一种含地下水石油污染场地的联合修复系统及其施工方法
技术领域
本发明涉及地下水污染修复技术领域,特别涉及一种含地下水石油污染场地的联合修复系统及其施工方法。
背景技术
在石油的开采、运输以及使用过程中,会存在跑冒滴漏的现象,而石油赋存在土壤和地下水中,会对水土环境造成重大的危害。由于石油为混合物,其主要成分是各种烷烃、环烷烃和芳香烃,在土体中会以液相、气相和NPAL相三相共存,而当石油污染物深入进地下水中,则会在地下水表面形成透镜体,漂浮在地下水表面。对于石油污染的原位修复技术中常用到的为土壤气相抽提(soil vapor extraction,SVE),土壤气相抽提可以对石油中挥发性或半挥发性有机污染进行原位修复,但其修复后期会进入拖尾期,仍有部分石油污染物难以被抽出,因此需要在抽提过程中或末期联合化学或生物方法进行修复。
因为石油污染物中存在液相、气相和NPAL(Non-aqueous Phase Liquid)相,三相的含量以动态平衡的方式进行相互转化,且会受到蒸汽压力和温度的影响,在抽提过程中,当三相中气相减少时,会通过液相和NPAL相进行补充,而温度是三者转化的关键因素之一,因此,在修复过程中应联合温度的控制,加之,应用抽提技术需要在较高渗透性土壤中,对已经渗入地下水的石油污染物很难进行修复,因此对于含有地下水石油污染的场地,应针对地下水进行联合修复。
发明内容
本发明提供了一种含地下水石油污染场地的联合修复系统及其施工方法,用以解决含有地下水污染的场地中对于地下水中石油污漂浮物的处理、土壤中石油挥发和半挥发污染物的处理,以及修复中施工场地的节省等技术问题。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种含地下水石油污染场地的联合修复系统,包含设置在土体内部污染羽上的一组抽提系统、间隔设置于抽提系统间的曝气系统、设置在污染羽两侧的抽补水系统、以及设置在地下水上游的隔水墙;其中,隔水墙底端自地面依次穿过土体和地下水,下端部支撑在地下持力层上;
所述抽提系统包括设置在抽提井内的抽提筒、由管道依次连接的抽提泵和冷凝室,其中,抽提井间隔设置在土体的污染羽内,抽提泵和冷凝室位于地面上;
所述曝气系统包括设置在曝气井内的曝气筒、由管道连接的曝气泵和空气加热器,其中,曝气井间隔设置在土体的污染羽内,曝气泵和空气加热器位于地面上;
所述抽补水系统分为抽水模块和补水模块,抽水模块包含设置于污染羽所在地下水下游一侧的抽水筒、通过管道连接抽水筒上端部的抽水泵和油液分离箱,补水模块包含设置于污染羽所在地下水上游一侧的给水筒、通过管道连接给水筒上端部的给水泵和集水箱,其中抽水泵、油液分离箱、给水泵和集水箱均位于地面上。
进一步的,所述抽提筒包含抽提筒壁、设置于抽提筒壁上的抽提筒壁孔以及连接于抽提筒壁上端部的抽提筒头部;所述抽提筒壁上端部内侧设置有螺纹,抽提筒头部与抽提筒壁上端部螺纹连接,其中,抽提筒头部横截面为倒T形,抽提筒头部顶端直径适应于上方管道的直径。
进一步的,所述曝气筒包含曝气筒壁、设置于曝气筒壁上的曝气筒壁孔、以及连接于曝气筒壁下端部的曝气筒封底;其中,曝气筒壁上端部直径适应于上方管道的直径。
进一步的,还包括加药系统,所述加药系统包含加药筒、通过管道连接于加药筒上端部的加药泵和添加剂储罐;所述加药筒位于抽提井内和/或加药井内,其中加药泵和添加剂储罐设置在地面上。
进一步的,所述加药筒包含加药筒体、设置于加药筒体底端的加药孔、以及连接于加药筒体上部的加药筒头部;加药筒体的外直径适应抽提筒的内径且长度适应抽提筒的长度;加药筒头部横截面为倒T形面,其中,横部的直径大于抽提筒的外径,竖部直径适应上部连接管道的直径。
一种含地下水石油污染场地的联合修复系统的施工方法,具体步骤如下:
