上流式PRB技术修复六价铬污染地下水的装置及其方法

摘要

本发明涉及一种上流式PRB技术修复六价铬污染地下水的装置，抽水系统包括抽水井、井管和潜水泵，抽水井内设有井管，井管的中下部具有筛管，潜水泵设置在筛管内，导管一端与潜水泵的出水口连接相通、另一端伸出井管并与地面上的增压泵连接相通；增压泵的出口与布水主管连接，多个布水支管与布水主管连接，填料箱从上至下设有吸附填充层和还原反应填料层，多个布水支管呈辐射状布设在还原反应填料层的下部，渗透层设置在外挡板内，填料箱设置在渗透层内并由于渗透层内的渗透介质包围，外挡板的顶部设有上盖板，填料箱顶部与上盖板之间溢流流道。本发明能降低施工难度及修复成本，方便对修复材料进行更换，能提高修复的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种上流式PRB技术修复六价铬污染地下水的装置及其方法，属于地下水修复技术领域。

背景技术

随着社会经济的快速发展以及工业化进程的日益加快，地下水污染问题日益严重，其中地下水中的六价铬污染由于其显著的危害性而尤为引人关注。六价铬是已被研究证实的“三致”污染物，它在土壤和地下水中主要以CrO4^2～和HCrO^4～等形式存在，可溶性强，易迁移，被定为环境中危害最大的污染物之一，必须对其进行有效控制。

目前，针对六价铬污染的地下水主要采用两种技术来进行修复，分别是抽提处理技术和原位PRB修复技术。

1)、抽出处理修复技术(P&T)是地下水异位处理的经典修复技术，上世纪末期在国外应用较为广泛，它是将受污染的地下水抽出来，然后在地面上进行处理。由于将地下水的处理场所转移至地面上，因此可选的技术较多，适用于各类型污染的地下水处理。但是该技术具有修复时间长，修复成本高，处理效率低等缺点，因而在近几年的修复领域，该技术并未得到大规模的推广与应用。

2)、原位PRB(PermeableReactiveBarrier)修复技术。PRB修复技术是可渗透性反应墙修复技术的简称，它通过在地下安装可渗透反应材料墙体以拦截地下水污染羽，污染羽与反应墙介质发生物理、化学、吸附等多种反应，从而降低地下水目标污染物浓度。传统的PRB技术是一种被动的原位修复技术，它的修复效果与水文地质条件有很大的关联。当待修复污染区域土层渗透系数较小的情况下，传统的PRB修复效果相对较差；同时，传统的PRB技术在进行大范围区域地下水修复时，往往需大面积开挖，这不仅导致施工难度大，修复成本增加，同时也不利于后期PRB反应材料的更换。

发明内容

本发明的目的是提供一种能降低施工难度及修复成本，方便对修复材料进行更换，能提高修复的效率的上流式PRB技术修复六价铬污染地下水的装置及其方法。

本发明为达到上述目的的技术方案是：一种上流式PRB技术修复六价铬污染地下水的装置，其特征在于：包括抽水系统、布水系统和填料系统，所述抽水系统包括抽水井、井管和潜水泵，抽水井内设有井管，井管的中下部具有用于放置在目标污染含水层的水位面以下的筛管，潜水泵设置在筛管内，导管一端与潜水泵的出水口连接相通、另一端伸出井管并与地面上的增压泵连接相通；所述布水系统包括增压泵、布水主管和多个布水支管，增压泵的出口与布水主管连接，多个布水支管与布水主管连接，且各布水支管沿管壁上设有多个出水孔；所述的填料系统包括外挡板、上盖板、填料箱以及还原反应填料层、吸附填充层和渗透层，所述的填料箱从上至下设有吸附填充层和还原反应填料层，多个布水支管呈辐射状布设在还原反应填料层的下部，渗透层设置在外挡板内，填料箱设置在渗透层内并由渗透层内的渗透介质包围，填料箱的底板以及周边的围板将吸附填充层和还原反应填料层与渗透层隔开，外挡板的顶部设有上盖板，填料箱顶部与上盖板之间设有用于修复后地下水流过的溢流流道，还原反应填料层内的还原反应介质用于将地下水中的六价铬污染物还原为三价铬，所述的吸附填充层内的吸附介质用于吸附地下水中剩余的六价铬污染物，所述的渗透层内的渗透介质用于渗透修复后的地下水。

