CN201425575Y - 一种用于直接测定固体废物水力参数的设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的目的是提供一种可用于直接测定固体废物水力参数的设备。为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：所述设备包括由连接结构连接，可拆分和组装的盖体(1)、侧壁(2)和底座(3)三部分组成的箱体；在箱体的内腔中底座上部架设有一多孔陶土板(9)，该多孔陶土板上设有用于装实验样品的环刀(11)；所述箱体的顶部盖体上设有通气孔(6)和压力监控装置(12)；所述箱体底座上设有出水口(10)。本实用新型的设备测定固体废物的水力参数具有操作简单、快速，结果准确、可靠的优点，从而为研究垃圾堆的水份运移特性提供一条新的途径，应用前景广阔。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于直接测定固体废物水力参数的设备。
背景技术
掌握影响垃圾水力特性的因素是研究填埋场水运移规律的基础。由于垃圾中含有50-80％可快速降解的厨余废物，随着废物的不断稳定化，在整个填埋期渗透性质变化很大。但是，目前尚无有效方法和设备可以准确测定固体废物的水力渗透性质。
间接测定水力参数的常用方法包括：水分再分布过程法，水平柱法，垂直柱水分蒸发过程法和瞬时剖面法。其中，前两种方法只有对粒径小于1-2mm的样品才适用，显然不适合成分复杂、颗粒变化大、非均质的垃圾的水力参数测定；第三种和第四种方法需要用张力计(或负压计)测量样品的基质势，但由于垃圾组成极其复杂，尤其是含有较多的塑料制品，因此使用张力计直接测定基质势必然会产生较大偏差。
同时，与土壤相比，垃圾组成复杂，结构均一性差，有机物含量高，团聚体形成几率大，其比表面积和孔隙状况与土壤存在较大差异，不能完全套用土壤的水力学参数测定方法，必须研究出适于垃圾特性的测定方法。
多步出流法(Van Dam，J.C.，Strickler，J.N.M.and Droogers，P.，FromOne-step to Multistep Determination of Soil Hydraulic Functions by OutflowExperiments，Report no.7.Department of Hydrology，Soil Physics andHydraulics，Agricultural University，Wageningen，Netherlands，1990.；J.Xiang，B.R.Scanlon，W.F.Mullican.A multistep constant head borehole test todetermine field saturated hydraulic conductivity of layered soils[J].Advancesin Water Resources，1997，20(1)：45-57.；Stefan Finsterle，Boris Faybishenko.Inverse modeling of a radial multistep outflow experiment for determiningunsaturated hydraulic properties[J].Advances in Water Resources，1999，22(5)：431-444)是随着计算机的普及而发展起来的一种数值模拟反演法，具有快速简捷、能同时得到水分特征曲线和渗透系数的优点，缺点是后续数据处理工作量大，需要事先给定描述水力参数的经验公式，如van Genuchten model(Van Genuchten M T.A closeform equation for predicting the hydraulic coaductivity of unsaturatedsoils[J].Soil Sci.Soc.Of Am J.，1980，44：892-898；O.Ippisch，H.J.Vogel，P.Bastian.Validity limits for the van Genuchten-Mualem model and implicationsfor parameter estimation and numerical simulation[J].Advances in WaterResources，2006，29：1780-1789)对公式中的参数用非线形参数估值的方法，如最小平方差为目标函数进行优化，得到的结果是公式中的优化参数，并非水力参数本身，而且只能得到近似最优解，甚至有可能是局部最优解。尽管如此，多步出流法仍不失为一种行之有效的测定手段。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种可用于直接测定固体废物水力参数的设备。
