CN103112915B - 一种去除地下水中污染物的循环井方法与装置 - Google Patents
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Abstract
去除地下水中污染物的循环井方法，所述循环井是一个在污染地内，根据土壤性质、污染程度及设备对土壤的影响半径，循环井以连续梅花状、方格或六面体形布局，循环井是打1~N个直径不小于100mm、深度大于1米的水井，在此井内进行曝气、吹脱、抽提、加药处理工艺进行污染水的处理；吹脱：将井水即地下水提升至井顶部后通过喷淋头向下喷淋；曝气、抽提：井内曝气和气体真空抽提增加气液传质界面，增强气体吹脱效果，井内曝气时，增加地下水中溶解氧含量，使得被污染的水在有氧的环境中，加药：根据污染程度及污染物的不同，在曝气的高压气泵1的进气口A处或专用加药管加进氧化剂、微生物制剂、臭氧或/和絮凝剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种去除地下水中污染物的循环井工艺，尤其是挥发性有机污染物，同时也可对污染土壤进行VOC（总有机物）的抽提。
背景技术
在污染土壤的治理中，必须对污染土壤场地的地下水进行处理，许多化工或农药企业搬迁后的污染土壤场地若不经过地下水的处理，则根本没有完成土壤的治理工作。在现有的污染土壤场地地下水修复实践中，采用了很多技术，基于污染物物理去除原理，曝气技术、气提技术、吹脱技术被普遍采用。遗憾的是，尽管对气态的有机污染物均已经有催讨化加热处理工艺，现有的这些技术的应用都有明显的局限性。
发明内容
本发明目的是，提出一种去除地下水中污染物的循环井方法，提出一种原位法对污染土壤场地的地下水进行处理方法，达到对有机污染物的分解或无害化固定，尤其是具有较高效率和较低成本的处理受有机污染物污染的局部地下水，这也是中国目前面上面临的问题。
技术方案
本发明目的是，提出一种去除地下水中污染物的循环井方法和相应的装置，提出一种原位法对污染土壤场地的地下水进行处理方法，达到对有机污染物的分解或无害化固定，尤其是具有较高效率和较低成本的处理受有机污染物污染的局部地下水，这也是中国目前面上面临的问题。
本发明的技术方案是：去除地下水中污染物的循环井方法，本发明(按图1所示)所述循环井是一个在污染地内，根据土壤性质、污染程度及设备对土壤的影响半径，以连续梅花状、方格或六面体形布局，打1~N个直径不小于100mm（直径可以达到几米甚至十米以上）、深度大于1米的水井（可以深数十米甚至百米），N是整数，数值要覆盖整个污染区域；在此井内进行曝气、吹脱、抽提、加药处理工艺进行污染水的处理。也可以预先在井内增加紫外光催化氧化的方式（图中未表示），提高治理效果。吹脱：将井水即地下水提升至井顶部后通过喷淋头5向下喷淋；
曝气、抽提：井内曝气和气体真空抽提增加气液传质界面，增强气体吹脱效果，井内曝气时，增加地下水中溶解氧含量，使得被污染的水在有氧的环境中，
加药：根据污染程度及污染物的不同，在曝气的高压气泵1的进气口A处或专用加药管加进氧化剂、微生物制剂、臭氧或/和絮凝剂。
进一步的，潜水泵5将井水即地下水提升至井顶部后通过喷淋头6向下喷淋，井内曝气和真空抽提增加气液传质界面，增强气体吹脱效果，井内曝气时，增加地下水中溶解氧含量，使得被污染的水在有氧的环境中；采用高压气泵曝气，其压力范围在0.2~20Mpa或更高，供气气量在1~300L/Min或更大；吹脱采用的潜水泵5的流量范围在1~300L/Min或更大，扬程范围在1~30M或更高；抽提用真空泵13的抽气量在1~6000L/Min或更大，真空度在0~0.099Mpa之间。
进一步的，根据污染物对象的不同，该发明还可以通过储药罐14及控制阀15，对污水加进适当的药剂，使得该发明更有广泛的适应性。加药时，我们只要关闭高压气泵1，开启真空泵13，这样药剂就会被自动吸入井内，且由于曝气头的作用，药剂和污染水的混合会很均匀。