步骤一、基于地质资料和现场打设的监测井,确定地下水位置、流向和流速,并根据石油泄露点确定污染羽的范围,在污染羽范围外侧的地下水上游设置隔水墙,阻断上游来水;
步骤二、在隔水墙与污染羽间设置补水模块,在污染羽下游一侧设置抽水模块,在污染羽内打设抽提井、曝气井和加药井,并安装抽提系统和曝气系统;
步骤三、启动抽补水系统,通过抽水模块将地下水抽出并集聚在油液分离箱内,由此进行水体和石油的分离再回收,并通过补水模块对上游含石油漂浮物进行补水冲刷,使其流向下游;
步骤四、启动曝气系统和抽提系统,并开启曝气系统上空气加热器,使空气温度适应石油污染物挥发,由此经过抽提系统将土体内挥发性石油污染物进行抽提,并经冷凝室液化集中处理,其中抽提方式采用间歇性抽提,当阶段性抽提完成后关闭曝气系统和抽提系统,将抽提筒自抽提井中拔出,并将加药筒插进抽提筒内且通过加药筒头部固定,其他加药筒则插进加药井内,并启动加药系统;
步骤五、加药系统对土体设计点位加入化学或生物添加剂,进一步将土体内部的石油进行分解,同时开启曝气系统并将其上的空气加热器开启,为加药系统提供所需的土体环境温度和含氧量;
步骤六、关闭加药系统,利用添加剂与石油污染物的反应时间,将抽提井中的加药筒拔出并安装抽提筒,由此再次安装抽提系统并运行,此时调整曝气系统上空气加热器温度,使得此温度适应石油污染物的挥发;
步骤七、循环步骤三至步骤六,直至检测土壤中和地下水中的石油污染物符合规范要求,以及抽气系统中气体符合规范要求,此时关闭曝气系统、抽气系统、加药系统和抽补水系统,最后将隔水墙拔出并回填土体。
进一步的,对于步骤三中补水模块中给水筒露出地面部分设置有水位监测器,抽水模块中连接抽水泵和抽水筒间的管道上设置有水样采集孔。
进一步的,步骤四中曝气筒均由各自的曝气分管连接,曝气分管上端部连接汇集到对应的曝气主管上,曝气主管再与曝气泵连接,其中,在曝气分管上设置有相应的分曝气阀门,对应的曝气主管上设置有总曝气阀门;
抽提筒均由各自的抽提分管连接,抽提分管上端部连接汇集到抽提主管上,抽提主管再与抽提泵连接,抽提分管上设置有相应的分抽气阀门,对应的抽提主管上设置有总抽气阀门,其中,在抽提分管上设置有对应的抽提采气孔。
进一步的,所述加药系统中的加药筒分为两部分,一部分为加药筒插入加药井的,另一部分为加药筒插入抽提井的,两部分加药筒分别对应连接有添加剂支管,各添加剂支管连接汇总成添加剂总管后与加药泵连接;
其中,所述加药系统中各加药筒均由一根添加剂分管连接,各添加剂分管上端部与添加剂支管相连,且各添加剂分管上均设置有分添加剂阀门,且在添加剂支管上设置有支添加剂阀门。
进一步的,所述空气加热器与曝气泵相邻设置,且空气加热器与曝气主管并联设置,空气加热器与曝气泵间设置有支曝气阀门。
本发明的有益效果体现在:
1)本发明通过隔水墙阻断了上游来水,可为抽补水系统进行地下水中石油污染物的处理和回收提供作业环境,其中补水模块中补水的速率、流量和时间,可有效的配合抽水模块中的抽水作业,且对于地下水中含有的石油污染物可通过油水分离的方式进行再回收利用;
2)本发明通过抽提系统和曝气系统对土壤中的石油污染物进行抽提,其中在曝气时可通过空气加热器加热,为土壤中的石油污染物的转换提供土体环境温度,其中抽提系统在抽提过程中采用的是间歇抽提的方式,有助于石油污染物中液相和NAPL相向气相转化;
3)本发明中的抽提井中可以插入抽提筒,也可以在抽提筒内部插入加药筒,在设计时,将抽提筒侧边打设通孔底部为无封底状,加药筒则是四周为密实底部打设有加药孔,由此可在抽提井中进行两种修复方式的应用;
4)本发明在修复过程中,通过间歇操作的方式,将抽提系统和加药系统分别应用,并通过曝气系统进行辅助操作,由此极大的节省了施工场地和施工时间,且对土壤中污染物的处理更加彻底;
