本發(fā)明涉及地下水污染修復，尤其涉及壓電材料和陣列中空纖維膜的可滲透好氧生物反應墻。

背景技術：

1、地下水抽出處理技術通過建立井群系統(tǒng)將污染地下水抽出處理能夠快速降低地下水污染程度，此舉可以高效地控制地下污染地下水的流動。抽出的污染地下水通過物理化學方法可以快速降低污染物濃度，但受到地下水流動速度、流向和滲透系數(shù)的非均一性的影響，導致污染地下水抽出處理后場地出現(xiàn)拖尾和反彈現(xiàn)象，使得污染場地難以徹底凈化，后期效率低、費用高。

2、微生物修復是一種綠色可持續(xù)的方法，它利用微生物的自然代謝過程來降解或轉(zhuǎn)化污染物，不產(chǎn)生二次污染，對環(huán)境的擾動小。好氧條件下的微生物代謝速率快，能更迅速地降解有機物，縮短修復時間。好氧微生物能夠?qū)⒂袡C污染物徹底礦化為無害的二氧化碳和水，提供更徹底的污染物去除。盡管好氧修復需要曝氣供氧，但與厭氧修復相比，其能源消耗通常較低，不會產(chǎn)生與厭氧生物相關的惡臭和潛在的大氣污染問題。復合有機污染地下水常伴隨重金屬污染，重金屬離子的存在進一步影響微生物生長和降解污染物。缺氧的地下水環(huán)境會抑制復合有機好氧降解菌的生長和代謝，以中空纖維膜作為核心元件的曝氣裝置能夠以超微泡形式提供修復氣體的同時避免揮發(fā)性有機物逸散，傳統(tǒng)束狀裝置易形成生物膜導致堵塞且清洗困難，不適合長期運行。

3、滲透性反應墻(permeable?reactive?barrier,prb)一種用于地下水原位修復的方法，通過在污染地下水流經(jīng)的路徑上安裝一個填充有特定反應介質(zhì)的墻體，使地下水中的污染物在通過墻體時與反應介質(zhì)發(fā)生物理化學反應，從而被去除或轉(zhuǎn)化為環(huán)境可接受的形式。但prb技術不適用于復合污染類型的場地，因為prb的污染去除對象是由其填裝的反應介質(zhì)決定，同時隨著時間的推移，反應介質(zhì)可能會因為污染物的積累和沉淀物的覆蓋導致prb系統(tǒng)反應有效性下降，這可能需要定期更換或再生反應介質(zhì)，增加了維護成本和復雜性。

4、因此，開發(fā)一種針對低濃度復合有機污染地下水持續(xù)深度凈化滲透性反應墻，是目前亟待解決的技術方案。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于解決上述現(xiàn)有技術缺陷，提供了一種基于壓電效應強化的滲透性好氧生物反應墻(piezoelectric?permeable?reactive?aerobicbiobarrier,pprabb)。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案如下：基于壓電效應強化的滲透性好氧生物反應墻，所述反應墻包括壓電材料模塊、陣列中空纖維模塊、抽提泵、氣泵、轉(zhuǎn)子流量計、水力電動控制閥以及水體流速表，其中，壓電材料模塊和陣列中空纖維膜模塊交錯排列組成滲透性生物反應墻的主體，壓電材料模塊在兩端貼近土壤，

3、氣泵通過氣體運輸管道與中空纖維膜模塊進氣口連接，轉(zhuǎn)子流量計設置在氣體運輸管道上，通過中空纖維膜模塊框架上布設的氣路管道將氣體均勻的運輸?shù)矫恳桓锌绽w維膜膜絲，同時中空纖維膜模塊框架對中空纖維膜摩絲起固定和排版作用。

4、抽提泵位于整個反應墻的上游位置，通過管道連接至地下水源，抽提泵通過管道抽吸水體，而不直接接觸地下水，確保水的有效抽取和輸送。水力電動控制閥安裝在抽提泵的出水管道上，緊接著抽提泵之后。水力電動控制閥用于調(diào)節(jié)水流的壓力和流量，確保系統(tǒng)能夠根據(jù)需求動態(tài)調(diào)整抽提效果。水體流速表設置在水力電動控制閥下游的管道段中，距離控制閥一定距離以避免干擾。水體流速表實時監(jiān)測通過管道的水流速率，提供必要的數(shù)據(jù)以優(yōu)化系統(tǒng)的運行。

5、優(yōu)選的，壓電材料與不銹鋼孔板形成壓電材料模塊，不銹鋼孔板給予壓電材料兩側(cè)支撐力和定位，避免壓電材料位置發(fā)生遷移和無法準確受力的情況。帶孔板體由不銹鋼材質(zhì)制成，內(nèi)部孔隙可使水體幾乎無阻力流出?？锥创笮『涂酌芏雀鶕?jù)實際需求調(diào)整。

