CN112808757A - 小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统 - Google Patents

Abstract

一种小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，包括分布于污染区域内的单井，单井排列组成井群，单井内设置有抽提水泵、抽提管和注药管，抽提水泵上设置有水位自控装置，抽提水泵通过回流控制装置连接抽提管，抽提管与地面上的导流支管连接，导流支管通过止回阀与总导流管连接，总导流管上设置有注药装置，单井内的注药管通过单井注药阀与总导流管连接。该系统通过整体式、一体化的排列式井群进行地下水修复，实现了抽提与注药切换的一体化转化，即可进行抽提后的异位修复，又可进行注药后的原位修复，大大节约投入成本，缩短了修复周期，防止了交叉污染，节约了整体运行成本，适用范围广、可控性高、实用性强。

Description

小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统

技术领域

本发明涉及用于周边无地下水汇流补给的污染区域中地下水的修复系统，具体是一种小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，属于地下水污染修复技术领域。

背景技术

地下水修复技术主要有原位修复技术和异位修复技术。原位修复技术包括可渗透反应墙、原位微生物修复、原位电动修复以及原位注药技术等；异位修复技术主要是指对地下水的抽出后进行的处理技术。

中国专利文献CN110439063A公开一种球式地下水封闭抽灌装置，该装置主要由辐射廊道管、阻塞球、排气阻水阀和止回阀等组成，可实现地下水抽提和回灌的切换，避免回灌水直接冲入水泵，损坏泵体扇叶。CN108455764A公开一种地下水中砷、铁、锰的净化处理工艺，设置了粗过滤层、除砷层及除铁锰层的滤料组合，可提高对特定污染地下水的修复效率。CN 110439095A公开一种地下水循环利用系统及方法，主要是在地下设置蓄水池，用泵将地下水抽至的绿化带中，利用绿化带的土壤环境对地下水多次循环利用。CN104692531A公开一种地下水重金属污染修复装置，主要包括：抽水系统、布水系统、吸附反应区、植物修复区、快速渗流区和监测系统，吸附反应区填充对重金属有吸附作用的介质填料，以达到去除地下水中重金属的效果。

上述地下水修复技术主要是对抽提装置的单一改进或者是对抽出地下水处理工艺的单一优化，适用范围较窄，而对于地下水的整体性修复涉及较少。CN 109663808 A公开一种动态地下水循环系统，只是简单提出了修复系统的实施思路，但对于地下水修复的实际运行，以及运行中存在的问题如：地下水补给不足导致泵体空转、多井联通产生交叉污染、如何实施动态掌握井的运行及损坏情况等问题，尚未提及缺少一定的可实施性。

发明内容

鉴于此，本发明针对周边无地下水汇流补给的污染区域，提供一种具有整体性和可控性的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统。该系统针对周边切断地下水补给区域，对整个修复的实施环节遇到的潜在问题进行解决，做了更加细致化的处理，整个系统运行灵活、运行效率高、可操控性强，实现抽水与注药可切换的一体化。

本发明的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，采用以下技术方案。

该系统，包括分布于污染区域内的单井，单井排列组成井群，单井内设置有抽提水泵、抽提管和注药管，抽提水泵上设置有水位自控装置，抽提水泵通过回流控制装置连接抽提管，抽提管与地面上的导流支管连接，导流支管通过止回阀与总导流管连接，总导流管上设置有注药装置，单井内的注药管通过单井注药阀与总导流管连接。所有抽提水泵、单井注药阀、各处止回阀以及注药装置等电动部件均与PLC控制器连接。

