CN112028222A - 一种地下水修复系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下水修复系统及其方法，属于地下水修复技术领域，包括空气空气压缩‑干燥‑储存系统、氧气制造与储存系统、臭氧制造和注射系统、过氧化氢储存和注射系统、地下水抽提处理与回注系统、气相抽提与处理系统和自动控制系统；臭氧制造和注射系统包括空气压缩‑干燥‑储存、氧气制造和储存，以及臭氧制造和注射系统；过氧化氢储存和注射系统包含过氧化氢储罐和注射蠕动泵；一体化双通道注射井由不锈钢材质预制而成；气相抽提与处理系统包含气相抽提泵、气液分离器和活性炭尾气处理装置；发明专利能够确保地下水实现达标的同时有效降低能耗及药耗，同时解决现有技术药剂传输半径小和注射井容易堵塞或溢流的问题。
Description
技术领域
本发明涉及地下水修复技术领域，具体涉及一种地下水修复系统及其方法。
背景技术
企业生产过程中经常会对土壤和地下水造成严重污染，这些重污染场地中土壤和地下水水中有机污染物含量很高，而这些污染物大多属于疏水性有机物，在水相中的溶解度较小，能长时间地滞留在土壤环境中，既破坏了土壤的结构和功能，对土壤的理化性质产生严重影响，也能影响人体健康。
目前，常用的污染场地地下水修复技术包括异位和原位两大类，这决定了污染场地修复设备也分为原位修复装置和异位修复装置。由于异位处置过程中存在二次污染等明显不足，原位修复技术在近年得到广泛应用。其中，美国自80年代中期以来，已经投入大量资金用于原位土壤和地下水修复，一些新的原位修复技术应运而生，如原位化学氧化和原位气相抽提等。原位化学氧化技术是指通过原位修复装置向土壤中投加化学氧化剂使其与污染物质发生化学反应从而实现污染物去除净化的目的，该技术可同时处理多种污染物，处理效率较高的优点。
现有的原位修复装置药剂注入主要分两类，一类为钻杆高压旋喷注入，一类为注入井注入。但是高压旋喷方式注入持续时间短，无法保障药剂的长时间注入。在专利号为US2008/0174571A1的美国专利中公开了一种原位化学氧化注入井修复装置，该修复装置通过注入井向污染区注入过氧化氢、臭氧及压缩空气氧化修复污染土壤和地下水，在专利号CN206567315U中也提出了相似的工艺，实现地下水中有机污染物的原位修复。但是该系统在针对承压含水层的原位修复时容易造成气塞或堵塞，导致药剂无法注入或溢流，使得药剂在地下水中的影响半径小，难以实现地下水污染的有效修复。而且现有的注射井多为单泵头和人工控制，难以实现多种药剂的在线同时自动注射和精确控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种地下水的修复系统及其方法，能够实现地下水水质达标和节能降耗，同时解决现有技术中药剂传输半径小、注射井容易气塞导致药剂无法注入或溢流和多种药剂无法同时注射的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种地下水修复系统：
包括空气空气压缩-干燥-储存系统、氧气制造与储存系统、臭氧制造和注射系统、过氧化氢储存和注射系统、地下水抽提处理与回注系统、气相抽提与处理系统和自动控制系统；
所述臭氧制造和注射系统包括空气压缩-干燥-储存、氧气制造和储存，以及臭氧制造和注射系统，所述空气压缩机将空气压缩干燥后储存在空气储罐内，并与氧气制造机相连；氧气制造机和氧气压缩罐连接，将干燥的空气通过氧气制造机制成氧气并储存在氧气压缩罐内；氧气压缩罐与臭氧制造机相连，将纯净的氧气通过高压电弧的方式生成臭氧，并与一体化双通道注射井的一个通道连接，通过自动控制的注射系统将臭氧注入到污染区内；
