用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法及系統的製作方法

2023-06-12 22:16:06

專利名稱：用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於受汙染地下水修復技術領域，特別涉及一種用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法及系統。
背景技術：
環境與發展，是當今國際社會普遍關注的重大問題。為了實現可持續的發展，環境保護和治理工作應是發展過程的組成部分。地下水資源作為全球水資源的重要組成部分， 在我國地表水嚴重汙染的條件下，對於經濟和社會發展具有極其重要的作用。近年來，由於社會經濟的高速發展和工業廢棄物的大量產生，全球的環境汙染問題日益嚴重。目前我國地下水質量惡化趨勢顯著，汙染形勢十分嚴峻，許多地區地下水不同程度遭受有毒有害有機物和無機物的汙染。國家「十二五」規劃提出要「加大環境保護力度」，解決「土壤汙染等損害群眾健康的突出環境問題」，「加強地下水汙染防治」。2011年10月發布的《全國地下水汙染防治規劃(2011-2020年)》指出要「初步遏制地下水水質惡化趨勢」，「加強重點工業行業地下水環境監管」，「有計劃地加快推進地下水汙染修復」。環境友好和節能高效的汙染地下水創新修復技術的開發和應用是我國國民經濟和社會可持續發展的重要途徑。地下水原位修復技術由於成本較低、對環境幹擾較小而得到迅速發展，是地下水汙染修復的主要技術。地下水曝氣法、抽水處理與生物強化技術是汙染地下水原位修復的常規技術，常用於有限面積、高汙染負荷的場地。傳統的地下水曝氣法將壓縮空氣通過曝氣井注入飽和土壤及地下水中，空氣向上的流動使土壤和地下水中的汙染組分產生解吸和揮發等作用，隨氣流進入土壤非飽和區。同時氣流中的氧氣不斷溶解於土壤水中增加溶解氧含量，為好氧生物降解有機物創造了條件，加速地下水中的微生物降解作用。生物修復技術是80年代以來出現和發展的清除和治理環境汙染的生物工程技術，其主要利用生物特有的分解有毒有害物質的能力，去除汙染環境中的汙染物，達到清除環境汙染的目的。生物強化法(EBR)通常為微生物生長和降解作用改善環境條件，提供足量的電子受體/供體、營養鹽類，提高微生物的代謝作用和降解活性水平，以促進對汙染物的降解速度，能夠直接針對主要汙染區進行修復。抽水處理法(Pump and Treat，簡稱P&T)是傳統地下水修復技術，通過設計合適的抽水井和地下水流場、使之形成包含整個地下水汙染羽狀體的截獲區，不斷的抽取汙染地下水，使汙染暈的範圍和汙染程度逐漸減小，並使含水層介質中的汙染物向水中轉化而得到清除。EBR通常與Ρ&Τ相結合，通過地下水的運動來輸送電子受體/供體和營養鹽類，促進微生物活動。EBR技術對環境友好，發展潛力巨大，但目前EBR的主要瓶頸之一是如何高效輸送電子受體/供體和營養鹽類，為微生物作用創造良好的環境條件。因此， 供氧效果好、持續時間長、影響範圍大的電子受體/供體和營養鹽類輸送技術成為EBR的關鍵技術和發展方向。此外，在汙染源等高濃度區，由於汙染物對微生物活性的阻礙，微生物降解的作用受到極大的抑制。因此，將汙染物濃度降至微生物可以接受的水平也是重要的課題。電子受體/供體的提供主要通過氣體提供，常用氣體主要包括空氣、氧氣、氫氣等。為提高地下水中氣體溶解量和持續供應能力，降低氣泡直徑從而增加氣泡內壓和在水體內的滯留時間是關鍵技術。目前微納米氣泡生成技術已經發展成熟，採用特定的設備可使地下水中氣泡直徑達到微納米級。微納米氣泡直徑較小，在水體中停留時間較長，可以隨地下水運動，遷移影響範圍遠大於普通氣泡；氣泡內壓較大，其高溶解能力可為水體提供高含量的溶解氧；同時，微納米氣泡氣液界面帶負電荷，可以與特定的汙染物相互作用，微納米氣泡破裂時產生的自由基和振動波也可促進汙染物的去除。營養鹽的提供通常採用直接向地下水中添加並通過地下流場輸運的方法，可進一步改善微生物的環境條件，促進微生物降解作用。