进一步的，井上设有密封盖，通过真空抽提装置对井内气体进行抽提，在该发明中，当抽提气量大于曝气量时，井内处于负压状态，此时抬升井内水位，促使井内地下水溢流进入井周围含水层渗流区域，如图1中水线31所示。该发明也通过提高曝气气量，减少或停止抽提气量，使得井内处于正压，此时井内水面下降，如图1中水线32所示，从而推动地下水循环，扩大了水循环的影响半径。井密封的条件下，通过交叉的大气量抽提和大气量曝气产生的负、正压对井内水进行处理压力扰动，对于沙性土壤，交叉周期只要十分钟污染地下水的水面就有明显的变化，使此井处理的地下水的有效区域增加，提高处理效率。有数据表明，此正负压的交叉过程，在透水性较好的土壤里，使得影响半径可以达到90米以上。
进一步的，本发明在井内可以设有紫外光催化氧化装置，紫外光催化装置是TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷网光化学反应机理，其结构是：三维蜂窝陶瓷层和紫外光源层均多于2层，纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层的均匀开孔是竖直向上的，150~280nm紫外光源层是水平横置的或水平平行的环形紫外灯管，井内设有平行放置的金属栅格网，均匀放置纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层及紫外灯管。
进一步的，本发明在吹脱时也可采用吹脱塔原理：潜水泵5将井水即地下水提升至井顶部后通过喷淋头6向下喷淋时采用吹脱塔进行吹脱(包括填料塔与筛板塔两种)液体从塔顶喷下，在填料或筛板表面呈膜状向下流动；曝气气体由塔底送入，从下而上同液膜逆流接触，完成传质过程。
进一步的，井内设有电解装置对水进行电解去除重金属。
进一步的，本发明在修复区域内，将受污染程度、深度相同的几口井组合成一个井群时，可以对修复工艺技术实现统一管理，从而减少了盲目性，增加了可靠性。通过从采样口B处的适时自动巡回采样分析，就可以实现自动或半自动远程控制整个修复过程，甚至可以达到无人值守的修复工艺。
去除地下水中污染物的循环井装置，采用由高压气泵1、压力表2、调节阀3、曝气头4等组成曝气系统；由潜水泵5、喷淋头6、压力表7、水样采集控制阀8等组成吹脱系统；由抽提口9、调节控制阀10、真空表11、吸附塔12、真空泵13等组成抽提系统；由储药罐14、控制阀15等组成加药系统；由井室16、井体17等组成水井系统。吹脱系统亦可设直径略小于井直径的吹脱塔进行吹脱(包括填料塔与筛板塔两种)。
进一步的，采用紫外光催化装置，紫外光催化装置是TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷网光化学反应室，其结构是：三维蜂窝陶瓷层和紫外光源层共有2至8层，纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层的均匀开孔是竖直向上的，150～280nm紫外光源层是水平横置的或水平平行的环形紫外灯管。设有平行放置的金属栅格网，均匀放置纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层。
高压气泵的压力范围在0.2~20Mpa或更高，供气气量在1~300L/Min或更大。
潜水泵的流量范围在1~300L/Min或更大，扬程范围在1~30M或更高。
真空泵的抽气量在1~6000L/Min或更大，真空度在0~0.099Mpa之间；吸附塔容量为1~6000L或更大。
储药罐可以有1~N个，储药量为1~6000L或更大。
本发明的有益效果是：该发明井的顶部安装（真空和加压）密封装置，气体抽提装置可以将井内和井周围非饱和带中的气体抽出，这个作用可以将饱和蒸汽压较低的挥发及半挥发物质从吸附的水或者土壤中蒸发出来，从而达到治理被污染地下水及土壤的目的。
在此井内进行曝气、吹脱、抽提、加药以及微生物制剂、臭氧或/和絮凝剂，以及紫外光催化等多种水处理方式，且比较机械化和自动化的进行处理，容易从水的万分和处理的不同情况微调不同的处理方法。
