CN108655160A - 一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置及方法，装置包括第一水力循环井组、第二水力循环井组、药剂注射井、地面调节系统以及控制系统，第一水力循环井组的抽水口通过地面调节系统与第二水力循环井组的注水口相连通，第二水力循环井组的抽水口通过地面调节系统与第一水力循环井组的注水口相连通；强化时，通过第一水力循环井及第二水力循环井在不同时间分别进行抽水和注水操作，产生双向水力干扰，实现对修复药剂和地下水的“三维扰动”。与现有技术相比，本发明通过三维循环扰动强化，促进了药剂与污染物的有效接触，提高了修复效果和修复速度。

Description

一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置及方法

技术领域

本发明属于地下水修复技术领域，涉及一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置及方法。

背景技术

地下水污染的修复技术主要有地下水抽提、地下水原位化学氧化/还原、地下水生物修复、地下水生物通风等。在场地修复应用中，可以单独或联合应用上述技术，以达到最佳的修复效果。

原位化学氧化技术是通过原位注入适用的化学氧化剂，促使污染物进行降解反应，从而达到修复污染的目的，可以处理石油烃、BTEX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯)、酚类、MTBE(甲基叔丁基醚)、含氯有机溶剂、多环芳烃、农药等大部分有机物，已在地下水修复中得到了广泛的应用。原位化学氧化技术中常用的氧化剂主要有二氧化氯、双氧水及Fenton试剂、高锰酸钾和臭氧等。在技术应用中，通过控制氧化剂的释放形式，可以提高药剂利用率及修复效率，同时可使氧化剂对直接处理区以外的物化性质以及地球生物性质降低到最小。

应用原位注入方式进行化学氧化修复时，由于注入井数量有限以及水力传导系数分布的问题，通过水相注入系统控制氧化剂的用量非常困难。无论是采用渗透格栅还是水相注入，都要对含水层的性质、地球化学变化的可逆性(如溶解作用、解析作用、pH值变化)、污染物的分布和通量等进行详细的评价，以设计出有效的原位处理系统。

我国南方地区浅部地层一般以粘性土-夹砂粉土为主，地层结构中常存在水平夹薄层，含水层非均质特征明显，垂向渗透条件相对较差，药剂的扩散时间较长，常影响施工进度。同时，由于地下水含水层具有孔隙空腔、“优势通道”、水位变幅带的毛细作用等原因，导致地下水原位修复普遍存在修复效果“回弹”、“拖尾”现象。

在工程应用中，可以采用一些强化措施增进修复效果，提高修复效率，这些强化措施主要有以下两种：

(1)通过在污染羽的上下游建设抽水-注水井来实现对地下水水力梯度的提高，从而增大药剂扩散速度。

(2)应用地下水循环井，改变地下水流动速度和地下水流动方向，从而带动修复药剂的流动，提高修复效率。

然而，上述两种强化措施在应用中仍然存在一些不可克服的缺陷，主要有以下几点：

(1)含水层可能包含较多优势通道，使得某一方向上的地下水优先得到修复，而其他位置的地下水修复效果滞后或难以达标。

(2)单一方向抽出-回灌系统会导致部分含水层在抽水系统工作时出现“药剂真空区”。

(3)应用循环井，仅能够在井周边产生微循环系统，而对整个含水层影响较小，若提高循环效果，必须提供较大的曝气压力，且其结构复杂，造价高，综合效益较差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，该装置包括并列设置的第一水力循环井组及第二水力循环井组、设置在第一水力循环井组与第二水力循环井组之间的药剂注射井、分别与第一水力循环井组及第二水力循环井组相连通的地面调节系统以及分别与第一水力循环井组、第二水力循环井组、地面调节系统电连接的控制系统，所述的第一水力循环井组及第二水力循环井组均设有抽水口及注水口，并且所述的第一水力循环井组的抽水口通过地面调节系统与第二水力循环井组的注水口相连通，所述的第二水力循环井组的抽水口通过地面调节系统与第一水力循环井组的注水口相连通。药剂注射井用于向地下含水层注射地下水原位修复的药剂；第一水力循环井组及第二水力循环井组能够通过抽水和注水实现地下水的扰动。第一水力循环井组内的地下水经地面调节系统进行水质、杂质处理及水量调节后，注入第二水力循环井组内；之后第二水力循环井组内的地下水经地面调节系统进行水质、杂质处理及水量调节后，注入第一水力循环井组内。

