一种酸性稀土矿山地下水原位修复装置及其使用方法和包括该装置的修复反应单元与流程

1.本发明涉及地下水原位修复的技术领域，具体涉及一种酸性稀土矿山地下水原位修复装置及其使用方法和包括该装置的修复反应单元。


背景技术：

2.离子型稀土矿的开采早期的池浸、堆浸工艺，早期使用的池浸工艺采用人工手段将标定好的矿段表层土进行剥离，将剥离下的表土堆积在浸矿池中，再利用硫酸铵浸矿剂((nh4)2so4)对剥离的表层土进行浸矿。最终获得浸矿池底部含有稀土元素的浸矿液，去除杂质后加入沉淀剂草酸或者碳酸氢铵(nh4hco3)获得稀土富集物，最后将浸矿池尾矿排出。堆浸工艺是在池浸工艺的基础上进行了改进，其在基本的工艺流程上与池浸工艺大致相同，两种工艺的主要区别在于浸矿采集稀土的地点不一样，堆浸工艺浸矿地点不在浸矿池中而是在浸堆中，堆浸工艺流程的第一步依旧是采取人工开挖的手段对已经探明的矿区中的矿山进行表土剥离与矿石剥离，然后将矿石筑堆，在堆场表面布置喷淋管道和喷头，喷头喷出浸矿液对堆积的土进行浸矿。浸出液经集液沟流入集液箱，除杂质后上浸矿液经管道流入母液池，加入沉淀剂草酸或者碳酸氢铵最终得到稀土富集物。
3.但是早期堆浸和池浸的开采方式由于其工艺流程的特点，在开采过程中给当地的生态环境造成了破坏，尤其以堆浸场地对矿山环境带来的污染更甚，造成稀土矿区地下水氨氮超标严重和ph过低。因此急需找到酸性污染和氨氮超标的地下水的修复方法，实现生态恢复。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种酸性稀土矿山地下水原位修复装置，装置内设有碱性材料搭载装置和原位注料井，能同时调节ph，以及投放碳源和微生物菌剂进行原位序批式硝化反硝化反应，有效去除氨氮污染物；本发明的目的之二在于提供一种酸性稀土矿山地下水原位修复装置的使用方法，施工简单方便，可大大降低工程量，节约建设成本。本发明的目的之三在于提供一种酸性稀土矿山地下水原位修复反应单元。
5.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
6.一种酸性稀土矿山地下水原位修复装置，包括井筒、地下水回流装置、曝气装置和碱性材料搭载装置；碱性材料搭载装置设置在井筒内部；地下水回流装置的输入端设置在井筒外，输出端延伸至碱性材料搭载装置内；曝气装置的输入端设置在井筒的外部，输出端延伸至井筒的内底部；井筒内设有原位注料井，原位注料井内设有碳源注料通道和微生物菌剂注料通道。
7.进一步，所述修复装置内还设置有环状的固定装置，所述井筒位于固定装置内。优选地，固定装置为钢筋笼，井筒位于钢筋笼内，钢筋笼通过径向钢筋组、轴向箍筋组和内衬
筛网焊接组成。
8.进一步，所述井筒的外壁与所述固定装置的内壁之间设置有回填间隙，回填间隙内设有用于固定所述井筒的碎石层，碎石层中所用碎石的粒径为30～50mm。碎石能够形成有效透水，将周边地下水引入井内，同时也促进井内的注料液向外有效扩散，更好的实现原位修复。
9.进一步，所述碱性材料搭载装置包括碱性材料搭载架，碱性材料搭载架内部设有石灰石层；石灰石层的粒径为30～50mm。
10.进一步，所述碱性材料搭载架的顶部设有提拉式挂耳，饱和后的碱性材料(石灰石块)可通过提拉式挂耳提升后进行后续更换。
11.进一步，所述井筒的外壁和所述碱性材料搭载装置均设有渗水孔；所述井筒的井口设有封口粘土层，粘土层的高度为400～600mm，再用封井法兰将井筒的上端进行密封。基于以上结构，在井筒内的原位注料井包括竖直设置有延伸至井筒外的注料管，四个碱性材料搭载装置环绕注料管布置，注料管不仅能够注入碳源和/或微生物菌剂，同时也可作为地下水的水位观测井使用。
12.进一步，所述地下水回流装置包括地下水回流主管和地下水回流支管，地下水回流主管设置在所述井筒外；地下水回流主管连通有至少四个延伸至所述碱性材料搭载装置内的地下水回流支管，地下水回流支管延伸至所述碱性材料搭载装置内的一段开设有出水孔。
