CN108147551A - 一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，用于地下水污染控制。其主要包括渗透井，修复填料，滤料层、植被二次吸附截留区以及监测井。所述渗透井垂直污染羽状体一字埋设，揭穿浅层含水层。井壁上平行圆柱体母线等距布设有机质渗透孔。修复填料位于井内。滤料层包覆设置于井外。监测井位于渗透井两侧。植被二次吸附截留区位于渗透井修复出水侧。与现有技术相比，本系统无需地面装置及动力设施，建设、运行及维护成本低；易于施工，克服PRB大规模开挖及土方工程；减少对地下水环境的扰动。集生物降解、物理吸附，化学还原及植物修复为一体，强化地下水修复效果。双向阻断地下水侧向径流及垂向渗流中的氮污染运移，应用前景广阔。

Description

一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统

技术领域

本发明属于地下水污染控制领域，具体涉及一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统。

背景技术

近年来，地下水硝酸盐污染具有普遍性。针对这一状况，国内外学者进行了广泛的研究并取得了许多研究成果。其中，原位修复技术是目前学术界及工程界普遍采用的方法之一，较常用的地下水原位处理技术有注入式(空气扰动、原位化学氧化/还原、生物曝气、循环井)及可渗透反应墙(PRB)两大类。

注入式原位修复技术主要是通过向地下水层中注入液体和气体等物质，促使注入物与污染物直接发生化学反应。该技术具有反应速度快处理效率高等优势，但是也有注入的反应物流动不均匀，需要经常补充消耗物质，且残留的注入物也可能造成地下水污染，不利于地下水的长期处理等问题。

PRB有着相对广泛的应用前景。该技术一般垂直于地下水流向设置PRB，当地下水流在自身水力梯度作用下通过PRB时，污染物与墙体填充材料发生物理吸附，化学反应或生物作用而被去除，从而达到环境修复的目的。相对于异位修复技术，地下水硝酸盐原位修复PRB技术不需泵抽提和地面处理系统，反应基质消耗慢，可持续运行，且运行费用较低，是一种较为经济和有效的方法。但是，PRB的填充介质易造成墙体水力特性发生变化而影响去除效率，且实施PRB需要较大规模的土方开挖及回填工程，造成经济成本及可实施性较差等问题，限制了其工程性应用和推广。

中国专利CN104743667A公开了一种农业灌溉机井原位修复地下水污染的装置和利用上述装置进行地下水修复的方法，该装置包括农业灌溉机井、吊装设备、挂绳、气泵、型修复模块、形托盘，挂绳的上端部连接在吊装设备下方，挂绳的下端部设置为向农业灌溉机井内延伸并与形托盘卡接，修复模块支撑于形托盘上，气泵通过气泵导管与型修复模块连接。使用吊装设备、挂绳及支撑设备将修复材料浸入机井水中，达到净化地下水的目的。该技术有效利用农业灌溉原有机井，不需要重新开挖提升井以及处理池，也不用地下预埋渗透反应墙，减少对耕地的占用以及基建投资。

中国专利CN104377378A公开了一种地下水硝酸盐污染原位修复的微生物电化学装置和方法。本发明装置由电极修复系统、电极控制系统、电极液循环系统以及温度控制调节系统组成。电源驯化电极室中的微生物，同时开启阀门、循环泵，将阳极液抽入阴极室，阴极液抽入储液槽，与新加培养液混合后，经脱氧装置脱氧后加入阳极室，维持修复装置于微生物燃料电池状态下，以硝酸根离子为电子受体进行新陈代谢，从而去除硝酸盐污染，每次均重复上述操作。该发明的优点在于采原位地下水修复，无需抽出地下水。

中国专利CN104692530A公开了一种多级准原位地下水修复装置，包括抽水井，抽水管，导水管，布水管，布水系统，防渗层，透水孔，监测点。开动抽水泵，欲修复的地下水由抽水管进入导水管，经导水管进入布水管，再经布水管的出水孔进入填料层，使地下水均匀分布在填料层中，地下水污染物经过填料层的吸附和降解后，通过快速渗流区回到地下水层中，由于地下水的自身的流动，修复后的地下水流向下游，同时未修复的地下水在抽水泵的作用下，进入多级准原位地下水修复装置，连续运行直至完成地下水的修复。该发明集成植物修复、吸附降解和回灌技术为一体，强化了地下水污染物的修复效果。

