淨化地下水的方法和設備的製作方法
2023-05-20 12:01:16 1
專利名稱：淨化地下水的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及按權利要求1的前序部分所述的降低地下水、為滲透地表水的人工地下水或地表水中金屬、非金屬、硝酸鹽或亞硝酸鹽含量的方法。本發明還涉及權利要求8的實施所述方法的設備。
背景技術：
過去，通過在水處理裝置中向水中加入氧而對水進行處理和淨化以脫除鐵和錳。這將造成雜質沉積，過濾除去這些雜質以得到淨化水。通常以純氧形式向水中加入氧，或通過應用階式曝氣裝置使水曝氣而加入氧。由於從溶液中沉積金屬所需要的氧濃度相對較低，金屬鐵和錳通過上述過濾過程沉積，其中所述過濾器包括一個或多個砂層，而水從這些砂層通過。由於用作過濾材料的砂層必須不斷再生以強化沉積的錳和鐵金屬離子的脫除，因此這種淨化裝置的資本投資和操作成本都很高。
另外，在瑞典專利說明書No.6903544-2中描述了原位淨化地下水。通過多個按預定距離且圍繞供應井或供應管設置的衛星井或衛星管而向蓄水層間歇地引入含有氧或釋放氧的物質的水。以這種方式向蓄水層中引入氧處理水為某些微生物的生長創造了合適的環境，增強了現存地層內化合物的化學和代謝吸收、氧化和沉積，從而應用地層作為反應和過濾介質。所應用的微生物通常為生物體，其在氧化和還原條件之間形成的區域內主要是活性的。在約二十四(24)小時的時間間隔內間歇地加入含有氧或釋放氧的物質的水。在加入氧處理水或含有釋放氧的物質的水的過程中，供應井不能用作淨化水源，這是因為同時應用供應井和衛星井將會使過濾機構失效或幹擾其操作，從而使水質變差。為連續供應水，需要兩個或多個供應井或合適的貯存設施來克服上述缺點，使得在至少兩個供應井之間或供應井與貯存設施之間交替抽出淨化水。如果需要，在從替代供應源抽出淨化水的過程中，對一個或多個待用供應井進行再生。
當從單一供應井中抽出水並輸送到一個或多個衛星井以同時應用所述供應井時，重新加入的水的流動模式通常與待淨化的水的流動模式平行。當該通常平行的流動模式形成時，不連續的徑向淨化模式在未被淨化的衛星井和供應井之間發展。由於鐵和錳的沉積供應井的操作性能將逐漸降低，這是因為所述鐵和錳的沉積在很大程度上發生在供應井附近較小部分的蓄水層內。當如前所述應用兩個或多個供應井並從供應井間交替抽出淨化水從而在更大部分蓄水層內分配沉積時，這個問題不再發生。
為了克服水不連續供應的缺點，瑞典專利說明書No.8206393-4描述了另一種原位地下水交替淨化。該發明的優點是不再需要兩個或多個供應井，允許通過在衛星井間形成與待淨化水的流動模式近似垂直的流動模式而從單個供應設施中連續泵送出淨化水。以這種方式，在離供應井足夠遠的距離發展成周邊淨化模式，其在蓄水層的更大部分中分配沉積，從而可以保持供應井的操作性能。
正如這裡所應用的，術語″衛星井″在這裡用來指任何設施，通過該設施可以將處理水引入過濾器、水槽、蓄水層或類似淨化或過濾系統，通過該系統使水淨化。但應該理解″衛星井″也用來將水抽入其它衛星井。衛星井的代表性例子包括井、管道、軟管、管子和類似設備。
在操作過程中，向至少一個但並非所有衛星井中加入調節水，並且在加入的同時，從至少一個衛星井中抽出水，其目的是形成一個用於汙染物吸附、轉化、氧化、沉積或揮發的淨化區。具體地，應用用氧化劑或其它有益添加劑調節的水來降低未處理水中的雜質濃度，使水得到″淨化″。以這種方式向衛星井中加入調節水在離供應設施足夠遠的距離處形成淨化區或過濾區，從而避免堵塞供水設施，並保持足夠的流量通過淨化區進入供應設施。進料至衛星井的水可以包含從至少一個其它衛星井抽出的調節水，並且如果需要，也可包含部分從供應設施抽出的淨化水。
