用微纳米气泡对污染地下水强化原位修复的方法及系统

摘要

本发明属于受污染地下水修复技术领域，特别涉及一种用微纳米气泡对污染地下水强化原位修复的方法及系统。在地下水被污染物污染区域的上游位置设置注水井，向其中通入含营养盐的微纳米气泡水；含营养盐的微纳米气泡水随地下水流动移至污染区域，分解污染物或为微生物持续补充电子受体/供体，促进有机污染物的降解去除；同时设置抽水井在污染区域下游抽水，形成地下水流场；通过监测井对去除有机污染物过程中各参数进行实时监测和分析，调节微纳米气泡的发生时间和曝气量。微纳米气泡供氧效果好、持续时间长、影响范围大，弥补自然降解和生物通风等常规原位修复技术的不足，成本低、节能高效，适宜于有限面积、高污染负荷的场地修复。

说明书

技术领域

本发明属于受污染地下水修复技术领域，特别涉及一种用微纳米气泡对污染 地下水强化原位修复的方法及系统。

背景技术

环境与发展，是当今国际社会普遍关注的重大问题。为了实现可持续的发展， 环境保护和治理工作应是发展过程的组成部分。地下水资源作为全球水资源的重 要组成部分，在我国地表水严重污染的条件下，对于经济和社会发展具有极其重 要的作用。近年来，由于社会经济的高速发展和工业废弃物的大量产生，全球的 环境污染问题日益严重。目前我国地下水质量恶化趋势显著，污染形势十分严峻， 许多地区地下水不同程度遭受有毒有害有机物和无机物的污染。国家“十二五” 规划提出要“加大环境保护力度”，解决“土壤污染等损害群众健康的突出环境 问题”，“加强地下水污染防治”。2011年10月发布的《全国地下水污染防治规划 (2011-2020年)》指出要“初步遏制地下水水质恶化趋势”，“加强重点工业行 业地下水环境监管”，“有计划地加快推进地下水污染修复”。环境友好和节能高 效的污染地下水创新修复技术的开发和应用是我国国民经济和社会可持续发展 的重要途径。

地下水原位修复技术由于成本较低、对环境干扰较小而得到迅速发展，是地 下水污染修复的主要技术。地下水曝气法、抽水处理与生物强化技术是污染地下 水原位修复的常规技术，常用于有限面积、高污染负荷的场地。传统的地下水曝 气法将压缩空气通过曝气井注入饱和土壤及地下水中，空气向上的流动使土壤和 地下水中的污染组分产生解吸和挥发等作用，随气流进入土壤非饱和区。同时气 流中的氧气不断溶解于土壤水中增加溶解氧含量，为好氧生物降解有机物创造了 条件，加速地下水中的微生物降解作用。生物修复技术是80年代以来出现和发 展的清除和治理环境污染的生物工程技术，其主要利用生物特有的分解有毒有害 物质的能力，去除污染环境中的污染物，达到清除环境污染的目的。生物强化法 (EBR)通常为微生物生长和降解作用改善环境条件，提供足量的电子受体/供体、 营养盐类，提高微生物的代谢作用和降解活性水平，以促进对污染物的降解速度， 能够直接针对主要污染区进行修复。抽水处理法(Pump and Treat，简称P&T)是传 统地下水修复技术，通过设计合适的抽水井和地下水流场、使之形成包含整个地 下水污染羽状体的截获区，不断的抽取污染地下水，使污染晕的范围和污染程度 逐渐减小，并使含水层介质中的污染物向水中转化而得到清除。EBR通常与P&T 相结合，通过地下水的运动来输送电子受体/供体和营养盐类，促进微生物活动。 EBR技术对环境友好，发展潜力巨大，但目前EBR的主要瓶颈之一是如何高效 输送电子受体/供体和营养盐类，为微生物作用创造良好的环境条件。因此，供氧 效果好、持续时间长、影响范围大的电子受体/供体和营养盐类输送技术成为EBR 的关键技术和发展方向。此外，在污染源等高浓度区，由于污染物对微生物活性 的阻碍，微生物降解的作用受到极大的抑制。因此，将污染物浓度降至微生物可 以接受的水平也是重要的课题。