所述单井抽提时的影响半径根据水力参数和以下公式确定：

R＝2S_W√KH，

其中：

K：含水层渗透系数(m/d)；

Q：抽水井流量，m³/d；

S_w：抽水井中水位降深，m；

R：影响半径，m；

H：潜水含水层厚度，m；

H：潜水含水层抽水后的厚度，m；

r_w：抽水井半径，m。

该影响半径作为设置单井密度(数量)的依据。

所述抽提管与导流支管的连接处采用可伸缩螺纹管，可以方便调节井下水泵的深度，避免井内水位大幅度下降导致的水泵悬空，却无法进行高度调节的困境。

所述水位自控装置，包括压力开关、浮球仓和浮球，浮球仓外壁带有滤孔，浮球设置于浮球仓内，压力开关设置于浮球仓的顶部。单井内水位上升时，浮球自动升起，达到设定高度后，触碰浮球仓顶部的压力开关，使抽提水泵自动启动；水位下降时浮球下降，压力开关不受压力，抽提水泵自动停止运行。该自控装置的结构，采用物理浮球控制代替电极式元件控制，底部潮湿环境下，避免控制元件失灵或者灵敏度降低情况的发生。

所述回流控制装置，包括回流仓、网罩和封堵球，回流仓上设置进液口和出液口，网罩固定在回流仓内壁上，网罩为呈圆台形的筒体，封堵球置于网罩的下部，封堵球直径大于网罩的上端口孔径。当地下水补给不足时，抽提水泵停止运转，抽提管内水体发生回流，冲击封堵球下移，堵住回流仓下方的进液口，回流的地下水便会存储于回流仓内。由于井内孔径狭小，若抽出的污水进行回流，会导致井内水位急剧上升，浮球仓内的浮球上升，压力开关再次启动；启动后，井内污水再次快速抽干，水泵再次停止运转，进而抽出的污水继续回流，导致水泵的再次开启，周而复始，水泵多次甚至无限次的启动-关闭，造成水泵的损耗。

所述导流支管中设置有流向指示装置，所述导流支管中设置流向指示装置，流向指示装置末端为取水口，取水口与总导流管之间设置所述止回阀。取水口用于单井取样，同时当止回阀出现问题时，还可以起到应急截流的作用，通过止回阀避免不同单井之间的交叉串流而引起的交叉污染。所述流向指示装置包括弯管，弯管内设置有内磁力球，弯管外侧设置外球壳，外球壳内设置外磁力球，外球壳的外壁上依次分布有正向开关、中间开关和逆向开关，各开关分别连接一种指示电路，指示电路中连接有指示灯。内磁力球随水流方向移动，通过磁力吸引外磁力球移动，进而触动相应开关。各开关均为自动复位开关，压动时接通，不压动时自动断开。

所述注药装置，包括依次连接的注药仓、总注药阀和计量泵，注药仓中设置搅拌器，计量泵的出液口连接总导流管。

经由上述的系统修复方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明通过整体式、一体化的排列式井群进行地下水修复，适用于具有各种水文地质条件、各类污染物分布的污染区域，适用范围广、可控性高、实用性强。

(2)本发明实现了抽提与注药切换的一体化转化，即可进行抽提后的异位修复，又可进行注药后的原位修复。抽提异位修复时单井为抽水井，通过总导流管上设置的注药装置进行原位修复时单井就转换为注药井，实现了抽水井与注药井的一体式转化，大大节约投入成本。

(3)本发明设计的排列式井群，不仅可以检测整个污染区域的水质污染情况，同时通过井群的排列分布设置还可以对单井的水质进行水质监测，利于对整个污染区域进行整体化处理，同时通过对单井水质分析可以着重有针对性的对某个污染较重的点实行针对性修复，不仅可以对整个污染区域进行有效修复，还节约了大量人力、物力和财力，同时大大缩短了修复周期。

(4)本发明通过回流控制装置中的封堵球的自动浮动控制，解决了电磁阀在地下潮湿环境中灵敏度降低的问题，有效避免了水泵的反复启动问题，防止了抽提后管道内水体回流，同时还可以防止交叉污染。

(5)本发明可以实现全天24h整体性、直观性监测，通过流向指示装置中指示灯颜色变化可以快速掌握整个系统中所有单井的运行情况，及时对故障单井进行检修，整个监测过程不仅具有实时性、直观性，还节约整体运行成本。