所述过氧化氢储存和注射系统包含过氧化氢储罐和注射蠕动泵，并与一体化双通道注射井的另一个通道连接，通过自动控制的注射系统将过氧化氢注入到污染区内，与臭氧发生催化反应生成羟基自由基，绿色高效低降解地下水中的有机污染物；
所述一体化双通道注射井由不锈钢材质预制而成，可通过直推式钻机直接钻进至地下水含水层中，实现注射井的快速建设和两种药剂的同时注射，所述一体化双通道注射井包含两个独立的通道和两个独立的曝气头，可以分别与臭氧和过氧化氢注射阀连接，所述双氧水曝气头与双氧水注射阀连接，所述臭氧曝气头与臭氧注射阀连接，双氧水曝气头位于臭氧/空气曝气头的上部，两层曝气头之间用止水材料皂土填充；
所述地下水抽提处理与回注系统包含抽水泵、废水缓冲池和处理池，以及注水泵组成，抽水泵与抽提井连接并设置在污染区的下游，注水泵与注水井连接且设置在污染区的上游，实现污染修复区地下水的局部流场控制，加速地下水的流动，扩大药剂的影响半径；
所述气相抽提与处理系统包含气相抽提泵、气液分离器和活性炭尾气处理装置，抽提泵与抽提井连接，将地下水含水层中的污染物、修复药剂和反应产物等气体进行收集处理，避免由于含水层中压力过大导致注射井中的药剂溢流等问题。
一种地下水修复系统的方法，包括以下步骤：
(1)修复区下游地下水先经过抽提泵提升至缓冲池，在地上进行处理达标后通过修复区上游的注射井回注到地下水含水层中，实现局部地下水的加速循环；
(2)臭氧和过氧化氢按照一定的比例通过一体化双通道注射井注入地下水含水层中，通过氧化剂在地下水含水层中生成的羟基自由基高效绿色降解地下水中的有机污染物；
(3)一次药剂注射后，开启气相抽提与尾气处理系统，对含水层中的气体进行释放和处理；重复(1)-(3)直至地下水水质达到标准；
(4)通过智能控制系统合理控制各个系统间的配合，实现污染地下水的原位、高效和快速达标修复。
本发明的有益效果：
1)本发明设计的基于人工水力联系、气相抽提和原位化学氧化工艺的土壤和地下水原位修复智能设备集成度高，占地面积小，且能够通过物联网实现在线智能自动控制，实现节能降耗；
2)本发明利用空气加压、人工水力循环和气体抽提的方式可以有效扩大氧化剂的传输半径，扩大地下水原位修复注射井的影响半径，减少注射井的数量和药剂的使用量，提高修复效率、节约修复成本；
3)本发明的一体化双通道注射井具备施工简单，建井速度快，止水性能好，能够防止多层地下水之间的交叉污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的修复设备示意框图；
图2为修复井平面分布示意图；
图3为一体化双通道注射井结构示意图；
图4为三组检测井检测数据示意图。
附图说明
1一体化双通道注射井、2抽气井、3抽水井、4注水井、5污染范围边界、6修复范围边界、7双氧水曝气头、8臭氧曝气头
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，一种地下水修复系统：包括空气空气压缩-干燥-储存系统、氧气制造与储存系统、臭氧制造和注射系统、过氧化氢储存和注射系统、地下水抽提处理与回注系统、气相抽提与处理系统和自动控制系统；
臭氧制造和注射系统包括空气压缩-干燥-储存、氧气制造和储存，以及臭氧制造和注射系统，空气压缩机将空气压缩干燥后储存在空气储罐内，并与氧气制造机相连；氧气制造机和氧气压缩罐连接，将干燥的空气通过氧气制造机制成氧气并储存在氧气压缩罐内；氧气压缩罐与臭氧制造机相连，将纯净的氧气通过高压电弧的方式生成臭氧，并与一体化双通道注射井1的一个通道连接，通过自动控制的注射系统将臭氧注入到污染区内；
