一种大口径药剂注入井及其有机物污染地下水原位修复设备及工艺
技术领域
本发明属于地下水原位修复技术领域，具体涉及一种大口径药剂注入井及其有机物污染地下水原位修复设备及工艺。
背景技术
目前国内外有机物污染地下水的修复技术现状：
随着全球工业化进程的加快，出现了许多有机物污染的场地，其土壤和地下水都受到了不同程度的污染。自20世纪80年代以来，美国、荷兰等发达国家就已经开展了地下水污染场地控制与修复相关的研究和工程实践，针对地下水污染控制与修复技术积累了大量研究成果和工程经验。常见的地下水污染控制与修复技术主要有抽出处理技术、原位化学氧化/还原技术、原位生物修复技术、可渗透反应墙技术、原位植物修复技术、监测自然衰减技术等。根据美国超级基金场地在1982—1999年787个含地下水修复场地统计，95％以上的场地均采用抽出处理、原位处理和监测自然衰减3种最常用的技术。
原位化学氧化技术是将强氧化剂直接注入到受污染区域的土壤和地下水中，促使土壤和地下水中的有机污染物分解成无毒或低毒的小分子物质，使得污染物得以去除，从而达到修复的目的。常用的化学氧化剂包括二氧化氯、Fenton试剂、过氧化氢、次氯酸盐、过硫酸盐、高锰酸钾和臭氧等。
原位化学氧化技术一般用于处理难降解污染物。例如，美国洛杉矶某服务站曾用原位化学氧化技术修复受汽油污染的土壤及地下水，选用Fenton试剂作为氧化剂，结果表明，大部分的BTEX(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)及总石油烃都得以有效去除，去除率分别为96％和93％。
原位化学氧化技术只适用于渗透性较好的孔隙、裂隙和岩溶含水层。
鉴于目前普遍采用的均为小口径药剂注入井，药剂的注入采用气动隔膜泵进行加压注入，这种方式注入及修复效率都十分有限，因此本领域亟需开发一种全新结构的药剂注入井。
发明内容
本发明专利的目的是针对本领域现有技术目前存在的缺陷及需求，提供一种大口径的药剂注入井，药剂的注入为自流注入，注入井的构造简单且容易实施，通过增加氧化药剂与污染土壤和地下水的接触面积，能有效的提高氧化药剂的注入效率；同时在地下水流场下方增设抽提井进行真空抽提，以加快注入药剂在污染区土壤层中的渗透速率，迅速的与污染地下水接触并反应，使污染地下水得以修复。
本发明的技术方案如下：
一种大口径药剂注入井，其特征在于，其口径为500mm～1000mm。
所述的一种大口径药剂注入井包括药剂注入井管封闭段和药剂注入井管开孔段；药剂注入井管封闭段的井壁封闭；药剂注入井管开孔段的井壁分布有若干通孔；大口径药剂注入井的顶部井口至地下1m-7m，优选7m的位置为药剂注入井管封闭段；大口径药剂注入井的地下开孔段7m-12m，优选7m的位置至井底部为药剂注入井管开孔段；
优选地，所述药剂注入井管开孔段高度为3m-8m，优选5m。
所述的一种大口径药剂注入井还包括真空抽提井管；所述真空抽提井管包括真空抽提井管封闭段和真空抽提井管开孔段；真空抽提井管封闭段的管壁封闭，真空抽提井管开孔段的管壁分布有若干通孔；
优选地，所述通孔的孔径大小为Φ30mm-Φ50mm。
一种有机物污染地下水原位修复设备，其特征在于，包括：所述的一种大口径药剂注入井。
所述的一种有机物污染地下水原位修复设备还包括：药剂配制及输送装置；
药剂配制及输送装置包括药剂配制槽和药剂输送管道；药剂配制槽底部开口与药剂输送管道的药剂入口相连通，
