CN105819616A - 一种多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统 - Google Patents

Abstract

一种多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统，包含地下水污染迁移监测系统、诊断系统、地下水修复系统、后期处理与维护系统，主要流程为：A)选择地下水检测区域，用以实时监测污染物数据；B)模拟计算出多目标条件下污染物迁移转化路径，影响范围，管理评价控制阈值，确立一套适合当地特殊情形的地下水污染修复管理方案；C)若发生污染事件，将监测井联通入地下水修复系统，进行地下水修复；D)若无污染事件发生，则系统将通过提升泵房供入市政管网；E)工艺中产生反冲洗水等废水，通过回用管道至超滤反渗透过程，部分废渣统一管理，后期进行填埋或焚烧；F)对出厂的水体继续进行诊断监测，反复重复步骤A与B过程。

Description

一种多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统

技术领域

本发明属于水污染控制工程与环境科学与工程应用领域，具体涉及一种多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统的工艺方法，在富含地下水的区域尤其是较多以地下水为主要饮用水水源的干旱半干旱地区，以达到对浅层地下水不同的污染物质进行实时跟踪监测，起到保护地下水水资源的目的。

背景技术

地下水资源是一种极其重要的资源，地下水作为我国占水资源总量1/3的重要资源，地下水一旦被污染其自然修复过程较为漫长，而中国地质调查局的专家在国际地下水论坛的发言中提到，全国90％的地下水遭受了不同程度的污染，其中60％污染严重。有关部门对118个城市连续监测数据显示，约有64％的城市地下水遭受严重污染，33％的地下水受到轻度污染，基本清洁的城市地下水只有3％。地下水资源的污染问题有其殊性，不仅关系到人类生存安全与健康，地下水的补给与水量的循环更会影响其他地表水，土壤，植被等自然界的生态环境健康，因此地下水污染的修复与处理是当前急需解决的重要问题，主要超标元素有矿化度、总硬度、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、氯化物、氟化物、PH值、铁和锰等。而对于我国干旱半干旱地区，地下水往往需要作为饮用水水源之一，因此地下水污染会直接增加饮用水安全风险。下面简要说明各干旱半干旱地区水质污染特点：内蒙古部分地区主要城市和地区地下水污染元素主要为总硬度和矿化度，其次为硫酸盐、硝酸盐、氯化物和氟化物；而大部分西北地区主要城市地下水污染超标组份主要有矿化度、总硬度、硝酸盐和硫酸盐，其次为氯化物、氟化物、亚硝酸盐和氨氮；铁和锰主要为原生环境引起的污染，污染普遍；对于新疆克拉玛依南部，青海东部，四川西北部以及宁夏与甘肃中部地区，污染元素主要呈点状分布，而污染元素主要以“三氮”化合物、硬度以及铁锰等重金属超标为主，达标率较低，部分缺水地区，由于过度开采地下水，造成地下水补给短缺，使得地下水资源枯竭。总之，从污染元素看，“三氮”污染均较突出，普遍遭受污染；矿化度和总硬度污染以及重金属污染具有一些地域差别，而在干旱地区，地下水枯竭也成为一项严峻问题。

由于地下水污染问题往往发生在突发污染事件和部分地下水资源开采使用工程中，地下水污染具有地区型差异，并且现阶段对于长时间序列监测地下水较为不易，因此对于地下水污染的控制修复往往是基于短期时间序列的应急监测与分析，并针对某种特定的污染物质进行处理，往往不具备应对监测处理多目标污染物质的能力，因此需要一种多目标条件下的浅层地下水集成修复系统的研发，可以做到实时监测与处理修复污染物，并进行判断污染物的类别，可以做到长期运行与维护，保证地下水的人工补给与修复。

对于地下水污染的控制主要有三类指标：

第一类是“三氮”物质，亚硝氮，硝氮和氨氮类物质，这类物质主要来源于工业废水和生活污水未经排放直接排到水体中；面源性的农业污染物，包括肥料与动物粪便；污水处理厂出水等渠道，经过土壤下渗以及污染物富集作用，进入地下水，对地下水资源造成污染；

