CN114414316A - 一种原位采集土壤气的工艺与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种原位采集土壤气的工艺与装置，包括集气罐、井管、集束式气动管缆、循环系统、吸附系统、在线分析系统、排水系统及控制系统；所述集气罐和井管构成单井结构，再在集气罐下方连接不同长度的单井结构，构成不同深度的多点采集井；所述吸附系统中的吸附罐内放置吸附材料，通过吸附材料能够对土壤气中的污染物进行采集；本发明针对各土壤气采集点可同时提供主动和被动两种采集方法，对土壤气采集点地层深度有更好的适应性。同时可适用于不同深度土壤气的分层采集，降低了建井成本，对于需要长期监测以掌握地下污染因子演变过程的地块，可以通过本发明在污染区域内多点布井、分层采集以获得准确、适时的土壤气数据。
Description
技术领域
本发明属于环境分析与监测技术领域，具体涉及一种原位采集土壤气的工艺与装置。
背景技术
随着国家"退二进三"政策推行和产业结构调整，大批工业企业搬迁或转移，由于生产期间防治措施不到位，废弃或遗留的工业场地大都受到不同程度的污染，其中挥发性有机物(VOCs)是典型的污染物之一。根据国家和地方相关政策法规，在转变土地使用用途之前，必须对场地进行调查和治理。地下环境中的VOCs可以自由相形式、吸附于土壤颗粒、溶解于土壤水和赋存于土壤气中等多种形式存在，对土壤气中的VOCs进行采样分析，可直接提取其中与健康危害有关的污染物有效信息，用于确定污染物的存在、组成、来源和分布状况，同时，土壤气检测提供了相对快速和低成本的场地污染信息，可为下一步的采样方案和修复技术筛选提供指导。
目前主要有两种土壤气采样方法：主动采样法和被动采样法，两种方法都是在监测井取样点打一深孔，再采用有效堵塞措施隔绝与大气交换后再进行采样送检。主动采样法一般使用泵驱动待测气体样品通过采样器进入采样罐气袋或者通过吸附剂捕集样品中的VOCs，采集可在一天之内完成，但由于采样时间有限，很难反映大气中土壤气的长期污染水平的问题，且主动采样法在低渗透性和饱和土壤中作业比较困难。被动采样法则是基于污染物的浓度梯度采用吸附材料对土壤气中VOCs进行吸附，一般要放置几天甚至更长时间。
无论对于主动采样还是被动采样，都需要在土壤孔隙内气体浓度达到平衡后再进行采样，常规采样法一般按经验估计气体浓度达到平衡的时间，如主动采样法一般在密封采样系统2小时候开始采样；传统地，对于低渗透性或高含水率地层，无法选用主动采样，只能选用被动采样。尚没有一种明确的装置和工艺，可以用于精确指导土壤气采集进样时间，同时可以针对不同的地层特性选和采样要求择适用的采样技术。此外，常规方法设置的气体监测井，往往每口监测井只能监测单一深度的土壤气体，遇到需要整体监测土壤污染情况时需要设置不同深度的监测井，导致监测作业的成本较高且耗时较长。常规的土壤气采样方法不能明确土壤中气态污染物浓度稳定平衡时间，吸附材料的进样时间的把握主要依靠经验或者理论计算。中国专利2016104710653提供了一种被动采集土壤气的方法，但在现实操作时会有以下不可回避的问题。首先，靠理论推算吸附柱芯在地下的放置时间与实际吸附情况会有较大的差距，这是因为地下的温度、湿度及土壤的性质相差很大，因此理论推算只能是参考而已。其次，假设在同一井位需要采集不同深度的土壤气，这个方法就不可行了，且这个方法的效率很低。
综上所述，目前尚没有一种高效、广谱的土壤气采集工艺和装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位采集土壤气的工艺与装置，它具有广谱性和对混合型土壤气采集效能，可以适应不同的地层特性，也可用于主动采集和被动采集方法的现场应用比较研究。