电子受体/供体的提供主要通过气体提供，常用气体主要包括空气、氧气、氢 气等。为提高地下水中气体溶解量和持续供应能力，降低气泡直径从而增加气泡 内压和在水体内的滞留时间是关键技术。目前微纳米气泡生成技术已经发展成 熟，采用特定的设备可使地下水中气泡直径达到微纳米级。微纳米气泡直径较小， 在水体中停留时间较长，可以随地下水运动，迁移影响范围远大于普通气泡；气 泡内压较大，其高溶解能力可为水体提供高含量的溶解氧；同时，微纳米气泡气 液界面带负电荷，可以与特定的污染物相互作用，微纳米气泡破裂时产生的自由 基和振动波也可促进污染物的去除。营养盐的提供通常采用直接向地下水中添加 并通过地下流场输运的方法，可进一步改善微生物的环境条件，促进微生物降解 作用。

在高浓度区，通过注入氧化剂直接氧化污染物的方法，例如注入臭氧气体， Fenton(亚铁盐和过氧化氢的组合)等，与地下水曝气法具有相似的缺点。而采 用低浓度臭氧为注入气体的微纳米气泡则可以解决这类问题，在短时间内将污染 物浓度降至微生物可以接受的水平。由于臭氧生成物为氧气，对下阶段的微生物 降解不会产生不利的影响。微纳米气泡的供给效果好、持续时间长、影响范围大， 与抽水处理技术相结合，可以弥补地下水曝气、抽水处理和强化生物修复等常规 原位修复技术的不足，促进微生物降解作用，对污染地下水进行修复。本发明通 过微纳米气泡曝气设备向地下水系统中注入微纳米气泡水，根据污染物种类浓度 和水文地质环境条件，可以分阶段，分区域注入，注入气体可以为臭氧，也可以 为空气、氧气等电子受体，以及氢气等电子供体；同时在微纳米曝气装置的出水 口处设置营养盐添加装置，向地下水中添加营养盐；通过注水井和抽水井的协调 作用，调整地下水流场特征，将微纳米气泡和营养盐输运到特定区域，修复污染 场地。本发明提供一种环境友好和节能高效的地下水修复技术。

发明内容

本发明提供了一种用微纳米气泡对污染地下水强化原位修复的方法及系统， 可以对不同水文地质环境条件和不同有机污染场地进行原位地下水修复，同时对 修复过程污染物浓度、微生物种群和数量、温度、pH值、电子交换能力等参数 进行实施监测和分析，为相关科学研究提供实验数据。

本发明提供的用微纳米气泡对污染地下水强化原位修复的方法，包括以下步 骤：

(1)在地下水受污染区域的上游位置设置一个或多个注水井，气体与水通 过微纳米气泡曝气装置产生含有微纳米气泡的水，并在含有微纳米气泡的水中添 加营养盐，通过注水井进入地下水系统中；

(2)微纳米气泡和营养盐随地下水的运动输移扩散，直接分解有机污染物 或为微生物持续补充电子受体、电子供体以及营养盐，促进有机污染物的降解去 除；

(3)在地下水被有机污染物污染区域的下游位置设置一个或多个抽水井， 抽取地下水并进行处理，形成控制微纳米气泡运移范围的地下水流场，提高场地 整体的修复效率并防止污染范围扩大；

(4)在污染区域设置多个不同位置的与地表连通的监测井，利用监测井对 去除有机污染物过程中各参数进行实时监测和分析，并根据分析结果，调节微纳 米气泡的发生时间和曝气量，以及人工地下水流场。

所述有机污染物的浓度为5000ppm～10000ppm。

所述微纳米气泡的尺寸为100nm～0.2mm。

所述物理法包括过滤法、重力分离，所述化学法包括加药法、电解法、离子 交换法，所述生物法包括活性泥法、生物膜法。

所述气体为电子供体或电子受体，为空气、氧气、臭氧或氢气中的一种。

所述营养盐为氨基酸、维生素、含碳、氮、磷或微量元素的化合物中的一种 或多种。

本发明提供的基于所述方法的用微纳米气泡对污染地下水强化原位修复的 系统，其组成为：在地下水被有机污染物污染区域的上游位置设置一个或多个注 水井，在污染区域的上方设置多个位置不同的监测井，在污染区域的下游位置设 置一个或多个抽水井；在地表设置微纳米气泡曝气装置，气体供应装置和水箱分 别通过供气管和供水管与微纳米气泡曝气装置连接，微纳米气泡曝气装置的出口 与营养盐添加装置连接后，通过注水管伸入注水井；在各个监测井内分别设置水 质监测传感器；在抽水井旁的地表设置抽水泵，其进水口端与伸入抽水井的抽水 管连接，出水端与水体处理装置连接。

