本發(fā)明涉及包氣帶研究領(lǐng)域，具體涉及一種污染物在包氣帶中的截留釋放試驗三維模擬系統(tǒng)及其試驗方法。

背景技術(shù)：

包氣帶作為含水層天然屏障，其因?qū)ξ廴疚镔|(zhì)的截留及衰減而受到關(guān)注并進(jìn)行相關(guān)研究。包氣帶對污染物質(zhì)的截留及衰減強度與包氣帶介質(zhì)本身的物理、化學(xué)性質(zhì)和滲濾液組分、性質(zhì)有密切關(guān)系，目前對與污染物在包氣帶中的截留及衰減研究，國內(nèi)仍主要處于室內(nèi)試驗研究階段，現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域?qū)τ诶鴿B濾液污染物在包氣帶中的截留釋放試驗為一維淋濾柱試驗，該試驗方法忽略了污染物下滲過程中包氣帶含水率及溶質(zhì)梯度變化對模型試驗的影響，而在實驗室尺度上，包氣帶含水率及介質(zhì)內(nèi)溶質(zhì)梯度變化對試驗結(jié)果的影響都是不容忽視的，故而一維淋濾柱試驗的試驗結(jié)果與實際有所偏差，不利于對實際垃圾滲濾液污染物在包氣帶中的截留與釋放的機理研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種污染物在包氣帶中的截留釋放試驗三維模擬系統(tǒng)及其試驗方法，構(gòu)建三維滲濾液淋濾-蒸餾水反淋洗物理模型，以解決現(xiàn)有一維淋濾柱試驗忽略了污染物下滲過程中包氣帶含水率及溶質(zhì)梯度變化對模型試驗的影響的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案概述如下：

一種污染物在包氣帶中的截留釋放試驗三維模擬系統(tǒng)，包括試驗主箱、含水層滲流補給控制系統(tǒng)、包氣帶配水淋濾系統(tǒng)以及出水收集監(jiān)測系統(tǒng)，所述試驗主箱由箱體以及覆蓋于箱體上的配水蓋組成，所述箱體的一側(cè)側(cè)壁下方沿水平方向均布多個補給口，所述補給口對側(cè)的箱體側(cè)壁上沿豎直方向均布多個出水管；所述含水層滲流補給控制系統(tǒng)包括含水層滲流補給控制箱，所述含水層滲流補給控制箱的上方設(shè)有進(jìn)水管，含水層滲流補給控制箱的側(cè)壁相應(yīng)位置上設(shè)有溢流管，含水層滲流補給控制箱的下方設(shè)有補給管，所述補給管與補給口相連，且補給管上設(shè)有水閥；所述包氣帶配水淋濾系統(tǒng)包括依次相連的滲濾液儲槽、水泵以及配水管，所述配水管與配水蓋相連；所述出水收集監(jiān)測系統(tǒng)與箱體側(cè)壁上的出水管相連，所述出水管上設(shè)有水閥。

進(jìn)一步地，所述試驗主箱的規(guī)格為80cm×40cm×70cm、材質(zhì)為1.5cm厚的透明有機玻璃。

進(jìn)一步地，所述出水管包括從下到上的下出水管、中出水管以及上出水管三個出水管，所述下出水管、中出水管以及上出水管分別距離箱底5cm、20cm、30cm。

進(jìn)一步地，所述配水管與水泵設(shè)有六組，所述配水管為外徑6mm、內(nèi)徑4mm的空壓管，所述空壓管延伸至試驗主箱內(nèi)的部分等距間隔設(shè)有直徑為1mm的配水孔；所述水泵為蠕動泵。

