CN209829856U

CN209829856U - 有机污染地下水与土壤一体化修复装置

Info

Publication number: CN209829856U
Application number: CN201920321693.2U
Authority: CN
Inventors: 高且远; 李志朋; 王永田; 孙浩
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2029-03-14

Abstract

本实用新型公开了一种有机污染地下水与土壤一体化修复装置，所述修复装置安装在土壤经阻隔后形成的区块上，其包括依次连接的抽提井、沉淀池、吸附塔、缓冲罐和回注井，缓冲罐还连通有脱附剂存储罐，缓冲罐与脱附剂存储罐之间的管路上设有泵；本实用新型利用阻隔技术，先将受污染的区块进行阻隔，然后将受污染的地下水抽提至吸附塔中进行吸附，然后经过缓冲罐，并向缓冲罐中加入少量的脱附剂，利用泵加压，通过注入井将其回注至地层，通过渗流，含有少量脱附剂的水进入土壤层，对土壤层进行洗脱。本实用新型装置成本低、效率高，可有效解决有机污染地下水和土壤的修复问题。

Description

有机污染地下水与土壤一体化修复装置

技术领域

本实用新型涉及地下水和土壤修复技术领域，具体涉及一种有机污染地下水与土壤一体化修复装置。

背景技术

近年来我国工业迅猛发展，金属矿采选，石油开采，化工，焦化等行业的生产使有机污染土壤的面积不断增加。据估计中国受污染的农业土地大约3600万公顷，其中2000万公顷土地被有机物和重金属污染。面对如此问题，政府部门提出“强化土壤污染管控和修复，加强农业面源污染防治，开展农村人居环境整治行动”的呼吁。因此土壤修复技术有着广阔的前景以及巨大的社会效益。

目前常用的污染土壤修复技术有：蒸汽浸提技术、微波处理技术、热脱附技术、稳定化技术、氧化还原修复技术、淋洗技术、光催化降解技术、电动力学修复技术、生物修复技术。但此类技术会产生二次污染、经济成本较高、适用范围狭窄，不能得到工业化推广的问题，因此亟需一种高效、经济、适用范围广、效果明显的土壤修复技术来解决目前存在的土壤有机污染问题。

同样，我国地下水资源也面临着严峻的问题。我国90％的浅层地下水已被污染，有37％的地下水资源已不能作为饮用水源，城市浅层地下水污染趋势加重。地下水中主要污染物质为重金属、有机溶剂、石油类、杀虫剂和硝酸盐。我国每年有1亿9千万人由于水污染而致病，约有6万人因为水污染而死亡，水污染的修复治理刻不容缓。国务院计划投入55亿，用10年时间防治和修复地下水污染。

目前常用的污染地下水修复技术有：生物降解法、沉淀法、离子交换法、化学氧化法、膜分离法、屏蔽法、水动力控制法、地下水曝气法、原位热处理技术、电动修复技术、化学修复技术、可渗透反应墙修复技术。这些技术往往都有操作复杂，设备昂贵，一次处理不达标的问题。目前，众多学者对于有机污染土壤与地下水的一体化修复的研究还在起步阶段，工程应用项目也只是在现有的土壤与地下水修复技术衔接起来，并没有系统的进行研究。因此，亟需一种操作简单，成本低廉，绿色高效的处理技术，从根本上解决这个问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种有机污染地下水与土壤一体化修复装置，能够同时修复有机污染地下水与土壤。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：一种有机污染地下水与土壤一体化修复装置，所述修复装置安装在土壤经阻隔后形成的区块上，其包括依次连接的抽提井、沉淀池、吸附塔、缓冲罐和回注井，所述缓冲罐还连通有脱附剂存储罐，缓冲罐与脱附剂存储罐之间的管路上设有泵，所述抽提井和回注井的底部固定于地下，所述抽提井的深度大于回注井的深度，所述回注井在地下部分的井壁设置有若干个小孔，所述沉淀池内部装有絮凝剂，所述脱附剂存储罐中装有脱附剂，

所述吸附塔从上到下设置有喷淋层、填料层和蓄水层，所述喷淋层包括喷淋管和设置于喷淋管底部的喷淋器，所述喷淋管与沉淀池连通，所述填料层中心设置有带筛孔的中心管，沿中心管到吸附塔塔体外壁方向，围绕中心管设置有多层带筛孔的圆管状隔板，所述隔板可拆卸，隔板之间填充有填料，所述蓄水层底部设置有出水管，出水管两端管壁上设置有对称的出水支管，其中一出水支管与缓冲罐连通。

