原位修复地下水中挥发性污染物的空气注射系统与方法

摘要

一种原位修复地下水中挥发性污染物的空气注射系统与方法，该系统包括供气设备、空气注射井、地下水监测井和土壤气监测井。供气设备由地下供气设备和地上供气设备两部分构成。地下供气设备包括位于空气注射井内的注气钢管和膨胀型气体阻隔器。地上供气设备包括与注气钢管连接的注气管路，以及与膨胀型气体阻隔器的充气接口连接的充气管路。本发明设备费用低，工作效率高，能保证地下水快速修复。此外，在地下水修复过程中，不会对生态环境造成二次污染破坏，是一种适合在污染场地地下水修复上大规模应用的技术，可用以高效快捷地解决地下水污染的问题。

说明书

技术领域

本发明属于地下水污染的原位修复领域，具体涉及一种污染场地地下水修复系统及方法。

背景技术

随着工业生产的高速发展，我国地下水污染的问题日益突出，地下水污染所带来的对环境和经济发展的影响也日趋显露。目前，发达国家已经投入大量人力物力对受污区域进行修复，地下水的原位修复技术也得到了迅速的发展。为保障生态环境系统的安全及地下水的可持续利用，必须对已经受到污染的地下水进行修复，因此，相关修复技术的研发已迫在眉睫。

我国在污染场地修复领域起步较晚，针对污染场地中的地下水挥发性有机污染物的修复，目前还没有大规模的实地修复工程应用。目前，地下水的原位修复技术主要有生物修复、物理化学修复等。其中，生物修复主要包括地下微生物降解和地上植物修复，此种修复不会破坏生态环境，但是修复过程缓慢；物理修复包括抽水处理、隔离围封、固化稳定、土壤抽气曝气、超声波和微波处理以及电动力学修复等技术，这些技术能较好地清除污染，但是成本较高，并可能会影响生态环境。理想的环境污染修复技术应该造价低、修复效果好而且不破坏生态环境。

现有空气注射技术是采用直接注射的方式，将压缩空气注入到地下水饱和区通过吹脱作用，使污染物随压缩空气上升进入非饱和区，气态污染物可通过非饱和区生物降解进行处理，或直接抽出进行后续处理。其实质是挥发性污染物从液相转移至气相，并在气相中得以去除。空气注射系统的设计参数需要通过前期的现场测试获取，但是目前为止，有关地下水空气注射修复技术的研究还大多处于实验室研究阶段，缺乏配套成熟的技术体系，从而阻碍了空气注射技术大规模工业化的应用。应用空气注射技术修复地下水时，需构建空气注射井，同时在井内安装阻隔器。该装置为整个技术的关键配套设备，主要目的是确保压缩空气有效地向地下水饱和区注入，同时不能在注射井内产生回流。现有供空气注射技术使用的配套设备，结构复杂且不能重复利用，价格较为昂贵，使用操作难度较大，工程成本高。因此，在应用空气注射技术修复挥发性有机污染地下水的同时，必须开发可重复使用且价格低廉的关键配套设备，才能使空气注射技术得到更广泛的应用。

发明内容

本发明提供一种原位修复地下水中挥发性污染物的空气注射系统与方法，要解决地下水的原位修复进度缓慢、修复成本高、对生态环境造成破坏、难于工业化大规模应用的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

这种原位修复地下水中挥发性有机污染物的空气注射系统，包括供气设备、空气注射井、地下水监测井和土壤气监测井，所述供气设备由地下供气设备和地上供气设备两部分构成；

地下供气设备包括位于空气注射井内的注气钢管和膨胀型气体阻隔器，膨胀型气体阻隔器安装在注气钢管的中下部；所述膨胀型气体阻隔器包括与注气钢管连接的主注气管，主注气管上套有弹性材质的胶筒总成，主注气管还分别在胶筒总成的上下对称套有一组胶筒接头、保护套、中间接头、连接套；所述胶筒总成的上管口套于胶筒接头I下部外侧，保护套I套于胶筒总成的上管口外侧同时与胶筒接头I外壁中部卡紧，中间接头I套于胶筒接头I上部外侧，连接套I连接于中间接头I与上接头之间；上接头、连接套I、中间接头I与主注气管外壁之间围合成注气腔体，并在中间接头I和胶筒接头I二者与主注气管外壁之间留有气体通道，气体通道一端连通注气腔体，另一端连通主注气管与胶筒总成之间的空隙；上接头上设有用于使主注气管与注气钢管连接的上接口，并在上接口旁设有充气接口，充气接口上端与外部充气管连接，充气接口下端向下延伸与注气腔体相连通；所述胶筒总成的下管口套于胶筒接头II上部外侧，保护套II套于胶筒总成的下管口外侧同时与胶筒接头II外壁中部卡紧，中间接头II套于胶筒接头II下部外侧，连接套II连接于中间接头II与接箍之间，接箍下端连接下接头；胶筒接头II和中间接头II二者紧密套于主注气管外壁；

地上供气设备包括与注气钢管连接的注气管路，以及与膨胀型气体阻隔器的充气接口连接的充气管路；所述注气管路由空气压缩机、氦气钢瓶、储罐、输气管、注气管、注气阀、球阀、流量计和压力表构成；空气压缩机的出气口经输气管I与储罐的一个进气口连接，输气管I上依次设有球阀I和流量计I，氦气钢瓶的出气口经输气管II与储罐的另一个进气口连接，输气管II上依次设有球阀II和流量计II；储罐的出气口经注气管与空气注射井内的注气钢管连接，注气管上依次设有球阀III、流量计III、压力表和注气阀，在注气阀和和压力表之间的注气管经支路与球阀                                                连接；所述充气管路由小型空压机、充气管和球阀构成，小型空压机的出气口经充气管与膨胀型气体阻隔器的充气接口连接，充气管上设有球阀；

