CN105344703B - 一种多段式土壤原位曝气系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多段式土壤原位曝气系统，其包括：自动控制装置和曝气装置；自动控制装置包括：PLC可编程序控制器分别与变送器一端、上提装置一端和变频器一端连接，变送器另一端与气压传感器连接，上提装置另一端和曝气装置连接，变频器另一端与曝气机一端连接，曝气机另一端与曝气装置的注气管连接；曝气装置包括：第一密封装置上端与上提装置连接，第一密封装置套接在注气管上，注气管上端与曝气机一端通过管道连接，曝气管上端与注气管下端连接，曝气管下端与第二密封装置连接；其中，第一密封装置与第二密封装置分别设置于曝气井内，并与曝气井井壁形成一封闭空间，气压传感器通过连接线穿过第一密封装置设置于封闭空间内。

Description

一种多段式土壤原位曝气系统

技术领域

本发明涉及土壤污染修复领域，尤其涉及一种多段式土壤原位曝气系统。

背景技术

土壤曝气技术(Air Sparging，AS)是一种处理土壤中挥发性有机污染物的原位修复技术，由于其成本低、效率高、可原位施工的优势使其广泛应用于土壤中分子量较小、易挥发有机污染物的修复。AS技术将压缩空气注入土壤，气体在向上运动的过程中引起挥发性有机污染物自土体进入气相，再通过气相抽提系统处理含有污染物的空气，从而达到去除污染物的目的。此外，注入的空气通过有氧生物降解可加快污染物的去除。

然而，通过实验室研究和场地工程应用发现，由于受到注入气体压力的影响，注入井底部的曝气量远比顶部的曝气量低，同时，受到土壤介质非均质性的影响，使得现有土壤原位曝气技术难以实现均匀曝气，从而影响挥发性污染物从土壤中的挥发以及曝气过程对土壤中好氧微生物的供氧，大大限制了污染物的去除效率。可以说，传统的曝气技术在工程应用中，尤其是针对非均质性土壤介质时，存在很大的局限性。

因此，需要一种新型的土壤原位曝气系统，解决现有技术方案存在的曝气不均匀的问题，并提高AS技术的应用范围和使用效果。

发明内容

针对现有技术方案存在的问题，本发明实施例提供一种多段式土壤原位曝气系统，该装置曝气均匀，空气注入设备能耗低，而且操作灵活，以实现对非均质性土壤介质中的挥发性污染物进行均匀曝气的目的。

本发明提供一种多段式土壤原位曝气系统，其包括：自动控制装置和曝气装置；所述自动控制装置包括：PLC可编程序控制器、变送器、变频器、曝气机、上提装置和气压传感器，所述PLC可编程序控制器分别与所述变送器的一端、所述上提装置的一端和所述变频器的一端连接，所述变送器的另一端与所述气压传感器连接，所述上提装置的另一端和所述曝气装置连接，所述变频器的另一端与所述曝气机的一端连接，所述曝气机的另一端与所述曝气装置的注气管连接；所述曝气装置包括：第一密封装置、注气管、曝气管和第二密封装置，所述第一密封装置的上端与所述上提装置连接，所述第一密封装置套接在所述注气管上，所述注气管的上端与所述曝气机的一端通过管道连接，所述曝气管的上端与所述注气管的下端连接，所述曝气管的下端与第二密封装置连接；其中，所述第一密封装置与所述第二密封装置分别设置于曝气井内，并与所述曝气井井壁形成一封闭空间，所述气压传感器通过连接线穿过所述第一密封装置设置于所述封闭空间内。

优选地，所述第一密封装置和所述第二密封装置为圆台型，侧边设置有弹簧钢片支撑装置；所述第一密封装置和所述第二密封装置的制作材料包括聚氨酯橡胶材料。

优选地，所述注气管为聚氯乙烯(PVC)管，下端穿过所述第一密封装置与所述曝气管的上端连接。

优选地，所述曝气管包括：曝气竖管，所述曝气竖管上设置有多个管体孔洞，所述管体孔洞连接有曝气支管，所述曝气支管与所述曝气竖管之间呈一倾角。

优选地，多段式土壤原位曝气系统还包括：电磁阀，所述电磁阀设置于所述注气管的上端与所述曝气机之间的管道上，并与所述PLC可编程序控制器连接，用于切断或者连通所述注气管。