本发明的有益效果是：在此井内进行曝气、吹脱、抽提、加药以及微生物制剂、臭氧或/和絮凝剂，以及紫外光催化氧化等多种水处理方式，且比较机械化和自动化的进行处理，容易从水处理的不同情况微调不同的处理方法。去除目前最主要的有机物和重金属污染。
该发明井的顶部安装（真空和加压）密封装置，在对污染场地修复区域的地表做适当覆盖时，可以将饱和蒸汽压较低的挥发及半挥发物质VOCs从吸附的水或者土壤中蒸发出来，从而达到治理被污染地下水及被污染土壤一举两得的目的。
本发明具有如下特点：成本具有很大的比较优势，循环井工艺系统初始的投入费用和安装成本与单独的曝气系统相当，因为单独的曝气系统需要建立许多独立的气提井，与之相连的有挖掘和井位安装费用，循环井增加的泵和管道费用正好与之相抵消。就整个项目的费用而言，由于循环井工艺大大缩短了项目工期，与曝气技术相比，循环井工艺系统节省75%的费用。实际的成本节省因场地而异，计算应该用缩短的工期乘以每年的设备运行和维护费用。又由于修复过程中地下水位只是在本发明影响半径内局部变化，因此解决了外部地下水涌入的问题，这更有利于降低修复成本。
本发明具有以下技术优势：循环井工艺显然是对现有工艺的巨大改进。从该技术几个场地的实际应用看，循环井工艺能实现现有技术无法达到的效果，循环井工艺具体的优势包括：单井，多种技术组合；营造地下水力循环；无注射、排放费用；适用于地下水、饱和区和非饱和区修复；证明对物（烃类、芳烃类、氯代有机物类）有效无害化处理与固定；无地表排放和处理；启动修复用其他技术无法达到修复目标的场地；最常用的是使用普通4英寸井构造；增强烃类和甲基叔丁基醚的生物降解；可以通过现有的气提井/抽提井改造而成；没有复杂的部件；相对低的安装和运行维护成本；整个风险小。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
本发明的典型工艺处理的应用：去除地下水中污染物的循环井方法，如水是高浓度有机污水（COD大于6000mg/L或更高），本发明是一个在污染地打的大于100mm、深度大于1米的井，在此井内可先进行强氧化剂的添加（如芬顿试剂、臭氧或高氧气体曝气等）或进行紫外光催化氧化（30~100min）；交叉进行曝气或曝气与吹脱和抽提2~10个周期，每个周期10~100min；在曝气的高压气泵1的进气口A处加入臭氧，或专用储药罐加进微生物制剂进行生化处理10~48h，再进行交叉进行曝气或曝气与吹脱和抽提2~10个周期。经以上处理达到COD200mg/L以下，则可以进行絮凝剂絮凝。
吹脱时可采用吹脱塔：潜水泵将井水即地下水提升至井顶部后通过喷淋头5向下喷淋时采用吹脱塔进行吹脱(包括填料塔与筛板塔两种)液体从塔顶喷下，在填料或筛板表面呈膜状向下流动；曝气气体由塔底送入，从下而上同液膜逆流接触，完成传质过程。
通过储药罐14及控制阀15，对被污染的井水加进适当的药剂，关闭高压气泵1，开启真空泵13，这样药剂就会被自动吸入井内。
井上设有密封盖，通过真空抽提装置对井内气体进行抽提，在该发明中，当抽提气量大于曝气量时，井内处于负压状态，此时抬升井内水位，促使井内地下水溢流进入井周围含水层渗流区域；也通过提高曝气气量，减少或停止抽提气量，使得井内处于正压，此时井内水面下降，从而推动地下水循环，扩大了水循环的影响半径；井密封的条件下，通过交叉的大气量抽提和大气量曝气产生的负、正压对井内水进行处理压力扰动，交叉的周期在十分钟以上，一小时以内，使此井处理的地下水的有效区域增加。
抽提工作期尤其在吹脱一段时间（五分钟以上的吹脱）之后。
所述循环井是在污染地内连续布置的，密度视污染区域土壤性质及影响半径而定，一般为0.005~1个/M2。
吹脱、气提法用于脱除水中溶解气体和某些挥发性物质。即将气体（载气）通入水中，使之相互充分接触，使水中溶解气体和挥发性物质穿过气液界面，向气相转移，从而达到脱除污染物的目的。常用空气作载气，前者称为吹脱。
