CN114147055A - 一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种修复VOCs污染的曝气‑气相抽提装置，属于地下水土有机物污染修复领域。该装置包括主曝气‑抽离装置、辅助抽提装置和可对VOCs污染区上方场地进行完全封闭的密封膜，在主曝气‑抽离装置中包括深入饱和带工作的气相提取管。通过主曝气‑抽离装置可实现曝气、气相抽提的同装置同步工作；曝气‑抽提离装置中的气相提取管深入饱和带工作，更好的加速VOCs的传质运移；通过辅助抽提装置完成对四处逸散的残留VOCs的排出。该曝气装置结构简单，功能齐全，操作便捷，可以显著提高曝气效率，降低修复成本，本发明有效的解决了低渗土体VOCs污染问题，提高了低渗污染土体修复效果。
Description
技术领域
本发明涉及地下水土有机物污染修复领域，具体的涉及一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置。
背景技术
在石油的勘探、开采、运输、储存的过程中会对周围的土壤产生大面积的污染，其中起到主要污染作用的是挥发性有机污染物。挥发性有机物一旦进入水土环境，不仅会污染水质，影响水质健康，还能劣化土体性质，影响工程建设安全。针对这一问题，在现有众多技术中曝气法是目前公认的去除高渗土体(砂土、砾石土等)中挥发性有机物污染的最有效技术之一。
曝汽法是去除非饱和土壤中挥发性有机物最有效、最经济的方法之一。在土壤中钻一个或多个注入井至饱和区。地面的空气压缩机通过井向地下输送空气。当气泡穿过污染区时，它将污染物蒸汽带到地下水位以上的土壤中。然后将空气和蒸汽的混合物从地面中抽出，使用气相抽提技术进行处理。而气相抽提系统由一个或多个在非饱和区筛选的抽油井、鼓风机或真空泵组成，通常还包括空气注入井或压力通风井、地面低渗透盖、空气/水分离器和废气处理系统。通过从地下的井或沟渠中注入或抽出空气，形成压力梯度，从而在非饱和带中诱导气流。曝汽法气流增强了非水相液体(NAPL)的蒸发、溶解在孔隙水中的污染物的挥发以及土壤颗粒表面污染物的解吸。
由于现场地层的复杂性和非均质性，低渗土体VOCs污染问题日益突出。现有技术中曝汽法与气相抽提技术需分开进行，极大增加了成本，且气相抽提技术只能在非饱和区进行，不能在饱和区进行。为提高低渗污染土体曝气修复效果，已有不少专家学者研发新的曝气技术。
如2021年9月24日公开的发明专利申请《一种修复VOCs污染的曝气装置》(CN11287588 A)，通过任意调节曝气装置在曝气井中的安置位置，实现曝气点位的改变。外管和内管之间的气孔形成曝气口，通过移动外管，调节曝气口大小，改变曝气区间范围；以解决局部低渗污染区难以修复的难题。但是，该方法仍存在以下几个缺点：
1)仍需要布置气相抽提孔，增大处理成本；
2)气相抽提技术与曝气法无法同时同步进行；
3)气相抽提技术只能在非饱和区使用，不能在饱和区使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题而发明了一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置，降低传统修复技术成本，增强修复效果，实现曝气技术与气相抽提技术同时同装置工作，本发明有效的解决了低渗土体VOCs污染问题，提高了低渗污染土体修复效果。
本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置，包括辅助装置、辅助抽提系统和主曝气-抽离系统，所述辅助装置包括气泵、调压阀、抽提泵、水气分离桶和密封膜，其中，密封膜铺设于VOCs污染区上方场地的地表面，且边缘部分埋于场地土之中并压紧压实，所述VOCs污染区位于饱和区中；