优选地，药剂输送管道的药剂出口可直接伸入大口径药剂注入井的井口内。
优选地，药剂配制槽内设有搅拌部件；药剂输送管道的药剂出口上游位置设有电动加料阀和药剂流量计；通过电动阀门来控制药剂的加入并通过流量计对加入药剂进行计量；
优选地，药剂配制槽包括氧化药剂配制槽和催化药剂配制槽，二者分设于大口径药剂注入井的两侧；氧化药剂配制槽底部连接的氧化药剂输送管道和催化药剂配制槽底部连接的催化药剂输送管道分别从大口径药剂注入井两侧伸入井口内。
所述的一种有机物污染地下水原位修复设备还包括：真空抽提系统及尾气处理系统；
真空抽提系统包括小口径真空抽提井、真空抽提气液分离器、和水环式真空泵；
小口径真空抽提井的井口与气体管道入口密闭连接；气体管道出口与真空抽提气液分离器的侧壁的气体入口密闭连接；真空抽提气液分离器可通过抽提管道与水环式真空泵相连；真空抽提气液分离器的底部设有液体出口；
优选地，真空抽提气液分离器底部的液体出口通过液体输送管路伸入大口径药剂注入井内的液面下并形成液封；
优选地，大口径药剂注入井与真空抽提系统的真空抽提井之间的布井间距满足如下条件：
V1×T＞布井间距＞V2×T；
其中，V1为真空抽提条件下地下水平均迁移速度，V2为地下水平均迁移速度，T为药剂在水中的强有效时间；
所述药剂在水中的强有效时间指药剂浓度在水中衰减80％所需的时间；
优选地，小口径真空抽提井包括真空抽提井管封闭段和真空抽提井管开孔段；真空抽提井管封闭段的井壁封闭；真空抽提井管开孔段的井壁分布有若干通孔；所述通孔孔径大小优选Φ20mm-Φ40mm；
优选地，小口径真空抽提井的顶部井口至地下1-7m(优选7m)的位置为真空抽提井管封闭段；小口径真空抽提井的地下7-12m(优选7m)的位置至井底部为真空抽提井管开孔段；
优选地，尾气处理系统包括活性炭吸附塔；
尾气处理系统的活性炭吸附塔的侧壁的气体入口通过气体管道与真空抽提系统的真空抽提气液分离器顶部的气体出口相连通，尾气处理系统的活性炭吸附塔可通过抽提管道与水环式真空泵相连，活性炭吸附塔的底部设有液体出口；
优选地，活性炭吸附塔底部的液体出口通过液体输送管路伸入大口径药剂注入井内的液面下并形成液封；
优选地，活性炭吸附塔内设有活性炭吸附层。
真空抽提系统还包括真空缓冲罐；
真空缓冲罐的侧壁的气体入口通过气体管道与尾气处理系统的活性炭吸附塔顶部的气体出口相连通；真空缓冲罐的顶部开口通过抽提管道与水环式真空泵相连；真空缓冲罐的底部设有液体出口；
优选地，真空缓冲罐底部的液体出口通过液体输送管路伸入大口径药剂注入井内的液面下并形成液封。
一种有机物污染地下水原位修复工艺，其特征在于，采用所述的一种大口径药剂注入井，和/或，所述的一种有机物污染地下水原位修复设备对待修复的地下区域内的土壤及地下水进行修复。
药剂通过插入大口径药剂注入井井口的药剂输送管道直接流入大口径药剂注入井内。
开启真空抽提系统和尾气处理系统，将经药剂处理后地下产生的有机污染物挥发气体抽提至地上进行气液分离，分离后的污染气体经活性炭吸附塔进行吸附。
本发明的核心工艺是“采用大口径的药剂注入井技术+采用抽提井进行真空抽提+抽提尾气处理技术”。