优选地，多段式土壤原位曝气系统还包括：压力表，所述压力表设置于所述注气管的上端与所述曝气机之间的管道上，用于实时监测所述曝气机的输出压力。

优选地，多段式土壤原位曝气系统还包括：流量计，所述流量计设置于所述注气管的上端与所述曝气机之间的管道上，所述流量计用于实时监测所述曝气机的输出流量。

优选地，所述第一密封装置包括上底、下底和侧边；所述第一密封装置的上底为圆柱环型，所述第一密封装置的下底为圆柱环型，所述第一密封装置的侧边的顶端与所述第一密封装置的上底的边缘紧密连接，所述第一密封装置的侧边的底端与所述第一密封装置的下底的边缘紧密连接，所述第一密封装置的下底的外直径匹配于所述曝气井的内径。

优选地，所述第二密封装置包括上底、下底和侧边；所述第二密封装置的上底为圆柱型，所述第二密封装置的下底为圆柱环型，所述第二密封装置的侧边的顶端与所述第二密封装置的上底的边缘紧密连接，所述第二密封装置的侧边的底端与所述第二密封装置的下底的边缘紧密连接，所述第二密封装置的下底的外直径匹配于所述曝气井的内径。

另外，优选地，所述第一密封装置的侧边和所述第二密封装置的侧边均设置有支撑装置，所述支撑装置包括多片弹簧钢片；所述多片弹簧钢片分别环绕贴设于所述第一密封装置的侧边外侧，且所述多片弹簧钢片的上下两端分别连接于所述第一密封装置的上底和下底；所述多片弹簧钢片分别环绕贴设于所述第二密封装置的侧边外侧，且所述多片弹簧钢片的上下两端分别连接于所述第二密封装置的上底和下底。

根据本发明实施例提供的一种多段式土壤原位曝气系统，其一，该装置曝气均匀，采用由下至上阶段性曝气的设计可以有效避免由于土壤介质异质性导致的难以均匀曝气的问题，此外曝气系统采用非等距开孔的设计能够解决由于注入空气压力由上至下逐渐减小所导致的曝气不均匀的问题。其二，该装置空气注入设备能耗低，由于采用了曝气支管的设计，使得空气一旦经空气注入管进入曝气系统后，压缩空气只能经曝气支管向外扩散进而向土壤介质进行曝气，而不能逆向流动，重新进入曝气系统，这样就有效的降低了空气注入设备的能耗。其三，该装置操作灵活，实际工程应用时可以通过监测土壤中挥发性有机污染物的浓度来控制各阶段需要的曝气时间以及曝气次数，从而达到充分均匀曝气的目的，提高污染物的去除效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一个实施例所述的多段式土壤原位曝气装置结构示意图。

附图标记：

1：PLC可编程序控制器；2：变送器；3：变频器；4：曝气机；

5：电磁阀；6：压力表；7：流量计；8：上提装置；9：曝气井井壁；

10：密封装置；11：气压传感器；12：土壤介质；13：曝气管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的主要思想在于，根据本发明实施例的技术方案，压缩空气经注气管注入后，注入的气体在第一密封装置和第二密封装置的阻隔作用下，经曝气系统释放进入土壤介质，曝气完毕后，在提升装置的作用下，整体向上提升至目标区域，重复上述曝气过程，直到完成对整个修复区域的曝气。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

图1为本发明的一个实施例所述的多段式土壤原位曝气装置结构示意图。如图1所示，根据本发明的实施例，该装置包括：自动控制装置和曝气装置。

自动控制装置包括：PLC可编程序控制器1、变送器2、变频器3、曝气机4、上提装置8和气压传感器11。

PLC可编程序控制器1分别与变送器2的一端、上提装置8的一端和变频器3的一端连接，变送器2的另一端与气压传感器11连接，上提装置8的另一端和曝气装置连接，变频器3的另一端与曝气机4的一端连接，曝气机4的另一端与曝气装置的注气管连接。

曝气装置包括：密封装置10、注气管和曝气管13，密封装置10包括第一密封装置和第二密封装置，第一密封装置的上端与上提装置8连接，第一密封装置套接在注气管上，注气管的上端与曝气机4的一端通过管道连接，优选地，注气管为聚氯乙烯(PVC)管，下端穿过第一密封装置与曝气管13的上端连接。曝气管13的上端与注气管的下端连接，曝气管13的下端与第二密封装置连接。在本实施例中，曝气管13的下端与第二密封装置的上底插接。优选地，曝气管13包括曝气竖管和曝气支管，曝气竖管上设置有多个管体孔洞，管体孔洞连接有曝气支管，曝气支管与曝气竖管之间呈一倾角。优选地，倾角为30-45度。曝气竖管为聚氯乙烯(PVC)管，曝气支管为聚氯乙烯(PVC)管。