13.优选地，在地下水回流主管上还设置有水压显示计。
14.进一步，所述曝气装置包括曝气源、曝气管和曝气头，曝气源的输出端与延伸至所述井筒的内底部的曝气管连接；曝气头与远离曝气源一端的曝气管连接。优选地，曝气源选用空气压缩机，曝气头选用微孔曝气头。
15.进一步，所述原位修复装置还包括多参数在线水质监测仪和抽吸管，抽吸管设置在所述井筒内，抽吸管的出水端与多参数在线水质监测仪连接。通过抽吸管抽吸地下水到多参数在线水质监测仪进行自动监测，动态监测井内ph、溶解氧、氨氮、cod等水质指标情况以便及时反馈调整工况。对井内地下水ph的监测可用于监控碱性材料的饱和情况，反馈装置的运行工况，及时对碱性材料更换复用。
16.本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
17.上述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置的使用方法，包括以下步骤：
18.1)地下水回流装置将周边常规地下水抽排井的地下水运送至井筒，地下水与井筒内部的碱性材料搭载装置中的碱性材料进行酸碱中和反应，调节地下水的ph至7～8；
19.2)同时打开曝气装置，将空气运送至井筒内部以增加地下水中的溶解氧量；
20.3)然后在原位注料井的微生物菌剂注料通道中投入硝化微生物菌剂，进行原位硝化反应，将氨氮转化为亚硝酸盐/硝酸盐；
21.4)待硝化反应达到预设效果后，关闭曝气装置，于原位注料井的碳源和微生物菌剂通道中对应投入碳源和反硝化微生物菌剂，进行原位反硝化反应，将亚硝酸盐/硝酸盐还原为氮气；
22.5)通过以上在修复装置内进行的原位序批式硝化反硝化反应，最终有效去除氨氮，完成对酸性稀土矿山高氨氮污染地下水的原位修复。
23.本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
24.一种酸性稀土矿山地下水原位修复反应单元，四周为四个地下水抽排井，中间为上述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置。
25.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
26.(1)本发明的地下水原位修复装置包括井筒、地下水回流装置、曝气装置和碱性材料搭载装置；地下水回流装置用于将需要处理的地下水传送至井筒，井筒作为原位修复的注料容器，井筒内设有碱性材料搭载装置，碱性材料搭载装置内装有碱性材料，与地下水接触后能发生酸碱中和，提高酸性地下水的ph值；再通过曝气装置提供溶解氧，促使地下水在井筒内不断流动，增加地下水的溶解氧量，为后续的硝化反应创造有利条件。井筒内还设有原位注料井，原位注料井内设有碳源注料通道和微生物菌剂注料通道，用于在井筒内投放和补充碳源和微生物菌剂，使地下水在井筒内进行原位序批式硝化反硝化反应，有效去除氨氮。所以本发明的原位修复装置能起到地下水ph以满足后续原位序批式硝化反硝化反应要求，同时通过精准控制do、碳源及微生物菌剂的投加，实现原位去除氨氮污染的效果，可用于酸性稀土矿山高氨氮污染地下水的原位修复。
27.(2)本发明的地下水原位修复装置还包括多参数在线水质监测仪和抽吸管，抽吸管设置在所述井筒内，抽吸管的出水端与多参数在线水质监测仪连接。通过抽吸管抽吸地下水到多参数在线水质监测仪进行自动监测，动态监测井内ph、溶解氧、氨氮、cod等水质指标情况以便及时反馈调整工况。
28.(3)地下水回流装置包括地下水回流主管和地下水回流支管，地下水回流主管设置在所述井筒外；地下水回流主管连通有至少四个延伸至所述碱性材料搭载装置内的地下水回流支管，地下水回流支管延伸至所述碱性材料搭载装置内的一段开设有出水孔。