第二类是重金属物质，这类物质虽然含量较小，但是毒性巨大，如Fe、Mn、Hg、Pb、Cr等物质

第三类是其他污染物质，这些物质随着地域的差距有着细小的差别，如氟化物，氯化物，总硬度，有机污染物，以及其他环境激素类物质。

在实际工作中，对于地下水污染这三种指标的监测与治理工作尚未完全开展，很多地下水的监测设备过于简陋，往往只能同时监测其中的一种污染类别中的几种指标，不能做到多目标集成，使得地下水资源不能得到有效的利用与保护，对地下水污染事件的处置也往往不能充分消除污染物质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统的工艺方法，在富含地下水的区域尤其是较多以地下水为主要饮用水水源的干旱半干旱地区，以达到对浅层地下水不同的污染物质进行实时跟踪监测，起到保护地下水水资源的目的。

为了实现上述目标，本发明提出的多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统工艺，包含地下水污染迁移监测系统、诊断系统、地下水修复系统、后期处理与维护系统，其中的主要流程为：

A)选择地下水检测区域，一般选取在离地下水取水使用区域或上游与下游1-5km处，以及取水设施附近，并打直径约为3m的观测井，深度10-25m不等(具体深度根据当地地质状况选择)，最深深度约为25m，穿过承压水层，并分别在地下2-5m处，10-12m处以及最底端开孔，分别监测上层滞水与土壤、潜水层与承压水层的水质与土壤污染状况，下装水质监测探头，用以实时监测上述三种主要污染物质的变化数据并反馈到污染物迁移转化水质模拟数据终端；

B)根据国家地下水环境质量标准以及当地地质，气象，水资源补给状况，市政水厂设计规模以及工农业分配情形等问题，模拟计算出多目标条件下污染物迁移转化路径，影响范围，管理评价控制阈值以及相关的优化评价方法，确立一套适合当地特殊情形的地下水污染修复管理方案，并实时进行水样检测；

C)若发生污染事件，将监测井联通入地下水修复系统，分别进行由混凝沉淀、重金属分离、生物脱氮、超滤与反渗透等工艺过程所组成的地下水修复系统，通过提升泵站，将监测井下的地下水提升至蓄水池，并依次进入上述水处理工艺过程中，进行水处理修复，将修复系统处理好的水体，一部分约5-10％直接通入市政管网中，另外占水量90％的水体，通过管网回到地下补给，并加入一定量清洁水体用以补充地下水，防止地下水开采过剩，造成地面塌陷；

D)若无污染事件发生，则系统将通过提升泵房抽取10-20％的地下水供入市政管网并连接至市政给水厂，作为水源之一；

E)另外，在生物脱氮等工艺中会产生反冲洗水等废水，通过回用管道将清洗水回用至超滤反渗透过程，而沉淀过程与重金属分离出的污泥与重金属废渣将通过另一条管线回用至污泥回用车间，将部分废渣统一管理，后期进行填埋或焚烧，整个工艺基本达到80％回用的标准；

F)对于后期维护与再诊断系统中，对出厂的水体继续进行诊断监测，反复重复步骤A与步骤B过程。(而对于部分干旱地区，需要加盖地下蓄水池以及雨水收集系统，并将水体补给至地下，保证地下水水位与流量，确保地下水资源不枯竭)

根据综合处理工艺，步骤A采用第五代FCS系统总线自动控制方法，利用计算机自动监测的实时数据，判断是否需要开启地下水修复系统中的水处理设备，这样的设计使得后续系统可以在最合适的时段工作，而一直开启系统需要消耗大量电能，并造成地下水资源的损耗，这也避免了能源的浪费现象。

根据综合处理工艺，步骤B中的评价与管理方法采用蒙特卡洛不确定性分析方法，并将水样进行抽检，当污染物的浓度超过预期阈值标准时，将由自动控制系统开启入流阀门，将水体直接送入修复系统中的水处理工艺反应器中；

根据综合处理工艺，步骤C中絮凝沉淀过程需要加入絮凝剂，主要采用明矾作为絮凝剂，其主要化学反应为：

KAl(SO₄)₂·12H₂O→K⁺+Al³⁺+2SO₄ ^2-+12H₂O

Al³⁺+3H₂O→Al(OH)₃+3H⁺(可逆反应)

重金属分离过程采用石英砂、无烟煤、颗粒多孔陶瓷、锰砂等滤料，机械的截留水中的悬浮固体、难溶性有机污染物、微生物与重金属离子，可以有效阻隔地下水中Fe、Mn、Cr、Pb等重金属离子；

生物脱氮过程采用传统的生物脱氮工艺，将水中的“三氮”物质通入硝化菌与亚硝化菌中，通过一系列硝化与亚硝化过程，去除水中的氮，相关反应较为复杂，其主要反应过程为：

NH₄ ⁺+3/2O₂→NO₂ ^-+2H⁺+H₂O-278.42kJ(硝化菌与亚硝化菌参与反应)