本发明采用以下技术方案：
一种原位采集土壤气的装置，包括集气罐、井管、集束式气动管缆、循环系统、吸附系统、在线分析系统、排水系统及控制系统；在线分析系统为常规技术及设备；所述集气罐和井管构成单井结构，再在集气罐下方连接不同长度的单井结构，构成不同深度的多点采集井；
所述循环系统的出气管路、进气管路以及排水系统的排水管路构成集束式气动管缆置于多点采集井内，构成一个单井多点采集系统；所述出气管路上设有吸附系统，所述吸附系统包括吸附罐，吸附罐内放置吸附材料，吸附材料根据不同的污染物而选取，通过吸附材料能够对土壤气中的污染物进行采集。
进一步的，所述集气罐采用常规圆管材料制成，在其圆周外壁上开有筛孔，在筛孔的范围上包裹了隔水透气膜和透气性的保护层；集气罐和井管之间通过密封连接件连接，所述密封连接件上留有集束式气动管缆的过孔，除了位于最底部的集气罐以外，其余的集气罐底部也留有与密封连接件上过孔同轴的过孔，集束式气动管缆通过集气罐时需与集气罐罐体保持密封；所述集气罐底部采用可存留地下水的凹型结构。
进一步的，所述吸附系统还包括直通旁路电磁阀和两个吸附管路电磁阀，所述吸附罐与直通旁路电磁阀并联，在吸附罐两侧串联有两个吸附管路电磁阀；吸附罐口设有快速存取密封盖。
进一步的，所述循环系统包括气体循环泵、进气电磁阀、若干循环电磁阀、出气分配器、进气分配器、出气管路、进气管路；所述出气管路上连接有吸附系统；所述出气分配器根据采集点数量将出气管路分成若干条出气管束，每条出气管束上连接一个吸附系统；所述进气分配器根据采集点数量将进气管路分成若干条进气管束；所述循环泵优选的是高压风机。
进一步的，所述排水系统包括排水分配器、排水管路、放气电磁阀、真空泵、气液分离器、排水泵和若干排水电磁阀；所述排水分配器根据采集点数量将排水管路分成若干条排水管束。
进一步的，在所述多点采集井内，集束式气动管缆中的管束数为同一井位所需采集点数量的3倍；在每个采集点留下3根气管束，为进气管束，出气管束和排水管束。
进一步的，将若干所述单井多点采集系统相连接，构成多井多点采集系统。
进一步的，所述控制系统用于远程控制装置运行及对在线分析系统数据的传输。
一种原位采集土壤气的工艺，包括以下步骤：
构建采集土壤气的井或井群：通过过孔将集束式气动管缆穿过各个集气罐，分别伸入不同深度的集气罐中，确保每个集气罐中均包含进气管束，出气管束和排水管束，其中，进气管束较短，出气管束较长，排水管束要达到集气罐最底部的位置；将制作好的符合监测深度采集井结构安置在井内，并架设各系统管路、在线分析系统及控制系统；
S2、排水：利用排水系统排出在集气罐底部的地下水；
S3、排气：利用循环系统排出集气罐内空气，直至井内压力达到-0.02～-0.04Mp；
S4、土壤气数据采集：
S41、打开排水系统和循环系统；针对其中一个采集点，关闭该采集点的集气罐中出气管束所连接的吸附系统的吸附管路电磁阀，打开直通旁路电磁阀，土壤气不经吸附罐而进行自循环，此时在线分析系统的读数为主动采集土壤气的数据；
S42、再关闭该采集点的直通旁路电磁阀，打开吸附管路电磁阀，吸附罐内的吸附材料对土壤气中的污染物进行吸附；取出吸附材料快速放进密封袋送检，此时从吸附材料上获得的分析数据为被动采样数据；
S43、对不同深度的其它采集点轮流进行步骤S41和步骤S42，能够获得各个采集点的主动和被动采集的土壤气的数据；完成单井多点系统的数据采集；
S44、对多井多点采集系统中的每个单井多点系统进行步骤S41～S43的操作，即完成多井多点系统的数据采集。
附图说明
图1.单井多点采集系统示意图；
图2.单井多点采集系统(A区)放大图；
图3.单井多点采集系统中吸附系统(B区)放大图；
