一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置及应用

摘要

一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置及应用，在注水井沿着地下水流流动的方向上间隔5～10m设置有抽水井，注水井与抽水井内设置有滤网，注水井与抽水井之间的地面上设置有一纳米气泡饱和溶液注入组件，该纳米气泡饱和溶液注入组件分别与的注水井与抽水井管路连接，通过纳米气泡饱和溶液对岩层环境污染进行处理。本发明成本较低，修复效果好，修复效率高，且处理彻底不形成二次污染，并能有效地去除地下水及其下饱和土壤区域的多种有机污染物以及重金属污染物，且只需开设相应数量的注水井和抽水井，配合一套或多套装置，就可应用于不同污染源，不同污染面积的，不同污染程度的，不同污染深度的岩层环境的土壤以及地下水污染处理领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤以及地下水污染处理修复领域，尤其涉及一种使用含有单种或者多种反应气体,且反应气体以纳米气泡形式存在于饱和液体中的应用于修复岩层环境有机物和重金属污染的处理装置及其应用处理方法。

背景技术

随着我国城市化，工业化进程的加快，以及经济的快速发展，工业生产对周围环境的污染也日益严重，尤其是对于土壤以及地下水的污染，更有着从城市向农村发展的严峻形式，数据显示：我国已经有2000万公顷耕地受到重金属污染，其中受到矿区污染的达到200万公顷，受到石油污染的达到500万公顷，工业三废污染的达到1000万公顷，固体废弃物堆放污染的达到5万公顷，而污水灌溉污染农田的面积达到330万公顷。

因此，从源头抓起，我国城市工业污染土壤的修复相对比农村污染土壤修复而言更为迫切，目前我国污染土壤主要来源包括：重金属污染，持续性有机污染物（POPs）污染，有机污染为主的石油、化工、焦化等污染场地，以及电子废弃物处理污染场地。

另外，我国城市和农村的地下水污染形势也不容乐观。目前我国地下水开采总量已占总供水量的18%，北方地区65%的生活用水、50%的工业用水和33%的农业灌溉用水来自地下水。全国657个城市中，有400多个以地下水为饮用水源。但是调查显示部分地区地下水超采严重，水位持续下降；一些地区城市污水、生活垃圾和工业废弃物污液以及化肥农药等渗漏渗透，造成地下水环境质量恶化、污染问题日益突出，给人民群众生产生活造成严重影响。国内也发生了多起地下水污染影响居民生活健康和安全的事故。

随着通过我国《土壤污染“十二五”规划》以及《全国地下水污染防治规划（2011—2020年）》等相关的法律法规，我国对于土壤污染以及地下水污染的修复与控制提上了日程。为此，能够有效地，节能环保的土壤以及地下水修复技术在我国面临着巨大的市场需求。

目前的对于地下水的修复存在有多种技术存在，如：抽出处理技术、监测天然衰减技术、原位修复技术。其中原位修复技术由于成本较低，对环境影响小等因素，是目前地下水修复较为普遍的应用技术。

而目前的原位修复法主要包括原位化学修复技术，传统的地下水抽取技术，以及强化生物修复技术。其中：

1.原位化学修复技术包括原位还原修复技术以及原位氧化修复技术，主要是通过向土壤或者地下水中注入氧化剂或者还原剂达到分解有机污染物的目的，如向污染土壤和地下水中加入过氧化氢或者臭氧作为氧化剂。

原位化学修复技术相对可靠，周期短，但是成本相对较高。

2.抽水处理法是传统的地下水修复技术，主要是通过设计合理的抽水井和地下水流场，形成包含整个地下水污染羽状体的截获区，不断地抽取地下水，使得污染晕以及污染程度逐步降低。

但该技术存在处理不彻底的缺点。

3.生物强化技术主要是在生物修复技术的基础上，通过为微生物的生长以及降解作用改善环境，提供足量的电子受/供体，以及营养盐等，提高为生物的代谢作用以及降解水平，从而达到更高效率的降解土壤以及地下水中污染物的目的。

