CN110510836B - 一种去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，包括：均匀分布多个循环井簇，每个所述循环井簇包括竖向且间隔设置在土层中的长井管和短井管，所述长井管和短井管的上下端口均密闭；所述长井管由上到下分为上筛管段、实管段和下筛管段，所述上筛管段的下部低于地下水位，所述实管段内设有膨胀阻隔器；所述短井管上设有短井筛管段，所述上筛管段和所述短井筛管段相通；注气系统，用于向所述下筛管段内的井水通入气体；液体抽提系统，用于抽取所述下筛管段内的井水；气体抽提系统，用于对所述短井管管内抽取气体。既能够处理地下水中的有机物，又能处理地下水中的重金属，有效解决循环井构造复杂、维护改装麻烦问题。

Description

一种去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复 系统

技术领域

本发明涉及地下水修复技术领域，特别是涉及一种去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统。

背景技术

我国长三角、珠三角、东北老工业基地等区域土壤污染问题突出，西南、中南地区土壤重金属超标问题也比较严重，其中南方地区土壤整体污染更加严重，未来将是我国主要的土壤修复市场。与此同时，南方地区地下水位又普遍埋深较浅，南方地区地下水埋深较浅，埋深小于2米，北方地区总体自东向西埋深增加，多数地区在6米以上。因此北方区域的场地修复，有时只要把污染场地的土壤修复好就行，地下水可以不管。但对于地下水埋深很浅的南方而言，忽视地下水修复将导致二次污染。因此，随着国家针对场地污染立法的实施，监管的严格，保障修复效果的持续性、强调土壤及地下水一体化修复势在必行。

目前在有机污染场地中应用较多的原位修复技术主要有空气扰动技术、生物曝气技术、可渗透反应屏障技术、原位反应带技术、原位化学氧化技术、监测自然衰减及强化监测自然衰减、原位化学冲洗技术及地下水循环井技术等。

现有循环井一般利用曝气泵在内井曝气，气体与地下水在内井混合上升，至内井上沿地下水自由溢出，进入到内井与外井之间的环形区域，通过外井上部穿孔花管返流回含水层，携带污染物的气体经上部尾气口排出，尾气中的气相污染物由挥发性有机物处理设备进行处理，或回注至包气带中，以生物整治方式进行处理。在循环井下部花管处，井内外存在密度差，井外的地下水不断进入内井，通过连续曝气，在循环井周围形成地下水三维循环，而经过气提作用处理后的地下水污染浓度降低，地下水则回注入井内至含水层，通过回注和抽除的程序，以循环方式处理含水层中的污染地下水，在此过程中同时进行土壤间气体抽除。

现有地下水循环井对应的地下水循环启动方式为空气泵提法，即气体由底端注入，形成气水混合物并在内井上升，通过上部花管的气水分离器进行分离，气体由尾气口排出，地下水反流回含水层，通过不断曝气，最终在循环井附近形成地下水的三维循环。

就实际应用表现来看，现有的地下水循环井存在如下缺点：

①相比于单井管的构造，循环井采用的多井管构造(套管)较复杂，现场施工时难度较大，尤其对于存在流砂层、污染深度大的场地难以保证内、外井的轴心完全重合，显著影响气、液在内、外井之间的三维循环，进而影响其治理效果。

②目前国内工程应用的循环井技术为国外引进，缺少配套安装及运行装置，为保证治理效果，一般全套进口，对于场地不同污染物类型及空间分布，需先在工厂定制成套循环井设备，再运输至现场安装、调试、运行，整个过程费时费力，并且对场地前期污染及地勘精准度提出较高要求，若现场施工出现与设计不相符的特殊地质情况，则难以再针对性地调整，进而影响其治理效果。

③循环井内采用的气提装置、曝气装置较特殊，对其更换、维修较麻烦。

④由于循环井的工作原理可知，循环井一般通过气提或曝气吹脱地下水中的有机污染物以达到治理目的，因而对于需要采用液体型氧化还原药剂以强化污染物去除的工艺，特别是对于不具有挥发生的重金属污染物，其适用性差。

⑤随着治理施工的进行，场地污染空间分布往往会发生变化，因而需适当调整三维循环的位置使其涵盖相对重污染区，但是循环井开筛位置已经固定，三维循环只能通过流量调节在横向上改变，竖向的移动则无法实现，如此会导致后期治理效率偏低，甚至导致治理盲区的出现。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，既能够处理地下水中的有机物，又能处理地下水中的重金属，有效解决循环井构造复杂、维护改装麻烦、重金属修复适用性差的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，包括：