通過改變向其中引入調節水的多個衛星井，以及通過交替從其中抽出水的衛星井，用戶可以優化在其中沉積汙染物的淨化區。依據淨化系統的尺寸、水文地質條件、生化條件、水中所含雜質的濃度等，在該系統中可以應用兩個以上的任何數量的衛星井。可以按預先確定的時間間隔向衛星井中加入調節水，該時間間隔可以為幾小時到幾天或者更長。
瑞典專利說明書No.8206393-4中的方法也能應用水槽連續過濾和淨化地下水和地表水，其中包含和應用包括天然形成或人工製造材料的過濾器。例如，可以將土挖走形成帶有覆蓋表面的水槽狀空穴，以及可以將粘土、混凝土、塑料、防水布等密封層用於所述覆蓋表面形成內壁。用於引入調節水的衛星井位於水槽內的覆蓋層內部，並且用過濾材料如砂石填充所述水槽。供應設施可以位於水槽中心；用於引入處理水的衛星井位於覆蓋層和水槽中心之間，圍繞在水槽內壁周邊的內部，從而能夠通過多個衛星井向淨化系統中引入調節水、通過至少一個衛星井抽出水並通過供應設施連續抽出淨化水。在人造的蓄水層中，從至少一個衛星井中水間歇地抽出水、進行調節並進一步引入至少一個其它衛星井中。以這種方式交替用於重新注入的衛星井與用於抽出水的衛星井，以有效交替用於沉積汙染物的淨化區。
PCT WO 02/48469描述了淨化水的設施和方法，其中這些設施和方法也可以用於人工蓄水層如填充有惰性材料的水槽中。在該說明書中，據說對抗環境土壤的密封布被設置在土壤表面下方，這意味著頂部是對著大氣開放的。對於瑞典專利說明書No.8206393-4來說，也是相同的設置。這將引起水槽中的材料溢流和洗出，這是因為原水滲透和重新注入衛星井在水槽中積累了高的水壓。
圖3給出了高水壓問題的計算機模擬，其表明為了產生充夠的抵消壓力抵消在已知設備中普遍存在的高水壓，需要四米以上覆蓋層的壓力。正如圖4中可以看出的，即使利用四米的覆蓋層，仍存在約1.3米的過壓。
發明內容
本發明的目的是克服上面提到的缺點，並可以以連續且成本有效的方式淨化原水。
因此，本發明涉及一種分別降低流過含天然過濾材料的水槽的地下水、為滲透地表水的人工地下水或地表水中金屬、非金屬、硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的方法，從而在降低金屬或非金屬含量的情況下將含有氧或釋放氧的物質和/或天然微生物的代謝反應的水以及在降低硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的情況下將含脫氮生物和/或其基質的水通過在至少一個用於淨化水的抽出井周圍設置的多個衛星井間歇地引入水槽中。該方法的特徵在於所述含氧或釋放氧的物質和/或天然微生物或脫氮生物和/或其基質的代謝反應的水在所述水槽中均勻地垂直分配，待淨化的水通過水平設置的進料管進料至水槽中，並從所述至少一個抽出井抽出淨化水，使得在所述至少一個抽出井周圍產生明顯負壓。
按照本方法的一個優選實施方案，在所述至少一個抽出井周圍的所述負壓的數量級為約一米水頭。
按照本方法的另一個優選實施方案，從抽出井抽出淨化水使進料管和注入管的水壓都降低至否則進料管和注入管中將存在的壓力的一半以上。
本發明還涉及一種分別降低流過含天然過濾材料的水槽的地下水、為滲透地表水的人工地下水或地表水中金屬、非金屬、硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的設備，從而在降低金屬或非金屬含量的情況下將含有氧或釋放氧的物質和/或天然微生物的代謝反應的水以及在降低硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的情況下將含脫氮生物和/或其基質的水通過在至少一個用於淨化水的抽出井周圍設置的多個衛星井間歇地引入水槽中。該設備的特徵在於利用對空氣和水不可滲透的材料對水槽進行密封，並且通過所述材料的所有入口和出口均對空氣和水不可滲透。
按照所述設備的一個優選實施方案，所述衛星井包含至少一個注入管和至少一個抽出管，並且所述注入管和所述抽出管均配有縫或孔，其方式使這些縫或孔的面積補償了垂直方向上增加的水壓。