所述辅助抽提系统包括均匀布设在VOCs污染区上方的N个辅助抽提装置、多根辅助抽提支管和辅助抽提总管，所述辅助抽提装置由顶盖和底管组成；所述底管为底部封闭的空心圆管，且在顶部的内壁上开有内螺纹，将距离底管底部L1高度以下的部分记为辅助抽提区，在辅助抽提区的管壁上均匀分布开有多个气孔；所述顶盖包括同轴的主体和连接尾部，其中，所述连接尾部为空心圆柱体，且外直径与底管的内直径相同，在连接尾部的外壁上开有与底管顶部内壁的内螺纹相对应的外螺纹，顶盖的连接尾部穿过密封膜与底管通过螺纹配合相连接；所述主体为圆柱体，在该圆柱体上对称开有两条从侧壁贯通到底管内腔的辅助抽提通道；
N个辅助抽提装置分成数行均匀设置在VOCs污染区的上方，其底管的上端面均与地表面平齐；在N个辅助抽提装置中，同一行中的相邻辅助抽提装置之间通过一根辅助抽提支管相通，然后处于该行一端的辅助抽提装置再通过一个辅助抽提支管与辅助抽提总管的输入端相通，辅助抽提总管的输出端依次与水气分离桶、抽提泵相通；在每个辅助抽提装置的两个辅助抽提通道中，未与辅助抽提支管或者辅助抽提总管接通的辅助抽提通道均用堵头进行封闭；
所述主曝气-抽离系统包括均匀布设在VOCs污染区中的M个曝气井、放置在M个曝气井中的M个主曝气-抽离装置、注气导管和主抽提管；所述主曝气-抽离装置由同轴的一个内管和一个外管套装组成，记内管的长度为Ln、外管的长度为Lw，Ln＞1.3Lw；
所述外管的顶部及底部均为封闭的，且在两个端面上分别留有与内管的外直径相同的通过孔，内管穿过该二个通过孔套设于外管中，并用密封胶在穿过处进行了封闭，即在主曝气-抽离装置中形成了一个由外管的顶部端面、外管的底部端面、外管的内壁、内管的外壁包围的空腔，将该空腔记为气相抽提腔；将距离气相抽提腔底部L3高度以下的部分记为气相抽提区，在气相抽提区的管壁上开有多个气相抽提孔；在外管的顶部端面上装有与气相抽提腔相通的抽提口，主抽提管的一端与抽提口相通，另一端依次与水气分离桶、抽提泵相通；
所述内管的底部为封闭的，将距离内管底部L2高度以下的部分记为曝气区，在曝气区的管壁上开有曝气孔，内管的顶部缩径并形成了注气口，且缩径部分的底部与外管的顶部端面保持平齐，注气导管的一端与注气口相通，注气导管的另一端依次与调压阀、气泵相通；
将套装完成的主曝气-抽离装置垂直放入曝气井中，且外管的顶部端面与曝气井的井口平齐，记外管的外直径与曝气井内直径之差为间隙δ，δ＜1cm。
优选地，所述主曝气-抽离装置垂直放入曝气井时，抽提口、注气口均穿过密封膜位于地表面之上；在所述抽提口、注气口和顶盖穿过密封膜的位置，密封膜上开有孔洞，且在穿过后用密封胶对穿过处进行密封处理，以确保密封膜对整个场地的封闭性。
优选地，所述顶盖通过外螺纹与底管的内螺纹相连接处装有密封圈；所述辅助抽提支管两端处的外壁上开有外螺纹，所述辅助抽提通道在靠近顶盖的主体外壁的一端开有与辅助抽提支管两端处的外螺纹对应的内螺纹，即辅助抽提支管与辅助抽提通道之间为螺纹连接，且在该连接处装有密封圈。
优选地，所述曝气井的内直径为30cm～50cm，曝气井的深度H2满足H2＝1.2H，且H2＝1.3H1，其中，H为场地污染物存在的最大深度，H1为场地饱和区深度。
优选地，N＝10-25，M＝3-5，所述辅助抽提支管的长度为3m-5m。
优选地，所述气孔的直径为1mm-3mm；所述曝气孔和气相抽提孔的直径均为4mm-8mm；
所述气相抽提区和曝气区设置如下：
气相抽提区：L3＝1/3Lw；
曝气区：L2＝(Ln-Lw)/2；
辅助抽提区：L1＝3/4La，其中La为底管长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、本发明中的主曝气-抽离装置同时具备曝气与气相抽提两个功能，在曝气的过程中同步进行气相抽提，即实现了两种技术同装置且同步工作；