进一步地，所述的第一水力循环井组包括多个分别插设在地下含水层上的第一水力循环井，所述的第二水力循环井组包括多个分别插设在地下含水层上的第二水力循环井。多个第一水力循环井及多个第二水力循环井能够实现第一水力循环井组与第二水力循环井组之间的三维水力扰动。

进一步地，所述的第一水力循环井及第二水力循环井均包括插设在地下含水层上的水力循环井井体、设置在水力循环井井体内的潜水泵、插设在水力循环井井体内的抽水管及注水管，所述的抽水管的底部与潜水泵相连，顶部穿过抽水口并与地面调节系统相连通，所述的注水管的底部与注水口相连通，顶部与地面调节系统相连通。潜水泵能够将水力循环井井体内的水抽出并通过抽水管输送至地面调节系统中。注水管能够将经地面调节系统处理后的水注入水力循环井井体内。

进一步地，所述的水力循环井井体内还设有与控制系统电连接的液位计。液位计能够监测水力循环井井体内的水位，并将水位信息反馈至控制系统。

作为优选的技术方案，所述的液位计为浮球液位计。

作为优选的技术方案，所述的注水管上设有电动三通阀。控制系统通过浮球液位计反馈来的信息控制电动三通阀及潜水泵的工作状态。

进一步地，所述的水力循环井井体包括过滤段、设置在过滤段顶部的封孔段以及设置在封孔段顶部的井盖，该井盖上设有与抽水管相适配的卡箍。卡箍用于固定抽水管的位置。

作为优选的技术方案，所述的封孔段的材质为黏土，所述的过滤段的材质为石英砂。

进一步地，所述的过滤段内一下一上分别设有沉淀管、筛管。地下水穿过筛管进入水力循环井井体内，筛管能够防止井壁周围土或岩石的颗粒流入水力循环井井体内造成淤塞，同时还起到支撑和保护井壁的作用，使水力循环井能正常工作。沉淀管能够容纳进入水力循环井井体内的沙粒以及从水中析出的沉淀物，通过沉淀水力循环井井体内的颗粒物，减小对筛管的堵塞以保护筛管。

进一步地，所述的地面调节系统包括与抽水管相连通的水处理器以及与水处理器相连通的增压泵，所述的注水管与增压泵相连通。水处理器能够对抽水管输送来的水进行净化处理，增压泵将水加压后通过注水管输送至水力循环井井体内。

进一步地，所述的控制系统包括PLC控制器及电缆。

进一步地，该装置还包括观测井。

一种基于所述的用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置的强化方法，该方法包括以下步骤：

1)向药剂注射井内注射药剂；

2)将第一水力循环井组内的水抽入地面调节系统中，之后注入至第二水力循环井组内，进行地下水的正向循环；

3)将第二水力循环井组内的水抽入地面调节系统中，之后注入至第一水力循环井组内，进行地下水的反向循环；

4)重复步骤2)及步骤3)，直至达到设定的循环次数。

其中，每次正向循环、反向循环的时间及正向循环、反向循环的次数预先进行设置。当达到设定的循环次数后，暂停抽提回注循环，进行待修复区域在自然流场条件下的养护，实现三维循环扰动原位强化修复功能。

对于江南地区场地，抽提运行采用一采两注或一采三注的形式进行。根据水文地质特点，并列布设多排三维循环扰动强化装置，每个装置作为一个循环单元，通过控制系统控制潜水泵和电动三通阀的启停以控制抽水、注水管线回路。

第一水力循环井及第二水力循环井均可采用一般的地下水供水井，井内安装潜水泵及附件以进行抽水，井内安装浮球液位计以采集水位信号。井头安装注水管、抽水管及附件、电动三通阀，以通过浮球液位传感器收集水位信息，通过PLC控制器自动控制实现抽水与注水的功能交替。

本发明通过第一水力循环井及第二水力循环井在不同时间分别进行抽水和注水操作，产生双向水力干扰，实现对修复药剂和地下水的“三维扰动”，克服地下水单一方向流动可能造成的“药剂真空区”和优势通道等负面影响。通过改变原位地下水流场，增强药剂在地下的扩散能力，增强药剂与污染物的接触效率，强化原位氧化修复效果。