下面參考附圖，通過非限定性的實施例描述本發明，其中圖1是本發明用於淨化原水的設備的示意性側視圖；圖2是本發明上述設備的示意圖，其配有中心抽出井和設置在所述抽出井周圍的幾個衛星井，並且其中進料管與原水滲透管用點劃線表示，並且除去了覆蓋的覆蓋層；圖3是按照已知技術用於淨化原水的設備中壓頭分布的計算機模擬；圖4是在未密封的原水淨化設備中壓頭分布的計算機模擬；圖5是本發明的密封的原水淨化設備中壓頭分布的計算機模擬；圖6是在本發明設備中應用的衛星井的端視圖；和圖7是圖6中的衛星井的局剖側視圖。
具體實施例方式
圖1給出了本發明一個優選實施方案的設備，所述設備用來降低原水中金屬、非金屬、硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量，所述設備包含一個設置在地下空穴中且含有天然過濾材料如砂或其它合適材料(未示出)的水槽或人工蓄水層1、多個注入/衛星井2、抽出井3、用於從例如地下水井(未示出)供應水的原水供應管道4、用於進料的水平設置的供應設施或進料管5以及可用來清洗所述原水供應管道4的井6。水槽1完全被對空氣和水不可滲透的材料11如橡膠和/或塑料材料包圍，即密封水槽1。對於水槽1的頂部來說也是如此。另外，通過材料11的管道、纜線等的所有入口和出口均由對空氣和水不可滲透的材料製成。在所述圖1中，水平視圖用12表示。
在所示實施方案中，水槽被厚度約為1米的覆蓋層所覆蓋。
正如圖2中可以看出的，在具體實施方案中，所述設備具有方形水槽1，但很明顯所述水槽可以為任何其它形狀如圓形或長方形。
在所示實施方案中，在水槽1中設置了八個衛星井2和一個抽出井3。用點劃線表示的原水供應管4與至少一個進料管5相連，其中所述進料管5與水槽1的每一側平行設置。另外，每個衛星井2與用於氧處理從所述井2抽出的水的設施相連，並且當水被氧處理後，其優選返回井2並注入水槽1中。
在本發明的設備中，衛星井2和抽出井3特別設置，從而當注入和/或從水槽1中泵出水時，使水沿水槽的垂直方向均勻分配。更準確地說，在所述設備的優選實施方案中，如圖6和7所示，以一定方式設計衛星井2，從而使其包含被分離設施9隔開的至少一個抽出管7和至少一個注入管8(在所示實施方案中有兩個注入管和兩個抽出管)。以一定的方式設計抽出管7和注入管8，從而使在管子7、8的管壁中對著周圍材料以任何其它方式形成的為孔或縫10或孔形式的開孔面積補償垂直方向上增加的水壓。因此抽出管7配有開孔面積，其在任意水平部分與垂直方向上增加的水壓頭成反比，從而抽出水的流量沿整個管子的外表面均勻分布。否則大部分水將來自井中水壓最高的較深部分。注入管8也以相同方式具有開孔面積，其在任意水平部分與垂直方向上增加的水壓頭成反比，從而注入的水沿整個管子的外表面均勻分布，否則大部分水將在管子外表面的上部離開注入管8。抽出管和注入管7、8可以製成單獨的管子，也可以如圖7所示被分離設施9隔開。
另外，對技術人員來說很明顯的是，衛星井即圖7中所示的抽出管7和注入管8的設計可以與用於淨化地下水、為滲透地表水的人工地下水或原位地表水的設備一起應用。
當本發明的方法開車時，填充有過濾材料的水槽1完全注滿水。然後開始從抽出井3泵送水，並持續至所述井3的水位從比初始水位降低約一米。然後通過原水供應管4向水平設置的進料管5中進料水，其總體積對應於通過抽出井3抽出的體積，從而得到如圖5所示的水槽1中的水壓分布。如果不採取其它措施，則隨時間進行的天然過程將會超出抽出井3周圍水位的下限，從而在水槽1的外圍部分將會產生大的水壓，這將造成過濾材料的溢流和洗出，如上所述。為避免此種情況，必須自動控制水的流入和流出，從而保持抽出井3周圍的水位下限。
