CN115754239A - 一种适用于污染场地污染气体原位监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于污染场地污染气体原位监测装置及监测方法，包括气体检测单元，集气井，气体收集单元等。该测试装置可适用于各类有机污染场地，监测VOC/SVOC类挥发性/半挥发性气体在土壤气中的浓度。同时，本发明还提供了两种适用于有机污染场地污染气体原位监测装置的使用方法，优化了集气井建设、监测流程和硬件设备的设置，通过终端控制或手持设备实现低成本、易检修的原位监测，得到不同深度土层VOC/SVOC浓度。本发明旨在对土壤中的VOC/SVOC气体进行原位监测，同时可进行土壤气样品的采集。
Description
技术领域
本发明涉及环境及岩土工程领域，尤其涉及一种适用于污染场地污染气体原位监测装置及监测方法。
背景技术
近年来，随着我国城市化进程的加快，由工业企业搬迁、垃圾填埋遗留下来的污染场地超过50万块，严重影响了城市土地资源的安全再利用。环保部南京所和中国市政华北院的调查报告显示我国有机污染场地占比高达69％，主要污染物以VOCs(volatileorganic compounds)、SVOC(semi-volatile organic compounds)污染严重为主，具有数量大、复合污染、对人体健康风险高等特点。土壤气中的VOC、SVOC浓度是评价污染场地污染程度和覆盖阻隔工程是否有效的重要指标。土壤气与地表气体不同，土壤气所受外界因素影响较少，更能准确反映污染场地是否存在某种污染物，因此土壤气的监测极为重要。然而，现有规范和测试方法大多是基于土壤气原位采样后异位检测的方法，原位监测装置研发及其使用方法与应用较少。在有机污染场地原位修复及再开发利用过程中，土壤气的监测更能快速、直观、有效的对修复效果和再开发的风险等级进行评估，降低开发利用过程中的环境风险隐患。随着国内土壤气采样技术导则的出台，原位土壤气监测手段会逐渐普及。
发明内容
针对现有土壤气监测技术的不足，本发明的目的在于提供一种污染场地气体原位监测装置及其使用方法，该装置可实现污染场地地下水位线以上的土壤气原位监测，为污染场地土壤气检测提供了新的测试手段。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种适用于污染场地污染气体原位监测装置，包括原位监测气体检测单元和PVC管，PVC管垂直设置在预先钻出的集气井中，PVC管下端封闭，上端设有防雨盖，PVC管的周向设有至少一圈管壁开口；
PVC管内纵向布置至少一个监测层，若干监测层上下依次布置，一个监测层对应一圈管壁开口，监测层包括从上至下依次布置的环氧树脂、管内膨润土水泥、砾石，砾石的层位对应一圈管壁开口，外侧土壤气通过管壁开口进入PVC管中的监测层；
砾石埋设有耐有机集气滤头，耐有机集气滤头用于检测进入的土壤气，耐有机集气滤头通过耐有机导气管连接至原位监测气体检测单元，耐有机导气管贯穿防雨盖，贯穿处密封处理；
作为更进一步的优选方案，集气井直径大于PVC管，PVC管外围的集气井区域为填埋区，该填埋区逐层交替填充有管外膨润土水泥和砂砾层，砂砾层对应一圈管壁开口，砂砾层内侧通过管壁开口连通砾石，外侧连通待测区域土壤；所述填埋区顶部盖有防水斜坡，填埋区的设置是避免土壤与PVC管之间具有空隙，导致外界空气进入该空隙，从而进入PVC管，影响检测结果，而管外膨润土水泥和砂砾层与土壤连接处更密封，有效避免外界气体进入。
作为更进一步的优选方案，管外膨润土水泥和砂砾层之间设有环形的土工膜，该土工膜的内圈直径与PVC管直径相同，用于阻挡管外膨润土水泥在施工阶段进入砂砾层，防止砂砾层的气体迁移性能降低；也有利于形成各个检测层，检测数值相互不影响，外径与集气井直径相同。
作为更进一步的优选方案，耐有机集气滤头分布有多个集气孔，外部包裹有土工网，用于防止细小颗粒进入及大面积均匀集气。