進(jìn)一步地，所述出水收集監(jiān)測系統(tǒng)為出水混合槽。

進(jìn)一步地，所述配水蓋內(nèi)部中空，所述配水管延伸至配水蓋內(nèi)部空腔，配水蓋的底部設(shè)有連通配水蓋內(nèi)部空腔的配水孔。

一種利用上述的污染物在包氣帶中的截留釋放試驗三維模擬系統(tǒng)進(jìn)行試驗的方法，包括垃圾滲濾液淋濾及蒸餾水反淋洗兩個過程，具體為：

(1)滲濾液淋濾試驗

1)流場調(diào)試

在試驗箱體內(nèi)填入含水層模擬介質(zhì)，其中的含水層模擬介質(zhì)由下至上依次為：底部襯層、模擬含水層介質(zhì)，進(jìn)行地下水流場水平滲流的調(diào)試，模擬一定梯度條件下的地下水滲流場情況，且保證水頭自由高度接近但低于模擬含水層介質(zhì)頂面；

2)包氣帶模擬介質(zhì)測試及裝填

分別在含水層模擬介質(zhì)上方填入包氣帶介質(zhì)，并對包氣帶介質(zhì)進(jìn)行抽樣，進(jìn)行孔隙度、粒徑、級配篩分及骨架密度進(jìn)行測定；

3)垃圾滲濾液污染源測定

測定滲濾液的污染因子濃度；

流場調(diào)試及滲濾液污染因子濃度測定完畢后，使用水泵抽取滲濾液淋濾于包氣帶頂面；同時記錄出水水質(zhì)及時間，待指示劑保守離子在出水水質(zhì)中達(dá)到穩(wěn)定后，則視為包氣帶對污染物截留達(dá)到飽和；

(2)蒸餾水反淋洗試驗

前述試驗平衡后停止?jié)B濾液淋濾，保持試驗主箱體進(jìn)水端與出水端持續(xù)穩(wěn)定滲流，檢測出水水質(zhì)，待出水水質(zhì)基本穩(wěn)定后，將淋濾動力裝置的溶劑更換為蒸餾水進(jìn)行持續(xù)淋洗；同時記錄排水水質(zhì)變化情況及時間，待單位截留量最大的cod在出水水質(zhì)中達(dá)到穩(wěn)定后，則視為模型反淋洗達(dá)到平衡。

作為優(yōu)選的，所述含水層模擬介質(zhì)中的底部襯層采用粒徑2～3cm礫石裝填而成，所述模擬含水層介質(zhì)為40目粒徑的石英砂，模型中含水層的水動力條件主要由進(jìn)水口和出水管水頭差及閥門開閉程度來控制，含水層主體需要選用導(dǎo)水性較好的介質(zhì)，因此，本次試驗采用40目粒徑的石英砂；所述包氣帶模擬介質(zhì)為研究區(qū)采集的原巖土樣，更為符合對研究區(qū)實際情況。

作為優(yōu)選的，測定的污染因子包括：有機物綜合指標(biāo)cod、無機物cl^-、no3^-、nh3^-n、so4^2-、pb、cr⁶⁺以及zn濃度。

作為優(yōu)選的，其中的cl^-為指示劑保守離子。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果：

1、本發(fā)明中，由水力條件分析可知：本發(fā)明提供的物理模型系統(tǒng)中補給源包括含水層滲流補給控制箱側(cè)向補給的滲流補給系統(tǒng)供水以及通過滲濾液儲槽補給的淋濾系統(tǒng)垂向供給的淋濾液，補給源模擬更符合實際環(huán)境；

2、本發(fā)明將包氣帶及含水層視為整體，充分考慮包氣帶含水率及介質(zhì)內(nèi)溶質(zhì)梯度變化，構(gòu)建了一種三維滲濾液淋濾-蒸餾水反淋洗新型物理模型，解決了現(xiàn)有一維淋濾柱試驗忽略了污染物下滲過程中包氣帶含水率及溶質(zhì)梯度變化對模型試驗的影響的問題；