1、采用大口径的药剂注入井技术要解决的核心问题是克服现有技术药剂注入速度慢，注入效率低，地下水修复周期长等不足；本工艺采用大口径的药剂注入井技术，传统的药剂注入井直径一般为150mm～300mm，而我们采用的药剂注入井直径为500mm～1000mm，注入井直径变大后能有效增加注入药剂与污染土壤和地下水的接触面积，加快药剂注入速度，提高修复效率。注入井内安装有药剂注入井管，井管下部靠近地下水污染层开设均匀的药剂注入孔，确保药剂的注入。将配制合格的氧化药剂和催化药剂直接经计量后加入药剂注入井管内，通过自动控制装置控制注入井内药剂液位的高度。
2、在地下水流场方向靠药剂注入井的下游按一定的间距布设抽提井，采用真空泵进行真空抽提，这样可以加快地下水的渗流速度，有效的缩短修复时间，同时还可以加快土壤和地下水中的有机污染物的挥发，进一步的提高修复效果，真空抽提系统分离的水分返回药剂注入井内。
3、对真空抽提产生的尾气进行处理，将真空抽提产生的挥发性有机气体通过气液分离器进行气液分离后进入活性炭吸附设备对有机污染物进行吸附，最后产生的尾气达标排放。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的大口径药剂注入井及有机物污染地下水原位修复设备的结构示意及工艺流程示意图。
附图标记如下：1—氧化药剂配制槽，2—氧化药剂配制槽搅拌装置，3—氧化药剂流量计，4—大口径药剂注入井，5—药剂注入井管封闭段，6—药剂注入井管开孔段，7—催化药剂配制槽，8—催化药剂配制槽搅拌装置，9—催化药剂流量计，10—小口径真空抽提井，11—真空抽提井管封闭段，12—真空抽提井管开孔段，13—真空抽提气液分离器，14—活性炭吸附塔，15—活性炭吸附层，16—真空缓冲罐，17—水环式真空泵，18—氧化药剂电动加料阀，19—催化药剂电动加料阀。
图2为本发明另一个实施例提供的大口径药剂注入井的井内结构示意图。附图标记如下：5—真空抽提井管封闭段，6—真空抽提井管开孔段(管壁均布药剂注入孔)。
图3为本发明一个实施例提供的大口径药剂注入井的结构示意图。附图标记如下：5—药剂注入井管封闭段，6—药剂注入井管开孔段(管壁均布药剂注入孔)，20—为真空抽提系统分离的水分注入管(液体输送管路)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不以此限制本发明的保护范围。
第1组实施例、本发明的大口径药剂注入井
本组实施例提供一种大口径药剂注入井。本组所有的实施例中，所述大口径药剂注入井都具备如下共同特征，大口径药剂注入井的口径为500mm～1000mm，优选Φ800mm。
在进一步的实施例中，如图1、图2、图3所示，所述的一种大口径药剂注入井4包括药剂注入井管封闭段5和药剂注入井管开孔段6；药剂注入井管封闭段5的井壁封闭；药剂注入井管开孔段6的井壁分布有若干通孔；大口径药剂注入井4的顶部井口至地下1-7m，优选7m的位置为药剂注入井管封闭段5；大口径药剂注入井4的地下7-12m，优选7m的位置至井底部为药剂注入井管开孔段6；
在优选的实施例中，所述药剂注入井管开孔段6高度为3m至8m，优选5m。
优选地，所述通孔的孔径大小为Φ50mm。
第2组实施例、本发明的有机物污染地下水原位修复设备
本组实施例提供一种有机物污染地下水原位修复设备，其特征在于，包括：第1组实施例任一项提供的所述的一种大口径药剂注入井。
在进一步的实施例中，所述的一种有机物污染地下水原位修复设备还包括：药剂配制及输送装置；
如图1所示，药剂配制及输送装置包括药剂配制槽和药剂输送管道；药剂配制槽底部开口与药剂输送管道的药剂入口相连通；
