CN104568677A - 一种室内重金属污染物的淋滤试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境岩土和环境工程领域，尤其涉及一种重金属污染物的淋滤试验装置和方法。本发明提供一种测试重金属元素释放迁移的淋滤试验装置，所述实验装置可以对各个分层岩土体的物理状况和重金属向地下水释放迁移进行监测，对各分层岩土体和淋滤液进行实时采样检测，所述试验装置可以模拟重金属元素在岩土体各个层位的淋滤、迁移和转化过程。本发明还提供一种进行测试重金属元素释放迁移的淋滤试验的方法，包括：填充淋滤柱，通过设置压力表、吸力渗漏计、流量表和取样时间间隔来测试得到的不同时段、不同层位、不同流量的固体样品和淋滤液体样品的重金属元素浓度。本方法可有效模拟重金属元素在淋滤作用下得到位于不同淋滤柱层位的浓度参数。

Description

一种室内重金属污染物的淋滤试验装置和方法

技术领域

本发明属于环境岩土和环境工程领域，尤其涉及一种重金属污染物的淋滤试验装置和方法。

背景技术

我国含有重金属元素的岩土体分布广泛，特别是黑色岩层中含有金属元素而形成金属矿体，但开采后形成的尾矿或岩体风化作用过程中易形成酸性矿山水，从而产生水岩化学作用而释放出大量有毒有害的重金属元素，并逐步扩散至水环境中而污染周围土壤环境。酸性水的pH值通常较低，严重时可低至2～3，易对岩土体产生腐蚀酸化，而使岩土体加速释放出重金属元素，如铅、砷、镉、铜等。在雨水淋滤的水岩化学作用过程中，如何监测被淋滤作用岩土体的物理状况，如何准确简便的获取岩土体中重金属元素转化、迁移至水环境中的评价非常关键。

目前，对重金属元素污染环境的方法主要是现场对岩土体和被污染水体进行取样进行研究，但该方法耗时周期长、不便进行大量实验，因此，对研究富含重金属元素岩土体(如：黑色岩层)或金属矿山的重金属元素释放、迁移、转化的室内模拟试验已成为环境岩土方面的重要课题，对重金属淋滤作用下的水岩化学作用的室内试验方法也显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试重金属元素释放迁移的淋滤试验装置，所述实验装置可以对各个分层岩土体的物理状况和重金属向地下水释放迁移进行监测，对各分层岩土体和淋滤液进行实时采样检测，所述试验装置可以模拟重金属元素在岩土体各个层位的淋滤、迁移和转化过程。

一种测试重金属元素释放迁移的淋滤试验装置，包括：支架，淋滤柱,带有刻度的第一淋滤收集瓶，第二淋滤收集瓶，真空泵，保险瓶，所述淋滤柱置于支架上，所述淋滤柱下端放置带有刻度的第二淋滤收集瓶，所述淋滤柱侧面上设置有吸力渗漏仪，所述吸收渗漏仪通过第一导液管与第一淋滤收集瓶相连，所述带有刻度的第一淋滤收集瓶与真空泵之间设置保险瓶，带有刻度的第一淋滤收集瓶、真空泵和保险瓶通过第一导液管相连，

其特征在于：还包括通过支架垂直悬置于淋滤柱上的针孔式喷头，第二导液管，淋滤柱下部连接的漏斗状的缩口和淋滤柱侧面设置的侧向取样口、张力计、导线孔，水分传感器，电缆，数据采集系统仪，电脑，所述针孔式喷头进水口通过第二导液管依次与压力表、流量计和液泵输出端相连，所述第二导液管一端与液泵的输入端相连，所述第二导液管另一端伸入储水箱，所述缩口与淋滤柱之间设置第二过滤层，所述缩口与淋滤柱连接处设置有法兰盘，所述缩口、淋滤柱和法兰盘用螺母和硅胶密闭垫圈进行密闭，所述水分传感器的探针通过设置于淋滤柱侧面的导线孔埋设于淋滤柱内，所述张力计的探针通过设置于淋滤柱侧面的导线孔埋设于淋滤柱内，所述张力计和水分传感器采集得到的信号通过电缆传递至所述数据采集系统仪，所述数据采集系统仪与电脑相连，所述淋滤柱和缩口采用有机玻璃制成，所述带有刻度的第二淋滤收集瓶置于电子天平上，所述带有刻度的第二淋滤收集瓶位于缩口出水口下方。

