单元分别设于所述第一注入井和第二注入井之间与第二注入井和抽出井之间；

进一步的，所述第一注入井，第二注入井和抽出井周壁均开设有均匀分布的过水孔。

进一步的，所述第二注入井通过驱动组件与氧化罐连通；所述氧化罐内氧化剂含过硫酸盐溶液。

进一步的，所述过硫酸盐溶液为过硫酸钠、过硫酸钾或者过硫酸氢钾，所述的氧化剂浓度为5％-10％。

进一步的，所述土壤还原净化单元包括若干根还原柱；所述土壤氧化净化单元包括若干根氧化柱；所述还原柱与氧化柱均设置有若干根，且呈列设置的所述还原柱与呈列设置的所述氧化柱均平行设置；

进一步的，所述还原柱与氧化柱外包裹有网纱，所述还原柱与氧化柱内填充有土壤净化介质填料。

进一步的，所述土壤净化介质填料为生物炭负载的纳米零价铁。

在本发明的一个实施例中，所述还原柱与氧化柱之间形成有净化过渡腔。

进一步的，所述驱动组件为蠕动泵。

本发明公开了以下技术效果：本装置针对水溶性染料污染的场地，能够实现高效的土壤和地下水一体化修复，通过水力驱动能在短时间内达到满意的污染物去除效果。该修复系统运行时不影响地面上的正常生产生活，实现资源的高度利用化。对修复大型工业园区地下土壤具有实际理论意义和应用价值。契合我国可持续发展的战略目标。

该技术具有经济成本低、处理效果好、循环处理、节约水资源、运行简单、管理方便的优势，经修复后的地下土壤能达到环境标准。本装置不仅能够有效处理大型工业园区地下土壤的污染，还能够实现水资源的循环利用，并且能够不影响地上的正常生产生活，具有广阔的应用前景。

附图说明

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。

图1为整体结构示意图；

图2为立体结构示意图；

其中，1、箱盖；2、渗流箱；3、第一注入井；4、土壤还原净化单元；5、第二注入井；6、土壤氧化净化单元；7、抽出井；8、蠕动泵；9、储液箱；10、净化过度腔；11、螺栓；12、取样孔；13、氧化罐。

具体实施方式

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。

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。

本发明提供一种原位水力驱动强化氧化还原反应的修复系统，用于修复污染土壤及地下水，包括：

水力驱动循环系统和反应格栅系统，水力驱动循环系统包括驱动组件和储液箱9；反应格栅系统通过驱动组件与储液箱9相连接；

反应格栅系统设置在地下，直至土壤饱和带；反应格栅系统包括互相串联的土壤还原净化单元4和土壤氧化净化单元6。

反应格栅系统表面开设有第一注射口，第二注射口和第三注射口；第一注射口，第二注射口和第三注射口分别朝地下延伸形成有第一注入井3，第二注入井5和抽出井7；第一注入井3和抽出井7分别通过驱动组件与储液箱9连通。

第一注入井3，第二注入井5和抽出井7均设置有至少两个且互相平行；第二注入井5设置于第一注入井3和抽出井7中间；土壤还原净化单元4和土壤氧化净化单元6分别设于第一注入井3和第二注入井5之间与第二注入井5和抽出井7之间；

第一注入井3，第二注入井5和抽出井7周壁均开设有均匀分布的过水孔。

第二注入井5通过驱动组件与氧化罐13连通；氧化罐13内氧化剂含过硫酸盐溶液。

过硫酸盐溶液为过硫酸钠、过硫酸钾或者过硫酸氢钾，氧化剂浓度为5％-10％。

土壤还原净化单元4包括若干根还原柱；土壤氧化净化单元6包括若干根氧化柱；还原柱与氧化柱均设置有若干根，且呈列设置的还原柱与呈列设置的氧化柱均平行设置；

还原柱与氧化柱外包裹有网纱，还原柱与氧化柱内填充有土壤净化介质填料。

土壤净化介质填料为生物炭负载的纳米零价铁。

驱动组件为蠕动泵8。

实施例一

如图1所示，为便于理解，将串联式反应格栅系统实验区域视为一个方形区域的渗流箱2，渗流箱2顶部设置透明的箱盖1，并用螺栓11拧紧，避免渗流箱2内部受环境污染；箱盖1上表面开设有第一注射口，第二注射口和第三注射口，且与第一注入井3，第二注入井5和抽出井7位置对应。

进一步的，本发明包括装填污染土壤的渗流箱2，促进土壤中污染物迁移的水力驱动循环系统，以及渗透性反应柱组成的串联式反应格栅系统。水力驱动循环系统包括第一注入井3，抽出井7，蠕动泵8和储液箱9。反应格栅系统包括串联的土壤还原净化单元4和土壤氧化净化单元6，反应柱在渗流箱2的纵切面上均匀分布；

渗流箱2中的第一注入井3和抽出井7均通过管道连接储液箱9，储液箱9内为纯净水；渗流箱2的进水端和出水端均安装蠕动泵8，渗流箱2内设有多个相互间隔的土壤净化单元，相邻土壤净化单元、土壤净化单元与土壤立方体的边界之间形成净化过渡腔10，渗流箱2的侧面设有与净化过渡腔连通的取样孔12；

土壤还原净化单元4和土壤氧化净化单元6外侧包裹200目的尼龙网纱，柱体内部填充土壤净化介质填料，土壤净化介质填料为生物炭负载的纳米零价铁；

氧化性净化单元配有专门的过硫酸盐第二注入井5，与氧化柱组成氧化性净化单元；注入含过硫酸盐溶液的化学氧化剂2小时后，化学氧化剂与土壤和地下水混合，均匀渗入土壤和地下水中，待化学氧化剂与有机污染物充分接触后，在水力驱动下进入氧化柱，化学氧化剂被活化从而去除土壤和地下水中的有机污染物；