均匀分布多个循环井簇，每个所述循环井簇包括竖向且间隔设置在土层中的长井管和短井管，所述长井管和短井管的上下端口均密闭；

所述长井管由上到下分为上筛管段、实管段和下筛管段，所述上筛管段的下部低于地下水位，所述实管段内设有膨胀阻隔器；

所述短井管上设有短井筛管段，所述上筛管段和所述短井筛管段相通；

注气系统，用于向所述下筛管段内的井水通入气体；

液体抽提系统，用于抽取所述下筛管段内的井水；

气体抽提系统，用于对所述短井管管内抽取气体。

进一步优化，所述上筛管段和短井筛管段之间填充有多孔质填料层。

进一步优化，所述注气系统包括高压气泵和注气管，所述注气管的一端伸入下筛管段内，另一端和高压气泵连接，所述注气管上设有气体流量计和注气阀门。

进一步优化，所述注气管的出气端设有用于均匀曝气的曝气头。

进一步优化，所述液体抽提系统包括水泵、重金属去除设备、抽液管和回液管，所述抽液管的一端通过所述水泵与所述金属去除设备的进液口连通，另一端和注气管连通，所述抽液管上设有抽液阀门；

所述回液管的一端和所述金属去除设备的出液口连通，另一端伸入多孔质填料层内，所述回液管上设有回液阀门，所述抽液管和所述回液管上均设有液体流量计。

进一步优化，所述多孔质填料层为零价铁、活性炭和石英砂组合，且质量比为2：2：1。

进一步优化，还包括加药系统，所述加药系统包括药剂箱、药剂泵和加药管，所述加药管的一端与回液管连通，另一端通过药剂泵与药剂箱连通，所述加药管上设有加药阀门和药液流量计。

进一步优化，所述气体抽提系统包括吸附罐、真空泵和抽气管，所述抽气管的一端伸入短井管内，另一端通过所述真空泵和所述吸附罐连通，所述抽气管上设有抽气阀门和真空表。

进一步优化，所述膨胀阻隔器包括膨胀气囊和充气装置，所述膨胀气囊设在实管段内，所述膨胀气囊通过输气管与充气装置连通。

进一步优化，所述循环井簇按梅花形、正方形或六面体型中的一种或多种组合分布。

本发明的有益效果：本申请的除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，具有如下优点：

1、将气体与地下水在内外井之间的上升与下降转变为两个独立的长井管和短井管之间的循环，简化了循环井的构造，极大地降低了设备成本以及井管现场安装维护的技术要求；

2、可对长井管和短井管进行独立的安装操作，通过注气系统、液体抽提系统、气体抽提系统灵活控制三维循环的形式，显著增强了循环井的适应性和可靠性；

3、由于长井管和短井管相对独立，因而可以根据实际情况对长井管和短井管灵活调节，使其不仅满足挥发性有机物气提循环工艺，也可以适应重金属污染物的处理要求。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明的实施例的去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在发明中的具体含义。

参考图1的所示的除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统,包括：

均匀分布多个循环井簇，每个循环井簇包括竖向且间隔设置在土层中的长井管100和短井管200，长井管100和短井管200的上下端口均密闭；

长井管100由上到下分为上筛管段110、实管段120和下筛管段130，上筛管段110的下部低于地下水位，实管段120内设有膨胀阻隔器；

短井管200上设有短井筛管段210，上筛管段110和短井筛管段210相通；

注气系统，用于向下筛管段130内的井水通入气体；

液体抽提系统，用于抽取下筛管段130内的井水；

气体抽提系统，用于对短井管200管内抽取气体。

本申请的修复系统由多个循环井簇组成，多个循环井簇可以根据实际情况布置成梅花形、正方形或六面体型中的一种或多种组合。

将循环井簇安装于地面下且部分结构位于地下水位以下，循环井簇由长井管100和短井管200组成，管心间距为2倍管径，长井管100和短井管200的顶端设有密封井盖，底端封闭且不低于地下水污染深度，井管材质为不锈钢，井管外为填充层。长井管100管底位于污染物最深层或是接近隔水底板，短井管200长度为长井管100的1/10-1/2。

长井管100由上到下分为上筛管段110、实管段120和下筛管段130，管外相对应高度的填充层依次为石英砂粗滤料、膨润土水泥混合料、石英砂粗滤料，筛管段缝宽0.5mm，缝间距5mm；

短井管200仅需在中部开筛，短井筛管段210的缝宽0.5mm，缝间距5mm，管外填充层由石英砂粗滤料、膨润土水泥混合料构成。上筛管段110和短井筛管段210相通。

进行地下水有机物修复过程：

关闭膨胀阻隔器，使得上筛管段110和下筛管段130处于连通的状态。注气系统和气体抽提系统同时开启(此时液体抽提系统处于关闭状态)，往下筛管段130内的井水通入气体进行曝气，一方面将空气中的氧溶解于水中，提高土壤中微生物活性，强化自然降解有机物能力，另一方面可将地下水中的挥发性污染物放逐到空气中。