为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：所述设备由连接结构连接，可拆分和组装的盖体1、侧壁2和底座3三部分组成的箱体；在箱体的内腔中底座上部架设有一多孔陶土板9，该多孔陶土板上设有用于装实验样品的环刀11；所述箱体的顶部盖体上设有通气孔6和压力监控装置12；所述箱体底座上设有出水口10。
所述连接结构可为：在所述盖体1、侧壁2和底座3三部分侧面中的相对两侧或多侧的断面处分别向垂直于箱体外侧的方向延伸出一平面4，所述延伸平面4上设有螺丝孔，且相邻两个延伸平面上的螺丝孔位置相对，从而通过螺丝5将盖体1和侧壁2，以及侧壁2和底座3连接形成所述箱体。
所述多孔陶土板是用亲水陶土为原材料制成的，是上述设备中用于渗透的关键部分，首先，多孔陶土板内存在大量的连通孔隙，但必须满足在加压情况下透水不透气的要求，由于进气压力与孔隙半径成反比，最大连通孔隙半径必须小于最大工作压力所对应的孔隙半径，其次，所述多孔陶土板还必须有足够的耐压强度，如1cm厚的陶土板在最大工作压力100kPa时所承受的压力可为500-510kg。所述多孔陶土板优选为1BAR B01M1标准多孔陶土板，孔隙率34％，最大孔径1.7μm，饱和渗透系数7.56×10-7cm/s。
所述通气管道7通过截至阀和三通与高压气瓶15连接。
为更加准确的调节压力，所述通气孔6和高压气瓶15之间连接有压力调节器8。
所述压力监控装置12可为压力表等。
为使所述设备能够连接得更加坚固，可承受更大的压力，所述箱体的盖体1和底座3上设有加固带14，所述盖体1和底座3上的加固带14通过可加固杆13连接。
可用常规方法制备上述用于直接测定垃圾水力参数的设备，其尺寸可根据实验需要随意调整，此外，其材质的选择是多种多样的，如有机玻璃、PVC或钢板等防腐的金属材料。
本实用新型提供的设备是基于垃圾的非均相多孔介质的特性，以多步出流渗透装置为基础开发的，对其不足之处进行了改进，包括以下方面：1)本实用新型透水不透气，可在陶土板上下两侧压力差不变的条件下，保证水分有效渗透；2)取样环刀与外套装置尺寸匹配，适于原状样的水分特征曲线测定，同时也可用于扰动样的水利学特性测定；3)可利用压力梯度进行不同含水率条件下的垃圾的非饱和渗透系数测定。用本实用新型的设备测定固体废物的水力参数具有操作简单、快速，结果准确、可靠的优点，从而为研究垃圾堆的水份运移特性提供一条新的途径，应用前景广阔。
附图说明
图1为用于直接测定垃圾水力参数的设备的结构示意图
1、盖体2、侧壁3、底座4、平面5、螺丝6、通气孔7、通气管道8、压力调节器9、多孔陶土板10、出水口11、环刀12、压力监控装置(压力表)13、加固杆14、加固带(法兰盘)15、高压气瓶
具体实施方式
下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
实施例1、用于直接测定固体废物水力参数的设备
以有机玻璃为材料，用常规方法加工出如图1所示的用于直接测定固体废物水力参数的设备，该设备包括由连接结构连接，可拆分和组装的盖体1、侧壁2和底座3三部分组成的箱体；在箱体的内腔中底座上部架设有一多孔陶土板9(1BAR B01M1标准多孔陶土板，孔隙率34％，最大孔径1.7μm，饱和渗透系数7.56×10-7cm/s)，该多孔陶土板上设有用于装实验样品的无缝钢制环刀11(Φ19.4cm×15cm)，；所述箱体的顶部盖体上设有通气孔6和压力监控装置12(压力表Y-150)；所述箱体底座上设有出水口10；所述连接结构为在盖体、侧壁和底座三部分侧面中的相对两侧或多侧的断面处分别向垂直于箱体外侧的方向延伸出一平面4，所述延伸平面上设有螺丝孔，且相邻两个延伸平面上的螺丝孔位置相对，从而可通过螺丝5将盖体和侧壁，以及侧壁和底座连接形成所述箱体。
所述通气管道7插于通气孔中与箱体内部连通，所述通气管道通过精密截至阀和三通与高压气瓶15连接，所述通气孔和高压气瓶之间连接有两级压力调节器8。
此外，所述箱体的盖体和底座上设有加固带14(法兰盘)，所述加固带通过加固杆13连接。
上述设备的工作原理为：开启压力调节器向压力室加压，使样品中的水形成正压P，这种正压与自由水通过多孔陶土板接触，样品中的水慢慢流出，直到样品中水的正压逐渐被样品基质势所抵消，多孔陶土板两侧水势趋于平衡，此时所加压力的负值就等于该样品的基质势。随后进一步增大正压P，并记录流出的水随时间的变化曲线。根据流出的水量可以反算出平衡时样品中的含水率，将含水率与压力P作图，即可得到检测样品的水分特征曲线。
实施例2、用本实用新型的设备测定固体废物的水力参数
用本实用新型的设备测定固体废物的水力参数，具体方法包括以下步骤：
1)将多孔陶土板9浸入盛满无气水的容器中，静置48小时(24-48小时均可)，排挤出陶土板中的空气；
2)从垃圾取回扰动样品(共10份，编号1-10)，用常规的烘干法，即将样品放入烘箱中在105℃±2℃下烘干至恒重，测定垃圾样品的含水率，结果含水率约为56.5％；
