CN106269838A - 一种类芬顿药剂体系的污染场地原位注入修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类芬顿药剂体系的污染场地原位注入修复系统，包括注入井系统、催化剂罐、氧化剂罐、催化剂导流回流管路、氧化剂导流回流管路、注入动力装置、自动控制系统和监测井系统；注入井系统包括注入井钻孔、空心止水套管和注入井井管，注入井钻孔由上段钻孔和下端钻孔构成，注入井井管由外管和二内管构成；空心止水套管内置于上段钻孔，外管内置于空心止水套管和下段钻孔；一内管通过催化剂导流回流管路与催化剂罐相连通，另一内管通过氧化剂导流回流管路与氧化剂罐相连通。本发明适用于各种有机污染物污染场地修复，药剂氧化性能较稳定，注入量自动调节，注入效率高、药剂返流少，设备简单，注入动力装置及管路可重复使用。

Description

一种类芬顿药剂体系的污染场地原位注入修复系统

技术领域

本发明涉及污染场地的注入修复技术领域，具体涉及一种类芬顿药剂体系的污染场地原位注入修复系统，该修复系统采用新型的类芬顿药剂体系，适用于复杂水文地质条件和污染物特征的有机物污染场地。

背景技术

原位注入修复技术应用于污染场地土壤与地下水修复已有近20年时间，在美国、欧洲、日本等发达国家及地区已有较为成熟的应用案例。原位注入技术采用化学药剂，在动力设备、管路系统及注入井系统的协同作用下注入至污染场地地下污染区域，通过化学药剂与污染物的一系列地球化学反应，产生污染物降解、削减、固化、生物分解的作用，减少污染物的地下浓度负荷，降低污染物通过蒸散、挥发、地下水流动传导带来的人体健康风险及生态环境风险。

原位注入修复技术目前在我国仍处于新兴阶段，其中针对众多土壤与地下水受到有机物污染（如总石油烃、氯代烃、苯系物等）的场地，注入氧化剂的方式由于具有较强的氧化效果及显著的降解能力而成为注入技术的首选；虽然目前注入的氧化剂种类繁多，但是具有广谱适用的氧化剂仍未能诞生，其原因是由于污染场地的水文地质条件复杂程度及污染物特征的特异性造成，而在众多应用的氧化剂中，芬顿体系应用较为广泛，但由于芬顿体系在反应过程生成自由基，反应剧烈，稳定性差，注入过程中双氧水损耗极大，尤其是双氧水与催化剂在导流管路中混合后的自身快速分解、催化剂受到氧化以及场地地化环境对双氧水的损耗（如铁锰化合物对双氧水的分解）等，因此芬顿体系在原位注入系统中造价高昂；此外，由于目前众多原位注入系统未能全面对场地土壤渗透系数等地质特征进行评估，场地粘性土壤（如粘土、粉质粘土等）受到注入压力作用时往往在注入井孔壁或地层之间形变、生成优先通道，造成注入药剂垂向返流或地层间串流，造成注入失败。同时，在面对污染范围较大，污染区域地质环境渗透系数较低或区域地质条件差异较大的污染场地，简单的药剂导流管路拼接造成注入实地实施的操作难度加大，现场实施人员无法确切根据每口注入井实际情况进行细微调节，造成这个注入系统压力分配不均匀，最终造成地下水优先通道生成而注入失败。

发明内容

针对上述现有技术的缺点与不足，本发明要解决的技术问题是提供一种类芬顿药剂体系的污染场地原位注入修复系统，该修复系统采用新型的类芬顿药剂体系，通过分流注入的导流方式输送催化剂和氧化剂以延长氧化剂的寿命，同时配合采用止水工艺建设的注入井以防止药剂垂向串流，适用于复杂水文地质条件及污染物特征的污染场地的注入修复。

为解决上述技术问题，本发明具有如下构成：

一种类芬顿药剂体系的污染场地原位注入修复系统，包括至少一个注入井系统、装有催化剂溶液的催化剂罐、装有催化剂溶液的氧化剂罐、催化剂导流回流管路、氧化剂导流回流管路和注入动力装置；所述注入井系统包括注入井钻孔、空心止水套管和注入井井管，空心止水套管管壁的下端设有穿孔；所述注入井钻孔由上段钻孔和下段钻孔构成，下段钻孔位于污染水层处，上段钻孔的底端位于污染水层的上方；空心止水套管内置于上段钻孔，空心止水套管的直径略小于上段钻孔的直径、且略大于下段钻孔的直径；所述注入井井管由外管和内置于外管的二内管构成，外管管壁的下端设有滤缝，内管的下端设有注入喷头；外管内置于空心止水套管和下段钻孔；所述催化剂导流回流管路和氧化剂导流回流管路均包括导流管、回流管和导流支管；所述导流管的一端与催化剂罐的出液管或者氧化剂罐的出液管相连通，另一端与回流管相连通；所述回流管的另一端与催化剂罐的回液管或者氧化剂罐的回液管相连通；所述导流支管的一端与连通于导流管，另一端与注入井井管的内管（14）的上端相连通。