2、本发明的主曝气-抽离装置中的外管为实现气相抽提功能的气相抽提管，该气相抽提管深入饱和区，更好的加速了VOCs的传质运移；
3、本发明的辅助抽提装置对四处逸散的残留VOCs实现排出；
4、本发明装置结构简单，功能齐全，操作便捷，可以显著提高曝气效率，降低修复成本。
5、本发明有效的解决了低渗土体VOCs污染问题，提高了低渗污染土体修复效果。
附图说明
图1是本发明实施例中的总体结构示意图；
图2是本发明实施例中密封膜及辅助抽提装置分布的立体示意图；
图3是本发明实施例中密封膜、主曝气-抽离装置、辅助抽提装置分布的俯视图；
图4是本发明实施例中辅助抽提装置的结构图；
图5是本发明实施例中主曝气-抽离装置的结构图。
图中：1、气泵；2、调压阀；3、流量计；4、注气开关；5、注气导管；6、主抽提管；7、密封膜；8、辅助抽提装置；9、VOCs污染区；10、曝气井；11、辅助抽提总管；12、主抽提开关；13、抽提泵；14、水气分离桶；15、顶盖；16、辅助抽提通道；17、底管；18、气孔；19、密封圈；20、主曝气-抽离装置；21、气相抽提腔；22、辅助抽提支管；23、污染气体处理装置；24、辅助抽提开关；25、抽提口；26、注气口；27、外管；28、内管；29、气相抽提孔；30、曝气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例中的总体结构示意图，图2是本发明实施例中密封膜及辅助抽提装置分布的立体示意图，图3是本发明实施例中密封膜、主曝气-抽离装置、辅助抽提装置分布的俯视图，图4是本发明实施例中辅助抽提装置的结构图，图5是本发明实施例中主曝气-抽离装置的结构图。由图1-图5可见，本发明实施例中的一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提联合装置，包括辅助装置、辅助抽提系统和主曝气-抽离系统，所述辅助装置包括气泵1、调压阀2、抽提泵13、水气分离桶14和密封膜7，其中，密封膜7铺设于VOCs污染区9上方场地的地表面，且边缘部分埋于场地土之中并压紧压实，所述VOCs污染区9位于饱和区中。
所述辅助抽提系统包括均匀布设在VOCs污染区9上方的N个辅助抽提装置8、多根辅助抽提支管22和辅助抽提总管11，所述辅助抽提装置8由顶盖15和底管17组成；所述底管17为底部封闭的空心圆管，且在顶部的内壁上开有内螺纹，将距离底管17底部L1高度以下的部分记为辅助抽提区，在辅助抽提区的管壁上均匀分布开有多个气孔18；所述顶盖15包括同轴的主体和连接尾部，其中，所述连接尾部为空心圆柱体，且外直径与底管17的内直径相同，在连接尾部的外壁上开有与底管17顶部内壁的内螺纹相对应的外螺纹，顶盖15的连接尾部穿过密封膜7与底管17通过螺纹配合相连接；所述主体为圆柱体，在该圆柱体上对称开有两条从侧壁贯通到底管17内腔的辅助抽提通道16。
N个辅助抽提装置8分成数行均匀设置在VOCs污染区9的上方，其底管17的上端面均与地表面平齐；在N个辅助抽提装置8中，同一行中的相邻辅助抽提装置8之间通过一根辅助抽提支管22相通，然后处于该行一端的辅助抽提装置8再通过一个辅助抽提支管22与辅助抽提总管11的输入端相通，辅助抽提总管11的输出端依次与水气分离桶14、抽提泵13相通；在每个辅助抽提装置8的两个辅助抽提通道16中，未与辅助抽提支管22或者辅助抽提总管11接通的辅助抽提通道16均用堵头进行封闭。
所述主曝气-抽离系统包括均匀布设在VOCs污染区9中的M个曝气井10、放置在M个曝气井10中的M个主曝气-抽离装置20、注气导管5和主抽提管6；所述主曝气-抽离装置20由同轴的一个内管28和一个外管27套装组成，记内管28的长度为Ln、外管27的长度为Lw，Ln＞1.3Lw。