所述空气注射井由空气注射井井管和填充层构成，空气注射井井管底部密封，空气注射井井管从底部至顶部依次为沉淀管段、筛管段和直管段；沉淀管段长30～50cm，筛管段设置于目标污染区以下0.3～1.5m处，直管段上端延伸至地面以上，所述填充层由石英砂滤层、膨润土层和混凝土层构成，石英砂滤层填充在筛管段周围，其上下两端至少比筛管段长出30cm，膨润土层一部分填充在石英砂滤层与混凝土层之间，其顶面与岩层的弱透水层上端齐平，另一部分填充在石英砂滤层到空气注射井钻孔底部之间，混凝土层填充在膨润土层至地面之间；

所述地下水监测井由地下水监测井井管、井帽与填充层构成，所述地下水监测井井管底部密封，地下水监测井井管从底部至顶部依次为沉淀管段、筛管段和直管段三部分；所述沉淀管段长30～50cm，筛管段放置于目标污染区范围内，长度能够满足水位变化引起的目标污染区的变动，直管段向上延伸至地面，其顶端加盖管帽；所述填充层由石英砂滤层、膨润土层和混凝土层构成，石英砂滤层填充在筛管段周围，其上下两端至少比筛管段长出30cm，膨润土层一部分填充在石英砂滤层与混凝土层之间，其顶面与岩层的弱透水层上端齐平，另一部分填充在石英砂滤层到地下水监测井钻孔底部之间，混凝土层填充在膨润土层至地面之间；

所述土壤气监测井由土壤气探头、导气软管、快接阀门、护管、管帽和填充层构成，所述土壤气探头的管壁上间隔开缝，所述导气软管下端伸入土壤气探头内部，上端高于地面至少30cm并与地面上方的快接阀门相连，快接阀门外侧套有护管，护管上有管帽；所述填充层由石英砂滤层、膨润土层和混凝土层构成，石英砂滤层填充在土壤气探头周围，其上下两端至少比土壤气探头长出30cm，膨润土层一部分填充在石英砂滤层与混凝土层之间，其顶面与岩层的弱透水层上端齐平，另一部分填充在石英砂滤层到土壤气监测井钻孔底部之间，混凝土层填充在膨润土层至地面之间。

所述空气注射井井管、地下水监测井井管、土壤气探头外壳的材质为化工级UPVC，导气软管的材质为PVC。

所述胶筒总成为橡胶材质，该装置其余部件的材质均为35CrMo合金结构钢；胶筒总成的上管口内壁设有用于容纳胶筒接头I下部的内凹槽，上管口外壁设有用于容纳保护套I的外凹槽；所述胶筒总成的下管口与上管口形状相同。

所述主注气管以及上接头的上接口均为偏心设置，充气接口位于上接口远离上接头中心的一侧。

所述中间接头I在与胶筒接头I及连接套I的接触面上开有凹槽并设有密封圈，上接头在与连接套I及主注气管外壁的接触面上开有凹槽并设有密封圈；

所述中间接头II在与胶筒接头II、连接套II及主注气管外壁的接触面上开有凹槽并设有密封圈，接箍在与连接套II及主注气管外壁的接触面上开有凹槽并设有密封圈；

所述中间接头I内壁是与胶筒接头I上部形状呈互为配合的台阶状，中间接头I外壁上部以及上接头外壁下部分别设有用于容纳连接套I的凹槽；

所述中间接头II内壁是与胶筒接头II上部形状呈互为配合的台阶状，中间接头II外壁下部以及接箍外壁上部分别设有用于容纳连接套II的凹槽。

所述保护套I上口设有内沿，胶筒接头I外壁中部有凸缘，保护套I的内沿与胶筒接头I上的凸缘卡紧；

所述保护套II的下口设有内沿，胶筒接头II外壁中部有凸缘，保护套II的内沿与胶筒接头II上的凸缘卡紧。

这种原位修复地下水中挥发性污染物的空气注射方法，步骤如下：

步骤一、通过场地调查，获取场地水文地质参数与污染情况，初步判定技术应用的可行性；

步骤二、在选定区域中，采用直接钻孔方式布设空气注射井、地下水监测井、土壤气监测井，空气注射系统至少设有一个、地下水监测井至少设有两个、土壤气监测井至少设有五个；安装注气系统，并对膨胀型气体阻隔器的运行进行测试，

先开启小型空压机，使压缩空气由膨胀型气体阻隔器的充气接口进入，再经注气腔体、气体通道进入主注气管与胶筒总成之间的空隙，并使胶筒总成逐渐膨胀形成环形密封腔，最终与空气注射井的井壁贴紧，起到与井下液体和气体的阻隔作用；注气开始时，开启空气压缩机，压缩空气通过注气钢管输送至地下水饱和区；注气结束时，先关闭空气压缩机，再关闭小型空压机，缓慢释放压缩空气，待胶筒总成的胶皮恢复成原有状态后，将膨胀型气体阻隔器回收至地面；

步骤三、进行地下水溶解氧本底测试、土壤气本底测试、注气压力与流量测试、地下水压力响应测试、地下水溶解氧测试、氦气示踪测试、土壤气测试；通过注气压力与流量测试，获得最佳注气压力、注气流量；通过地下水压力响应测试、地下水溶解氧测试、氦气示踪测试、土壤气测试，获得4个空气注射影响半径，最终空气注射影响半径范围在测试结果的最小值与最大值之间；