目前国内对于生物强化修复技术，尤其是微纳米技术在污染土壤以及地下水修复上的应用，已经展开了相关的研究，如江浩与吴涛（2011）的微纳米曝气技术在水环境治理方面的应用，杨丽等（2012）的关于微纳米气泡特性及在环境污染控制中的应用等研究。

值得一提的是申请号为201210041355.6的发明专利申请，该旨在提供一种用微纳米气泡对地下污染水强化原位修复的技术以及系统，该发明申请通过向设在上游的注水井注入微纳米气泡（大小定义为100nm-0.2mm）以及营养盐为污染物降解或为微生物持续补充电子受/供体，从而起到强化生物反应的作用，通过抽水井抽水，形成地下水的流场，另外设检测井，借以检测污染物的分解程度，调节曝气装置相关指标，以及水流等。该专利很好的认识到了微纳米气泡的供氧效果好，持续时间长，影响范围大，能够弥补自然降解和生物通风等常规生物修复技术的不足，还具备成本低，节能高效等优点。

但是，该专利内的相关措施和手段在生物强化技术领域也均属标准的、通用的手段，而且该专利还具有以下的局限性：

1.该专利使用的是传统曝气办法产生的微纳米气泡（大小定义为100nm-0.2mm），而非纳米气泡，根据美国US2007/0286795A1号专利，所产生的纳米气泡一般在几十到几百纳米之间，而纳米气泡在相关的性能上比微纳米气泡要好的多。

2.该专利明确指出主要针对不同的有机污染物有修复作用，而忽略了地下水和土壤中的重金属部分。

3.该专利的上下游设施一个注水井以及一个抽水井的结构设计，正如申请者提及的，该技术较适合于有限面积的，高污染负荷的场地修复，具有较大的局限性。

4.该专利技术的结构设计较为适用于深层的地下水污染，对于浅岩层的地下水，以及表层的土壤污染，该技术很难适用。

综上所述，目前的地下水以及其下的土壤饱和区域所形成的岩层环境的各种岩层土壤以及岩层地下水污染处理方法，存在着成本相对较高，处理不彻底、无法处理重金属，局限性较大等各种缺陷。

发明内容

为了解决目前的岩层土壤以及岩层地下水污染处理所存在的种种问题，本发明提供了一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置及应用，针对地下水以及其下的土壤饱和区的岩层环境污染的情况，对岩层环境进行修复，本发明具体如下所述：

一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置，包括注水井，其特征在于：

所述的注水井的数量为1～4个，注水井的深度为5～15米，且注水井在沿着地下水流流动的方向上间隔5～10m处设置有抽水井；

所述的注水井与抽水井之间的地面上设置有一纳米气泡饱和溶液注入组件，该纳米气泡饱和溶液注入组件分别与的注水井与抽水井管路连接；

所述的注水井与抽水井内设置有滤网。

根据本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置，其特征在于，所述的纳米气泡饱和溶液注入组件包括纳米气泡发生器、纳米气泡饱和溶液混成存储器、注水管、饱和溶液注入泵、抽水管、抽水泵和排放管，，其中纳米气泡发生器与纳米气泡饱和溶液混成存储器连接，纳米气泡发生器将产生的纳米气泡与纳米气泡饱和溶液混成存储器的内的纯净水混合形成带纳米气泡的饱和溶液，纳米气泡饱和溶液混成存储器一端设置有注水管，注水管与注水井管路连接，在注水管的管路上设置有饱和溶液注入泵，饱和溶液注入泵将带纳米气泡的饱和溶液通过注水管从纳米气泡饱和溶液混成存储器注入注水井，而纳米气泡饱和溶液混成存储器的另一端设置有抽水管，抽水管与抽水井管路连接，在抽水管的管路上设置有抽水泵，抽水泵将抽水井中的水抽出，其中一部分的水通过抽水管循环注入纳米气泡饱和溶液混成存储器，而另一部分的水则通过与抽水泵连接的排放管直接排放至地表。