作为更进一步的优选方案，在无需在线实时监测的场地，气体检测单元可选择为手持式气体浓度传感器，检测方式为周期性人工监测。
作为更进一步的优选方案，在需要在线实时监测的场地，原位监测气体检测单元包括依次设置在耐有机导气管上的低速蠕动泵、水气分离单元、干燥器、单一气体检测传感器、出气口；耐有机导气管上个具有电磁阀；单一气体检测传感器应依据检测气体种类设置多个，用于读取不同气体浓度。
一种适用于污染场地污染气体原位监测装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤1，参考监测方案，在PVC管上标记需监测土壤气的深度，在设计深度借助打孔设备安装管壁开口，并将PVC管用土工布包裹；
步骤2，在污染场地原位钻孔用于集气井单元建设：将PVC管置于钻孔中央，管壁依次注入管外膨润土水泥、砂砾层，管外膨润土水泥和砂砾层之间设置有剪裁好的土工膜，用于确保注浆时管外膨润土水泥不会进入砂砾层，同时确保砂砾层覆盖于管壁开口区域；
步骤3，对耐有机集气滤头进行开孔并包裹土工网，将其与电磁阀、耐有机导气管连接；
步骤4，对集气井底部依次注入管内膨润土水泥、环氧树脂，将一个耐有机集气滤头放入后小心用砾石掩埋，确保砾石处于管壁开口处，形成一个监测层；反复操作上述动作形成多个监测层；管内膨润土水泥和砾石之间设置有剪裁好的土工膜，完成集气井内部建设；
步骤5，在集气井与地表平行处建设防水斜坡，并安装防雨盖，用于防止雨水入渗；
步骤6，将耐有机导气管与原位气体检测单元相连接，完成原位气体监测建设。
有益效果
与现有技术相比，本发明的一种污染场地气体原位监测装置及其使用方法具有如下优势：
1)提升了原位监测对象的准确度。与现有的原位钻孔采气相比，本发明的集气井建设可确保气体采集目标为土壤气，有效避免了原位钻孔时由于钻杆与土体存在间隙导致气体采集时吸入外界大气的缺陷；
2)实现了原位检测对象的准确性。现有的原位钻孔采气异位检测手段主要将现场采集到的土壤气带回实验室中进行测试分析，除上条原位钻孔缺陷外，现场储气体装备均对气体有一定的吸附性。同时，气体采集后存储的时间、气体采集后存储的温度、采样时土层的气体渗透性能对检测结果有极大的影响。
3)实现了原位监测的实时性。土壤气浓度的时间异质性较大，本发明中的原位在线监测设备可远程操作，避免多次人工采样，准确表征土壤气浓度随时间变化规律；
4)本发明测试成本低廉、操作简便、智能化程度高，可依据场地特征选择污染气体测试种类。与适用于单次现场原位检测的GC-MS相比，造价最低仅为3％，同时避免了上述3条缺陷。
5)本发明除了可以检测土壤气，还可以在生活垃圾填埋场顶部可以应用，用于监测垃圾体降解产生的气体：二氧化碳、甲烷、氢气、氮气等。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
其中，1低速蠕动泵；2水气分离单元；3干燥器；4单一气体检测传感器；5出气口；6电磁阀；7耐有机导气管；8耐有机集气滤头；9土工网；10集气孔；11防雨盖；12PVC管；13防水斜坡；14环氧树脂；15管内膨润土水泥；16砾石；17管外膨润土水泥；18砂砾层；19管壁开口；20控制终端；21手持式气体浓度传感器。
具体实施方式
实施例一
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。
假设场地目标监测污染物为二氯甲烷、氮氧化物、甲苯，场地内有0.5m的覆盖阻隔工程，目标污染物气体监测深度为0.2m和0.5m。
一种适用于有机污染场地污染气体原位监测装置，包括气体检测单元和井内采气单元，气体检测单元包括低速蠕动泵1、水气分离单元2、干燥器3、单一气体检测传感器3个(分别二氯甲烷浓度传感器、氮氧化物浓度传感器、甲苯浓度传感器)4、出气口5、控制终端20；井内采气单元包括电磁阀6、耐有机导气管7、耐有机集气滤头8、土工网9、集气孔10；集气井单元防雨盖11、PVC管12、防水斜坡13、环氧树脂14、管内膨润土水泥15、砾石16、管外膨润土水泥17、砂砾层18、管壁开口19。
