CN101921023A - 气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气田地面工程和环境保护技术是一种对土壤和地下水石油污染修复的气破与气提联动式双相真空抽吸地下水原位修复方法，气提喷头没入抽吸井地下水水面以下且距离井底0.1-0.2米，在井下放置液位传感器感知井内液位，在井口安装电机驱动螺纹轴使气动破裂器在井中上下反复移动，当液位低于10米，气提开启；至压力降至0.02MPa，抽吸停止运行，进入负压抽吸，抽吸井压力回升至0.085MPa，气动破裂关闭，抽吸井抽吸泵开启。本发明处理效率高，对石油类污染物自由相的处理程度达85％～95％，节省投资约30％～50％，节省维护和管理成本25％～35％，节省运行费用达25％～60％。

Description

气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法

技术领域

本发明涉及油气田地面工程技术和环境保护技术，具体是一种对土壤和地下水石油污染修复的气破与气提联动式双相真空抽吸地下水原位修复方法。

背景技术

石油开采、运输、加工、销售和消费等过程中造成的环境污染和生态破坏日趋严重，已经引起业界乃至整个社会的高度重视。由于污染物种类多、危害大，修复行为花费高、时间长以及地下情况的不可见性和复杂性，石油类土壤和地下水污染的修复与治理已成为一个世界性的难题。开发针对土壤和地下水石油污染的高效修复技术，成为当前石油工业与环保领域最重要的研究课题之一。

地下水石油污染的处理主要分为物理法、化学法和生物法。物理法是用物理的手段对受污染地下水进行治理的一种方法，可分为屏蔽法、被动收集法、水动力控制法等。物理化学处理法包括加药法、渗透性处理床技术、冲洗法、土壤改性法等。生物修复的原理实际上是自然生物降解过程的人工强化；它是通过采取人为措施，包括添加氧和营养物等，刺激原位微生物的生长，从而强化污染物的自然生物降解过程。张晖在2003年研究了原位化学修复中各种化学药剂的使用方法；盛光遥和博伊德在1997年从土壤改性的角度进行了地下水污染防治的试验研究；胡国臣和张清敏在1999年公开了向土壤中掺入活性炭纤维可以强化土壤的反硝化能力。

从修复地点角度，石油类污染地下水与土壤的修复又可分为原位修复与异位修复两大类。原位修复是指将受污染土壤在原地处理，处理期间土壤基本不被搅动，包括土壤气相抽取、原位微生物修复等方法。异位修复是指将被污染的土壤与地下水转移到地面以上进行处理，包括现场处理法、预制床法、堆制处理法、热解吸法、光降解法、土壤淋洗、生物反应器和厌氧生物处理法等。其中，原位修复因其花费相对较低和对自然环境扰动小等优势，已逐渐成为地下水修复技术的研究和实践主流。

现有的地下水污染修复技术，主要存在两个弊端：(1)现有技术往往只针对单一类型的污染，无法同时处理以多种形式存在的污染物。例如土壤气相抽取只能处理气相污染，对溶解相、残留相及自由相的污染物只能借助于其它技术，因而造成处理成本高昂、系统构成宠杂、运行维护困难。(2)现有技术的普适性不强。当污染现场条件变化时，往往需要对技术本身进行较大的改动甚于根本不起作用，无法广泛适合于不同区域、不同自然条件下的污染修复需要。因此，现有的技术方法尚不能很好的解决目前所存在的问题，还有待于探索有效的、经济的地下水污染修复技术。

为解决上述问题，目前采用了双相真空抽吸修复方法。该技术不仅能清除在不饱和带以气相存在以及在饱和带中以溶解态存在的石油污染物，还能够同时去除以自由相和土壤吸附相存在的石油类污染物。双相真空抽吸井通过真空泵制造一个高度真空的环境，从而将饱和带的液相污染物和不饱和带的气相污染物以高粘度的两相流的形式抽取出来。一般来说，真空度越高，水力梯度也就越大，因而两相的去除率也就越大。在双相真空抽吸抽吸井或抽吸沟的工作过程中，位于地下非饱和带、毛细作用带和饱和带的气相、水相以及非水相液体，由于负压作用的存在，会形成具有一定速度的气相流动、水相流动和非水相液体相流动。通过流动，污染物会逐渐向井的位置迁移，并进入井中的吸取管。在负压的作用下，污染物会继续沿着吸取管向上运动，直至井口顶端。吸取到地表的污染随即被送往气液分离装置进行下一步处理。该方法使用的修复系统包括抽吸井，传输管道、气液分离装置、水油分离装置、传输泵、控制器，以及废水、废气处理装置，其工艺流程如附图1所示(Huang et al.，2003；Li et al.，2003；Huang et al.，2007a；Huang etal.，2007b)。

