CN104190700A - 基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，该修复方法通过开槽挖沟敷设注气井和抽提井，注气井和抽提井均采用竖井和横井的组合结构，注气井的横井敷设于污染区域下方饱和带土壤，抽提井的横井敷设于污染区域上方非饱和带土壤；之后对沟槽回填，其中各横井上均布有小孔；分别将所述注气井和抽提井同位于地面的地下水注气系统和土壤气相抽提系统连接；之后开启土壤气相抽提系统并通过抽提井中的横井抽提污染区域中的气体，同时开启所述地下水注气系统并通过所述注气井中的横井向污染区域中输送空气，以对污染物所在土体进行修复。本发明的优点是，受污染土体中具有较强的空气流通效率，可加速污染场地修复效率，可适用于较大面积的受VOC污染的土壤修复。

Description

基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法

技术领域

本发明属于环境保护和土壤修复技术领域，具体涉及一种基于气相抽提和地下水注气的土体修复方法。

背景技术

地下水和土壤环境是宝贵的自然资源，亦是人类赖以生存的基础。目前，有机物污染已经超过放射性污染和重金属污染，成为地下水和土壤污染的主要类型，其主要形式包括化工企业排放的苯系污染物、农业中使用的有机氯类农药对土壤的污染，尤其是输油管破裂、地下储油罐泄露等事故对不饱和层（或称通气层, Vadose Zone）土壤造成挥发性有机物（VOCs）和半挥发性有机物（SVOCs）的污染。这些土壤污染往往进一步污染地下水、空气，最终危害生态环境与人体健康。目前，常见的挥发性有机污染的土壤修复技术包括开挖处理、生物堆肥、原位转化、化学添加等。但这些方法应用于范围大、土层深（不饱和层）的污染土壤的修复中时，或将导致修复成本高、耗资大、破坏生态环境、造成二次污染等问题。

土壤气相抽提（Soil Vapor Extraction, 简称SVE），亦称土壤真空抽提，是近些年发展迅速的原位修复技术。SVE利用真空设备抽出空气而去除不饱和层多孔介质土壤的挥发性/半挥发性有机物而达到修复污染土壤的目的，具有成本低、可操作性强、可采用标准设备、处理有机物的范围宽、不破坏土壤结构和不引起二次污染等优点。相关研究表明，SVE对于苯系物等轻组分石油烃类污染物的去除率可达90%。

我国专利（ZL200410056888.7）公开了一种挥发性有机物污染土壤的场外修复的工艺和装置，该装置由抽排气路装置（包括抽排井）、控温装置及加热装置组成。通过对污染土壤进行真空抽提处理，以到达修复挥发性/半挥发性有机污染土壤的目的。亦存在相关改良的SVE专利，包括一种污染场地原位热强化气相抽提修复集成装备及应用方法（CN103350104A），氯苯污染土壤强化气相抽提修复装置及其小试装置和用该装置处理氯苯污染土壤的方法（CN103447291A）等，通过增设加热设施、优化提取设施以达到快速修复挥发性有机污染土壤的目的。但该类气相抽提的土壤修复装置亦存在如下问题：①处理规模小，不能满足大面积污染土壤的修复需求；②由于不饱和层土壤污染往往进一步污染地下水，因此仅修复受污染的不饱和层土壤不能达到彻底修复污染的目的。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，该修复方法通过在污染物土壤上方、下方分别水平设置注气横井和抽气横井，使得污染物所处土壤中具有较强的空气流通效率，加速污染场地的修复效率，满足较大面积内受污染土壤的修复要求。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，其特征在于所述修复方法包括如下步骤：对污染场地进行现场调研，确定场地的土壤性质、污染物分布情况等信息，确定修复的方案；在所述污染区域内通过开槽挖沟方式敷设注气井和抽提井，所述注气井和所述抽提井均采用竖井和横井的组合结构，所述注气井的所述横井敷设于所述污染区域下方的饱和带土壤，所述抽提井的所述横井敷设于所述污染区域上方的非饱和带土壤，其中所述横井上均布有小孔，之后对所述沟槽回填；将所述注气井与位于地面的地下水注气系统连接，将所述抽提井与位于地面的土壤气相抽提系统连接；开启所述土壤气相抽提系统并通过所述抽提井中的所述横井抽提所述污染物所在土体中的气体，促进所述污染物的挥发，同时开启所述地下水注气系统并通过所述注气井中的所述横井向所述污染物所在土体中输送空气，促进所述污染物的分解和挥发，以对所述污染物所在土体进行修复。

