生物辅助式气动破裂和三相真空抽吸土壤修复装置和方法

摘要

本发明公开了生物辅助式气动破裂和三相真空抽吸土壤修复装置和方法，属于油气田地面工程和化学化工行业环保技术领域。通过位于气动震裂井、并分别与加药箱和空气压缩机相连的气动震裂器向地下管网内注入高压空气震散气动震裂井周围的土壤，再向气动震裂井周围的土壤内注入生物表面活性剂将土壤中的有机污染物分解，使有机污染物的浓度和粘滞度降低，更易移动；一周左右后，通过真空抽吸泵和三相抽吸井将分解的有机污染物抽吸到地面上，并通过与真空抽吸泵相连的气液分离器和水油分离器将污染物中的气体、水相和油相分离；再分别通过气体处理装置、水处理装置和液体污染物处理装置处理达标后排放。本发明对环境扰动小、高效、经济、实用性广。

说明书

技术领域

本发明属于油气田地面工程和化学化工行业环保技术领域，特别涉及一种生物辅助式气动破裂和三相真空抽吸土壤修复装置和方法。 

背景技术

过去几十年，受历史时期经济技术条件及人们认识水平等多种因素的制约，石油企业在为国家做出重大贡献的同时，也带来了一系列的环境问题：油气开采过程中的废水、废气、落地原油、废气钻井液等污染物排入环境会对水体、大气、土壤和生态环境造成影响。随着石油资源的广泛应用，环境中的石油污染越来越严重。在石油生产、贮运、炼制加工及使用过程中，也会有石油烃类的溢出和排放，造成油田和石化工厂周围水体和土壤严重的石油污染。当今世界上石油的总产量每年约有22亿t，其中17.5亿t是由陆地油田生产的。全世界每年有800万t进入环境，我国每年有近60万t进入环境，污染土壤、地下水、河流和海洋，每年新增污染土壤 1×10⁵t。 

20世纪80年代以来，土壤的石油污染问题成为世界各国普遍关注的环境问题。由于污染物种类多、危害大，修复行为花费高、时间长以及地下状况的不可见性和复杂性，石油类污染的土壤和地下水的修复已成为世界性的难题。一般来说，早期治理石油污染土壤的方法主要是传统的物理（蒸汽法、抽气法、有机溶剂法、水力冲洗法）和化学方法（氧化法、热处理法），这些方法所需时间短、见效快，但存在二次污染、处理费用高等弊端，不利于广泛的应用。随着人们对土壤生态系统自身的动态净化能力研究的深入，产生了应用人工生物干预土壤生态系统净化污染能力的新技术。添加生物表面活性剂或者生物表面活性剂产生菌能够大幅缩短修复时间、提高修复效率，并且能够保持良好的环境友好性。它以其独有的污染物降解彻底、不造成二次污染、操作较简单及整体费用低、适用不同类型（原位/异位）的修复处理方式和能同时恢复生态系统 美化环境等优点，而成为最新、发展最快的治理技术。到目前为止，通过生物修复技术改良石油污染土壤，被认为是最有生命力，最具代表性的技术，它作为一种环境友好技术己成为了国际科研的热点。 

从修复方式上讲，对受石油类污染物污染的土壤和地下水的修复分为异位修复和原位修复。异位修复是将污染的土壤和地下水转移到地面以上进行处理，包括现场处理、堆制处理、热解处理、土壤淋洗、生物反应器等。原位修复指在受污染的土壤、地下水的原位进行处理，包括原位生物修复和原位化学修复等。原位修复因其费用相对较低，对环境扰动小、二次污染小等优势成为地下水修复技术的研究和实践主流。 

在土壤修复中，水溶性是影响污染物去除的重要因素，很多污染物都是疏水性很强的物质，一般的水洗修复速度慢，而且效率低；近年来人们通过加入各种添加剂来增强修复效果，这些添加剂能够缩短时间、提高污染物去除率，添加剂必须是低毒性并且可生物降解的。生物表面活性剂是一种很有用的添加剂，它本身包含憎水基团和亲水基团，能够促进土壤颗粒上污染物的分散和增溶，而且还具有无或较小的环境影响的优点和原位生长的可能性。 

发明内容

本发明的目的是提供一种生物辅助式气动破裂和三相真空抽吸土壤修复装置。 

本发明的另一个目的是提供一种生物辅助式气动破裂和三相真空抽吸土壤修复方法。 

一种生物辅助式气动破裂和三相真空抽吸土壤修复装置，结构如下： 

所述的装置包括加药装置、真空抽吸井、气动破裂井、空气压缩机、传输管道、传输泵、气液分离装置、水油分离装置、控制器，以及废水废气处理装置； 

所述的加药装置的结构为：加药箱1通过加药管道和位于气动震裂井2内的气动震裂器17相连，在二者相连的加药管道上布置有加药装置阀门12；在所述的气动震裂井2的井口处安装有电机驱动螺纹轴11，用于调节气动震裂器17 的深度使其与不同深度的地下管网15相连； 

