CN219709286U - 一种原位修复地下水的循环反应井装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种原位修复地下水的循环反应井装置，所述循环反应井装置包括：井组，所述井组包括若干个循环反应井，所述循环反应井内设有膨胀阻隔器；气压系统，所述气压系统用于控制膨胀阻隔器的膨胀或收缩；加药系统，所述加药系统用于向地下水中加入修复药剂；所述循环反应井与加药系统组成内循环。本实用新型通过设置膨胀阻隔器，可对循环反应井的部分进行封堵，形成序批式反应器，配合加药系统形成内循环，实现对水的循环处理，确保注入的试剂能长效维持反应，并使注入的试剂在地下反应带中保持纵向和垂向均匀，提高药物分布均匀度。

Description

一种原位修复地下水的循环反应井装置

技术领域

本实用新型涉及一种循环反应井，特别是涉及一种原位修复地下水的循环反应井装置。

背景技术

地下水资源是水资源的重要组成部分，我国地下水污染非常严重，不仅使原本紧张的水资源短缺问题更加严重，而且给人居健康、食品安全、饮用水安全、区域生态环境、经济社会可持续发展构成严重威胁与挑战，地下水修复已成为当前备受关注的环境问题。

按照修复方式可将地下水污染修复技术分为原位和异位修复技术。常见的原位地下水修复技术包括抽出处理、空气/臭氧喷射、冲洗、渗透性反应屏障、固定、化学氧化和生物修复等；常用的异位处理技术有两项抽提技术和抽出处理修复技术。异位修复技术需要对地下水进行抽提和回灌，对当地生态环境影响较大，故使用比例已逐渐降低。相比而言，原位修复技术具有去除效率高、修复周期短、二次污染易于控制等优点，近年来工程应用较多。

而原位修复技术分为原位化学修复和原位微生物修复。原位化学修复又可以分为原位化学氧化和原位化学还原反应，原位氧化反应带选择的注入试剂有高锰酸盐、次氯酸盐、芬顿试剂、类芬顿试剂、过硫酸盐等氧化性强的化学试剂；原位化学还原反应带选择注入的试剂有Fe²⁺、零价铁、硫化物、硫代硫酸钠、硼氢化钠等还原性强的化学试剂。

原位微生物修复的作用机理则是在于利用土著微生物对污染物的自然衰减作用，或者强化土著微生物对污染物的衰减作用。另外还可以将驯化后的微生物直接注入地下水环境中，形成原位反应带而将污染物去除。原位微生物反应又可分为原位微生物氧化和原位微生物还原。原位微生物氧化是以目标污染物作为电子供体，在地下水环境中注入氧气、亚硝酸盐、铁锰催化剂等，使目标污染物在微生物作用下发生氧化过程，从而将污染物降解去除。该方法适合处理地下水中的石油烃、酚、醇、酮、羧酸、氨基化合物、酯、醛、氯苯、二氯甲烷、氯乙烯等污染物；原位微生物还原是以目标污染物作为电子的接受者，在地下水环境中注入淀粉、蔗糖、甲醇等物质，使目标污染物在微生物作用下发生还原过程，从而将污染物降解去除。该方法适合处理脂肪类和芳香类有机化合物的脱氯，硝基芳香化合物、醚、含氮磷化合物的还原等。

修复试剂的添加方式及输送参数控制是原位修复的主要关键因素。目前工程可行的地下水原位修复药剂添加方式段有：直推技术、注射井和高压-旋喷注射法。

一、直推技术

直推技术是一种利用专门设备将药剂经管道传输直接注入地下受污染区域的方式，通过采用扩散孔注射管道将备好的好药剂随钻探机械下钻过程，能够顺利进入污染地下水。

此外，布设注射管后，在泵的压力作用下将药剂推入注射管，并通过管壁预设的扩散孔，直接注入污染土层，进而达到事倍功半的改善效果。在重力和压力的共同作用下，不仅纵向迁移药剂，还能使药剂水平扩散，并逐渐扩散至四周，扩散方向呈梯字形。由于该方法需要优质的场地地层性质，因此需要仔细对场地进行水文地质勘查，提高药剂注射的安全性。但直推式注入推进深度一般较小，国内环境修复多用美国Geoprobe公司研发的环境取样修复一体钻机，该钻机性能好、实用性强，但进口价格过高，直接限制了直推式注入技术在我国的发展，不适用于管路复杂的城市场地或地下岩石较多的场地。