所述空心止水套管与上段钻孔壁之间的空腔内填充有混凝土；外管与下段钻孔壁之间的空腔内填充有石英砂滤料，外管与上段钻孔壁之间的空腔内由下向上依次填充有混凝土和膨润土。

所述注入动力装置包括气动隔膜泵，催化剂导流回流管路的导流管和氧化剂导流回流管路的导流管上各安装有一气动隔膜泵；所述气动隔膜泵通过气管依次与储气罐压力表、储气罐、干燥机和空压机相连通。

所述注入动力装置为电动隔膜泵，催化剂导流回流管路的导流管和氧化剂导流回流管路的导流管上各安装有一电动隔膜泵。

所述原位注入修复系统还包括一自动控制系统，所述自动控制系统包括压力表、电动调节阀、电磁流量计和PLC控制模块；催化剂导流回流管路的导流支管和氧化剂导流回流管路的导流支管上，均依次安装有压力表、电动调节阀和电磁流量计；所述压力表、电动调节阀和电磁流量计均通过数据线接入PLC控制模块。

所述原位注入修复系统还包括一监测井系统，所述监测井系统包括监测井钻孔、监测井井管、自动监测仪、温度探头和地化参数探头，监测井井管管壁的下端设有透水滤孔；监测井井管内置于监测井钻孔，自动监测仪安装于监测井井管的顶部；温度探头和地化参数探头内置于透水滤孔621处的监测井井管，并通过数据线与自动监测仪相连通。

所述监测井井管与监测井钻孔壁之间的空腔内填充有石英砂滤料。

所述监测井井管由PVC材料制成。

所述空心止水套管由钢材制成，所述外管、内管和注入喷头均由PVC材料制成；所述出液管、回液管、导流管、回流管和导流支管为PPR或者U-PVC材质的管材。

所述催化剂为没食子酸或者与没食子酸分子结构相似的有机酸或植物酸和氯化铁的水溶液，没食子酸或者与没食子酸分子结构相似的有机酸或植物酸与氯化铁的摩尔浓度配比为0.5:1至1:1；所述氧化剂为双氧水稀释溶液，其浓度为3%至27.5%。

与现有注入技术相比，本发明通过分流注入的导流方式输送催化剂和氧化，能够延长氧化剂的寿命，增强其在地下环境的稳定性，同时配合采用止水工艺建设的注入井，增强氧化剂在地下环境的传输传导，防止药剂垂向串流，以及采用自动控制系统对每口注入井的注入进行细微调节，达到减少注入药剂消耗、降低药剂成本、强化注入现场实时监控与管理、增强注入效率，最终达到经济适用合理的修复系统。

附图说明

图1：本发明污染场地原位注入修复系统第一种实施例的结构示意图。

图2：本发明污染场地原位注入修复系统第二种实施例的结构示意图。

图3：本发明中注入井系统的结构示意图。

图4：本发明中监测井系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1和图2所示，一种类芬顿药剂体系的污染场地原位注入修复系统，包括至少一个注入井系统10、装有催化剂溶液的催化剂罐21、装有氧化剂溶液的氧化剂罐22、催化剂导流回流管路31、氧化剂导流回流管路32、注入动力装置、自控控制系统50和监测井系统60。

本发明采用由催化剂和氧化剂构成的新型类芬顿药剂体系；其中，催化剂为没食子酸或者与没食子酸分子结构相似的有机酸或植物酸和氯化铁的水溶液，没食子酸或者与没食子酸分子结构相似的有机酸或植物酸与氯化铁的摩尔浓度配比为0.5:1至1:1；氧化剂为双氧水稀释溶液（106），其浓度为3%至27.5%。施工时，可根据如场地污染物浓度过高、调试期间氧化剂氧化效率较低等现场实际情况，适当调节催化剂组分的浓度配比和双氧水稀释溶液的浓度。

