CN112429859A - 一种石油污染地下水的修复系统及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油污染地下水的修复系统及修复方法，该修复系统包括曝气系统、加热控温系统以及围绕曝气系统设置的抽提系统；曝气系统包括设置在曝气井内的曝气管、设置在曝气管底部的曝气头、与曝气管顶部依次连接的空压机和储气罐；加热控温系统包括电加热棒、电源和控制器，电加热棒设置于曝气管内部并位于曝气头的上方，电加热棒的底部为加热段，顶部为冷段；控制器分别与电加热棒和电源连接；抽提系统包括设置在抽提井内的抽提管、设置在抽提管底部的抽提头以及与抽提管顶部连接的真空泵；该修复系统能够避免直接加热损坏土壤中有机质，还能够通过加热保持土壤温度，让高沸点污染物挥发净化，能够显著提高石油污染地下水的修复效率。

Description

一种石油污染地下水的修复系统及修复方法

技术领域

本发明涉及石油污染处理技术领域，具体涉及一种石油污染地下水的修复系统及修复方法。

背景技术

自20世纪80年代国外开展地下水污染治理至今，地下水污染修复技术在大量的实践应用中得以不断改进和创新。较典型的地下水污染修复技术主要有异位修复(Ex-situ)、原位修复(In-situ)和监测自然衰减修复(Monitored Natural Attenuation)等技术。

原位修复技术近年来，地下水污染原位修复技术的兴起受到人们的广泛关注，和异位修复法相比，原位修复不但修复费用相对节省，而且还最大程度地减少污染物的暴露和对土地环境的扰动，是一种极有发展前景的地下水修复技术。较常用的地下水原位修复技术有：渗透性反应屏障障技术(Permeable Reactive Barriers，简称PRB)、地下水曝气(Air Sparging，简称AS)、原位生物修复技术(Bioremediation)等。

渗透性反应屏障修复技术是近年来迅速发展的一种地下水污染原位修复技术，利用PRB技术对地下水石油烃污染的修复在国外已取得了显著的效果。例如在PRB反应器中通过添加铁粉或铁粒可以对卤烃污染组分进行还原，从而对卤代烃污染组分有效降解。PRB反应器中反应介质选择是地下水污染修复的关键性问题，反应材料根据不同的污染物可以是多种多样的，要求是既要其反应的有效性，又要其作用的长期性，以及对环境的安全性。PRB技术发展至今，通过设计不同的生物反应器，可以对不同的有机污染物进行有序处理。根据具体污染场地的实际情况通过PRB“渗透”和“屏障”工程技术的优化组合，使得该方法的应用更加灵活、可靠。PRB技术具有能够持续原位处理、处理多种组分、节能经济等优势，但其仍存在难以完全处理所有污染物的问题，需要设计技术难度大的多重序列反应器(Sequenced PRB,或SeReBar)。此外，由于较细土壤颗粒的吸入、水力梯度优化控制、地下水化学组分的沉淀析出、生物活性物质的积累等对反应介质会造成堵塞，使反应介质失去活性等，使PRB的设计和使用难度大大增加，也为地下水污染原位修复工程的高新技术研发增加了难度，使PRB技术的应用更具挑战性。另外，被更换的反应介质如何进行处理也是一个需要解决的专门技术问题，应努力避免可能对环境造成的二次污染。

地下水曝气技术于20世纪80年代中期最早应用在德国，随后在欧美得到迅速发展。研究表明，该技术对于地下水石油类挥发性组分的去除非常有效。由于其成本低、效率高及原位操作的突出优势，从而一度成为地下水和土壤中石油类污染修复技术的首选。美国在该技术上投入的科研经费占地下水污染处理基金项目的50％以上。地下水曝气技术的修复效率高、周期短，更适于消除污染土壤和地下水中难移动处理的污染物，因而备受土地二次开发中修复者的青睐。但是，该技术对于石油类非挥发性的高分子有机污染物并不适用，并且受具体地质条件限制，不适合在低渗透率或高粘土含量和深层的地段进行石油类污染治理。该技术也要有配套的土壤废气采集和回收技术(Soil Vapor Extraction，简称SVE技术)以废物再用、避免大气二次污染。

