CN105521990B - 一种LNAPLs有机污染场地的原位修复系统和修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LNAPLs有机污染场地的原位修复系统和修复方法，该系统包括土壤淋洗修复系统和太阳能供电系统；所述土壤淋洗修复系统包括储药装置、注药装置、抽提装置、淋洗剂分离装置、地下水处理装置以及淋洗剂回用装置；所述储药装置分别与注药装置、地下水处理装置、淋洗剂回用装置相连；所述抽提装置与淋洗剂分离装置相连；所述淋洗剂分离装置分别与地下水处理装置和淋洗剂回用装置相连；所述太阳能供电系统包括太阳能供电池组、蓄电池组、太阳能控制器和逆变器。本发明原位修复系统能量消耗小、成本低，且污染物去除率高，抽提物分离效果好，地下水和淋洗剂的回用效率高。

Description

一种LNAPLs有机污染场地的原位修复系统和修复方法

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，尤其涉及一种LNAPLs有机污染场地的原位修复系统和修复方法。

背景技术

目前，我国正处在经济快速发展的重要时期，各类化学和石油开发、加工等工业发展非常迅速，在其产品的生产、运输、存贮和使用过程中，难免会造成跑冒滴漏，从而造成土壤和地下水的污染。

化学制品泄露对地下水和土壤的污染正日益严重。这些化学制品中以与水和空气不可混合的有机液体—非水相液体，即NAPLs(non-aqueous phase liquids)为主。其中，比水轻的称为LNAPLs(light non-aqueous phase liquids)，例如汽油、柴油、苯类等；比水密度大的称为DNAPLs(dense non-aqueous phase liquids)，例如氯代有机物——三氯乙烯、多氯联苯(PCB)以及合成的烃混合物(煤焦油和杂芬油)等。

在世界范围内，LNAPLs的污染很普遍且难以治理；由于LNAPLs和水不混溶，毒性大，不易降解，对地下多孔介质造成的污染存在滞后效应，滞留在土壤和地下水中的LNAPLs由于挥发、溶解或外力作用可进一步迁移，成为土壤和地下水的长期污染源，造成更大范围污染，对人类的生存和生活造成难以估计的危害，因此，有必要及时采取措施防止其进一步污染。这些场地中潜存的高风险污染土壤将成为人类的“化学定时炸弹”，严重威胁人体健康和环境安全，已成为当前亟需解决的土壤环境问题。

国内外，针对污染土壤中LNAPLs的修复技术包括物理、化学和生物修复方法，通过原位修复或异位修复的方法对污染土壤进行修复。

其中，物理修复技术发展较早，包括换土法、焚烧法和隔离法等，物理处理法对于面积小、污染严重的土壤修复效果明显，但容易造成土壤结构破坏，且用于大面积受污染土壤修复处理成本高，工程量大，对很多污染物的治理具有局限性。

化学处理方法，具体包括萃取法、固化法和化学氧化法等，即利用固化剂、化学溶剂或化学氧化还原药剂，对土壤中有机污染物通过固化、吸附、氧化还原、络合或化学沉淀等作用实现净化的目的，其中萃取和洗涤技术可以回收利用土壤中油类污染物，化学氧化修复技术对土壤修复治理无二次污染，但是操作比较复杂。

生物处理方法，是指利用特定的生物(植物、微生物或原生生物等)吸收、转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。生物处理方法处理受污染土壤费用低，对环境影响低，无二次污染，是环保领域最具价值和最具生命力的修复技术，但是由于生物修复技术作为单独的修复技术进行研究、应用的时间短，且研究效果的体现时间较长，生物修复专一性强，且生物耐受性有一定范围，至今所积累的知识和经验仍然较少。

国外于20世纪70年代末提出的抽出—处理技术，由于受NAPL在水中溶解度低的限制，仅对控制LNAPLs羽状污染带有效，处理后期容易出现拖尾现象，该技术处理周期长，效率低。针对传统的抽出—处理技术的局限性，研究者提出了土壤原位淋洗修复技术，对污染土壤无需挖掘或移动处理，在污染场地注入淋洗剂至污染区域，通过与污染物接触提高污染物在水中的溶解度和流动性，采用抽提井将污染物抽提至地表进行分离、处理，最后将处理达标的水外排或重新灌入地下水中。