所述微纳米气泡曝气装置的进水量和出水量为10L/min～200L/min，产生的 微纳米气泡的尺寸为100nm～0.2mm。

所述供气管上设置气体流量计、气压表以及气压阀。

所述供水管上设置水压阀以及水体流量计。

本发明中，用微纳米气泡对有机污染物进行去除的主要机理如下：

(1)微纳米气泡增加地下水中的溶解臭氧，直接分解高浓度有机物污染物 (例如石油烃类和有机氯化物类)；微纳米气泡增加地下水中的溶解氧，促进好 氧微生物成长和有机污染物(例如石油烃类)的降解，现场好氧菌可达原来的10 倍以上；微纳米气泡增加地下水中的溶解氢，促进厌氧脱氯微生物成长和有机物 污染物(例如有机氯化物类)的降解；同时微纳米气泡水中添加的营养盐也可以 促进微生物的活动，促进污染物降解。

(2)利用地下水流场对吸附在土颗粒上的污染物进行冲洗，将抽水井抽出 的污染水体进行进一步处理。

(3)微纳米气泡表面带电，对污染物有吸附作用。

(4)微纳米气泡破裂时释放能量，生成羟基自由基离子，对污染物具有氧 化分解作用。

本发明具有以下有益效果：

(1)能够对不同场地水文地质体条件，有机污染情况(种类和浓度等)，以 及微生物生态环境条件，选择注入气体的种类，浓度和设计修复技术的细节，具 有成本低，环境友好和节能高效的特点。适宜于有限面积、高污染负荷的场地修 复。

(2)能实时监测各项参数，主要包括污染物浓度、微生物种群和数量、温 度、pH值、电子交换能力等，对修复效果的进行科学分析和评价，从而进一步 降低成本和提高修复效率。

(3)该技术刺激和促进土著微生物生长和增殖，不引入其它环境微生物， 对场地环境和生态工程影响小。

(4)该技术所需注水井、监测井和抽水井可以部分采用已有的工程井位， 初始投资少，运营成本低。

(5)地下水修复达到环境标准后，相关技术设备可以回收进行重复利用。

附图说明

图1为微纳米气泡曝气装置及注水井部分结构示意图；

图2为地下水污染物去除过程整体示意图。

图中标号：

1-气体供应装置；2-水箱；3-微纳米气泡曝气装置；4-营养盐添加装置；5- 供水管；6-供气管；7-注水管；8-气体流量计；9-气压表；10-气压阀；11-水体流 量计；12-水压阀；13-微纳米气泡水；14-水质监测传感器；15-抽水泵；16-水体 处理装置；17-抽水管。

具体实施方式

本发明提供了一种用微纳米气泡对污染地下水强化原位修复的方法及系统， 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

利用本发明所述的方法和系统对地下水有机污染物进行微纳米气泡曝气去 除的现场实施方案如下：

(1)确定地下水有机污染物的区域，并确定地下水的流动方向；该被污染 的区域不限，有机污染物的浓度在5000ppm～10000ppm时，修复效果好且性价比 较高；

(2)在污染区域的上游以及污染源区的位置建设注水井，或采用已有井位； 在注水井附近的地表设置微纳米气泡曝气装置3，气体供应装置1和水箱2分别 通过供气管6和供水管5与微纳米气泡曝气装置3连接，供气管6上设置气体流 量计8、气压表9以及气压阀10，供水管5上设置水压阀12以及水体流量计11； 微纳米气泡曝气装置3的出口与营养盐添加装置4连接后，通过注水管7伸入注 水井；气体供应装置1中供应的气体为空气、氧气、臭氧、氢气中的一种；营养 盐为氨基酸、维生素、含碳、氮、磷或微量元素的化合物中的一种或多种。微纳 米气泡曝气装置1的进水量和出水量为10L/min～200L/min，产生的微纳米气泡 的尺寸为100nm～0.2mm；

(3)在污染区域的下游位置建设抽水井，抽水井的布置能提高场地整体的 修复效率并防止污染物区域的进一步扩大。在抽水井旁的地表设置抽水泵15，其 进水口端与伸入抽水井的抽水管17连接，出水端与水体处理装置16连接，利用 抽水泵15将污染地下水抽出，进行水质监测并送至地面水体处理装置16进行处 理。处理方法包括物理法(过滤法、重力分离法等)、化学法(加药法、电解法、 离子交换法等)、生物法(活性泥法、生物膜法等)。

(4)在注水井与抽水井之间的被污染区域的不同位置设置多个监测井，在 各个监测井内布设水质监测传感器14，远程监测和分析修复过程参数。

(5)受污染区域较大时可以增设微纳米气泡注水井与抽水井、监测井系统， 以便影响范围能够覆盖整个受污染区域。