二、注药井

注药井法的原理是将注药井布设于污染场地内，在高压或常压下使药剂被注入药井中，促使药剂横向与纵向逐渐扩散，直至充满土层，能够有效接触污染物接触，从而达到修复效果。注药井主要选用液体药剂，方便在高/低渗透性的土壤使用。

注入井工艺施工简单，操作方便，目前工程中应用广泛，技术成熟。但是传统的注入井由于开筛工艺的原因，难以实现特定深度及压力的药剂注入，药剂分布不均匀，可能会出现地下水交叉污染。

三、高压-旋喷注射法

高压旋喷注入法是在高压旋喷桩的基础上发展起来的一种药剂投加方法。高压旋喷注射法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，用高压设备使药剂浆液或水(空气)成为20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体；同时钻杆以一定速度逐渐提升，将药剂浆液与土粒强制搅拌混合，同时由于注射压力高，药剂溶液进一步在含水层中扩散，其扩散半径较大。

高压旋喷工艺适用地层，从淤泥、淤泥质土、粉质粘土、粘土、砂到砾石类土，均有良好的注入效果，适用性较广。目前国内采用双管法和三管法的旋喷注浆的桩径直径在2m左右，用于污染场地修复时，修复半径较小，药剂注入点需求就会增多，注入点之间的搭接就会变多，不仅造成很大的浪费，而且急剧地增加工程费用。

实用新型内容

本实用新型提供了一种原位修复地下水的循环反应井装置，以降低修复用成本，提高药剂分布均匀度。

本实用新型提供了一种原位修复地下水的循环反应井装置，所述循环反应井装置包括：

井组，所述井组包括若干个循环反应井，所述循环反应井内设有膨胀阻隔器；

气压系统，所述气压系统用于控制膨胀阻隔器的膨胀或收缩；

加药系统，所述加药系统用于向地下水中加入修复药剂；

所述循环反应井与加药系统组成内循环。

进一步地，所述气压系统包括空压机、空气过滤罐、高压气管、气体压力表，所述空压机通过高压气管与膨胀阻隔器相连，所述空气过滤罐、气体压力表安装在高压气管上。

进一步地，所述加药系统包括药剂箱、药剂泵、液体流量计、三通阀门、药剂管，所述循环反应井设有地下水回流管，所述药剂管设置在地下水水位之下，所述药剂管一端通过三通阀门与地下水回流管相连，所述药剂箱通过药剂泵与药剂管的另一端相连，所述药剂管上还设有液体流量计。

进一步地，所述井组还包括若干个观测井，一个或多个所述观测井与循环反应井相连通，所述观测井与循环反应井组成外循环。

更进一步地，所述观测井、循环反应井内均设有传感器。

更进一步地，所述传感器包括pH分析仪、温度传感器中的一种或多种。

进一步地，所述循环反应井内还设有颗粒过滤器。

本实用新型相对于现有技术，通过设置膨胀阻隔器，可对循环反应井的部分进行封堵，形成序批式反应器，配合加药系统形成内循环，实现对水的循环处理，确保注入的试剂能长效维持反应，并使注入的试剂在地下反应带中保持纵向和垂向均匀，提高药物分布均匀度。

附图说明

图1为本实用新型实施例循环反应井结构示意图；

图2为本实用新型实施例循环反应井、观测井位置示意图；

图3为本实用新型实施例颗粒过滤器结构示意图；

图4为本实用新型实施例一三氯乙烯去除情况图。

1、循环反应井；11、地下水回流管；2、膨胀阻隔器；3、气压系统；31、空压机；32、空气过滤罐；33、高压气管；34、气体压力表；4、加药系统；41、药剂箱；42、药剂泵；43、液体流量计；44、三通阀门；45、药剂管；5、观测井；6、颗粒过滤器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。