进一步地，所述淋滤柱顶放置第一过滤层，所述第一过滤层由尼龙筛网和第一多孔板自上而下构成，所述第一过滤层位于针孔式喷头正下方。

进一步地，所述第二导液管伸入储水箱的一端接有过滤网，所述第二导液管伸入储水箱的一端静置于水箱内水面下。

进一步地，所述吸力渗漏仪、侧向取样口、张力计和水分传感器的间距为20CM。

进一步地，所述过第二滤层由尼龙筛网，石英砂,尼龙筛网和第二多孔板由上而下依次构成。

进一步地，所述淋滤柱高度≥105CM，所述淋滤柱柱体内径≥12.5CM，所述第二多孔板孔径为R，0.2CM≤R≤0.5CM。

本发明还公开一种利用上述装置进行测试重金属元素释放迁移的淋滤试验的方法，包括如下步骤：

S1、用样品填充淋滤柱，设置吸力渗透仪，分层埋设张力计和水分传感器于淋滤柱的样品中；

S2、设置压力表的压力值和流量计的流量值，具体如下：将去离子水或配置好的不同pH值的H₂SO₄型酸性水溶液置于储水箱中，通过流量计和压力表分别控制进入淋滤柱的水分流量值和压力值，让水分充分的透过整个淋滤柱

S3、设置固体样品和淋滤液体样品的取样时间间隔，打开真空泵，利用真空泵原理在吸力渗漏仪处逐步获取不同层位的淋滤液样品，并利用数据采集系统仪采集张力计和水分传感器处的样品物理状态数据，同时在侧向取样口处获取固体样品；

S4、测试得到的不同时段、不同层位、不同流量的固体样品和淋滤液体样品的重金属元素浓度；

S5、根据S4得到的数据，评价重金属在淋滤柱不同层位的迁移、沉淀效应和向水环境中释放、转化的能力。

进一步地，S1所述样品为研磨至20目的含重金属尾矿的大块岩石样品，或岩石风化土壤剖面。

进一步地，所述岩石风化土壤剖面依次放入淋滤柱中。

本发明的有益效果是：

本发明在淋滤柱正上方的针孔式喷头和淋滤柱顶端设置的过滤层，可使水分喷洒和分散更均匀，且有效的保护淋滤柱顶端土体不被冲蚀；淋滤柱下部设置过滤层，主要是保证淋滤柱底部不积水，承载淋滤柱内部岩土体重量，且具有减少淋滤液中含有杂质的作用。

本发明喷头进水口处设置流量计和压力表，有效的控制了水分进入淋滤柱的流量和有效雨强，可模拟不同流量和雨强条件下的淋滤试验。

本发明淋滤柱侧面设置侧向取样口、吸力渗漏仪，可有效实现对各层岩土体和淋滤液实时进行取样检测；张力计、水分传感器可实时监测各分层岩土体的物理状况，因此，可研究重金属元素在各层位岩土体的迁移、转化规律。

本发明方法可以有效的针对不同流量水分进行的淋滤试验，可有效模拟重金属元素在淋滤作用下得到位于不同淋滤柱层位的浓度参数，同时可对不同层位岩土体的淋滤液进行测试，获取重金属在不同层位向水环境转化和释放的参数，进而达到直接评价重金属元素在金属尾矿或风化土壤剖面的迁移、沉淀和向水体释放、转化的能力。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图

图2为本发明所述装置的A-A剖面图

图3为本发明所述装置的淋滤柱与缩口相接局部放大的结构示意图。

图4为本发明方法流程图。

图中标号为：1-储水箱，2-液泵，3-流量计，4-压力表，5-第一导液管，6-针孔式喷头，7-淋滤柱，8-缩口，9-吸力渗漏仪，10-侧向取样口，11-第一淋滤液收集瓶，12-真空泵，13-支架，14-电子天平，15-电缆，16-张力计，17-水分传感器，18-数据采集系统仪，19-电脑，20-尼龙筛网，21-第一多孔板，22-石英砂，23-硅胶密闭垫圈，24-法兰盘,25-第二导液管,26-保险瓶,27-第二淋滤收集瓶,28-第二多孔板。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示,

