CN106242029A - 一种坎儿井式地下水污染修复系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种坎儿井式地下水污染修复系统，其包括纵向设置的监控井、横向设置的主干管和设置于主干管上的污水反应单元；其中，所述监控井设置于含水层上方的包气带中；所述主干管的一端接入含水层中；所述监控井的井管与所述主干管通过三通管件实现三通连接。本发明的地下水污染修复系统结构简单巧妙、操作方便，成本低廉，便于实际应用，可同步实现被污染地下水的无动力修复和资源化利用。

Description

一种坎儿井式地下水污染修复系统
技术领域
本发明属于地下水污染修复技术领域，具体涉及一种坎儿井式地下水污染修复系统。
背景技术
我国地下水环境质量不容乐观。根据《2015中国环境状况公报》，全国5118个地下水水质监测点中，水质为优良级的监测点比例为9.1％，良好级的监测点比例为25.0％，较好级的监测点比例为4.6％，较差级的监测点比例为42.5％，极差级的监测点比例为18.8％。因此，针对不同水文地质特征的污染场地开发经济适用的地下水污染修复技术具有重要意义。
相对于我国南方地区而言，北方地区降雨量小、地下水埋深较深、地下水污染较严重。针对这样的特点，传统的地下水污染处理技术具有一定的局限性，例如：1)抽出处理技术适用于含水层渗透性较好的污染场地。该技术所需动力消耗、设备运行和维护等费用极大。同时该技术对含水层扰动较大，为防止地下水漏斗的形成还需采用回灌技术，更是增加了资金消耗；2)可渗透反应格栅(PRB)技术适用于地下水埋深较浅且含水层渗透性较差的污染场地，而针对地下水埋深较深的污染场地，其地下施工成本高、维护管理难度大；3)原位曝气/药剂注入技术需要持续提供动力，且曝气/注入深度越深其施工运行成本越高。同时，该类技术无法对物理/化学/生物反应的程度和范围有效控制。因此，针对地下水污染严重的区域，尤其是像我国北方这样的处理难度较大的地区，迫切需要研究开发更为经济实用的地下水污染修复技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种新型的地下水污染修复系统，以期解决上述技术问题。
本发明的发明人在研究的过程中，偶然发现有一种灌溉系统在我国已有较为悠久的使用历史，称为“坎儿井”。坎儿井早在《史记》中便有记载，时称“井渠”。坎儿井是荒漠缺水地区一种特殊的灌溉系统，与万里长城、京杭大运河并称为中国古代三大工程。在新疆一些冲积扇地形地区，土壤多为砂砾，渗透性很强，山上雪水溶化后，大部渗入地下，地下水埋藏较深。为了将渗入地下的水分引出，供平原地区灌溉，新疆劳动人民吸引了井渠法的施工经验，并将它引用到新的地理条件下，创造出新型的灌溉工程型式。针对地下水埋深较深、含水层水力梯度较大的污染场地，发明人试图将这种引水理念借鉴用于地下水污染物的修复过程中，经过设计和现代施工，并辅以现代化污水处理设备，经过探索实践得出适用于具体地形条件下的控制参数，并经实践验证发现，其技术效果优良，具有广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供一种坎儿井式地下水污染修复系统，其包括纵向设置的监控井、横向设置的主干管和设置于主干管上的污水反应单元；
其中，所述监控井设置于含水层上方的包气带中；
所述主干管的一端接入含水层中；
所述监控井的井管与所述主干管通过三通管件实现三通连接。
所述修复系统包括地埋式修复系统和地面式修复系统，根据污染场地的不同地形条件选择使用不同的系统。所述地埋式修复系统适用于地表坡度较小的污染场地，所述地面式修复系统适用于地表坡度较大的污染场地。优选地，当时，采用所述地埋式修复系统进行地下水修复；当时，采用所述地面式修复系统进行地下水修复；其中θ为地表坡度，Y为主干管的埋深，l为主干管的管长。
优选地，所述监控井垂直设置，所述主干管水平设置。
优选地，所述监控井的井口为长方形或圆形，井口大小根据施工及检修需要确定；
优选地，相邻的两口所述监控井的间距为10-100m；
优选地，连接所述监控井的井管与所述主干管的三通管件的接口处设置阀门和止回阀。
优选地，所述监控井中设置地下水常规指标的实时在线水质监测设备，优选设置包括水温、水位、溶解氧、电导率和pH的实时在线水质监测设备。
更优选地，所述实时在线水质监测设备安装在与所述污水反应单元相邻的上下游监控井中(地埋式修复系统)，或安装在污水反应单元进出水口处(地面式修复系统)。
优选地，所述主干管通过顶管施工的方式接入含水层。
优选地，所述主干管和所述监测井的井管的管壁由隔水材料制成。