将所述地下水注气系统和所述土壤气相抽提修复系统整合为一体化装置并设置于移动厢内。

所述竖井采用PVC管，所述横井采用带有0.4mm~0.7mm开孔的PVC筛管，所述PVC筛管的内径为50～150mm。

两座所述横井水平设置并在空间上相互平行，各所述横井的长度不小于所述污染物长度。

所述抽提井的所述横井位于所述污染区域上部的非饱和带土壤，埋深为0.5m～1m；所述注气井的所述横井位于所述污染区域下部的饱和带土壤，埋深大于1.5m。

当所述沟槽中的所述注气井和所述抽提井敷设完毕后，所述竖井采用膨润土回填，所述横井采用砾石或砂砾石回填，所述膨润土回填厚度为50mm~100mm，所述砾石或砂砾石回填厚度为50mm～200mm，其余采用原土回填；回填后在该处场地敷设高密度聚乙烯膜，膜厚为0.5mm～2mm。

所述土壤气相抽提系统的排气口设置有活性炭吸附槽，所述活性炭吸附槽的容积大于0.3m3，其中填充有粒状活性炭。

在所述土壤气相抽提系统内设置有取样装置用于对抽提废气进行检测，采样检测频率应不小于每两小时一次，所述取样装置由5mm～15mm口径的刚性探针和套管组成。

本发明的优点是：

（1）联合土壤气相抽提（Soil Vapor Extraction, SVE）和地下水注气（Air Sparging, AS）两种技术，一方面提高修复场地的地下水和不饱和层土壤的空气（氧气）含量，提升空气（氧气）的流动，加速挥发性有机物（VOCs）的分解速率和挥发速率，具备较高的修复速率；另一方面，同时进行地下水和不饱和层土壤的修复工作，避免受污染的地下水对不饱和层土壤造成的二次污染，能够达到全面修复被污染的不饱和层土壤和地下水的目标；

（2）将地上注气装置和地上抽提装置整合于一体化移动式厢内，结构紧凑，操作性强，移动便携；移动车厢内的AS装置和SEV装置分别通过地面管路与注气井和抽提井相连，具有很强的可组配性能，能够满足较大的修复面积的需求，对于一些正在营运、不适合大面积开挖的石油类污染场地具有广阔的应用前景；

（3）注气井和抽提井均采用竖井-横井的组合，其中横井长度为10m～30m，朝向为另一井位置，两座横井水平设置且空间上相互平行，具有较强的空气流通效率，加速污染场地的修复效率。

附图说明

图1为本发明中土体修复方法的示意图；

图2为本发明中土壤气相抽提系统VOC回收量统计图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-2，图中标记1-28分别为：移动式SVE/AS装置1、地下水注气系统2、土壤气相抽提系统3、空气过滤器4、空气压缩机5、气体流量计6、阀门7、测压计8、真空抽气机9、气液分离器10、废液收集装置11、真空表12、软管13、地面14、塑料布15、注气井16、井头保护装置17、膨润土18、竖井19、转换弯头20、横井21、砾石22、井封23、抽提井24、地下水位25、污染物26、活性碳吸附槽27、取样装置28。

实施例：本实施例具体涉及一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，通过联合使用地下水注气（Air Sparging,简称AS）和土壤气相抽提（Soil Vapor Extraction,简称SVE）两种技术，全面修复被挥发性有机物（VOCs）的不饱和层土壤和地下水，具备较高的修复速率且可满足较大的修复面积。

如图1所示，本实施例中的基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法具体包括如下步骤：

（1）对污染场地进行现场调研，确定场地的土壤性质、污染物分布情况等信息，以确定修复的方案，包括修复区块划分，注气井16和抽提井24设置、两横井21深度、SVE最适真空度、注气极限压强等；