所述外管27的顶部及底部均为封闭的，且在两个端面上分别留有与内管28的外直径相同的通过孔，内管28穿过该二个通过孔套设于外管27中，并用密封胶在穿过处进行了封闭，即在主曝气-抽离装置20中形成了一个由外管27的顶部端面、外管27的底部端面、外管27的内壁、内管28的外壁包围的空腔，将该空腔记为气相抽提腔21；将距离气相抽提腔21底部L3高度以下的部分记为气相抽提区，在气相抽提区的管壁上开有多个气相抽提孔29；在外管27的顶部端面上装有与气相抽提腔21相通的抽提口25，主抽提管6的一端与抽提口25相通，另一端依次与水气分离桶14、抽提泵13相通。
所述内管28的底部为封闭的，将距离内管28底部L2高度以下的部分记为曝气区，在曝气区的管壁上开有曝气孔30，内管28的顶部缩径并形成了注气口26，且缩径部分的底部与外管27的顶部端面保持平齐，注气导管5的一端与注气口26相通，注气导管5的另一端依次与调压阀2、气泵1相通。
将套装完成的主曝气-抽离装置20垂直放入曝气井10中，且外管27的顶部端面与曝气井10的井口平齐，记外管27的外直径与曝气井10内直径之差为间隙δ，δ＜1cm。
从功能上定义，内管28为曝气管，外管27为气相抽提管，因此主曝气-抽离装置20同时兼顾了两种功能，实现了曝气、气相抽提同装置同步进行。
在本实施例中，所述主曝气-抽离装置20垂直放入曝气井10时，抽提口25、注气口26均穿过密封膜7位于地表面之上。在所述抽提口25、注气口26和顶盖16穿过密封膜7的位置，密封膜7上开有孔洞，且在穿过后用密封胶对穿过处进行密封处理，以确保密封膜7对整个场地的封闭性。具体实施过程中，密封膜7上的孔洞为现场开的，且孔径注气导管5、主抽提管6和顶盖16尾部的直径小，因此，密封膜7孔洞处对穿过物的包裹，再加上密封胶的作用，保证了密封膜7对整个场地的封闭性。
在本实施例中，所述顶盖15通过外螺纹与底管17的内螺纹相连接处装有密封圈19。所述辅助抽提支管22两端处的外壁上开有外螺纹，所述辅助抽提通道16在靠近顶盖15的主体侧壁的一端开有与辅助抽提支管22两端处的外螺纹对应的内螺纹，即辅助抽提支管22与辅助抽提通道16之间为螺纹连接，且在该连接处装有密封圈19。
在本实施例中，所述曝气井10的内直径为30cm～50cm，曝气井10的深度H2满足H2＝1.2H，且H2＝1.3H1，其中，H为场地污染物存在的最大深度，H1为场地饱和区深度。
在本实施例中，N＝10-25，M＝3-5，所述辅助抽提支管22的长度为3m-5m。
在本实施例中，所述气孔18的直径为1mm-3mm；所述曝气孔30和气相抽提孔29的直径均为4mm-8mm。
所述气相抽提区和曝气区设置如下：
气相抽提区：L3＝1/3Lw；
曝气区：L2＝(Ln-Lw)/2；
辅助抽提区：L1＝3/4La，其中La为底管17长度。
在本实施例中，在调压阀2与注气导管5之间还装有流量计3和注气开关4，在水气分离桶14和主抽提管6之间还装有主抽提开关12，在辅助抽提总管11和辅助抽提支管22之间还装有辅助抽提开关24。另外，在本实施例中，在抽提泵13上还接了一个污染气体处理装置23。
在本实施例中的具体参数如下：
VOCs污染区9的面积：400m2；
VOCs污染区9存在最大深度H：5m；
饱和区深度H1：4.5m；
曝气井10深度H2：6m；
曝气井10直径：40cm；
外管27长度Lw：4.6m；
外管27直径：39.5cm；
内管28长度Ln：6m；
内管28直径：28cm；
辅助抽提支管22长度：5m；
底管17长度La：50cm。
在VOCs污染区9比较大时，将实施例中的曝气-气相提取装置作为一组装置，然后取多组装置进行工作。