虽然，该技术能显著提高修复效率，缩短修复周期；但是，目前该技术修复周期仍然较长，还存在动力消耗大、成本高等问题。由于大多数受LNAPLs污染的区域位于偏远地区，在进行此类区域污染土壤和地下水修复工作时，由于修复周期长，需要消耗电量较大。因此，有必要探究一种能够缩短修复周期，降低动力能耗和成本的新技术。

发明内容

本发明提供了一种LNAPLs有机污染场地的原位修复系统和修复方法，该系统和方法能量消耗小、成本低，且污染物去除率高，抽提物分离效果好，地下水和淋洗剂的回用效率高。

本发明的技术方案如下：

一种LNAPLs有机污染场地的原位修复系统，包括土壤淋洗修复系统和太阳能供电系统；

所述土壤淋洗修复系统包括储药装置、注药装置、抽提装置、淋洗剂分离装置、地下水处理装置以及淋洗剂回用装置；

所述储药装置分别与注药装置、地下水处理装置、淋洗剂回用装置相连；所述抽提装置与淋洗剂分离装置相连；所述淋洗剂分离装置分别与地下水处理装置和淋洗剂回用装置相连；

所述太阳能供电系统包括太阳能供电池组、蓄电池组、太阳能控制器和逆变器，所述太阳能控制器分别与太阳能供电池组、蓄电池组和逆变器连接，所述逆变器与土壤淋洗修复系统连接；所述逆变器分别与注药装置、抽提装置、淋洗剂分离装置和淋洗剂回用装置相连。

具体地，所述抽提装置包括若干个抽提井以及伸入抽提井内的第一抽提管和第二抽提管；

所述第一抽提管的下端伸入至抽提井内的地下水位以下，下端口处设有潜水泵，第一抽提管的上端与淋洗剂分离装置连通；

所述第二抽提管的下端伸入至抽提井内地下水位以上，临近下端口处设有用于监测LNAPLs污染物浓度和深度的传感器，第二抽提管的上端连接有抽提泵和控制第二抽提管伸入抽提井内深度的控制器，所述抽提泵与LNAPLs处理装置连通。

设置不同抽提深度的抽提管，能够减少LNAPLs有机物、淋洗剂和地下水的混合物的量，降低分离难度，提高污染物去除效率以及淋洗剂和地下水的回收效率；此外，该方法能够尽可能地减少地下水的抽出，使抽提出的污染物纯度高，分离、处理操作简单。

将注药井设置于污染区的上游，抽提井设置于污染区的下游，通过借助地下水水流方向提高污染物的提取效率。对于注药井和抽提井位置、数目以及深度的设置，需要根据具体场地面积、范围、污染程度、场地土壤理化性质等特征进行判定。

作为优选，所述淋洗剂分离装置由依次相连的第一过滤装置、第一膜蒸馏装置和第一冷凝装置组成；所述第一过滤装置与抽提装置相连，第一冷凝装置分别与淋洗剂回用装置和地下水处理装置连通。

作为优选，所述地下水处理装置由依次连通的絮凝装置和膜滤装置组成；所述絮凝装置与淋洗剂分离装置连通，所述膜滤装置与储药装置连通。

作为优选，所述淋洗剂回用装置由依次相连的第二过滤装置、第二膜蒸馏装置和第二冷凝装置组成；所述第二过滤装置与淋洗剂分离装置相连，第二冷凝装置与地下水处理装置、储药装置连通。

作为优选，所述土壤淋洗修复系统还包括监测装置，所述监测装置包括若干监测井和用于测定污染场地地下水水位、水温和水质变化情况的监测仪。

进一步地，还包括LNAPLs处理装置，所述LNAPLs处理装置包括依次连通的LNAPLs预处理装置、分子蒸馏装置和LNAPLs存储装置；所述LNAPLs预处理装置分别与抽提装置、淋洗剂分离装置和淋洗剂回用装置连通。