原位生物修复技术其萌芽阶段主要应用于土壤石油类污染的治理，并取得显著成功。美国环保署《2004年关于水土污染修复治理技术的年度报告》显示，在所开展的原位生物修复中，60％的工程都是针对石油类的污染修复。大量欧美实践结果表明，该修复技术可行、有效和优越，已被美国环保署、国防部、能源部等科研机构积极推广。

监测自然衰减修复技术，该技术于20世纪90年代才开始正式用于地下水污染治理。基于污染场地自身理化、生物条件和污染物自然衰减能力进行有监测控制的污染修复，该技术达到全面监测地下水污染晕、降低污染物浓度、毒性及迁移性等修复目的。采用该技术进行地下水污染修复，不会产生次生污染物，对生态环境和土地使用的干扰程度极小。此外，监测自然衰减修复技术工程设施简单，修复费用远远低于其他修复技术。但是，除了修复时间长、见效较慢外，该技术适用范围较为特殊，对地下水和土壤区域环境和污染物自然衰减能力要求较高；一般仅适用于污染程度较低、有利于石油有机污染物的自然生物降解的特定区域。尽管该技术对具体场地的要求较为苛刻，但是大多数石油类有机污染物都会通过土壤和地下水中微生物参与的无酶或酶化反应，致使有机污染物的成分和结构发生变化、达到生物降解的作用。因此，近年来该技术还是得到长足的发展。一般提倡将该技术与其他修复技术进行联合使用，从而进一步增强修复效率。在北美和欧洲地下水污染修复项目中，监测自然衰减修复技术或同其他修复技术联合使用的实例也逐年增多。

热强化修复技术在石油污染场地修复中有广泛的应用。有机污染物的蒸气压随温度升高呈指数型增长。升高温度改变了污染物分配行为(污染物的吸附，溶解，挥发等)和物理特性(粘度密度等)，且通过降低土壤含水地增加渗透性，提高了传质速率。有助于污染场地修复，减少了修复时间，且提高了顽固污染物的抽提效果。目前主要的地下水热强化技术是蒸汽注射-热强化气相抽提技术:该技术将热蒸汽注入地井中,实现土壤和地下水升温。该技术目标温度为中低温，适用于低沸点污染物污染土壤，以及地下水充足的区域。此外，该技术具有蒸汽易挥发、无法长时间保持温度、不能让高沸点污染物挥发等不足之处。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石油污染地下水的修复系统及修复方法，该修复系统将原位修复技术与气相抽提技术相结合，并辅以热强化技术，能够大大提高石油类污地下水的修复效率，并能够避免加热损坏土壤中的有机质。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明第一方面提供一种石油污染地下水的修复系统，所述修复系统包括曝气系统、加热控温系统以及围绕所述曝气系统设置的抽提系统；

所述曝气系统包括设置在曝气井内的曝气管、设置在所述曝气管底部的曝气头、与所述曝气管顶部依次连接的空压机和储气罐；

所述加热控温系统包括电加热棒、电源和控制器，所述电加热棒设置于所述曝气管内部并位于所述曝气头的上方，所述电加热棒的底部为加热段，顶部为冷段；所述控制器分别与所述电加热棒和所述电源连接，用于控制所述电加热棒的加热温度；

所述抽提系统包括设置在抽提井内的抽提管、设置在所述抽提管底部的抽提头以及与所述抽提管顶部连接的真空泵。

本发明上述修复系统将原位修复技术与气相抽提技术相结合，并辅以热强化技术，能够大大提高石油污染地下水的修复效率，并通过电加热棒加热注入空气和曝气管，再经热空气和加热曝气管将热量传递至土壤，达到缓慢加热土壤的目的，避免直接加热损坏土壤中有机质；此外，还能够根据污染物种类调节合适的加热温度，能够让高沸点污染物挥发净化，并能够长时间保持土壤温度，提高污染地下水的修复效率。

