CN103145232B - 用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于受污染地下水修复技术领域，特别涉及一种用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统。在地下水被有机污染物污染区域的上游位置设置注水井，将微纳米曝气装置置于注水井中，通过太阳能供电装置或蓄电池供电，并通过远程无线通讯装置与地面实现远程监测和控制；空气与水通过微纳米曝气装置产生含有微纳米气泡的水，进入地下水系统中，直接分解有机污染物或为微生物持续补充电子受体，促进有机污染物的降解去除；同时设置监测井对去除有机污染物过程中各参数进行实时监测和分析，并根据分析结果，远程调节微纳米气泡的发生时间、进水量和曝气量。微纳米气泡供氧效果好、持续时间长、影响范围大，弥补自然降解和生物通风等常规原位修复技术的不足。
Description
技术领域
本发明属于受污染地下水修复技术领域，特别涉及一种用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统。
背景技术
环境与发展，是当今国际社会普遍关注的重大问题。为了实现可持续的发展，环境保护和治理工作应是发展过程的组成部分。地下水资源作为全球水资源的重要组成部分，在我国地表水严重污染的条件下，对于经济和社会发展具有极其重要的作用。近年来，由于社会经济的高速发展和工业废弃物的大量产生，全球的环境污染问题日益严重，其中石油化学工业是重要污染源之一。目前我国地下水质量恶化趋势显著，许多地区地下水不同程度遭受有毒有害有机物的污染，形势十分严峻。国家“十二五”规划提出要“加大环境保护力度”，解决“土壤污染等损害群众健康的突出环境问题”，“加强地下水污染防治”。2011年10月发布的《全国地下水污染防治规划（2011—2020年）》指出要“初步遏制地下水水质恶化趋势”，“加强重点工业行业地下水环境监管”，“有计划地加快推进地下水污染修复”。环境友好和节能高效的污染地下水创新修复技术的开发和应用是我国国民经济和社会可持续发展的重要途径。
地下水原位修复技术由于成本较低、对环境干扰较小而得到迅速发展，是地下水污染修复的主要技术。自然衰减法和生物通风是有机污染地下水原位修复的常规技术，适用于大面积、低污染负荷场地的修复。自然衰减法是在合适的条件下利用自然界存在的生物、化学和物理过程，包括生物降解、稀释、分散作用、吸附或吸收、挥发和化学转换等，来降低土壤和地下水中污染物含量、毒性、移动性。自然衰减法能有效地处理挥发性和半挥发性石油烃、卤代有机物污染的土壤和地下水，是针对污染程度较轻情况常用的原位修复技术。有效的自然衰减可以替代强化恢复技术，节约修复成本。自然衰减法需要长期跟踪监测，了解场地自然降解规律和发展程度。研究表明，场地自然降解能力强烈依赖环境条件，由于供氧条件较差，存在的电子受体往往无法满足微生物降解反应的需要量，好氧微生物降解作用受到抑制，反应速率缓慢。生物通风通过真空或加压对污染土壤进行曝气，使土壤中的氧气浓度增加，从而促进好氧微生物的活性，提高土壤中污染物的降解效率。然而生物通风过程中空气在地下水中一般以微通道或毫米-厘米级粒径的独立气泡形式运动，影响范围较小，供氧效果较差，好氧微生物降解能力没有得到充分发挥，因而修复作用有限。
为提高曝气效率，降低气泡直径从而增加气相在水体内的滞留时间是研究的主要方向之一。1980年代以后，以OHR方式（Original Hydrodynamic Reaction）生成微细气泡一度颇受瞩目，但其生成的气泡直径在仍局限于毫米级。直到九十年代中期，气泡生成技术才有所突破，气泡直径达到微米级，并有成型的商用设备问世。微纳米气泡是指液体中微米和纳米量级气泡的统称，其直径一般小于60μm，微米气泡直径在1-60μm之间，纳米气泡的直径则在200nm以下。目前水体中微纳米气泡生成技术已经发展成熟。在水体中毫米-厘米级宏观气泡将在浮力作用下迅速上升，并在水表面处破裂；而微纳米气泡则由于直径较小，在粘滞力和浮力作用下上升速度较慢，在水体中停留时间较长，纳米气泡在水中可存留数月。因此微纳米气泡可以随地下水运动，迁移影响范围远大于普通气泡。由于水气界面张力作用，气泡内压较大，其高溶解能力可为水体提供高含量的溶解氧。同时，微纳米气泡气液界面带负电荷，可以与特定的污染物相互作用，微纳米气泡破裂时产生的自由基和振动波也可促进污染物的去除。