上述发明装置及设备均需动力设施或地面设施，构建较多，且工艺及操作步骤要求精确，不利于后期维护；在运用过程中需要抽水，易造成地下水水力特性与地层结构的改变而带来修复效率降低及不同程度的地面塌陷；上述设备均为单个一体化构筑物，难以应用于较大规模污染场地的修复。

发明内容

基于以上不足，本发明提供一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，结构简单，无需地面装置及动力设施，建设、运行及维护成本低；易于施工，克服PRB大规模的开挖及土方工程；减少对地下水环境的扰动。集成生物降解、物理吸附，化学还原及植物修复为一体，双向阻断地下水侧向径流及垂向渗流中的氮污染物运移，有效修复范围广，强化地下水修复效果，适应性强。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，用于去除地下污染水体中的污染物，其特征在于，包括多个呈一字型排布的渗透井，所述渗透井井壁布满有机质渗透孔，所述渗透井井内装填修复填料，所述渗透井井外包覆设置滤料层，所述一字型排布的渗透井两侧分别设置一排监测井，所述一字型排布的渗透井修复出水侧(实测地下水流动方向)设置二次吸附截留区。

本修复系统在水力作用下，受污染的地下水流经渗透井，与井体中的修复填料发生反应，同时，在水体环境中，由于井壁上设置有机质渗透孔，使修复填料释放的生物可利用性有机质运移至井体附近区域，通过该井体结构，有机质可运移至距离井体中心1.5m处，即井体1.5m范围均含有生物可利用性有机质，形成以渗透井为中心半径为1.5m左右，且高度贯穿浅水含水层的生物可利用性有机质影响域，增强土著微生物功能，长效阻断地下水侧向径流(往复流)氮污染物运移，以及地表水垂向渗流氮污染物运移，双向原位阻断，达到多方位源头阻控效果，提高脱氮效率。

进一步的技术方案，所述渗透井由PVC-U或不锈钢材质制得，直径在160-200mm，渗透井中心间隔为240-340cm，渗透井垂直污染羽状体方向一字直线埋设，其长度为污染羽状体最宽处2～5倍。

进一步的技术方案，所述有机质渗透孔为圆形和/或长方形，沿渗透井的圆柱体母线方向等距布设。

进一步的技术方案，所述圆形有机质渗透孔的孔径为5-20mm，相邻两排之间的弧形管壁所对应的圆心角为10°～15°；所述长方形有机质渗透孔宽度为0.5-2mm，长度为12-30mm。

进一步的技术方案，所述渗透井的上端设于地表覆土面以上15-25cm，从地表面延伸贯穿修复浅层含水层，所述渗透井的底部为死管，渗透井最底部上方80-200cm处设置隔水底板。

进一步的技术方案，所述的修复填料为功能碳源材料和海绵铁，所述功能碳源材料采用已公开中国专利CN103723824A中记载的固相介质，密度大于1.0mg·m^-3，介质粒径为8-25mm，所述海绵铁的粒径为8-25mm，所述功能碳源材料与海绵铁的填充质量比为1：0.25-0.5，功能碳源材料填充至井体，再取海绵铁依次逐层填充，两者为交替分层填充，形成修复填料层。

进一步的技术方案，所述的滤料层由沸石或粉煤灰组成，所述滤料层厚度为15-20cm，滤料层内注入清水密实，再用粘土封孔，滤料层的渗透系数为含水层的2-2.5倍。滤料层的沸石和粉煤灰用于吸附海绵铁还原反应产物氨氮及功能碳源材料释放的大分子有机物等二次污染物质，同时滤料层增大渗透井区域导水性，引导受污染地下水汇集到较窄的范围，使得受污染地下水流经渗透井形成的生物可利用性有机质影响域得到修复，适用于潜水埋藏较浅的大型地下水污染羽状体。