(6)本发明提供了整体性系统性的修复方案，同时又对系统中的各个主要环节进行了细致化处理，具有可持续性和环境友好。

附图说明

图1是本发明小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统的结构示意图。

图2是本发明中抽提泵中设置的水位自控装置的结构示意图。

图3是本发明中回流控制装置的结构示意图。

图4是本发明中流向指示装置内部结构示意图。

图中：1.污染区域，2.抽提水泵，3.水位自控装置，4.回流控制装置，5.抽提管，6.单井，7.伸缩螺纹管，8.导流支管，9.流向指示装置，10.止回阀，11.总导流管，12.计量泵，13.总注药阀，14.注药仓，15.注药装置，16.单井注药阀，17.注药管，18.取水口18；

31.压力开关，32.浮球仓，33.浮球，34.过滤层；

41.回流仓，42.网罩，43.封堵球；

91.弯管，92.内磁力球，93.外磁力球，94.球壳，95.正向开关，96.中间开关，97.逆向开关，98.电线，99.指示灯。

具体实施方式

本发明的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统作为一种综合性的原位土壤与地下水污染修复的技术，能够对土壤和地下水修复进行实时自动控制与监测，并对系统中各主要环节进行优化，提高了对区域内污染物的修复效率，缩短了修复周期，并降低了修复和运行成本，是一种可控性、整体性、灵活性的环境友好型修复技术。

本发明采用“止水帷幕”+“地下水抽提”+“原位注药氧化”的技术手段，对受污染的区域进行止水帷幕墙的风险管控，然后对受污染的地下水进行抽除，最后对管控区域残存的污染地下水进行强化处理。较重污染区域，抽提水量及持续时间较长；潜在污染区域，抽提频次较低；抽提运行后期，几列单井同时运行，对残存的污染地下水进行最大程度的抽提。

由于地下水存在补给流动的特性，尤其是补给条件差的区域，在抽出处理时，并不是理想的抽水状态，因此自动抽提系统的合理建设和科学运行是关键，也才能将污染地下水，更有针对性的更高效的抽出进行处理。通过自动抽提系统的建设及运行，首先可以通过8-1取水口对单井抽出的污水进行感官及检测分析，确定出重污染的井点区域，进而对该区域进行大流量及长时间的抽取，形成水力漏斗，使得周边轻污染区域水流进行汇集，达到对重污染含水介质进行多次淋洗的效果。同时，本发明的自动抽提系统与原位注药系统的一键式转化，方便快捷，大大提高了区域污染的效率。

图1、图2、图3和图4给出了本发明小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统的具体构成，总体包括设置于污染区域1内由单井6排列组成的井群，每个单井6内均设置有抽提水泵2，抽提水泵2上设置有水位自控装置3，以控制抽提水泵2的自动启动和关闭。抽提水泵2的排水口与抽提管5连接，抽提管5设置于单井6内，抽提水泵2与抽提管5的连接处设置有回流控制装置4，以避免抽出的水体倒流。抽提管5与地面上的导流支管8连接。导流支管8上设置有取水口18，抽提管5与导流支管8之间设置伸缩螺纹管7，以提高弯曲处的使用次数，可伸缩状态也方便水泵的井下深度控制，适应于地下水轻质或重质污染物的精准抽出。导流支管8通过止回阀10与总导流管11连接，通过止回阀10避免不同单井之间的交叉串流而引起的交叉污染。总导流管11用于汇集各导流支管的水体外运处理。导流支管8中设置有流向指示装置 9，可以判断水体流动方向。总导流管11上设置有注药装置15，注药装置15包括依次连接的注药仓14、总注药阀13和计量泵12，注药仓14中设置搅拌器，计量泵12的出液口连接总导流管 11。此外，在各个单井6中设置注药管17，注药管17通过单井注药阀16与总导流管11连接。

各个单井6中的抽提水泵2、单井注药阀16、各处止回阀10以及注药装置15中的总注药阀 13和计量泵12等电动部件均与PLC控制器连接，控制器控制整个井群的运行，控制器可以智能控制单井6的抽提时间和频率。