优选地，还包括温度传感器，所述温度传感器的检测部分别设置在所述电加热棒的加热段、所述曝气管的中段、地面、抽提管的中段上，用于监测所述电加热棒和所述曝气管、地面和所述抽提管的温度。通过温度传感器的设置，能够实时监测电加热棒和曝气管、地面和抽提管的温度，再根据监测温度能够快速便捷的调整电加热棒的温度，提高整体的修复效率。

优选地，所述抽提系统为4个，并按照东南西北四个方向分布在所述曝气系统的四周，且距所述曝气系统的距离为4～5m。通过对抽提系统个数以及距曝气系统距离的限定，能够充分地抽提出石油污染地下水中蒸发出的有机物，进而更好的提高修复效率。

优选地，所述修复系统还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置与所述真空泵连接。

优选地，所述电加热棒的加热段长度为0.5～1m，冷段长度为0.2～0.3m。

优选地，所述曝气头的长度为0.5～0.8m。

优选地，所述抽提头的长度为0.8～1m。

通过对上述电加热棒、曝气头和抽提头的具体限定，能够更好地提高加热、曝气和抽提效率，能够更好的抽提出地下水中的污染物质。

本发明第二方面提供一种基于所述修复系统的石油污染地下水的修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)打设曝气井和抽提井，其中，曝气井钻至地下水位以下1.5～2.5m，抽提井钻至地下水位以上1～1.5m；

(b)在曝气井和抽提井内分别安装曝气系统和抽提系统，采用石英砂填充曝气管与曝气井之间自底部以上2～3m的空隙以及抽提管与抽提井之间自底部以上1～1.5m的空隙，并采用混凝土填充曝气管与曝气井之间和抽提管与抽提井之间石英砂以上的空隙；

(c)安装加热控温系统，并确定电加热棒的加热段位于地下水位以下，随后，在地表铺设保温层。

优选地，在安装曝气系统、抽提系统和加热控温系统之前，将温度传感器的检测部设置在电加热棒的加热段、曝气管的中段以及抽提管的中段上。

优选地，所述步骤(b)中，还包括通过管道将抽体系统中的真空泵与尾气处理装置连接。

优选地，所述修复方法还包括：

(d)启动曝气系统、抽提系统和加热控温系统，并通过控制器控制电加热棒温度不低于600℃，且曝气管与电加热棒的温差为50～60℃。

本发明上述修复方法通过对曝气井、抽提井深度、石英砂填埋深度以及加热温度的具体限定，能够充分促进石油污染地下水中的污染物的挥发，并能够更好的抽提土壤中的石油污染物，提高整体的修复效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明上述修复系统将原位修复技术与气相抽提技术相结合，并辅以热强化技术，能够大大提高石油污染地下水的修复效率，并通过电加热棒加热注入空气和曝气管，再经热空气和加热曝气管将热量传递至土壤，达到缓慢加热土壤的目的，避免直接加热损坏土壤中有机质；此外，还能够根据污染物种类调节合适的加热温度，能够让高沸点污染物挥发净化，并能够长时间保持土壤温度，提高污染地下水的修复效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明石油污染地下水的修复系统的施工结构示意图；

图2为本发明石油污染地下水的修复系统的施工结构俯视图。

附图中，

1-曝气井；2-曝气管；3-曝气头；4-空压机；5-电加热棒，51-加热段，52-冷段；6-抽提管；7-抽提头；8-真空泵；9-尾气处理装置；10-抽提井；11-地下水位；12-管道。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