6、所述壓電材料為復合壓電材料，由無鉛陶瓷微粒(鈮酸鉀鈉knn和鈦酸鋇bt)和壓電聚合物(聚偏氟乙烯pvdf)組成，

7、所述復合壓電材料將knn和bt微粒加入pvdf漿液，采用“分層制造，逐層制造”的增材制造技術工藝制備復合壓電材料，所述knn、bt、pvdf質(zhì)量比為0.1-0.5：0.1-0.5:1-3。壓電材料可以透水的同時阻隔土壤顆粒進入滲透性好氧生物反應墻內(nèi)，利用地下水遷移過程中的液壓產(chǎn)生不均勻電場，還原復合有機污染地下水中重金屬離子，同時可以在低溫環(huán)境條件下激發(fā)微生物降解活性；壓電材料可更換為生物相容性更好、產(chǎn)電性能更強、穩(wěn)定性更好、透水性更高的新型壓電材料；壓電材料可更換為生物相容性更好、產(chǎn)電性能更強、穩(wěn)定性更好、透水性更高的新型壓電材料。壓電材料中對有機物、油類、蛋白質(zhì)有抗污染抗堵塞潛力，提高壓電材料耐用性。

8、優(yōu)選的，陣列中空纖維膜模塊由多個中空纖維膜以陣列形式緊密排列構成，每個陣列中空纖維膜厚度均勻，搭配卡槽定位。使墻體能夠承受脈沖液壓而不發(fā)生位移，避免液壓使墻體位移導致地下水未完整透過可滲透生物反應墻；中空纖維膜模塊由以超微泡形式提供溶解氧的同時避免揮發(fā)性有機物的逸散，氣體運輸管道不僅可以用于提供氣體，還可以用于傳輸液態(tài)補給物。例如，ph調(diào)節(jié)液，外源功能微生物，液體營養(yǎng)物。

9、優(yōu)選的，可滲透生物反應墻的底部和四周預設卡槽，用于壓電材料和陣列中空纖維膜的定位。

10、緊密貼合橫向排列的中空纖維膜膜絲固定在陣列中空纖維膜框架上形成一個陣列中空纖維膜，數(shù)個陣列中空纖維膜形成中空纖維膜模塊，與壓電材料模塊貼合構成單元，pm-prbb由數(shù)個上述單元構成。

11、中空纖維膜膜絲之間的間距為0.1-0.3cm，膜絲孔徑為0.05-0.1μm，膜絲內(nèi)徑0.5-1mm，膜絲外徑1-2mm，膜絲長度0.5-5m，曝氣量0.1-0.5l/m2·min。

12、優(yōu)選的，可滲透生物反應墻底部應與第一弱透水層的上層相連，同時在反應墻兩側(cè)通過高壓噴射注漿法以一定壓力將水泥噴射切割土體，與土體攪拌混合形成圓柱形樁體，進而形成止水帷幕，促使污染地下水完整流經(jīng)基于壓電材料的可滲透生物反應墻。

13、優(yōu)選的，抽提泵壓力在1-10mpa范圍內(nèi)，通過調(diào)整壓力控制地下水抽提流速，高液體流速為5-10m/s，低液體流速為0.1-0.5m/s；利用抽提泵將地下水從指定深度土層中抽出，周期性調(diào)控控制閥將控制抽提流速，從而向壓電材料傳遞脈沖液壓，預埋氣體運輸管道，管道與陣列中空纖維膜模塊進氣口連接，連接處用聚氨酯材料包裹提高氣密性和耐久性。壓電材料模塊和陣列中空纖維膜模塊交錯排列組成滲透性生物反應墻主體構造，使壓電材料模塊在兩端貼近土壤，滲透性生物反應墻中間部分可根據(jù)場地水文地質(zhì)條件、場地規(guī)模和污染物去除效果進行數(shù)量和順序的調(diào)整。

14、優(yōu)選的，陣列中空纖維膜表面設置為正弦波紋結(jié)構。

15、本發(fā)明提供的pprabb，所述管控系統(tǒng)包括控制污染地下水流動的抽提系統(tǒng)，通過抽提污染物地下水形成的流場勢能產(chǎn)生的脈沖液壓液壓，使壓電材料表明發(fā)生形變從而產(chǎn)生電荷，形成局部電化學區(qū)域。

16、進一步，電場可以引起帶電分子(包括電子供體/受體、可溶性污染物和營養(yǎng)物)的電遷移，通過電滲透誘導孔隙水流動，提高其在地下含水層中的生物利用度。

17、進一步，電化學還原可以應用于大多數(shù)重金屬，如銅、鉻、鎘、汞、鈾和釩，電活性細菌(如geobacter)廣泛存在于地下水環(huán)境中，可以有效地催化金屬還原。避免地下水中金屬脅迫有機污染降解功能微生物活性。

