CN106111681A - 一种防止土壤气入侵的修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止土壤气入侵的修复系统，其包括压力监测系统，压力监测系统用于实时检测地层以下和室内的压力差，并将检测到的压力差传输至控制中心；污染物浓度监测系统用于实时检测地层下土壤气中污染物的浓度，并将检测到的浓度信息传输至控制中心；控制中心根据接收到的压力信息和污染物浓度信息判断土壤气入侵造成健康风险的可能性，如果健康风险超过阈值，则由控制中心启动土壤气抽气系统；流量监控系统用于提供土壤气抽取系统的运行效果，并向控制中心反馈流量的数据，控制中心根据反馈信息控制土壤气抽气系统运行状态。本发明成本较低，能有效阻隔土壤气入侵，可以广泛在环境修复领域中应用。

Description

一种防止土壤气入侵的修复系统

技术领域

本发明涉及一种环境修复系统，特别是关于一种用于污染场地的防止土壤气入侵的修复系统。

背景技术

各种工业活动，包括化工生产、机械制造、金属冶炼等，造成大量的污染物被扩散到各种环境介质中。其中人类活动对土壤的污染，由于其隐蔽性和长期性，是最难解决的问题。西方国家从70年代起开始从事污染场地的修复工作，大量的资金被投入到大大小小的修复项目上。在美国，每年投入的修复资金在100亿美元到200亿美元之间；可就算如此，美国环保署2004年的一项估计指出，在美国仍然有接近30万个污染场地需要治理，需要的资金在几千亿美元以上。在中国，根据目前已有的监测结果，污染程度远远大于西方国家的污染状况。有估计指明，要完全修复目前已经污染的各种场地，需要投入几十万亿的修复资金。

污染土壤造成的环境问题中，一个非常难以解决的问题是土壤气入侵的问题。在被挥发性有机物(VOC)污染的场地，被土壤吸附的有机污染物可以缓慢的释放进入土壤颗粒的孔隙，并且通过对流和扩散的作用扩散到接近地表的位置，包括建筑物的地基下方，之后通过地基的缝隙和地板的微小裂缝进入室内，从而造成对室内活动的人们的健康风险。土壤气入侵是一个相对较新的研究领域，美国环保署到2002年才发表相关的技术指导文件的草案，并且直到2015年才发表该指导文件的正式稿。我国在土壤气入侵方面的科学研究和技术开发更是缺乏。

能够造成土壤气入侵的VOC通常具有较高的蒸汽压和较低的水溶性。这些VOC在涉及燃油、油漆、医药、制冷剂等的制造中广为涉及，并且作为有机溶剂大量用于机械加工。因此，VOC已经成为污染场地最为常见的一类污染物。在VOC进入土壤之后，部分VOC会在土壤的孔隙里以气相的形式存在，并随着土壤气本身的流动而迁移，也可以因为分子扩散的作用迁移。另外一部分VOC会垂直下渗进入地下水，然后随着地下水的水力梯度进行水平移动，地下水中的VOC又会在挥发进入土壤的孔隙，并垂直往上通过对流和扩散迁移，从而造成更大面积的土壤气入侵风险。此外，居民楼和办公楼等建筑物往往有一个“烟道效应”，造成屋内的空气加热而上升，从而在靠近地板的地方造成一个地板下边和上边之间的一个压差。这个压差可以驱动VOC从地下进入室内，造成污染物的暴露风险。

我国的浅层地下水污染严重，有数据显示90％以上的浅层地下水被污染，这些污染地下水有很多是挥发性和半挥发性有机污染物造成的。根据传统的建筑规范建设的房屋，如果地面以下有污染的地下水或者残留土壤污染物，将具有如下的缺点：1、地下水中的有机污染物将随着地下水的水力梯度迁移，从污染源区往房屋所在区域扩散。2、有机污染物从地下水中扩散进入土壤气，土壤气中的有机污染物可以通过扩散的作用进入房屋地层下，并通过房屋地层的微小裂缝进入房屋。3、有机污染物从地下水中扩散进入土壤气，由于土壤气中压力的不平衡，可以造成对流，土壤污染气可以通过某些通道(譬如下水管)进入室内。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种防止土壤气入侵的修复系统，该系统成本较低，能有效阻隔土壤气入侵。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：该系统包括压力监测系统、污染物浓度监测系统、土壤气抽气系统、气体过滤系统、流量监控系统和控制中心；所述压力监测系统用于实时检测地层以下和室内的压力差，并将检测到的压力差传输至所述控制中心；所述污染物浓度监测系统用于实时检测地层下土壤气中污染物的浓度，并将检测到的浓度信息传输至所述控制中心；所述控制中心根据接收到的压力信息和污染物浓度信息判断土壤气入侵造成健康风险的可能性，如果健康风险超过阈值，则由所述控制中心启动所述土壤气抽气系统；所述流量监控系统用于提供土壤气抽取系统的运行效果，并向所述控制中心反馈流量的数据，所述控制中心根据反馈信息控制所述土壤气抽气系统运行状态。