本实施例为一种石油污染地下水的修复系统，如图1、图2所示，该修复系统包括曝气系统、加热控温系统以及围绕曝气系统设置的抽提系统；

曝气系统包括设置在曝气井1内的曝气管2、设置在曝气管2底部的曝气头3、与曝气管2顶部依次连接的空压机4和储气罐(图中未示)；

加热控温系统包括电加热棒5、电源(图中未示)和控制器(图中未示)，电加热棒5设置于曝气管2内部并位于曝气头3的上方，电加热棒5的底部为加热段51，顶部为冷段52；控制器分别与电加热棒5和电源连接，用于控制电加热棒5的加热温度；

抽提系统包括设置在抽提井10内的抽提管6、设置在于抽提管6底部的抽提头7以及与抽提管6顶部连接的真空泵8。

本发明上述修复系统将原位修复技术与气相抽提技术相结合，并辅以热强化技术，能够大大提高石油污染地下水的修复效率，并通过电加热棒5加热注入空气和曝气管2，再经热空气和加热曝气管2将热量传递至土壤，达到缓慢加热土壤的目的，避免直接加热损坏土壤中有机质；此外，还能够根据污染物种类调节合适的加热温度，能够让高沸点污染物挥发，并能够长时间保持土壤温度，提高污染地下水的修复效率。

在一些实施方式中，本发明石油污染地下水的修复系统还包括温度传感器(图中未示)，温度传感器可以为多个，并且多个温度传感器的检测部分别设置在电加热棒5的加热段51、曝气管2的中段、地面(图中未示)、抽提管6的中段上，用于监测电加热棒5和曝气管2、地面8和抽提管6的温度。通过温度传感器的设置，能够实时监测电加热棒5和曝气管2、地面和抽提管6的温度，再根据监测温度能够快速便捷的调整电加热棒5的温度，以提高整体的修复效率。

在一些实施方式中，抽提系统为4个，并按照东南西北四个方向分布在曝气系统的四周，且距曝气系统的距离为4～5m。通过对抽提系统个数以及距曝气系统距离的限定，能够充分地抽提出石油污染地下水中挥发出的污染物，进而更好的提高修复效率。

在一些实施方式中，抽提系统还包括尾气处理装置9，尾气处理装置9与真空泵8连接，用于对真空泵8出口中的污染物进行处理。

在本发明中对尾气处理装置9不作严格限制，例如，可以采用本领域常规的尾气处理装置9即可，在一实施方式中，尾气处理装置9为活性炭吸附塔；通过活性炭对从真空泵8中出口流出的污染物进行吸附去除；在使用过程中，定期更换活性炭滤料，以保障污染物的吸附去除效率。

本发明对电加热棒5上的加热段51和冷段52的长度不作严格限制，可以根据实际需要进行合理选择；在一实施方式中，电加热棒5的加热段51长度为0.5～1m中的任一数值，冷段长度为0.2～0.3m中的任一数值。

本发明对曝气头3和抽提头7的长度不作严格限制，可以根据实际需要进行合理限定，在一些实施方式中，曝气头的长度可以为0.5～0.8m中的任一数值，具体可以为0.5m、0.6m、0.7m或0.8m。

在一些实施方式中，抽提头的长度可以为0.8～1m中的任一数值，具体可以为0.8m、0.9m或1m。

本发明通过对上述电加热棒5、曝气头3和抽提头7的具体限定，能够更好地提高加热、曝气和抽提效率，进而更好的抽提出地下水中的污染物质，提高修复效率。

本发明实施例还提供一种基于上述修复系统的石油污染地下水的修复方法，如图1、图2所示，该修复方法包括如下步骤：

(a)打设曝气井1和抽提井10，其中，曝气井1直径为300mm并钻至地下水位11以下1.5m，抽提井钻至地下水位11以上1m；

(b)在安装曝气系统、抽提系统和加热控温系统之前，将温度传感器的检测部设置在电加热棒5的加热段51、曝气管2的中段以及抽提管6的中段上，然后在曝气井1和抽提井10内分别安装曝气系统和抽提系统，并通过管道12将抽提系统中的真空泵8与尾气处理装置9连接，再采用石英砂填充曝气管2与曝气井1之间自底部以上2m的空隙以及抽提管6与抽提井10之间自底部以上1m的空隙，并采用混凝土填充曝气管2与曝气井1之间和抽提管6与抽提井10之间石英砂以上的空隙；其中，曝气系统中的曝气头3的长度为0.5m，抽提系统中的抽提头长度为0.8m；