优选的，所述填料包括石英砂和吸附剂，所述石英砂设于填料层底部，所述吸附剂设于石英砂上方。

优选的，所述吸附剂的填装高度占吸附塔填料层高度的1/2～5/6。

优选的，所述吸附剂选自焦炭、活性炭、蒙脱石或改性焦粉中的一种，吸附剂的粒度小于或等于0.5mm，吸附剂比表面积为25-1000m²/g。

优选的，所述改性焦粉的制备步骤是：焦粉经pH＝1～5的硫酸或硝酸溶液改性后得到，所述焦粉的粒度小于或等于0.5mm，焦粉与硫酸或硝酸溶液的质量体积比为1kg：(100-150)ml。

优选的，所述抽提井的深度为11～20m，所述回注井的深度为大于0且小于或等于5m。

优选的，所述区块的面积为400～1000m²。

优选的，所述絮凝剂选自聚丙烯酰胺、聚砜、硫酸铝、聚氧化铝、氯化铁、硫酸亚铁、羧甲基纤维素、聚乙烯基亚胺或聚环氧乙烷的一种或多种。

优选的，所述脱附剂选自非离子表面活性剂Tween-80、DNP-10，阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，非离子表面活性剂TX-100与EDTA的混合物中的一种或多种。

本实用新型提供的基于吸附塔的有机污染地下水与土壤一体化修复装置，可以广泛应用于有机污染土壤和地下水的修复领域。本实用新型利用阻隔技术，先将受污染的区块进行阻隔，然后利用地下水抽提井，对受污染的地下水进行抽提；抽提过后的污染水体通入装有吸附剂的一级或多级吸附塔中，然后经过缓冲罐，并向缓冲罐中加入少量的脱附剂，利用泵加压，通过注入井将其回注至地层，通过渗流，将含有少量脱附剂的水进入土壤层，对土壤成进行洗脱，洗脱液回流至地下水层，再进行吸附，产生地下水层的循环，直至土壤和地下水各项指标符合要求为准，使用过的吸附剂还可以进入再生工段进行再生，再生过的吸附剂，可以多次循环利用。

将污染(例如有机污染)土壤和地下水一体化进行修复，利用吸附塔的模式，将其中有机污染物进行修复，并且所用的吸附剂可以复用多次，所用吸附剂绿色环保，不会产生二次污染，本实用新型有效地解决了有机污染土壤和地下水的修复问题，整个过程绿色环保，无二次污染，所用吸附剂为附加值较低的碳基材料，成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型的有机污染地下水和土壤一体化修复装置的结构示意图，

图2为图1中吸附塔的结构示意图，

图3为本实用新型的有机污染地下水和土壤一体化修复工艺流程图。

图中，1-抽提井，2-吸附塔，3-沉淀池，4-缓冲罐，5-回注井，51-小孔，6-脱附剂存储罐，7-泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

在下面的实施例中，所用仪器及试剂的信息如下：

Agilent(安捷伦)7890A-5975C相色谱-质谱联用仪；Agilent(安捷伦)5975气相色谱-质谱联用仪；所用化学试剂均为分析纯，市售商品。比表面积的检测仪器为：全自动氮气吸附仪，型号：BELSORP-max，厂家：日本麦奇克拜尔株式会社。

实施例1

如图1所示，本实施例所述有机污染地下水与土壤一体化的修复装置，包括依次连接的抽提井1、沉淀池3、吸附塔2、缓冲罐4和回注井5，所述缓冲罐4还连通有脱附剂存储罐6，缓冲罐4与脱附剂存储罐6之间的管路上设有泵7，所述抽提井1和回注井5的底部固定于地下，所述回注井5在地下部分的井壁设置有小孔51。

其中，所述抽提井1的深度大于回注井5的深度，抽提井1的深度为11～20m，所述回注井5底部距离地面的高度为大于0且小于或等于5m。

其中，沉淀池3内部装有絮凝剂，所述絮凝剂优选为PAM(聚丙烯酰胺)或PSF(聚砜)，脱附剂存储罐中装有脱附剂，所述脱附剂优选为非离子表面活性剂Tween-80、DNP-10，阴离子捕收剂SDS，阳离子捕收剂CTAB，或非离子表面活性剂TX-100与EDTA的混合物，更优选为Tween-80，SDS或TX-100和EDTA的混合物，所述TX-100和EDTA的混合物中，TX-100和EDTA的质量比为(3-5)：1。絮凝剂的投加量根据水质试验结果来定，以出现较大矾花容易澄清为宜。