本发明中，第一水力循环井、第二水力循环井可独立调节抽水、注水时间，且互为抽提、回注关系，即第一水力循环井抽提入第二水力循环井回注，第二水力循环井抽提入第一水力循环井回注；两个水力循环方向交替进行，并结合抽提回注暂歇期在自然流场下的养护阶段，形成一个大的三维循环扰动修复循环。在还未达到预期修复目标的情况下，可继续重复进行三维循环扰动的大循环。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)通过三维循环扰动强化，促进了药剂与污染物的有效接触，进而提高了药剂应用率，降低了修复中所需药剂总量，保障污染区域整体修复效果，降低“回弹”效应，节省修复成本；克服非均质地层结构引发的修复滞后现象，提高了修复速度；通过浮球液位计、电动三通阀和PLC控制器实现抽水和注水的调节，成本低廉；

2)第一水力循环井、第二水力循环井兼具抽水和注水功能，并可分别独立控制，实现了三维循环扰动的大循环。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图；

图2为本发明的主视剖视结构示意图；

图3为本发明中第一水力循环井及第二水力循环井的结构示意图；

图中标记说明：

1—药剂注射井、2—地面调节系统、3—地下含水层、4—第一水力循环井、5—第二水力循环井、6—潜水泵、7—抽水管、8—注水管、9—液位计、10—电动三通阀、11—过滤段、12—封孔段、13—井盖、14—卡箍、15—沉淀管、16—筛管、17—观测井。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

如图1、图2所示的一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置包括并列设置的第一水力循环井组及第二水力循环井组、设置在第一水力循环井组与第二水力循环井组之间的药剂注射井1、分别与第一水力循环井组及第二水力循环井组相连通的地面调节系统2以及分别与第一水力循环井组、第二水力循环井组、地面调节系统2电连接的控制系统，第一水力循环井组及第二水力循环井组均设有抽水口及注水口，并且第一水力循环井组的抽水口通过地面调节系统2与第二水力循环井组的注水口相连通，第二水力循环井组的抽水口通过地面调节系统2与第一水力循环井组的注水口相连通。

其中，第一水力循环井组包括多个分别插设在地下含水层3上的第一水力循环井4，第二水力循环井组包括多个分别插设在地下含水层3上的第二水力循环井5。

如图3所示，第一水力循环井4及第二水力循环井5均包括插设在地下含水层3上的水力循环井井体、设置在水力循环井井体内的潜水泵6、插设在水力循环井井体内的抽水管7及注水管8，抽水管7的底部与潜水泵6相连，顶部穿过抽水口并与地面调节系统2相连通，注水管8的底部与注水口相连通，顶部与地面调节系统2相连通。水力循环井井体内还设有与控制系统电连接的液位计9。液位计为浮球液位计。注水管8上设有电动三通阀10。

水力循环井井体包括过滤段11、设置在过滤段11顶部的封孔段12以及设置在封孔段12顶部的井盖13，该井盖13上设有与抽水管7相适配的卡箍14。封孔段12的材质为黏土，过滤段11的材质为石英砂。过滤段11内一下一上分别设有沉淀管15、筛管16。

地面调节系统2包括与抽水管7相连通的水处理器以及与水处理器相连通的增压泵，注水管8与增压泵相连通。

控制系统包括PLC控制器及电缆，电缆包括信号电缆及电力电缆。

该装置还包括观测井17。第一水力循环井4及第二水力循环井5的直径为200mm，深度为7m；药剂注射井1的直径为63mm，深度为7m；观测井17的直径为63mm，深度为7m。其中，第一水力循环井4及第二水力循环井5的地下0-1m为黏土封孔段12；地下1-7m为过滤段11，充填2-4mm级配石英砂；筛管16位于地下2-5.5m，开筛率为27％，筛管16外包40目尼龙网，钢筋缠丝。

基于该三维循环扰动强化装置的强化方法包括以下步骤：

1)向药剂注射井1内注射药剂；

2)将第一水力循环井组内的水抽入地面调节系统2中，之后注入至第二水力循环井组内，进行地下水的正向循环；

3)将第二水力循环井组内的水抽入地面调节系统2中，之后注入至第一水力循环井组内，进行地下水的反向循环；

4)重复步骤2)及步骤3)，直至达到设定的循环次数。

具体操作步骤如下：

第1步：设定装置的启动水位及目标水位；

第2步：通过药剂注射井1向地下含水层3中注射药剂；

第3步：首先开启第一水力循环井4中的潜水泵6，同时关闭其注水管8上的电动三通阀10，使地下水从其抽水管7抽出；

第4步：将地下水从第一水力循环井4抽提至地面调节系统2中，地面调节系统2对地下水中的污染物、杂质进行预处理后，通过增压泵输送至第二水力循环井5中；

第5步：PLC控制器控制第二水力循环井5的潜水泵6关闭，电动三通阀开启，通过第二水力循环井5的注水管8接收处理后的地下水，从而实现一个正向循环。此时的地下水水力环境有利于药剂扩散；