3、本發(fā)明定量闡明包氣帶對污染物截留，通過不同厚度、體積的包氣帶介質(zhì)的工況設(shè)定，定量分析了研究區(qū)包氣帶介質(zhì)單位體積對污染物的截留量，試驗結(jié)果更為精準(zhǔn)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明提供的試驗系統(tǒng)的示意簡圖；

圖2是試驗主箱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是配水蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是10cm厚包氣帶模擬系統(tǒng)出水污染物濃度的時間跡線圖；

圖5是20cm厚包氣帶模擬系統(tǒng)出水污染物濃度的時間跡線圖；

圖6是30cm厚包氣帶模擬系統(tǒng)出水污染物濃度的時間跡線圖；

圖7是10cm厚包氣帶反淋洗試驗濃度跡線圖；

圖8是20cm厚包氣帶反淋洗試驗濃度跡線圖；

圖9是30cm厚包氣帶反淋洗試驗濃度跡線圖；

圖中標(biāo)號分別為：1、試驗主箱；11、配水蓋；111、配水管；112、配水孔；12、箱體；13、補給口；14、下出水管；15、中出水管；16、上出水管；17、模擬含水層；18、模擬包氣帶；2、含水層滲流補給控制箱；21、進(jìn)水管；22、溢流管；23、補給管；3、滲濾液儲槽；4、水泵；5、出水混合槽。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。

實施例1

如圖1-圖2，一種污染物在包氣帶中的截留釋放試驗三維模擬系統(tǒng)，包括試驗主箱1、含水層滲流補給控制系統(tǒng)、包氣帶配水淋濾系統(tǒng)以及出水收集監(jiān)測系統(tǒng)，所述試驗主箱1由箱體12以及覆蓋于箱體12上的配水蓋11組成，該試驗主箱1可分層承載不同模擬介質(zhì)，所述箱體12的一側(cè)側(cè)壁下方沿水平方向均布多個補給口13，所述補給口13對側(cè)的箱體12側(cè)壁上沿豎直方向均布多個出水管；所述含水層滲流補給控制系統(tǒng)包括含水層滲流補給控制箱2，所述含水層滲流補給控制箱2的上方設(shè)有進(jìn)水管21，含水層滲流補給控制箱2的側(cè)壁相應(yīng)位置上設(shè)有溢流管22，含水層滲流補給控制箱2的下方設(shè)有補給管23，所述補給管23與補給口13相連，且補給管23上設(shè)有水閥，提供側(cè)向滲流的水動力來源；所述包氣帶配水淋濾系統(tǒng)包括依次相連的滲濾液儲槽3、水泵4以及配水管111，所述配水管111與配水蓋11相連,提供縱向水(溶劑)動力來源；所述出水收集監(jiān)測系統(tǒng)與箱體12側(cè)壁上的出水管相連，所述出水管上設(shè)有水閥。

所述試驗主箱1的規(guī)格為80cm×40cm×70cm、材質(zhì)為1.5cm厚的透明有機玻璃,采用透明有機玻璃制作試驗主箱便于對含水層滲流補給過程及滲濾液淋濾的觀察。

所述出水管包括從下到上的下出水管14、中出水管15以及上出水管16三個出水管，所述下出水管14、中出水管15以及上出水管16分別距離箱底5cm、20cm、30cm。

所述配水管111與水泵4設(shè)有六組，所述配水管111為外徑6mm、內(nèi)徑4mm的空壓管，所述空壓管延伸至試驗主箱1內(nèi)的部分等距間隔設(shè)有直徑為1mm的配水孔；所述水泵4為蠕動泵。

所述出水收集監(jiān)測系統(tǒng)為出水混合槽5。

在本實施例中提供的一種污染物在包氣帶中的截留釋放試驗三維模擬系統(tǒng)進(jìn)行垃圾滲濾液污染物在包氣帶中的截留釋放試驗，包括垃圾滲濾液淋濾及蒸餾水反淋洗兩個過程，因此，試驗主要分兩部分完成，分別為滲濾液淋濾試驗及待試驗平衡后蒸餾水反淋洗試驗，具體為：