一种测试重金属元素释放迁移的淋滤试验装置，包括：支架13，淋滤柱(7),带有刻度的第一淋滤收集瓶11,第二淋滤收集瓶27,真空泵12,保险瓶26所述淋滤柱7置于支架13上，所述淋滤柱7下端放置带有刻度的第二淋滤收集瓶27，所述淋滤柱7侧面上设置有吸力渗漏仪9，所述淋滤柱7高度≥105CM，所述淋滤柱7柱体内径≥12.5CM，所述吸收渗漏仪9通过第一导液管5与第一淋滤收集瓶11相连，所述带有刻度的第一淋滤收集瓶11与真空泵12之间设置保险瓶26，带有刻度的第一淋滤收集瓶11、真空泵12和保险瓶26通过第一导液管5相连，还包括通过支架13垂直悬置于淋滤柱7上的针孔式喷头6，第二导液管25，淋滤柱7下部连接的漏斗状的缩口8和淋滤柱7侧面设置的侧向取样口10、张力计16、导线孔，水分传感器17，电缆15，数据采集系统仪18，电脑19，所述淋滤柱7顶放置第一过滤层，所述第一过滤层由40目尼龙筛网20和多孔板21自上而下构成，所述第一过滤层位于针孔式喷头6正下方,所述针孔式喷头6进水口通过第二导液管25依次与压力表4、流量计3和液泵2输出端相连，所述吸力渗漏仪9、侧向取样口10、张力计16和水分传感器17的间距为20CM,所述第二导液管25一端与液泵2的输入端相连，所述第二导液管25另一端伸入储水箱1，所述第二导液管25伸入储水箱1的一端接有过滤网，所述第二导液管25伸入储水箱1的一端静置于水箱内水面下,所述缩口8与淋滤柱7之间设置第二过滤层，所述过第二滤层由40目尼龙筛网20，石英砂22,40目尼龙筛网20和第二多孔板28由上而下依次构成,所述第二多孔板28孔径为R，0.2CM≤R≤0.5CM,所述缩口8与淋滤柱7连接处设置有法兰盘24，所述缩口8、淋滤柱7和法兰盘24用螺母和硅胶密闭垫圈23进行密闭，所述水分传感器17的探针通过设置于淋滤柱7侧面的导线孔埋设于淋滤柱7内，所述张力计16的探针通过设置于淋滤柱7侧面的导线孔埋设于淋滤柱7内，所述张力计16和水分传感器17采集得到的信号通过电缆15传递至所述数据采集系统仪18，所述数据采集系统仪18与电脑19相连，所述淋滤柱7和缩口8采用有机玻璃制成,所述带有刻度的第一淋滤收集瓶11和带有刻度的第二淋滤收集瓶27使用广口瓶式的瓶塞密闭,所述带有刻度的第二淋滤收集瓶27置于电子天平14上，所述带有刻度的第二淋滤收集瓶27位于缩口8出水口下方,所述张力计16和水分传感器17的探针通过的导线孔采用耐酸或者耐碱性玻璃胶密闭,所述侧向取样口10采用螺纹式密闭封口，所述吸收渗漏仪9采用螺纹式密闭封口。

作为优选，第一导液管5和第二导液管25选用硅胶管。

作为优选，液泵2选用蠕动泵。

作为优选，所述侧向取样口10采用螺纹式密闭封口，所述吸力渗漏仪9采用螺纹式密闭封口。

作为优选，所述带有刻度的第一淋滤收集瓶11和带有刻度的第二淋滤收集瓶27使用广口瓶式的瓶塞密闭。

作为优选，所述张力计16和水分传感器17的探针通过的导线孔采用耐酸或者耐碱性玻璃胶密闭。

本发明所述淋滤试验装置通过以下步骤进行组装：

如图3所示，缩口8顶端铺设第二多孔板28和硅胶密闭垫圈23后，将缩口8和淋滤柱7的法兰盘24相对应，采用螺母连接，如图1所示，将连接完成后的淋滤柱7和缩口8安装于由不锈钢水管制成的支架13上。