其中，如图2所示，所述吸附塔2从上到下设置有喷淋层21、填料层22和蓄水层23，所述喷淋层21包括喷淋管211和设置于喷淋管底部的喷淋器212，所述喷淋管211与沉淀池3连通，所述填料层中心设置有带筛孔的中心管221，沿中心管221到吸附塔2塔体外壁方向，围绕中心管221设置有多层带筛孔的圆管状隔板222，所述隔板222可拆卸，隔板222之间填充有填料，所述蓄水层23底部设置有出水管231，出水管231两端管壁上设置有对称的出水支管232，一出水支管232与缓冲罐连通。

所述填料包括石英砂223和吸附剂224，所述石英砂223设于填料层22底部，所述吸附剂224设于石英砂223上方。所述吸附塔2填料层的高度为3-5m，直径为1-2m，吸附剂224的高度占吸附塔2填料层高度的1/2～5/6。

所述吸附剂选自焦炭、活性炭、蒙脱石、改性焦粉中的一种，吸附剂的粒度小于或等于0.5mm，吸附剂比表面积为25-1000m²/g。

使用过程中，上述修复装置的工艺流程图如图3所示，先利用阻隔技术，将受污染场地区块进行阻隔，将上述修复装置设置于分割后的区块上，将抽提井抽提出的受污染地下水通入沉淀池3内，在絮凝剂作用下沉降，将沉降后的地下水利用泵注入吸附塔2中，净化后出水通入缓冲罐中，利用泵7增压，将脱附剂注入缓冲罐中，将缓冲罐中的水通入回注井，通过回注井井壁的小孔回注上层土壤中，脱附剂对地层中有机污染物进行洗脱，洗脱液再经抽提井进入修复装置进行新一轮的修复，当地下水与土壤中的各项污染物指标合格时，停止加入脱附剂。在新一轮的修复过程中，脱附剂随地下水进入吸附塔2，被吸附剂吸收后去除。将吸附塔2中的吸附剂在300℃下热解析脱附后，将脱附的有机物蒸汽进行冷凝回收，得到高浓度有机物，再进行无害化处理。脱附后的再生吸附剂放入吸附塔2中，继续使用。

吸附塔2为多级吸附塔，还包括一个备用吸附塔，更换吸附剂时，开启备用吸附塔，以保证流程连续操作。

实施例2

使用实施例1所述修复装置，其中，抽提井底部距离地面的高度为15m；回注井底部距离地面的高度为5m。吸附塔填料层高度为3m，直径为1m，吸附剂的高度占吸附塔高度的2/3。

(1)利用阻隔技术，将受污染场地区块进行阻隔，步骤如下：

在徐州市北方氯碱工业有限公司原址工业废弃地块，用深基坑注浆止水帷幕技术，将受污染区块分成若干小块，分割后的每一区块面积为650m²。

(2)将抽提井抽提出的受污染地下水通入沉淀池内，在絮凝剂作用下沉降，所选絮凝剂为PAM，絮凝剂的加入量为0.05wt％。

(3)将沉降后的地下水利用泵注入吸附塔中，地下水在吸附塔中的流速为0.2m/s，时间为10s，净化后出水通入缓冲罐中。

其中，吸附剂的制备过程如下：

取焦化厂产品中附加值较低的粒度在0.5mm以下的焦粉10kg，加入1000ml pH＝2的硫酸溶液，并进行150r/min的搅拌，搅拌过程为30min，然后将溶液静置24h，并将溶液过滤，取滤饼，利用去离子水洗涤至中性，90℃烘干。

经检测原焦粉比表面积为25m²/g，制得的吸附剂比表面积为：85m²/g。

吸附剂的其他表征数据：

吸附剂经过XRF检测，其矿物含量如下表所示：

XRD检测结果表明：在2θ＝16.3°、25.1°与41.8°时存在特征峰，可知本实施例所述吸附剂主要含有的矿物质为莫来石，莫来石是一种性质稳定的硅酸盐矿物，具有一定的吸附性能。此外，本实施例所述吸附剂中还存在着少量的石膏和硅线石。

(4)将脱附剂存储罐6中的脱附剂注入缓冲罐4中，将缓冲罐中的水通入回注井，通过回注井井壁的小孔回注上层土壤中。其中，脱附剂为SDS(十二烷基硫酸钠)，脱附剂的添加量为3g/t。