(1)滲濾液淋濾試驗

1)流場調(diào)試

在試驗箱體內(nèi)填入含水層模擬介質(zhì)，其中的含水層模擬介質(zhì)由下至上依次為：底部襯層、模擬含水層介質(zhì)，其中所述含水層模擬介質(zhì)中的底部襯層采用粒徑2～3cm礫石裝填而成，所述模擬含水層介質(zhì)為40目粒徑的石英砂，模型中含水層的水動力條件主要由進(jìn)水口和出水管水頭差及閥門開閉程度來控制，含水層主體需要選用導(dǎo)水性較好的介質(zhì)，因此，本次試驗采用40目粒徑的石英砂；

進(jìn)行地下水流場水平滲流的調(diào)試，模擬水力梯度為0.02條件下的地下水滲流場情況，且保證水頭自由高度接近但低于石英砂模擬的含水層介質(zhì)頂面。

2)包氣帶模擬介質(zhì)測試及裝填

分別填入10cm、20cm及30cm厚包氣帶介質(zhì)，所述包氣帶介質(zhì)為某研究區(qū)采集的原巖土樣，更為符合對研究區(qū)實際情況；并對包氣帶介質(zhì)進(jìn)行抽樣，進(jìn)行孔隙度、粒徑、級配篩分及骨架密度等基本參數(shù)進(jìn)行測定，測定參數(shù)如表1所示。

表1試驗工況設(shè)計及基本參數(shù)

3)垃圾滲濾液污染源測定

測定滲濾液各污染因子濃度，測定因子包括：有機物綜合指標(biāo)cod；無機物cl^-，no3^-，nh3^-n，so4^2-；及重金屬離子pb，cr⁶⁺，及zn，測定濃度見表2。

流場調(diào)試及滲濾液污染因子濃度測定完畢后，使用6臺蠕動泵抽取滲濾液淋濾于包氣帶頂面；同時記錄出水水質(zhì)及時間，待指示劑保守離子cl^-在出水水質(zhì)中達(dá)到穩(wěn)定后，則視為包氣帶對污染物截留達(dá)到飽和。

表2淋濾用滲濾液水質(zhì)監(jiān)測

檢測方法備注：nh4⁺檢測方法為納氏試劑分光光度法；cod采用gz-wxj-ⅲ微波閉式消解儀+滴定法進(jìn)行測定；cl^-、no3^-、so4^2-采用uv2600分光光度計測定，pb、cr⁶⁺及zn采用z-5000火焰原子吸收儀測定，ph采用phs-3cph計測定。

(2)蒸餾水反淋洗試驗

蒸餾水反淋洗試驗實際為的逆向試驗。前述試驗平衡后停止?jié)B濾液淋濾，保持試驗主箱體進(jìn)水端與出水端持續(xù)穩(wěn)定滲流，檢測出水水質(zhì)，待出水水質(zhì)基本穩(wěn)定后，將淋濾動力裝置的溶劑更換為蒸餾水進(jìn)行持續(xù)淋洗；同時記錄排水水質(zhì)變化情況及時間，待單位截留量最大的cod在出水水質(zhì)中達(dá)到穩(wěn)定后，則視為模型反淋洗達(dá)到平衡。

在垃圾滲濾液中cl^-屬于保守型離子，使其濃度發(fā)生變化的唯一機制為稀釋作用^[50]。因此，本次試驗將cl^-作為模型平衡及后續(xù)相關(guān)計算公式推導(dǎo)的指示劑。

