CN108655169A - 基于胶态微泡沫的土壤修复系统及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于胶态微泡沫的土壤修复系统，该系统的垂直注入井设置在土壤污染区域内，其四周开筛孔；垂直抽提井设置在土壤污染区域外围，其四周开筛孔；表面活性剂水溶液盛装在泡沫生成容器中；泡沫生成容器通过蠕动泵及硅胶软管与垂直注入井顶端相通；垂直抽提井的顶端通过硅胶软管及真空抽提泵与泡沫淋洗液收集容器相通。通过高速搅拌机对表面活性剂水溶液进行搅拌生成胶态微泡沫；胶态微泡沫由垂直注入井注入土壤污染区域，再由垂直抽提井将含有污染物的泡沫淋洗液及污染物气体抽出。本发明实现了在不加重地下水污染风险的同时，高效修复污染土壤，特别是对非均质土壤污染有显著的强化修复效果，具有较强的场地环境适应性和实用性。

Description

基于胶态微泡沫的土壤修复系统及修复方法

技术领域

本发明属于土壤污染修复技术领域，具体涉及一种基于胶态微泡沫的淋洗—抽提一体化技术对土壤进行修复的系统及修复方法。

土壤是生态环境的重要组成部分，能够为人类提供食物及生产资料，是人类赖以生存的主要资源之一。随着工业发展，大量的废水、废气和固体废物排放，以及由于工厂管理不当引起的污染物的泄漏，使得大量的污染物进入土壤，对人类的生产生活造成了严重的威胁。

土壤淋洗技术是采用淋洗剂、表面活性剂和助溶剂等液体直接作用于土壤的介质中，通过洗脱和解吸附污染物的过程达到修复被污染的土壤的目的，然后将淋洗液从污染区域中回收，进行分离和淋洗污水的处理。该方法减少了污染土壤的开挖和回填处理等复杂工序，其技术高效，易于操作，能处理多种污染物，能够与多种修复技术相结合。

传统的土壤淋洗技术是将表面活性剂等淋洗液体注入到污染地层中，通过对污染物的增溶、解吸等方式，实现污染物从介质转移到淋洗液中，从而实现土壤的净化。但是这种以液体药剂形式注入的修复方法，受到介质非均质性及孔道效应的影响，药剂易于沿着大孔隙孔道流动，导致其在土壤中分布不均，修复效果不佳，特别是低渗透区域中污染物无法去除。此外，受重力影响，淋洗液不可避免流入含水层，增加了地下水的污染风险。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种基于胶态微泡沫的土壤修复系统，该系统在不加重地下水污染风险的同时能够高效修复污染土壤。

为了解决上述技术问题，本发明的基于胶态微泡沫的土壤修复系统包括高速搅拌机，泡沫生成容器，蠕动泵，至少一个垂直注入井，多个垂直抽提井，泡沫淋洗液收集容器和真空抽提泵；垂直注入井设置在土壤污染区域内，其四周开筛孔；垂直抽提井设置在土壤污染区域外围，其四周开筛孔；表面活性剂水溶液盛装在泡沫生成容器中，可通过高速搅拌机搅拌生成粒径10～100μm、泡沫质量75％～90％、泡沫半衰期3min～7min的胶态微泡沫；泡沫生成容器通过蠕动泵及硅胶软管与垂直注入井顶端相通；垂直抽提井的顶端通过硅胶软管及真空抽提泵与泡沫淋洗液收集容器相通。

进一步，本发明还可以包括与垂直注入井底部相通的水平注入井；水平注入井的井身上部开筛孔。

所述的垂直注入井、水平注入井、抽提井的井管均采用PVC材质筛管。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种利用上述基于胶态微泡沫的土壤修复系统对土壤污染区域进行修复的方法，该方法包括下述步骤：

步骤一、配置质量浓度为0.3～1.0％的表面活性剂水溶液，并将其注入泡沫生成容器；

步骤二、利用高速搅拌机对表面活性剂水溶液进行搅拌，经2min后生成粒径10～100μm、泡沫质量75％～90％、泡沫半衰期3min～7min的胶态微泡沫；高速搅拌机转速为4000r/min～7000r/min，搅拌桨直径5-8cm；

步骤三、采用蠕动泵将胶态微泡沫连续由垂直注入井注入土壤污染区域，注入流量为10～50ml/min；同时利用真空抽提泵将土壤中的泡沫液及产生的气体由垂直抽提井抽出并收集到泡沫淋洗液收集装置中；抽提压力为0.05MPa～0.07MPa。