检测方法如下：

(1)水质监测

每天在抽提工段取水检测，用气相色谱-质谱联用的检测技术检测水中的化学需氧量和多环芳烃量，其具体实施方案如下：采用Agilent(安捷伦)5975气相色谱-质谱联用仪分析多环芳烃的处理效果。色谱仪进样口温度290℃；接口温度290℃；色谱柱DB-5(30m*0.25mm*0.25μm)；60℃保持2min，以6℃/min升到270℃，保持20min；氦气作载气，流速1.10mL/min，压力65.2kPa；不分流进样。质谱仪离子源温度为200℃，溶剂延迟时间6min，检测器电压1kV，电子轰击源(El)，电离电压70eV。

化学需氧量(COD)的检测方法为：HJ 828-2017，水质化学需氧量重铬酸钾法。所述多环芳烃指的是HJ 892-2017中规定的多环芳烃。

结果为：处理第十二天后达到饱和，其COD(化学需氧量)去除效率为85.32％，其PAHs(多环芳烃)的去除率为87.65％。

(2)土壤检测

方法为：采用NY/T 1121.1-2006中所述的土壤样品的采集、处理和贮存部分所述的办法，每天取污染场地土壤，进行初步破碎筛分，过4.5mm筛备用。使用超声提取法测定土壤中的有机碳含量和PAHs含量，步骤如下：

土壤自然风干后过80目筛，称取29g于10mL离心管，加入有机溶剂，分两次超声提取。第一次加入4mL丙酮和4mL正己烷，超声提取20min，期间保持水温不超过25℃，然后离心，高速冷冻离心机4000r/min，运行3min，分离上清液；第二次加入7mL正己烷，超声，离心，合并两次提取液。取约1mL混合液过有机滤膜，封存于l mL棕色样品瓶待测。

使用气相色谱-质谱联用系统(Agilent Technologies，7890A-5975C)进行样品分析。使用DB-5MS色谱柱，升温程序：初温80℃-160℃-220℃；载气为氮气，进样口温度为320℃，传输线温度为300℃，不分流进样，进样量为1μL。谱仪离子源温度为200℃，溶剂延迟时间6min，检测器电压1kV，电子轰击源(El)，电离电压70eV。

结果为：处理后第十二天达到饱和，其中TOC(有机碳含量)去除率为65％，其中PAHs的去除率为73％。

实施例3

本实施例中，阻隔后每一区块土壤的面积为400m²，抽提井的深度为20m，回注井的深度为5m，吸附塔填料层高度为5m，直径为2m，吸附剂的高度占吸附塔填料层高度的5/6。

用实施例2相同的方法对地下水和土壤进行修复，地下水在吸附塔中的流速为0.5m/s，时间为8.5s，得到结果如下：

抽提工段的水质中，经过10天的处理达到饱和，其COD(化学需氧量)去除效率为85.90％，其PAHs(多环芳烃)的去除率为86.83％。

土壤中，经过10天的处理达到饱和，其中TOC(有机碳含量)去除率为68％，其中PAHs的去除率为75％。

实施例4

本实施例中，阻隔后每一区块土壤的面积为1000m²，抽提井的深度为11m，回注井的深度为5m，用实施例2相同的方法对地下水和土壤进行修复，得到结果如下：

抽提工段的水质中，经过13天的处理达到饱和，其COD(化学需氧量)去除效率为84.52％，其PAHs(多环芳烃)的去除率85.49％。

土壤中，经过13天的处理达到饱和，其中TOC(有机碳含量)去除率为62％，其中PAHs的去除率为71％。

实施例5

选取絮凝剂为聚砜(PSF)，加入量为0.01wt％，脱附剂为Tween-80，加入量为3g/t，按照实施例2相同的方法对地下水和土壤进行修复，得到结果如下：

抽提工段的水质中，经过10天的处理达到饱和，其COD(化学需氧量)去除效率为68.85％，其PAHs(多环芳烃)的去除率为69.01％。

土壤中，经过10天的处理达到饱和，其中TOC(有机碳含量)去除率为57.1％，其中PAHs的去除率为68.3％。

实施例6

将TX-100和EDTA按质量比5：1混合后，作为脱附剂，加入量为1g/t，按照实施例2相同的方法对地下水和土壤进行修复，得到结果如下：

抽提工段的水质中，经过12天的处理达到饱和，其COD(化学需氧量)去除效率为71.32％，其PAHs(多环芳烃)的去除率为75.46％。

土壤中，经过12天的处理达到饱和，其中TOC(有机碳含量)去除率为62.3％，其中PAHs的去除率为65.9％。

实施例7

将吸附剂填装高度改为吸附塔填料层高度的1/2，将地下水在吸附塔中的流速控制为0.4m/s，时间为3.75s，按照实施例2相同的方法对地下水和土壤进行修复，得到结果如下：