其中，第一密封装置与第二密封装置分别设置于曝气井内的上方和下方，第一密封装置与第二密封装置与曝气井井壁9形成一封闭空间，气压传感器11通过连接线穿过第一密封装置设置于封闭空间内。

第一密封装置和第二密封装置与曝气井井壁形成的封闭空间主要起到密闭注入空气，控制其在目标区域释放的作用，气压传感器11作用是在曝气系统在开始曝气时，气压传感器11实时监测封闭空间内的压力，通过变送器2输出控制信号至PLC可编程序控制器1，PLC可编程序控制器1根据该段所需的曝气压力控制要求，输出相应的控制信号至变频器3和对应的电磁阀5，使得密封空间内的压力达到该段曝气层段所需的压力值，当密封空间内的压力达到该段曝气层段所需的压力时，气压传感器11实时监测封闭空间内的压力，通过变送器2输出控制信号至PLC可编程序控制器1，PLC可编程序控制器1根据该段所需的曝气压力控制要求，输出相应的控制信号至变频器3和对应的电磁阀5，使得密封空间内的压力维持在该段曝气层段所需的压力值，并按照预设的曝气时间进行持续稳定的曝气。

优选地，多段式土壤原位曝气系统还包括电磁阀5，电磁阀5设置于注气管的上端与曝气机4之间的管道上，并与PLC可编程序控制器1连接，电磁阀5用于切断或者连通注气管。

优选地，多段式土壤原位曝气系统还包括压力表6，压力表6设置于注气管的上端与曝气机4之间的管道上，压力表6用于实时监测曝气机4的输出压力。

优选地，多段式土壤原位曝气系统还包括流量计7，流量计7设置于注气管的上端与曝气机4之间的管道上，流量计7用于实时监测曝气机4的输出流量。

在本发明实施例中，电磁阀5、压力表6和流量表7可以单独设置于注气管的上端与曝气机4之间的管道上，也可以进行组合使用，即注气管的上端与曝气机4之间的管道上设置有电磁阀5和/或压力表6和/或流量表7。

优选地，第一密封装置和第二密封装置为圆台型，侧边设置有弹簧钢片支撑装置；第一密封装置和第二密封装置的制作材料包括聚氨酯橡胶材料。

在本实施例中，第一密封装置包括上底、下底和侧边；第一密封装置的上底为圆柱环型，第一密封装置的下底为圆柱环型，第一密封装置的侧边的顶端与第一密封装置的上底的边缘紧密连接，第一密封装置的侧边的底端与第一密封装置的下底的边缘紧密连接，第一密封装置的下底的外直径匹配于曝气井的内径。第二密封装置包括上底、下底和侧边；第二密封装置的上底为圆柱型，第二密封装置的下底为圆柱环型，第二密封装置的侧边的顶端与第二密封装置的上底的边缘紧密连接，第二密封装置的侧边的底端与第二密封装置的下底的边缘紧密连接，第二密封装置的下底的外直径匹配于曝气井的内径。第一密封装置的底部和第二密封装置的顶部之间的距离为0.5～1.0m。

在本实施例中，第一密封装置的侧边设置有支撑装置；支撑装置包括多片弹簧钢片，多片弹簧钢片分别环绕贴设于第一密封装置的侧边外侧，且多片弹簧钢片的上下两端分别连接于第一密封装置的上底和下底。第二密封装置的侧边设置有支撑装置；支撑装置包括多片弹簧钢片，多片弹簧钢片分别环绕贴设于第二密封装置的侧边外侧，且多片弹簧钢片的上下两端分别连接于第二密封装置的上底和下底。

密封装置10的上底的半径为曝气井井管的半径的1/2～3/4，厚度为3～5cm；下底的外环半径为曝气井井管的半径，下底的内环半径为曝气井井管的半径的1/2～3/4，厚度为3～5cm；侧边的顶部和底部分别上底和下底紧密连接，侧边的厚度为上底或下底的厚度的3/4～4/5，宽度为3～5cm。