由水力條件分析，物理模型系統(tǒng)中補給源包括滲流補給系統(tǒng)供水，即模擬含水層側(cè)向補給；淋濾系統(tǒng)供給的淋濾液，即模擬含水層垂向補給。而排泄方式僅為出水系統(tǒng)排水。因此可假設(shè)當(dāng)出水中cl^-的濃度接近于淋濾滲濾液中cl^-總質(zhì)量與出水總體積的比值時，系統(tǒng)達(dá)到平衡。根據(jù)各水量統(tǒng)計，三組試驗的出水量與滲濾淋濾液淋濾量比值分別為5.25～7.11。因此根據(jù)滲濾液中cl^-濃度，估算3組試驗的理論平衡濃度分別為：2266.77、2094.19及2183.56mg/l，由于孔隙介質(zhì)的非均質(zhì)性、進(jìn)水、出水系統(tǒng)不能完全的均勻布水等因素，cl^-實際檢測值分別為2238.24、2027.48及2142.89mg/l，兩者間僅存在1％～3％差異(表3，可視為模擬系統(tǒng)平衡。

表3模擬系統(tǒng)平衡指標(biāo)統(tǒng)計

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，試驗初期系統(tǒng)出水水質(zhì)并無變化，一定時間間隔后，出水濃度持續(xù)升高，最后出水水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定，濃度不再升高?，F(xiàn)從包氣帶滲流、溶質(zhì)平衡以及各類污染物截留特征及機理三個方面對試驗過程進(jìn)行分析：

(1)模擬系統(tǒng)包氣帶滲流平衡分析

根據(jù)圖4-6所示的模擬系統(tǒng)出水污染物濃度的時間跡線，由包氣帶水力學(xué)的角度將包氣帶淋濾試驗可分為2個階段：

第一階段為包氣帶下滲通道的形成。包氣帶與飽和帶的區(qū)別在于，包氣帶孔隙介質(zhì)為三相共存狀態(tài)，即假設(shè)包氣帶中的氣壓等于大氣壓時，包氣帶的含水孔隙則呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)。此時的負(fù)壓與水-固兩相附著力及孔隙水本身的粘聚力有關(guān)，是介質(zhì)含水率及粘滯系數(shù)的函數(shù)。當(dāng)滲濾液持續(xù)淋濾，包氣帶中的含水率不斷增大時負(fù)壓減小，包氣帶介質(zhì)中的優(yōu)勢孔隙通道會首先達(dá)到飽和并表現(xiàn)出相近于飽和帶的水力特征，溝通淋濾滲濾液與地下水含水層之間的通道。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每組試驗都存在包氣帶的穿透時間，即滲濾液進(jìn)入含水層的初始時間，它顯然與包氣帶厚度呈正相關(guān)，但由于包氣帶介質(zhì)與試驗?zāi)＞邆?cè)壁之間可能存在連通較好的優(yōu)勢通道，此次不適宜對包氣帶厚度與穿透時間兩者關(guān)系進(jìn)行定量分析。

第二階段為包氣帶通道擴張及截留飽和階段。淋濾的持續(xù)進(jìn)行，包氣帶介質(zhì)的含水率持續(xù)增加，逐步形成更多的下滲通道，當(dāng)含水率增加到一定程度，下滲通道維持的下滲量與淋濾量相等時，包氣帶含水率不再增加，包氣帶達(dá)到滲流平衡。包氣帶含水率增加下滲量增大的過程，也可視為包氣帶滲透性隨含水率增加的過程。

(2)模擬系統(tǒng)的溶質(zhì)平衡分析

包氣帶對污染物的截留隨滲流變化表現(xiàn)不同特征，淋濾初期滲濾液滲入包氣帶，由于介質(zhì)及水力條件發(fā)生的改變，大分子有機物、懸浮物被機械阻隔或被吸附。但介質(zhì)的吸附作用與介質(zhì)本身屬性，如介質(zhì)粒徑、比表面積等有關(guān)，介質(zhì)中存在飽和吸附容量。吸附的同時是伴隨化學(xué)、生物作用，當(dāng)吸附容量達(dá)到飽和后，包氣帶對污染物質(zhì)的截留衰減則主要依靠化學(xué)及生物的轉(zhuǎn)化分解作用。當(dāng)淋濾滲濾液所產(chǎn)生的污染源強遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于包氣帶中的衰減負(fù)荷時，出水水質(zhì)將主要與模擬系統(tǒng)的側(cè)向補給稀釋有關(guān)，此時視為包氣帶的溶質(zhì)平衡。