具体的，在本实施例中，取一组的设置为：N＝25，M＝5，即以25个辅助抽提装置8、5个主曝气-抽离装置的配合作为一组装置。取辅助抽提支管22为5米，25个辅助抽提装置8分成5行5列均匀分布，5个主曝气-抽离装置分布在25个辅助抽提装置8形成的队列中，可以进行污染面积约为400平方米的曝气-气相抽提。
当VOCs污染区9的污染面积超过400平方米时，采用多组装置联合工作。例如当污染面积为1600平方米、且基本为正方形分布时，取四组装置布设在该VOCs污染区9的上方，即可满足曝气-气相提取的需要。在多组装置联合工作时，各组的密封膜7的边缘重叠后埋于场地土之中并压紧压实。
利用本发明装置进行曝气-气相抽提的过程如下：
非工作时，关闭注气开关4、辅助抽提开关24、主抽提开关12。
操作开始，打开辅助抽提开关24，打开抽提泵13的电源，即在曝气前已经开始通过辅助抽提装置8对非饱和区进行水气混合物的抽取。
打开气泵1的电源，调节调压阀2至预定曝气气压P；
打开注气开关4，气泵1的气体经注气导管5进入主曝气-抽离装置20的内管28，该内管28为曝气管，气体从曝气区的曝气孔30释放，在VOCs污染区9形成渗流通道，VOCs通过扩散进入渗流通道；
打开主提取开关12，扩散进入渗流通道的VOCs分为以下两路：
一部分仍然进入主曝气-抽离装置20中的外管27，该外管27为气相抽提管，具体的，通过气相抽提区的气相抽提孔29进入气相抽提腔21，然后通过抽提口25、主抽提管6被抽到地表面上的水气分离桶14进行处理；
一部分挥发至非饱和区后通过辅助抽提装置8中的气孔18进入辅助抽提装置8，然后通过辅助抽提通道16、辅助抽提支管22、辅助抽提总管11被抽到地表面上的水气分离桶14进行处理；
通过辅助抽提装置8和主曝气-抽离装置20的协调工作，达到土体中VOCs的去除。
Claims (6)
1.一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置，其特征在于，包括辅助装置、辅助抽提系统和主曝气-抽离系统，所述辅助装置包括气泵(1)、调压阀(2)、抽提泵(13)、水气分离桶(14)和密封膜(7)，其中，密封膜(7)铺设于VOCs污染区(9)上方场地的地表面，且边缘部分埋于场地土之中并压紧压实，所述VOCs污染区(9)位于饱和区中；
所述辅助抽提系统包括均匀布设在VOCs污染区(9)上方的N个辅助抽提装置(8)、多根辅助抽提支管(22)和辅助抽提总管(11)，所述辅助抽提装置(8)由顶盖(15)和底管(17)组成；所述底管(17)为底部封闭的空心圆管，且在顶部的内壁上开有内螺纹，将距离底管(17)底部L1高度以下的部分记为辅助抽提区，在辅助抽提区的管壁上均匀分布开有多个气孔(18)；所述顶盖(15)包括同轴的主体和连接尾部，其中，所述连接尾部为空心圆柱体，且外直径与底管(17)的内直径相同，在连接尾部的外壁上开有与底管(17)顶部内壁的内螺纹相对应的外螺纹，顶盖(15)的连接尾部穿过密封膜(7)与底管(17)通过螺纹配合相连接；所述主体为圆柱体，在该圆柱体上对称开有两条从侧壁贯通到底管(17)内腔的辅助抽提通道(16)；
N个辅助抽提装置(8)分成数行均匀设置在VOCs污染区(9)的上方，其底管(17)的上端面均与地表面平齐；在N个辅助抽提装置(8)中，同一行中的相邻辅助抽提装置(8)之间通过一根辅助抽提支管(22)相通，然后处于该行一端的辅助抽提装置(8)再通过一个辅助抽提支管(22)与辅助抽提总管(11)的输入端相通，辅助抽提总管(11)的输出端依次与水气分离桶(14)、抽提泵(13)相通；在每个辅助抽提装置(8)的两个辅助抽提通道(16)中，未与辅助抽提支管(22)或者辅助抽提总管(11)接通的辅助抽提通道(16)均用堵头进行封闭；