井群中单井6的抽提半径(抽提时的影响半径)根据水力参数和以下公式确定：

R＝2S_W√KH，

其中：

K：含水层渗透系数(m/d)；

Q：抽水井流量，m³/d；

S_w：抽水井中水位降深，m；

R：影响半径，m；

H：潜水含水层厚度，m；

H：潜水含水层抽水后的厚度，m；

r_w：单井抽提半径，m。

该影响半径作为设置单口单井密度(数量)的依据。单井数量根据污染区域面积及单井抽提半径r_w确定，如单井的纵向间距为10m，共4列，横向间距为8m，共17排。

抽提水泵2上设置的水位自控装置3用于根据水位变化控制水泵的自动开启，其结构如图2 所示，包括压力开关31、浮球仓32和浮球33，浮球33设置于浮球仓32内，压力开关31设置于浮球仓32的顶部。浮球仓32，仓体的四周及底部是由带有细滤孔的网板组成，其底部呈圆形，该底部圆形设计可防止井内的杂物在底部造成积存，带有细滤孔的网板也可以防止仓体内部造成密闭产生气泡滞存，水量无法进入仓体，进而无法启动浮球开关。浮球仓32的内壁宜宽敞光滑，可以防止出现卡住现象。可在浮球仓2内设置过滤层4，以防较大杂质进入。

浮球33采用轻型材料，适用于地下水、重质、轻质的污染物介质中。根据抽取污染物质的密度性质，可以调整浮球33的材质密度。单井6内水位上升时，浮球33自动升起，达到设定高度后，触碰浮球仓32顶部的压力开关31，使抽提水泵2自动启动；单井6内水位下降时浮球 33下降，与压力开关31脱离接触，压力开关31不受压力，抽提水泵2自动停止运行。采用自动浮球设计适应井下潮湿的环境，这种物理手段直接代替水位电磁阀元件的设计，大大提高了系统控制的可靠性。

在周边无地下水汇流补给的污染区域1，当单井6中水量减少或者无水流动时，抽提水泵2 则会停止运转，与抽提水泵2连接的抽提管5中的水会重新回流至单井6中，导致抽提水泵2一直处于启闭循环之中，因此本发明在抽提水泵2与抽提管5之间设置的回流控制装置4是用于避免抽出的水体倒流。如图3所示，该装置包括回流仓41、网罩42和封堵球43。回流仓41为球形容器，其上设置进液口和出液口以便于与抽提水泵2与抽提管5连接，网罩42固定在回流仓41 内壁上，网罩42为呈圆台形的筒体，两端开口，封堵球43置于网罩42的下部，其直径大于网罩42的上端孔径，以保证封堵球43不会由网罩42中脱出。当抽提水泵2正常运转时，封堵球43 在水压作用下上移至网罩42内，此时地下水从回流仓41内网罩42的网孔中流向抽提管5，使水体正常流动；当地下水补给不足时，抽提水泵2停止运转，此时抽提管5内水体发生回流，冲击封堵球43下移，堵住回流仓41下方的进液口，回流的地下水便会存储于回流仓41内，解决了地下水回流引起的泵反复启动的问题。上述回流控制装置4的设置可以对抽提水泵2关闭(停止运转)后回流的水起到截留作用，不仅可以防止交叉污染，还可以防止水的回流造成泵的反复启动。

导流支管8中设置的用于判断水体流动方向的流向指示装置9，如图4所示，包括一段弧形弯管91，弯管91内设置有内磁力球92，弯管91外侧设置外球壳94，外球壳94内设置外磁力球 93，外球壳94的外壁上依次分布有正向开关95、中间开关96和逆向开关97，各开关分别通过各自的电线98连接相应的指示灯99。各开关均为自动复位且防水的防水微动开关，压动时接通，不压动时自动断开。内磁力球92随水流方向移动，通过磁力吸引外磁力球93在外球壳94 内移动，进而触动正向开关95、中间开关96或逆向开关97。当抽提水泵2正常运转，水流正常流动，在水力影响下弯管91内的内磁力球92随水流方向向左移动(图4中箭头方向)，外磁力球93随之右移，压动正向开关95接通，绿灯亮；当地下水补给不足时，抽提水泵2停止运转，管道内水体发生回流，内磁力球92随水流方向移动，外磁力球93随之左移，压动逆向开关97 接通，红灯亮；若地下水全部回流至回流控制装置4中，此时抽提水泵2停止运转，管道内无水流流动，内磁力球92回至原位(弯管91内最低处)，中间开关96接通，黄灯亮。