所述地下水溶解氧本底测试具体步骤如下：

步骤1，用地下水液位计测量地下水监测井G1中地下水位；

步骤2，将潜水泵放入地下水监测井G1中水面以下，抽出3～5倍筛管段的地下水，直至抽出的地下水较为清澈；

步骤3，将潜水泵从地下水监测井G1中取出；

步骤4，用地下水液位计测量地下水位，待水位恢复至或接近初始水平后用溶解氧仪测量地下水中溶解氧含量；

步骤5，重复步骤1～4，对其他地下水监测井进行溶解氧测试；

所述土壤气本底测试具体步骤如下：

步骤1，打开土壤气监测井上的管帽与导气软管顶端的快接阀门，将导气软管连接到便携式气体分析仪的进气口，观测CO₂、O₂读数；

步骤2，便携式气体分析仪读数稳定后将VOC测试仪PID放置在便携式气体分析仪的出气口处，记录VOC浓度；

所述注气压力与流量测试具体步骤如下：

步骤1，计算场地最小注气压力Pmin与最大注气压力Pmax，计算方法如下：Pmin(psig)=0.43H+填充材料阻力P+内壁阻力P，Pmax=0.73D。式中，H=地下水位到筛管段上端的高度ft；填充材料阻力P+井内壁阻力P=井中环形填充材料与井内壁构造造成的空气注入阻力,一般砂质土<0.2psig；D=地面到筛管段上端的高度；

步骤2，选择距离空气注射井较近的一个地下水监测井，放置地下水位记录仪；

步骤3，开启球阀、球阀与注气球阀，且关闭其他阀门，开启空气压缩机，调节球阀的开启程度，使空气注气井井口压力表读数P1稍大于Pmin，同时记录空气注气井井口流量计的读数，每隔5min记录一次地下水位记录仪读数；

步骤4，当地下水位稳定后，关闭注气球阀、球阀和空气压缩机，每隔5min记录一次地下水位记录仪读数，直至地下水位恢复至或接近初始水平；

步骤5，重复步骤3～4，其中调节球阀的开启程度，使其的开启度逐步变小大，使注射井口压力表读数Pn逐渐增大，但Pn不能超过Pmax；

步骤6，绘制不同注气压力条件下地下水位高度随注气时间变化图，随着注气压力不断增大，当地下水位高度增幅开始减小或地下水位开始下降时，确定该注气压力为最佳注气压力Pop，与其对应的注气流量作为最佳注气流量Fop；

所述地下水压力响应测试具体步骤如下：

步骤1，在每个地下水监测井中各放置一个地下水位记录仪；

步骤2，开启球阀、球阀与注气球阀，且关闭其他阀门，开启空气压缩机，调节球阀球阀的开启程度，使空气注气井井口压力表与流量计的读数达到最佳注气压力与流量（Pop,Fop）；

步骤3，此时开始计时，每隔5min分别记录一次地下水位记录仪读数，直至达到稳定状态；

步骤4，当地下水位稳定后，关闭注气球阀、球阀和空气压缩机，每隔5min分别记录一次地下水位记录仪读数，直至地下水位恢复至或接近初始水平；

步骤5，绘制不同地下水监测井中地下水位随时间变化曲线图，水位变化相对明显曲线对应的距离均位于空气注射影响范围内，其中最远的距离即为空气注射影响半径；

所述地下水溶解氧测试具体步骤如下：

步骤1，开启球阀、球阀与注气球阀，且关闭其他阀门，开启空气压缩机，调节球阀的开启程度，使空气注气井井口压力表与流量计的读数达到最佳注气压力与流量（Pop,Fop）；

步骤2，开始注气，注气时间要略长于压力响应测试中地下水响应达到稳定的时间，以确保地下水已经达到注气平衡状态；

步骤3，按照距离空气注射井由近及远的顺序，对所有地下水监测井进行洗井与溶解氧的测量，具体做法同溶解氧本底测试；

步骤4，将地下水监测井溶解氧测试结果与溶解氧本底测试结果进行对比，溶解氧浓度变化相对明显曲线对应的距离均位于空气注射影响范围内，其中最远的距离即为空气注射影响半径；

所述氦气示踪测试步骤如下：

步骤1，开启球阀、球阀与注气球阀，且关闭其他阀门，开启空气压缩机，调节球阀的开启程度，使空气注气井井口压力表与流量计的读数达到最佳注气压力与流量（P_op,F_op）；

步骤2，关闭注气球阀，打开球阀，逐渐调节球阀的开启度，使空气注气井井口压力表与流量计读数显示为（P_op,F_op）；

步骤3，打开球阀，调整球阀和球阀，使流量计与流量计的读数成1：10比例，同时保持空气注气井井口压力表与流量计的读数为（P_op,F_op）；

步骤4，用氦气检测仪在球阀处测量氦气浓度；

步骤5，关闭球阀，打开注气球阀，确保球阀关闭的程度与注气球阀开启的程度保持一致，即开始向空气注射井中注入氦气与压缩空气的混合气体；

步骤6，打开土壤气监测井上的管帽，打开导气软管末端的快接阀门，将导气软管连接到便携式气体分析仪的进气口，观测CO₂、O₂读数，读数稳定后将氦气检测仪放置在便携式气体分析仪的出气口处，每隔5min记录一次氦气浓度；

