CN103244178B - 一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，包括在地下气化燃空区构建底部的防渗层的步骤、构建中间支撑层的步骤和构建顶部防水层的步骤；本发明结构简单、施工方便，防渗层是膨润土防渗层，对气化废水中的污染物具有极强的截留能力，限制了污染物的迁移，膨润土作为一种常见的无机矿物，廉价易得，且对污染物有良好的截留和吸附能力；顶部防水层杜绝了干净水源迁入地下气化废水区，隔绝外部的洁净水源与气化废水污染区，防止地表水经岩层渗入与气化废水相接触而被污染。

Description

一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法

技术领域

本发明涉及煤炭地下气化领域，特别涉及一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，是一种处理地下气化废水残留污染物的防控方法。

背景技术

煤炭地下气化是以地下煤层为原料，以空气、氧气及蒸汽为气化剂，通过气化剂与煤的热作用与化学作用产生可燃气体的过程。相对于传统的地面气化过程，煤炭地下气化具有安全、高效、投资少的特点。然而煤炭地下气化的热解段不可避免地要产生污染物质，包含有氨氮、酚类、重金属和多环芳烃类物质。这些物质在气化过程中会随煤气到达地面，进入煤气处理系统得以净化处理，但在气化后仍会有大量的这些物质残留在气化炉的燃空区，对气化煤层邻近的含水层造成潜在的污染风险，并且在煤层水涌入后形成燃空区废水。目前国际上通用的办法是，是在气化后对燃空区进行抽提处理，将地下燃空区废水中的一部分通过抽水泵输送至地面处理，至污染物浓度降低到一定水平，但仍有一定量的污染物残留在地下。由于气化燃空区是一个由煤灰、矸石、顶板垮落岩石松散填充的空腔，将有大量污染物被吸附，导致彻底清除残留物是无法实现的。同时，一方面残存的污染物会缓慢渗透迁移至地下水系，引起潜在的地下水污染风险，造成地下水系的严重污染。另一方面，由表层渗入燃空区的洁净水源与残余污染物相混合，不断被污染，并引起煤层污染面不断扩大。由于地下气化一般位于地下200m以深的煤层内的地层内，无法按照地面污水处理厂的常规方式进行处理。同时由于燃空区固体残留物的吸附作用，燃空区的污染物是无法彻底清除的，难以按照地面常规污水处理方式进行处理。因此需要一种简单且实用的地下残留废水处理方法来控制燃空区低浓度残留污染物的迁移与扩散。

目前，地下气化废水现有技术主要有以下几种：

现有技术一：中国专利号200810119352.3公布了一种煤炭地下气化污染的修复方法，具体方法是从地面向气化燃空区注入一定浓度的双氧水，利用双氧水在水中产生含氧自由基，将废水中的酚类有机污染物氧化分解，该方法可避免酚类污染物迁移渗透造成地下水污染。

现有技术二：《煤炭科学技术》2010年第38卷第1期上发表了一篇名为“基于水解酸化工艺的煤地下气化废水处理”的文章，文章在褐煤地下气化废水生化处理工艺中引入水解酸化工艺，研究水解酸度、时间、温度等参数对废水可生化性的影响，比较水解酸化工艺与生物接触氧化对废水综合处理的效果。结果表明采用水解酸化-好氧生物接触氧化工艺显著提高了废水的可生化性，优于单独采用生物接触氧化的处理效果。

现有技术三：中国专利号200610033932.1公布了一种煤气化废水的处理及回收方法，具体是通过脱酸工艺步骤、萃取脱酚步骤、萃取溶剂再生步骤、氨回收和残留溶剂回收步骤来处理煤气化废水，萃取剂采用精馏法再生，满足循环处理要求。

现有技术四：中国专利号201019114056.9公布了一种活性焦处理气化废水的新工艺，具体方法是将煤气化废水先用活性焦进行第一段吸附处理去除COD与悬浮物，再经过微生物-厌氧和微生物-好氧处理，再进一步利用活性焦进行第二段深度吸附处理。

以上现有技术均有不足之处。

现有技术一采用化学的方法，利用一定浓度的双氧水氧化地下气化废水中的酚类污染物，去除的污染物相对单一。对于重金属离子和氨氮却双氧水难以氧化处理，如果重金属离子和氨氮迁移进地下水体系，亦会造成严重污染。而且双氧水价格不低，会引起地下气化废水处理过程中的成本增加。

现有技术二采用酸化与生化的方法处理地下气化废水，缺点是在深入地下的气化燃空区难以进行水解酸化作业，残留酸液会带来进一步污染，且在地下深处进行生物接触氧化步骤也较为困难。

现有技术三和现有技术四主要是针对地上气化工艺的，无法适用于地下应用，现有技术三在地下深处建立萃取和精馏装置较为困难，现有技术四使用的活性焦价格较贵，中间步骤也难以进行厌氧和好氧生物处理。