29.(4)本发明的酸性稀土矿山地下水原位修复装置的使用方法，先开启地下水回流装置将地下水运送至井筒，地下水与井筒内部的碱性材料搭载装置中的碱性材料进行酸碱中和反应，调节地下水的ph至7～8；同时打开曝气装置，将空气运送至井筒内部以增加地下水中的溶解氧量；然后在原位注料井的微生物菌剂注料通道中投入硝化微生物菌剂，进行原位硝化反应，将氨氮转化为亚硝酸盐/硝酸盐；待硝化反应达到预设效果后，关闭曝气装置，于原位注料井的碳源和微生物菌剂通道中对应投入碳源和反硝化微生物菌剂，进行原位反硝化反应，将亚硝酸盐/硝酸盐还原为氮气；通过以上在修复装置内进行的原位序批式硝化反硝化反应，最终达到有效去除氨氮的目的，完成对酸性稀土矿山高氨氮污染地下水的原位修复。该装置的使用方法简单方便，可大大地降低工程量，节约建设成本。
30.(5)本发明的修复反应单元，由四周的地下水抽排井和中间的上述修复装置组成，中间的修复装置能将周边多个地下水抽排井的地下水进行原位修复处理。该修复反应单元的设置能使得修复装置同时处理多来源的地下水，提高了修复效率。
附图说明
31.图1为本发明酸性稀土矿山地下水原位修复装置的结构示意图；
32.图2为图1沿1-1向的剖视图；
33.图3为固定装置的结构剖视图；
34.图4为碱性材料搭载装置的结构示意图；
35.图5为原位修复反应单元的结构示意图；
36.图中：1、井筒；2、固定装置；21、径向钢筋组；22、轴向箍筋组；23、内衬筛网；3、碎石层；41、碱性材料搭载架；42、石灰石层；51、地下水回流主管；52、地下水回流支管；53、水压显示计；61、曝气源；62、曝气管；63、曝气头；64、气压显示计；7、封口粘土层；8、封井法兰；9、注料管；100、多参数在线水质监测仪；101、抽吸管；11、地下水抽排井。
具体实施方式
37.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
38.如图1～2所示，本发明提供一种酸性稀土矿山地下水原位修复装置，包括井筒1、地下水回流装置、曝气装置、碱性材料搭载装置、多参数在线水质监测仪100和抽吸管101；碱性材料搭载装置设置在井筒1内部；地下水回流装置的输入端设置在井筒1外，输出端延伸至碱性材料搭载装置内；曝气装置的输入端设置在井筒1的外部，输出端延伸至井筒1的内底部；井筒1内设有原位注料井，原位注料井内设有碳源注料通道和微生物菌剂注料通道。抽吸管101设置在所述井筒1内，抽吸管101的出水端与多参数在线水质监测仪100连接。通过抽吸管101抽吸地下水到多参数在线水质监测仪100进行自动监测，动态监测井内水质指标情况以便及时反馈调整工况。
39.其中，所述修复装置内还设置有环状的固定装置2，所述井筒1位于固定装置2内。如图3所示，固定装置2为钢筋笼，井筒1位于钢筋笼内，钢筋笼通过径向钢筋组21、轴向箍筋组22和内衬筛网23焊接组成。钢筋笼具有较大的抗形变和抗压能力，极大地提高了地下水的透过性和原位修复装置的稳定性及使用寿命。更有选地，钢筋笼上的径向钢筋组21由若干个φ8圆钢按照250mm设定间距布置，钢筋笼上的轴向箍筋组22由若干个φ14圆钢按照400mm设定间距布置，内衬筛网23固定在径向钢筋组21和轴向箍筋组22上。
40.如图4所示，所述碱性材料搭载装置包括碱性材料搭载架41，碱性材料搭载架41内部设有石灰石层42；石灰石层42的粒径为30～50mm。碱性材料搭载架41采用ss316不锈钢材质制造，根据地下水井深度灵活设置碱性材料搭载架41的长度，碱性材料搭载架41的顶部设有提拉式挂耳，饱和后的碱性材料(石灰石块)可通过提拉式挂耳提升后进行后续更换。所述井筒1的外壁与碱性材料搭载架41的内壁之间设置有回填间隙，回填间隙内设有用于固定所述井筒1的碎石层3，碎石层3中所用碎石的粒径为30～50mm。碎石能够形成有效透水，将周边地下水引入井内，同时也促进井内的注料液向外有效扩散，更好的实现原位修复。