发明内容
本发明提供了一种用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统，可以对不同水文地质环境条件和不同有机污染场地进行原位地下水修复，同时对修复过程污染物浓度、微生物种群和数量、温度、pH值、电子交换能力等参数进行实施监测和分析，为相关科学研究提供实验数据。
本发明所述的用微纳米气泡对地下水原位修复的方法，包括以下步骤：
（1）在地下水被有机污染物污染区域的上游位置设置与地表连通的一个或多个注水井，将微纳米曝气装置置于注水井中，通过太阳能供电装置或蓄电池供电，并通过远程无线通讯装置与地面相连，实现远程监测和控制；
（2）空气与水通过微纳米曝气装置产生含有微纳米气泡的水，进入地下水系统中，微纳米气泡随地下水的运动输移扩散，直接分解有机污染物或为微生物持续补充电子受体，促进有机污染物的降解去除；
（3）在污染区域设置多个不同位置的与地表连通的监测井，利用监测井对去除有机污染物过程中各参数进行实时监测和分析，并根据分析结果，远程调节微纳米气泡的发生时间和曝气量。
所述微纳米气泡的尺寸为100 nm ~ 0.2 mm。
所述单个注水井有效修复的污染区域的最大范围不超过500m；所述有机污染物的浓度不超过5000ppm。
本发明提供的使用所述方法的用微纳米气泡对地下水原位修复的系统，其技术方案为：在地下水被有机污染物污染区域的上游位置设置一个或多个注水井，在污染区域的上方设置多个位置不同的监测井；在注水井的地下水水位线下方安装微纳米曝气装置，在地表安装太阳能供电装置，微纳米曝气装置与太阳能供电装置间通过电源线连接；微纳米曝气装置的顶面上设置进水口和进气管，且进气管的顶端高于地下水位线，微纳米曝气装置的底面上设置微纳米气泡水出口；微纳米曝气装置上设置无线通讯装置；在各个监测井内分别设置水质监测传感器。
所述微纳米曝气装置的进水量和出水量为1L/min ~ 10L/min，进气量为0.025L/min ~ 0.25L/min，产生的微纳米气泡的尺寸为100 nm ~ 0.2 mm。
微纳米气泡去除有机污染物的过程主要机理为：
（1）微纳米气泡增加地下水中的溶解氧，促进好氧微生物成长和有机污染物的降解，现场的好氧菌可达原来的10倍以上；
（2）微纳米气泡表面带电，对污染物有吸附作用；
（3）微纳米气泡破裂时释放能量，生成羟基自由基离子，对污染物具有氧化分解作用。
本发明的有益效果为：
（1）微纳米气泡供氧效果好、持续时间长、影响范围大，弥补自然降解和生物通风等常规原位修复技术的不足，促进微生物降解作用，对有机污染地下水进行修复。
（2）能够针对不同场地水文地质条件、有机污染情况（种类和浓度等）、以及微生物生态环境条件，选择和设计修复技术的细节，具有成本低，环境友好和节能高效的特点，适宜于较大面积，低污染负荷的场地修复。
（3）能实时监测各项参数，主要包括污染物浓度、微生物种群和数量、温度、pH值、电子交换能力等，对修复效果的进行科学分析和评价，从而进一步降低成本和提高修复效率；
（4）微纳米曝气装置采用太阳能和蓄电池供电，运行稳定，维护成本低。尤其在大规模污染场地，或电力供给困难的野外场地具有强大优势；
（5）微纳米曝气装置通过远程无线装置与地面相连，可以实现远程操控，节约人力物力；
（6）微纳米曝气装置使用水及空气产生含有微纳米气泡的水，其中水直接采用地下水，气体则通过自吸气装置从空气中获取，不需另外占用场地；水源和气源的获取简便快捷，节约人力物力财力；
（7）该技术刺激和促进土著微生物生长和增殖，不引入其它环境微生物，对场地环境和生态工程影响小；
（8）该技术所需注水井、监测井可以部分采用已有的工程井位，初始投资少，运营成本低；
（9）地下水修复达到环境标准后，相关技术设备可以回收进行重复利用。
附图说明
图1为微纳米气泡生成部分结构示意图；