优选地，所述土壤气抽气系统包括抽气支管、抽气总管和气泵；所述抽气支管采用若干个，各所述抽气支管与地面平行间隔或与地面垂直布置在地层下，各所述抽气支管末端均连接至所述抽气总管一端，所述抽气总管另一端从地下穿出地面、位于地面上并与所述气泵连接；所述气泵抽取的气体经所述气体过滤系统过滤处理后的尾气排入室外的大气中。

优选地，各所述抽气支管之间的间距为2m至5米之间，靠近建筑物地基基础处的所述抽气支管与地基基础之间的距离设置为1m以上。

优选地，各所述抽气支管分别填埋在一个粗砾填充层内，各所述抽气支管上开设有若干间隔设置的缝隙；所述粗砾填充层的粗砾尺寸比其四周的土壤颗粒的尺寸大，同时也比所述缝隙大。

优选地，所述抽气总管从地下进入地上的部位采用填充材料进行气封。

优选地，所述气体过滤系统采用活性炭吸附处理箱。

优选地，所述压力监测系统包括压力传感器和压差传感器；在地面下和地面上都设置有所述压力传感器和压差传感器，所述压力传感器位于所述抽气支管位置附近；所述污染物浓度监测系统由多个VOC传感器构成，各所述VOC传感器设置在地面下；所述流量监控系统由流量计构成，所述流量计设置在抽气总管上，并位于地面与所述土壤气抽气系统的气泵之间。

优选地，所述控制中心包括数据接收装置、控制模块、人机界面、网络服务器和远程登录界面；所述数据接收装置用于实时接收压差传感器、压力传感器、流量计和VOC传感器传输至的数据，并将接收到的数据传输到所述控制模块，所述控制模块基于实时的数据和历史数据进行计算和逻辑判断，进而对所述土壤气抽气系统的气泵进行控制；所述数据接收装置收集的数据和控制模块发送的命令还实时传送至所述人机界面进行显示，并传输至所述网络服务器进行存储；所述网络服务器通过所述远程登录界面进行浏览和操作。

优选地，所述控制中心基于实时的数据和历史数据进行计算和逻辑判断过程如下：1)通过人机界面或远程控制界面启动，实时监测地面上、下压力，压差以及VOC的浓度，开始监测10分钟之后，实时进行逻辑判断；2)如果地面下10分钟平均压力P_f-10大于地面上10分钟平均压力P_h-10,则进入下一步，否则返回步骤1)继续监测；3)判断10分钟压力差ΔP₁₀是否高于预设的压力差阈值P₀，如果ΔP₁₀>P₀,则进入下一步，否则返回步骤1)继续监测；4)判断10分钟平均VOC浓度C₁₀是否大于预设的浓度阈值C₀，如果C₁₀>C₀，则启动气泵，开始抽气，并在抽气的过程中持续监测压力、压差、VOC浓度以及抽气的流量，直至同时满足P_f-60<P_h-60、C₁₀<C₀、ΔP₁₀<-5帕斯卡之后，关闭气泵，返回步骤1)继续监测。

优选地，在所述控制中心设置变频器，所述控制中心基于实时的数据和历史数据进行计算和逻辑判断过程如下：1)启动气泵，实时监测地面上、下压力，流量，压差以及VOC的浓度，并实时进行逻辑判断；2)判断是否压差大流量小，若是则利用控制中心内的变频器来减小抽气量和耗能，否则进入下一步；3)判断是否压差小流量大，若是则发送报警信息；否则进入下一步；4)判断10分钟平均VOC浓度C₁₀是否大于预设的浓度阈值C₀，如果C₁₀>C₀，则启动气泵，开始抽气，并在抽气的过程中持续监测压力、压差、VOC浓度以及抽气的流量，直至同时满足P_f-60<P_h-60、C₁₀<C₀、ΔP₁₀<-5帕斯卡之后，关闭气泵，返回步骤1)继续监测。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明不需要挖掘污染土壤，即可实现对污染土壤的风险控制，从而大大降低成本。2、本发明通过网络服务器和远程登录界面，可以进行实时数据分析和处理，以及实时的操作。3、本发明通过多种传感器的感应来检测地下的实际情况，通过合理的逻辑计算来确保风险控制的安全性。4、本发明有效利用不同粒径材料和土壤的特性，从而有效的抽气和造成地下负压，保证有效阻隔土壤气入侵。5、本发明利用实时的监测，以及抽气压力在地下对数变化的特性，有效的减少气泵3功耗。6、本发明利用稳定抽气压力和影响半径的关系，可以有效的减少抽气管布设密度，减少建设成本。综上所述，本发明可以广泛在环境修复领域中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的抽气管横截面布置示意图；