41.所述井筒1的外壁和所述碱性材料搭载装置均设有渗水孔；所述井筒1的井口设有封口粘土层7，封口粘土层7的高度为500mm，再用封井法兰8将井筒1的上端进行密封。基于以上结构，在井筒1内的原位注料井包括竖直设置有延伸至井筒1外的注料管9，四个碱性材料搭载装置环绕注料管9布置，注料管9不仅能够注入碳源和/或微生物菌剂，同时也可作为地下水的水位观测井使用。
42.所述地下水回流装置包括地下水回流主管51和地下水回流支管52，地下水回流主管51设置在所述井筒1外；地下水回流主管51连通有至少四个延伸至所述碱性材料搭载装
置内的地下水回流支管52，地下水回流支管52延伸至所述碱性材料搭载装置内的一段开设有出水孔。在地下水回流主管51上还设置有水压显示计53。
43.所述曝气装置包括曝气源61、曝气管62和曝气头63，曝气源61的输出端与延伸至所述井筒1的内底部的曝气管62连接；在曝气管62上设置气压显示计64，曝气头63与远离曝气源61一端的曝气管62连接。其中，曝气源61选用空气压缩机，曝气头63选用微孔曝气头63。
44.上述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置的使用方法，包括以下步骤：
45.1)地下水回流主管51将地下水运送至井筒1内部，再通过地下水回流支管52流至碱性材料搭载架41，地下水与碱性材料搭载装置中的石灰石层42进行酸碱中和反应，调节地下水的ph至7～8；工人时刻通过设置在抽吸管101上的多参数在线水质监测仪100监测地下水的酸碱中和情况，以便及时更换石灰石；
46.2)同时打开曝气源61，空气通过曝气管62运送至井筒1内部，再由微孔曝气头63与井筒1内部的地下水接触，促使地下水在井筒1内不断流动，增加地下水的溶解氧量，为后续的硝化反应创造有利条件；
47.3)在原位注料井的注料管9中投放硝化微生物菌剂，对地下水进行原位硝化反应；
48.4)待硝化反应达到预设效果后，关闭曝气装置，通过注料管9注入碳源和反硝化微生物菌剂进入井筒1内，对地下水进行原位反硝化反应。
49.5)经过以上原位序批式硝化反硝化反应，有效去除氨氮，完成对酸性稀土矿山高氨氮污染地下水的原位修复。检测水质时通过抽吸管101将处理后的地下水运送至多参数在线水质监测仪100，待处理后的水质符合出水标准后再行排放。
50.如图5所示，一种修复反应单元，由四周的地下水抽排井11和中间的上述修复装置组成，地下水抽排井11与修复装置距离为3米，中间的修复装置能将周边多个地下水抽排井11的地下水进行原位修复处理。该修复反应单元的设置能使得修复装置同时处理多来源的地下水，提高了修复效率。
51.效果测试
52.采用以上的装置和使用方法对初始氨氮浓度为80mg/l，ph为5～6的地下水进行原位修复处理。碳源和微生物菌剂根据实时监测效果进行分批次投加，投放硝化菌剂总量约120kg、碳源总量约40kg、反硝化菌剂总量约40kg。硝化反应用时约2个月，反硝化用时约3天，整体原位修复耗时约2个月。最终出水标准为ph为7～8，氨氮去除率达到80％以上，硝酸盐氮浓度达到《地下水质量标准》iii类。因此，本发明的原位修复装置能起到调节ph和去除氨氮污染的效果，可用于酸性稀土矿山高氨氮污染废水的原位修复。
53.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种酸性稀土矿山地下水原位修复装置，其特征在于，包括井筒、地下水回流装置、曝气装置和碱性材料搭载装置；碱性材料搭载装置设置在井筒内部；地下水回流装置的输入端设置在井筒外，输出端延伸至碱性材料搭载装置内；曝气装置的输入端设置在井筒的外部，输出端延伸至井筒的内底部；井筒内设有原位注料井，原位注料井内设有碳源注料通道和微生物菌剂注料通道。2.如权利要求1所述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置，其特征在于，所述修复装置内还设置有环状的固定装置，所述井筒位于固定装置内。3.