(3)各類污染物截留特征及機理分析

通過滲流場及溶質(zhì)平衡分析，滲濾液淋濾試驗中根據(jù)物質(zhì)守恒定律，可將滲濾液下滲后的污染物分為3個部分，分別包含于系統(tǒng)出水，含水層靜態(tài)儲量及包氣帶截留之中，如式1。

v滲c滲＝v出c平+v含c平+m(式1)

式中：v滲—滲濾液淋濾量(l)；c滲—滲濾液污染因子濃度(mg/l)；v出—模擬系統(tǒng)總出水量(l)；c平—平衡時污染因子濃度(mg/l)；v含—平衡狀態(tài)時含水層中靜態(tài)儲量(l)；m—包氣帶截留量(mg)。

根據(jù)3組試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在監(jiān)測因子中包氣帶對nh3^-n、cod、cl^-的截留作用明顯；而no3^-及so4^2-的總量是增加的；而對pb、cr⁶⁺、zn等重金屬截留規(guī)律則不明顯(如表4-6)。

表410cm厚包氣帶對滲濾液污染物截留量統(tǒng)計

表520cm厚包氣帶對滲濾液污染物截留量統(tǒng)計

表630cm厚包氣帶對滲濾液污染物截留量統(tǒng)計

1)cod及無機污染物的截留特征分析

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，cod截留總量達(dá)到66066.14～348449.06mg，單位截留量983.13～1728.42mg/kg；nh3^-n在10～30cm包氣帶中截留總量達(dá)到5858.86～18673.54mg，單位截留量87.19～115.88mg/kg；cl^-截留總量16420.68～92821.31mg，單位截留量244.36～460.42mg/kg。而與之截然相反的是，no3^-及so4^2-的總量是升高的，在3組試驗中，no3^-上升總量達(dá)到23945.73～79713.67mg，so4^2-上升總量達(dá)到10269.39～31760.47mg。

滲濾液的淋濾過程是由蠕動泵抽取后并經(jīng)多孔配水管噴淋至包氣帶頂端，滲濾液噴淋過程與空氣有充分的接觸；同時本次的試驗設(shè)置包氣帶厚度為10～30cm，包氣帶的孔隙中含o2豐沛，屬于好氧環(huán)境。因此，淋濾過程滲濾液應(yīng)發(fā)生以消耗o2為主的氧化還原反應(yīng)及好氧微生物對有機質(zhì)的消耗。主要生物、化學(xué)反應(yīng)為：

ch2o+o2—co2+h2o

2no2^-+2o2—2no3^-

nh4⁺+2o2—no3^-+2h⁺+h2o

s^2-+2o2—2so4^2-

根據(jù)文獻(xiàn)資料，上述的生物、化學(xué)反應(yīng)的自由能-825～-46kj/mol，均屬自發(fā)反應(yīng)，成為nh3^-n、cod含量的減少，no3^-及so4^2-含量增加的重要控制因素。

2)重金屬污染物截留特征分析

重金屬離子的截留機理主要為離子的交換及沉淀物質(zhì)的產(chǎn)生，由于本次試驗使用的滲濾液本身重金屬含量較低，試驗過程中并未顯示出其截留規(guī)律。