进一步的技术方案，该修复系统在渗透井的两侧分别设置用于监测地下水污染物浓度的第一侧监测井，以及用于监测经渗透井修复后出水污染物浓度的第二侧监测井，每个渗透井的两侧均设置两个监测井，两个监测井与渗透井连线的角度为30-45°。

进一步的技术方案，所述的监测井外径为75mm，井管上端设置于地表覆土面之上15～25cm，从地表面延伸至含水层，贯穿所修复浅层含水层内受污染的地下水，底部置于隔水底板下80～200cm。所述第一侧监测井与渗透井的垂向距离为1-2m，所述第二侧监测井与渗透井的垂向距离为0.5-1.0m。

进一步的技术方案，该修复系统在渗透井修复出水侧(实测的地下水流动方向)设有植被二次吸附截留区，植被截留区与渗透井的垂直距离为5-8m，所述植被截留区种植芦苇。植被截留区作为二次修复段，留利用植物根系进一步的吸附并截污染水体中的目标污染物。

本发明在修复区域内形成以渗透井为中心，半径为1.5m左右，且高度贯穿浅水含水层的生物可利用性有机质影响域，增强微生物功能，长效阻断地下水侧向径流(往复流)氮污染物运移，以及地表水垂向渗流氮污染物运移，达到多方位源头阻控效果，提高脱氮效率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、长效阻断地下水侧向径流(往复流)以及地表水垂向渗流氮污染物运移，达到地下水污染双向原位阻控修复目标，及多方位源头阻控效果，进一步提高脱氮效率。

2、集成生物降解、物理吸附，化学还原及植物修复为一体，强化地下水修复效果，避免二次污染。

3、增大修复区域导水性，使得受污染地下水流经渗透井形成的生物可利用性有机质影响域得到修复，适用于潜水埋藏浅的大型地下水污染羽状体。

4、与注入式地下水原位修复技术相比，本发明结构与工艺简单，无需地面设施及外加动力，操作步骤简便，构筑与运行成本低，后期维护费用几乎为零、推广性强。

5、与可渗透反应墙技术相比，可避免较大规模的深挖与回填，降低施工难度与工程量；对含水层渗透系数及土壤导水性扰动较小，降低地下水绕流及淤塞发生概率，使受污染水体更多的流经修复区域，提高修复效能；相对于PRB墙体材料填充，其仅需在井体中填充修复材料，降低功能材料填充量，经济可行。

附图说明

图1为渗透井埋设的示意图；

图2为浅层地下水氮污染运移双向原位阻断渗透井运行平面示意图；

图3为渗透井的横截面示意图；

图4为浅层地下水氮污染运移双向原位阻断渗透井运行剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，参照图1-3，用于去除地下污染水体中的污染物，包括多个呈一字型排布的渗透井，渗透井的内部装填修复填料，渗透井的外部设置滤料层，渗透井的井壁布满有机质渗透孔。