图2为使用本发明所述的方法及系统对地下水污染物进行去除的示意图；
图中标号：
1-微纳米曝气装置；2-进水口；3-进气管；4-空气；5-微纳米气泡水出口；6-无线通讯装置；7-地下水；8-微纳米气泡水；9-太阳能供电装置；10-电源线；11-水质监测传感器。
具体实施方式
本发明提供了一种用微纳米气泡对地下水原位修复的方法及系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
利用本发明所述的方法和系统对地下水有机污染物进行微纳米曝气去除的现场实施方案如下：
（1）确定地下水有机污染物的区域，并确定地下水的流动方向，并确定需要的注水井的数量；对单个注水井来说，该被污染的区域最大范围不超过500m、有机污染物的浓度不超过5000ppm时，本发明所述的方法和系统可以起到较好的修复效果；
（2）根据步骤（1）的测定，在污染区域的上游位置建设一个或多个注水井，或采用已有井位；在注水井的地下水水位线下方安装微纳米曝气装置1，在地表安装太阳能供电装置9，微纳米曝气装置1与太阳能供电装置9间通过电源线10连接；微纳米曝气装置1的顶面上设置进水口2和进气管3，且进气管3的顶端高于地下水位线，微纳米曝气装置1的底面上设置微纳米气泡水出口5；微纳米曝气装置1上设置无线通讯装置6；微纳米曝气装置1的进水量和出水量为1L/min ~ 10L/min，进气量为0.025L/min ~ 0.25L/min，产生的微纳米气泡的尺寸为100 nm ~ 0.2 mm；太阳能供电装置9的输出为直流12V（最大不超过15V），电流强度最大为10A；
（3）在地下水被有机污染物污染的区域设置多个不同位置的观测井，在各个监测井内分别设置水质监测传感器11，远程监测和分析修复过程参数；
（4）在注水井中，微纳米曝气装置1利用井内空气4和地下水7进行微纳米曝气，产生微纳米气泡水8，注入至地下水中，并顺着地下水流动方向流至污染区域，对有机污染物进行去除。
Claims (5)
1.用微纳米气泡对地下水原位修复的方法，其特征在于，
在地下水被有机污染物污染区域的上游位置设置与地表连通的一个或多个注水井，将微纳米曝气装置置于注水井中，通过太阳能供电装置或蓄电池供电，并通过远程无线通讯装置与地面相连，实现远程监测和控制；
空气与水通过微纳米曝气装置产生含有微纳米气泡的水，进入地下水系统中，微纳米气泡随地下水的运动输移扩散，直接分解有机污染物或为微生物持续补充电子受体，促进有机污染物的降解去除；
在污染区域设置多个不同位置的与地表连通的监测井，利用监测井对去除有机污染物过程中各参数进行实时监测和分析，并根据分析结果，远程调节微纳米气泡的发生时间和曝气量。
2.根据权利要求1所述的用微纳米气泡对地下水原位修复的方法，其特征在于，所述微纳米气泡的尺寸为100 nm ~ 0.2 mm。
3.根据权利要求1所述的用微纳米气泡对地下水原位修复的方法，其特征在于，所述单个注水井能处理的污染区域的最大范围不超过500m；所述有机污染物的浓度不超过5000ppm。
4.一种基于权利要求1所述方法的用微纳米气泡对地下水原位修复的系统，其特征在于，在地下水被有机污染物污染区域的上游位置设置一个或多个注水井，在污染区域的上方设置多个位置不同的监测井；在注水井的地下水水位线下方安装微纳米曝气装置（1），在地表安装太阳能供电装置（9），微纳米曝气装置（1）与太阳能供电装置（9）间通过电源线（10）连接；微纳米曝气装置（1）的顶面上设置进水口（2）和进气管（3），且进气管（3）的顶端高于地下水位线，微纳米曝气装置（1）的底面上设置微纳米气泡水出口（5）；微纳米曝气装置（1）上设置无线通讯装置（6）；在各个监测井内分别设置水质监测传感器。
5.根据权利要求4所述的用微纳米气泡对地下水原位修复的系统，其特征在于，所述微纳米曝气装置（1）的进水量和出水量为1L/min ~ 10L/min，进气量为0.025L/min ~ 0.25L/min，产生的微纳米气泡的尺寸为100 nm ~ 0.2 mm。
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