步骤7，氦气浓度稳定后，关闭注气球阀、球阀、球阀、球阀和空气压缩机，每隔5min记录一次氦气浓度，直至氦气浓度为0或者极小；

步骤8，重复步骤1～7，按照距离空气注射井由近到远的顺序，在其它土壤气监测井中进行氦气示踪测试，在进行一个新的氦气测试之前要确保土壤中氦气残留浓度很小；

步骤9，对每个土壤气监测井绘制氦气浓度随时间变化曲线图，氦气浓度变化相对明显曲线对应的距离均位于空气注射影响范围内，其中最远的距离即为空气注射影响半径；

所述土壤气测试具体步骤如下：

步骤1，开启球阀、球阀与注气球阀，且关闭其他阀门，开启空气压缩机，调节球阀的开启程度，使空气注气井井口压力表与流量计读数达到最佳注气压力与流量（P_op,F_op）；

步骤2，开始注气，注气时间要略长于氦气示踪测试过程中氦气示踪达到稳定所需时间；

步骤3，对各个土壤气监测井进行土壤气测试，具体方法同土壤气本底测试；

步骤4，将土壤气测试浓度测试结果与土壤气本底测试结果进行对比，土壤中挥发性有机物浓度，即VOC浓度变化相对明显位置均位于空气注射影响范围内，其中最远的距离即为空气注射影响半径；

步骤四、根据测试获得的影响半径与注气工况，进行空气注射井布置与空气压缩机的布设，并设置地下水监测井与土壤气监测井；

步骤五、开始修复前，在空气注射前通过小型空压机对膨胀型气体阻隔器进行充气，阻隔井下液体与气体，再开启空气压缩机向地下水饱和区输送压缩空气进行注气修复；同时，对注气工况、地下水和土壤气中污染物浓度进行监测，当污染物浓度达到规定的修复目标值后，先关闭空气压缩机，再关闭小型空压机，将膨胀型气体阻隔器回收至地面，修复结束。

所述步骤一中，场地水文地质参数包括土壤类型、粒径分布、水力传导系数、气体渗透性、孔隙度等；污染情况包括污染物组成、污染物性质、污染物是否只存在于潜水层中，是否有非水相液体NPALs相赋存；具有技术应用可行性须同时满足以下条件：地下水层中没有NAPLs赋存、受污染的地下水位于潜水层、含水层的岩性需各项同性且颗粒较粗、土壤渗透性≥1.0×10^-9cm²、污染物在室温下需具有挥发性、污染物的蒸汽压>0.5mmHg、污染物的沸点<250~300℃、污染物的亨利常数>100atm。

所述步骤四中，根据测试中获得的影响半径，采用等三角计算法确定空气注射井的间距，使三个相邻空气注射井之间的连线构成一个等三角形，以此确保井与井之间不存在修复死角，空气压缩机根据现场场地与经济预算情况布设为一井一机或多井一机，每个空气注射井井口须安装压力表与流量计，地下水监测井的布设应遵循以下原则：一、地下水监测井应涵盖修复区域上游、修复区域、修复区域下游；二、地下水监测井的数量与分布根据项目需求与场地环境而定；如果修复场地有地下室、地下管线等敏感体存在，则需要在这些敏感体附近布设土壤气监测井。

所述步骤五中，修复开始阶段，要对每个注射井进行注气压力与注气流量监测，系统运行稳定后，可适当减少注气工况的监测频率；在修复开始前，需要对地下水中污染浓度进行检测；修复过程中，每隔一定时间对地下水中污染物浓度进行检测，掌握地下水中污染物的去除规律，污染物浓度达到修复目标值后仍要对地下水进行一定时间的持续监测，确保地下水中污染物没有反弹；修复过程中如果土壤气监测井中监测到的污染物浓度达到对附近人群或环境造成危害的程度，则需要增设土壤气相抽提系统。

本发明的有益效果如下：

本发明是将加压后的气体（通常采用空气或氧气）注射到地下水的饱和带中，以降低吸附在土壤以及溶解在地下水中的可挥发性物质的浓度。同时，空气注射还可以增加地下水中的氧，从而促进生物降解。

修复施工时，将本发明特别设计的膨胀型气体阻隔器下放至空气注射井内相应位置，通过充气管路向主注气管外壁与胶筒总成之间注入压缩空气，使胶筒总成逐渐膨胀形成密闭的环形空间，最终与井壁贴紧，从而确保通过主注气管的压缩空气单向注入地下含水层中，实现井下气体与液体的阻隔。该装置有效地解决了空气注射技术实际工程应用的一个关键难题。当整个修复工程结束时，可通过与充气接口连接的管路缓慢释放压缩空气，使胶筒总成的胶皮慢慢恢复成原有状态，即装置被解封，解封后的装置可利用吊卡等专有工具回收至地面。该膨胀型气体阻隔器除胶筒总成的胶皮为橡胶材质外，其余材质均采用35CrMo合金结构钢，具有较高的静力强度、冲击韧性及疲劳极限。主注气管以及在上接头中的上接口偏心设置，可确保充气接口与胶筒密封腔顺利连接。膨胀型气体阻隔器的结构简单、便于安装使用，座封可靠、密封性好、保压时间长、阻隔作用明显、能耗低，装置泄压后能从注射井内收回、解封、取出以实现重复利用，使用成本低廉。使用膨胀型气体阻隔器能够保证在空气注射井内实现快速、单向注气，能够满足对挥发性有机物污染场地的地下水采用大规模原位空气注射技术修复的需要。

本发明原位修复地下水中挥发性污染物的空气注射方法通过注气压力与流量测试，可获得最佳注气压力、注气流量；通过地下水压力响应测试、地下水溶解氧测试、氦气示踪测试、土壤气测试，可获得空气注射影响半径，从而使系统的修复效率达到最佳，在控制修复成本的同时保证了修复效果。