如图3所示，所述注入井系统10包括注入井钻孔、空心止水套管12和注入井井管；所述注入井钻孔由上段钻孔11a和下段钻孔11b构成，下段钻孔11b位于污染水层处，上段钻孔11a的底端位于污染水层的上方，下段钻孔11b的直径D2小于上段钻孔11a的直径D0。具体实施例中，上段钻孔11a的底端高于污染水层50cm至100cm。

所述空心止水套管12由钢材制成，其管壁的下端设有二个圆形穿孔121；空心止水套管12内置于上段钻孔11a，空心止水套管12的直径D1略小于上段钻孔11a的直径D0、且略大于下段钻孔11b的直径D2；空心止水套管12与上段钻孔11a壁之间的空腔内填充有作为止水封堵层的混凝土。

所述注入井井管由外管13和内置于外管13的二内管14构成，所述外管13管壁的下端设有至少一个滤缝131；外管13内置于空心止水套管12和下段钻孔11b，外管13的底端靠近下段钻孔11b的底部；外管13与下段钻孔11b壁之间的空腔内填充有作为滤料层的石英砂滤料，外管13与上段钻孔11a壁之间的空腔内由下向上依次填充有作为封堵层的混凝土和膨润土。其中，石英砂粒度均匀、粒径一般在4至8mm，分选性能较好。

所述二个内管14的下端均设有注入喷头141，其中一个内管14的上端通过将在下文作进一步说明的催化剂导流回流管路31与催化剂罐21相连通，另一个内管14的上端通过将在下文作进一步说明的氧化剂导流回流管路32与氧化剂罐22相连通。具体实施例中，所述外管13、内管14和注入喷头141均由PVC材料制成。

所述注入井系统10按照止水工艺成井，具体操作如下：在钻探至注入目标的污染水层以上50至100cm的深度即停止钻探，形成上段钻孔11a；然后在上段钻孔11a内放置一根直径D1略小于上钻钻孔11a直径D0的空心止水套管12；空心止水套管12放置完毕后，在空心止水套管12内伸入下端带有注浆喷头的注浆管、至上段钻孔11a的底部，并在空心止水套管12的顶部焊接封盖以保持其内密闭，随后将注浆管与注浆泵连接，在空心止水套管12内注入混凝土浆料，混凝土浆料通过空心止水套管12下端的圆形穿孔21流出，并向上溢流，填满空心止水套管12与上段钻孔11a壁之间的环形空腔，直至溢出地面70。完成注浆后，将注浆管向上提起一定高度，避免注浆管与混凝土浆粘连，在保持空心止水套管12密闭一定的时间后，用气焊切开焊接封盖（023），并从上段钻孔11a底部的位置，采用直径D2略小于空心止水套管12直径D1的钻头，向下钻探至注入目标污染水层处的深度，形成下段钻孔11b。钻探结束后，在空心止水套管12和下段钻孔11b内安装下端带有滤缝131的外管13；在外管13与下段钻孔11b之间形成的空腔内，填充石英砂滤料；然后在注入井外管13与上段钻孔11a之间形成的空腔内，由下向上依次填充混凝土和鹏润土，最后在注入井钻孔外围安装保护井台15。完成上述操作后，将二个下端带有注入喷头141的内管14插入外管13内，内管14的上端延伸至地面70，并分别通过催化剂导流回流管路31和氧化剂导流回流管路32与催化剂罐21和氧化剂罐22相连通；在内管14伸出地面段上安装调节阀及压力表。由于注入井内外均有封堵，并且经混凝土固结以及土层自身受侧向应力收缩后，使得注入井管的外管13与土层紧密相连，因此注入过程在有效控制压力的条件下，可以很好的防止药剂沿孔壁向上返流或串流，减少了药剂浪费，提高了注入效率。

所述催化剂导流回流管路31包括导流管311、回流管312和导流支管313，导流管311的一端与催化剂罐21的出液管211相连通，另一端与回流管312的一端相连通；回流管312的另一端与催化剂管21的回液管212相连通；导流支管313的一端连通于导流管311，另一端与注入井井管的一个内管14的上端相连通。

所述氧化剂导流回流管路32包括导流管321、回流管322和导流支管323，导流管321的一端与氧化剂罐22的出液管221相连通，另一端与回流管322的一端相连通；回流管312的另一端与氧化剂罐22的回液管222相连通；导流支路323的一端连通于导流管323，另一端与注入井井管的另一个内管14的上端相连通。