发明内容

本发明的目的是提出一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，即将地下气化废水的燃空区通过构建由不同的材料形成三个功能层来防控污染，即底部的防渗层，中部的支撑层和顶部的防水层，底部的防渗层控制了地下气化废水中污染物的进一步迁移与扩散，顶层的防水层又杜绝了外部的清洁水源的流入后再被污染的可能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，包括在地下气化燃空区构建底部的防渗层的步骤、构建中间支撑层的步骤和构建顶部防水层的步骤；

所述构建底部的防渗层的步骤是：

a.将粒度在100目以下的膨润土按照与水3:1的比例配置膨润土浆液，其过程是将水缓慢地注入膨润土粉末进行搅拌，在注水过程中保持不间断的搅拌；

b.加入硅酸钠继续搅拌调节膨润土浆液直至膨润土浆液pH值至大于9，使所述膨润土浆液可以悬浮于水之中不沉，增加浆液的流动性，便于输送；

c.通过灌浆孔道将所述膨润土浆液通过灌浆孔道泵送至地下气化燃空区，等候一段时间，使得膨润土浆液在燃空区底部区域内充分流动，布满整个燃空区底层，所述膨润土浆液与地下气化废水形成完全均匀的混合溶液；

d.将硫酸加入地下气化燃空区中的所述混合溶液，调节混合溶液pH值小于6.5，此时，在弱酸性的条件下，膨润土会在废水中沉降，在底部构成阻止废水中污染物的向下迁移的密实防渗层；

所述构建中间支撑层的步骤是：

e.将周边不会对环境产生二次污染的固体废弃材料送入所述防渗层之上的地下气化燃空区，构成中间的支撑层；

所述构建顶部防水层的步骤是：

f.将防水材料灌入地下气化燃空区的支撑层之上固化形成顶部防水层。

进一步，所述等候一段时间至少是4小时以上。

进一步，在执行所述步骤d后需要等至少12小时以上再执行步骤e。

进一步，所述固体废弃材料是煤炭周边大量堆弃的煤矸石或粉煤灰或砂石土方。

进一步，所述防水层的厚度为气化燃空区厚度的五十分之一至十分之一。

进一步，所述底部的防渗层的厚度应达到气化燃空区厚度的十分之一至五分之一。

进一步，所述加入硅酸钠的摩尔量与加入硫酸的摩尔量相同。

进一步，所述防水材料是高岭土、环氧树脂、聚氨酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂及它们混合物的一种。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.防止了地下气化废水中污染物的迁出：废水的底部垫有膨润土防渗层，对气化废水中的污染物具有极强的截留能力，限制了污染物的迁移。

2.杜绝了干净水源迁入地下气化废水区：顶部的防水层隔绝外部的洁净水源与气化废水污染区，防止地表水经岩层渗入与气化废水相接触而被污染。

3.该方法中使用的膨润土作为一种常见的无机矿物，廉价易得，且对污染物有良好的截留和吸附能力。 

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为具体实施方式中的膨润土加入过程示意图；

图2为具体实施方式中的砂石土方加入过程示意图；

图3为具体实施方式中的防水材料加入过程示意图。

具体实施方式

一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法实施例，本实施例通过设置三个功能化层，起到既能防止地下气化污染区的有害物质进一步向地下水系迁移扩大再污染的作用，又能杜绝外部的清洁水源的流入污染区后再被污染。

这三个功能层包括底部由膨润土构成的防渗层，由顶部防水材料构成的防水层，中间起支撑作用的支撑层。

底层由膨润土构成的污染截留层，能截留废水中的污染物，防止其向地下水迁移。顶层设置的防水层，能隔绝外部的洁净水源与气化废水污染区接触，防止干净的水源迁入而再被污染。中间由廉价的砂石土方构成支撑层，起到支撑作用。

因此，所述方法包括在地下气化燃空区构建底部的防渗层的步骤、构建中间支撑层的步骤和构建顶部防水层的步骤；

其结构如图1至图3所示，其中，1-灌浆孔道，2-膨润土防渗层，3-地下气化废水，4-气化燃空区，5-砂石土方支撑层，6-防水层。

所述构建底部的防渗层的步骤是：

a.将粒度在100目以下的膨润土按照膨润土为3、水为1的3:1的比例配置膨润土浆液，其过程是将水缓慢地注入膨润土粉末进行搅拌，在注水过程中保持不间断的搅拌；流速不宜过快，以不引起膨润土粉末飞溅为宜；

b.加入硅酸钠继续搅拌调节膨润土浆液直至pH至大于9，使所述膨润土浆液可以悬浮于水之中不沉，增加浆液的流动性，便于输送；

c.通过灌浆孔道将高浓度膨润土浆液通过灌浆孔道泵送至地下气化燃空区，等候4小时，使得膨润土浆液在燃空区底部区域内充分流动，布满整个燃空区底层，高浓度膨润土浆液与地下气化废水形成完全均匀的混合溶液；

d.将硫酸加入地下气化燃空区中的所述混合溶液，调节混合溶液pH值小于6.5，此时，在弱酸性的条件下，膨润土会在废水中沉降，在底部构成阻止废水中污染物的向下迁移的密实防渗层；