在高濃度區，通過注入氧化劑直接氧化汙染物的方法，例如注入臭氧氣體， Fenton (亞鐵鹽和過氧化氫的組合)等，與地下水曝氣法具有相似的缺點。而採用低濃度臭氧為注入氣體的微納米氣泡則可以解決這類問題，在短時間內將汙染物濃度降至微生物可以接受的水平。由於臭氧生成物為氧氣，對下階段的微生物降解不會產生不利的影響。微納米氣泡的供給效果好、持續時間長、影響範圍大，與抽水處理技術相結合，可以彌補地下水曝氣、抽水處理和強化生物修復等常規原位修復技術的不足，促進微生物降解作用，對汙染地下水進行修復。本發明通過微納米氣泡曝氣設備向地下水系統中注入微納米氣泡水，根據汙染物種類濃度和水文地質環境條件，可以分階段，分區域注入，注入氣體可以為臭氧， 也可以為空氣、氧氣等電子受體，以及氫氣等電子供體；同時在微納米曝氣裝置的出水口處設置營養鹽添加裝置，向地下水中添加營養鹽；通過注水井和抽水井的協調作用，調整地下水流場特徵，將微納米氣泡和營養鹽輸運到特定區域，修復汙染場地。本發明提供一種環境友好和節能高效的地下水修復技術。

發明內容
本發明提供了一種用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法及系統，可以對不同水文地質環境條件和不同有機汙染場地進行原位地下水修復，同時對修復過程汙染物濃度、微生物種群和數量、溫度、PH值、電子交換能力等參數進行實施監測和分析，為相關科學研究提供實驗數據。本發明提供的用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法，包括以下步驟(I)在地下水受汙染區域的上遊位置設置一個或多個注水井，氣體與水通過微納米氣泡曝氣裝置產生含有微納米氣泡的水，並在含有微納米氣泡的水中添加營養鹽，通過注水井進入地下水系統中；(2)微納米氣泡和營養鹽隨地下水的運動輸移擴散，直接分解有機汙染物或為微生物持續補充電子受體、電子供體以及營養鹽，促進有機汙染物的降解去除；(3)在地下水被有機汙染物汙染區域的下遊位置設置一個或多個抽水井，抽取地下水並進行處理，形成控制微納米氣泡運移範圍的地下水流場，提高場地整體的修復效率並防止汙染範圍擴大；(4)在汙染區域設置多個不同位置的與地表連通的監測井，利用監測井對去除有機汙染物過程中各參數進行實時監測和分析，並根據分析結果，調節微納米氣泡的發生時間和曝氣量，以及人工地下水流場。所述有機汙染物的濃度為5000ppm lOOOOppm。
所述微納米氣泡的尺寸為IOOnm O. 2mm。所述物理法包括過濾法、重力分離，所述化學法包括加藥法、電解法、離子交換法， 所述生物法包括活性泥法、生物膜法。所述氣體為電子供體或電子受體，為空氣、氧氣、臭氧或氫氣中的一種。所述營養鹽為胺基酸、維生素、含碳、氮、磷或微量元素的化合物中的一種或多種。本發明提供的基於所述方法的用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的系統， 其組成為在地下水被有機汙染物汙染區域的上遊位置設置一個或多個注水井，在汙染區域的上方設置多個位置不同的監測井，在汙染區域的下遊位置設置一個或多個抽水井；在地表設置微納米氣泡曝氣裝置，氣體供應裝置和水箱分別通過供氣管和供水管與微納米氣泡曝氣裝置連接，微納米氣泡曝氣裝置的出口與營養鹽添加裝置連接後，通過注水管伸入注水井；在各個監測井內分別設置水質監測傳感器；在抽水井旁的地表設置抽水泵，其進水口端與伸入抽水井的抽水管連接，出水端與水體處理裝置連接。所述微納米氣泡曝氣裝置的進水量和出水量為10L/min 200L/min，產生的微納米氣泡的尺寸為IOOnm O. 2mm。所述供氣管上設置氣體流量計、氣壓表以及氣壓閥。所述供水管上設置水壓閥以及水體流量計。本發明中，用微納米氣泡對有機汙染物進行去除的主要機理如下(I)微納米氣泡增加地下水中的溶解臭氧，直接分解高濃度有機物汙染物(例如石油烴類和有機氯化物類)；微納米氣泡增加地下水中的溶解氧，促進好氧微生物成長和有機汙染物(例如石油烴類)的降解，現場好氧菌可達原來的10倍以上；微納米氣泡增加地下水中的溶解氫，促進厭氧脫氯微生物成長和有機物汙染物(例如有機氯化物類)的降解；同時微納米氣泡水中添加的營養鹽也可以促進微生物的活動，促進汙染物降解。