优选地，药剂输送管道的药剂出口可直接伸入大口径药剂注入井4的井口内。
优选地，药剂配制槽内设有搅拌部件；药剂输送管道的药剂出口上游位置设有电动加料阀18、19和药剂流量计3、9；通过电动阀门来控制药剂的加入并通过流量计对加入药剂进行计量；
优选地，药剂配制槽包括氧化药剂配制槽1和催化药剂配制槽7，二者分设于大口径药剂注入井4的两侧；氧化药剂配制槽1底部连接的氧化药剂输送管道和催化药剂配制槽7底部连接的催化药剂输送管道分别从大口径药剂注入井4两侧伸入井口内。
催化药剂的作用是提高氧化药剂的活性及氧化的持久性，它可以与氧化药剂同时加入，也可以待氧化药剂加入后再加入。
在更进一步的实施例中，所述的一种有机物污染地下水原位修复设备还包括：真空抽提系统及尾气处理系统；
相比现有技术真空抽提的主要目的是将污染土壤中的地下水抽提到地面上进行处理或将污染土壤和地下水中的有机挥发物抽提出来进行处理，本发明真空抽提的目的是通过在真空抽提井内形成负压，让污染土壤内地下水层形成一定的水力梯度，加快氧化药剂在土壤内的渗透速度，有效的提高修复效率；而尾气处理系统则是为了将真空抽提过程中产生的挥发性有机物进行处理，使其合格后排放。
如图1所示，真空抽提系统包括小口径真空抽提井10、真空抽提气液分离器13、和水环式真空泵17；
小口径真空抽提井10的井口与气体管道入口密闭连接；气体管道出口与真空抽提气液分离器13的侧壁的气体入口密闭连接；真空抽提气液分离器13可通过抽提管道与水环式真空泵17相连；真空抽提气液分离器13的底部设有液体出口；
优选地，真空抽提气液分离器13底部的液体出口通过液体输送管路伸入大口径药剂注入井4内的液面下并形成液封。
优选地，大口径药剂注入井4与真空抽提系统的真空抽提井10间距一般为10m-50m，优选18m；井间距取决于地下水修复场地土壤的渗透性。
优选地，小口径真空抽提井10包括真空抽提井管封闭段11和真空抽提井管开孔段12；真空抽提井管封闭段11的井壁封闭；真空抽提井管开孔段12的井壁分布有若干通孔；所述通孔孔径大小优选Φ20mm-Φ40mm；
优选地，小口径真空抽提井10的顶部井口至地下0m至7m(优选7m)的位置为真空抽提井管封闭段11；小口径真空抽提井10的地下7m至12m(优选5m)的位置至井底部为真空抽提井管开孔段12；
优选地，尾气处理系统包括活性炭吸附塔14；
尾气处理系统的活性炭吸附塔14的侧壁的气体入口通过气体管道与真空抽提系统的真空抽提气液分离器13顶部的气体出口相连通，尾气处理系统的活性炭吸附塔14可通过抽提管道与水环式真空泵17相连，活性炭吸附塔14的底部设有液体出口；
优选地，活性炭吸附塔14底部的液体出口通过液体输送管路伸入大口径药剂注入井4内的液面下并形成液封。
优选地，活性炭吸附塔14内设有活性炭吸附层15。
本发明采用的活性炭吸附塔14为独立设计制造的塔内活性炭分为多层均布，这样可以有效提高活性炭的使用寿命，防止活性炭破碎，减少系统运行阻力，加快气体流速。
在具体的实施例中，真空抽提系统还包括真空缓冲罐16，它的作用是保证系统平稳运行，防止真空不稳定。
真空缓冲罐16的侧壁的气体入口通过气体管道与尾气处理系统的活性炭吸附塔14顶部的气体出口相连通；真空缓冲罐16的顶部开口通过抽提管道与水环式真空泵17相连；真空缓冲罐16的底部设有液体出口；
优选地，真空缓冲罐16底部的液体出口通过液体输送管路伸入大口径药剂注入井4内的液面下并形成液封。