优选地，渗透井由PVC-U或不锈钢材质制得，直径在160-200mm，渗透井中心间隔为240-340cm，渗透井垂直污染羽状体方向一字直线埋设，其长度为污染羽状体最宽处2～5倍。修复填料为功能碳源材料和海绵铁，功能碳源材料为固相介质，密度大于1.0mg·m^-3，介质粒径为8-25mm，海绵铁的粒径为8-25mm，功能碳源材料与海绵铁的填充质量比为1：0.25-0.5，功能碳源材料填充至井体，再取海绵铁依次逐层填充，两者为交替分层填充。滤料层由沸石或粉煤灰组成，滤料层厚度为15-20cm，滤料层内注入清水密实，再用粘土封孔，滤料层的渗透系数为含水层的2-2.5倍。滤料层的原生矿物质材料用于吸附海绵铁还原反应产物氨氮及功能碳源材料释放的大分子有机物等二次污染物质，沸石和粉煤灰滤料层增大渗透井区域导水性，引导受污染地下水汇集到较窄的范围，使得受污染地下水流经渗透井形成的生物可利用性有机质影响域得到修复，适用于潜水埋藏浅的大型地下水污染羽状体。有机质渗透孔为圆形和/或长方形，沿渗透井的圆柱体母线方向等距布设。圆形有机质渗透孔的孔径为5-20mm，相邻两排之间的弧形管壁所对应的圆心角为10-15°；长方形有机质渗透孔宽度为0.5-2mm，长度为12-30mm。渗透井的上端设于地表覆土面以上15-25cm，从地表面延伸贯穿修复浅层含水层，渗透井的底部为死管，渗透井最底部上方80-200cm处设置隔水底板。为了监测修复效果，在渗透井的两侧分别设置用于监测地下水污染物浓度的第一侧监测井，以及用于监测经渗透井修复后出水污染物浓度的第二侧监测井，每个渗透井的两侧均设置两个监测井，两个监测井与渗透井连线的角度为30-45°。监测井外径为75mm，井管上端设置于地表覆土面之上15～25cm，从地表面延伸至含水层，贯穿所修复浅层含水层内受污染的地下水，底部置于隔水底板下80～200cm。第一侧监测井与渗透井的垂向距离为1-2m，第二侧监测井与渗透井的垂向距离为0.5-1.0m。在渗透井的外围设有植被截留区，植被截留区与渗透井的垂直距离为5-8m，植被截留区种植芦苇。植被截留区作为二次修复段，留利用植物根系进一步的吸附并截污染水体中的目标污染物。

具体原理如图3、4所示，在水力作用下，受污染的地下水流经渗透井，与井体中的修复填料发生反应，同时，在水体环境中，由于井壁的有机质渗透孔，使修复填料释放的生物可利用性有机质运移至井体附近区域，通过该井体结构，有机质可运移至距离井体中心1.5m处，即井体1.5m范围均含有生物可利用性有机质，形成以渗透井为中心半径为1.5m左右，且高度贯穿浅水含水层的生物可利用性有机质影响域，有利于微生物生长代谢，长效阻断地下水侧向径流(往复流)氮污染物运移，以及地表水垂向渗流氮污染物运移，双向原位阻断，达到多方位源头阻控效果，提高脱氮效率。

本修复系统在工程中具体应用时，其步骤为：

(1)首先进行地质勘探，设计勘察井，其主要目的是了解含水层分布及其介质性质，为场地施工开挖提供理论依据及技术指导。勘察井包括区域控制勘探井及工程控制勘探井。其中，区域控制勘探井井深在25m以上；工程控制勘探井，井深为8m左右，其主要目的为细部刻画施工场地的底层及含水层分布及其介质性质，为场地施工开挖提供理论依据及技术指导。

(2)对现场勘探井取柱状样，带回实验室烘干、前处理完毕，使用Master2000激光粒度仪进行粒度测定。根据《铁路工程岩土分类标准》(TB10077-2001)和《铁路工程地质勘察规范》(TB10012-2007)中说明的岩土分类标准，对以上粒径分析结果进行土质分类，并参考现场记录进行了柱状图的描绘，参考以上土质判断标准，对研究区域勘探井柱状样进行了分层定名及图件绘制。

(3)使用地址探测雷达，对地质雷达探测采集的数据进行解译，以明确探测区的连续地层分布情况。根据钻孔柱状样的粒度分析结果，并与地质雷达解译结果进行比较，得出第一含水层埋深大约为6-7.5m，透水性良好。含水层上部与下部均为弱透水地层，岩性为粉土至黏质粉土。

(4)监测地下水中硝酸盐浓度，地下水的流动方向和速度，同时，运用GIS模拟污染羽状体迁移边界与规律，确定地下水硝酸盐污染的区域，根据地下水的水文地质参数，预测地下水硝酸盐污染趋势，据此合理设置修复井，安装修复装置。

(5)根据地层结构、土质分类、地下水埋深及氮污染赋存特征，确定施工设计方案为：渗透井垂直污染羽状体一字直线布设，总长度为200m，中心间距为340cm，深度为9.0m。