淋滤柱7底部由上而下依次铺设40目尼龙筛网20，石英砂22,40目尼龙筛网20和第二多孔板28。根据野外调查岩土体剖面，将大块的岩体进行粉碎至1cm以下，按顺序将不同剖面的岩土体根据所画标记线装入淋滤柱7中，按照淋滤柱7各侧面所设计的取样口和导线孔的间距20cm，当每装填20cm高度的样品时，在岩土层对应的淋滤柱侧面孔处埋设吸力渗漏计9、张力计16、水分传感器17，当岩土体装至淋滤柱7顶端时依次安装第一多孔板21和40目尼龙筛网20。

如图1所示，运用螺纹铆接将支架13加高至针孔式喷头6顶端处，将针孔式喷头6捆扎于支架13上，运用第二导液管(25)与储水箱1、蠕动泵2、流量计3和压力表4依次连接，同时在第二导液管(25)伸入储水箱1的一端设置过滤网。

参照图1和图2所示，第二淋滤液收集瓶27置于缩口8的出水口处，第一淋滤液收集瓶11与第一导液管5与吸力渗漏计9、保险瓶26、真空泵12相连；张力计16和水分传感器17采用电缆15与数据采集系统仪18、电脑19相连接。

试验时，将去离子水盛入储水箱1中，开启蠕动泵，设置不同水流量、压力组合条件，利用针孔式喷头6喷洒于淋滤柱7顶端的40目尼龙筛网20上，并透过多孔板21逐步分流至各层岩土层样品中。分别在设计的不同时段对各层岩土体样品进行取样、利用电脑控制数据采集系统采集各层岩土体的物理状况数据和利用真空泵采集各层岩土体的淋滤液，对采集了淋滤液的淋滤液收集瓶置于电子天平上进行称量，计算淋滤液密度。对于不同时段采集的各层岩土体样品，室温风干过后过200目粉碎进行重金属元素测试，同时对不同时段采集的淋滤液进行检测，通过数据分析与各个时段岩土体样品和水环境中重金属含量进行对比分析，查明重金属元素在岩土体中的淋滤、迁移和转化规律。

如图4所示：

选取某地含有黄铁矿的不同风化层剖面上的黑色页岩，剖面顶层至底层风化程度依次减小，对最底层黑色页岩研磨至20目左右，根据黑色页岩风化剖面的原始形式，将风化程度最低的样品置于淋滤柱底层，风化程度最高的样品置于淋滤柱顶层，在放置样品过程中将吸力渗漏计9置于设计间距的样品层中，样品放置于淋滤柱之后，利用去离子水使淋滤柱的样品充分饱和。

试验条件：溶液为去离子水，模拟中性条件，试验水压力为0.6Mpa，流量为10ml/min，每次淋滤时间设计为1h，设计淋滤液、固体样品取样时间为1d、2d、5d、10d、15d、20d、30d。

对不同时间所取得的固体样品、淋滤液样品利用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)或原子荧光法(AFS)的方法测试所取得样品的重金属元素浓度，以便得到重金属在不同风化层位黑色页岩的迁移、沉淀效应和向水环境释放、转化重金属的能力，从而得到重金属在水岩作用下的不同风化黑色页岩中的转化机理和迁移规律。作为优选，将取得的固体样品研磨至200目。

Claims (9)

1.一种室内重金属污染物的淋滤试验装置，包括：支架(13)，淋滤柱(7),带有刻度的第一淋滤收集瓶(11),第二淋滤收集瓶(27),真空泵(12),保险瓶(26)所述淋滤柱(7)置于支架(13)上，所述淋滤柱(7)下端放置带有刻度的第二淋滤收集瓶(27)，所述淋滤柱(7)侧面上设置有吸力渗漏仪(9)，所述吸收渗漏仪(9)通过第一导液管(5)与第一淋滤收集瓶(11)相连，所述带有刻度的第一淋滤收集瓶(11)与真空泵(12)之间设置保险瓶(26)，带有刻度的第一淋滤收集瓶(11)、真空泵(12)和保险瓶(26)通过第一导液管(5)相连，