此外,本发明利用在各修复系统中分管、支管以及总管或主管的设置方式,并在各部位均设置相应的阀门或采样点,由此便于根据修复浓度控制不同地点的设备运行参数,达到节省施工运行成本的目的;本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解;本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
图1是含地下水石油污染场地联合修复系统抽提状态施工示意图;
图2是抽提系统连接结构示意图;
图3是抽提筒结构示意图;
图4是抽提筒剖面图;
图5是曝气筒结构示意图;
图6是含地下水石油污染场地联合修复系统加药状态施工示意图;
图7是加药系统连接结构示意图;
图8是加药筒结构示意图;
图9是加药孔示意图;
图10是抽提筒和加药筒连接示意图。
附图标记:1-土体、2-地下水、3-污染羽、4-隔水墙、5-抽补水系统、51-集水箱、52-给水泵、53-水位监测器、54-给水筒、55-水样采集孔、56-止水阀、57-抽水泵、58-油液分离箱、59-抽水筒、6-曝气系统、61-曝气泵、62-总曝气阀门、63-支曝气阀门、64-空气加热器、65-曝气主管、66-曝气筒、661-曝气筒壁、662-曝气筒壁孔、663-曝气筒封底、67-曝气分管、68-分曝气阀门、7-抽提系统、71-冷凝室、72-抽提泵、73-总抽气阀门、74-抽提主管、75-抽提分管、76-抽提采气孔、77-分抽气阀门、78-抽提筒、781-抽提筒壁、782-抽提筒头部、783-抽提筒壁孔、8-加药系统、81-添加剂储罐、82-添加剂总管、83-加药泵、84-支添加剂阀门、85-分添加剂阀门、86-添加剂支管、87-添加剂分管、88-加药筒、881-加药筒体、882-加药筒头部、883-加药孔。
具体实施方式
以石油泄露在地表并渗入地下水层为例,土体1中含有的土层以砂土、粉砂土为主,因砂土或粉砂土的渗透性较大,适宜应用气相抽提技术;如图1所示,石油在土体1中经过运移转化逐渐渗透入地下水层中形成石油漂浮物,并在地下水2水力坡度的作用下向下游移动;应用含地下水2石油污染场地的联合修复系统进行处理,其包含设置在土体1内部污染羽3上的一组抽提系统7、间隔设置于抽提系统7间的曝气系统6、设置在污染羽3两侧的抽补水系统5、以及设置在地下水2上游的隔水墙4;隔水墙4底端自地面依次穿过土体1和地下水2,最终下端部支撑在地下持力层上,其中,隔水墙4可通过钻孔灌注桩相互咬合打设而成,也可采用水泥土搅拌桩或者压密注浆等方法形成隔水层。
如图2所示,抽提系统7包括设置在抽提井内的抽提筒78、由管道依次连接的抽提泵72和冷凝室71,其中,抽提井间隔设置在土体1的污染羽3内,抽提泵72和冷凝室71位于地面上,在抽提泵72与抽提筒78间的管道上还设置有流量计和压力计,用以监测和校准在抽提过程中的抽提速率和抽提量。
如图3和图4所示,抽提筒78采用镀锌钢管制作,包含抽提筒壁781、设置于抽提筒壁781上的抽提筒壁孔783以及连接于抽提筒壁781上端部的抽提筒头部782;其中,抽提筒壁781上端部内侧设置有螺纹,抽提筒壁孔783在抽提筒壁781上间隔设置,抽提筒壁孔783大小适应石油污染物挥发气体通过;抽提筒头部782与抽提筒壁781上端部螺纹连接,抽提筒头部782横截面为倒T形,其抽提筒头部782上端部直径适应于管道直径的连接,抽提筒78底端为中空状态。
本实施例中,曝气系统6包括设置在曝气井内的曝气筒66、由管道连接的曝气泵61和空气加热器64,其中,曝气井间隔设置在土体1的污染羽3内,曝气泵61和空气加热器64位于地面上,曝气泵61与曝气筒66间的管道上还设置有流量计和压力计,用以监测和校准在曝气过程中的曝气速率和曝气量。