（2）在污染物26所处区域内进行开槽挖沟方式敷设注气井16和抽提井24；注气井16和抽提井24结构相同，均由沿槽壁设置的竖井19、沿槽底设置的横井21以及连接两者的转换弯头20组合而成；井管敷设完毕后进行回填，竖井19采用膨润土18回填，回填厚度为50mm~100mm；横井21采用砾石22或砂砾石回填，回填土厚度为50mm～200mm，其余则采用原土回填，通过采用砾石回填可避免井管在注气和抽提过程中空气流形成短路，以及横井21的筛管堵塞；回填完毕后，在污染场地地表敷设高密度聚乙烯膜，即塑料布15，膜厚为0.5mm～2mm，以使污染物场地与外部大气隔绝；

其中，注气井16和抽提井24的竖井19采用的是PVC管，横井21采用的是带有0.4～0.7mm开孔的PVC筛管，管径为50mm～150mm，在PVC筛管的端部设置有井封23；在敷设时，抽提井24的横井21位于污染物26所处区域上部的非饱和带土壤（即包气带），埋深通常为0.5m～1m，而注气井16的横井21则位于污染物26所处区域下部的饱和带土壤，埋深通常大于2m；两座横井21是水平设置的且两者在空间上相互平行，注气井16中横井朝向抽提井24，而抽提井24中横井则朝向注气井16；横井21的长度通常为10m～30m，但需要注意的是，横井21的长度应不小于污染物26的长度，以确保污染物26在横井21的修复影响范围内；

（3）将移动式SVE/AS装置1移动至污染场地，其内整合有地下水注气系统2和土壤气相抽提系统3，之后令注气井16通过地面软管13与地下水注气系统2连接，同时令抽提井24通过地面软管13与土壤气相抽提系统3连接；

其中地下水注气系统2包括依次连接的空气过滤器4、空气压缩机5、气体流量计6、阀门7和测压计8等设备；

土壤气相抽提系统3包括依次连接的活性炭吸附槽27、真空抽气机9、气液分离器10、废液收集装置11、取样装置、气体流量计6、阀门7和真空表12等设备，在这些装置中，真空抽气机9具体采用的是防爆马达再生式抽气机，最大真空压力≧110-inch H₂O；活性炭吸附槽27的材质为碳钢，容积规格大于0.3m³，其中填充粒状活性炭用于吸附废气中污染物；在气液分离器10的前端、活性炭吸附槽27的前端和后端分别设置有气体取样装置28，该取样装置28具体是由5mm~15mm口径的刚性探针和相应套管组成；

（4）开启土壤气相抽提系统3，通过真空抽气机9作用促进地下土壤中VOCs的挥发，并通过控制真空抽气机9和阀门7，选取SVE最适真空度；同时开启地下水注气系统2，通过横井21上的小孔向污染物26中注入空气，增加修复场地的地下水和不饱和层土壤的空气（氧气）含量，促进VOCs的分解速率和挥发，达到快速修复地下土壤污染的目的；

通过联合土壤气相抽提和地下水注气两种技术，一方面提高污染场地的地下水和不饱和层土壤的空气（氧气）含量，提升空气（氧气）的流动，加速挥发性有机物（VOCs）的分解速率和挥发速率，具备较高的修复速率；另一方面，同时进行地下水和不饱和层土壤的修复工作，避免受污染的地下水对不饱和层土壤造成的二次污染，能够达到全面修复被污染的不饱和层土壤和地下水的目标；

（5）土壤气相抽提系统3通过抽提井24中的横井21抽提的废气经过气液分离器10，废液进入废液收集装置11中，便于集中收集后进一步处理；经分离后的废气进入活性炭吸附槽27进行吸附处理，吸附完全后排放至大气；

（6）在移动式SVE/AS装置1运行过程中，通过气液分离器10前端、活性炭吸附槽27前端和后端的取样装置采集废气样品进行检测，采样频率1次/2小时，废气检测采用便携式TVOCs检测仪。

在传统方法中，采用竖井进行土壤抽提和地下水注气的修复时，由于土壤间隙率较小，导致无论是土壤抽提井还是注气井，其水平面上的作用半径均较小，导致修复系统的抽气和注气井的影响面积较小，且修复速率较低；而本实施例中注气井和抽提井均采用竖井-横井的组合，其中两座井的横井长度均为10m～30m，朝向为另一井位置，且两座横井水平设置且空间上相互平行，通过这种横向的结构增加水平面上的抽气和注气的影响范围，使得该修复系统能满足较大范围土壤修复的需求；由于两座横井的间距适宜，使得整个修复系统具有较强的空气流通效率，可加速污染场地的修复效率，节省修复时间。