本发明克服了传统方法进度缓慢、成本高、对生态环境造成破坏的缺点，解决了地下水修复领域中难于工业化大规模应用的技术问题。

本发明设备费用低，工作效率高，能保证地下水快速修复。此外，在地下水修复过程中，不会对生态环境造成二次污染破坏，是一种适合在污染场地地下水修复上大规模应用的技术，可用以高效快捷地解决地下水污染的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明测试步骤的平面布置图。

图2是供气设备的结构示意图。

图3是空气注射井的剖面图。

图4是地下水监测井的剖面图。

图5是土壤气监测井的剖面图。

图6是膨胀型气体阻隔器的结构示意图。

图7是图6上部的放大图。

图8是图6下部的放大图。

图9是图6的俯视结构示意图。

图10是膨胀型气体阻隔器的使用方法示意图。

附图标记：1-空气注射井、2-地下水监测井、3-土壤气监测井、4-膨胀型气体阻隔器、4.1－上接头、4.2－连接套I、4.3－中间接头I、4.4－保护套I、4.5－胶筒接头I、4.6－胶筒总成、4.7－主注气管、4.8－接箍、4.9－下接头、4.10－连接套II、4.11-中间接头II、4.12-保护套II、4.13-胶筒接头II、4.14-密封圈、4.15-注气腔体、4.16-气体通道、4.17-环形密封腔、4.18-充气接口、4.19-上接口、5-氦气钢瓶、6-球阀I、7-球阀II、8-流量计I、9-流量计II、10-储罐、11-球阀III、12-流量计III、13-压力表、14-球阀、15-注气阀、16-注气钢管、17-空气压缩机、18-小型空压机、19-球阀、20-输气管I、21-输气管II、22-支路、23-注气管、24-充气管、25-空气注射井井管、25.1-直管段、25.2-筛管段、25.3-沉淀管段、26-石英砂滤层、27-膨润土层、28-混凝土层、29-管帽、30-地下水监测井井管、30.1-直管、30.2-筛管、30.3-沉淀管、31-护管、32-快接阀门、33-导气软管、34-土壤气探头、35-地下水最高水位、36-地面。

具体实施方式

实施例参见图1、图2所示，这种原位修复地下水中挥发性有机污染物的空气注射系统，包括供气设备、空气注射井1、地下水监测井2和土壤气监测井3。所述供气设备由地下供气设备和地上供气设备两部分构成。在空气注射影响测试时，空气注射系统1至少设有一个、地下水监测井2至少设有两个、土壤气监测井3至少设有五个，地下水监测井2即图1中标记G1、G2、G3、土壤气监测井3即图1中标记S1、S2、S3、S4、S5、S6，所述地下水监测井2与土壤气监测井3的布设应该能获取距离空气注射井1不同距离不同方向上的气流分布状况，具体布置情况可根据现场条件进行相应调整。

参见图2所示，地下供气设备包括位于空气注射井1内的注气钢管16和膨胀型气体阻隔器17，膨胀型气体阻隔器17安装在注气钢管16的中下部。

地上供气设备包括与注气钢管16连接的注气管路，以及与膨胀型气体阻隔器4的充气接口4.18连接的充气管路；所述注气管路由空气压缩机17、氦气钢瓶5、储罐10、输气管、注气管、注气阀、球阀、流量计和压力表构成；空气压缩机17的出气口经输气管I20与储罐10的一个进气口连接，输气管I上依次设有球阀I6和流量计I8，氦气钢瓶5的出气口经输气管II21与储罐10的另一个进气口连接，氦气钢瓶5中氦气纯度为99.999%；输气管II上依次设有球阀II7和流量计II9；储罐10的出气口经注气管23与空气注射井1内的注气钢管16连接，注气管23上依次设有球阀III11、流量计III12、压力表13和注气阀15，在注气阀和和压力表之间的注气管23经支路22与球阀14连接；所述充气管路由小型空压机18、充气管24和球阀19构成，小型空压机18的出气口经充气管24与膨胀型气体阻隔器4的充气接口4.18连接，充气管24上设有球阀19。

参见图3所示，所述空气注射井1由空气注射井井管25和填充层构成，空气注射井井管25,的材质为化工级UPVC，空气注射井井管底部密封，从底部至顶部依次为沉淀管段25.3、筛管段25.2和直管段25.1；沉淀管段长30～50cm，筛管段设置于目标污染区以下0.3～1.5m处，筛管段缝宽0.05mm，缝间距1cm，长度为0.3m-1.5m；直管段上端延伸至地面以上，所述填充层由石英砂滤层26、膨润土层27和混凝土层28构成，石英砂滤层6填充在筛管段25.2周围，其上下两端至少比筛管段长出30cm，膨润土层27一部分填充在石英砂滤层26与混凝土层28之间，其顶面与岩层的弱透水层上端齐平，另一部分填充在石英砂滤层26到空气注射井钻孔底部之间，混凝土层28填充在膨润土层27至地面36之间。

参见图4所示，所述地下水监测井2由地下水监测井井管30、井帽29与填充层构成，地下水监测井井管30的材质为化工级UPVC，地下水监测井井管30底部密封，从底部至顶部依次为沉淀管段30.3、筛管段30.2和直管段30.1三部分；所述沉淀管段30.3长30～50cm，筛管段30.2放置于目标污染区范围内，长度能够满足水位变化引起的目标污染区的变动，直管段30.1向上延伸至地面，其顶端加盖管帽24；所述填充层由石英砂滤层26、膨润土层27和混凝土层28构成，石英砂滤层26填充在筛管段30.2周围，其上下两端至少比筛管段长出30cm，膨润土层27一部分填充在石英砂滤层26与混凝土层28之间，其顶面与岩层的弱透水层上端齐平，另一部分填充在石英砂滤层26到地下水监测井钻孔底部之间，混凝土层28填充在膨润土层27至地面36之间。地下水监测井建井结束后需用贝勒管或者其他洗井设备洗井，直到地下水的pH值、电导率、氧化还原电位、溶解氧、浊度、水温等水质参数值稳定，洗井结束。