本发明还提供了一种利用所述的原位修复系统进行LNAPLs有机污染场地原位淋洗修复的方法，包括：调查、布井、抽提、污染物的处理以及地下水和淋洗剂的回用，其中，采用太阳能供电系统为土壤淋洗修复系统进行供电，设定所述太阳能供电池组的额定功率为120～150W，开路电压为40～50V，短路电流为4～5A。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明以太阳能供电系统作为能源为整个土壤淋洗修复系统进行供电，将光能转换为电能，降低了电能的消耗和修改成本，同时也降低了修复系统安装和操作的复杂性。

(2)本发明采用太阳能供电系统，太阳能作为可再生能源使得该技术具有可持续性，对于偏远电力供应不方便地区，增加了淋洗修复系统的实施可行性；相比于电能和燃料供能方式，不会对环境产生第二次污染。

(3)本发明采用双抽提管设计，使原位修复系统污染物去除率高，抽提物分离效果好。

(4)本发明采用淋洗剂分离装置、淋洗剂回用装置、地下水回用装置以及LNAPLs预处理装置提高了地下水和淋洗剂的回用利用效率，降低成本。

附图说明

图1为本发明原位修复系统中土壤淋洗修复系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明提供的LNAPLs有机污染场地的原位修复系统和修复方法做进一步的详细说明。

一种LNAPLs有机污染场地的原位修复系统，如图1所示，该系统包括土壤淋洗修复系统和太阳能供电系统。

土壤淋洗修复系统主要包括储药装置1、注药装置2、抽提装置3、淋洗剂分离装置4、地下水处理装置5、淋洗剂回用装置6、LNAPLs处理装置7以及监测装置。

其中，储药装置1为存放淋洗药剂的储药罐，该储药罐的顶部设有投药口、进水口和出药口以及回用地下水进口和回用淋洗剂进口，出药口通过管路与注药装置2连通，回用地下水进口与地下水处理装置5连通，回用淋洗剂进口与淋洗剂回用装置6连通。淋洗药剂经投药口加入储药罐内，并溶解于储药罐的水中，经储药罐内的搅拌装置混合均匀。储藏罐的底部还设有排空口。

注药装置2由若干个注药井21、注药器22以及通过管路为注药井提供淋洗药剂的给药泵23组成；给药泵23从储药罐的出药口中抽出淋洗药剂并通过管路和注药器22注入注药井21内。注药井21的直径一般在5～15cm。

抽提装置3包括若干个抽提井31以及伸入抽提井内的第一抽提管32和第二抽提管33。

其中，第一抽提管32的下端伸入至抽提井31内的地下水位以下，下端口处设有潜水泵34；第一抽提管32的上端与淋洗剂分离装置4连通；第一抽提管32通过潜水泵34将位于地下水位以下的LNAPLs有机物、淋洗剂和地下水的混合物抽提至地上，进入淋洗剂分离装置4中进行分离。

第二抽提管33的下端伸入至抽提井内地下水位以上，临近下端口处设有用于监测LNAPLs污染物浓度的传感器35；第二抽提管33的上端连接有抽提泵37和控制第二抽提管伸入抽提井内深度的控制器36；抽提泵37与LNAPLs处理装置7连通，将地下水位以上的高浓度与水不互相溶的纯LNAPLs污染物抽提至地上，进入LNAPLs处理装置7内进行处理。设置不同抽提深度的抽提管，能够减少LNAPLs有机物、淋洗剂和地下水的混合物的量，降低分离难度，提高污染物去除效率以及淋洗剂和地下水的回收效率；此外，该方法能够尽可能地减少地下水的抽出，使抽提出的污染物纯度高，分离、处理操作简单。

将注药井设置于污染区的上游，抽提井设置于污染区的下游，通过借助地下水水流方向提高污染物的提取效率。对于注药井和抽提井位置、数目以及深度的设置，需要根据具体场地面积、范围、污染程度、场地土壤理化性质等特征进行判定。

抽提装置3与淋洗剂分离装置4、LNAPLs处理装置7相连；淋洗剂分离装置4与地下水处理装置5、淋洗剂回用装置6相连；淋洗剂回用装置6又与LNAPLs处理装置7相连。