在本实施例中，密封装置10的上底为聚氨酯橡胶圆柱，其半径为曝气井井管的半径的1/2，厚度为3cm；下底为聚氨酯橡胶圆柱环，外环半径为曝气井井管半径，内环半径为曝气井井管半径1/2，厚度为3cm；侧边为聚氨酯橡胶片，厚度为下底的圆柱环厚度3/4，宽度为3cm，侧边的顶端和底端分别与上底和下底紧密连接。

对于工艺角度和节约材料的角度考虑，在制作下底的时候，需要在其中心处截取一圆柱体，而这个圆柱的尺寸与上底的尺寸一样，所以可以直接利用从上底截取的圆柱体作为上底，即使制作工艺变的简单又同时避免了材料的浪费。

支撑装置包括6～10根弹簧钢片，弹簧钢片呈等腰梯形，弹簧钢片的高度为3～5cm，上底宽度为0.5～1cm，下底宽度为1～2cm，弹簧钢片在密封装置的侧边的外侧等距布设。

在本实施例中，弹簧钢片上底和下底分别与聚氨酯橡胶密封塞上底和下底紧密连接，并围绕聚氨酯橡胶密封塞侧边等距布设在聚氨酯橡胶片的外侧。

当压缩气体作用于该密封装置时，密封装置在压力作用下逐渐向曝气井井壁扩张，增强了其气密性，能够保证注入的压缩气体在目标区域释放，并且在弹簧钢片的支撑作用下，其承压能力强。

注气管的半径为曝气井井管的半径的1/4～3/8，厚度为3～5mm。

曝气竖管非等距布设六排管体孔洞，相邻两排管体孔洞之间的弧形管壁所对应的圆心角为60°，管体孔洞的半径为1～3mm。曝气支管与曝气竖管之间倾角为30～45°，曝气支管末端距离曝气竖管的距离为曝气竖管与曝气井井管之间距离的1/2～2/3。这样，空气一旦经空气注入管进入曝气系统后，压缩空气只能经曝气支管向外扩散进而向土壤介质12进行曝气，而不能逆向流动，重新进入曝气系统，有效的降低了空气注入设备的能耗。

在本实施例中，每排管体孔洞沿曝气竖管的母线非等距布设，由下至上第i和第i+1个孔洞之间的距离d＝[L/(n+1)]×[i/(i+1)]，其中n为每排管体孔洞个数，L为曝气竖管的长度。这样，可以有效避免由于注入空气压力由上至下逐渐减小所导致的曝气不均匀的问题。

下面进一步介绍多段式土壤原位曝气装置的使用过程。

将第一密封装置、第二密封装置及气压传感器11置于最底层的受污染土壤。通过PLC可编程序控制器1上的控制面板将待修复土壤不同介质的渗透系数(K值)及各层的曝气时间按照由最底曝气层向上依次输入，PLC可编程序控制器1将原始K值通过预先设定的运算程序转化成各段所需的曝气压力，并输出相对应的4～20mA控制信号至带有4～20mA信号接收功能的变频器3、曝气机4及其对应的电磁阀5，自动控制鼓风曝气机4向曝气井内开始进行曝气。

压缩空气注入后，注入的气体在第一密封装置、第二密封装置的阻隔作用下释放进入土壤介质，曝气过程中，气压传感器11时时检测曝气井内的气压，并通过变送器2输出对应的4～20mA控制信号至PLC可编程序控制器1，PLC可编程序控制器1根据该段所需的曝气压力控制要求，输出相应的4～20mA控制信号至带有4～20mA信号接收功能的偏变频器3和对应的电磁阀5，使该段曝气井内的压力维持在所需的曝气压力，并按照事先设定好的曝气时间进行持续稳定曝气。