本实用新型提供了一种原位修复地下水的循环反应井装置，如图1所示，所述循环反应井装置包括：

井组，所述井组包括若干个循环反应井1，所述循环反应井1内设有膨胀阻隔器2；

气压系统3，所述气压系统3用于控制膨胀阻隔器2的膨胀或收缩；

加药系统4，所述加药系统4用于向地下水中加入修复药剂；

所述循环反应井1与加药系统4组成内循环。

其中，膨胀阻隔器2为气囊结构，在进行内循环时，由气压系统3向膨胀阻隔器2内充气，使循环反应井1底部封闭，形成序批式反应器。

可选的，所述气压系统3包括空压机31、空气过滤罐32、高压气管33、气体压力表34，所述空压机31通过高压气管33与膨胀阻隔器2相连，所述空气过滤罐32、气体压力表34安装在高压气管33上。

其中，在工作时，空压机31通过高压气管33向膨胀阻隔器2内充入空气，使膨胀阻隔器2膨胀。

可选的，所述加药系统4包括药剂箱41、药剂泵42、液体流量计43、三通阀门44、药剂管45，所述循环反应井1设有地下水回流管11，所述药剂管45设置在地下水水位之下，所述药剂管45一端通过三通阀门44与地下水回流管11相连，所述药剂箱41通过药剂泵42与药剂管45的另一端相连，所述药剂管45上还设有液体流量计43。

其中，药剂箱41内可存放药剂，通过药剂泵42向药剂管45内注入药剂，液体流量计43可实现对药剂用量的计算。药剂管45为耐酸碱管。地下水回流管11还可设有抽水泵，可实现地下水的抽取。

本实用新型实施例通过设置膨胀阻隔器2，可对循环反应井1的部分进行封堵，形成序批式反应器，实现特定深度含水层的药剂注入，药剂与地下水通过抽水管→抽水泵→循环注药管实现内循环，内循环的存在使药剂与地下水混合液流态由渗流向紊流转变，有利于注入的试剂在地下反应带中保持纵向和垂向均匀，尤其是修复药剂类型为非均相反应剂或悬浮填料的情况，可强化地下水中污染物和颗粒的传质，避免颗粒的自然沉淀，延长化学类药剂的反应时间，促进微生物制剂的附着和微生物驯化，提高系统处理效率。污染场地中的微生物由于长期受到污染物的驯化作用,往往具有较高的降解特定污染物的潜能。在实际场地应用中，内循环能强化土著微生物的活性或实现群落构成上的定向演化，相比于实验室培养的菌种，由于驯化环境的一致性，使得微生物的适应性更好，对污染物的抗性和降解能力更强。

可选的，如图2所示，所述井组还包括若干个观测井5，一个或多个所述观测井5与循环反应井1相连通，所述观测井5与循环反应井1组成外循环。

其中，循环反应井1和观测井5基本结构与常规的修复井类似，井管顶端设有密封井盖，底端封闭且不低于地下水污染深度，井管材质可为PVC或不锈钢，可采用的管径有315mm，400mm，500mm等尺寸，井管外为填充层。筛管及实管段填充层对应的填充石英砂粗滤料和膨润土水泥混合料，筛管段参考缝宽0.5mm，缝间距5mm。循环反应井1和观测井5结构相同，但观测井5不设有气压系统3、加药系统4。

本实用新型实施例中一个循环反应井1可与一个或多个观测井5组合成，实现地下水的外循环，外循环可扩大注入扩散半径，提高药剂扩散速度及范围，促进污染场地的修复效果，有助于污染物降解效率得到提高。观测井5不但能够对中污染物和药剂浓度进行实时监测，有助于及时添加药剂，而且还能分析扩散效果，便于调整，对注入压力和药剂的量进行灵活性修改，可降低修复成本，以保证经济效益。