曝气形成的气泡在长井管100中由下筛管段130上升至上筛管段110，混合有有机物的废气进入短井管200中。

进入短井管200中的气体被气体抽提系统抽走后处理，从而达到修复地下水中有机物的作用。

进行地下水重金属物修复过程：

打开膨胀阻隔器，使得上筛管段110和下筛管段130处于隔绝状态，打开液体抽提系统(此时注气系统和气体抽提系统处于关闭状态)，含有重金属的地下水被抽提系统抽走后处理，实现对地下水重金属修复。

进一步的，上筛管段110和短井筛管段210之间填充有多孔质填料层400，多孔质填料层400既可使地下水在长井管100和短井管200之间流通，又可以强化水体和气体中的污染物去除，同时，起到水汽分离作用。因为在曝气过程中，有时候会出现气泡，而且这些气泡特别难消除，多孔质填料层400可以很好解决这一问题。

多孔质填料层400中的填料可以是人工筛板，或是卵石、砾石、或是对污染物有去除作用的多孔介质，如活性炭吸附材料、零价铁-炭粉混合材料、沸石、石灰石、离子交换树脂、铁的氧化物和氢氧化物、磷酸盐以及有机材料城市堆肥物料、木屑等。

进一步的，注气系统包括高压气泵510和注气管520，注气管520的一端伸入下筛管段130内，另一端和高压气泵510连接，注气管520上设有气体流量计530和注气阀门540。

注气系统开启的时候，高压气泵510将空气、高氧空气或臭氧经由气体流量计530和注气阀门540注入到下筛管段130中，空气流量通过气体流量计530和注气阀门540调节。

进一步的，在注气管520的出气端设有用于均匀曝气的曝气头521，曝气头521可破碎压缩气体形成细密的气泡，强化气质传输。

进一步的，液体抽提系统包括水泵610、重金属去除设备620、抽液管630和回液管640，抽液管630的一端通过水泵610与重金属去除设备620的进液口连通，另一端和注气管520连通，抽液管630上设有抽液阀门631；

回液管640的一端和重金属去除设备620的出液口连通，另一端伸入多孔质填料层400内，回液管640上设有回液阀门641，抽液管630和回液管640上均设有液体流量计650。

液体抽提系统启动的时候，下筛管段130处的污染地下水抽提后流经抽液阀门631、液体流量计650、水泵610后进入重金属去除设备620处理，处理达标后可根据工艺设计直接外排，或回液管640经过液体流量计650、回液阀门641回流进入多孔质填料层400内，可以进一步的去除水体中的污染物，最后进入短井管200后进入地下水，完成水循环过程。

进一步的，多孔质填料层400为零价铁、活性炭和石英砂组合，且质量比为2：2：1。零价铁、活性炭化学反应形成铁炭微电池，对重金属有较强的还原作用，同时活性炭的吸附能力和反应生成的铁盐吸附、沉淀作用，进一步增强重金属去除能力。

进一步的，还包括加药系统，加药系统包括药剂箱710、药剂泵720和加药管730，加药管730的一端与回液管640连通，另一端通过药剂泵720与药剂箱710连通，加药管730上设有加药阀门731和药液流量计732。

药剂为强化微生物菌和含氮、磷、钾、有机质的矿物盐(或者是化学氧化剂、化学还原剂)。两者在药剂箱710中混合后同时注入，当气体抽提系统开启时，短井管200内呈现负压，药剂可被虹吸至多孔质填料层400中，可选择关闭药剂泵720。

当液体抽提系统开启时，需开启药剂泵720以提高药剂压力。药剂在多孔质填料层400，有利于药剂与气体和液体混合，提高修复效率。药剂流速通过加药阀门731和药液流量计732调节。可以根据处理水和处理废气的速率适时调整。

由达西定律可知，上筛管段110和短井筛管段210区域提供了较高的渗透系数及较大的缓冲空间，可以极大地减少药剂在井管周边的迁移速度，也即减少了流体对土壤的压力，有效地避免了高压注入产生的土壤裂缝，避免药剂短流这一负面情况的出现，从而可以极大地减少短流的出现，使药剂注入效果更均匀。

调节地下水回流量和药剂泵720流量，同时记录井中的水位变化情况。流量监测应符合下列规定：开始先按1mi n间隔测5次，5mi n间隔测5次，以后每隔30mi n观测一次并至少观测两次，直至长井管100和短井管200中水位维持相对稳定。药剂每天按照3批次注入，每批次注入3小时，注入压力0.2MPa，注入速率200-400mL/mi n。注入药剂5天后，停止注药1天。