图4.集气罐示意图；
图5.多井多点采集系统示意图；
图中：1.待监测场地 2.集气罐 3.密封连接件 4.井管 5.集束式气动管缆 6.出气分配器 7.吸附系统 8.进气分配器 9.出气管路 10.进气管路 11.控制系统 12.在线分析系统 13.采样阀门 14.采样口 15.进气电磁阀 16、18.循环电磁阀 17.气体循环泵19、22、26排水电磁阀 20.排水分配器 21.排水管路 23.放气电磁阀 24.真空泵 25.气液分离器 27.水泵 28.直通旁路电磁阀 29.吸附管路电磁阀 30.吸附材料 31.吸附罐 32.快速存取密封盖 33.隔水透气膜 34.透气性保护层 35.井群出气分配器 36.井群进气分配器37.井群排水分配器 38.井群出气电磁阀 39.井群进气电 磁阀40.井群排水阀。
有益效果
针对各土壤气采集点可同时提供主动和被动两种采集方法，是适合大部分地层特性的采集方式，对土壤气采集点地层深度有更好的适应性。同时可适用于不同深度土壤气的分层采集，降低了建井成本，相较于传统的依靠估算污染物浓度达到稳定时间的土壤气采集法，本发明可通过在线检测及被动吸附检测能更准确直观确定污染浓度扩散平衡时间点，尤其对于需要长期监测以掌握地下污染因子演变过程的地块，可以通过本发明在污染区域内多点布井、分层采集以获得准确、适时的土壤气数据。
具体实施方式
步骤S1建井：
S11、采集土壤气集气罐制作：
集气罐2采用常规圆管材料制成，并在其圆周外壁适当位置上开有筛孔，在筛孔的范围上包裹了隔水透气膜33和透气性的保护层34，集气罐2的下部采用可存留地下水的凹型结构，上部有密封连接件3，在密封连接件3上留有集束式气动管缆5的过孔。除了最下面的集气罐2以外，其余的集气罐2底部也要留有与密封连接件3上过孔同轴的集束式气动管缆的过孔；
进一步地，短期监测井的圆管材料选用塑料制品，长期监测井的圆管材料选用金属制品，优选的为不锈钢；直径介于Φ50～Φ300mm之间，优选的直径为Φ150mm，高度和直径等同；
进一步地，筛孔开在集气罐2中部，高度约为集气罐高度的1/3；
进一步地，隔水透气膜33为防水聚合物，如防水透气涂料、有机硅薄膜、pdms薄膜和高透气防水柔软弹性材料等，优选的为EPTFE膨体聚四氟乙烯防水透气膜；
进一步地，透气性保护层34选用无纺布、不锈钢丝网等，优选的为不锈钢丝网。
S12、采集土壤气井管及采集土壤气井制作：
S121、按照待监测场地1所需检测深度及检测点位数，制作原位采集土壤气井管4，其方法是用具有密封性能的连接件3分别将集气罐2和等直径但有不同长度的井管L1、 L2和L3连接，在连接过程中将集束式气动管缆5穿过各个集气罐2，同时将集气罐2 和集束式气动管缆5之间密封。在集束式气动管缆5穿过每个集气罐2时，分别留下3 根气动管缆中的气动管束，注意管束的长短，进气管束较短，出气管束较长，排水管束要达到集气罐2最底部的位置，做好相应的标记，结构如图1中1～5所示；
进一步地，集束式气动管缆5的管束数量根据同一井点土壤采集气罐2的数量决定，为其数量的3倍；
S122、在待监测场地内钻井，将制作好的井管安置在井内。
S13、构建采集土壤气井群：
S131、根据所需监测地块的监测要求，多点打井；
S132、将符合监测深度已制作好的井管置入井内；
S133、按照图1所示的系统图，架设各系统管路、在线分析系统12及控制系统11。
至此就完成了构建采集土壤气的井或井群。
步骤S2、排水，方法有两种：
S21、在深度不深(≤8m)的情况下，开启真空泵24、排水电磁阀19、22、26，此时可能积留在集气罐2底部的地下水就会被排出；