所述步骤一中，表面活性剂采用十二烷基硫酸钠(SDS)。

所述步骤二中，高速搅拌机转速优选7000r/min，搅拌桨直径优选8cm；步骤三中，注入流量优选25ml/min，抽提压力优选0.05MPa。

与传统的淋洗技术相比，当胶态微泡沫从模拟槽左侧垂直注入井注入时，胶态微泡沫有效的避免了传统淋洗液在重力作用下横向迁移效果不佳的问题，泡沫沿压力梯度方向由左向右均匀迁移，泡沫前沿破裂产生少量泡沫液在重力作用下垂向迁移，后续泡沫流持续均匀向前推进，且在模拟槽中均匀分布，泡沫面齐整。同时在真空抽提的作用下模拟槽中形成负压，有效的增加了泡沫流在模拟槽中的推移速度与分布的均匀性，并减小了泡沫液在模拟槽底部的沉积，同时泡沫液及产生气体由垂直抽提井抽出，所产生淋洗液在泡沫淋洗液收集装置被收集。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用胶态微泡沫为淋洗剂代替传统液体淋洗剂。泡沫为气-液混合多相分散体系，易变形、具有流动性，可以进入大小不同的土壤孔隙，在介质中分布更为均匀，有效地避免了孔道效应问题，能够适用多种类型的介质；胶态微泡沫密度小、重量轻、受重力的影响小，可通过调控体系压力来控制其在土壤中的迁移，因此处理效率高、对地下水污染风险小；泡沫在多孔介质流动的过程中，伴随着其破裂，还会有新的泡沫再生，因此泡沫流是一个动态的稳定体系，具有较强的工程应用性；特别是，胶态微泡沫气泡细微，含气率高，比表面积大，同时其具有较厚的液膜，泡沫稳定性好，对污染物增溶能力强。本发明具备了作为高效淋洗液的特征和条件，其设备简单、操作性强。

(2)在多相抽提井的真空负压作用下，泡沫体系中的挥发性气体污染物、溶解于泡沫液中的水溶性液体污染物、以及非水相的乳化态污染物，都能够被有效地收集并在地面进行后续的分离处理，适用于污染物种类多样的污染土壤情形。

(3)胶态微泡沫稳定性好，易形变，且含液量较高，使得泡沫更易进入介质并稳定存在，增加与污染物接触几率，并且由于泡沫本身具有较高的含气量，在相同的修复药剂体积情况下，泡沫所修复的范围远大于液体修复药剂所修复范围，增加了修复范围，且对于相同面积的污染区域，泡沫修复所用的药剂用量远小于纯液体修复的药剂量。

(4)当注入流量过小时，由于胶态微泡沫本身性质以及迁移速度过慢，导致胶态微泡沫在介质中停留时间过长从而泡沫大量破裂成液体。液体由于重力下沉增大污染含水层几率；当注入流量过大时，会由于速度过快导致胶态微泡沫在土壤中分布不均匀，降低污染物与修复药剂接触几率，降低修复效果。当抽提压力过小时，不利于胶态微泡沫的迁移，有可能会造成液体下沉增大污染含水层几率，所产生的污染物气体收集效果不佳；抽提压力过大时，由于过大的抽提压力，不利于泡沫在介质中的均匀分布，降低修复效率。在联合修复过程中，胶态微泡沫的注入与抽提同时进行，注入流量选择10～50ml/min、抽提压力选择0.05MPa～0.07MPa，再此条件下有助于胶态微泡沫在介质中的迁移以及均匀分布，增加修复效率、提高修复效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明实施例1的基于胶态微泡沫的土壤修复系统的结构示意图。

图2是本发明实施例2的基于胶态微泡沫的土壤修复系统的结构示意图。

图3是本发明实施例3的基于胶态微泡沫的土壤修复系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的基于胶态微泡沫的土壤修复系统包括高速搅拌机1，泡沫生成容器2，蠕动泵3，垂直注入井6，垂直抽提井8，泡沫淋洗液收集容器11和真空抽提泵10；泡沫生成容器2通过蠕动泵3及硅胶软管4与垂直注入井6顶端相通；垂直抽提井8的顶端通过硅胶软管9及真空抽提泵10与泡沫淋洗液收集容器11连通。

模拟槽5选用有机玻璃，模拟槽顶端用有机玻璃盖和胶条密封，模拟槽尺寸(长×宽×高)30cm×2.5cm×30cm；

垂直注入井6置于模拟槽5内左侧，井直径2cm，井深30cm，井身四周开筛孔，筛孔孔径0.2cm，相邻筛孔之间间距1cm，井身打孔长度25cm，最高处筛孔距离土壤表面5cm，垂直注入井6采用PVC管。