空气压缩机3通过管路和气动震裂器17相连，在二者相连的管道上布置有气动装置阀门13； 

加药装置阀门12远离加药箱1的一端和气动装置阀门13远离空气压缩机3的一端汇合成一条管道后，和所述的气动震裂器17相连；所述的气动震裂器17可以伸缩；在所述的气动震裂器17的两端布置有气动震裂器接口16；当空气压缩机3向气动震裂器17打入空气时，气动震裂器17膨胀，两端的气动震裂器接口16自动与地下管网15接合； 

电动力装置4通过导线分别与加药箱1和空气压缩机3相连； 

真空抽吸泵6的一端通过真空抽吸管道深入上端封闭的三相抽吸井5内部，另一端和气液分离器7相连；气体处理装置8通过管路和所述的气液分离器7相连；水油分离器9通过管路和气液分离器7相连；液体污染物处理装置14和水处理装置10分别通过管路和水油分离器9相连。 

一种利用所述的生物辅助式气动破裂和三相真空抽吸土壤修复装置处理污染土壤的方法，包括如下步骤： 

（1）对待处理的污染场地进行调查，获取待处理的污染场地的面积、水文地质条件，污染物种类、物理化学性质数据，从而确定污染情况； 

（2）在待处理的污染场地架设至少一口三相抽吸井5，在每个三相抽吸井5的周围3-8米范围内设置至少两口气动震裂井2，每口气动震裂井内设置一个至少能承受1Mpa的气动震裂器17； 

关闭加药装置阀门12，打开气动装置阀门13，通过空气压缩机3向气动震裂器17内通入高压空气使气动震裂器17膨胀，从而通过气动震裂器接口16与地下管网15相连，进而将地下管网15周围的土壤震散成细密的土壤颗粒；一般来说，通入的高压空气的压强应达到0.8-1.25Mpa； 

通过电机驱动螺纹轴11调节气动震裂器17的深度，使气动震裂器17与不同深度的地下管网15相连，打开空气压缩机3，向气动震裂器17和地下管网15内通入高压空气；重复上述过程，将气动震裂井2周围的土壤充分震散成细密的土壤颗粒； 

（3）关闭气动装置阀门13，打开加药装置阀门12，将加药箱1内的生物表面活性剂通过气动震裂器17和不同深度的地下管网15加入到气动震裂井2周围的土壤中；生物表面活性剂在气动震裂井2周围土壤中充足的氧气条件下，将有机污染物分解，使有机污染物的浓度和粘滞度降低，更容易自由移动； 

其中，所述的生物表面活性剂是指将在待处理的污染场地提取的微生物通过微生物培养方法提取得到的、能够在富氧条件下将有机物分解的物质； 

（4）待生物表面活性剂注入地下5-9天后，打开真空抽吸泵6，从而在负压作用下，使土壤中的污染物向三相抽吸井5的方向移动； 

当三相抽吸井5附近土壤中的气压降至0.02MPa时，停止运行真空抽吸泵6，打开气动装置阀门13，向气动震裂器17和地下管网15内通入高压空气，使土壤和三相抽吸井5中的气压升高，进行气动破裂过程；当三相抽吸井5内的压力升高至0.1MPa时，打开真空抽吸泵6进行抽吸； 

当三相抽吸井5附近土壤中的气压再次降至0.02MPa时，停止运行真空抽吸泵6，打开气动装置阀门13，向气动震裂器17和地下管网15内通入高压空气，使土壤和三相抽吸井5中的气压重新升高，进行气动破裂过程；当三相抽吸井5内压力重新升高至0.1MPa时，开启真空抽吸泵6进行抽吸；这样循环进行2-3次，即可达到去除土壤中的污染物的目的； 

（5）真空抽吸泵6将三相抽吸井5内的污染物送入气液分离器7，污染物中的气体成分进入气体处理装置8，液体部分进入水油分离器9；水油分离器9将液体部分分为水相和油相两部分，其中水相部分进入水处理装置10、油相部分进入液体污染物处理装置14分别进行处理；处理达到国家水环境排放标准（GB3838-88）后的水可进行地下水回灌或直接排放。 

本发明的有益效果为： 

本发明使用的生物表面活性剂是一种新型的脂肽生物表面活性剂（NLBS），它是直接从待处理的污染场地的土壤和地下水中的微生物通过微生物培养方法提取得到的、能够在富氧条件下将有机物分解的物质，它具有以下几项特性：（a）在极端温度、pH以及不同浓度的NaCl、CaCl₂、MgCl₂土壤中都表现出很强的适应性；（b）具有重金属抗性，包括锰、镍、铁、铅、铜、锌；（c）具有降解 有机物的功能，因此可用于有机物污染的地下层修复，同时还可以加速溶解水中难溶物质、有机烃类污染物以及有解毒有害物质；（d）选择性广，对环境友好；（e）分子结构类型多样，具有许多特殊的官能团，专一性强；（f）原料在自然界广泛存在且价格价廉；（g）可通过发酵生产，是典型的“绿色”工艺。 