如图5所示,曝气筒66采用镀锌钢管制作,包含曝气筒壁661、设置于曝气筒壁661上的曝气筒壁孔662、以及连接于曝气筒壁661下端部的曝气筒封底663;其中,曝气筒壁661上端部直径适应于上方管道的直径,曝气筒封底663为无孔圆形钢板;在应用过程中曝气筒66的长度不小于其相邻最长抽提筒78的长度,曝气筒壁孔662对应相邻的抽提筒78长度范围设置。
本实施例中,曝气筒66均由各自的曝气分管67连接,曝气分管67上端部连接汇集到对应的曝气主管65上,曝气主管65再与曝气泵61连接,其中,在曝气分管67上设置有相应的分曝气阀门68,对应的曝气主管65上设置有总曝气阀门62;抽提筒78均由各自的抽提分管75连接,抽提分管75上端部连接汇集到抽提主管74上,抽提主管74再与抽提泵72连接,抽提分管75上设置有相应的分抽气阀门77,对应的抽提主管74上设置有总抽气阀门73,其中,在抽提分管75上设置有对应的抽提采气孔76。
对于各阀门的使用时,根据抽提采气孔76上采集的气体中污染物的浓度确定,其中对于气体中污染物含量浓度小且长时间没有变化的应关闭相应的分抽气阀门77以及对应的分曝气阀门68,以此减少施工成本。
本实施例中,所述空气加热器64设置于曝气主管65上,并与曝气泵61相邻设置,空气加热器64与曝气主管65并联设置且与曝气泵61间设置有支曝气阀门63,当土体1环境中不需加热时则无需开启空气加热器64;当需要加热时,则关闭曝气主管65上与空气加热器64并列的总曝气闸门62,让空气通过支管流经空气加热器64,由此进行加热,此外,因为空气加热器64为并联设置,若采用微生物吹脱等技术时也照此方法并联在曝气主管65上。
本实施例中,抽补水系统5分为抽水模块和补水模块,抽水模块包含设置于污染羽3所在地下水2下游一侧的抽水筒59、通过管道连接抽水筒59上端部的抽水泵57和油液分离箱58,补水模块包含设置于污染羽3所在地下水2上游一侧的给水筒54、通过管道连接给水筒54上端部的给水泵52和集水箱51,其中抽水泵57、油液分离箱58、给水泵52和集水箱51均位于地面上;补水模块中给水筒54露出地面部分设置有水位监测器53,给水筒54底端部设置有水位传感器;抽水模块中连接抽水泵57和抽水筒59间的管道上设置有水样采集孔55,且抽水筒59设置的初始位置为地下水2漂浮物污染范围外侧,布设的抽水筒59的有效抽水半径全覆盖地下水2横向截面;其中,给水筒54与给水泵52间、抽水筒59与抽水泵57间均设置有止水阀56,其他的流量计、压力计等常规构件视场地条件设置。
如图6所示,还包括加药系统8,所述加药系统8包含加药筒88、通过管道连接于加药筒88上端部的加药泵83和添加剂储罐81;所述加药筒88位于抽提井内和/或加药井内,其中加药泵83和添加剂储罐81设置在地面上;添加剂储罐81中的添加剂为化学液体添加剂或生物菌类液体添加剂,因不同种类添加剂的储存条件不同根据添加剂进行实际储存时的温度、PH或含氧量的控制。
如图7至图9所示,所述加药筒88包含加药筒体881、设置于加药筒体881底部的加药孔883、以及连接于加药筒体881上部的加药筒头部882,加药筒体的材质不能与添加剂进行反应;加药筒体881的外直径适应抽提筒78的内径,加药筒头部882横截面为倒T形面,其中,横部的直径大于抽提筒78的外径,竖部直径适应上部连接管道的连接,其中应用时,加药筒体881的长度适应抽提筒78的长度,使加药筒88的端部正好位于抽提筒78的中空底端面且加药筒88的头部担在抽提筒78上。
如图10所示,所述加药系统8中的加药筒88分为两部分,一部分为加药筒88插入加药井的,另一部分为加药筒插88入抽提筒78的,两部分加药筒88分别对应连接有添加剂支管86,各添加剂支管86连接汇总成添加剂总管82后与加药泵83连接;所述加药系统8各加药筒88均由一根添加剂分管87连接,各添加剂分管87上端部与添加剂支管86相连,且各添加剂分管87上均设置有分添加剂阀门85,且在添加剂支管86上设置有支添加剂阀门84。