(2)利用地下水流場對吸附在土顆粒上的汙染物進行衝洗，將抽水井抽出的汙染水體進行進一步處理。(3)微納米氣泡表面帶電，對汙染物有吸附作用。(4)微納米氣泡破裂時釋放能量，生成羥基自由基離子，對汙染物具有氧化分解作用。本發明具有以下有益效果(I)能夠對不同場地水文地質體條件，有機汙染情況(種類和濃度等)，以及微生物生態環境條件，選擇注入氣體的種類，濃度和設計修復技術的細節，具有成本低，環境友好和節能高效的特點。適宜於有限面積、高汙染負荷的場地修復。(2)能實時監測各項參數，主要包括汙染物濃度、微生物種群和數量、溫度、pH值、 電子交換能力等，對修復效果的進行科學分析和評價，從而進一步降低成本和提高修復效率。(3)該技術刺激和促進土著微生物生長和增殖，不引入其它環境微生物，對場地環境和生態工程影響小。(4)該技術所需注水井、監測井和抽水井可以部分採用已有的工程井位，初始投資少，運營成本低。 (5)地下水修復達到環境標準後，相關技術設備可以回收進行重複利用。


圖I為微納米氣泡曝氣裝置及注水井部分結構示意圖；圖2為地下水汙染物去除過程整體示意圖。圖中標號I-氣體供應裝置；2_水箱；3_微納米氣泡曝氣裝置；4_營養鹽添加裝置；5_供水管；6_供氣管；7_注水管；8_氣體流量計；9_氣壓表；10_氣壓閥；11_水體流量計；12_水壓閥；13-微納米氣泡水；14-水質監測傳感器；15-抽水泵；16-水體處理裝置；17_抽水管。
具體實施例方式本發明提供了一種用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法及系統，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。利用本發明所述的方法和系統對地下水有機汙染物進行微納米氣泡曝氣去除的現場實施方案如下(I)確定地下水有機汙染物的區域，並確定地下水的流動方向；該被汙染的區域不限，有機汙染物的濃度在5000ppm IOOOOppm時,修復效果好且性價比較高；(2)在汙染區域的上遊以及汙染源區的位置建設注水井，或採用已有井位；在注水井附近的地表設置微納米氣泡曝氣裝置3，氣體供應裝置I和水箱2分別通過供氣管6和供水管5與微納米氣泡曝氣裝置3連接，供氣管6上設置氣體流量計8、氣壓表9以及氣壓閥10，供水管5上設置水壓閥12以及水體流量計11 ;微納米氣泡曝氣裝置3的出口與營養鹽添加裝置4連接後，通過注水管7伸入注水井；氣體供應裝置I中供應的氣體為空氣、氧氣、臭氧、氫氣中的一種；營養鹽為胺基酸、維生素、含碳、氮、磷或微量元素的化合物中的一種或多種。微納米氣泡曝氣裝置I的進水量和出水量為10L/min 200L/min，產生的微納米氣泡的尺寸為IOOnm O. 2mm ；(3)在汙染區域的下遊位置建設抽水井，抽水井的布置能提高場地整體的修復效率並防止汙染物區域的進一步擴大。在抽水井旁的地表設置抽水泵15，其進水口端與伸入抽水井的抽水管17連接，出水端與水體處理裝置16連接，利用抽水泵15將汙染地下水抽出，進行水質監測並送至地面水體處理裝置16進行處理。處理方法包括物理法(過濾法、重力分離法等)、化學法(加藥法、電解法、離子交換法等)、生物法(活性泥法、生物膜法等)。(4)在注水井與抽水井之間的被汙染區域的不同位置設置多個監測井，在各個監測井內布設水質監測傳感器14，遠程監測和分析修復過程參數。(5)受汙染區域較大時可以增設微納米氣泡注水井與抽水井、監測井系統，以便影響範圍能夠覆蓋整個受汙染區域。
權利要求