所述主曝气-抽离系统包括均匀布设在VOCs污染区(9)中的M个曝气井(10)、放置在M个曝气井(10)中的M个主曝气-抽离装置(20)、注气导管(5)和主抽提管(6)；所述主曝气-抽离装置(20)由同轴的一个内管(28)和一个外管(27)套装组成，记内管(28)的长度为Ln、外管(27)的长度为Lw，Ln＞1.3Lw；
所述外管(27)的顶部及底部均为封闭的，且在两个端面上分别留有与内管(28)的外直径相同的通过孔，内管(28)穿过该二个通过孔套设于外管(27)中，并用密封胶在穿过处进行了封闭，即在主曝气-抽离装置(20)中形成了一个由外管(27)的顶部端面、外管(27)的底部端面、外管(27)的内壁、内管(28)的外壁包围的空腔，将该空腔记为气相抽提腔(21)；将距离气相抽提腔(21)底部L3高度以下的部分记为气相抽提区，在气相抽提区的管壁上开有多个气相抽提孔(29)；在外管(27)的顶部端面上装有与气相抽提腔(21)相通的抽提口(25)，主抽提管(6)的一端与抽提口(25)相通，另一端依次与水气分离桶(14)、抽提泵(13)相通；
所述内管(28)的底部为封闭的，将距离内管(28)底部L2高度以下的部分记为曝气区，在曝气区的管壁上开有曝气孔(30)，内管(28)的顶部缩径并形成了注气口(26)，且缩径部分的底部与外管(27)的顶部端面保持平齐，注气导管(5)的一端与注气口(26)相通，注气导管(5)的另一端依次与调压阀(2)、气泵(1)相通；
将套装完成的主曝气-抽离装置(20)垂直放入曝气井(10)中，且外管(27)的顶部端面与曝气井(10)的井口平齐，记外管(27)的外直径与曝气井(10)内直径之差为问隙δ，δ＜1cm。
2.根据权利1所述的一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置，其特征在于，所述主曝气-抽离装置(20)垂直放入曝气井(10)时，抽提口(25)、注气口(26)均穿过密封膜(7)位于地表面之上；在所述抽提口(25)、注气口(26)和顶盖(16)穿过密封膜(7)的位置，密封膜(7)上开有孔洞，且在穿过后用密封胶对穿过处进行密封处理，以确保密封膜(7)对整个场地的封闭性。
3.根据权利要求1所述的一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置，其特征在于，所述顶盖(15)通过外螺纹与底管(17)的内螺纹相连接处装有密封圈(19)；所述辅助抽提支管(22)两端处的外壁上开有外螺纹，所述辅助抽提通道(16)在靠近顶盖(15)的主体侧壁的一端开有与辅助抽提支管(22)两端处的外螺纹对应的内螺纹，即辅助抽提支管(22)与辅助抽提通道(16)之间为螺纹连接，且在该连接处装有密封圈(19)。
4.根据权利要求1所述的一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置，其特征在于，所述曝气井(10)的内直径为30cm～50cm，曝气井(10)的深度H2满足H2＝1.2H，且H2＝1.3H1，其中，H为场地污染物存在的最大深度，H1为场地饱和区深度。
5.根据权利要求1所述的一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置，其特征在于，N＝10-25，M＝3-5，所述辅助抽提支管(22)的长度为3m-5m。
6.根据权利要求1所述的一种修复VOCs污染的曝气-气相抽提装置，其特征在于，所述气孔(18)的直径为1mm-3mm；所述曝气孔(30)和气相抽提孔(29)的直径均为4mm-8mm；
所述气相抽提区和曝气区设置如下：
气相抽提区：L3＝1/3Lw；
曝气区：L2＝(Ln-Lw)/2；
辅助抽提区：L1＝3/4La，其中La为底管(17)长度。
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