其中：所述还原反应填料层的还原反应介质为粒径在1～5mm的铁粉。

所述吸附填充层内的吸附介质为粒径在1mm～8mm的沸石或/和活性碳。

按质量百分比，所述渗透层填内的渗透介质为50～70％的粒径在0.15mm～0.55mm的砂砾和30～50％的粒径在0.56mm～1.0mm的砂砾。

所述导管上部设有取样口。

所述井管与抽水井之间具有膨润土密封层，筛管与抽水井之间填充有粒径在0.5mm～10mm的砂砾。

本发明利用上流式PRB技术修复六价铬污染地下水的装置对地下水中六价铬污染物修复的方法：将抽水系统和布水系统沿着水流方向或污染羽放射方向设置，且抽水系统设置在水流的下游，布水系统设置在水流的上游，填料系统设置在水流上游的土壤的上表层，设置在井管内并位于目标污染含水层液面以下的潜水泵将污染的地下水抽提到地面，通过导管输送到布水系统的增压泵中，增压泵将污染的地下水经输送到布水系统的布水主管中，并通过多个布水支管将污染的地下水均匀分配到填料箱内的还原反应填料层内，污染的地下水在填料箱内呈现上流式运动方式，经还原反应填料层内的还原反应介质将向上流动污染的地下水中的六价铬还原反应成低毒的三价铬，再向上并流进入到吸附填充层内，吸附填充层内的吸附介质对流动的地下水中剩余的六价铬进行吸附，经修复后的地下水从填料箱顶部与上盖板之间的溢流流道而流入渗透层内，地下水在重力的作用下，通过渗透层内的渗透介质进入上游区域浅层含水土壤层而进入地下水内；当导管将污染的地下水输送到增压泵时，通过在导水管上的取样口进行取样，监测地下水的修复情况，至到地下水修复至目标值。

其中：所述抽水系统的中心与布水系统中心的距离在10～20m。

本发明的修复装置采用抽水系统、布水系统和填料系统，通过抽水系统和布水系统将目标污染地下水循环抽注至填料系统中，由于布水系统采用了增压泵，实现污染的地下水上流式出水通过填料箱内的还原反应填料层内的还原反应介质和吸附填充层内的吸附介质，由于污染的地下水在填料箱内呈上流式流动，因此在对污染的地下水进行修复的同时，还能起到冲洗的作用，能够极大程度地解决反应材料的堵塞问题，大大提高修复的效果。本发明填料系统采用了外挡板、上盖板、填料箱以及还原反应填料层、吸附填充层和渗透层，外挡板内设有渗透层，通过挡板能将将渗透层与上表层的土壤分开，由于填料箱的底板以及围板其内的吸附填充层和还原反应填料层与外部的渗透层隔开，使污染的地下水在填料箱内呈现上流式运动方式，在对地下水进行修复过程中，能防止还原反应填料层、吸附填充层及渗透层内的介质材料流失。本发明向上流动污染的地下水经还原反应填料层的还原反应介质时，将污染的地下水中的六价铬还原反应成低毒的三价铬，再向上并流至进入到吸附填充层内，通过吸附填充层的吸附介质对流动的地下水中剩余的六价铬进行吸附，通过填料箱顶部与上盖板之间的溢流流道而引导地下水向渗透层流动，并在重力作用进入上游区域浅层含水土壤层中。本发明将填料系统设置在土壤的上表层位置，方便修复装置的安装以及后期的运营和管理，便于施工和管理，可操作性强，尤便于后期的填料系统内材料更换与管理，大大降低了修复的成本以及施工与运营的成本。本发明的修复装置利用原反应填料层内的还原反应介质及吸附填充层内的吸附介质的双重机理，能最大限度去除地下水中的六价铬污染，实现六价铬污染物的高效去除目的，而修复处理后的地下水是经溢流流道并在重力作用从渗透层渗流到上游区域浅层含水土壤层中，在运行过程中，抽水系统和布水系统的循环抽注水流可以对土壤起到循环淋洗作用，可促进土壤中的污染物向地下水中迁移，从而提高地下水和土壤的修复速度和效果，在修复地下水的同时，也修复了土壤中的六价铬污染，能最大限度保证修复的效果。本发明将抽水系统安装在地下水的下游，通过抽提系统的抽提作用，地下水在土壤中的迁移速度会加快，以提高地下水在地下的流动性，提高了PRB修复技术对于低渗透土壤的适应性，同时也缩短了整个修复过程所需要的周期。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。