垂直抽提井8置于模拟槽5内右侧，井直径2cm，井深30cm，井身四周开筛孔，筛孔孔径0.2cm，相邻筛孔之间间距1cm，井身打孔长度25cm，最高处筛孔距离土壤表面5cm，垂直抽提井8采用PVC管。

实验室模拟土壤修复方法具体如下：

(1)将垂直注入井6置于模拟槽5内左侧，垂直抽提井8置于模拟槽5内右侧；筛选石英砂7，石英砂7粒径0.5～1mm，介质孔隙度0.4；然后将石英砂7均匀填入模拟槽5并压实。

(2)称取18g纯相硝基苯，2L甲醇溶液中，将4000g石英砂置入溶液中混均匀，放置于通风橱中阴干此时石英砂含有的理论浓度为4500mg/kg，称取污染砂样30g置于250mL锥形瓶中，加入50mL甲醇，震荡24h，随后静置2h取上清液测定其中硝基苯浓度，进而换算成介质中硝基苯的实际质量浓度3500mg/kg。

(3)配置表面活性剂水溶液并将其注入泡沫生成容器2中，开启高速搅拌机1搅拌表面活性剂水溶液生成胶态微泡沫；调节蠕动泵注入流量将胶态微泡沫连续注入垂直注入井，胶态微泡沫从垂直注入井井身四周的筛孔注入石英砂。

(4)调节真空抽提泵10抽提流量，将泡沫液及气体由垂直抽提井8抽出并收集到泡沫淋洗液收集装置11中。

当胶态微泡沫注入垂直注入井6时，泡沫流自左向右迁移，迁移过程中泡沫破裂产生的少量泡沫液在重力作用下向下迁移；在真空抽提作用下，泡沫液迁移至右侧垂直抽提井中，所产生的液体和气体被收集到泡沫淋洗液收集容器11中。

根据测量计算的泡沫覆盖整个模拟槽用时85min，覆盖整个模拟槽胶态微泡沫的液体用量0.5孔隙体积(pore volume，PV)，而传统的液体修复药剂完全充满整个模拟槽至少需要1孔隙体积。可知，应用胶态微泡沫淋洗技术有效的减少了淋洗药剂的用量，有效降低了对地下水污染的风险。同时由于真空抽提的存在有效的促进了泡沫的迁移效果，也减少了泡沫液对于地下水的影响，有效降低了污染地下水的风险；且根据淋洗前后污染物浓度可知，污染物修复效果明显，由实验1本技术运行300min后对于污染土壤中硝基苯去除效率最高可达83％。取淋洗废液测量污染物量并计算可知，本技术中以液体形式去除的污染物效率可达到38％、以气体形式去除的污染物效率可达到45％。

表面活性剂采用十二烷基硫酸钠(SDS)时，实验条件和测试结果分别见表1

表1

实施例2

如图2所示，本发明的基于胶态微泡沫的土壤修复系统包括高速搅拌机1，泡沫生成容器2，蠕动泵3，垂直注入井6，水平注入井12，垂直抽提井8，泡沫淋洗液收集容器11和真空抽提泵10；泡沫生成容器2通过蠕动泵3及硅胶软管4与垂直注入井6顶端相通；垂直注入井6的底端与水平注入井12的左端相通，垂直抽提井8的顶端通过硅胶软管9及真空抽提泵10与泡沫淋洗液收集容器11连通。

模拟槽5选用有机玻璃，模拟槽顶端用有机玻璃盖和胶条密封，模拟槽尺寸(长×宽×高)30cm×2.5cm×30cm；

垂直注入井6置于模拟槽5内左侧，井直径2cm，井深25cm，井身四周开筛孔，筛孔孔径0.2cm，相邻筛孔之间间距1cm，井身打孔长度20cm，最高处筛孔距离土壤表面5cm，垂直注入井6采用PVC管，水平注入井12与垂直注入井6相连井，长25cm，井深上部打孔，打孔长度25cm，筛孔孔径0.2cm，相邻筛孔之间间距1cm。

垂直抽提井8置于模拟槽5内右侧，井直径2cm，井深20cm，井身四周开筛孔，筛孔孔径0.2cm，相邻筛孔之间间距1cm，井身打孔长度20cm，垂直抽提井8采用PVC管。