S22、在深度较深(≥8m)的情况下，就要借助气体循环泵17来进行排水，方法是开启真空泵24、排水电磁阀19、22、26、气体循环泵17和电磁阀15、16和18。此时气体循环泵17提供的正压和真空泵24提供的负压同时作用，就可将可能积留在集气罐2底部的地下水就会被排出。
以上步骤可针对所有土壤气采集点同时进行。
步骤S3、集气罐内空气排空：
初始阶段由于井内有大气中的空气，因此要将这些空气排除，以便快速获得准确数据。方法与排水方法1相同，当井内压力达到-0.02～-0.04Mp即可，步骤可针对所有土壤气采集点同时进行。
S4、土壤气数据采集：
S41、单井多点循环采集：
S411、针对指定井位的土壤气采集点(以图1中L1采集点为例)，开启气体循环泵17、循环电磁阀16和相应的循环电磁阀18及直通旁路电磁阀28，此时土壤气不经吸附罐31而进行自循环，此时在线分析系统12备的读数为主动采集土壤气的数据；
S412、当在线分析系统12的读数相对稳定时，关闭相应的电磁阀28，开启相应的电磁阀29，此时吸附罐31内的吸附材料30对土壤气中的污染物进行吸附。当在线分析系统12的读数相对稳定时，关闭吸附管路电磁阀29，打开快速存取密封盖32，取出吸附材料30快速放进密封袋送检，同时放进新的吸附材料，此时从吸附材料30上获得的分析数据为被动采样数据。
S413、针对不同的采集点(如L2、L3等)轮流进行同样的上述操作，即可获得各个采集点的主动和被动采集的土壤气的数据。
S42、多井多点循环采集：
S421、针对不同井位的不同采集点，用S2～S4的步骤和方法轮流进行操作，即可获得各个采集点的主动和被动采集的土壤气的有效数据。
S422、以图5中1#井为例：
a.用S2和S3的方法可以对1#～N#井内的各采集点进行排水和去除空气；
b.用S41的方法，开启对应的井群出气电磁阀38，即可对1#井内的土壤气进行主动和被动的采集。
案例一对某退役煤制气场地修复后的土壤气监测
该场地修复深度在6～12m不等，经过修复后，有两年时间的监测期，该场地修复后一年内1#井污染物、监测指标及土壤气采集数据见表一。
表一1#井土壤气采集数据(μg/L)
案例二某退役钢厂场地修复后的土壤气监测
该场地修复深度1～8m，监测期为4年，前270天A区3#井获得的土壤气数据见表二。
表二A区3#井土壤气采集数据(μg/L)
注：“-”此处表示无该项或未检出
从上述数据看出，在线主动采集的分析数据和被动采集的分析数据比较吻合，都真实反映了土壤气的适时参数，且获得数据的手段比较简单方便，这对于需长期监测的场地有着建井成本低、更换吸附材料块和能够及时获得场地内土壤气主动采集和被动采集数据的优势。
Claims (9)
1.一种原位采集土壤气的装置，其特征在于，包括集气罐(2)、井管(4)、集束式气动管缆(5)、循环系统、吸附系统(7)、在线分析系统(12)、排水系统及控制系统(11)；所述集气罐(2)和井管(4)构成单井结构，再在集气罐(2)下方连接不同长度的单井结构，构成不同深度的多点采集井；
所述循环系统的出气管路(9)、进气管路(10)以及排水系统的排水管路(21)构成集束式气动管缆(5)置于多点采集井内，构成一个单井多点采集系统；所述出气管路(9)上设有吸附系统(7)，所述吸附系统(7)包括吸附罐(31)，吸附罐(31)内放置吸附材料(30)，通过吸附材料(30)能够对土壤气中的污染物进行采集。
2.根据权利要求1所述一种原位采集土壤气的装置，其特征在于，所述集气罐(2)采用常规圆管材料制成，在其圆周外壁上开有筛孔，在筛孔的范围上包裹了隔水透气膜(33)和透气性的保护层(34)；集气罐(2)和井管(4)之间通过密封连接件(3)连接，所述密封连接件(3)上留有集束式气动管缆(5)的过孔，除了位于最底部的集气罐(2)以外，其余的集气罐(2)底部也留有与密封连接件(3)上过孔同轴的过孔，集束式气动管缆(5)通过集气罐(2)时需与集气罐(2)罐体保持密封；所述集气罐(2)底部采用可存留地下水的凹型结构。