污水中常常含有大量有毒有害的溶解气体，如CO2、H2S、HCN、CS2等，其中有的损害人体健康，有的腐蚀管道、设备，为了除去上述气体，常使用吹脱法。吹脱法的基本原理是：将空气通入污水中，改变有毒有害气体溶解于水中所建立的气液平衡关系，使这些易挥发物质由液相转为气相，然后予以收集或者扩散到大气中去。吹脱过程属于传质过程，其推动力为污水中挥发物质的浓度与大气中该物质的浓度差。
吹脱法既可以脱除原来就存在于水中的溶解气体，也可以脱除化学转化而形成的溶解气体。如污水中的硫化钠和氰化钠是固态盐在水中的溶解物，在酸性条件下，它们会转化为H2S和HCN，经过曝气吹脱，就可以将它们以气体形式脱除。这种吹脱曝气称为转化吹脱法。吹脱塔又分为填料塔与筛板塔两种。填料塔塔内装设一定高度的填料层，液体从塔顶喷下，在填料表面呈膜状向下流动；气体由塔底送入，从下而上同液膜逆流接触，完成传质过程。其优点是结构简单，空气阻力小。缺点是传质效率不够高，设备比较庞大，填料容易堵塞。
筛板塔是在塔内设一定数量的带有孔眼的踏板，水从上往下喷淋，穿过筛孔往下，空气则从下往上流动，气体以鼓泡方式穿过筛板上液层时，互相接触而进行传质。通常筛孔孔径为6~8mm，筛板间距为200~300mm。其优点是构造简单，制造方便，传质效率高，塔体比填料塔小，不易堵塞。但操作管理要求高，筛孔容易堵塞。
吹脱过程中二次污染的防治用吹脱法处理污水的过程中，污染物不断地由液相转入气相，易引起二次污染，防止的方法有以下三类：①中等浓度的有害气体，可以导入炉内燃烧；②高浓度的有害气体应回收利用；③符合排放标准时，可以向大气排放。而第二种方法是预防大气污染和利用三废资源的重要途径。回收这些有害气体的基本方法如下：
（1）用碱性溶液吸收挥发性气体，如用NaOH溶液吸收HCN，产生NaCN；吸收H2S，产生Na2S，然后再把吸收液蒸发结晶，进行回收。
（2）用活性炭吸附挥发性物质气体，饱和后用溶剂解吸。
（3）对挥发性气体如H2S进行燃烧，制取H2SO4。
吹脱应用用于处理氨氮污水。吹脱处理的优点是结构简单，易行，氨氮去除效率高，技术成熟，缺点是耗能高，二次污染严重，吹脱塔易结垢等。研究发现若用煤气吹脱与硫铵和AAO生化法联运，脱除工业污水中氨氮。
紫外光催化氧化采用TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷网光化学反应室，其结构是：三维蜂窝陶瓷层和紫外光源层共有2至8层，纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层的均匀开孔是竖直向上的，150~280nm紫外光源层是水平横置的或水平平行的环形紫外灯管。设有平行放置的金属栅格网，均匀放置纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层。
去除地下水中污染物的循环井方法，如水是高浓度有机废水（COD大于6000mg/L或更高），所述循环井是一个在污染地打的大于100mm小于500mm的井，深度1.5~5米，在此井内先进行强氧化剂添加（如芬顿试剂、臭氧或高氧气体曝气等）或/和紫外光催化（30~100min）；交叉进行曝气或曝气与吹脱和抽提2~10个周期，每个周期10~100min；在曝气的高压气泵1的进气口A处或专用加药管加进微生物制剂进行生化处理10~48h，再进行交叉进行曝气或曝气与吹脱和抽提2~10个周期；经以上处理达到COD200mg/L以下，则可以进行絮凝剂絮凝。
井内设有电解装置对水进行电解去除重金属的工艺条件：采用常规的电解方法，采用48V以内的安全电压，控制电解电流在1A以内，阳极采用碳电极，阴极上回收的阴极泥就是需要去除的重金属。
实施例研究显示：循环井工艺是去除地下水中污染物的有效技术，它能在较短的时间内加速场地修复进程和显著减少VOCs浓度。循环井工艺在几周内达到的污染物去除效果是其他技术在几年内达到的效果。循环井工艺从曝气、抽提、吹脱、强化生物降解中获得的综合效果使得该技术成为卓有成效、高效经济的修复技术
通过运行机理、成本比较、技术优势分析和案例研究，揭示了该技术在处理地下水物方面高效、快速、经济的性能。