超滤与反渗透主要目的是除去水中残存的有害小分子，如有害离子，可溶性大分子有机物，胶体颗粒，环境激素等物质，进一步净化地下水水质；

根据综合处理工艺，步骤D中回用补给的水将直接汇入地下水监测井中，以保证地下水水位不下降；

根据综合处理工艺，步骤E中污泥回用工艺，采用机械法处理污泥，当能量输出为10000k/kgSS时，COD的溶出率为90％以上，对于其他过程产生的废物与废渣，将统一进行填埋与焚烧处理；

根据综合处理工艺，步骤F中后期维护与再诊断系统中的主要对处理并回用后的地下水水体进行“检测-诊断-修复”的分析，并对当地土壤样品，潜水层水体进行物理化学检测；

本发明提供了一种多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统，操作简单，产生效果速度快，考虑到了“三氮”物质、重金属离子、高分子有机污染物、胶体颗粒、环境激素浓度等多目标污染物指标，对地下水修复的效果明显，同时加入前期监测系统，诊断系统，以及后期维护与再诊断系统，整个系统的集成，可以有效的降低地下水污染的风险，全方位保护干旱半干旱地区地下水资源的可持续利用，对人民生产生活起到重要作用。

附图说明

图1为本发明的技术路线示意图；图2为本发明的工艺流程示意图；图3分别为相关设备的设计简图；其中图3(a)为多目标监测系统设计示意简图；图3(b)为重金属分离器布置简图；图3(c)为集成系统管线布置简图；

具体实施方式

本发明提供了一种多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统，其主要实施方法如下：

A)在地下水聚集区域打大约直径d约为3m，高约10-25m的监测井，深入承压水层，并在底部安装探头设备实时监测地下水水质变化，旁边安装直径d约为1.2的维修井，具体方式如图3(a)所示。

B)在监测区域周边加盖中控室，监控地下水水质水量的变化，并运用蒙特卡洛不确定性分析方法确定风险评价与相关污染物污染风险阈值。

C)采用型号为25LG3-10x3的离心泵，扬程为30m，电机功率为1.1kW，设置为两用一备。

D)重金属分离过程采用不锈钢自动清洗过滤机，工作压力约为1.6Mpa，功率约为0.9-1.5kw，具体实施方式如图3(b)所示。

E)其余设备均按照传统工艺设计标准研发，不再做具体详述，所有管线布置示意图见图3(c)所示。

具体装置设计见附图。

由于施工强度较大，此设计通过计算机模型和中试模拟的结合得以验证，通过在江苏盐城某环保产业园内中试基地进行中试实验，检测已受到污染的地下水水体，并将相关数据结论，导入计算机运行，对比相关实验结论。将监测井的数值进行模拟发现气体中有毒物质的含量明显降低，如下表结果所示：

多目标参数	修复前	修复后	去除率
				NH4 +	0.4mg/L	0.022mg/L	94.5％
Mn2+	0.5mg/L	0.13mg/L	74％
				Fe3+	0.8mg/L	0.2ug/L	75％
苯酚	0.0023mg/L	0.0019mg/L	17.4％
				肉眼可见物	有	无
硝酸盐	26.2	6.5	。75.2％
				亚硝酸盐	0.8	0.27	66.3％

表1设备运行污染物浓度比对

可见，在地下水受到污染的情形下，安装多目标条件下的地下水集成修复系统设备可以将原来的IV类到V类的水体净化至II类至III类水《中华人民共和国地下水质量标准》(GB/T14848-93)，其中氨氮的去除效果最为明显，因此可以有效的修复地下水污染，有效的保护了地下水资源。

Claims (1)

1.一种一种多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统，包含地下水污染迁移监测系统、诊断系统、地下水修复系统、后期处理与维护系统，其中的主要流程为：

A)选择地下水检测区域，一般选取在离地下水取水使用区域或上游与下游1-5km处，以及取水设施附近，并打直径约为3m的观测井，深度10-25m不等(具体深度根据当地地质状况选择)，最深深度约为25m，穿过承压水层，并分别在地下2-5m处，10-12m处以及最底端开孔，分别监测上层滞水与土壤、潜水层与承压水层的水质与土壤污染状况，下装水质监测探头，用以实时监测上述三种主要污染物质的变化数据并反馈到污染物迁移转化水质模拟数据终端；