总导流管11上设置的注药装置15中注药仓14用于盛放处理药剂，注药时打开注药阀13，启动计量泵12，药剂流量通过计量泵12设定控制，进行全自动加药处理。通过注药装置15，实现抽提和注药的一体化，降低运行成本。当需要对污染水体抽出处理时，通过抽提水泵2 将单井6中的地下水的抽出处理；如需对地下水进行原位处理，则通过注药装置15和注药管17 往单井6中注入药剂，此时单井便转化为注药井。

上述系统的运行过程如下所述。

1.抽提异位处理

当需要对污染水体抽出处理时，所有单井6为抽提井。

可以开启所有单井对应的止回阀10和抽提水泵2，污染区域1内的水通过各单井快速抽提，汇集至总导流管11中排出，也可以只开启某一个单井对应的止回阀10和抽提水泵2，对单井抽提范围内的水域抽提处理或检测，关闭注药装置15中的总注药阀13和计量泵12以及所有单井注药阀16。

抽提过程中由水位自控装置3根据水位变化自动控制抽提水泵2的启闭。通过回流控制装置4防止抽提管5内水体回流，防止交叉污染，避免水泵的反复启动。通过导流支管8中的流向指示装置9判断水体流动方向及设备运行状况，若出现问题及时维修。

由控制器控制单井的抽提时间和频率。

2.注药原位处理

当需要对污染水体注药处理时，所有单井6转换为注药井。

开启注药装置15中的总注药阀13和计量泵12，药剂进入总导流管11，总导流管11的排出口封闭(可在总导流管11的排出口设置阀门)。根据对单井水质的检测，可以开启某一个、某几个或全部单井对应的单井注药阀16。

Claims (8)

1.一种小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，其特征是：包括分布于污染区域内的单井，单井排列组成井群，单井内设置有抽提水泵、抽提管和注药管，抽提水泵上设置有水位自控装置，抽提水泵通过回流控制装置连接抽提管，抽提管与地面上的导流支管连接，导流支管通过止回阀与总导流管连接，总导流管上设置有注药装置，单井内的注药管通过单井注药阀与总导流管连接。

2.根据权利要求1所述的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，其特征是：所述单井的影响半径根据水力参数和以下公式确定：

R＝2S_W/KH,

其中：

K：含水层渗透系数(m/d)；

Q：抽水井流量，m³/d；

S_w：抽水井中水位降深，m；

R：影响半径，m；

H：潜水含水层厚度，m；

H：潜水含水层抽水后的厚度，m；

r_w：抽水井半径，m；

该影响半径作为设置单井密度的依据。

3.根据权利要求1所述的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，其特征是：所述抽提管与导流支管通过伸缩管连接。

4.根据权利要求1所述的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，其特征是：所述水位自控装置，包括压力开关、浮球仓和浮球，浮球仓外壁带有滤孔，浮球设置于浮球仓内，压力开关设置于浮球仓的顶部。

5.根据权利要求1所述的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，其特征是：所述回流控制装置，包括回流仓、网罩和封堵球，回流仓上设置进液口和出液口，网罩固定在回流仓内壁上，网罩为呈圆台形的筒体，封堵球置于网罩的下部，封堵球直径大于网罩的上端口孔径。

6.根据权利要求1所述的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，其特征是：所述导流支管中设置有流向指示装置，所述导流支管中设置流向指示装置，流向指示装置末端为取水口，取水口与总导流管之间设置所述止回阀。

7.根据权利要求6所述的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，其特征是：所述流向指示装置包括弯管，弯管内设置有内磁力球，弯管外侧设置外球壳，外球壳内设置外磁力球，外球壳的外壁上依次分布有正向开关、中间开关和逆向开关，各开关分别连接一种指示电路，指示电路中连接有指示灯。

8.根据权利要求1所述的小区域无补给地下水井群式抽提与注药一体修复系统，其特征是：所述注药装置，包括依次连接的注药仓、总注药阀和计量泵，注药仓中设置搅拌器，计量泵的出液口连接总导流管。

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