本发明新型的地下水污染物处理技术---循环井工艺应运而生，它将曝气、气提、吹脱集成于一体，克服了地下水抽出处理周期长、水处理费昂贵，曝气处理影响半径有限、去除速率低的缺点。
图中影响半径R、处理土壤的深度H、水井半径r、空心箭头是气流方向，实心箭头是水流方向，以下为更具体的实施例：
（1）某一工业干洗店场地，场地地势相对平整，场地以东300米处有一河流。该场地土壤以淤泥质细砂、壤土为主。经土壤钻孔和地下水检测井检测，场地好几处非常深的地方检测到四氯乙烯（PCE），土壤中PCE最高浓度达到47000ug/kg，地下水中达到了20000ug/l。用常规的修复技术修复了几年后发现：修复基本已经停止，PCE浓度在一个范围内波动，无法达到修复目标。为了尽快完成修复，改用循环井工艺。循环井被安装在污染源区，在距循环井5—6米处，设立了监测井。在循环井投用前，监测井中的PCE浓度和溶解氧分别为2700ug/l和1.23mg/l，循环井投入运行半个月后，监测井中PCE浓度降低了90%至240ug/l，溶解氧的浓度增加到9.57mg/l。循环井运行70天后，PCE浓度降到79ug/l，相当于该地区地下水中PCE的本底值。
（2）某化工场地，场地地势较高，土壤由淤泥质粘土和粘土组成，地下水埋深地下10米左右，水力梯度较大，物（VOCs）在地下水源头区域超过了80000ug/l。经对现有抽提井和管道改造后，循环井工艺投入运行，二个月后，周围监测井内，物的浓度减低了30~85%，根据溶解氧和浓度改变得知：循环井工艺影响半径超过了15米。
以上所述仅是本发明的较佳实施例，故凡依本发明范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明范围内。
Claims (10)
1.去除地下水中污染物的循环井方法，其特征是所述循环井是一个在污染地内，根据土壤性质、污染程度及设备对土壤的影响半径而打的水井，循环井以连续梅花状、方格或六面体形布局，循环井是打1～N个直径不小于100mm、深度大于1米的水井，在此井内采用曝气、吹脱、抽提、加药处理工艺进行污染水的处理；
吹脱：将井水即地下水提升至井顶部后通过喷淋头向下喷淋；
曝气、抽提：井内曝气和气体真空抽提增加气液传质界面，增强气体吹脱效果，井内曝气时，增加地下水中溶解氧含量，使得被污染的水在有氧的环境中；
加药：根据污染程度及污染物的不同，在曝气的高压气泵的进气口处或专用加药管加进氧化剂、微生物制剂或/和絮凝剂。
2.根据权利要求1所述的去除地下水中污染物的循环井方法，其特征是井内水处理另采用紫外光催化氧化的方式。
3.根据权利要求1所述的去除地下水中污染物的循环井方法，其特征是采用高压气泵曝气，其压力范围在0.2～20Mpa或更高，供气气量在1～300L/Min或更大；吹脱采用的潜水泵的流量范围在1～300L/Min或更大，扬程范围在1～30M或更高；抽提用真空泵的抽气量在1～6000L/Min或更大，真空度在0～0.099Mpa之间。
4.根据权利要求1所述的去除地下水中污染物的循环井方法，其特征是井内水处理另采用吸附剂处理的方式，吸附塔容量为1～6000L或更大。
5.根据权利要求1所述的去除地下水中污染物的循环井处理方法，其特征是采用生化、絮凝处理工艺，添加微生物制剂进行生化处理，生化处理时与井内微生物形成微生物生物圈，利用微生物对井内污水的生物降解净化作用；生化、絮凝剂的储药罐有1～M个，储药量为1～6000L。
6.根据权利要求1所述的去除地下水中污染物的循环井方法，其特征是通过储药罐（14）及控制阀（15），向被污染的井水加适当的药剂，关闭高压气泵（1），开启真空泵（13），这样药剂就会被自动吸入井内,且由于曝气头的作用，药剂和污染水的混合会很均匀。