参见图5所示，所述土壤气监测井3由土壤气探头34、导气软管33、快接阀门32、护管31、管帽29和填充层构成，所述土壤气探头34采用材质为化工级UPVC，外径25mm，其管壁上间隔开缝，缝宽0.5mm，缝间距5mm，长度至少0.15m，导气软管33的材质为PVC软管，外径10mm，导气软管33下端伸入土壤气探头34内部，上端高于地面至少30cm并与地面上方的快接阀门32相连，快接阀门外侧套有护管31，护管31下部埋于混凝土层28中20cm，上部伸出地面不低于30cm，护管上有管帽29；所述填充层由石英砂滤层26、膨润土层27和混凝土层28构成，石英砂滤层26填充在土壤气探头34周围，其上下两端至少比土壤气探头34长出30cm，膨润土层27一部分填充在石英砂滤层26与混凝土层28之间，其顶面与岩层的弱透水层上端齐平，另一部分填充在石英砂滤层26到土壤气监测井钻孔底部之间，混凝土层28填充在膨润土层27至地面36之间。

参见图6～8所示，所述膨胀型气体阻隔器包括与注气钢管16连接的主注气管4.7，主注气管上套有弹性材质的胶筒总成4.6，主注气管4.7还分别在胶筒总成的上下对称套有一组胶筒接头、保护套、中间接头、连接套；所述胶筒总成4.6的上管口套于胶筒接头I4.5下部外侧，保护套I4.4套于胶筒总成4.6的上管口外侧同时与胶筒接头I4.5外壁中部卡紧，中间接头I4.3套于胶筒接头I4.5上部外侧，连接套I4.2连接于中间接头I4.3与上接头4.1之间；上接头4.1、连接套I4.2、中间接头I4.3与主注气管4.7外壁之间围合成注气腔体4.15，并在中间接头I4.3和胶筒接头I4.5二者与主注气管4.7外壁之间留有气体通道4.16，气体通道一端连通注气腔体4.15，另一端连通主注气管4.7与胶筒总成4.6之间的空隙；上接头4.1上设有用于使主注气管4.7与注气钢管16连接的上接口4.19，并在上接口4.19旁设有充气接口4.18，充气接口上端与外部充气管17连接，充气接口4.18下端向下延伸与注气腔体4.15相连通；所述胶筒总成4.6的下管口套于胶筒接头II4.13上部外侧，保护套II4.12套于胶筒总成4.6的下管口外侧同时与胶筒接头II4.13外壁中部卡紧，中间接头II4.11套于胶筒接头II4.13下部外侧，连接套II4.10连接于中间接头II4.11与接箍4.8之间，接箍4.8下端连接下接头4.9；胶筒接头II4.13和中间接头II4.11二者紧密套于主注气管4.7外壁。

所述胶筒总成4.6为橡胶材质，该装置其余部件的材质均为35CrMo合金结构钢；胶筒总成4.6的上管口内壁设有用于容纳胶筒接头I4.5下部的内凹槽，上管口外壁设有用于容纳保护套I4.4的外凹槽；所述胶筒总成4.6的下管口与上管口形状相同。

所述中间接头I4.3在与胶筒接头I4.5及连接套I4.2的接触面上开有凹槽并设有密封圈4.14，上接头4.1在与连接套I4.2及主注气管4.7外壁的接触面上开有凹槽并设有密封圈4.14；

所述中间接头II4.11在与胶筒接头II4.13、连接套II4.10及主注气管4.7外壁的接触面上开有凹槽并设有密封圈4.14，接箍4.8在与连接套II4.10及主注气管4.7外壁的接触面上开有凹槽并设有密封圈4.14；

所述中间接头I4.3内壁是与胶筒接头I4.5上部形状呈互为配合的台阶状，中间接头I4.3外壁上部以及上接头4.1外壁下部分别设有用于容纳连接套I4.2的凹槽；

所述中间接头II4.11内壁是与胶筒接头II4.13上部形状呈互为配合的台阶状，中间接头II4.11外壁下部以及接箍4.8外壁上部分别设有用于容纳连接套II4.10的凹槽。

所述保护套I4.4上口设有内沿，胶筒接头I4.5外壁中部有凸缘，保护套I4.4的内沿与胶筒接头I4.5上的凸缘卡紧；

所述保护套II4.12的下口设有内沿，胶筒接头II4.13外壁中部有凸缘，保护套II4.12的内沿与胶筒接头II4.12上的凸缘卡紧。

参见图9所示，所述主注气管4.7以及上接头4.1的上接口4.19均为偏心设置，充气接口4.18位于上接口4.19远离上接头中心的一侧。

 

这种原位修复地下水中挥发性污染物的空气注射方法，步骤如下：

步骤一、通过场地调查，获取场地水文地质参数与污染情况，初步判定技术应用的可行性；场地水文地质参数包括土壤类型、粒径分布、水力传导系数、气体渗透性、孔隙度等；污染情况包括污染物组成、污染物性质、污染物是否只存在于潜水层中，是否有非水相液体NPALs相赋存；具有技术应用可行性须同时满足以下条件：地下水层中没有NAPLs赋存、受污染的地下水位于潜水层、含水层的岩性需各项同性且颗粒较粗、土壤渗透性≥1.0×10^-9cm²、污染物在室温下需具有挥发性、污染物的蒸汽压>0.5mmHg、污染物的沸点<250~300℃、污染物的亨利常数>100atm；