当到达设定曝气时间后，PLC可编程序控制器1输出4～20mA的控制信号至上提装置8，将上下第一密封装置、第二密封装置及气压传感器11同时向上提至上一段曝气层。

PLC可编程序控制器1根据事先预设的该层的K值和曝气时间自动开始新一轮的曝气，以此反复，重复上述曝气过程，直到完成对整个修复区域的曝气。

综上所述，根据本发明的技术方案，使得土壤原位曝气技术实现均匀曝气，提高了挥发性污染物从土壤中的挥发以及曝气过程对土壤中好氧微生物的供氧，提高了污染物的去除效率。本发明的技术方案具有以下技术优点，其一，该装置曝气均匀，采用由下至上阶段性曝气的设计可以有效避免由于土壤介质异质性导致的难以均匀曝气的问题，此外曝气系统采用非等距开孔的设计能够解决由于注入空气压力由上至下逐渐减小所导致的曝气不均匀的问题。其二，该装置空气注入设备能耗低，由于采用了曝气支管的设计，使得空气一旦经空气注入管进入曝气系统后，压缩空气只能经曝气支管向外扩散进而向土壤介质进行曝气，而不能逆向流动，重新进入曝气系统，这样就有效的降低了空气注入设备的能耗。其三，该装置操作灵活，实际工程应用时可以通过监测土壤中挥发性有机污染物的浓度来控制各阶段需要的曝气时间以及曝气次数，从而达到充分均匀曝气的目的，提高污染物的去除效率。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，其包括：自动控制装置和曝气装置；

所述自动控制装置包括：PLC可编程序控制器、变送器、变频器、曝气机、上提装置和气压传感器，所述PLC可编程序控制器分别与所述变送器的一端、所述上提装置的一端和所述变频器的一端连接，所述变送器的另一端与所述气压传感器连接，所述上提装置的另一端和所述曝气装置连接，所述变频器的另一端与所述曝气机的一端连接，所述曝气机的另一端与所述曝气装置的注气管连接；

所述曝气装置包括：第一密封装置、注气管、曝气管和第二密封装置，所述第一密封装置的上端与所述上提装置连接，所述第一密封装置套接在所述注气管上，所述注气管的上端与所述曝气机的一端通过管道连接，所述曝气管的上端与所述注气管的下端连接，所述曝气管的下端与第二密封装置连接；

其中，所述第一密封装置与所述第二密封装置分别设置于曝气井内，并与所述曝气井井壁形成一封闭空间，所述气压传感器通过连接线穿过所述第一密封装置设置于所述封闭空间内。

2.如权利要求1所述的多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，所述第一密封装置和所述第二密封装置为圆台型，侧边设置有弹簧钢片支撑装置；

所述第一密封装置和所述第二密封装置的制作材料包括聚氨酯橡胶材料。

3.如权利要求1所述的多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，所述注气管为聚氯乙烯(PVC)管，下端穿过所述第一密封装置与所述曝气管的上端连接。

4.如权利要求1所述的多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，所述曝气管包括：曝气竖管，所述曝气竖管上设置有多个管体孔洞，所述管体孔洞连接有曝气支管，所述曝气支管与所述曝气竖管之间呈一倾角。

5.如权利要求1所述的多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，还包括：

电磁阀，所述电磁阀设置于所述注气管的上端与所述曝气机之间的管道上，并与所述PLC可编程序控制器连接，用于切断或者连通所述注气管。

6.如权利要求1所述的多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，还包括：

压力表，所述压力表设置于所述注气管的上端与所述曝气机之间的管道上，用于实时监测所述曝气机的输出压力。

7.如权利要求1所述的多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，还包括：

流量计，所述流量计设置于所述注气管的上端与所述曝气机之间的管道上，所述流量计用于实时监测所述曝气机的输出流量。

8.如权利要求1所述的多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，所述第一密封装置包括上底、下底和侧边；

所述第一密封装置的上底为圆柱环型，所述第一密封装置的下底为圆柱环型，所述第一密封装置的侧边的顶端与所述第一密封装置的上底的边缘紧密连接，所述第一密封装置的侧边的底端与所述第一密封装置的下底的边缘紧密连接，所述第一密封装置的下底的外直径匹配于所述曝气井的内径。

9.如权利要求1所述的多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，所述第二密封装置包括上底、下底和侧边；

所述第二密封装置的上底为圆柱型，所述第二密封装置的下底为圆柱环型，所述第二密封装置的侧边的顶端与所述第二密封装置的上底的边缘紧密连接，所述第二密封装置的侧边的底端与所述第二密封装置的下底的边缘紧密连接，所述第二密封装置的下底的外直径匹配于所述曝气井的内径。

10.如权利要求1所述的多段式土壤原位曝气系统，其特征在于，所述第一密封装置的侧边和所述第二密封装置的侧边均设置有支撑装置，所述支撑装置包括多片弹簧钢片；

所述多片弹簧钢片分别环绕贴设于所述第一密封装置的侧边外侧，且所述多片弹簧钢片的上下两端分别连接于所述第一密封装置的上底和下底；

所述多片弹簧钢片分别环绕贴设于所述第二密封装置的侧边外侧，且所述多片弹簧钢片的上下两端分别连接于所述第二密封装置的上底和下底。