7.根据权利要求1－6之一所述的去除地下水中污染物的循环井方法，其特征是井上设有密封盖，通过真空抽提装置对井内气体进行抽提，当抽提气量大于曝气量时，井内处于负压状态，此时抬升井内水位，促使井内地下水溢流进入井周围含水层渗流区域；也通过提高曝气气量，减少或停止抽提气，使得井内处于正压，此时井内水面下降，从而推动地下水循环，扩大了水循环的影响半径；井密封的条件下，通过交叉的大气量抽提和大气量曝气产生的负、正压对井内水进行处理压力扰动，使此井处理的地下水的有效区域增加，交叉的周期视污染程度及土壤性质而定。
8.根据权利要求1－6之一所述的去除地下水中污染物的循环井方法，其特征是井内设有电解装置对水进行电解去除重金属。
9.根据权利要求1－6之一所述的去除地下水中污染物的循环井方法，其特征是，井内设有紫外光催化氧化装置，紫外光催化装置是TiO2光催化剂负载于三维蜂窝陶瓷网光化学反应室，具体结构是：三维蜂窝陶瓷层和紫外光源层均多于2层，纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层的均匀开孔是竖直向上的，150～280nm紫外光源层是水平横置的或水平平行的环形紫外灯管，井内设有平行放置的金属栅格网，均匀放置纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层及紫外灯管。
10.根据权利要求1－6之一所述的去除地下水中污染物的循环井方法所用的装置，其特征是采用由高压气泵（1）、压力表（2）、调节阀（3）、曝气头组成曝气系统；由潜水泵（5）、喷淋头（6）、压力表（7）、水样采集控制阀（8）组成吹脱系统；由抽提口（9）、调节控制阀（10）、真空表（11）、吸附塔（12）、真空泵（13）组成抽提系统；由储药罐14、控制阀（15）组成加药系统；由井室（16）、井体（17）组成水井系统，吹脱系统亦设直径略小于井体直径的吹脱塔进行吹脱；还采用紫外光催化装置，紫外光催化装置是TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷网光化学反应室，其结构是：三维蜂窝陶瓷层和紫外光源层共有2至8层，纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层的均匀开孔是竖直向上的，150～280nm紫外光源层是水平横置的或水平平行的环形紫外灯管；设有平行放置的金属栅格网，均匀放置纳米TiO2光催化剂负载的三维蜂窝陶瓷层。
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Denomination of invention: Circulation well method and device for removing pollutants in underground water Effective date of registration: 20191219 Granted publication date: 20140416 Pledgee: Jiangsu Zijin rural commercial bank Limited by Share Ltd branch of science and technology Pledgor: Jiangsu DDBS Environment Remediation Co., Ltd. Registration number: Y2019320000376 |
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Date of cancellation: 20200929 Granted publication date: 20140416 Pledgee: Jiangsu Zijin rural commercial bank Limited by Share Ltd. branch of science and technology Pledgor: JIANGSU DDBS ENVIRONMENT REMEDIATION Co.,Ltd. Registration number: Y2019320000376 |