步骤二、在选定区域中，采用直接钻孔方式布设空气注射井1、地下水监测井2、土壤气监测井3，空气注射系统1至少设有一个、地下水监测井2至少设有两个、土壤气监测井3至少设有五个；安装注气系统，并对膨胀型气体阻隔器的运行进行测试，

先开启小型空压机18，使压缩空气由膨胀型气体阻隔器的充气接口4.18进入，再经注气腔体4.15、气体通道4.16进入主注气管4.7与胶筒总成4.6之间的空隙，并使胶筒总成4.6逐渐膨胀形成环形密封腔4.17，最终与空气注射井1的井壁贴紧，起到与井下液体和气体的阻隔作用；注气开始时，开启空气压缩机17，压缩空气通过注气钢管16输送至地下水饱和区；注气结束时，先关闭空气压缩机17，再关闭小型空压机18，缓慢释放压缩空气，待胶筒总成4.6的胶皮恢复成原有状态后，将膨胀型气体阻隔器4回收至地面36；所述小型空压机18设定出口压力为0.6Mpa，当压力高于0.6Mpa时，压缩机停止工作；当压力低于0.4Mpa时，压缩机开始工作；

步骤三、进行地下水溶解氧本底测试、土壤气本底测试、注气压力与流量测试、地下水压力响应测试、地下水溶解氧测试、氦气示踪测试、土壤气测试；通过注气压力与流量测试，获得最佳注气压力、注气流量；通过地下水压力响应测试、地下水溶解氧测试、氦气示踪测试、土壤气测试，获得4个空气注射影响半径，最终空气注射影响半径范围在测试结果的最小值与最大值之间；

所述地下水溶解氧本底测试具体步骤如下：

步骤1，用地下水液位计测量地下水监测井G1中地下水位；

步骤2，将潜水泵放入地下水监测井G1中水面以下，抽出3～5倍筛管段的地下水，直至抽出的地下水较为清澈；

步骤3，将潜水泵从地下水监测井G1中取出；

步骤4，用地下水液位计测量地下水位，待水位恢复至或接近初始水平后用溶解氧仪测量地下水中溶解氧含量；

步骤5，重复步骤1～4，对其他地下水监测井进行溶解氧测试；

所述土壤气本底测试具体步骤如下：

步骤1，打开土壤气监测井上的管帽29与导气软管33顶端的快接阀门32，将导气软管连接到便携式气体分析仪的进气口，观测CO₂、O₂读数；

步骤2，便携式气体分析仪读数稳定后将VOC测试仪PID放置在便携式气体分析仪的出气口处，记录VOC浓度；

所述注气压力与流量测试具体步骤如下：

步骤1，计算场地最小注气压力Pmin与最大注气压力Pmax，计算方法如下：Pmin(psig)=0.43H+填充材料阻力P+内壁阻力P，Pmax=0.73D。式中，H=地下水位到筛管段上端的高度ft；填充材料阻力P+井内壁阻力P=井中环形填充材料与井内壁构造造成的空气注入阻力,一般砂质土<0.2psig；D=地面到筛管段上端的高度；

步骤2，选择距离空气注射井1较近的一个地下水监测井2，放置地下水位记录仪；

步骤3，开启球阀6、球阀11与注气球阀15，且关闭其他阀门，开启空气压缩机17，调节球阀11的开启程度，使空气注气井1井口压力表13读数P1稍大于Pmin，同时记录空气注气井1井口流量计12的读数，每隔5min记录一次地下水位记录仪读数；

步骤4，当地下水位稳定后，关闭注气球阀15、球阀6和空气压缩机17，每隔5min记录一次地下水位记录仪读数，直至地下水位恢复至或接近初始水平；

步骤5，重复步骤3～4，其中调节球阀11的开启程度，使其的开启度逐步变小大，使注射井口压力表读数Pn逐渐增大，但Pn不能超过Pmax；

步骤6，绘制不同注气压力条件下地下水位高度随注气时间变化图，随着注气压力不断增大，当地下水位高度增幅开始减小或地下水位开始下降时，确定该注气压力为最佳注气压力Pop，与其对应的注气流量作为最佳注气流量Fop；

所述地下水压力响应测试具体步骤如下：

步骤1，在每个地下水监测井中各放置一个地下水位记录仪；

步骤2，开启球阀6、球阀11与注气球阀15，且关闭其他阀门，开启空气压缩机17，调节球阀球阀的开启程度，使空气注气井井口压力表13与流量计12的读数达到最佳注气压力与流量Pop,Fop；

步骤3，此时开始计时，每隔5min分别记录一次地下水位记录仪读数，直至达到稳定状态；

步骤4，当地下水位稳定后，关闭注气球阀15、球阀6和空气压缩机17，每隔5min分别记录一次地下水位记录仪读数，直至地下水位恢复至或接近初始水平；

步骤5，绘制不同地下水监测井2中地下水位随时间变化曲线图，水位变化相对明显曲线对应的距离均位于空气注射影响范围内，其中最远的距离即为空气注射影响半径；

所述地下水溶解氧测试具体步骤如下：

步骤1，开启球阀6、球阀11与注气球阀15，且关闭其他阀门，开启空气压缩机17，调节球阀的开启程度，使空气注气井井口压力表13与流量计12的读数达到最佳注气压力与流量Pop,Fop；