1.用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法，其特徵在於，在地下水被汙染物汙染區域的上遊位置設置一個或多個注水井，氣體與水通過微納米氣泡曝氣裝置產生含有微納米氣泡的水，並在含有微納米氣泡的水中添加營養鹽，通過注水井進入地下水系統中；微納米氣泡和營養鹽隨地下水的運動輸移擴散，直接分解有機汙染物或為微生物持續補充電子受體、電子供體以及營養鹽，促進有機汙染物的降解去除；在地下水受汙染區域的下遊位置設置一個或多個抽水井，抽取地下水並在地表用物理法、化學法或生物法對其進行處理；通過抽取形成控制微納米氣泡運移範圍的地下水流場， 提高場地整體的修復效率並防止汙染範圍擴大；在汙染區域設置多個不同位置的與地表連通的監測井，利用監測井對去除有機汙染物過程中各參數進行實時監測和分析，並根據分析結果，調節微納米氣泡的發生時間和曝氣量，以及人工地下水流場。
2.根據權利要求I所述的用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法，其特徵在於，所述有機汙染物的濃度為5000ppm lOOOOppm。
3.根據權利要求I所述的用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法，其特徵在於，所述微納米氣泡的尺寸為IOOnm O. 2mm。
4.根據權利要求I所述的用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法，其特徵在於，所述氣體為電子供體或電子受體，為空氣、氧氣、臭氧或氫氣中的一種。
5.根據權利要求I所述的用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法，其特徵在於，所述營養鹽為胺基酸、維生素、含碳、氮、磷或微量元素的化合物中的一種或多種。
6.一種基於權利要求I所述方法的用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的系統， 其特徵在於，在地下水受汙染區域的上遊位置設置一個或多個注水井，在汙染區域的上方設置多個位置不同的監測井，在汙染區域的下遊位置設置一個或多個抽水井；在地表設置微納米氣泡曝氣裝置(3)，氣體供應裝置(I)和水箱(2)分別通過供氣管(6)和供水管(5) 與微納米氣泡曝氣裝置(3)連接，微納米氣泡曝氣裝置(3)的出口與營養鹽添加裝置(4) 連接後，通過注水管(7)伸入注水井；在各個監測井內分別設置水質監測傳感器；在抽水井旁的地表設置抽水泵(15)，其進水口端與伸入抽水井的抽水管(17)連接，出水端與水體處理裝置(16)連接。
7.根據權利要求6所述的用微納米氣泡對地下水原位修復的系統，其特徵在於，所述微納米氣泡曝氣裝置(I)的進水量和出水量為10L/min 200L/min，產生的微納米氣泡的尺寸為IOOnm 0. 2臟。
8.根據權利要求6所述的用微納米氣泡對地下水原位修復的系統，其特徵在於，所述供氣管(6)上設置氣體流量計(8)、氣壓表(9)以及氣壓閥(10)。
9.根據權利要求6所述的用微納米氣泡對地下水原位修復的系統，其特徵在於，所述供水管(5)上設置水壓閥(12)以及水體流量計(U)。
全文摘要
本發明屬於受汙染地下水修復技術領域，特別涉及一種用微納米氣泡對汙染地下水強化原位修復的方法及系統。在地下水被汙染物汙染區域的上遊位置設置注水井，向其中通入含營養鹽的微納米氣泡水；含營養鹽的微納米氣泡水隨地下水流動移至汙染區域，分解汙染物或為微生物持續補充電子受體/供體，促進有機汙染物的降解去除；同時設置抽水井在汙染區域下遊抽水，形成地下水流場；通過監測井對去除有機汙染物過程中各參數進行實時監測和分析，調節微納米氣泡的發生時間和曝氣量。微納米氣泡供氧效果好、持續時間長、影響範圍大，彌補自然降解和生物通風等常規原位修復技術的不足，成本低、節能高效，適宜於有限面積、高汙染負荷的場地修復。
文檔編號C02F3/02GK102583712SQ20121004135
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者宋德君, 李恆震, 胡黎明 申請人:宋德君, 清華大學