本发明提供的生物辅助式气动破裂和三相真空抽吸土壤修复装置不仅能够清除在不饱和带以气相存在以及在饱和带以溶解态存在的石油污染物，同时还能够处理以自由相和土壤吸附相存在的石油污染物。三相抽吸井通过真空泵制造一个高度真空的环境，从而将饱和带的液相污染物和不饱和带的气相污染物以高粘度的两相流的形势抽吸出来。一般来说真空度越高，水力梯度也就越大，因而三相的真空去除率也就越大。在三相抽吸井工作过程中，位于地下非饱和带、毛细作用带和饱和带气相、水相以及油相液体，由于负压作用的存在，会形成具有一定速度的流动，通过流动，污染物会直接向三相抽吸井的位置迁移，进入三相抽吸井内的抽吸管。在负压的作用下污染物会继续沿着抽吸管向上运动，直到井口顶端，吸取到地表的污染物送到气液分离装置进行下一步处理。为了增大污染物的迁移速率和迁移效率我们采用生物辅助式气动破裂装置，该装置是在抽吸井的周围注入高压空气提高土壤渗透率、并注入生物表面活性剂降低污染物在土壤中的粘滞作用，从而促进污染物向抽吸井方向移动。 

总之，本发明提供的装置和方法不受污染场地土壤地下水条件限制，对环境扰动小、无二次污染、高效、经济、实用性广。 

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图； 

图2是气动震裂井的剖面结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步说明： 

实施例1：  

（1）对待处理的污染场地进行场地调查，确定污染物面积约为200m²，污 染物主要集中在地下2-5m的位置。主要污染物有总石油烃，含量可达1786~40167mg/kg；多环芳烃，含量达26.10mg/kg，土壤中也含有汞，汞含量达2~2.69mg/kg。污染场地为农药化工厂生产车间搬迁后留下的，场地形状为正方形； 

（2）根据土壤的具体条件，在三相抽吸井5周围5米处设置四口气动震裂井2，每口气动震裂井2内设置有气动震裂器17和地下管网15，气动震裂器17能够承受的压力为1.0Mpa；气动震裂井5地下2-5m处每隔50cm有一横向管道与气动震裂器17相连； 

首先关闭加药装置阀门12，打开气动装置阀门13，通过空气压缩机3向气动震裂井17内通入高压空气使气动震裂器17膨胀，从而通过气动震裂器接口16与地下管网15相连，进而将地下管网15周围的土壤震散成细密的土壤颗粒；通入的空气的压强为1.0 Mpa； 

通过电机驱动螺纹轴11调节气动震裂器17的深度，使气动震裂器17与不同深度的地下管网15相连，打开空气压缩机3，向气动震裂器17和地下管网15内通入高压空气；重复上述过程，将气动震裂井2周围的土壤充分震散成细密的土壤颗粒； 

（3）关闭气动装置阀门13，打开加药装置阀门12，将加药箱1内的生物表面活性剂通过气动震裂器17和不同深度的地下管网15加入到气动震裂井2周围的土壤中；生物表面活性剂在气动震裂井2周围土壤中充足的氧气条件下，将有机污染物分解，使有机污染物的浓度和粘滞度降低，更容易自由移动； 

其中，所述的生物表面活性剂是指将在待处理的污染场地提取的微生物通过微生物培养方法提取得到的、能够在富氧条件下将有机物分解的物质； 

（4）待生物表面活性剂注入地下5天后，打开真空抽吸泵6，从而在负压作用下，使土壤中的污染物向三相抽吸井5的方向移动； 

当三相抽吸井5附近土壤中的气压降至0.02MPa时，停止运行真空抽吸泵6，打开气动装置阀门13，向气动震裂器17和地下管网15内通入高压空气，使土壤和三相抽吸井5中的气压升高，进行气动破裂过程；当三相抽吸井5内的压力升高至0.1MPa时，打开真空抽吸泵6进行抽吸； 

当三相抽吸井5附近土壤中的气压再次降至0.02MPa时，停止运行真空抽吸泵6，打开气动装置阀门13，向气动震裂器17和地下管网15内通入高压空气，使土壤和三相抽吸井5中的气压重新升高，进行气动破裂过程；当三相抽吸井5内压力重新升高至0.1MPa时，开启真空抽吸泵6进行抽吸；这样循环进行2-3次，即可达到去除土壤中的污染物的目的； 

（4）真空抽吸泵6将三相抽吸井5内的污染物送入气液分离器7，污染物中的气体成分进入气体处理装置8，液体部分进入水油分离器9；水油分离器9将液体部分分为水相和油相两部分，其中水相部分进入水处理装置10、油相部分进入液体污染物处理装置14分别进行处理；处理达到国家水环境排放标准（GB3838-88）后的水可进行地下水回灌或直接排放。