在传统双相真空抽吸方法中，通过真空泵制造一个高度真空的环境，从而将饱和带的液相污染物和不饱和带的气相污染物以高粘度的两相流的形式抽取出来。一般来说，真空度越高，水力梯度也就越大，因而两相的去除率也就越大。在双相真空抽吸抽吸井或抽吸沟的工作过程中，位于地下非饱和带、毛细作用带和饱和带的气相、水相以及非水相液体，由于负压作用的存在，会形成具有一定速度的气相流动、水相流动和非水相液体相流动。通过流动，污染物会逐渐向井的位置迁移，并进入井中的吸取管。在负压的作用下，污染物会继续沿着吸取管向上运动，直至井口顶端。随着抽取的进行，抽吸井周围的自由相水位与地下水位将有所降低，形成一个漏斗形状，这样会使更多的土壤暴露于不饱和带，因此更多的挥发性有机污染物能够在负压的驱使下以气态的形式被抽吸入抽吸井。双相真空抽吸井中，可垂入一抽吸立管抽吸污染物；也可不设抽吸立管，污染物沿井身抽出。

上述的传统双相真空抽吸技术存在一定的不足。如：当地下水水位自由相液面距地面位置大于10米时，单凭借真空泵，往往达不到理想的真空度、抽吸的有效高度受到限制。

针对这一情况，美国专利5076360公开了一种带有气提管的真空抽吸井。该方法先在抽吸井中安装一根落管，再由此管末端向井中的液相注入空气或其它气体，使液相污染物转化为小滴，从而使其能在真空作用下通过井中立管被抽吸出地面。气提管的管顶与空气压缩机相连，通过真空抽吸泵在井中形成真空环境，使气液两相污染物沿井中立管被抽吸出来。然而，这种方法是气提与抽吸同时进行，即适用于液面与地面距离一直大于10米的情况。而在实际应用中，会出现液面距地面距离时大时小的情况，会造成不必要的能源消耗。并且，当污染现场土壤土质较细密、渗透性不高时(土壤渗透率小于10^-11m/s，例如粘土)，由于气相、溶解相和自由相污染物的流动转移将受到很大限制，该方法抽吸效果将大大降低(降低50％以上)，并造成很大的动力能源浪费。鉴于此，该专利不能具体说明气提管末端探入抽吸井中的适宜深度，即气提喷头的喷气位置。

Saretzky等人(2005)公开了一种往土壤中注入高压气体提高土壤渗透率、从而促进污染物向双相真空抽吸井的移动方法。具体是在双相真空井附近设置气动破裂井，在井中放置一可以耐受高压的落管，落管的底端位于液面以上的不饱和带。由空气压缩机通过此落管往井中注入高压气体，达到震裂周围土壤的目的。然而，这种方法还不完善，气动破裂管喷气出口位置是固定的，因此只能对出口位置附近的土壤进行重复的震裂，促进地下各深度的污染物移动的效果并不明显，而且能源消耗大。实际上，该方法也未能提供气动破裂与抽吸之间的联动运行方案。同样，如果遇到地下水水位较低、自由相距地面位置较深的情况，双相真空抽吸井还是会出现污染物抽不出来的情况。

发明内容

本发明目的在于提供一种既不受污染现场地下水条件限制、又不受土壤条件限制，对环境扰动小、无二次污染、高效、经济、适用性广的气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法。

本发明提供如下技术方案，处理步骤是：

1)采用通常的方法进行双相真空抽吸，在双相真空抽吸井中伸入一落管，一端与空气压缩机相连，一端连接气提喷头，在井口管线出口处安装真空传感器随时测量井内压力；

2)气提喷头没入抽吸井地下水水面以下且距离井底0.1-0.2米，在井下放置液位传感器感知井内液位；

步骤2)所述的气提喷头为圆柱状，上有方向向上、环状排列的均布通孔。

步骤2)所述的压缩空气压力为80-100psi。

步骤2)所述的饱和带是指地下水水面以下位置。

3)在距离双相真空抽吸井3-8米范围内设一口以上的气动破裂井，气动破裂井中伸入一落管，一端安装气动破裂器，在井口安装电机驱动螺纹轴使气动破裂器在井中上下反复移动；