优选地，所述主干管的管径与管长根据含水层单点最大集水流量计算确定，其中，所述单点最大集水流量根据不稳定井流水头降深公式确定。所述单点最大集水流量的计算公式为其中K为渗透系数，p为观测点到管口的距离，a为含水层压力传导系数，t为时间变量，s为水位降深，是误差函数；
主干管的管径的计算公式为：其中Re为雷诺系数，γ为液体粘度；
主干管的管长的计算公式为：其中g为重力加速度，H为管道沿程水头损失，λ为管道沿程阻力系数。
本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用的原料或试剂除特别说明之外，均市售可得。
本发明具有下述有益效果：
1)本发明的地下水污染修复系统结构简单巧妙、操作方便，成本低廉；
2)本发明创造性地提出了地下水污染修复系统的设计计算方法，便于实际应用；
3)实现了地下水污染修复过程的无动力和低能耗，且污染物去除过程及二次风险可控；
4)处理达标地下水可及时回灌，减少对含水层的扰动；
5)可同步实现被污染地下水的无动力修复和资源化利用。
附图说明
图1为本发明地埋式修复系统的结构示意图；
图2为本发明地面式修复系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种坎儿井式地下水污染修复系统，其包括纵向设置的监控井、横向设置的主干管和设置于主干管上的污水反应单元；
其中，所述监控井设置于含水层上方的包气带中；
所述主干管的一端接入含水层中；
所述监控井的井管与所述主干管通过三通管件实现三通连接。
其中，所述包气带是指地面以下潜水面以上的地带，也称非饱和带，是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带，它是岩土颗粒、水、空气三者同时存在的一个复杂系统。
所述含水层是指土壤通气层以下的饱和层，其介质孔隙完全充满水分。
所述污水反应单元可为本领域常规，其一般包括异位修复反应单元，如曝气生物滤池、SBR反应单元、AO反应单元等水处理工艺均适用于本发明。
所述修复系统包括地埋式修复系统和地面式修复系统，根据污染场地的不同地形条件选择使用不同的系统。所述地埋式修复系统适用于地表坡度较小的污染场地，所述地面式修复系统适用于地表坡度较大的污染场地。优选地，当时，采用所述地埋式修复系统进行地下水修复；当时，采用所述地面式修复系统进行地下水修复；其中θ为地表坡度，Y为主干管的埋深，l为主干管的管长。
优选地，所述监控井垂直设置，所述主干管水平设置。
优选地，所述监控井的井口为长方形或圆形，井口大小根据施工及检修需要确定；
优选地，相邻的两口所述监控井的间距为10-100m；
优选地，连接所述监控井的井管与所述主干管的三通管件的接口处设置阀门和止回阀，用于管路维修、控制流量大小、防止水体倒流。
优选地，所述监控井中设置地下水常规指标的实时在线水质监测设备，优选设置包括水温、水位、溶解氧、电导率和pH的实时在线水质监测设备。
更优选地，所述实时在线水质监测设备安装在与所述污水反应单元相邻的上下游监控井中(地埋式修复系统)，或安装在污水反应单元进出水口处(地面式修复系统)。
优选地，所述主干管和所述监测井的井管的管壁由隔水材料制成。
优选地，所述主干管的管径与管长根据含水层单点最大集水流量计算确定，其中，所述单点最大集水流量根据不稳定井流水头降深公式确定。所述单点最大集水流量的计算公式为其中K为渗透系数，p为观测点到管口的距离，a为含水层压力传导系数，t为时间变量，s为水位降深，是误差函数；
主干管的管径的计算公式为：其中Re为雷诺系数，γ为液体粘度；
主干管的管长的计算公式为：其中g为重力加速度，H为管道沿程水头损失，λ为管道沿程阻力系数。
本发明的工作原理为：以顶管施工的方式将主干管一端横向接入水力梯度较大的被污染含水层区域，主干管另一端连接去除污染物的污水反应单元。主干管管径根据接入点出水流量计算确定。主干管每隔10-100m设置纵向监控井，监控井用于管道施工、管路维修以及地下水水温、水位、溶解氧、电导率、pH等常规指标的实时在线监测。根据污染物的特性确定污水反应单元所需要采用的物理、化学、生物处理方法，污水反应单元的有效容积根据进水流量和最小水力停留时间计算确定。若地表坡度较小，污水反应单元可安装于地面；若地表坡度较大，污水反应单元可埋设于地下。污水反应单元进出水安装在线水质监测系统，出水水质未达标则循环进入污水反应单元处理，出水水质达到相应标准后可用于地下水回灌、农田灌溉、以及工业企业用水等。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的一较佳实例中，公开了一种坎儿井式地下水污染修复系统，如图1的地埋式修复系统的结构示意图和图2的地面式修复系统结构示意图所示，所述坎儿井式地下水污染修复系统包括监控井1，主干管2，及反应单元3。