本发明所述的新型类芬顿药剂体系中，催化剂在水溶液pH值3至5的条件下，铁离子与没食子酸发生络合反应，没食子酸将铁离子络合，形成铁基络合物；双氧水与铁基络合物混合后，首先发生氧化反应，将没食子酸氧化并将铁离子释放到水溶液中，然后双氧水再与铁离子产生芬顿体系，生成氧化性能高的氢氧自由基，氢氧自由基再与地下污染物发生氧化反应，形成一种新型的铁离子缓慢释放到溶液中的类芬顿药剂体系。

本发明中使用的催化剂和氧化剂采用分流的导流回流管路，可以防止药剂在混合流动条件下氧化剂对催化剂的分解，并且也减少双氧水试剂在导流管内自身分解产生氧气，对管路造成压力，进而造成管路发生形变而泄露，降低了管路重新组装的成本。具体实施例中，所述出液管、导流管、回流管、导流支管和回液管为PPR或者U-PVC材质的管材，经济适用。

在一具体实施例中，所述注入动力装置采用气动动力方式，包括气动隔膜泵41a、产生气源的空压机42、干燥压缩空气的干燥机43、储气罐44和储气罐压力表45，见图1；所述催化剂导流回流管路31的导流管311和氧化剂导流回流管路32的导流管321上各安装有一气动隔膜泵41a，气动隔膜泵41a通过气管依次与储气罐压力表45、储气罐44、干燥机43和空压机42相连通。

在另一具体实施例中，所述注入动力装置采用电动动力方式，为电动隔膜泵41b，所述催化剂导流回流管路31的导流管311和氧化剂导流回流管路32的导流管321上各安装有一电动隔膜泵41b，见图2。

所述自动控制系统50包括压力表51、电动调节阀52、电磁流量计53和PLC控制模块55，所述催化剂导流回流管路31的导流支管313和氧化剂导流回流管路32的导流支管323上，均依次安装有压力表51、电动调节阀52和电磁流量计53；所述压力表51、电动调节阀52、电磁流量计53、气动隔膜泵41a和电动隔膜泵41b，均通过数据线54接入PLC控制模块55；所述PLC控制模块55通过压力表51和电磁流量计53反馈的压力值和流量值，自动开启电动调节阀52调节注入流量，确保每口注入井的注入压力保持在不造成场地地层优先通道产生的安全压力范围内。

如图4所示，所述监测井系统60包括监测井钻孔61、监测井井管62、用于实时检测地化参数的自动监测仪63、温度探头631和地化参数探头632，监测井井管62管壁的下端设有透水滤孔621；所述监测井井管62内置于监测井钻孔61，所述自动监测仪63安装于监测井井管62的顶部；监测井井管62与监测井钻孔61壁之间的空腔内填充有石英砂滤料，所述石英砂滤料的上层填充有混凝土；所述温度探头631和地化参数探头632内置于透水滤孔621处的监测井井管62，并通过数据线633与自动监测仪63相连接。具体实施例中，检测井地面上设有用于包括井盖64，以保护监测仪和井管。

监测井成井的过程为：采用钻机钻孔至目标深度，形成监测井钻孔61，然后安装监测井井管62，在监测井井管62内安装温度探头631及地化参数探头632，并用数据线633与井管口的自动监测仪63相连，为现场实施人员提供监测井内地化环境的时空变化，指导注入流程的调试与运行。

具体应用实例：南方某轴承厂，场地污染类型为总石油烃，污染成因为地埋式输油铁管油品泄露造成，污染时间长达近5年，场地地质条件为杂填土、粉土及粉粘土，污染深度为地面以下1m至3m之间，土壤渗透系数介于10-7cm/s至10-6cm/s，填土层内各向异性及渗透系数差异较大。该厂应用了本发明进行修复，污染区内地下水总石油烃降解效率在52%至98%，轻度污染区域内达到98%的降解率。

根据本实施例的教导，本技术领域的技术人员完全可实现其它本发明保护范围内的技术方案。

Claims (10)

1.一种类芬顿药剂体系的污染场地原位注入修复系统，其特征在于：包括至少一个注入井系统（10）、装有催化剂溶液的催化剂罐（21）、装有催化剂溶液的氧化剂罐（22）、催化剂导流回流管路（31）、氧化剂导流回流管路（32）和注入动力装置；