如权利要求2所述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置，其特征在于，所述井筒的外壁与所述固定装置的内壁之间设置有回填间隙，回填间隙内设有碎石层，碎石层中所用碎石的粒径为30～50mm。4.如权利要求1所述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置，其特征在于，所述碱性材料搭载装置包括碱性材料搭载架，碱性材料搭载架内部设有石灰石层；石灰石层的粒径为30～50mm；所述碱性材料搭载架的顶部设有提拉式挂耳。5.如权利要求1所述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置，其特征在于，所述井筒的外壁和所述碱性材料搭载装置均设有渗水孔；所述井筒的井口设有封口粘土层。6.如权利要求1所述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置，其特征在于，所述地下水回流装置包括地下水回流主管和地下水回流支管，地下水回流主管设置在所述井筒外，地下水回流主管连通有至少四个延伸至所述碱性材料搭载装置内的地下水回流支管，地下水回流支管延伸至所述碱性材料搭载装置内的一段开设有出水孔。7.如权利要求1所述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置，其特征在于，所述曝气装置包括曝气源、曝气管和曝气头，曝气源的输出端与延伸至所述井筒的内底部的曝气管连接；曝气头与远离曝气源一端的曝气管连接。8.如权利要求1所述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置，其特征在于，所述原位修复装置还包括多参数在线水质监测仪和抽吸管，抽吸管设置在所述井筒内，抽吸管的出水端与多参数在线水质监测仪连接；多参数在线水质监测仪用于实时监测ph、溶解氧、氨氮、cod的指标。9.权利要求1～8任一项所述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：1)地下水回流装置将地下水运送至井筒，地下水与井筒内部的碱性材料搭载装置中的碱性材料进行酸碱中和反应，调节地下水的ph至7～8；2)同时打开曝气装置，将空气运送至井筒内部以增加地下水中的溶解氧量；3)然后在原位注料井的微生物菌剂注料通道中投入硝化微生物菌剂，进行原位硝化反应，将氨氮转化为亚硝酸盐/硝酸盐；4)待硝化反应达到预设效果后，关闭曝气装置，于原位注料井的碳源和微生物菌剂通道中对应投入碳源和反硝化微生物菌剂，进行原位反硝化反应，将亚硝酸盐/硝酸盐还原为氮气；5)通过以上在修复装置内进行的原位序批式硝化反硝化反应，最终去除氨氮，完成对酸性稀土矿山高氨氮污染地下水的原位修复。10.一种酸性稀土矿山地下水原位修复反应单元，其特征在于，四周为四个地下水抽排
井，中间为权利要求1～8任一项所述的酸性稀土矿山地下水原位修复装置。

技术总结
本发明公开了一种酸性稀土矿山地下水原位修复装置及其使用方法和包括该装置的修复反应单元，包括井筒、地下水回流装置、曝气装置和碱性材料搭载装置；地下水回流装置用于将需要处理的地下水传送至井筒，井筒作为原位修复的注料容器，井筒内设有碱性材料搭载装置，碱性材料搭载装置内装有碱性材料；通过曝气装置提供溶解氧。井筒内还设有原位注料井，原位注料井内设有碳源注料通道和微生物菌剂注料通道，用于在井筒内投放和补充碳源和微生物菌剂，使地下水在经过井筒内碱性材料pH调节后，在地下原位进行序批式硝化反硝化反应，有效去除氨氮，可用于酸性稀土矿山高氨氮污染地下水的原位修复。的原位修复。的原位修复。


技术研发人员：陈华 刘帅 何耀忠 朱海燕 陈星宇 洪昭锐 黎良浩 萧毅荣
受保护的技术使用者：广东省环境保护工程研究设计院有限公司
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/22