步骤2，开始注气，注气时间要略长于压力响应测试中地下水响应达到稳定的时间，以确保地下水已经达到注气平衡状态；

步骤3，按照距离空气注射井1由近及远的顺序，对所有地下水监测井2进行洗井与溶解氧的测量，具体做法同溶解氧本底测试；

步骤4，将地下水监测井2溶解氧测试结果与溶解氧本底测试结果进行对比，溶解氧浓度变化相对明显曲线对应的距离均位于空气注射影响范围内，其中最远的距离即为空气注射影响半径；

所述氦气示踪测试步骤如下：

步骤1，开启球阀6、球阀11与注气球阀15，且关闭其他阀门，开启空气压缩机17，调节球阀的开启程度，使空气注气井井口压力表13与流量计12的读数达到最佳注气压力与流量P_op,F_op；

步骤2，关闭注气球阀15，打开球阀14，逐渐调节球阀的开启度，使空气注气井井口压力表13与流量计12读数显示为P_op,F_op；

步骤3，打开球阀7，调整球阀和球阀，使流量计9与流量计8的读数成1：10比例，同时保持空气注气井井口压力表13与流量计12的读数为P_op,F_op；

步骤4，用氦气检测仪在球阀14处测量氦气浓度；

步骤5，关闭球阀14，打开注气球阀15，确保球阀14关闭的程度与注气球阀15开启的程度保持一致，即开始向空气注射井中注入氦气与压缩空气的混合气体；

步骤6，打开土壤气监测井上的管帽29，打开导气软管33末端的快接阀门32，将导气软管连接到便携式气体分析仪的进气口，观测CO₂、O₂读数，读数稳定后将氦气检测仪放置在便携式气体分析仪的出气口处，每隔5min记录一次氦气浓度；

步骤7，氦气浓度稳定后，关闭注气球阀15、球阀11、球阀7、球阀6和空气压缩机，每隔5min记录一次氦气浓度，直至氦气浓度为0或者极小；

步骤8，重复步骤1～7，按照距离空气注射井1由近到远的顺序，在其它土壤气监测井3中进行氦气示踪测试，在进行一个新的氦气测试之前要确保土壤中氦气残留浓度很小；

步骤9，对每个土壤气监测井3绘制氦气浓度随时间变化曲线图，氦气浓度变化相对明显曲线对应的距离均位于空气注射影响范围内，其中最远的距离即为空气注射影响半径；

所述土壤气测试具体步骤如下：

步骤1，开启球阀6、球阀11与注气球阀15，且关闭其他阀门，开启空气压缩机17，调节球阀的开启程度，使空气注气井井口压力表13与流量计12读数达到最佳注气压力与流量P_op,F_op；

步骤2，开始注气，注气时间要略长于氦气示踪测试过程中氦气示踪达到稳定所需时间；

步骤3，对各个土壤气监测井3进行土壤气测试，具体方法同土壤气本底测试；

步骤4，将土壤气测试浓度测试结果与土壤气本底测试结果进行对比，土壤中挥发性有机物浓度，即VOC浓度变化相对明显位置均位于空气注射影响范围内，其中最远的距离即为空气注射影响半径；

步骤四、根据测试获得的影响半径与注气工况，进行空气注射井布置与空气压缩机的布设，并设置地下水监测井与土壤气监测井；根据测试中获得的影响半径，采用等三角计算法确定空气注射井的间距，使三个相邻空气注射井之间的连线构成一个等三角形，以此确保井与井之间不存在修复死角，空气压缩机根据现场场地与经济预算情况布设为一井一机或多井一机，每个空气注射井井口须安装压力表与流量计，地下水监测井的布设应遵循以下原则：一、地下水监测井应涵盖修复区域上游、修复区域、修复区域下游；二、地下水监测井的数量与分布根据项目需求与场地环境而定；如果修复场地有地下室、地下管线等敏感体存在，则需要在这些敏感体附近布设土壤气监测井；

步骤五、开始修复前，在空气注射前通过小型空压机对膨胀型气体阻隔器进行充气，阻隔井下液体与气体，再开启空气压缩机17向地下水饱和区输送压缩空气进行注气修复；同时，对注气工况、地下水和土壤气中污染物浓度进行监测，当污染物浓度达到规定的修复目标值后，先关闭空气压缩机17，再关闭小型空压机18，将膨胀型气体阻隔器4回收至地面36，修复结束。修复开始阶段，要对每个注射井进行注气压力与注气流量监测，系统运行稳定后，可适当减少注气工况的监测频率；在修复开始前，需要对地下水中污染浓度进行检测；修复过程中，每隔一定时间对地下水中污染物浓度进行检测，掌握地下水中污染物的去除规律，污染物浓度达到修复目标值后仍要对地下水进行一定时间的持续监测，确保地下水中污染物没有反弹；修复过程中如果土壤气监测井中监测到的污染物浓度达到对附近人群或环境造成危害的程度，则需要增设土壤气相抽提系统。

采用本发明的地下水修复试验测试结果如下：

污染物主要为挥发性苯，无NAPLs相赋存；地下水埋深为13.5m，粘土层埋深14.5m，地下水层厚度为1m，含水层岩性主要为中砂和细砂，渗透系数为10m/d，水位年内自然变化幅度约1~2m。空气注射井钻孔埋深15.3m，井管外径为63mm，沉淀管长度0.3m，空气注射井筛管长度0.5m，筛管顶端位于水面以下0.5m；地下水监测井钻孔埋深15.3m，井管外径为63mm，沉淀管长度0.3m，地下水监测井筛管长度3.0m，筛管顶端位于水面以上2m；土壤气监测井钻孔埋深12.0m，土壤气探头外径为25mm，长度为0.6m，土壤气探头底端埋深为11.5m。通过现场测试确定该场地的最佳注气压力与流量为0.03MPa，23.2m³/h，影响半径为5m。