特别的，所述观测井5、循环反应井1内均设有传感器。

特别的，所述传感器包括pH分析仪、温度传感器中的一种或多种。

其中，本实用新型实施例中传感器包括pH分析仪、温度传感器，pH分析仪、温度传感器可对水体进行监测，使工作人员可获知水体的纯化情况。

本实用新型实施例循环反应井1与观测井5内均安有pH/ORP、温度传感器，循环管道上设置地下水取样口，实时监测地下水中的物化条件及污染物变化情况，进而调整不同药剂注入方式、浓度及流量比例，以及地下水的内、外循环的速度，实时探测修复效果并及时反馈，做到动态调节。

可选的，如图3所示，所述循环反应井1内还设有颗粒过滤器6。

其中，循环反应井1内的颗粒过滤器6为过滤筒，可采用吊杆等结构安装于井内，用于过滤非均相反应剂或悬浮填料，过滤筒的管径为抽水管的两倍，开孔一般小于颗粒粒径，有效减少颗粒在管道周边堵塞现象，过滤筒不锈钢材质，参考过滤精度2-200um。

本实用新型还涉及一种应用上述循环反应井装置的修复方法，包括内循环过程如下：

S101.控制膨胀阻隔器2膨胀，使膨胀阻隔器2与循环反应井1形成特定深度的封闭反应柱；

S102.开启内循环，向水中添加用于除去污染物的药剂。

本实用新型在传统地下水抽出注入工艺的基础上，提出一种新型的原位修复装置及修复工艺，在井管内建造由反应材料组成的“循环反应井1”，通过在受污染地下水流经的方向通过反应材料的吸附、沉淀、化学降解或生物降解等作用去除地下水中的污染物，能智能控制原位反应环境，维持原位反应长效性，有助于提高污染物降解效率，降低修复成本。装置对常规的化学试剂以及纳米材料、微生物制剂等新型药剂均具体良好的适用性，工程操作简单，设备可完全国产化，易于推广实施。

可选的，还包括外循环过程如下：

S201.将循环反应井1中处理后的水转移至井组中的其它井中；

S202.在转移水的过程上，过滤水中的不溶性药剂颗粒。

特别的，所述修复方法包括内循环、外循环组合过程：

S1.进行内循环过程n个周期；

S2.开启外循环过程，并控制内、外循环流量比为1：1至1：5之间。

典型的运行方式说明：

二、对于大范围的低污染区，尤其是地下水自然水力梯度较小的情况，应强化地下水水力条件，促进药剂的扩散与污染物的解吸，建议的运行方式为：

1、开启内循环，循环反应一个周期之后，开启外循环，通过阀门设置内、外循环流量比为1：1至1：5之间。

2、内循环设置流量可适当降低为0.25～0.5m³/h，以使循环反应井1总的抽水量不至于太高，而造成循环反应井1内的水位下降过大，进而使反应柱的有效高度低于井的开筛范围；

3、应控制循环反应井1内的水位降深不超过筛管长度的1/3；

4、外循环的地下水通过颗粒过滤器6回收磁铁矿催化剂；

5、外循环的地下水回灌至观测井5，回灌流量通过井内水位控制，水位最大上升高度应低于井口至少1m；

S3.控制循环反应井1内的水位降深不超过筛管长度的1/3；

4、外循环的地下水通过颗粒过滤器6回收磁铁矿催化剂；

5、外循环的地下水回灌至观测井5，回灌流量通过井内水位控制，水位最大上升高度应低于井口至少1m；

开启内循环，循环反应一个周期之后，开启外循环，通过阀门设置内、外循环流量比为1：1至1：5之间

本实用新型实施例的内循环过程有利于污染物去除，而外循环有利于药剂扩散，工作人员可结合污染物的去除效率变化实际情况联合运用。

为进一步详细说明本实用新型实施例所来的效果，采用以上具有内循环、外循环的循环反应井装置进行如下实施例。

实施例一

由于均相Fenton反应存在受溶液pH影响大，Fe²⁺或Fe³⁺回收效果差，铁泥生成量高等问题，限制了其在污染地下水处理中的应用。为了提高Fenton反应的适用范围，减少后处理成本，结合相关研究成果，考虑使用含铁矿物代替原有的Fe²⁺作为催化剂，催化非均相类Fenton反应，高效降解地下水中的有机污染物。