18、進一步，在地下低溫條件下通過電化學作用可以刺激微生物的活性，增強其對復合有機污染物的代謝能力。

19、進一步，電場吸引部分電活性功能微生物遷移，緩解陣列中空纖維膜上微生物過度生長導致氣孔堵塞現(xiàn)象。

20、進一步，壓電材料中對有機物、油類、蛋白質(zhì)有抗污染抗堵塞潛力，提高壓電材料耐用性。

21、具體的，所述壓電材料為復合壓電材料，由無鉛陶瓷微粒(鈮酸鉀鈉knn和鈦酸鋇bt)和壓電聚合物(聚偏氟乙烯pvdf)組成。

22、優(yōu)選的，所述復合壓電材料由將knn和bt微粒加入pvdf漿液，采用“分層制造，逐層制造”的增材制造技術工藝制備復合壓電材料。

23、具體的，通過帶孔板體給予壓電材料兩側(cè)支撐力和定位，形成壓電材料模塊，避免壓電材料位置發(fā)生遷移和無法準確受力的情況。帶孔板體由不銹鋼材質(zhì)制成，內(nèi)部孔隙可使水體幾乎無阻力流出?？锥创笮『涂酌芏雀鶕?jù)實際需求調(diào)整。

24、進一步，通過陣列中空纖維膜實現(xiàn)超微泡曝氣，陣列中空纖維膜表面緊密的正弦波紋結(jié)構不易發(fā)生堵塞，抗污染能力強，提高裝置水體沖擊負荷同時加系統(tǒng)強穩(wěn)定性。

25、進一步，陣列中空纖維膜與氣泵連接以獲取外界氧氣，超微細氣泡(直徑小于2μm)的超高表面能可與水分子緊密結(jié)合，使得氣泡實現(xiàn)水中沉降和消散。中空纖維膜的微孔結(jié)構配備氣體調(diào)控工作站可以使鼓入的空氣以超微泡形式進入地下水，提高水體溶解氧的同時避免地下水中揮發(fā)性有機物的逸散。

26、進一步，通過曝氣提供好氧功能微生物降解復合有機污染物所需的氧氣，激活土著功能菌，建立起有效的功能微生物群落。

27、進一步pprabb能夠適應不同的水文地質(zhì)條件和污染物特性，具有一定的靈活性，某些微生物能夠降解一些物理化學方法難以處理的難降解有機污染物。微生物修復不僅能夠去除污染物，還能夠促進土壤和地下水生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定，有助于恢復和維持生態(tài)平衡。

28、具體的，由緊密貼合橫向排列的中空纖維膜膜絲形成一個陣列中空纖維膜，數(shù)個陣列中空纖維膜形成中空纖維膜模塊，與壓電材料模塊貼合構成單元，pm-prbb由數(shù)個上述單元構成。

29、優(yōu)選的，中空纖維膜膜絲之間的間距為0.1-0.3cm，膜絲孔徑為0.05-0.1μm，膜絲內(nèi)徑0.5-1mm，膜絲外徑1-2mm，膜絲長度0.5-5m，曝氣量0.1-0.5l/m2·min。

30、同時，本發(fā)明還提供基于壓電材料的滲透性生物反應墻技術的管控方法，包括以下步驟：

31、(1)根據(jù)場地目標污染羽，將pprabb置于地下水流動方向下游，墻體高度范圍覆蓋污染羽區(qū)域，根據(jù)場地大確定墻體寬度為2-5m。

32、(2)pprabb深度應至粉質(zhì)黏土層或第一弱透水層，周邊配有同樣寬度的垂直阻隔引導污染地下水透過墻體，使用高壓噴射注漿法以一定壓力將水泥噴射切割土體，與土體攪拌混合形成圓柱形樁體，形成止水帷幕。

33、(3)構建地下水抽提系統(tǒng)，沿著地下水流動方向，在pprabb后方進行抽提地下水，包括布水觀測口、抽提導流管、卵石層、抽提井等。配備監(jiān)測和控制系統(tǒng)，包括水力電動控制閥、水體流速表等，抽提過程控水力電動制閥門和水體流速表形成周期性的脈沖水壓。

34、本發(fā)明的有益效果是：

35、1.沒有外加電源條件下，基于壓電材料的可滲透生物反應墻利用地下水抽提形成的流場勢能產(chǎn)生的脈沖液壓，使壓電材料表面發(fā)生形變產(chǎn)生電荷形成局部電勢場，緩解墻體堵塞現(xiàn)象，提高墻體耐用性，降低重金屬離子對微生物的活性抑制，增加電子供體/受體、營養(yǎng)和污染物的生物可用性，電刺激促進微生物降解活性。

36、2.陣列中空纖維膜以超微泡方式進行曝氣，提供好氧微生物所需氧氣同時避免了揮發(fā)性或半揮發(fā)性有機物的逸散，運行過程中膜表面呈現(xiàn)正弦波紋結(jié)構可減緩孔隙堵塞現(xiàn)象。