根据本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置，其特征在于，所述的纳米气泡发生器所产生的纳米气泡直径大小为50～300纳米。

直径为50～300纳米的纳米气泡在相关去污染、分解重金属性能上比目前的微纳米气泡要好的多。

根据本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置，其特征在于，所述的滤网的呈覆盖式的设置在注水井与抽水井的底部井壁上，该滤网设置在注水井与抽水井内的高度与注水井与抽水井内的地下水流的深度相等。

滤网的作用在于能够强化带纳米气泡的饱和溶液的流动性，并过滤掉多余的泥沙颗粒杂质，故滤网的高度应不低于地下水的深度，因注水井有着不同的深度，故采用不同高度的滤网。

一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置的应用，基于上述的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置，其具体如下所述：

1）在注水井的沿着地下水流流动的方向上间隔5～10m处设置有抽水井；

2)使用水位监控装置确认注水井和抽水井内的地下水深度，并分别在各自的底部井壁上呈覆盖式的设置滤网，该滤网的高度与注水井与抽水井内的地下水流的深度相等；

3)在注水井和抽水井的地表面设置纳米气泡饱和溶液注入组件，该组件的注水管和抽水管的一端分别与纳米气泡饱和溶液混成存储器连接，另一端则分别置入注水井和抽水井内；

注水井形成相应的地下水浸泡区，浸泡区靠饱和溶液注入泵与注水管和纳米气泡饱和溶液混成存储器连接。

4）启动纳米气泡饱和溶液注入组件的纳米气泡发生器，使其产生纳米气泡，并将该纳米气泡注入纳米气泡饱和溶液混成存储器内的纯净水，使其混合形成带纳米气泡的饱和溶液，然后通过启动饱和溶液注入泵将带纳米气泡的饱和溶液注入注水井，与注水井内的受污染的地下水混合，通过纳米气泡的饱和溶液与地下水的污染物反应并将其分解；

本发明的理论基础是纳米气泡在饱和溶液中比微米气泡或者微纳米气泡具备更好的稳定性，更长时间的存在性，带有更高的电荷，因此具备更好的污染分解能力。纳米气泡的直径尺寸大小从50纳米到300纳米不等，对岩层环境修复效率的提高是通过反应气体在饱和溶液中以纳米气泡的形式存在的，并且设计一套相应的采用纳米技术修复岩层环境污染的装置来实现这一目标。

本发明的用以发生纳米气泡的反应气体主要取决于岩层环境的污染源，可以是保证还原环境的氢气，或者保证氧化环境的空气，氧气，或者臭氧，可以是为了提高微生物营养环境的混合气体，或者是为了促进污染物分解的化学反应的气体。氧化气体，如臭氧，可以提高氯代烃类（如：PCE，TCE，DCE，VC，BTEX，PCBs，TPH，农药等等）的分解，以及一些重金属离子如三价砷的分解。还原性气体，如氢，可以提高氯代烃，以及重金属铬的分解。空气和氧气可以提高原位生物修复的TPH，BTEX，以及PAHs的分解。

5）启动纳米气泡饱和溶液注入组件的抽水泵将抽水井的被带纳米气泡的饱和溶液处理过并被滤网过滤过的地下水抽水，其中一部分水通过抽水管再次进入纳米气泡饱和溶液混成存储器，而另一部分则通过排放管直接排入地表层。

抽水井可分别从岩层环境的表层以及深层抽水，从而加大带纳米气泡的饱和溶液在污染的地下水区域的流量，而为了降低带有纳米气泡的饱和液体的使用，将抽出的地下水部分重新回流到纳米气泡饱和溶液混成存储器，另外被处理过的地下水直接排入地表层也对地表污染环境起到了净化作用。