渗透井管材质选用PVC-U材料或者不锈钢，其直径为200mm；有机质渗透孔为圆形，沿母线等距布设12排，单孔孔径为20mm；渗透井管上端设置于地表覆土面之上20cm，贯穿所修复浅层含水层内受污染的地下水，底部死管置于隔水底板下150cm。监测井外径为75mm，井管上端设置于地表覆土面之上20cm，贯穿所修复浅层含水层，底部置于隔水底板下150cm。第一侧监测井位于污染羽状体与渗透井一字埋设直线之间，其与一字直线的垂向距离为1.0m。第二侧监测井位于渗透井一字埋设直线无污染羽状体侧，与一字直线的垂向距离为1.0m。每个渗透井一侧均设置两个，两者与渗透井连线角度为30°。滤料层由沸石填充而成，贯穿浅水含水层，上端置于地表层上部，厚度为20cm，渗透系数为含水层的2.5倍。功能碳源材料密度为1.2mg·m^-3，与海绵铁粒径均为25mm，两者的填充比例为1:0.5(质量比)；填料层底端低于所述修复浅层含水层隔水底板150cm。植被截留区所用的植物为芦苇，其设置于渗透井后侧8.0m处。

Claims (9)

1.一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，用于去除地下污染水体中的污染物，其特征在于，包括多个呈一字型排布的渗透井，所述渗透井井壁布满有机质渗透孔，所述渗透井井内装填修复填料，所述渗透井井外包覆设置滤料层，所述一字型排布的渗透井的两侧分别设置一排监测井，所述一字型排布的渗透井的修复出水侧设置二次吸附截留区。

2.根据权利要求1所述的一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，其特征在于，所述渗透井由PVC-U或不锈钢材质制得，直径在160-200mm。

3.根据权利要求1所述的一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，其特征在于，所述有机质渗透孔为圆形和/或长方形，沿渗透井的圆柱体母线方向等距布设，圆形的有机质渗透孔的孔径为5-20mm，相邻两排之间的弧形管壁所对应的圆心角为10°～15°；长方形的有机质渗透孔宽度为0.5-2mm，长度为12-30mm。

4.根据权利要求1所述的一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，其特征在于，所述渗透井的上端设于地表覆土面以上15-25cm，从地表面延伸贯穿修复浅层含水层，所述渗透井的底部为死管，渗透井最底部上方80-200cm处设置隔水底板。

5.根据权利要求1所述的一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，其特征在于，所述的渗透井垂直污染羽状体方向一字直线埋设，一字埋设直线长度为污染羽状体最宽处2～5倍，单个渗透井中心间隔为240～340cm。

6.根据权利要求1所述的一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，其特征在于，所述的修复填料为功能碳源材料和海绵铁，所述功能碳源材料为固相介质，密度大于1.0mg·m^-3，介质粒径为8-25mm，所述海绵铁的粒径为8-25mm，所述功能碳源材料与海绵铁的填充质量比为1：0.25-0.5，功能碳源材料填充至井体，再取海绵铁依次逐层填充，两者交替分层填充，形成修复填料层，其贯穿浅层含水层，修复填料层顶端高于浅层含水层水位，修复填料层底端低于修复浅层含水层隔水底板80cm～200cm。

7.根据权利要求1所述的一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，其特征在于，所述的滤料层由沸石或粉煤灰组成，所述滤料层厚度为15-20cm，滤料层内注入清水密实，再用粘土封孔，滤料层的渗透系数为含水层的2-2.5倍。

8.根据权利要求1所述的一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，其特征在于，所述监测井包括用于监测地下水污染物浓度的第一侧监测井，其与渗透井垂向距离为1-2m；以及用于监测经渗透井修复后出水污染物浓度的第二侧监测井，其与渗透井的垂向距离为0.5-1.0m，每个渗透井的两侧均设置两个监测井，两个监测井与渗透井连线的角度为30-45°，单个监测井外径为75mm。

9.根据权利要求1所述的一种浅层地下水氮污染运移双向原位阻断修复系统，其特征在于，所述二次吸附截留区与渗透井的垂直距离为5-8m，所述二次吸附截留区种植芦苇。