实验室模拟土壤修复方法具体如下：

(1)将垂直注入井6置于模拟槽5内左侧，水平注入井12置于模拟槽5的底部，垂直抽提井8置于模拟槽5内右侧；筛选石英砂7，石英砂7粒径0.5～1mm，介质孔隙度0.4；然后将石英砂7均匀填入模拟槽5并压实。

(2)称取18g纯相硝基苯，2L甲醇溶液中，将4000g石英砂置入溶液中混均匀，放置于通风橱中阴干此时石英砂含有的理论浓度为4500mg/kg，称取污染砂样30g置于250mL锥形瓶中，加入50mL甲醇，震荡24h，随后静置2h取上清液测定其中硝基苯浓度，进而换算成介质中硝基苯的实际质量浓度3500mg/kg。

(3)配置表面活性剂水溶液并将其注入泡沫生成容器2中，开启高速搅拌机1搅拌表面活性剂水溶液生成胶态微泡沫；调节蠕动泵3注入流量将胶态微泡沫连续注入垂直注入井6和水平注入井12，胶态微泡沫从垂直注入井6和水平注入井12井身四周的筛孔注入石英砂。

(4)调节真空抽提泵10的抽提流量，将泡沫液及气体由垂直抽提井8抽出并收集到泡沫淋洗液收集装置11中。

当胶态微泡沫注入垂直注入井6以及水平注入井12时，泡沫流自左向右迁移，自下而上均匀迁移，迁移过程中泡沫破裂产生少量泡沫液。在真空抽提作用下，泡沫液迁移至右侧垂直抽提井8中，所产生的液体和气体被收集到泡沫淋洗液收集容器11中。

经测量计算泡沫覆盖整个模拟槽用时分别为80min，并且所用胶态微泡沫的液体用量仅为0.4孔隙体积(pore volume，PV)，改变泡沫注入方式并不显著影响注入模拟槽中液体量的大小，而传统的液体修复药剂完全充满整个模拟槽至少需要1孔隙体积。本技术有效的减少了淋洗药剂的用量，有效降低了对地下水污染的风险。同时由于真空抽提的存在有效的促进了泡沫的迁移效果，也减少了泡沫液对于地下水的影响，有效降低了污染地下水的风险。根据淋洗前后污染物浓度可知，污染物修复效果明显，本技术运行300min后对于污染土壤中硝基苯去除效率最高可达85％，取淋洗废液测量污染物量并计算可知，本技术以液体污染物效率可达到39％和以气体形式去除的污染物效率可达到46％。

表面活性剂采用十二烷基硫酸钠(SDS)时，实验条件和测试结果分别见表2

表2

实施例3

如图3所示，本发明的基于胶态微泡沫的土壤修复系统包括高速搅拌机1，泡沫生成容器2，蠕动泵3，垂直注入井6，垂直抽提井8，泡沫淋洗液收集容器11和真空抽提泵10；泡沫生成容器2通过蠕动泵3及硅胶软管4与垂直注入井6顶端相通；垂直抽提井8的顶端通过硅胶软管9及真空抽提泵10与泡沫淋洗液收集容器11连通。

模拟槽5选用有机玻璃，模拟槽顶端用有机玻璃盖和胶条密封，模拟槽尺寸(长×宽×高)30cm×2.5cm×30cm；

垂直注入井6置于模拟槽5内左侧，井直径2cm，井深30cm，井身四周开筛孔，筛孔孔径0.2cm，相邻筛孔之间间距1cm，井身打孔长度25cm，最高处筛孔距离土壤表面5cm，垂直注入井6采用PVC管。

垂直抽提井8置于模拟槽5内右侧，井直径2cm，井深30cm，井身四周开筛孔，筛孔孔径0.2cm，相邻筛孔之间间距1cm，井身打孔长度25cm，最高处筛孔距离土壤表面5cm，垂直抽提井8采用PVC管。

实验室模拟土壤修复方法具体如下：

(1)将垂直注入井6置于模拟槽5内左侧，垂直抽提井8置于模拟槽5内右侧；筛选石英砂7，石英砂粒径0.25～0.5mm，介质孔隙度0.43；然后将清洁石英砂7均匀填入模拟槽5，并在距离槽底端13cm处设置含污染物非均质介质13，介质粒径0.5～1mm，介质孔隙度0.4，该非均匀介质为长度为14cm，高度为4cm椭圆形。

(2)称取18g纯相硝基苯，2L甲醇溶液中，将4000g石英砂置入溶液中混均匀，放置于通风橱中阴干此时石英砂含有的理论浓度为4500mg/kg，称取污染砂样30g置于250mL锥形瓶中，加入50mL甲醇，震荡24h，随后静置2h取上清液测定其中硝基苯浓度，进而换算成介质中硝基苯的实际质量浓度为3500mg/kg。