某项目场地靠近河流，地下水水位埋深4～5m，含水层岩性主要是卵石、细砂及风化岩。地下水受三氯乙烯污染，平均浓度8.7×10³μg/L，pH为7.2，ORP为113mV。药剂箱41A(带搅拌)配置磁铁矿浓度10w.t.％，磁铁矿为天然矿物磨碎后的微米至毫米级颗粒，药剂箱41B(带搅拌)配置浓度不超过10％的双氧水。

注入药剂A磁铁矿、及药剂B双氧水，使药剂与地下水在循环反应井1内混合，控制内循环的流量同时在线取样监测，监测指标：磁铁矿、双氧水、三氯乙烯浓度、pH、ORP及温度等，磁铁矿、双氧水及内循环注入流量及液体压力等。流量通过阀门调节。

其中，针对不同污染情况，可采用不同的处理方法，具体如下：

一、对于局部的重污染区，可只采用内循环，提高药物的效用，强化污染物的去除，运行方式为：

1、开启空压机31，膨胀阻隔器2与井管形成特定深度的封闭反应柱，实现药剂注入特定岩层深度；

2、开启内循环，设置循环地下水+磁铁矿+双氧水的总流量在0.5～1.0m³/h范围内，流量过低磁铁矿易沉淀，流量过高时循环水泵能耗加剧；

3、调节双氧水的浓度50～100mmol/L，浓度过低三氯乙烯去除率低，浓度过高易产生气泡，影响地下水的渗透；

4、调节磁铁矿的浓度0.5～1kg/m³之间，磁铁矿作为催化剂本身不会反应消耗，仅考虑其损耗及流失，可按浓度变化适当补充。

本实用新型实施例在此实施例下，只开启内循环，关闭外循环，此时循环反应井1想当于一个序批式反应器，如图1所示，反应过程可分为三个阶段：一是进水，地下水中污染物通过对流及弥散进入反应柱；二是循环反应，利用内循环工艺参数操作强化污染物的去除；三是静置，循环水泵处于闲置状态，停留一定时间使污染物重新进入反应柱。可看出内循环过程可快速有效的降低水体污染情况。

二、对于大范围的低污染区，可采用内循环、外循环的结合，尤其是地下水自然水力梯度较小的情况，为强化地下水水力条件，促进药剂的扩散与污染物的解吸，具体运行条件为：

1、开启内循环，循环反应一个周期之后，开启外循环，通过阀门设置内、外循环流量比为1：1至1：5之间。

2、内循环设置流量可适当降低为0.25～0.5m³/h，以使循环反应井1总的抽水量不至于太高，而造成循环反应井1内的水位下降过大，进而使反应柱的有效高度低于井的开筛范围；

3、应控制循环反应井1内的水位降深不超过筛管长度的1/3；

4、外循环的地下水通过颗粒过滤器6回收磁铁矿催化剂；

5、外循环的地下水回灌至观测井5，回灌流量通过井内水位控制，水位最大上升高度应低于井口至少1m。

实施例二

高活性的纳米零价铁在地下水中易氧化而降低活性、易团聚迁移能力差。实施例二利用本装置的内循环系统的强制水力循环与搅拌作用，可有效提高纳米零价铁的传输性和稳定性，进而提高污染物的降解效率。

具体实施例内容如下：

南方某场地受露天堆放的铬渣堆影响，土壤及地下水受到污染。场地地层主要为人工填土层、第四系冲洪积层，下伏基岩为白垩系泥质粉砂岩。本区水位埋深一般1-3m左右，地下水位随季节变化，年变幅在0.5-1m。地下水中六价铬的浓度范围在0.2～60mg/L之间，采用纳米零价铁进行还原修复。