结合图1至图10,进一步说明所述的一种含地下水石油污染场地的联合修复系统的施工方法,具体步骤如下:
步骤一、根据泄漏点的地质资料,明确地下水2的分布及流向,并在泄漏点的周边间隔打设监测井,进一步确定地下水2位置、流向和流速,并确定污染羽3的范围,基于监测井中采集水样的浓度,在污染羽3范围外侧上游未被污染的断面上设置隔水墙4,阻断上游来水。
步骤二、在隔水墙4与污染羽3间设置补水模块,在污染羽3下游一侧设置抽水模块,在污染羽3内打设抽提井、曝气井和加药井,并安装抽提系统7和曝气系统6;对于补水模块和抽水模块中的给水筒54和抽水筒59的分布位置以及流量、流速控制需根据地下水2中石油漂浮物位置和浓度确定,其中,抽水筒59和给水筒54二者间的抽水速率和流量之差,满足地下水2水面与上部土体1不进行接触;
对于抽提井的布设,通过现场进行小试,确定抽提系统7所需的工艺参数,包括抽提系统7中,抽提泵78所需的最佳真空度、抽气井的有效半径、土壤气流量等;其中抽气井的有效半径为有足够的真空度及气相流动,能使得抽提井周围土壤中污染物增强挥发及抽提井真空影响的最远距离,通常选择在抽提井在一定真空下,低于1%真空度的观测井与抽气井之间的距离为影响半径;
曝气井则布设在抽提井的有效半径上,其中最外侧的曝气井构成的外圈范围将污染羽3的最外侧包含在内,曝气井的间隔距离则由抽提井和曝气井联合的现场小试实验综合确定;而对于加药井则分两部分设计,一部分加药井由抽提井代替,其加药高度为抽提井的底端标高,而另一部分则针对性设置在高浓度的污染羽3上方,其中加药浓度和剂量,根据添加剂种类和现场的小试实验确定。
步骤三、启动抽补水系统5,通过抽水模块将地下水2抽出并通过管道进入油液分离箱58内,在油液分离箱58进行水体和石油的分离再回收;通过补水模块的补水作业对地下水2上游含石油漂浮物进行冲刷,使石油漂浮物流向下游;在抽补水系统5运行过程利用水位监测器53控制,通过给水泵52下端部设置水位监测传感器实时观测,若地下水2水面标高高于设定值即不满足地下水2水位面不与上部土层接触的要求,则减少补水模块中补水速率、或增大抽水模块中抽水速率、或调整二者之间的速率差,由此使得上部土体1中含水量减少,更利于抽提作业。
步骤四、同时启动曝气系统6和抽提系统7,并开启曝气系统6上空气加热器64,调节空气加热器64中加热温度,使空气温度适应石油污染物挥发,并经过抽提系统7将土体1内挥发性石油污染物进行抽提并经冷凝室71液化集中处理;其中抽提方式采用间歇性抽提,当阶段性抽提完成后关闭曝气系统6和抽提系统7,其中对于抽提阶段性时间的设置根据小试实验和自抽提采气孔76中监的气体的浓度变化差值而定,并以浓度差值在一定时间内不发生变化为划分标准;而后,将抽提筒78自抽提井中拔出,并将加药筒88插进抽提筒78内且通过加药筒88头部固定,其他加药筒88则插进加药井内,并启动加药系统8。
步骤五、加药系统8对土体1设计点位加入化学或生物添加剂,进一步将土体1内部的石油进行分解,同时开启曝气系统6并将其上的空气加热器64开启,为加药系统8提供所需的土体1环境温度和含氧量。
步骤六、关闭抽提井内的加药系统8,利用添加剂与石油污染物的反应时间,将抽提井中的加药筒88拔出并安装抽提筒78,由此再次安装抽提系统7并运行,此时调整曝气系统6上空气加热器64温度,使得此温度适应石油污染物的挥发。
步骤七、循环步骤三至步骤六,直至检测土壤中石油污染物符合相应土壤质量规范要求,在抽水模块处监测地下水2中石油污染物含量符合相应地下水质量规范要求以及抽气系统中气体符合相应规范要求,此时关闭所有的曝气系统6、抽气系统、加药系统8和抽补水系统5,最后将隔水墙4拔出并回填土体1。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。