第6步：正向循环达到预设时间后，第一水力循环井4内动水位降低至设计水位，液位计9反馈至控制器以控制第一水力循环井4内的潜水泵6关闭，并开启第一水力循环井4的电动三通阀10，第一水力循环井4成为注水井，同时打开第二水力循环井5的潜水泵6并关闭第二水力循环井5的注水管8上电动三通阀10，第二水力循环井5成为抽水井，并将地下水抽提至地面调节系统2；

第7步：地面调节系统2对地下水中的污染物、杂质进行预处理，再泵入第一水力循环井4；

第8步：此时第一水力循环井4接收地面调节系统2泵入的地下水，实现由第二水力循环井5至第一水力循环井4的反向循环，地下水水位出现反向流动，实现三维水力扰动。同时药剂始终控制在污染区域，既加快了药剂扩散，又形成药剂的隔离屏障，减少药剂的流失；

第9步：一个循环周期包括正向循环、反向循环两个过程，根据污染物浓度和水文地质条件确定循环周期数和正向循环、反向循环的时间。设计的循环周期数运行结束后，地下水进入药剂养护阶段，养护阶段做好监测工作，根据监测结果进行修复效果的过程评估，并依据评估结果进行运行优化。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，其特征在于，该装置包括并列设置的第一水力循环井组及第二水力循环井组、设置在第一水力循环井组与第二水力循环井组之间的药剂注射井(1)、分别与第一水力循环井组及第二水力循环井组相连通的地面调节系统(2)以及分别与第一水力循环井组、第二水力循环井组、地面调节系统(2)电连接的控制系统，所述的第一水力循环井组及第二水力循环井组均设有抽水口及注水口，并且所述的第一水力循环井组的抽水口通过地面调节系统(2)与第二水力循环井组的注水口相连通，所述的第二水力循环井组的抽水口通过地面调节系统(2)与第一水力循环井组的注水口相连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，其特征在于，所述的第一水力循环井组包括多个分别插设在地下含水层(3)上的第一水力循环井(4)，所述的第二水力循环井组包括多个分别插设在地下含水层(3)上的第二水力循环井(5)。

3.根据权利要求2所述的一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，其特征在于，所述的第一水力循环井(4)及第二水力循环井(5)均包括插设在地下含水层(3)上的水力循环井井体、设置在水力循环井井体内的潜水泵(6)、插设在水力循环井井体内的抽水管(7)及注水管(8)，所述的抽水管(7)的底部与潜水泵(6)相连，顶部穿过抽水口并与地面调节系统(2)相连通，所述的注水管(8)的底部与注水口相连通，顶部与地面调节系统(2)相连通。

4.根据权利要求3所述的一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，其特征在于，所述的水力循环井井体内还设有与控制系统电连接的液位计(9)。

5.根据权利要求3所述的一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，其特征在于，所述的水力循环井井体包括过滤段(11)、设置在过滤段(11)顶部的封孔段(12)以及设置在封孔段(12)顶部的井盖(13)，该井盖(13)上设有与抽水管(7)相适配的卡箍(14)。

6.根据权利要求5所述的一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，其特征在于，所述的过滤段(11)内一下一上分别设有沉淀管(15)、筛管(16)。

7.根据权利要求3所述的一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，其特征在于，所述的地面调节系统(2)包括与抽水管(7)相连通的水处理器以及与水处理器相连通的增压泵，所述的注水管(8)与增压泵相连通。

8.根据权利要求1所述的一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，其特征在于，所述的控制系统包括PLC控制器及电缆。

9.根据权利要求1所述的一种用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置，其特征在于，该装置还包括观测井(17)。

10.一种基于如权利要求1至9任一项所述的用于地下水原位修复的三维循环扰动强化装置的强化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)向药剂注射井(1)内注射药剂；

2)将第一水力循环井组内的水抽入地面调节系统(2)中，之后注入至第二水力循环井组内，进行地下水的正向循环；

3)将第二水力循环井组内的水抽入地面调节系统(2)中，之后注入至第一水力循环井组内，进行地下水的反向循环；

4)重复步骤2)及步骤3)，直至达到设定的循环次数。