3)根据干容重和所需样品体积求出需要的样品量为2.518Kg，称取所述重量的样品，装入上述设备内腔的环刀11中并压实，然后对装有样品的环刀称重；
4)用无气水对垃圾样品进行毛细饱和，方法为：将环刀盖上垫有粗滤纸的多孔底盖，放入底部铺有一层石子的水中，保持水面与环刀上口齐平，浸泡4-12小时后每隔2小时称重，直至恒重为止，结果共浸泡36小时(24-36小时均可)；
5)卸下所述装置的侧壁2和盖体1，堵住所述装置底部的出水口10，然后将装置底座灌满水；
6)用水润湿直径约22cm的滤纸，贴于所述多孔陶土板中心，再将贴有滤纸的一面倒扣在内有样品、底部有盖子的环刀上，应注意使环刀及其样品只接触滤纸，并要防止垃圾中的微小颗粒堵塞陶土板中的孔隙，托住环刀盖将样品、环刀和陶土板整体翻转180度，使环刀及样品处于陶土板之上，将它们放在装满水的装置底部正中之上，卸下环刀盖；
7)打开高压氮瓶向装置中充气，检验装置的气密性能，用凡士林和密封胶密封漏气的部位，直至装置处于良好的密封状态；
8)缓慢开启压力调节器，使容器内压力达到并稳定在设定值5.0-8.5kPa，维持24-96h或出流停止后，再逐渐增大调节器出口压力，进行下一个压力实验，期间记录出流量随时间的变化关系，记录的结果如表1所示(5组实验)；
表1 5组实验工况一览表
9)测定结束后关闭压力调节器，松开螺丝，卸下装置盖体，取出样品称重后在烘箱内于105℃±2℃下烘干至恒重，计算脱湿后样品的含水率，根据理论出流量和实验结束时样品的平均含水率由后向前依次反算各压力平衡时样品中的含水率，理论出流量用Michaelis-Menten公式(计算公式见文献：D.A.Barry，H.Prommer，C.T.Miller，P.Engesgaard，A.Brun and C.Zheng，Modelling the fate of oxidisableorganic contaminants in groundwater[J]Advances in WaterResources，2002，25(8-12)：945-983；Stefano F.Simoni，Anke
，HaukeHarms and Alexander J.B.Zehnder，Factors affecting mass transfer limitedbiodegradation in saturated porous media[J]Journal of ContaminantHydrology，2001，50，：99-120)计算，最后，根据含水率与基质势作图，得到固体废物的水分特征曲线。
上述检测结果表明本发明的设备可以有效地测定固体废物(如生活垃圾等)的水力性质。
本实用新型包括但不限于以上描述的实施方式。
Claims (8)
1、一种用于直接测定固体废物水力参数的设备，包括由连接结构连接，可拆分和组装的盖体(1)、侧壁(2)和底座(3)三部分组成的箱体；在箱体的内腔中底座上部架设有一多孔陶土板(9)，该多孔陶土板上设有用于装实验样品的环刀(11)；所述箱体的顶部盖体上设有通气孔(6)和压力监控装置(12)；所述箱体底座上设有出水口(10)。
2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述连接结构为：在所述盖体(1)、侧壁(2)和底座(3)三部分侧面中的相对两侧或多侧的断面处分别向垂直于箱体外侧的方向延伸出一平面(4)，所述延伸平面(4)上设有螺丝孔，且相邻两个延伸平面上的螺丝孔位置相对，从而通过螺丝(5)将盖体(1)和侧壁(2)，以及侧壁(2)和底座(3)连接形成所述箱体。
3、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述多孔陶土板(9)为1BAR B01M1标准多孔陶土板，孔隙率34％，最大孔径1.7μm，饱和渗透系数7.56×10-7cm/s。
4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述通气管道(7)通过截至阀和三通与高压气瓶(15)连接。
5、根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述通气孔(6)和高压气瓶(15)之间连接有压力调节器(8)。
6、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述压力监控装置(12)为压力表。
7、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述箱体的盖体(1)和底座(3)上设有加固带(14)，所述盖体(1)和底座(3)上的加固带(14)通过加固杆(13)连接。
8、根据权利要求1-7任一项所述的设备，其特征在于：所述箱体的材质为有机玻璃、PVC或防腐的金属。
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