抽提工段的水质中，经过9天的处理达到饱和，其COD(化学需氧量)去除效率为50.1％，其PAHs(多环芳烃)的去除率为55.4％。

土壤中，经过9天的处理达到饱和，其中TOC(有机碳含量)去除率为58.2％，其中PAHs的去除率为60.1％。

将吸附剂填装高度改为吸附塔填料层高度的5/6，将地下水在吸附塔中的流速控制为0.2m/s，时间为12.5s，按照实施例2.1相同的方法对地下水和土壤进行修复，得到结果如下：

抽提工段的水质中，经过15天的处理达到饱和，其COD(化学需氧量)去除效率为87.43％，其PAHs(多环芳烃)的去除率为90.1％。

土壤中，经过15天的处理达到饱和，其中TOC(有机碳含量)去除率为72.3％，其中PAHs的去除率为78.2％。

实施例8

选取活性炭(购买厂家：江苏鑫祺泰炭业科技有限公司，型号：颗粒活性炭，粒度为：1mm，比表面积为：108m²/g)作为吸附剂，按照实施例2相同的方法对地下水和土壤进行修复，得到结果如下：

抽提工段的水质中，经过12天的处理达到饱和，其COD(化学需氧量)去除效率为79.5％，其PAHs(多环芳烃)的去除率为81.2％。

土壤中，经过12天的处理达到饱和，其中TOC(有机碳含量)去除率为63.1％，其中PAHs的去除率为65.9％。

综上所述，本实用新型利用吸附的方法成功地将富集在土壤和地下水中的污染物转移到碳基材料中，并且吸附效率高，有机物的去除率好。所用吸附剂为附加值较低的产品，使其得到了高效利用。使用过后的吸附材料可以直接作为热源继续利用。具有流程简单、处理成本低、资源利用率高、没有二次污染，环境友好等优点。

Claims

1.一种有机污染地下水与土壤一体化修复装置，其特征在于，所述修复装置安装在土壤经阻隔后形成的区块上，其包括依次连接的抽提井（1）、沉淀池（3）、吸附塔（2）、缓冲罐（4）和回注井（5），所述缓冲罐（4）还连通有脱附剂存储罐（6），缓冲罐（4）与脱附剂存储罐（6）之间的管路上设有泵（7），所述抽提井（1）和回注井（5）的底部固定于地下，所述抽提井（1）的深度大于回注井（5）的深度，所述回注井（5）在地下部分的井壁设置有若干个小孔（51），所述沉淀池（3）内部装有絮凝剂，所述脱附剂存储罐（6）中装有脱附剂，

所述吸附塔（2）从上到下设置有喷淋层（21）、填料层（22）和蓄水层（23），所述喷淋层（21）包括喷淋管（211）和设置于喷淋管底部的喷淋器（212），所述喷淋管（211）与沉淀池（3）连通，所述填料层中心设置有带筛孔的中心管（221），沿中心管（221）到吸附塔（2）塔体外壁方向，围绕中心管（221）设置有多层带筛孔的圆管状隔板（222），所述隔板（222）可拆卸，隔板（222）之间填充有填料，所述蓄水层（23）底部设置有出水管（231），出水管（231）两端管壁上设置有对称的出水支管（232），一出水支管（232）与缓冲罐（4）连通。

2.根据权利要求1所述的有机污染地下水与土壤一体化修复装置，其特征在于，所述填料包括石英砂（223）和吸附剂（224），所述石英砂（223）设于填料层（22）底部，所述吸附剂（224）设于石英砂（223）上方。

3.根据权利要求2所述的有机污染地下水与土壤一体化修复装置，其特征在于，所述吸附剂（224）的填装高度占吸附塔（2）填料层（22）高度的1/2~5/6。

4.根据权利要求2或3所述的有机污染地下水与土壤一体化修复装置，其特征在于，所述吸附剂（224）选自焦炭、活性炭、蒙脱石或改性焦粉中的一种，吸附剂（224）的粒度小于或等于0.5mm，吸附剂（224）比表面积为25-1000 m²/g。

5.根据权利要求1或2所述的有机污染地下水与土壤一体化修复装置，其特征在于，所述抽提井（1）的深度为11~20m，所述回注井（5）的深度为大于0且小于或等于5m。

6.根据权利要求1或2所述的有机污染地下水与土壤一体化修复装置，其特征在于，所述区块的面积为400~1000m²。