本发明对于大面积污染区域，可以重复开设多处注水井与抽水井并重复设置多套该装置，以达到更好的岩层环境修复效果。

使用本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置获得了如下有益效果：

1.本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置及应用，其成本较低，修复效果好，修复效率高，且处理彻底不形成二次污染，并能有效地去除地下水及其下饱和土壤区域的多种有机污染物以及重金属污染物；

2.本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置及应用，其局限性较小，污染处理范围大，只需开设相应数量的注水井和抽水井，配合一套或多套污染处理用的纳米气泡饱和溶液注入组件，根据污染源的不同使用不同的反应气体就可应用于不同污染源，不同污染面积的，不同污染程度的，不同污染深度的岩层环境进行修复，适用于各种深、浅岩层环境的土壤以及地下水污染处理领域。

附图说明

图1为本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置及应用的设置在不同深度的注水井和抽水井的具体示意图；

图2为本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置及应用的单体设置的具体示意图。

图中：1-注水井，2-抽水井，A-纳米气泡饱和溶液注入组件，A1-纳米气泡发生器，A2-纳米气泡饱和溶液混成存储器，A3-注水管，A4-饱和溶液注入泵，A5-抽水管，A6-抽水泵，A7-排放管，B-滤网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置及应用做进一步的描述。

实施例1

如图1所示，本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置，包括注水井1，所述的注水井的数量为1～4个（本实施例中为2个），注水井的深度为5～15米（本实施例中为8米和15米），且注水井在沿着地下水流流动的方向上间隔5～10m处设置有抽水井2（图1的土壤中的横向箭头方向即为地下水流向）；

注水井1与抽水井2之间的地面上设置有一纳米气泡饱和溶液注入组件A，该纳米气泡饱和溶液注入组件分别与的注水井与抽水井管路连接；

注水井1与抽水井2内设置有滤网B。

纳米气泡饱和溶液注入组件A包括纳米气泡发生器A1、纳米气泡饱和溶液混成存储器A2、注水管A3、饱和溶液注入泵A4、抽水管A5、抽水泵A6和排放管A7，其中纳米气泡发生器与纳米气泡饱和溶液混成存储器连接，纳米气泡发生器将产生的纳米气泡与纳米气泡饱和溶液混成存储器的内的纯净水混合形成带纳米气泡的饱和溶液，纳米气泡饱和溶液混成存储器一端设置有注水管，注水管与注水井1管路连接，在注水管的管路上设置有饱和溶液注入泵，饱和溶液注入泵将带纳米气泡的饱和溶液通过注水管从纳米气泡饱和溶液混成存储器注入注水井，而纳米气泡饱和溶液混成存储器的另一端设置有抽水管，抽水管与抽水井2管路连接，在抽水管的管路上设置有抽水泵，抽水泵将抽水井中的水抽出，其中一部分的水通过抽水管循环注入纳米气泡饱和溶液混成存储器，而另一部分的水则通过与抽水泵连接的排放管A7直接排放至地表。

纳米气泡发生器A1所产生的纳米气泡直径大小为50～300纳米。

直径为50～300纳米的纳米气泡在相关去污染、分解重金属性能上比目前的微纳米气泡要好的多。

滤网B的呈覆盖式的设置在注水井1与抽水井2的底部井壁上，该滤网设置在注水井与抽水井内的高度与注水井与抽水井内的地下水流的深度相等。

滤网的作用在于能够强化带纳米气泡的饱和溶液的流动性，并过滤掉多余的泥沙颗粒杂质，故滤网的高度应不低于地下水的深度，因注水井有着不同的深度，故采用不同高度的滤网，本实施例中对应的滤网高度为2～3米及5～8米。

本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置的具体安装及应用如下所述：

1）在注水井1的沿着地下水流流动的方向上间隔5～10m处设置有抽水井2；

2)使用水位监控装置确认注水井1和抽水井2内的地下水深度，并分别在各自的底部井壁上呈覆盖式的设置滤网B，该滤网的高度与注水井与抽水井内的地下水流的深度相等；

3)在注水井和抽水井的地表面设置纳米气泡饱和溶液注入组件A，该组件的注水管A3和抽水管A5的一端分别与纳米气泡饱和溶液混成存储器A2连接，另一端则分别置入注水井1和抽水井2内；