按照本發明，通過以一定的方式從抽出井3泵出水使壓力降低至否則所述管道中將存在的壓力約一半的壓力，從而控制水平進料管5和注入管8中增加的高壓。以一定的方式設計這種泵送的特殊方法、所需控制和調節設備(未示出)，從而在中心抽出井3周圍總存在高的負壓，其在優選實施方案中對應在水槽1的水平面處在不可滲透材料下方約一米的水壓頭，參見圖5。
因此，按照本發明，通過在水槽1上方相對適中厚度的覆蓋層來補償不可滲透材料下方的過壓，因為水不能上升至超過不可滲透材料。所產生的壓力如圖5所示，並且可以看出其至多為約0.5米的水頭。通過為水槽1提供圍繞整個水槽延伸的不可滲透材料11，還可能從淨化水中濾出周圍土壤和空氣中可能的雜質。
在通過曝氣加入氧的情況下，所術曝氣以一定的方式進行，從而允許水通過封閉水槽1外部的曝氣系統(未示出)循環。該曝氣系統對於設置在抽出井3周圍的注入管和抽出管8、7可以是共用的。抽出管7的水在共用設備(未示出)中曝氣，而在小水槽(未示出)中進行一定的脫氣，從而游離的空氣氣泡可以逃離至環境空氣中。來自所述小水槽的水通過泵送通過閥門而均勻分布進入注入管8中。
另外，氧化劑不僅包括水溶性化學物質和氣體，也包括微生物和所有其它可以使雜質或汙染物氧化的組合物。當本發明用於淨化地下水或應用這裡所描述的技術淨化原水時，也可以應用天然微生物的代謝反應作為汙染物沉積或降解的機理。例如，已經應用微生物Crenothrix、Leptothrix和Gallionella在氧存在下使汙染物鐵和錳氧化和/或沉積。類似地，通過用不同的試劑如甲烷或營養物調節用於重新加入的水，可以誘導非自養微生物氧化或代謝降解各種汙染水的有機化合物。因此，天然微生物部分用作一種可以應用本發明淨化汙染水的設施。
水槽1中的過濾材料不需要更換或再生以脫除沉積的鐵和錳或其它金屬或非金屬，這是因為優選確定過濾材料的孔的尺寸，從而在由於過濾材料堵塞而造成抽出井3的泵送能力降低之前，其壽命超過100年。
圖1所示的水槽1可以與一個或多個類似的水槽組合，從而使彼此相鄰的注入和抽出管相互組合，以形成共用的注入管和抽出管。
上面已經針對脫除鐵和錳描述了本發明，但對技術人員來說很明顯的是，本發明也可以用於脫除其它金屬或非金屬如鉛和砷。
由於本發明的水槽/人工蓄水層1形成一個密閉系統，也可以應用不需要氧的方法。代替注入氧處理水，注入管8可以用來注入在缺氧條件下生存的微生物所必需的營養物質。這些營養物質可以包含磷酸鹽和低分子量物質如醇。在所述方法中，通過應用脫氮生物而使硝酸鹽和亞硝酸鹽轉化成氮，而氮會與水一起從抽出井3中抽出。必須對該水曝氣，以使氮和氧之間的平衡恢復到大氣中的含量。
在希望從原水中同時分別脫除金屬、非金屬及硝酸鹽和亞硝酸鹽的情況下，可以在至少兩個步驟中進行，從而在包含一個或多個單獨設置的組件中通過向至少第一組件中進料營養物質而非氧，然後向至少第二組件中進料氧或釋放氧的物質，首先脫除亞硝酸鹽和硝酸鹽。從第一組件流出的水可以不經任何中間處理進料至第二組件。當然，原水的兩步淨化也可以在單獨設置的多個水槽1中進行。
權利要求
1.一種分別降低流過含天然過濾材料的水槽(1)的地下水、為滲透地表水的人工地下水或地表水中金屬、非金屬、硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的方法，從而在降低金屬或非金屬含量的情況下將含有氧或釋放氧的物質和/或天然微生物的代謝反應的水以及在降低硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的情況下將含脫氮生物和/或其基質的水通過在至少一個用於淨化水的抽出井(3)周圍設置的多個衛星井(2)間歇地引入水槽(1)中，特徵在於所述含氧和/或釋放氧的物質和/或天然微生物或脫氮生物和/或其基質的代謝反應的水在所述水槽(1)中均勻地垂直分配，待淨化的水通過水平設置的進料管(5)進料至水槽中，並從所述至少一個抽出井(3)抽出淨化水，使得在所述至少一個抽出井(3)周圍產生恆定負壓。