由于纳米铁活性高反应速度快，一般5～10min即可将六价铬还原达标，因此此实施例下只开启内循环，不需要外循环，此时仅需考虑适当的循环流速，通过水力搅拌减少纳米铁团聚，一般可考虑流量在0.5～1.0m³/h范围内。

药剂箱41A内将质量分数为7％的零价铁稀释成1％的溶液，通过内循环注入到反应柱内，调节纳米铁的浓度为：

氧化后的纳米铁主要为Fe₂O₃和Fe₃O₄，为减少铁氧化颗粒对含水层土壤孔隙的堵塞，可在循环反应结束后开启外循环，回收颗粒物，并回灌修复达标的地下水。

实施例三：

用铬还原菌解毒六价铬实验室研究较为多见，研究者一般是从不同环境中分离出多种铬还原菌，如芽孢杆菌(Bacillus sp.)、脱硫弧菌(Desulfovibrio vulgaris)、希瓦氏菌(Shewanella sp.)和假单胞菌(Pseudomonas sp.)等，在实验室条件下培养驯化，但工程应用时，由于场地条件的差异，这些筛选驯化后的菌种也难以达到好的修复效果，实际上，在铬污染场地中存活的土著微生物本身就具有还原六价铬的能力，只是其自然还原的速度非常缓慢，因此，可利用本装置的内循环投加营养物质，加快土著微生物中铬还原菌的新陈代谢和繁殖作用，培养出适合场地环境的还原菌种，同时可添加强吸附力的生物炭颗粒，有利于菌种附着在载体上形成生物膜，提高生物量，并通过外循环提高菌种的扩散，显著提高场地地下水修复速度。

某场地地下水中六价铬浓度小于20mg/L，投加生物炭颗粒含量：

投加葡萄糖或甘蔗蜜糖含量：

此时循环反应井1内的TOC含量范围一般是300～500mg/L之间。

开启内循环，筛选驯化土著微生物，其间可综合分析载体表面的SEM图像、六价铬浓度变化、细菌群落变化等判断驯化情况，驯化完成后，可开启外循环，扩大微生物在水体中的分布范围。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本实用新型申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种原位修复地下水的循环反应井装置，其特征在于，所述循环反应井装置包括：

井组，所述井组包括若干个循环反应井，所述循环反应井内设有膨胀阻隔器；

气压系统，所述气压系统用于控制膨胀阻隔器的膨胀或收缩；

加药系统，所述加药系统用于向地下水中加入修复药剂；

所述循环反应井与加药系统组成内循环。

2.根据权利要求1所述一种原位修复地下水的循环反应井装置，其特征在于，所述气压系统包括空压机、空气过滤罐、高压气管、气体压力表，所述空压机通过高压气管与膨胀阻隔器相连，所述空气过滤罐、气体压力表安装在高压气管上。

3.根据权利要求1所述一种原位修复地下水的循环反应井装置，其特征在于，所述加药系统包括药剂箱、药剂泵、液体流量计、三通阀门、药剂管，所述循环反应井设有地下水回流管，所述药剂管设置在地下水水位之下，所述药剂管一端通过三通阀门与地下水回流管相连，所述药剂箱通过药剂泵与药剂管的另一端相连，所述药剂管上还设有液体流量计。

4.根据权利要求1所述一种原位修复地下水的循环反应井装置，其特征在于，所述井组还包括若干个观测井，一个或多个所述观测井与循环反应井相连通，所述观测井与循环反应井组成外循环。

5.根据权利要求4所述一种原位修复地下水的循环反应井装置，其特征在于，所述观测井、循环反应井内均设有传感器。

6.根据权利要求5所述一种原位修复地下水的循环反应井装置，其特征在于，所述传感器包括pH分析仪、温度传感器中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述一种原位修复地下水的循环反应井装置，其特征在于，所述循环反应井内还设有颗粒过滤器。