过氧化氢储存和注射系统包含过氧化氢储罐和注射蠕动泵，并与一体化双通道注射井1的另一个通道连接，通过自动控制的注射系统将过氧化氢注入到污染区内，与臭氧发生催化反应生成羟基自由基，绿色高效低降解地下水中的有机污染物；
一体化双通道注射井由不锈钢材质预制而成，可通过直推式钻机直接钻进至地下水含水层中，实现注射井的快速建设和两种药剂的同时注射，一体化双通道注射井包含两个独立的通道和两个独立的曝气头，可以分别与臭氧和过氧化氢注射阀连接，双氧水曝气头与双氧水注射阀连接，臭氧曝气头与臭氧注射阀连接，双氧水曝气头位于臭氧/空气曝气头的上部，两层曝气头之间用止水材料皂土填充；
地下水抽提处理与回注系统包含抽水泵、废水缓冲池和处理池，以及注水泵组成，抽水泵与抽提井连接并设置在污染区的下游，注水泵与注水井4连接且设置在污染区的上游，实现污染修复区地下水的局部流场控制，加速地下水的流动，扩大药剂的影响半径；抽水井3与地下水抽提处理与回注系统连接；
气相抽提与处理系统包含气相抽提泵、气液分离器和活性炭尾气处理装置，抽提泵与抽提井连接，气相抽提与处理系统与抽水井2连接，将地下水含水层中的污染物、修复药剂和反应产物等气体进行收集处理，避免由于含水层中压力过大导致注射井中的药剂溢流等问题。修复范围边界6的总面积大于污染范围边界5。气相抽提与处理系统与抽气井2连接。
一种地下水修复系统的方法，包括以下步骤：
(1)修复区下游地下水先经过抽提泵提升至缓冲池，在地上进行处理达标后通过修复区上游的注射井回注到地下水含水层中，实现局部地下水的加速循环；
(2)臭氧和过氧化氢按照一定的比例通过一体化双通道注射井注入地下水含水层中，通过氧化剂在地下水含水层中生成的羟基自由基高效绿色降解地下水中的有机污染物；
(3)一次药剂注射后，开启气相抽提与尾气处理系统，对含水层中的气体进行释放和处理；重复(1)-(3)直至地下水水质达到标准；
(4)通过智能控制系统合理控制各个系统间的配合，实现污染地下水的原位、高效和快速达标修复。
以华中某焦化厂地下水原位注入现场中试实验为例，试验区域主要为苯污染，实施原位修复前监测井中地下水中的浓度范围为2000～10000μg/L，修复目标值为120μg/L，试验区域的面积约300㎡。根据前期场地调查的结果，修复区域主要包含浅层和深层两层地下水含水层，分别位于4～7m和9～14m，两层含水层之间有良好不透水层隔离。第一层含水层主要为粉质粘土层，平均渗透系数为2.20×10-6cm/s，第二层含水层主要为粉砂-细砂，平均渗透系数为1.31×10-3cm/s，因此本次中试实验选择了渗透系数更加的深层承压含水层。
根据实验区污染分布，选择在地下水污染区域内建设3口药剂注射井，2口抽水井，2口地下水注射井，3口抽提井和若干监测井。根据水文地质条件，注药井的中臭氧曝气头设置在13.2～12.2m,过氧化氢曝气头设置在11.6～11m，刚好位于第二层深层承压含水层中。单口抽水井的流量设置为10m3/天，处理后的地下水通过地下水注射井回注到试验区域。单井中臭氧的注射量为189.5g/h，过氧化氢的注射量为1.58L/h，其中臭氧和空气混合气体的注射压力44psi，过氧化氢的压力为30psi。注射井区域设置的气相抽提井对承压含水层中的气体进行释放和处理。在修复实验中，修复药剂的注射次序为：首先注射过氧化氢30分钟，随后注射臭氧和空气混合气体30分钟，随后让其在地下水中反应30分钟。修复药剂通过自动控制系统在3口注射井进行循环注射，过程参数如表一所示。实验过程中每天测试地下水中的常规指标如溶解氧、pH和氧化还原电位，每隔3～7天采集1次地下水样品，送给具有资质的实验室进行苯系物等污染物的检测。实验过程共进行50天，其中药剂注射30天，跟踪监测20天。