(3)配置表面活性剂水溶液并将其注入泡沫生成容器2中，开启高速搅拌机1搅拌表面活性剂水溶液生成胶态微泡沫；调节蠕动泵3注入流量将胶态微泡沫连续注入垂直注入井6，胶态微泡沫从垂直注入井6井身四周的筛孔注入石英砂。

(4)调节真空抽提泵10抽提流量，将石英砂空隙中的泡沫液及产生的气体由垂直抽提井8抽出并收集到泡沫淋洗液收集装置11中。

泡沫由注入井从左向右连续注入，泡沫由注入井进入模拟槽时，泡沫以推流方式前进，当泡沫迁移至非均质时，泡沫在仍均匀推进基本没有出现分布不均现象，且泡沫流持续进入介质中，但泡沫在经过非均匀介质时迁移速率发生明显变化，在非均匀介质内部泡沫迁移锋面略落后于外围介质中泡沫迁移锋面，并且泡沫将污染物淋洗出来形成含有污染物的泡沫淋洗液，由后续泡沫流均匀驱替出来，非均匀介质外围泡沫仍均匀迁移。且由于真空泵，真空抽提作用存在，有效的促进了泡沫流的迁移，抽提井将含有污染物的淋洗液和气体从模拟槽中抽出进入到泡沫淋洗液收集容器。根据淋洗前后污染物浓度可知，污染物修复效果明显，本技术运行300min后对于污染土壤中硝基苯去除效率最高可达87％，取淋洗废液测量并计算可知，本技术其中以液体污染物效率可达到35％和以气体形式去除的污染物效率可达到52％。

表面活性剂采用十二烷基硫酸钠(SDS)实验条件和测试结果分别见表3表中各参数如下：

由上述案例可知本技术在均质及非均质土壤中均有很好的应用效果，且淋洗液利用率高，此外淋洗液能够被有效抽出收集，实现了泡沫生成、传输、注入、抽提一体化的污染土壤修复技术体系。

Claims (5)

1.一种基于胶态微泡沫的土壤修复系统，其特征在于包括高速搅拌机(1)，泡沫生成容器(2)，蠕动泵(3)，至少一个垂直注入井(6)，多个垂直抽提井(8)，泡沫淋洗液收集容器(10)和真空抽提泵(11)；垂直注入井(6)设置在土壤污染区域内，其四周开筛孔；垂直抽提井(8)设置在土壤污染区域外围，其四周开筛孔；表面活性剂水溶液盛装在泡沫生成容器(2)中，可通过高速搅拌机(1)搅拌生成粒径10～100μm、泡沫质量75％～90％、泡沫半衰期3min～7min的胶态微泡沫；泡沫生成容器(2)通过蠕动泵(3)及硅胶软管与垂直注入井(6)顶端相通；垂直抽提井(8)的顶端通过硅胶软管及真空抽提泵(10)与泡沫淋洗液收集容器(11)相通。

2.根据权利要求1所述的基于胶态微泡沫的土壤修复系统，其特征在于还包括与垂直注入井(6)底部相通的水平注入井；水平注入井的井身上部开筛孔。

3.根据权利要求2所述的基于胶态微泡沫的土壤修复系统，其特征在于所述的垂直注入井(6)、水平注入井、抽提井的井管均采用PVC材质筛管。

4.一种利用如权利要求1所述的基于胶态微泡沫的土壤修复系统对土壤污染区域进行修复的方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、配置质量浓度为0.3～1.0％的表面活性剂水溶液，并将其注入泡沫生成容器(2)；

步骤二、利用高速搅拌机(2)对表面活性剂水溶液进行搅拌，经2min后生成粒径10～100μm、泡沫质量75％～90％、泡沫半衰期3min～7min的胶态微泡沫；高速搅拌机转速为4000r/min～7000r/min，搅拌桨直径5-8cm；

步骤三、采用蠕动泵将胶态微泡沫连续由垂直注入井注入土壤污染区域，注入流量为10～50ml/min；同时利用真空抽提泵(10)将土壤中的泡沫液及产生的气体由垂直抽提井(8)抽出并收集到泡沫淋洗液收集装置(11)中；抽提压力为0.05MPa～0.07MPa。

5.根据权利要求4所述的对土壤污染区域进行修复的方法，其特征在于所述步骤一中，表面活性剂采用十二烷基硫酸钠。