步骤3)所述的气动破裂井外壁为可供气体穿过的格栅结构。

4)空气压缩机通过气动破裂器向气动破裂井中喷射高压气体，震散细密的土壤结构，使污染物向双相真空抽吸井方向移动；

步骤4)所述的震散细密的土壤结构是指气动破裂器两端为耐高压可膨胀的封隔器，中间为金属喷头，当喷射高压气体时，两端的封隔器扩张开将两封隔器之间的震裂段予以隔离，当需要震散地下其它深度的土壤时，关闭空压机，卸压后，封隔器回缩，电动机驱动螺纹轴使气动破裂器移动到其他位置。

步骤4)所述的高压气体为150-200psi。

步骤4)所述的土壤结构是粉土或粘土。

5)将真空双相真空抽吸井开启，当井中液位低于10米时，气提开启；当井内压力升高至0.1MPa时，气提关闭，抽吸泵继续运行，至压力降至0.02MPa，抽吸停止运行，进入负压抽吸；

6)如果停机负压抽吸持续达20-40分钟后，抽吸井压力升高至大于0.05MPa，气动破裂保持关闭；如果停机负压抽吸持续达20-40分钟后抽吸井压力仍低于0.05MPa，气动破裂开启、开始气动破裂过程；至抽吸井压力回升至0.085MPa，气动破裂关闭，抽吸井抽吸泵开启；

7)将吸入双相真空抽吸井而抽到地表的饱和带自由相与溶解相污染物先进行气液分离、再进行油水分离，气液分离后的气体将进行处理排放或者回收，气液分离后液体中的废油回收、废水通过处理进行地下水回灌或是直接排放。

本发明不受污染场地土壤性质与地下水水位等自然条件的限制，处理效率高，对石油类污染物自由相的处理程度达85％～95％，较之单独使用气提辅助下的双相真空抽吸方法，处理容量大50％-75％；较之单独使用气动破裂辅助下的双相真空抽吸方法，处理容量大50％-85％。

在达到相同治理效果的前提下，较之简单组合的气提辅助下双相真空抽吸方法或气动破裂辅助下双相真空抽吸方法，节省投资约30％～50％，节省维护和管理成本25％～35％，节省运行费用达25％～60％。

附图说明

图1为传统的双相真空抽吸工艺流程图；

图2为本发明工艺流程图；

图3为本发明系统流程示意图；

图4为气提模式下的双相真空抽吸井示意图；

图5a为气提模式下的双相真空抽吸井设计图；

图5b为气提模式下的双相真空抽吸井井头设计图；

图6为气提喷头设计图；

图7a为气动破裂井设计图；

图7b为气动破裂井井头设计图；

图8为可移动式气动破裂器工作示意图；

a为气动破裂开启；b为气动破裂暂停，气动破裂器移动；c为移动到位后，气动破裂重新开启；

图9为实例工程平面布置图；

图10为实例工程井位设计图；

图11为实例工程室外管线布置图。

具体实施方式

以下结合附图和实例详细说明本发明。

本发明通过分别在双相真空抽吸井中安装气提装置和在井附近设置气动破裂井来促进上述过程、提高抽取效率。同时，本发明提供带有气提、真空抽吸及气动破裂三者之间的联动方案，根据装有抽吸井和气动破裂井中运行参数的变化，自动进行调节，达到效率与成本的优化结合。对运行参数的监测和控制主要通过安装真空传感器、液位传感嚣和编程自动控制来实现。所发明的气破与气提协同式双相真空抽吸方法涉及到气提模式下的双相真空抽吸井、气动破裂井、真空泵、空气压缩机、气液分离装置、水油分离装置、传输管道、传输泵、控制器、废水和废气处理装置等，其工艺流程与系统示意图分别如附图2和附图3所示。