进一步的，气体抽提系统包括吸附罐810、真空泵820和抽气管830，抽气管830的一端伸入短井管200内，另一端通过真空泵820和吸附罐810连通，抽气管830上设有抽气阀门831和真空表832。

气体抽提系统启动的时候，真空泵820提供抽提动力，抽气管830位于短井管200的水位上方，污染气体经由抽气阀门831和真空表832和真空泵820之后进入吸附罐810进行吸附处理，处理达标后外排。吸附罐810为活性炭，处理抽提出的废气，达标排放，活性炭吸附饱和后需定期更换。

进一步的膨胀阻隔器包括膨胀气囊300和充气装置，膨胀气囊300设在实管段120内，膨胀气囊300通过输气管与充气装置连通。

膨胀阻隔器工作的时候，充气装置朝膨胀气囊300充气，膨胀气囊300膨胀时可与实管段120紧贴形成环形的密闭空间，有效阻隔上筛管段110和下筛管段130之间的气体和液体在实管段120内的直接对流。

膨胀阻隔器的工作原理是将其安装在需要封闭的位置，充气系统将地表的高压氮气压力达20MPa，通过压力调节器调节范围0-15MPa将压力调到设计压力，通过输气管将氮气输送到膨胀气囊300，使膨胀气囊300膨胀，与实管段120的井壁充分紧贴达到止水、止气的目的。

本发明既能处理地下水中的有机物，也能处理重金属，与同类处理技术相比节省投资约30％-40％，维护和管理成本仅为同类技术的70-90％，对于有机污染物修复效率可达90％以上，对于重金属污染物修复效率可达95％以上。

当然，本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，其特征在于，包括：

均匀分布多个循环井簇，每个所述循环井簇包括竖向且间隔设置在土层中的长井管(100)和短井管(200)，所述长井管(100)和短井管(200)的上下端口均密闭；

所述长井管(100)由上到下分为上筛管段(110)、实管段(120)和下筛管段(130)，所述上筛管段(110)的下部低于地下水位，所述实管段(120)内设有膨胀阻隔器；

所述短井管(200)上设有短井筛管段(210)，所述上筛管段(110)和所述短井筛管段(210)相通；

注气系统，用于向所述下筛管段(130)内的井水通入气体；

液体抽提系统，所述液体抽提系统包括重金属去除设备(620)和回液管(640)，所述回液管(640)的一端和所述重金属去除设备(620)的出液口连通，另一端伸入多孔质填料层(400)内，所述回液管(640)上设有回液阀门(641)，用于抽取所述下筛管段(130)内的井水；

气体抽提系统，用于对所述短井管(200)管内抽取气体；

还包括加药系统，所述加药系统包括药剂箱(710)、药剂泵(720)和加药管(730)，所述加药管(730)的一端与回液管(640)连通，另一端通过药剂泵(720)与药剂箱(710)连通；

所述上筛管段(110)和短井筛管段(210)之间填充有多孔质填料层(400)；

所述注气系统包括高压气泵(510)和注气管(520)，所述注气管(520)的一端伸入下筛管段(130)内，另一端和高压气泵(510)连接，所述注气管(520)上设有气体流量计(530)和注气阀门(540)；

所述液体抽提系统包括水泵(610)和抽液管(630)，所述抽液管(630)的一端通过所述水泵(610)与所述重金属去除设备(620)的进液口连通，另一端和注气管(520)连通，所述抽液管(630)上设有抽液阀门(631)；

所述抽液管(630)和所述回液管(640)上均设有液体流量计(650)；

所述膨胀阻隔器包括膨胀气囊(300)和充气装置，所述膨胀气囊(300)设在实管段(120)内，所述膨胀气囊(300)通过输气管与充气装置连通。

2.根据权利要求1所述的去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，其特征在于：所述注气管(520)的出气端设有用于均匀曝气的曝气头(521)。

3.根据权利要求1所述的去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，其特征在于：所述多孔质填料层(400)为零价铁、活性炭和石英砂组合，且质量比为2：2：1。

4.根据权利要求1所述的去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，其特征在于：所述加药管(730)上设有加药阀门(731)和药液流量计(732)。

5.根据权利要求1至4任一项所述的去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，其特征在于：所述气体抽提系统包括吸附罐(810)、真空泵(820)和抽气管

(830)，所述抽气管(830)的一端伸入短井管(200)内，另一端通过所述真空泵(820)和所述吸附罐(810)连通，所述抽气管(830)上设有抽气阀门(831)和真空表(832)。

6.根据权利要求1至4任一项所述的去除地下水中重金属和有机污染物的原位循环井簇修复系统，其特征在于：所述循环井簇按梅花形、正方形或六面体型中的一种或多种组合分布。