图1是本发明上流式PRB技术修复六价铬污染地下水装置的结构示意图。

图2是本发明填料系统的布水截面图。

其中：1—外挡板，2—上盖板，3—渗透层，4—还原反应填料层，5—吸附填充层，6—增压泵，7—布水主管，8—布水支管，9—填料箱，10—覆土层，11—取样口，12—浅层含水土壤层，13—导管，14—抽水井，15—井管，16—密封层，17—砂砾，18—筛管，19—潜水泵。

具体实施方式

见图1～2所示，本发明的上流式PRB技术修复六价铬污染地下水的装置，包括抽水系统、布水系统和填料系统，在使用时，可将抽水系统和布水系统沿着水流方向或污染羽放射方向设置，且抽水系统设置在水流的下游，布水系统设置在水流的上游，而填料系统设置在水流的上游土壤的上表层位置，设施简单、易于施工和管理，可操作性强，便于后期的材料更换与管理，大大降低了修复的成本。

见图1所示，本发明抽水系统包括抽水井14、井管15和潜水泵19，抽水井14内设有井管15，井管15的中下部具有用于放置在目标污染含水层的水位面以下的筛管18，井管15的管径为在60mm～200mm，而筛管18的管径与井管15管径相同，筛管15孔隙在0.1mm～1mm，可将筛管18部分位于目标污染含水层的水位面以下1m～10m，潜水泵19设置在筛管18内，潜水泵19可位于目标污染含水层水位面以下1m～5m，导管13一端与潜水泵19的出水口连接相通、另一端伸出井管15并与地面上的增压泵6连接相通，将污染的地下水抽提至布水主管7并经多个布水支管8分布在还原反应填料层4内，导管13上部设有取样口11，因此可通过该取样口11对抽提的地下水进行检测。见图1所示，本发明在井管15与抽水井14之间具有膨润土密封层16，筛管18与抽水井14之间填充有粒径在0.5mm～10mm的砂砾17，使目标污染含水层内的地下水通过砂砾17后通过筛管18上孔隙而进入抽水井14内，再通过潜水泵19及导管13抽提到地面。

见图1、2所示，本发明布水系统包括增压泵6、布水主管7和多个布水支管8，增压泵6的出口与布水主管7连接，增压泵6的工作压力可在0.1～0.5MPa，多个布水支管8与布水主管7连接，布水主管7的管径可在30mm～100mm，布水支管8的管径可在30mm～100mm，且各布水支管8沿管壁上设有多个出水孔，该布水支管8设有3～10个出水孔，而出水孔孔径可在0.1mm～1mm，将污染的地下水通过布水系统分布在填料系统内。见图2所示，本发明的布水支管8呈辐射状与布水主管7连接并设置在还原反应填料层4内。