首先，在双相真空抽吸井中新增气提装置、真空传感器和液位传感器。所述的气提装置是在双相真空抽吸井中伸入一落管，一端与空气压缩机相连，一端连接气提喷头。气提喷头没入抽吸井地下水水面以下且距离井底0.1-0.2米；气提喷头为圆柱状，上有方向向上、环状排列的均布通孔以便高压气体均匀注入井内。带有气提装置的双相真空抽吸井运行时，通过气提装置往饱和带(井中地下水水面以下)注入80-100psi的高压气体，发挥类似于水下提升泵的作用，进一步帮助形成水力梯度，从而加强真空抽吸的效果和抽取高度。此举还有助于自由相与溶解相污染物的混合与移动，促进饱和带的自由相与溶解相污染物被驱入吸取管中，使更多的液相污染物抽吸出地面。同时，气体在饱和带的注入还能促进部分溶解相的有机污染物挥发，使其转化为气相污染物，在负压的驱使下以气态的形式被吸入井中而被抽出。为随时测量井内压力，在井口管线出口处安装数字真空传感器，该真空传感信号作为压力反馈值传输至控制单元。并且在井口预留孔径处插入PVC多孔套管，管套内放置液位传感器，以达到对井内液位的即时探测，并将液位信号传输至地面控制单元。其中，真空传感器可考虑采用美国Honeywell ST3000/900系列全智能变送器，具有防爆、精度高，可靠性强以及长期稳定性好等特点；该系列传感器具有温度和静压误差自动修正功能，能满足苛刻环境。液位传感器可采用美国SSI公司的超声波液位传感器。该设备用超声波技术产生高频声波，通过计算回声的反射时间、声波速度来达到测量井中液位的目的。气提模式下的双相真空抽吸井示意图如附图4所示。带有气提装置的双相真空抽取井井身及井头设计如附图5所示。气提喷头设计如附图6如示。

并且，在距离双相真空抽吸井3-8米范围内设一口以上的气动破裂井，井数由污染现场的地下条件而定。气动破裂井中伸入一落管，一端连接空气压缩机，一端安装气动破裂器。在井口安装电机驱动螺纹轴，使气动破裂器能在井中上下反复移动，既能在饱和带工作，也能在不饱和带工作。气动破裂器两端为耐高压可膨胀的封隔器，中间为金属喷头。喷射高压气体时，两端的封隔器扩张开至与管径共粗，将两封隔器之间的震裂段予以隔离，起到隔气效果。即高压气体通过喷头喷出后，确保喷气口附近的土壤能受到集中高压的喷射。当需要震散地下其它深度的土壤时，关闭空压机，卸压后，封隔器回缩，电动机驱动螺纹轴使气动破裂器移动到其他位置。到位后，重新打开空压机，封隔器重张，向震裂段喷射高压气体。空气压缩机通过气动破裂器向气动破裂井中喷射150-200psi的高压气体，震散细密的土壤结构(如粉土与粘土)，提高土壤渗透性，大大促进污染物向双相真空抽吸井方向的移动，抽吸效率得以提高。带有可移动式气动破裂器的气动破裂井井身与井头设计图如附图7所示。气动破裂器工作示意图如附图8所示。

此外，带有气提装置的双相真空抽吸井与气动破裂井相互配合，联动运行。其中包括气提、真空抽吸及气动破裂三者之间的联动，根据抽吸井及气动破裂井中运行参数的变化，自动进行调节，达到效率与成本的优化结合。编程自动控制由地面控制单元实现，采用工控机编程实现对井内参数的响应以及编程自动控制。联动方法如下：

a.真空两相抽吸泵开启；随着抽吸的进行，井中液位下降，当液位低于10米时，气提泵自动开启；井内压力升高至0.1MPa时，气提泵关闭；抽吸泵继续运行，至压力降至0.02MPa，抽吸泵停止运行，系统进入停机负压抽吸阶段。

b.如果停机负压抽吸持续20-40分钟后，抽吸井压力升高至大于0.05MPa，气动破裂井的空气压缩机维持关闭。如果停机负压抽吸持续达20-40分钟后抽吸井压力仍低于0.05MPa，气动破裂井的空气压缩机自动开启、开始气动破裂过程；至抽吸井压力回升至0.085MPa，气动破裂装置关闭，抽吸井抽吸泵自动开启。

c.重复过程a至b。

吸取到地表的污染物随即被送往分离装置进行下一步处理，通过二级分离，得到相应的分离产物。首先经过气液分离器，气体与液体分离，分离出来的气体将被进一步处理排放或者回收。液相污染物(水和油)随后进入油水分离器，油与水分离，废油将被回收，废水被送往废水处理装置，处理达标的废水可进行地下水回灌或是直接排放。