3)cl^-的參照特征分析

在截留污染因子中值得注意的是，保守離子cl^-也呈現(xiàn)出可觀的截留量，3組試驗中截留總量達(dá)到16420.68～92821.31mg，換算為單位截留量244.36～460.42mg/kg。cl^-屬于保守型離子，稀釋作用是使其濃度發(fā)生變化的唯一機制。根據(jù)包氣帶滲流平衡分析，淋濾試驗過程中cl^-的截留可視為淋濾試驗初期，淋濾液增加包氣帶含水率構(gòu)建下滲通道時的“損失”。鑒于此，淋濾液這部分的“損失”物質(zhì)中不僅僅包括cl^-，也應(yīng)該包括cod、nh3^-n。因此，上述僅用物質(zhì)守恒估算的cod、nh3^-n截留量并非完全由吸附、生物及化學(xué)轉(zhuǎn)化等作用而產(chǎn)生，另有部分為淋濾液增加包氣帶含水率構(gòu)建下滲通道時的損失量，且此部分污染物質(zhì)仍具有較好的遷移性。

液體在介質(zhì)中的流動猶如電流在導(dǎo)體中的傳導(dǎo)，都傾向于阻力較小的通道。基于此特性，在滲濾液淋濾試驗達(dá)到平衡后，更換淋濾溶劑為蒸餾水后，假設(shè)流體仍會以淋濾試驗所形成的導(dǎo)水通道下滲，而將構(gòu)建下滲通道的滲濾液逐步被置換成蒸餾水，且整個過程中吸附飽和量恒定，同時仍然伴隨著生物、化學(xué)作用對污染溶質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

根據(jù)蒸餾水反淋洗試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，填充于包氣帶的非飽和介質(zhì)孔隙中未發(fā)生物理、化學(xué)及生物等相關(guān)反應(yīng)的污染物質(zhì)仍具有良好的遷移性，在更換淋濾溶劑后，該部分污染物質(zhì)又會遷移釋放進(jìn)入地下水系統(tǒng)，將該部分物質(zhì)定義為包氣帶的“動態(tài)截留量”，是污染場地包氣帶對地下水環(huán)境“二次污染”的主要來源。通過包氣帶的吸附固定及生物、化學(xué)作用將污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化或分解不再釋放于含水層中的部分，則可定義為“穩(wěn)定截留量”，該部分是包氣帶截污性能的主要體現(xiàn)。根據(jù)反淋洗試驗濃度跡線(圖7-9)，反淋洗試驗過程中監(jiān)測因子nh3^-n、cod及cl^-在出水中，濃度逐步上升，至峰值后濃度逐步衰減，基本呈單波峰曲線。

根據(jù)淋濾-反淋洗試驗過程及數(shù)據(jù)分析，將包氣帶淋濾試驗中所獲得的總截留量(m)分為3個部分，①增加包氣帶含水率構(gòu)建下滲通道而產(chǎn)生的“損失”(m1)；②穩(wěn)定吸附容量(m2)，假設(shè)在蒸餾水反淋洗過程中是恒定量；③通過化學(xué)、生物作用轉(zhuǎn)化或分解的部分(m3)，如式2：

m＝m1+m2+m3(式2)

(1)“動態(tài)”及“穩(wěn)定”截留容量的估算思路

根據(jù)反淋洗試驗，保守離子cl^-在反淋洗試驗中釋放量達(dá)到淋濾試驗截留量的0.97～0.98，基本說明cl^-在整個試驗過程中并未發(fā)生轉(zhuǎn)化及衰減，即cl^-的總截留量基本為“動態(tài)截留量”。而根據(jù)cod、nh3^-n的截留量及反淋洗釋放量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，釋放量與總截留量之間存在明顯的差值，即在滲濾液淋濾試驗中截留于包氣帶中的cod、nh3^-n并未完全釋放，總截留量包括動態(tài)與穩(wěn)定截留兩部分。根據(jù)相關(guān)研究及包氣帶介質(zhì)性質(zhì)，穩(wěn)定截留部分包括包氣帶介質(zhì)對cod、nh3^-n的吸附量；同時在o2充裕的介質(zhì)環(huán)境中，cod穩(wěn)定截留量仍包括生物、化學(xué)的轉(zhuǎn)化量，nh4⁺穩(wěn)定截留量中仍包括硝化反應(yīng)的消耗。