低速蠕动泵流量可控，同时带有负压压力测试仪表，采样流量满足1-100ml/min要求；
耐有机导气管7、耐有机集气滤头8、防雨盖11为聚四氟乙烯(teflon)材料；
耐有机集气滤头8、PVC管12外部均包有土工网9，用于防止颗粒进入堵塞传气通道；
耐有机集气滤头8存在满足开孔率80％的直径0.5cm的孔径，壁厚0.5cm具备良好的抗压性能；
PVC管12在两个砾石层均有进气开孔，且开孔直径不大于砾石最小直径。
气体检测单元的原位监测气体单元尾部直接与大气连通。
气体检测单元中单一气体检测传感器4为二氯甲烷、氮氧化物、甲苯浓度传感器，数量不唯一，优先考虑采用PID或电化学气体浓度传感器，气体检测传感器的个数设置应考虑场地内污染气体种类和监测计划。
井内采气单元为预先设置，设置深度可考虑设置在覆盖阻隔层上下两部分，且深度设定完成后不再更改。井内两个深度检测区域在环氧树脂14、管内膨润土水泥15两者阻拦下完全隔开。井外壁除砂砾层18外均灌注管外膨润土水泥17，用于阻止气体采样监测时吸入大气中气体，确保监测对象为土壤气，耐有机集气滤头8的设置深度为0.2m和0.5m。
污染场地污染气体原位监测装置安装步骤应按照如下规定：
步骤1，参考监测方案，在长度为0.7m的PVC管(12)0.15-0.25m、0.45-0.55m位置借助打孔设备安装管壁开口19，并将PVC管用土工布包裹；
步骤2，在有机污染场地原位钻孔用于集气井单元建设。将步骤一所述的PVC管12置于钻孔中央，管壁依次注入或放入厚度为0.15m的管外膨润土水泥17、土工膜、厚度为0.1m的砂砾层18、土工膜，0.2m的管外膨润土水泥17、土工膜、厚度为0.1m的砂砾层18、土工膜，0.15m的管外膨润土水泥17，同时确保砂砾层18覆盖于管壁开口19区域。本步骤内，膨润土水泥配比为1：1，均为现场制作；
步骤3，对两个耐有机集气滤头8进行开孔并包裹土工网9，将其依次与采气单元中的电磁阀6、耐有机导气管7连接；
步骤4，对集气井底部依次注入或放入厚度为0.1m的管内膨润土水泥15、0.05m环氧树脂14、土工膜、0.1m砾石16和第一个耐有机集气滤头、土工膜、厚度为0.15m的管内膨润土水泥15、0.05m环氧树脂14、土工膜、0.1m砾石16和第二个耐有机集气滤头、厚度为0.1m的管内膨润土水泥15、0.05m环氧树脂14；
步骤5，在集气井与地表平行处建设防水斜坡13，并安装防雨盖11，用于防止雨水入渗；
步骤6，将耐有机导气管7与原位气体检测单元相连接，安装太阳能供电板，调试原位气体检测单元远程工作性能，完成原位气体监测建设。
步骤7，设定监测时间每6小时一周期，开始于每日上午6点。上午6点至9点0.5m深度的电磁阀打开，0.2m深度的电磁阀关闭，蠕动泵以1ml/min的速率工作，二氯甲烷、氮氧化物、甲苯浓度传感器每10分钟记录一次读数并远程接受数据。上午9点至12点0.2m深度的电磁阀打开，0.5m深度的电磁阀关闭，蠕动泵仍以1ml/min的速率工作，气体浓度传感器每10分钟记录一次读数并远程接受数据，完成一个周期的采样，循环往复进行监测。
实施例二
假设实施例二中场地条件与实施例一一致，集气井建设中步骤1至步骤5一致。
手持式气体浓度传感器在本实例中为总VOC浓度传感器，若仅获取二氯甲烷浓度，可选用手持式二氯甲烷浓度传感器；若有气体成分分析检测需求，可选用GC-MS设备。
若场地无需在线实时监测，则后续步骤按照如下规定：
步骤6，按监测计划，每一个月携带手持式气体浓度传感器21抵达监测场地，将耐有机导气管7与手持式气体浓度传感器21相连。
步骤7，打开手持式气体浓度传感器21及连通管道的电磁阀6，读取并记录手持式气体浓度传感器示数。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于污染场地污染气体原位监测装置，其特征在于：包括原位监测气体检测单元和PVC管(12)，所述PVC管(12)垂直设置在预先钻出的集气井中，PVC管(12)下端封闭，上端设有防雨盖(11)，PVC管(12)的周向设有至少一圈管壁开口(19)；