2.權利要求1的方法，特徵在於在所述至少一個抽出井(3)周圍的所述負壓的數量級為約一米水頭。
3.權利要求1的方法，特徵在於從抽出井(3)中抽出淨化水使得進料管(5)和衛星井(2)的水壓都降低至當不進行這種泵送操作時在所述進料管(5)和衛星井(2)中存在的壓力的一半以上。
4.權利要求1的方法，特徵在於所述方法在至少兩個步驟中並在被分為至少兩個單獨設置的組件的水槽中進行，從而在第一步中第一組件降低硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量，而在第二步中第二組件降低金屬和非金屬的含量，並且水在至少兩個組件之間不經任何中間處理而進料。
5.權利要求1-4任意一項的方法，特徵在於從原水中脫除的金屬和非金屬選自鐵、錳、鉛和砷。
6.權利要求1的方法，特徵在於所述方法只用於降低硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量。
7.權利要求1的方法，特徵在於所述方法只用於降低金屬和非金屬的含量。
8.一種用於分別降低流過含天然過濾材料的水槽(1)的地下水、為滲透地表水的人工地下水或地表水中金屬、非金屬、硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的設備，從而在降低金屬或非金屬含量的情況下將含有氧或釋放氧的物質或天然微生物的代謝反應的水以及在降低硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的情況下將含脫氮生物和/或其基質的水通過在至少一個用於淨化水的抽出井(3)周圍設置的多個衛星井(2)間歇地引入水槽(1)中，特徵在於水槽(1)利用對空氣和水不可滲透的材料(11)密封，並且通過材料(11)的所有入口和出口均對空氣和水不可滲透。
9.權利要求8的設備，特徵在於所述衛星井(2)包括至少一個注入管(8)和至少一個抽出管(7)，並且所述注入管(8)和所述抽出管(7)配有縫或孔(10)，其方式使這些縫或孔(10)的面積補償垂直方向上增加的水壓。
10.權利要求8的設備，特徵在於當在至少兩個步驟中降低金屬、非金屬、硝酸鹽和亞硝酸鹽含量時，水槽(1)包含至少兩個單獨設置的組件，並且水在所述組件之間不經任何中間處理而進料。
11.權利要求8的設備，特徵在於從原水中脫除的金屬和非金屬選自鐵、錳、鉛和砷。
12.在權利要求8-11任一項的設備中或在用於淨化地下水、為滲透地表水的人工地下水或原位地表水的已知設備中所應用的衛星井，特徵在於所述衛星井(2)包含至少一個注入管(8)和至少一個抽出管(7)，並且所述注入管(8)和所述抽出管(7)配有縫或孔(10)，其方式使這些縫或孔(10)的面積補償垂直方向上增加的水壓。
全文摘要
本發明涉及一種分別降低流過水槽(1)的原水中金屬、非金屬、硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的方法，其中含有氧、釋放氧的物質、天然微生物或脫氮生物和/或其基質的代謝反應的水因此通過設置在至少一個用於淨化水的抽出井(3)周圍的多個衛星井(2)間歇地引入水槽(1)中。因此含氧和/或釋放氧的物質或天然微生物或脫氮生物和/或其基質的代謝反應的水在所述水槽(1)中均勻地垂直分配，從而待淨化的水通過水平設置的進料管(5)進料至水槽中，並從所述至少一個抽出井(3)抽出淨化水，使得在所述至少一個抽出井(3)周圍產生明顯負壓。本發明還涉及用於實施所述方法的設備以及用於所述設備中的衛星井。
文檔編號B01D24/10GK1997601SQ200480043763
公開日2007年7月11日 申請日期2004年8月6日 優先權日2004年8月6日
發明者羅夫·O·哈爾貝裡 申請人:米爾約克米·蒂勒瑟