所述构建中间支撑层的步骤是：

e.将周边不会对环境构成二次污染的固体废弃材料送入所述防渗层之上的地下气化燃空区，构成中间的支撑层；

所述构建顶部防水层的步骤是：

f.将防水材料灌入地下气化燃空区的支撑层之上固化形成顶部防水层。

实施例中，在执行所述步骤d后需要等至少12小时以上再执行步骤e。

实施例中，所述固体废弃材料是煤炭周边大量堆弃的煤矸石或粉煤灰或砂石土方。

实施例中，所述防水层的厚度为气化燃空区厚度的五十分之一至十分之一。

实施例中，所述底部的防渗层的厚度应达到气化燃空区厚度的十分之一至五分之一。

实施例中，所述加入硅酸钠的摩尔量与加入硫酸的摩尔量相同。

实施例中，所述防水材料是高岭土、环氧树脂、聚氨酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂及它们混合物的一种。

对本实施例更进一步的说明是：

1、膨润土材料的准备：将天然膨润土块运至矿区附近，将膨润土块破碎、粉磨、筛分，使其粒度控制在100目以下。若无破碎机、粉磨机与筛分机，可以直接购买经加工后的人工改性膨润土。

2、膨润土浆液的配置：将自来水缓慢地注入膨润土粉末中，注水过程中保持不间断的搅拌，控制膨润土与水的比例为3:1左右。加入硅酸钠调节pH值大于9（最佳为9.2），使得高浓度的膨润土浆液悬浮不沉，浆液的流动性迅速增加，便于输送。

3、膨润土浆液的输送：以原先地下气化废弃的气化孔作为输送浆液的灌浆孔道，按照图1的方式将高浓度膨润土浆液通过灌浆孔道泵送至地下燃空区底层，泵送过程中应保持压力稳定，防止泵发生堵塞。高浓度膨润土浆液输送至燃空区后，应等候一段时间，使得膨润土浆液在燃空区底部区域内充分流动，布满整个燃空区底层。此时高浓度膨润土浆液与地下气化废水形成完全均匀的混合溶液。

此时，膨润土防渗层还未构建完成，因为必须要让膨润土防渗层处于地下气化废水的下方，而地下气化废水在膨润土防渗层的上方才有意义。膨润土才能在底部防止上方的废水污染物迁移。

所以仍需进一步使得膨润土沉降至地下气化燃空区废水的下部，因此需要加酸调节底部废水去的pH值，使得溶液呈弱酸性，使得膨润土沉降于废水底部。

4、底部膨润土防渗层的形成：仍使用地下气化废弃的气化孔作为输送孔道，将硫酸加入地下气化燃空区的废水中，调节pH值小于6.5（最佳为6）。此时，在弱酸性的条件下，膨润土会在废水中沉降，在底部构成一层图1所示的密实防渗层。密实防渗层一旦形成，即可阻止废水中污染物的向下迁移。

注意，加入酸后的膨润土沉降过程需要一定时间，优选地，一般选择十二个小时后再进行下步操作步骤。

由于浓硫酸具有腐蚀性，因此建议使用自来水稀释五倍后的稀硫酸作为pH的调节剂。

由于地下燃空区一般处于地面200米以下，因此难以实际测量地下燃空区废水的pH值，因而建议加入与步骤2中使用的硅酸钠等同摩尔量的硫酸保证溶液呈弱酸性。

考虑到经济性和有效性，底层膨润土防渗层的厚度应达到燃空区厚度的十分之一至五分之一。

5、中间支撑层的构建：按照图2中的方式，将周边废弃的煤矸石等矿物加入地下气化燃空区，构成中间的支撑层。支撑层仅仅起到支撑作用，无需使用贵重材料，不会对环境构成二次污染的固体废弃材料均可使用。

建议使用煤炭周边大量堆弃的煤矸石或粉煤灰，既可以减少矿区周围的废弃渣石堆砌，又为构建支撑层提供了廉价材料。

6、顶部防水层的构建：将环氧树脂的A料于B料迅速混合搅拌，必须保证在1个小时之内将混合好的环氧树脂完全注入地下燃空区，整个操作过程必须迅速。因为环氧树脂在混合后会自然固化，难以流动。