如图4所示，图中矩形、三角形和菱形分别表示第一检测井检测数据、第二检测井检测数据和第三检测井检测数据，根据实验结果，地下水中的pH值未发生明显改变，而当药剂注入含水层后，地下水中的溶解氧开始显著增加，苯系物的测试结果显示，在实施10天后，地下水中的苯溶度从2000μg/L降低至80～100μg/L，而且在实验停止后的20天内，苯的浓度均低于100μg/L。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (2)
1.一种地下水修复系统，其特征在于：
包括空气空气压缩-干燥-储存系统、氧气制造与储存系统、臭氧制造和注射系统、过氧化氢储存和注射系统、地下水抽提处理与回注系统、气相抽提与处理系统和自动控制系统；
所述臭氧制造和注射系统包括空气压缩-干燥-储存、氧气制造和储存，以及臭氧制造和注射系统，所述空气压缩机将空气压缩干燥后储存在空气储罐内，并与氧气制造机相连；氧气制造机和氧气压缩罐连接，将干燥的空气通过氧气制造机制成氧气并储存在氧气压缩罐内；氧气压缩罐与臭氧制造机相连，将纯净的氧气通过高压电弧的方式生成臭氧，并与一体化双通道注射井的一个通道连接，通过自动控制的注射系统将臭氧注入到污染区内；
所述过氧化氢储存和注射系统包含过氧化氢储罐和注射蠕动泵，并与一体化双通道注射井的另一个通道连接，通过自动控制的注射系统将过氧化氢注入到污染区内，与臭氧发生催化反应生成羟基自由基，绿色高效低降解地下水中的有机污染物；
所述一体化双通道注射井由不锈钢材质预制而成，可通过直推式钻机直接钻进至地下水含水层中，实现注射井的快速建设和两种药剂的同时注射，所述一体化双通道注射井包含两个独立的通道和两个独立的曝气头，可以分别与臭氧和过氧化氢注射阀连接，所述双氧水曝气头与双氧水注射阀连接，所述臭氧曝气头与臭氧注射阀连接，双氧水曝气头位于臭氧/空气曝气头的上部，两层曝气头之间用止水材料皂土填充；
所述地下水抽提处理与回注系统包含抽水泵、废水缓冲池和处理池，以及注水泵组成，抽水泵与抽提井连接并设置在污染区的下游，注水泵与注水井连接且设置在污染区的上游，实现污染修复区地下水的局部流场控制，加速地下水的流动，扩大药剂的影响半径；
所述气相抽提与处理系统包含气相抽提泵、气液分离器和活性炭尾气处理装置，抽提泵与抽提井连接，将地下水含水层中的污染物、修复药剂和反应产物等气体进行收集处理，避免由于含水层中压力过大导致注射井中的药剂溢流等问题。
2.如权利要求1所述的地下水修复系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)修复区下游地下水先经过抽提泵提升至缓冲池，在地上进行处理达标后通过修复区上游的注射井回注到地下水含水层中，实现局部地下水的加速循环；
(2)臭氧和过氧化氢按照一定的比例通过一体化双通道注射井注入地下水含水层中，通过氧化剂在地下水含水层中生成的羟基自由基高效绿色降解地下水中的有机污染物；
(3)一次药剂注射后，开启气相抽提与尾气处理系统，对含水层中的气体进行释放和处理；重复(1)-(3)直至地下水水质达到标准；
(4)通过智能控制系统合理控制各个系统间的配合，实现污染地下水的原位、高效和快速达标修复。
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