附图9、10、11分别为气破与气提联动式双相真空抽吸原位修复方法实例示范工程的平面布置图、井位设计图和室外管线布置图。该示范工程含污染源2个，处理站1座，总井数19个，其中气提模式下的双相真空抽吸井5个，气动破裂井2个，监测井12个。

本发明实例现场有近20年的轻质污油装卸、堆放历史，由于长期的降水淋滤与重力作用，石油污染持续向下迁移、扩散，深层土壤与地下水均已被石油烃严重污染，自由相NAPLs漂浮于地下水面上。实例工程平面布置图如附图9所示，井位设计图与室外管线设计图如附图10和11所示。工程油水混合物的抽吸、分离一体化，结构紧凑，操作简单，可靠性高，尤其适合去除地下层中以各种形式(自由相、吸附相、溶解相和气相)存在的石油污染物；示范工程可实现手动与自动控制。运行5天内，就能够有效去除污染区域的气态石油污染物。运行12天内，10口监测井自由相污染物(油相)的平均去除率为86.64％。经检测，出水水质好，溶解相石油类污染物去除率在98％以上，各主要污染指标均达到污水综合排放一级标准。与同类处理技术相比，在达到相同治理效果的前提下，节省投资约30％～50％，维护和管理成本达到同类技术的40％～75％，在相同的资源投入情况下，系统筛选最优运行方案，达到最优效果，节省运行费用达20％～35％。

Claims (8)

1.一种气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法，其特征是采用以下处理步骤：

1)采用通常的方法进行双相真空抽吸，在双相真空抽吸井中伸入一落管，一端与空气压缩机相连，一端连接气提喷头，在井口管线出口处安装真空传感器随时测量井内压力；

2)气提喷头没入抽吸井地下水水面以下且距离井底0.1-0.2米，在井下放置液位传感器感知井内液位；

3)在距离双相真空抽吸井3-8米范围内设一口以上的气动破裂井，气动破裂井中伸入一落管，一端安装气动破裂器，在井口安装电机驱动螺纹轴使气动破裂器在井中上下反复移动；

4)空气压缩机通过气动破裂器向气动破裂井中喷射高压气体，震散细密的土壤结构，使污染物向双相真空抽吸井方向移动；

5)将真空双相真空抽吸井开启，当井中液位低于10米时，气提开启；当井内压力升高至0.1MPa时，气提关闭，抽吸泵继续运行，至压力降至0.02MPa，抽吸停止运行，进入负压抽吸；

6)如果停机负压抽吸持续达20-40分钟后，抽吸井压力升高至大于0.05MPa，气动破裂保持关闭；如果停机负压抽吸持续达20-40分钟后抽吸井压力仍低于0.05MPa，气动破裂开启、开始气动破裂过程；至抽吸井压力回升至0.085MPa，气动破裂关闭，抽吸井抽吸泵开启；

7)将吸入双相真空抽吸井而抽到地表的饱和带自由相与溶解相污染物先进行气液分离、再进行油水分离，气液分离后的气体将进行处理排放或者回收，气液分离后液体中的废油回收、废水通过处理进行地下水回灌或是直接排放。

2.根据权利要求1所述的气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法，其特征是步骤2)所述的气提喷头为圆柱状，上有方向向上、环状排列的均布通孔。

3.根据权利要求1所述的气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法，其特征是步骤2)所述的压缩空气压力为80-100psi。

4.根据权利要求1所述的气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法，其特征是步骤2)所述的饱和带是指地下水水面以下位置。

5.根据权利要求1所述的气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法，其特征是步骤3)所述的气动破裂井外壁为可供气体穿过的格栅结构。

6.根据权利要求1所述的气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法，其特征是步骤4)所述的震散细密的土壤结构是指气动破裂器两端为耐高压可膨胀的封隔器，中间为金属喷头，当喷射高压气体时，两端的封隔器扩张开将两封隔器之间的震裂段予以隔离，当需要震散地下其它深度的土壤时，关闭空压机，卸压后，封隔器回缩，气动破裂器移动到其他位置。

7.根据权利要求1所述的气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法，其特征是步骤4)所述的高压气体为150-200psi。

8.根据权利要求1所述的气破与气提联动双相真空抽吸地下水原位修复方法，其特征是步骤4)所述的土壤结构是粉土或粘土。

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