注入环氧树脂后，5小时内树脂即可固化，形成不透水的防水层，杜绝了外部的清洁水源的流入后再被污染的可能。

若使用聚氨酯需要黑料与白料的混合，使用方法与环氧树脂的A料于B料一致。聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂都需使用固化剂，使用方法类似。

为达到效果，防水层的厚度为燃空区厚度的五十分之一至十分之一。

实施以上全部6个步骤后，即形成了如图3所示的由膨润土构成的防渗层，由顶部防水材料构成的防水层，中间起支撑作用的支撑层这三个功能化层，既能控制地下气化废水中污染物的迁移与扩散，又杜绝了外部的清洁水源的流入后再被污染。

通过钻孔检测采空区外围地下水的水质，其中氨氮、重金属、酚类和焦油等污染物含量不再上升或呈下降趋势，表明功能化分层技术控制地下气化废水污染的迁移与扩散达到效果。

考虑到经济性和有效性，底层膨润土的厚度应达到燃空区厚度的十分之一至五分之一，最佳是七分之一。

底层膨润土层能够截留的气化废水中的污染物包括：氨氮、重金属、酚类和焦油类污染物。

膨润土包括天然膨润土与人工改性膨润土，两者的主要成份均为蒙脱土，具有较好的截留污染物的能力。

中间填入砂石土方仅作为支撑材料，建议使用廉价的废弃固体，可以是煤炭开发区周边的废弃煤矸石、粉煤灰，也可是周边自然界存在的砂石或土壤，也可是施工方常用的砖石废料。

防水材料为包括：环氧树脂类物质、聚氨酯类物质、聚碳酸酯类物质、聚苯乙烯类物质。

防水材料的注入方式为将液态的树脂胶泵入地下支撑层的顶部，待其自流平整后，等待一段时间使其充分固化，固化后的树脂胶即形成完全不透水的防水层。

为达到效果，防水层的厚度为燃空区厚度的五十分之一至十分之一，最佳是三十分之一。

便于经济，可以利用原先地下气化过程中的废弃气化孔，使其作为向地下燃空区输送浆液的孔道。

必须注意上述的实施案例仅为本发明的优选实例而已，并不对本发明构成限制，对于本领域的专业人员来说，本发明可以有各种更改与变化。凡在本发明精神与原则之内，任何修改与替换，均应在本发明保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，其特征在于，所述方法包括在地下气化燃空区构建底部的防渗层的步骤、构建中间支撑层的步骤和构建顶部防水层的步骤；

所述构建底部的防渗层的步骤是：

a.将粒度在100目以下的膨润土按照与水3:1的比例配置膨润土浆液，其过程是将水缓慢地注入膨润土粉末进行搅拌，在注水过程中保持不间断的搅拌；

b.加入硅酸钠继续搅拌调节膨润土浆液直至膨润土浆液pH值大于9，使所述膨润土浆液可以悬浮于水之中不沉，增加浆液的流动性，便于输送；

c.通过灌浆孔道将所述膨润土浆液通过灌浆孔道泵送至地下气化燃空区，等候一段时间，使得膨润土浆液在燃空区底部区域内充分流动，布满整个燃空区底层，所述膨润土浆液与地下气化废水形成完全均匀的混合溶液；

d.将硫酸加入地下气化燃空区中的所述混合溶液，调节混合溶液pH值小于6.5，此时，在弱酸性的条件下，膨润土会在废水中沉降，在底部构成阻止废水中污染物的向下迁移的密实防渗层；

所述构建中间支撑层的步骤是：

e.将周边不会对环境构成二次污染的固体废弃材料送入所述防渗层之上的地下气化燃空区，构成中间的支撑层；

所述构建顶部防水层的步骤是：

f.将防水材料灌入地下气化燃空区的支撑层之上固化形成顶部防水层。

2.根据权利要求1所述的一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，其特征在于，在执行所述步骤d后需要等12小时以上再执行步骤e。

3.根据权利要求1所述的一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，其特征在于，所述等候一段时间是4小时以上。

4.根据权利要求1所述的一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，其特征在于，所述固体废弃材料是煤炭周边大量堆弃的煤矸石或粉煤灰或砂石土方。

5.根据权利要求1所述的一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，其特征在于，所述防水层的厚度为气化燃空区厚度的五十分之一至十分之一。

6.根据权利要求1所述的一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，其特征在于，所述底部的防渗层的厚度应达到气化燃空区厚度的十分之一至五分之一。

7.根据权利要求1所述的一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，其特征在于，所述加入硅酸钠的摩尔量与加入硫酸的摩尔量相同。

8.根据权利要求1所述的一种控制地下气化残留污染物扩散与迁移的方法，其特征在于，所述防水材料是高岭土、环氧树脂、聚氨酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂及它们混合物的一种。