淋洗剂分离装置4由依次连接的过滤装置41、膜蒸馏装置42和冷凝装置43组成。过滤装置41的进液口通过管路与抽提装置3的第一抽提管32连通，过滤装置41的出液口与膜蒸馏装置42相连，膜蒸馏装置42与冷凝装置43连通，冷凝装置43又分别与淋洗剂回用装置6、LNAPLs处理装置7和地下水处理装置5连通。淋洗剂经过滤去除抽提物中的颗粒物质后，通过膜蒸馏装置42进行淋洗剂与LNAPLs污染物、污水的分离；再经冷凝处理，淋洗剂被输送至淋洗剂回用装置6中，LNAPLs进入LNAPLs处理装置7中，污水进入地下水处理装置5内。

地下水处理装置5由依次连接的絮凝装置51和膜滤装置52组成。絮凝装置51用于去除污水中残留的表面活性剂和有机污染物，再经膜滤装置52进一步去除废水中有机物；经上述两道工序处理后的污水能够经管路输送至储药装置1中，重新用于淋洗药剂的溶解。

淋洗剂回用装置6同样由依次连接的过滤装置61、膜蒸馏装置62和冷凝装置63组成。过滤装置61的进液口通过管路与淋洗剂分离装置4的冷凝装置43连通，过滤装置61的出液口与膜蒸馏装置62相连，膜蒸馏装置62与冷凝装置63连通，冷凝装置63又分别LNAPLs处理装置7和地下水处理装置5连通。将从淋洗剂分离装置4流出淋洗剂进行二次处理，能够将淋洗剂与污水和LNAPLs污染物彻底分离，其中，分离出的污水进入地下水处理装置5中进行再处理，而LNAPLs污染物则进入LNAPLs处理装置7中进行处理。

LNAPLs处理装置7由依次连接的LNAPLs预处理装置71、分子蒸馏装置72和LNAPLs存储装置73组成；其中，LNAPLs预处理装置71用于对抽提出的LNAPLs进行吸附和絮凝，去除其中的砂粒和色度；分子蒸馏装置72用于进一步分离残留在LNAPLs中的淋洗剂；最后，经预处理和分子蒸馏的LNAPLs被输送至LNAPLs存储装置中进行储存。

所述太阳能供电系统包括太阳能供电池组、蓄电池组、太阳能控制器和逆变器，所述太阳能控制器分别与太阳能供电池组、蓄电池组以及逆变器连接，所述逆变器分别与注药装置2、抽提装置3、淋洗剂分离装置4和淋洗剂回用装置6相连，为上述装置提供能量。

土壤淋洗修复系统还包括用于监测污染场地地下水位、水温以及水质变化情况的监测井，监测井内设有检测仪器，定时采集水样进行分析测试。

实施例1

浙江省金华市某加油站受输油管道泄漏影响，土壤受到汽油、柴油等LNAPLs污染物质污染，土壤污染面积为310m²，污染深度为13m。

具体实施如下：

(1)在污染场地内分别设置1个抽提井和注药井，在污染场地范围内设置8个监测井，并在污染场地周围设置6个监测井。其中，抽提井和注药井的直径为15cm，设置注药井深度为11.5m，抽提井深度为13.5m；监测井的直径为5cm，设置深度为5m。

(2)安装土壤淋洗修复系统，选择SDBS作为污染物增强淋洗剂。

(3)根据各设备用电量，确定土壤淋洗修复系统总功率为3kW，设定太阳能电池组件的技术参数为：额定功率为140W，开路电压45V，短路电流4.5A，由4块太阳能电池组件串联，并由2组串联组件组成，共需太阳能电池组件8块。

实施效果：修复工程中，通过监测井和采样测定数据分析表明，地下土壤和地下水中LNAPLs污染物浓度持续减少，当修复进行18个月时，土壤中污染物浓度降低到修复目标值以下，其中，汽油类污染物浓度低于230mg/kg，柴油类污染物浓度低于1000mg/kg，淋洗剂回收率为96.7％，地下水回收利用率为85％。

实施例2

江苏省南通市某石油化工厂搬迁，原厂址处土壤和地下水收到油类物质(LNAPLs)，即“轻油”污染。地下水石油类污染物检出率达到50％左右，石油类污染物浓度达2.5～4.0mg/l，污染深度约为7.5m，污染面积达到920m²。