所述PVC管(12)内纵向布置至少一个监测层，若干监测层上下依次布置，一个监测层对应一圈管壁开口(19)，所述监测层包括从上至下依次布置的环氧树脂(14)、管内膨润土水泥(15)、砾石(16)，所述砾石(16)的层位对应一圈管壁开口(19)；
所述砾石(16)埋设有耐有机集气滤头(8)，耐有机集气滤头(8)通过耐有机导气管(7)连接至原位监测气体检测单元，耐有机导气管(7)贯穿防雨盖(11)，贯穿处密封处理。
2.根据权利要求1所述的一种适用于污染场地污染气体原位监测装置，其特征在于：所述集气井直径大于PVC管(12)，PVC管(12)外围的集气井区域为填埋区，该填埋区逐层交替填充有管外膨润土水泥(17)和砂砾层(18)，砂砾层(18)对应一圈管壁开口(19)，砂砾层(18)内侧通过管壁开口(19)连通砾石(16)，外侧连通待测区域土壤；所述填埋区顶部盖有防水斜坡(13)。
3.根据权利要求2所述的一种适用于污染场地污染气体原位监测装置，其特征在于：所述管外膨润土水泥(17)和砂砾层(18)之间设有环形的土工膜，该土工膜的内圈直径与PVC管(12)直径相同，外径与集气井直径相同。
4.根据权利要求2所述的一种适用于污染场地污染气体原位监测装置，其特征在于：所述耐有机集气滤头(8)分布有多个集气孔(10)，外部包裹有土工网(9)。
5.根据权利要求2所述的一种适用于污染场地污染气体原位监测装置，其特征在于：所述原位监测气体检测单元为手持式气体浓度传感器(21)。
6.根据权利要求2所述的一种适用于污染场地污染气体原位监测装置，其特征在于：所述原位监测气体检测单元包括依次设置在耐有机导气管(7)上的低速蠕动泵(1)、水气分离单元(2)、干燥器(3)、单一气体浓度检测传感器(4)、出气口(5)；所述耐有机导气管(7)上个具有电磁阀(6)。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种适用于污染场地污染气体原位监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，参考监测方案，在PVC管(12)上标记需监测土壤气的深度，在设计深度借助打孔设备安装管壁开口(19)，并将PVC管用土工布包裹；
步骤2，在污染场地原位钻孔用于集气井单元建设：将PVC管(12)置于钻孔中央，管壁依次注入管外膨润土水泥(17)、砂砾层(18)，管外膨润土水泥(17)和砂砾层(18)之间设置有剪裁好的土工膜，用于确保注浆时管外膨润土水泥(17)不会进入砂砾层(18)，同时确保砂砾层(18)覆盖于管壁开口(19)区域；
步骤3，对耐有机集气滤头(8)进行开孔并包裹土工网(9)，将其与电磁阀(6)、耐有机导气管(7)连接；
步骤4，对集气井底部依次注入管内膨润土水泥(15)、环氧树脂(14)，将一个耐有机集气滤头(8)放入后小心用砾石(16)掩埋，确保砾石(16)处于管壁开口(19)处，形成一个监测层；反复操作上述动作形成多个监测层；管内膨润土水泥(15)和砾石(16)之间设置有剪裁好的土工膜，完成集气井内部建设；
步骤5，在集气井与地表平行处建设防水斜坡(13)，并安装防雨盖(11)，用于防止雨水入渗；
步骤6，将耐有机导气管(7)与原位在线实时气体检测单元相连接，完成原位在线实时气体监测建设。
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2022
- 2022-11-23 CN CN202211475465.3A patent/CN115754239B/zh active Active
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