为了验证本实施例中土体修复方法的修复效果，利用本实施例中的基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法对上海北部某受石油烃类污染的场地开展修复工程。根据场地历史情况调查，区域1曾于2006年发生过变压器油泄露，导致土壤受到石油烃类污染。通过前期场地污染情况调研和检测，最终选取其中某块15m*30m的区域作为修复场地。

如图1所示，修复场地中污染物26分布深度-3.3m至-1.0m，最终确定注气井16的横井21筛管埋深为-2.5m，抽提井24的横井21筛管埋深为-1m，筛管长度均为20m。通过控制真空抽风机9和阀门7等，控制抽提流量和注气流量，其中抽提流量为200m3/h，每天运行10小时（每运行2h后暂停0.5h），共运行6个月。如图2所示，经检测和统计，经SEV/AS系统运行处理6个月后，单月VOC回收最高可达322.92m3，6个月共回收VOC586.82m3。该实施例的结果证明，本发明一种土壤气相抽提/地下水注气的一体化修复系统设备简单、容易维护、投资成本低、易于移动，可快速、可全面修复VOCs的污染土壤，对于一些正在营运、不适合大面积开挖的石油类污染场地具有广阔的应用前景。

Claims (8)

1.一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，其特征在于所述修复方法包括如下步骤：对污染场地进行现场调研，确定场地的土壤性质、污染物分布情况等信息，确定修复的方案；在所述污染区域内通过开槽挖沟方式敷设注气井和抽提井，所述注气井和所述抽提井均采用竖井和横井的组合结构，所述注气井的所述横井敷设于所述污染区域下方的饱和带土壤，所述抽提井的所述横井敷设于所述污染区域上方的非饱和带土壤，其中所述横井上均布有小孔，之后对所述沟槽回填；将所述注气井与位于地面的地下水注气系统连接，将所述抽提井与位于地面的土壤气相抽提系统连接；开启所述土壤气相抽提系统并通过所述抽提井中的所述横井抽提所述污染物所在土体中的气体，促进所述污染物的挥发，同时开启所述地下水注气系统并通过所述注气井中的所述横井向所述污染物所在土体中输送空气，促进所述污染物的分解和挥发，以对所述污染物所在土体进行修复。

2.根据权利要求1所述的一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，其特征在于将所述地下水注气系统和所述土壤气相抽提修复系统整合为一体化装置并设置于移动厢内。

3.根据权利要求1所述的一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，其特征在于所述竖井采用PVC管，所述横井采用带有0.4mm~0.7mm开孔的PVC筛管，所述PVC筛管的内径为50～150mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，其特征在于两座所述横井水平设置并在空间上相互平行，各所述横井的长度不小于所述污染物长度。

5.根据权利要求1所述的一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，其特征在于所述抽提井的所述横井位于所述污染区域上部的非饱和带土壤，埋深为0.5m～1m；所述注气井的所述横井位于所述污染区域下部的饱和带土壤，埋深大于1.5m。

6.根据权利要求1所述的一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，其特征在于当所述沟槽中的所述注气井和所述抽提井敷设完毕后，所述竖井采用膨润土回填，所述横井采用砾石或砂砾石回填，所述膨润土回填厚度为50mm~100mm，所述砾石或砂砾石回填厚度为50mm～200mm，其余采用原土回填；回填后在该处场地敷设高密度聚乙烯膜，膜厚为0.5mm～2mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，其特征在于所述土壤气相抽提系统的排气口设置有活性炭吸附槽，所述活性炭吸附槽的容积大于0.3m3，其中填充有粒状活性炭。

8.根据权利要求1所述的一种基于土壤气相抽提和地下水注气的土体修复方法，其特征在于在所述土壤气相抽提系统内设置有取样装置用于对抽提废气进行检测，采样检测频率应不小于每两小时一次，所述取样装置由5mm～15mm口径的刚性探针和套管组成。