见图1所示，本发明的填料系统包括外挡板1、上盖板2、填料箱9以及还原反应填料层4、吸附填充层5和渗透层3。本发明填料箱9从上至下设有吸附填充层5和还原反应填料层4，该填料箱9由ABS塑料制成，可由底板以及围板分体组成，或制成一体结构，填料箱9和外挡板1形状不限，便于后期的还原反应介质以及吸附介质更换与管理，多个布水支管8呈辐射状布设在还原反应填料层4的下部，渗透层3设置在外挡板1内，本发明的外挡板1可采用ABS塑料等，外挡板1用于对以防止渗透介质材料流失，填料箱9设置在渗透层3内并由渗透层3内的渗透介质包围，填料箱9的底板以及周边的围板将吸附填充层5和还原反应填料层4与渗透层3隔开，外挡板1的顶部设有上盖板2，上盖板2上部还设有覆土层10，填料箱9顶部与上盖板2之间设有用于修复后地下水流过的溢流流道，使修复后地下水能从该溢流流道进入渗透层3内。本发明还原反应填料层4内的还原反应介质用于将地下水中的六价铬污染物还原为三价铬，本发明还原反应填料层4的还原反应介质为粒径在1～5mm的铁粉，本发明的铁粉可采用零价铁粉，具有很强的还原性而能与水中的六价铬能有效的发生还原反应，经过还原反应后的地下水，而降低地下水的毒性。吸附填充层5内的吸附介质用于吸附地下水中剩余的六价铬污染物，本发明吸附填充层5内的吸附介质为粒径在1mm～8mm的沸石或/和活性碳，当沸石与活性碳混合时，按质量百分比两者的比例不限，且两者粒径不限，如50％、粒径在1mm沸石和50％、粒径在1mm的活性碳，通过吸附介质强力吸附地下水中剩余的六价铬污染物，而进一步提高六价铬的去除效果，本发明通过还原反应和的强力吸附的双重机理，能最大限度去除地下水中的六价铬污染，实现六价铬污染物的高效去除目的。见图1所示，本发明渗透层3内的渗透介质用于渗透修复后的地下水，按质量百分比，渗透层3内的渗透介质为50～70％的粒径在0.15mm～0.55mm的砂砾和30～50％的粒径在0.56mm～1.0mm的砂砾，而能达到快速渗透的效果，将处理后的地下水在重力作用下通过渗透层3进入下部的浅层含水土壤层12内再进入地下水中，在修复地下水的同时，对土壤中的六价铬污染进行修复，能最大限度保证修复的效果。

本发明对地下水中六价铬污染物修复的方法：将抽水系统和布水系统沿着水流方向或污染羽放射方向设置，且抽水系统设置在水流的下游，布水系统设置在水流的上游，两者的距离可根据水文地质实际情况来试验确定，抽水系统的中心与布水系统中心的距离在10～20m，即为导管中心与布水主管中心距离在10～20m，填料系统设置在水流上游的土壤的上表层，设置在井管15内并位于目标污染含水层液面以下的潜水泵19将污染的地下水抽提到地面，通过导管13输送到布水系统的增压泵6中，再通过增压泵6将污染的地下水经输送到布水系统的布水主管7中，并通过多个布水支管8将污染的地下水均匀分配到填料箱9内的还原反应填料层4内，污染的地下水在填料箱9内呈现上流式运动方式，并经还原反应填料层4的还原反应介质将向上流动污染的地下水中的六价铬还原反应成低毒的三价铬，再向上并流至进入到吸附填充层5内，吸附填充层5内的吸附介质对流动的地下水中剩余的六价铬进行吸附，经修复后的地下水从填料箱9顶部与上盖板2之间的溢流流道而流入渗透层3内，由于出水呈上流式通过填料箱9，可以极大程度地解决PRB材料的堵塞问题，大大提高修复的效果，修复后的地下水在重力的作用下，通过渗透层3内的渗透介质进入上游区域浅层含水土壤层12而进入地下水内，当导管13将污染的地下水输送到增压泵6时，通过在导水管上的取样口11进行取样，可定时或随机取样，监测地下水的修复情况，至到地下水修复至目标值，如修复至目标值为六价铬平均去除率达95％以上。

本发明对某六价铬污染区域的地下水中六价铬污染物进行修复，该地下水位埋深4m，含水层厚度10m，包气带和含水层主要为软土，土层渗透系数为9×10^～7cm/s，该污染区域地下水水质：pH为6.95；地下水中六价铬平均浓度为12.6mg/L，本发明将筛管18的顶部位于地下水液面以下1m，潜水泵位于地下水液面以下6m，筛管18与抽水井14之间填充的砂砾粒径在10mm，潜水泵19的泵速400mL/min，其它的具体参数见表1所示。

表1

本发明每8小时对水质进行监测一次，按GB-T7467-87测定方式进行测定，运行稳定后80天，通过取样口10对水质进行监测，修复后的地下水的具体数据见表2所示。

表2

项目实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6六价铬浓度(mg/L)0.50.510.380.370.250.5六价铬平均去除率(％)969697979896

从表2可以看出，修复后的地下水达到修复至目标值。本发明的装置在运行过程中，由于抽水系统和布水系统的循环抽注水流可以对土壤起到循环淋洗作用，可促进土壤中的污染物向地下水中迁移，从而提高地下水和土壤的修复速度和效果。同时，也加快了地下水在土壤中的迁移速度，能缩短了整个修复的周期。