每組模型試驗中，包氣帶介質(zhì)體積、質(zhì)量及孔隙度等物理屬性確定的條件下，同時假設(shè)在試驗過程包氣帶介質(zhì)對cod、nh3^-n的吸附飽和量恒定，即在使用蒸餾水反淋洗過程中也未發(fā)生變化。因此，溶質(zhì)在反淋洗過程中的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化量在數(shù)值上與淋濾試驗終結(jié)至反淋洗試驗終結(jié)時段內(nèi)動態(tài)截留的差值相等，可表示為式3：

△m3＝m1-t1-m1-t2(式3)

式中：t1—滲濾液淋濾試驗結(jié)束時間；t2—蒸餾水淋洗試驗結(jié)束時間；△m3—t2至t1時間間隔內(nèi)的溶質(zhì)轉(zhuǎn)化量(mg)；m1-t1、m1-t2—分別為t1、t2時刻動態(tài)截留量(mg)。

式3中m1-t2可由反淋洗試驗中獲得數(shù)據(jù)。而t1時刻使包氣帶含水率增加的溶劑為淋濾滲濾液，此時cl^-、cod及nh3^-n的動態(tài)截留量與淋濾滲濾液濃度呈正比，m1-t1則可通過以cl^-為指示劑進(jìn)行計算(式4)。

根據(jù)反淋洗試驗的耗時，估算△m3的單位時間轉(zhuǎn)化率vc：

式中：ccl、ccod、cnh3-n—試驗淋濾用滲濾液各因子濃度(mg/l)；m1-t1-cl、m1-t1-cod、m1-t1-nh3-n—t1時刻各因子的動態(tài)截留量(mg/l)；vc—轉(zhuǎn)化速率。

因淋濾-反淋洗試驗環(huán)境相似，僅改變淋濾溶劑，則可根據(jù)vc估算穩(wěn)定吸附量，如式6：

m2＝m-m1-t1-vc·t1(式6)

值得注意的是，此時假設(shè)兩段試驗的轉(zhuǎn)化速率相當(dāng)，是由于試驗環(huán)境相似，且本次研究反淋洗試驗是淋濾試驗段的逆向試驗，而若將此反應(yīng)速率進(jìn)行普遍性的應(yīng)用仍有待商榷，且需進(jìn)行更為深入的試驗研究。

(2)計算結(jié)果分析

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果(表7)，nh3^-n的轉(zhuǎn)化率為0.0010～0.0067mg/kg·h，表明試驗過程中nh3^-n的硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低；no2^-、nh3^-n自發(fā)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為no3^-的自由能分別為-149、-64kj/mol，自發(fā)反應(yīng)的趨勢亦說明在滲濾液淋濾試驗中no3^-的增加優(yōu)先貢獻(xiàn)值基本來源于no2^-的氧化。因此，本次試驗中nh3^-n在包氣帶中的穩(wěn)定截留主要機理為吸附作用，吸附強度為28.93～39.08mg/kg。

表7穩(wěn)定轉(zhuǎn)化量計算成果

cod的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化率為6.872～8.2084mg/kg·h，單位吸附強度為100.17～199.06mg/kg。cod在包氣帶的截留及衰減是介質(zhì)的吸附及生物、化學(xué)轉(zhuǎn)化的共同作用。

實施例2

如圖3所示，在實施例1所述的一種污染物在包氣帶中的截留釋放試驗三維模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，所述配水蓋11內(nèi)部中空，所述配水管111延伸至配水蓋11內(nèi)部空腔，配水蓋11的底部設(shè)有連通配水蓋11內(nèi)部空腔的配水孔112，本實施例配水均勻，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)。

如上所述即為本發(fā)明的實施例。本發(fā)明不局限于上述實施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下做出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。