本实例中，土壤净化单元的数量为两个，两个土壤净化单元分别为还原性土壤净化单元4，以及氧化性土壤净化单元6。土壤净化单元渗透性反应柱由有机玻璃制成，直径为200mm,管壁均布直径为1mm的微孔,外侧包裹200目的尼龙网纱，并在柱体内部填充土壤净化介质填料；

土壤净化单元内部填充的净化介质填料是生物炭负载的纳米零价铁；土壤还原净化单元4内部的生物炭负载的纳米零价铁用于土壤中有机污染物的去除，并同时具备吸附效能；土壤氧化净化单元6内部的生物炭负载的纳米零价铁作为过硫酸盐(第二注入井5)活化的催化剂，用于前一个土壤净化单元修复后的深度去除。

其次，本实例中，为了保证水流的均匀性，设置水力驱动系统。水力驱动系统通过双通道的蠕动泵8将储液箱9与第一注入井3连接，蠕动泵以0.1mL/min的流速将清水从储液箱9导入第一注入井3。同时，通过蠕动泵以0.1mL/min的流速将过硫酸盐从化学氧化剂储罐13导入第二注入井5。经土壤净化单元处理过的溶液以0.2mL/min流速将抽出井7的液体导入储液箱9，水力驱动系统与储液箱9形成的循环系统能够高效去除土壤中的污染物，同时降低经济成本；

进一步，第一注入井3，注入井5和抽出井7的管壁上均匀分布直径为1mm的过水孔，通过抽注系统，增大了正向的水力梯度，在渗流箱内部形成了稳定的水流场，从而促使注入的溶液和渗流箱槽内部的水加速流向抽出井7，以形成水力驱动。

如图2所示，模拟被污染场地土壤的净化过程；清水从第一注入井3均匀进入渗流箱2中的污染土壤当中，使土壤中易溶于水的污染物溶解在水中。当水流经过土壤还原净化单元4时，污染物一部分被吸附一部分被还原除去；当水流经过过硫酸盐注入井时，剩余的污染物与过硫酸盐溶液混合，随后经过土壤氧化净化单元6时，剩余的污染物被氧化去除。

另外，本实例中，渗流箱2的净化过渡腔10数量为二个，每个净化过渡腔10对应一列取样孔，分别为A、B两列取样口，每列取样孔的数量为三个，三个取样孔距渗流箱2底部的高度分别为2cm、6cm和10cm。系统运行期间，对各土壤净化单元后等间距设置的A、B两列取样口(共计6个)进行定期取样，用于评估土壤净化单元对污染物的去除能力。

实施例二

在实验室条件下，对萘磺酸、1，5-萘二磺酸和1，3，6-萘三磺酸污染的土壤和模拟地下水进行修复。在长宽高为300：150：150(mm)的有机玻璃容器中由1：1的黏土和石英砂填满，模拟地表以下溶解有苯磺酸污染物的土层和地下水。土壤还原净化单元4和土壤氧化净化单元6为预埋在土层中并填充了生物炭负载的纳米零价铁的带孔有机玻璃管，第一注入井3和抽出井7均通过管道与蠕动泵8、储液箱9相连，过硫酸盐注入井5和氧化罐、蠕动泵8连接。渗流箱盖1通过螺栓密封实验容器，实验容器侧面预留有模拟地下水的取样口。

具体修复步骤如下：

(1)开启蠕动泵8将含有过硫酸盐的氧化剂溶液从化学氧化剂储罐13导入注入井5中，使氧化剂均匀渗入土壤；

(2)同时打开第一注入井3，清水从第一注入井3均匀进入实验容器中的被污染土壤当中，使溶解在水中的土壤污染物依次经过土壤还原净化单元4和土壤氧化净化单元6，通过抽出井7将模拟地下水流入储液箱9，出水回流注入反应器中循环；

(3)修复过程中从取样口12抽取容器中的土壤、模拟地下水和出水作为环境样品分析苯磺酸污染物的残留浓度。实验表明，24小时后渗流箱2中的土壤和流经渗流箱2的模拟地下水出水中的污染物残留浓度大幅降低，土壤中污染物的去除率达到81.4％，而流经渗流箱2的模拟地下水出水中污染物去除率达到92.5％。表明本发明实例的土壤修复装置和修复方法同时去除土壤和地下水中的有机污染物效果良好；且本发明实例的修复技术简单，易于操作。

在本发明的一个实施例中，反应格栅系统一侧与第一注入井3相连，另一侧与抽出井7相连，在修复体系内部形成了稳定的水流场，以形成水力驱动。

在本发明的一个实施例中，还原柱和氧化柱中的土壤净化介质填料均为生物炭负载的纳米零价铁，生物炭负载的纳米零价铁是通过800℃退火产生的秸秆生物炭与硫酸亚铁在氮气氛围下通过共同还原得到，所述的铁和生物炭的质量比为1:5-1:10。

进一步，还原柱内部的生物炭负载的纳米零价铁用于土壤中水溶性染料污染物的还原去除；氧化柱内部的生物炭负载的纳米零价铁作为过硫酸盐的活化剂产生自由基，通过氧化去除土壤或地下水中的水溶性染料污染物。

进一步，反应格栅系统利用反应柱的形式投放药剂效率更高，操作简单。反应柱即土壤净化单元，将化学反应药剂放入反应柱中，利用水力驱动通过抽出注入井进行水力循环，使污染物经过反应柱发生化学反应除去污染物。设置反应柱施工量小，经济成本低，可长时间循环利用，基本不会影响地表构筑物的运行，对于在产场地也能够使用。

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。

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。