3.根据权利要求1所述一种原位采集土壤气的装置，其特征在于，所述吸附系统(7)还包括直通旁路电磁阀(28)和两个吸附管路电磁阀(29)，所述吸附罐(31)与直通旁路电磁阀(28)并联，在吸附罐(31)两侧串联有两个吸附管路电磁阀(29)；吸附罐(31)口设有快速存取密封盖(32)。
4.根据权利要求1所述一种原位采集土壤气的装置，其特征在于，所述循环系统包括气体循环泵(17)、进气电磁阀(15)、若干循环电磁阀、出气分配器(6)、进气分配器(8)、出气管路(9)、进气管路(10)；所述出气管路(9)上连接有吸附系统(7)；所述出气分配器(6)根据采集点数量将出气管路(9)分成若干条出气管束，每条出气管束上连接一个吸附系统(7)；所述进气分配器(8)根据采集点数量将进气管路(10)分成若干条进气管束。
5.根据权利要求4所述一种原位采集土壤气的装置，其特征在于，所述排水系统包括排水分配器(20)、排水管路(21)、放气电磁阀(23)、真空泵(24)、气液分离器(25)、排水泵(27)和若干排水电磁阀；所述排水分配器(20)根据采集点数量将排水管路(21)分成若干条排水管束。
6.根据权利要求5所述一种原位采集土壤气的装置，其特征在于，在所述多点采集井内，集束式气动管缆(5)中的管束数为同一井位所需采集点数量的3倍；在每个采集点留下3根气管束，为进气管束，出气管束和排水管束。
7.根据权利要求1所述一种原位采集土壤气的装置，其特征在于，将若干所述单井多点采集系统相连接，构成多井多点采集系统。
8.根据权利要求1所述的一种原位采集土壤气的装置，其特征在于，所述控制系统(11)用于远程控制装置运行及对在线分析系统数据的传输。
9.根据权利要求1～8任一所述原位采集土壤气的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建采集土壤气的井或井群：通过过孔将集束式气动管缆(5)穿过各个集气罐(2)，分别伸入不同深度的集气罐(2)中，确保每个集气罐(2)中均包含进气管束，出气管束和排水管束，其中，进气管束较短，出气管束较长，排水管束要达到集气罐(2)最底部的位置；将制作好的符合监测深度采集井结构安置在井内，并架设各系统管路、在线分析系统(12)及控制系统(11)；
S2、排水：利用排水系统排出在集气罐底部的地下水；
S3、排气：利用循环系统排出集气罐内空气，直至井内压力达到-0.02～-0.04Mp；
S4、土壤气数据采集：
S41、打开排水系统和循环系统；针对其中一个采集点，关闭该采集点的集气罐中出气管束所连接的吸附系统的吸附管路电磁阀(29)，打开直通旁路电磁阀(28)，土壤气不经吸附罐(31)而进行自循环，此时在线分析系统(12)的读数为主动采集土壤气的数据；
S42、再关闭该采集点的直通旁路电磁阀(28)，打开吸附管路电磁阀(29)，吸附罐(31)内的吸附材料(30)对土壤气中的污染物进行吸附；取出吸附材料(30)快速放进密封袋送检，此时从吸附材料(30)上获得的分析数据为被动采样数据；
S43、对不同深度的其它采集点轮流进行步骤S41和步骤S42，能够获得各个采集点的主动和被动采集的土壤气的数据；完成单井多点系统的数据采集；
S44、对多井多点采集系统中的每个单井多点系统进行步骤S41～S43的操作，即完成多井多点系统的数据采集。
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