所述注入井系统（10）包括注入井钻孔、空心止水套管（12）和注入井井管，空心止水套管（12）管壁的下端设有穿孔（121）；

所述注入井钻孔由上段钻孔（11a）和下段钻孔（11b）构成，下段钻孔（11b）位于污染水层处，上段钻孔（11a）的底端位于污染水层的上方；空心止水套管（12）内置于上段钻孔（11a），空心止水套管（12）的直径略小于上段钻孔（11a）的直径、且略大于下段钻孔（11b）的直径；

所述注入井井管由外管（13）和内置于外管（13）的二内管（14）构成，外管（13）管壁的下端设有滤缝（131），内管（14）的下端设有注入喷头（141）；外管（13）内置于空心止水套管（12）和下段钻孔（11b）；

所述催化剂导流回流管路（31）和氧化剂导流回流管路（32）均包括导流管、回流管和导流支管；

所述导流管的一端与催化剂罐（21）的出液管或者氧化剂罐（22）的出液管相连通，另一端与回流管相连通；所述回流管的另一端与催化剂罐（21）的回液管或者氧化剂罐（22）的回液管相连通；

所述导流支管的一端与连通于导流管，另一端与注入井井管的内管（14）的上端相连通。

2.根据权利要求1所述的污染场地原位注入修复系统，其特征在于：所述空心止水套管（12）与上段钻孔（11a）壁之间的空腔内填充有混凝土；外管（13）与下段钻孔（11b）壁之间的空腔内填充有石英砂滤料，外管（13）与上段钻孔（11a）壁之间的空腔内由下向上依次填充有混凝土和膨润土。

3.根据权利要求1或2所述的污染场地原位注入修复系统，其特征在于：所述注入动力装置包括气动隔膜泵（41a），催化剂导流回流管路（31）的导流管和氧化剂导流回流管路（32）的导流管上各安装有一气动隔膜泵（41a）；所述气动隔膜泵（41a）通过气管依次与储气罐压力表（45）、储气罐（44）、干燥机（43）和空压机（42）相连通。

4.根据权利要求1或2所述的污染场地原位注入修复系统，其特征在于：所述注入动力装置为电动隔膜泵（41b），催化剂导流回流管路（31）的导流管和氧化剂导流回流管路（32）的导流管上各安装有一电动隔膜泵（41b）。

5.根据权利要求1或2所述的污染场地原位注入修复系统，其特征在于：所述原位注入修复系统还包括一自动控制系统（50），所述自动控制系统（50）包括压力表（51）、电动调节阀（52）、电磁流量计（53）和PLC控制模块（55）；催化剂导流回流管路（31）的导流支管和氧化剂导流回流管路（32）的导流支管上，均依次安装有压力表（51）、电动调节阀（52）和电磁流量计（53）；所述压力表（51）、电动调节阀（52）和电磁流量计（53）均通过数据线接入PLC控制模块（55）。

6.根据权利要求1或2所述的污染场地原位注入修复系统，其特征在于：所述原位注入修复系统还包括一监测井系统（60），所述监测井系统（60）包括监测井钻孔（61）、监测井井管（62）、自动监测仪（63）、温度探头（631）和地化参数探头（632），监测井井管（62）管壁的下端设有透水滤孔（621）；监测井井管（62）内置于监测井钻孔（61），自动监测仪（63）安装于监测井井管（62）的顶部；温度探头（631）和地化参数探头（632）内置于透水滤孔621处的监测井井管（62），并通过数据线与自动监测仪（63）相连通。

7.根据权利要求6所述的污染场地原位注入修复系统，其特征在于：所述监测井井管（62）与监测井钻孔（61）壁之间的空腔内填充有石英砂滤料。

8.根据权利要求6所述的原位注入修复系统，其特征在于：所述监测井井管（62）由PVC材料制成。

9.根据权利要求1或2所述的污染场地原位注入修复系统，其特征在于：所述空心止水套管（12）由钢材制成，所述外管（13）、内管（14）和注入喷头（141）均由PVC材料制成；所述出液管、回液管、导流管、回流管和导流支管为PPR或者U-PVC材质的管材。

10.根据权利要求1或2所述的污染场地原位注入修复系统，其特征在于：所述催化剂为没食子酸或者与没食子酸分子结构相似的有机酸或植物酸和氯化铁的水溶液，没食子酸或者与没食子酸分子结构相似的有机酸或植物酸与氯化铁的摩尔浓度配比为0.5:1至1:1；所述氧化剂为双氧水稀释溶液，其浓度为3%至27.5%。