(c)安装加热控温系统，并确定电加热棒5的加热段51位于地下水位11以下，其中，电加热棒5的加热段长度为0.5m，冷段长度为0.2m，随后，在地表铺设保温层(图中未示)，并在保温层位置安装温度传感器的检测部，用以监测地表的温度；

(d)启动曝气系统、抽提系统和加热控温系统，并通过控制器控制电加热棒5温度不低于600℃，且曝气管2与电加热棒5的温差为50～60℃。

本发明上述修复方法通过对曝气井1深度、抽提井10深度、石英砂填埋深度以及电加热棒5的加热温度的具体限定，能够充分促进石油污染地下水中的污染物的挥发，并能够更好的抽提土壤中的石油污染物，提高整体的修复效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种石油污染地下水的修复系统，其特征在于，包括曝气系统、加热控温系统以及围绕所述曝气系统设置的抽提系统；

所述曝气系统包括设置在曝气井内的曝气管、设置在所述曝气管底部的曝气头、与所述曝气管顶部依次连接的空压机和储气罐；

所述加热控温系统包括电加热棒、电源和控制器，所述电加热棒设置于所述曝气管内部并位于所述曝气头的上方，所述电加热棒的底部为加热段，顶部为冷段；所述控制器分别与所述电加热棒和所述电源连接，用于控制所述电加热棒的加热温度；

所述抽提系统包括设置在抽提井内的抽提管、设置在所述抽提管底部的抽提头以及与所述抽提管顶部连接的真空泵。

2.根据权利要求1所述的修复系统，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器的检测部分别设置在所述电加热棒的加热段、所述曝气管的中段、地面、抽提管的中段上，用于监测所述电加热棒和所述曝气管、地面和所述抽提管的温度。

3.根据权利要求1或2所述的修复系统，其特征在于，所述抽提系统为4个，并按照东南西北四个方向分布在所述曝气系统的四周，且距所述曝气系统的距离为4～5m。

4.根据权利要求1所述的修复系统，其特征在于，所述修复系统还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置与所述真空泵连接。

5.根据权利要求1所述的修复系统，其特征在于，所述电加热棒的加热段长度为0.5～1m，冷段长度为0.2～0.3m。

6.根据权利要求15所述的修复系统，其特征在于，所述曝气头的长度为0.5～0.8m。

7.根据权利要求1所述的修复系统，其特征在于，所述抽提头的长度为0.8～1m。

8.一种基于权利要求1～7任一所述的修复系统的石油污染地下水的修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)打设曝气井和抽提井，其中，曝气井钻至地下水位以下1.5～2.5m，抽提井钻至地下水位以上1～1.5m；

(b)在曝气井和抽提井内分别安装曝气系统和抽提系统，采用石英砂填充曝气管与曝气井之间自底部以上2～3m的空隙以及抽提管与抽提井之间自底部以上1～1.5m的空隙，并采用混凝土填充曝气管与曝气井之间和抽提管与抽提井之间石英砂以上的空隙；

(c)安装加热控温系统，并确定电加热棒的加热段位于地下水位以下，随后，在地表铺设保温层。

9.根据权利要求8所述的修复方法，其特征在于，在安装曝气系统、抽提系统和加热控温系统之前，将温度传感器的检测部设置在电加热棒的加热段、曝气管的中段以及抽提管的中段上。

10.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，还包括：

(d)启动曝气系统、抽提系统和加热控温系统，并通过控制器控制电加热棒温度不低于600℃，且曝气管与电加热棒的温差为50～60℃。

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