图3是本发明的相邻抽气管以及抽气管与地基基础之间间距设置示意图；

图4是本发明的抽气管布置侧视图；

图5是本发明的控制中心结构示意图；

图6是本发明的逻辑控制流程示意图；

图7是本发明的另一种优化后的逻辑控制流程示意图；

图8是本发明的抽气压力与时间关系示意图；

图9是本发明的稳定抽气压力与影响半径关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种防止土壤气入侵的修复系统，该系统能智能、有效地阻隔土壤气入侵，其包括压力监测系统、污染物浓度监测系统、土壤气抽气系统、气体过滤系统、流量监控系统和控制中心。压力监测系统用于实时检测地层以下和室内的压力差，并将检测到的压力差传输至控制中心，控制中心根据压力监测的数据可以判断土壤气和室内空气交换的方向和程度。污染物浓度监测系统用于实时检测地层下土壤气中污染物的浓度，并将检测到的浓度信息传输至控制中心。控制中心根据接收到的压力信息和污染物浓度信息即可以判断土壤气入侵造成健康风险的可能性，如果健康风险超过阈值，则由控制中心启动土壤气抽气系统，地层以下的土壤气被抽取的过程中会在地层下形成一个低压区，从而避免土壤气往室内的入侵，被抽取的土壤气通过气体过滤系统处理后排入大气。流量监控系统可以提供土壤气抽取系统的运行效果，并向控制中心反馈流量的数据，控制中心根据反馈信息控制土壤气抽气系统继续平稳运行、还是升高或降低流速、或停止运行。控制中心对接收到的所有实时检测数据进行处理，对整个修复系统运行进行最优化的控制。

上述实施例中，如图2所示，土壤气抽气系统包括抽气支管1、抽气总管2和气泵3。抽气支管1采用若干个，各抽气支管1可以与地面平行间隔布置在地层下，各抽气支管1末端均连接至抽气总管2一端，抽气总管2另一端从地下穿出地面、位于地面上并与气泵3连接。气泵3抽取的气体经气体过滤系统过滤处理后的尾气排入室外的大气中。

其中，各抽气支管1还可以采用点状布置，即各抽气支管1与地面垂直布置，靠近地面的一端均连接至抽气总管2。

上述实施例中，如图3所示，各抽气支管1之间的间距L1为2m至5米之间，靠近建筑物地基基础4处的抽气支管1与地基基础4之间的距离L2设置为1m以上。

上述实施例中，如图4所示，各抽气支管1分别填埋在一个粗砾填充层5内，并在各抽气支管1上开设有若干间隔设置的缝隙6，用于土壤气从管外进入管内。粗砾填充层5的粗砾尺寸应当比其四周的土壤颗粒的尺寸略大，同时也应当比抽气支管1上的缝隙6略大，以避免土壤颗粒进入抽气管造成堵塞。抽气总管2从地下进入地上的部位采用水泥7或其他填充材料进行气封。

上述各实施例中，如图2所示，气体过滤系统采用活性炭吸附处理箱8。

上述各实施例中，如图2所示，压力监测系统包括压力传感器P和压差传感器DP。压力传感器P和压差传感器DP都设置为多个，在地面下和地面上都设置有压力传感器P和压差传感器DP，压力传感器P位于抽气支管1位置附近。

上述各实施例中，污染物浓度监测系统由多个VOC传感器V构成，各VOC传感器V设置在地面下，将检测到的污染物浓度传输至控制中心。

上述各实施例中，流量监控系统由流量计构成，流量计设置在抽气总管2上，并位于地面与土壤气抽气系统的气泵3之间。

上述各实施例中，如图5所示，控制中心包括数据接收装置、控制模块、人机界面、网络服务器和远程登录界面。数据接收装置用于实时接收压差传感器、压力传感器、流量计和VOC传感器传输至的数据，并将接收到的数据传输到控制模块，控制模块基于实时的数据和历史数据进行计算和逻辑判断，进而对气泵3进行控制。数据接收装置收集的数据和控制模块发送的命令还实时传送至人机界面进行显示，并传输至网络服务器进行存储。其中，网络服务器可以通过远程登录界面进行浏览和操作。操作人员可以通过人机界面或者远程登录界面对控制模块进行指挥。