B)根据国家地下水环境质量标准以及当地地质，气象，水资源补给状况，市政水厂设计规模以及工农业分配情形等问题，模拟计算出多目标条件下污染物迁移转化路径，影响范围，管理评价控制阈值以及相关的优化评价方法，确立一套适合当地特殊情形的地下水污染修复管理方案，并实时进行水样检测；

C)若发生污染事件，将监测井联通入地下水修复系统，分别进行由混凝沉淀、重金属分离、生物脱氮、超滤与反渗透等工艺过程所组成的地下水修复系统，通过提升泵站，将监测井下的地下水提升至蓄水池，并依次进入上述水处理工艺过程中，进行水处理修复，将修复系统处理好的水体，一部分约5-10％直接通入市政管网中，另外占水量90％的水体，通过管网回到地下补给，并加入一定量清洁水体用以补充地下水，防止地下水开采过剩，造成地面塌陷；

D)若无污染事件发生，则系统将通过提升泵房抽取10-20％的地下水供入市政管网并连接至市政给水厂，作为水源之一；

E)另外，在生物脱氮等工艺中会产生反冲洗水等废水，通过回用管道将清洗水回用至超滤反渗透过程，而沉淀过程与重金属分离出的污泥与重金属废渣将通过另一条管线回用至污泥回用车间，将部分废渣统一管理，后期进行填埋或焚烧，整个工艺基本达到80％回用的标准；

F)对于后期维护与再诊断系统中，对出厂的水体继续进行诊断监测，反复重复步骤A与步骤B过程。(而对于部分干旱地区，需要加盖地下蓄水池以及雨水收集系统，并将水体补给至地下，保证地下水水位与流量，确保地下水资源不枯竭)

根据综合处理工艺，步骤A采用第五代FCS系统总线自动控制方法，利用计算机自动监测的实时数据，判断是否需要开启地下水修复系统中的水处理设备，这样的设计使得后续系统可以在最合适的时段工作，而一直开启系统需要消耗大量电能，并造成地下水资源的损耗，这也避免了能源的浪费现象。

根据综合处理工艺，步骤B中的评价与管理方法采用蒙特卡洛不确定性分析方法，并将水样进行抽检，当污染物的浓度超过预期阈值标准时，将由自动控制系统开启入流阀门，将水体直接送入修复系统中的水处理工艺反应器中；

根据综合处理工艺，步骤C中絮凝沉淀过程需要加入絮凝剂，主要采用明矾作为絮凝剂，其主要化学反应为：

KAl(SO₄)₂·12H₂O→K⁺+Al³⁺+2SO₄ ^2-+12H₂O

Al³⁺+3H₂O→Al(OH)₃+3H⁺(可逆反应)

重金属分离过程采用石英砂、无烟煤、颗粒多孔陶瓷、锰砂等滤料，机械的截留水中的悬浮固体、难溶性有机污染物、微生物与重金属离子，可以有效阻隔地下水中Fe、Mn、Cr、Pb等重金属离子；

生物脱氮过程采用传统的生物脱氮工艺，将水中的“三氮”物质通入硝化菌与亚硝化菌中，通过一系列硝化与亚硝化过程，去除水中的氮，相关反应较为复杂，其主要反应过程为：

NH₄ ⁺+3/2O₂→NO₂ ^-+2H⁺+H₂O-278.42kJ(硝化菌与亚硝化菌参与反应)

超滤与反渗透主要目的是除去水中残存的有害小分子，如有害离子，可溶性大分子有机物，胶体颗粒，环境激素等物质，进一步净化地下水水质；

根据综合处理工艺，步骤D中回用补给的水将直接汇入地下水监测井中，以保证地下水水位不下降；

根据综合处理工艺，步骤E中污泥回用工艺，采用机械法处理污泥，当能量输出为10000k/kgSS时，COD的溶出率为90％以上，对于其他过程产生的废物与废渣，将统一进行填埋与焚烧处理；

根据综合处理工艺，步骤F中后期维护与再诊断系统中的主要对处理并回用后的地下水水体进行“检测-诊断-修复”的分析，并对当地土壤样品，潜水层水体进行物理化学检测；

本发明提供了一种多目标条件下的浅层地下水污染物集成修复系统，操作简单，产生效果速度快，考虑到了“三氮”物质、重金属离子、高分子有机污染物、胶体颗粒、环境激素浓度等多目标污染物指标，对地下水修复的效果明显，同时加入前期监测系统，诊断系统，以及后期维护与再诊断系统，整个系统的集成，可以有效的降低地下水污染的风险，全方位保护干旱半干旱地区地下水资源的可持续利用，对人民生产生活起到重要作用。