其特征在于：还包括通过支架(13)垂直悬置于淋滤柱(7)上的针孔式喷头(6)，第二导液管(25)，淋滤柱(7)下部连接的漏斗状的缩口(8)和淋滤柱(7)侧面设置的侧向取样口(10)、张力计(16)、导线孔，水分传感器(17)，电缆(15)，数据采集系统仪(18)，电脑(19)，所述针孔式喷头(6)进水口通过第二导液管(25)依次与压力表(4)、流量计(3)和液泵(2)输出端相连，所述第二导液管(25)一端与液泵(2)的输入端相连，所述第二导液管(25)另一端伸入储水箱(1)，所述缩口(8)与淋滤柱(7)之间设置第二过滤层，所述缩口(8)与淋滤柱(7)连接处设置有法兰盘(24)，所述缩口(8)、淋滤柱(7)和法兰盘(24)用螺母和硅胶密闭垫圈(23)进行密闭，所述水分传感器(17)的探针通过设置于淋滤柱(7)侧面的导线孔埋设于淋滤柱(7)内，所述张力计(16)的探针通过设置于淋滤柱(7)侧面的导线孔埋设于淋滤柱(7)内，所述张力计(16)和水分传感器(17)采集得到的信号通过电缆(15)传递至所述数据采集系统仪(18)，所述数据采集系统仪(18)与电脑(19)相连，所述淋滤柱(7)和缩口(8)采用有机玻璃制成,所述带有刻度的第二淋滤收集瓶(27)置于电子天平(14)上，所述带有刻度的第二淋滤收集瓶(27)位于缩口(8)出水口下方。

2.根据权利要求1所述的一种室内重金属污染物的淋滤试验装置，其特征在于：所述淋滤柱(7)顶放置第一过滤层，所述第一过滤层由尼龙筛网(20)和第一多孔板(21)自上而下构成，所述第一过滤层位于针孔式喷头(6)正下方。

3.根据权利要求1所述的一种室内重金属污染物的淋滤试验装置，其特征在于：所述第二导液管(25)伸入储水箱(1)的一端接有过滤网，所述第二导液管(25)伸入储水箱(1)的一端静置于水箱内水面下。

4.根据权利要求1所述的一种室内重金属污染物的淋滤试验装置，其特征在于：所述吸力渗漏仪(9)、侧向取样口(10)、张力计(16)和水分传感器(17)的间距为20CM。

5.根据权利要求1所述的一种室内重金属污染物的淋滤试验装置，其特征在于：所述过第二滤层由尼龙筛网(20)，石英砂(22),尼龙筛网(20)和第二多孔板(28)由上而下依次构成。

6.根据权利要求1所述的一种室内重金属污染物的淋滤试验装置，其特征在于：所述淋滤柱(7)高度≥105CM，所述淋滤柱(7)柱体内径≥12.5CM，所述第二多孔板(28)孔径为R，0.2CM≤R≤0.5CM。

7.一种室内重金属污染物的淋滤试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、用样品填充淋滤柱(7)，设置吸力渗漏仪(9)，分层埋设张力计(16)和水分传感器(17)；

S2、设置压力表(4)的压力值和流量计(3)的流量值，具体如下：将去离子水或配置好的不同pH值的H₂SO₄型酸性水溶液置于储水箱(1)中，通过流量计(3)和压力表(4)分别控制进入淋滤柱(7)的水分流量值和压力值，让水分充分的透过整个淋滤柱(7)；

S3、设置固体样品和淋滤液体样品的取样时间间隔，打开真空泵(12)，利用真空泵(12)原理在吸力渗漏仪(9)处逐步获取不同层位的淋滤液样品，并利用数据采集系统仪(18)采集张力计(16)和水分传感器(17)处的样品物理状态数据，同时在侧向取样口(10)处获取固体样品；

S4、测试得到的不同时段、不同层位、不同流量的固体样品和淋滤液体样品的重金属元素浓度；

S5、根据S4得到的数据，评价重金属在淋滤柱不同层位的迁移、沉淀效应和向水环境中释放、转化的能力。

8.根据权利要求7所述的一种室内重金属污染物的淋滤试验方法，其特征在于：S1所述样品为研磨至20目的含重金属尾矿的大块岩石样品，或岩石风化土壤剖面。

9.根据权利要求8所述的一种室内重金属污染物的淋滤试验方法，其特征在于：所述岩石风化土壤剖面依次放入淋滤柱(7)中。