控制中心实时记录数据，每一条记录均包括记录的日期，记录的时间，气泵3的流量，每个压力传感器的压力读数，每个压差传感器的压差读数以及每个VOC传感器的读数。根据这些数据，控制模块可以对应的计算一系列用于逻辑判断的参数，包括地面上10分钟平均压力(P_h-10)，地面下10分钟平均压力(P_f-10)，地面上60分钟平均压力(P_h-60)，地面下60分钟平均压力(P_f-60)，10分钟的平均压力差(ΔP₁₀)，以及地面下10分钟的平均VOC浓度(C₁₀)。

其中，如图6所示，控制中心基于实时的数据和历史数据进行计算和逻辑判断过程如下：

1)通过人机界面或远程控制界面启动，实时监测地面上、下压力，压差以及VOC的浓度，开始监测10分钟之后，实时进行逻辑判断。

2)如果地面下10分钟平均压力P_f-10大于地面上10分钟平均压力P_h-10,则进入下一步，否则返回步骤1)继续监测。

3)判断10分钟压力差ΔP₁₀是否高于预设的压力差阈值P₀，如果ΔP₁₀>P₀,则进入下一步，否则返回步骤1)继续监测；

其中，预设的压力差阈值P₀是根据污染物浓度及地层设计参数进行计算，其默认值为5帕斯卡。P₀也可以通过运行数据进行优化。

4)判断10分钟平均VOC浓度C₁₀是否大于预设的浓度阈值C₀，如果C₁₀>C₀，则启动气泵3，开始抽气，并在抽气的过程中持续监测压力、压差、VOC浓度以及抽气的流量，直至下面三个条件同时满足之后，关闭气泵3，返回步骤1)继续监测；预设的浓度阈值C₀根据具体污染物的种类进行健康风险评价确定；

其中，三个条件为：①P_f-60<P_h-60；②C₁₀<C₀；③ΔP₁₀<-5帕斯卡。

上述各步骤中，参数计算方法根据实地的情况进行调整，例如将10分钟的平均压力改为20分钟的平均压力，10分钟的平均VOC浓度改为60分钟的平均VOC浓度等。

在一个优选的实施例中，如图7所示，在控制中心设置变频器，控制中心基于实时的数据和历史数据进行计算和逻辑判断方法可以根据实地的情况进行优化和调整，其过程如下：

1)启动气泵3，实时监测地面上、下压力，流量，压差以及VOC的浓度，并实时进行逻辑判断。

2)判断是否压差大流量小，若是则利用控制中心的变频器来减小抽气量和耗能，并返回步骤1)继续监测；否则进入下一步。

3)判断是否压差小流量大，若是则发送报警信息，提示有可能管道泄漏；否则进入下一步。

4)判断10分钟平均VOC浓度C₁₀是否大于预设的浓度阈值C₀，如果C₁₀>C₀，则启动气泵3，开始抽气，并在抽气的过程中持续监测压力、压差、VOC浓度以及抽气的流量，直至下面三个条件同时满足之后，关闭气泵3，返回步骤1)继续监测；预设的浓度阈值C₀根据具体污染物的种类进行健康风险评价确定；三个条件为：①P_f-60<P_h-60；②C₁₀<C₀；③ΔP₁₀<-5帕斯卡。

综上所述，本发明在使用时，如图8所示，在抽气支管1的影响范围内，气压的影响和时间是一个对数关系，因此抽气压力可以在一个较长的时间里维持在一个较高的水平，从而保证系统功能的有效性。如图9所示，稳定的抽气压力也是和抽气的影响半径有一个对数的关系。因此，影响半径在一定水平的抽气压力下，可以满足本系统的功能需求，因此并不需要密集的布设抽气管。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：该系统包括压力监测系统、污染物浓度监测系统、土壤气抽气系统、气体过滤系统、流量监控系统和控制中心；所述压力监测系统用于实时检测地层以下和室内的压力差，并将检测到的压力差传输至所述控制中心；所述污染物浓度监测系统用于实时检测地层下土壤气中污染物的浓度，并将检测到的浓度信息传输至所述控制中心；所述控制中心根据接收到的压力信息和污染物浓度信息判断土壤气入侵造成健康风险的可能性，如果健康风险超过阈值，则由所述控制中心启动所述土壤气抽气系统；所述流量监控系统用于提供土壤气抽取系统的运行效果，并向所述控制中心反馈流量的数据，所述控制中心根据反馈信息控制所述土壤气抽气系统运行状态。