注水井形成相应的地下水浸泡区，浸泡区靠饱和溶液注入泵与注水管和纳米气泡饱和溶液混成存储器连接。

4）启动纳米气泡饱和溶液注入组件A的纳米气泡发生器A1，使其产生纳米气泡，并将该纳米气泡注入纳米气泡饱和溶液混成存储器A2内的纯净水，使其混合形成带纳米气泡的饱和溶液，然后通过启动饱和溶液注入泵A4将带纳米气泡的饱和溶液注入注水井1，与注水井内的受污染的地下水混合，通过纳米气泡的饱和溶液与地下水的污染物反应并将其分解；

本发明的用以发生纳米气泡的反应气体主要取决于岩层环境的污染源，可以是保证还原环境的氢气，或者保证氧化环境的空气，氧气，或者臭氧，可以是为了提高微生物营养环境的混合气体，或者是为了促进污染物分解的化学反应的气体。氧化气体，如臭氧，可以提高氯代烃类（如：PCE，TCE，DCE，VC，BTEX，PCBs，TPH，农药等等）的分解，以及一些重金属离子如三价砷的分解。还原性气体，如氢，可以提高氯代烃，以及重金属铬的分解。空气和氧气可以提高原位生物修复的TPH，BTEX，以及PAHs的分解。

本发明的理论基础是纳米气泡在饱和溶液中比微米气泡或者微纳米气泡具备更好的稳定性，更长时间的存在性，带有更高的电荷，因此具备更好的污染分解能力。纳米气泡的尺寸大小从50纳米到300纳米不等，对岩层环境修复效率的提高是通过反应气体在水或者饱和溶液中以纳米气泡的形式存在的，并且设计一套相应的采用纳米技术修复岩层环境污染的装置来实现这一目标。

5）启动纳米气泡饱和溶液注入组件A的抽水泵A6将抽水井2的被带纳米气泡的饱和溶液处理过并被滤网B过滤过的地下水抽水，其中一部分水通过抽水管A5再次进入纳米气泡饱和溶液混成存储器A2，而另一部分在通过排放管A7直接排入地表层。

抽水井分别从岩层环境的表层以及深层抽水，从而加大带纳米气泡的饱和溶液在污染的地下水区域的流量，而为了降低带有纳米气泡的饱和液体的使用，将抽出的地下水部分重新回流到纳米气泡饱和溶液混成存储器，另外被处理过的地下水直接排入地表层也对地表污染环境起到了净化作用。

本发明对于大面积污染区域，可以重复开设多处注水井与抽水井并重复设置多套本发明的装置，以达到更好的岩层环境修复效果。

实施例2

对于小面积的土壤或地下水污染区域，可以设置单套本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置，也能达到较好的岩层环境修复效果。

如图2所示，设置的本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置，其安装及应用方式如上述实施例1所述，对深、浅层岩层环境进行土壤或地下水污染处理。

另外，如需应对地表污染，也可以使用直接喷洒带有纳米气泡的饱和溶液的办法。

本发明的一种采用纳米技术修复岩层环境污染的装置及应用，其成本较低，修复效果好，修复效率高，且处理彻底不形成二次污染，并能有效地去除地下水及其下饱和土壤区域的多种有机污染物以及重金属污染物，且本发明局限性较小，污染处理范围大，只需开设相应数量的注水井和抽水井，配合一套或多套污染处理用的纳米气泡饱和溶液注入组件，根据污染源的不同使用不同的反应气体就可应用于不同污染源，不同污染面积的，不同污染程度的，不同污染深度的岩层环境进行修复，适用于各种深、浅岩层环境的土壤以及地下水污染处理领域。