修复实施方案如下：

(1)对污染场地进行采样调查，确定场地污染范围和深度以及核心污染区。污染场地地下水流向为自西北向东南，在污染场地内分别设置4个抽提井和注入井，并在地下水流向的污染区下游建设抽提井，在污染区上游建设注入井。

(2)在污染场地范围内设置15个监测井，并在污染场地周围设置10个监测井。其中，抽提井和注药井的直径为15cm，设置注药井深度为6.5m，抽提井深度为8m；监测井的直径为5cm，设置深度为7.5m。

(3)安装土壤淋洗修复系统，选择SDBS作为污染物增强淋洗剂。

(4)根据各设备用电量，确定土壤淋洗修复系统总功率为7kW，确定处理周期为2年，设计发电系统的额定电压为220V。设定太阳能电池组件的技术参数为：额定功率为140W，开路电压45V，短路电流4.5A，由8块太阳能电池组件串联，并由3组串联组件组成，共需太阳能电池组件24块。

实施效果：本污染场地土壤类型为砂质壤土，修复过程期间，系统运行正常，污染物抽提效果较为明显，系统运行9个月时，土壤中污染物浓度有明显降低；系统运行至15个月时，土壤和地下水中污染物去除率达到75％；受当地气候变化和日照长度变化影响，系统运行至27个月时，土壤中污染物浓度达到修复标准。淋洗剂回收率为97.8％，地下水回收利用率为80％。

Claims (3)

1.一种利用原位修复系统进行LNAPLs有机污染场地原位淋洗修复的方法，其特征在于，

所述原位修复系统包括土壤淋洗修复系统和太阳能供电系统；

所述土壤淋洗修复系统包括储药装置、注药装置、抽提装置、淋洗剂分离装置、地下水处理装置以及淋洗剂回用装置；

所述储药装置分别与注药装置、地下水处理装置、淋洗剂回用装置相连；所述抽提装置与淋洗剂分离装置相连；所述淋洗剂分离装置分别与地下水处理装置和淋洗剂回用装置相连；

所述抽提装置包括若干个抽提井以及伸入抽提井内的第一抽提管和第二抽提管；

所述第一抽提管的下端伸入至抽提井内的地下水位以下，下端口处设有潜水泵，第一抽提管的上端与淋洗剂分离装置连通；

所述第二抽提管的下端伸入至抽提井内地下水位以上，临近下端口处设有用于监测LNAPLs污染物浓度和深度的传感器，第二抽提管的上端连接有抽提泵和控制第二抽提管伸入抽提井内深度的控制器，所述抽提泵与LNAPLs处理装置连通；

所述淋洗剂分离装置由依次相连的第一过滤装置、第一膜蒸馏装置和第一冷凝装置组成；所述第一过滤装置与抽提装置相连，第一冷凝装置分别与淋洗剂回用装置和地下水处理装置连通；

所述地下水处理装置由依次连通的絮凝装置和膜滤装置组成；所述絮凝装置与淋洗剂分离装置连通，所述膜滤装置与储药装置连通；

所述淋洗剂回用装置由依次相连的第二过滤装置、第二膜蒸馏装置和第二冷凝装置组成；所述第二过滤装置与淋洗剂分离装置相连，第二冷凝装置与地下水处理装置、储药装置连通；

所述太阳能供电系统包括太阳能供电池组、蓄电池组、太阳能控制器和逆变器，所述太阳能控制器分别与太阳能供电池组、蓄电池组和逆变器连接，所述逆变器与土壤淋洗修复系统连接；所述逆变器分别与注药装置、抽提装置、淋洗剂分离装置和淋洗剂回用装置相连；

所述修复方法包括：调查、布井、抽提、污染物的处理以及地下水和淋洗剂的回用，采用太阳能供电系统为土壤淋洗修复系统进行供电，设定所述太阳能供电池组的额定功率为120～150W，开路电压为40～50V，短路电流为4～5A。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原位修复系统还包括监测装置，所述监测装置包括若干监测井和用于测定污染场地地下水水位、水温和水质变化情况的监测仪。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原位修复系统还包括LNAPLs处理装置，所述LNAPLs处理装置包括依次连通的LNAPLs预处理装置、分子蒸馏装置和LNAPLs存储装置；所述LNAPLs预处理装置分别与抽提装置、淋洗剂分离装置和淋洗剂回用装置连通。