2.如权利要求1所述的一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：所述土壤气抽气系统包括抽气支管、抽气总管和气泵；所述抽气支管采用若干个，各所述抽气支管与地面平行间隔或与地面垂直布置在地层下，各所述抽气支管末端均连接至所述抽气总管一端，所述抽气总管另一端从地下穿出地面、位于地面上并与所述气泵连接；所述气泵抽取的气体经所述气体过滤系统过滤处理后的尾气排入室外的大气中。

3.如权利要求2所述的一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：各所述抽气支管之间的间距为2m至5米之间，靠近建筑物地基基础处的所述抽气支管与地基基础之间的距离设置为1m以上。

4.如权利要求2所述的一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：各所述抽气支管分别填埋在一个粗砾填充层内，各所述抽气支管上开设有若干间隔设置的缝隙；所述粗砾填充层的粗砾尺寸比其四周的土壤颗粒的尺寸大，同时也比所述缝隙大。

5.如权利要求2所述的一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：所述抽气总管从地下进入地上的部位采用填充材料进行气封。

6.如权利要求1所述的一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：所述气体过滤系统采用活性炭吸附处理箱。

7.如权利要求1所述的一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：所述压力监测系统包括压力传感器和压差传感器；在地面下和地面上都设置有所述压力传感器和压差传感器，所述压力传感器位于所述抽气支管位置附近；所述污染物浓度监测系统由多个VOC传感器构成，各所述VOC传感器设置在地面下；所述流量监控系统由流量计构成，所述流量计设置在抽气总管上，并位于地面与所述土壤气抽气系统的气泵之间。

8.如权利要求1所述的一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：所述控制中心包括数据接收装置、控制模块、人机界面、网络服务器和远程登录界面；所述数据接收装置用于实时接收压差传感器、压力传感器、流量计和VOC传感器传输至的数据，并将接收到的数据传输到所述控制模块，所述控制模块基于实时的数据和历史数据进行计算和逻辑判断，进而对所述土壤气抽气系统的气泵进行控制；所述数据接收装置收集的数据和控制模块发送的命令还实时传送至所述人机界面进行显示，并传输至所述网络服务器进行存储；所述网络服务器通过所述远程登录界面进行浏览和操作。

9.如权利要求8所述的一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：所述控制中心基于实时的数据和历史数据进行计算和逻辑判断过程如下：

1)通过人机界面或远程控制界面启动，实时监测地面上、下压力，压差以及VOC的浓度，开始监测10分钟之后，实时进行逻辑判断；

2)如果地面下10分钟平均压力P_f-10大于地面上10分钟平均压力P_h-10,则进入下一步，否则返回步骤1)继续监测；

3)判断10分钟压力差ΔP₁₀是否高于预设的压力差阈值P₀，如果ΔP₁₀>P₀,则进入下一步，否则返回步骤1)继续监测；

4)判断10分钟平均VOC浓度C₁₀是否大于预设的浓度阈值C₀，如果C₁₀>C₀，则启动气泵，开始抽气，并在抽气的过程中持续监测压力、压差、VOC浓度以及抽气的流量，直至同时满足P_f-60<P_h-60、C₁₀<C₀、ΔP₁₀<-5帕斯卡之后，关闭气泵，返回步骤1)继续监测。

10.如权利要求8所述的一种防止土壤气入侵的修复系统，其特征在于：在所述控制中心设置变频器，所述控制中心基于实时的数据和历史数据进行计算和逻辑判断过程如下：

1)启动气泵，实时监测地面上、下压力，流量，压差以及VOC的浓度，并实时进行逻辑判断；

2)判断是否压差大流量小，若是则利用控制中心内的变频器来减小抽气量和耗能，否则进入下一步；

3)判断是否压差小流量大，若是则发送报警信息；否则进入下一步；

4)判断10分钟平均VOC浓度C₁₀是否大于预设的浓度阈值C₀，如果C₁₀>C₀，则启动气泵，开始抽气，并在抽气的过程中持续监测压力、压差、VOC浓度以及抽气的流量，直至同时满足P_f-60<P_h-60、C₁₀<C₀、ΔP₁₀<-5帕斯卡之后，关闭气泵，返回步骤1)继续监测。