其中，地埋式修复系统适用于地表坡度较小的污染场地，地面式修复系统适用于地表坡度较大的污染场地。当时，采用地埋式修复系统。当时，采用地面式修复系统。其中θ为地表坡度，Y为主干管2最佳埋深，l为主干管2设计管长。
监控井1井口为长方形或圆形，井口大小根据施工及检修需要确定，相邻两口监控井间距为10-100m，监控井1井管与主干管2通过三通连接，连接主干管2三通接口设置阀门及止回阀。
监控井1中设置地下水水温、水位、溶解氧、电导率、pH等常规指标实时在线监测设备。在线水质监测系统安装在与反应单元3相邻的上下游监控井1(地埋式修复系统)，或安装在反应单元3进出水口处(地面式修复系统)。
主干管2可通过顶管施工的方式接入含水层，管壁为隔水材料制成，主干管2管径与管长根据含水层单点最大集水流量计算确定。
单点最大集水流量根据不稳定井流水头降深公式确定，其计算公式为其中K为渗透系数，p为观测点到管口的距离，a为含水层压力传导系数，t为时间变量，s为水位降深。是误差函数。
主干管2管径的计算公式为：其中Re为雷诺系数，γ为液体粘度。
主干管2管长的计算公式为：其中g为重力加速度，H为管道沿程水头损失，λ为管道沿程阻力系数。
将前述较佳实例中所述的如图1的地埋式修复系统和图2的地面式修复系统运用于平原地区且水力坡度大和山地丘陵地区且水力坡度大的两种地形条件下，结果表明，本发明的修复系统能够充分利用含水层自然水力梯度，将被污染地下水引流至外部污水处理反应单元进行净化，从而实现高效、低能耗、绿色环保的发明理念。
截至目前，本发明的设计构思在污水处理技术领域还未见有任何相关报道，因此本发明属于首创。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，其包括纵向设置的监控井、横向设置的主干管和设置于主干管上的污水反应单元；
其中，所述监控井设置于含水层上方的包气带中；
所述主干管的一端接入含水层中；
所述监控井的井管与所述主干管通过三通管件实现三通连接。
2.根据权利要求1所述的坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，所述修复系统包括地埋式修复系统和地面式修复系统；
当时，采用所述地埋式修复系统进行地下水修复；
当时，采用所述地面式修复系统进行地下水修复；
其中θ为地表坡度，Y为主干管的埋深，l为主干管的管长。
3.根据权利要求1所述的坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，所述监控井垂直设置，所述主干管水平设置。
4.根据权利要求1所述的坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，所述监控井的井口为长方形或圆形；
相邻的两口所述监控井的间距为10-100m。
5.根据权利要求1所述的坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，连接所述监控井的井管与所述主干管的三通管件的接口处设置阀门和止回阀。
6.根据权利要求1所述的坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，所述监控井中设置水温、水位、溶解氧、电导率和pH的实时在线水质监测设备。
7.根据权利要求6所述的坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，所述实时在线水质监测设备安装在与所述污水反应单元相邻的上下游监控井中，或安装在污水反应单元进出水口处。
8.根据权利要求1所述的坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，所述主干管通过顶管施工的方式接入含水层。
9.根据权利要求1所述的坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，所述主干管和所述监测井的井管的管壁由隔水材料制成。
10.根据权利要求1所述的坎儿井式地下水污染修复系统，其特征在于，所述主干管的管径与管长根据含水层单点最大集水流量计算确定，所述单点最大集水流量的计算公式为其中K为渗透系数，p为观测点到管口的距离，a为含水层压力传导系数，t为时间变量，s为水位降深，是误差函数；
主干管的管径的计算公式为：其中Re为雷诺系数，γ为液体粘度；
主干管的管长的计算公式为：其中g为重力加速度，H为管道沿程水头损失，λ为管道沿程阻力系数。
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