第3组实施例、本发明的有机物污染地下水原位修复工艺
本组实施例提供一种有机物污染地下水原位修复工艺，其特征在于，采用第1组实施例任一项所提供的一种大口径药剂注入井，和/或，第2组实施例任一项所提供的一种有机物污染地下水原位修复设备对待修复的地下区域进行修复。
在具体的实施例中，药剂通过插入大口径药剂注入井井口的药剂输送管道直接流入大口径药剂注入井内。
在另一些实施例中，开启真空抽提系统和尾气处理系统，将经药剂处理后地下产生的有机污染物挥发气体抽提至地上进行气液分离，分离后的污染气体经活性炭吸附塔进行吸附。
实验例、
以南方某地有机物污染地下水原位修复为例，该场区富水区含水层厚度较大，平均达12m，地下水渗透性较好，平均渗透系数为12m/d，单井最大出水量达到700m3，中等富水区含水层厚度一般为6m，平均渗透系数为6m/d，单井最大出水量达到110m3。根据小试试验结果，经计算原位注入药剂最大影响半径为20m，综合考虑修复成本、工期和修复效果等因素，设计药剂注入井的直径为Φ＝0.8m，药剂注入井井管深为H＝12m，药剂注入井与真空抽提井间距为L＝18m。药剂注入井与真空抽提井之间的布井间距取决于地下水修复场地土壤的渗透性，具体满足如下条件：
V1×T＞布井间距＞V2×T；
其中，V1为真空抽提条件下地下水平均迁移速度，V2为地下水平均迁移速度，T为药剂在水中的强有效时间；
所述药剂在水中的强有效时间指药剂浓度在水中衰减80％所需的时间；
对于渗透系数比较大的土壤层，即容易透水的土壤层，井间距可以大一些，对于渗透系数比较小的土壤层，即难透水的土壤层，井间距可以小一些，具体取值通过小试试验来确定。所以本案例中井间距选择L＝18m是通过试验后来取值的。
所述小试试验采用示踪试验法，自然状态下示踪剂在地下水中的扩散速度较慢，平均速度为4.8m/d,在真空抽提的情况下，示踪剂在地下水中的扩散速度较快，平均速度达18.0m/d,而试验中我们采用的氧化药剂在水中至少可以保持3天的活性(即药剂在水中的强有效时间为3天)，因此在自然状态下，原位化学氧化药剂的影响半径＝4.8×3＝14.4m，在真空抽提的状态下，原位化学氧化药剂的影响半径＝18×3＝54m。因此，药剂注入井和真空抽提井间的距离在14.4m—54m之间都是合理的。
设计氧化药剂和催化药剂注入总量为600Kg(固体)，配制成一定浓度后其体积约2.5m3，一次性注入井中，药剂注入井管深度为H＝12m，下面开孔段高度为H1＝5m，上面实体段高度为7m。
开启水环真空泵(17)进行真空抽提，真空抽提产生的气体经气液分离器(13)进行气液分离，然后气体进入活性炭吸附塔(14)对其中的有机污染物挥发份进行吸附，最后产生的尾气达标排放。真空抽提系统分离产生的水分返回到药剂注入井中。药剂注入井中2.5m3的药剂经过4天就可以全部渗透到污染土壤和地下水中。药剂投放与真空抽提系统和尾气处理系统是同时开启的，4天时间是指的一次加入的药剂2.5m3需要4天的时间才能够渗透到污染土壤和地下水中，我们试验中共加入30批次的药剂，修复时间为120天左右，最后经过检测六种主要污染物全部合格。
以下是该项目六种主要污染物修复前后值对比：
六种主要污染物，经过多次药剂注入、真空抽提后全部达到预期修复目标。该修复工艺相比传统的小口径药剂注入井修复工艺缩短工期50％左右，同时还可以大幅度的降低修复成本。
