一种有机物污染土壤和地下水的原位注射-抽提-补水循环处置系统及联合修复方法

摘要

本发明公开了一种有机物污染土壤和地下水的原位注射-抽提-补水循环处置系统及联合修复方法，该系统由注射井、抽提井、补水井、水处理设施、配药设施等组成。方法是将污染源或者重污染区的地下水抽取到地面进行处理，然后将处理后的地下水用于配制药剂或者作为补水直接注入地下，药剂通过注射井注入地下污染羽区域。本发明用于原位处理有机物污染土壤和地下水，具有干扰小、环境友好、无二次污染、修复周期短、适用范围广等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机物污染土壤和地下水的原位注射-抽提-补水循环处置系统及联合修复方法。

背景技术

土壤和地下水是构成自然生态系统的基本环境要素，也是人类赖以生存和发展的物质基础。随着工业污染的加剧和农业化学物质广泛使用，特别是城市周边的化工、医药、农药等污染厂家搬迁之后，留下大量的废弃场地。这些场地的地下土壤和地下水往往被有机物污染，土壤和地下水环境中污染物质的存在可能会对附近人体和周边环境产生严重的不良影响，严重时可以危及人的生命安全。2004年4月，在北京市宋家庄地铁工程修建过程中，虽然施工方及时给现场施工的三位工人戴上了防毒面具。但是当土坑被掘至5米深处时，三人均出现不适症状，幸好工人被及时送至医院救治，才避免了悲剧的发生。事后经调查得知，该区域原先属于北京某农药厂。

一般来说，土壤和地下水中典型的有机污染物包括苯系物、有机卤化物、石油烃类、农药和多氯联苯等。这些污染物往往都是高致癌性危险性废物，因此必有必要通过合理的技术手段来修复这些受污染的土壤和地下水，从而有效的保护人体健康和杜绝生态环境风险。

按技术原理划分，土壤和地下水的污染修复技术包括物理修复、化学修复和生物修复三大类。土壤气体抽提、泵出处理、表面活性剂强化自由相回收、多相抽提等技术属于物理修复领域；化学氧化以及化学还原等技术属于化学修复领域；而生物通风、强化生物处理等技术则属于生物修复领域。

按修复方式划分，土壤和地下水的污染修复技术包括原位修复、异位修复和原位-异味联合修复的方式；如果采取异位修复的方式，则会在开挖过程中导致周边的空气遭受二次污染。另外，地下的有机污染物在微生物的作用下，转化成具有恶臭的产物，如果直接开挖则会影响周边居民的正常生活。

化学氧化技术是向土壤和地下水中注入氧化剂，通过污染物与注入的氧化剂之间发生的化学氧化还原反应来去除目标污染物或改变污染物的存在形态，从而达到修复的目的，其目标介质是土壤和地下水，目标污染物主要为有机污染，其具有修复时间短、成本低、效果好、可操作性强等优点，在有机物污染土壤的原位修复领域具有较好的应用前景；专利CN102836867A介绍了一种氯代烃污染土壤和地下水的原位化学氧化修复方法。该方法以可渗透反应墙的方式，使用高锰酸钾作为氧化剂处理地下氯代烃污染物。但是这种可渗透反应墙技术一般治理周期比较长，而且一般地下水水情复杂，污染物分布不均衡，难以避免出现氧化剂分布不均或氧化剂扩散不充分导致污染物去除效率低下的问题。另外，高锰酸钾的价格比较高、氧化电位不高，因而其使用范围比较受限。专利CN103480645A介绍了用于原位化学修复土壤的注射装置及其布设系统。该方法使用的插板机是建筑行业中处理沿海地区软弱地基的机械，并不一定能将该专利设计的平板打入软弱地基，即使可以打入也未必就能取得较好的注射效果。另外，一般的污染场地都不是软弱地基，尤其是工业污染场地一般都有硬化地面和塘渣基础，无法使用插板机作业。因此，该专利的可操行性比较差。

土壤和地下水的原位修复技术是现有技术中常用的修复方式，具有操作方便，成本低和适应范围广的优点，其主要利用渗透系数较高的吸附介质将地下水中的有机污染物通过化学或物理方式处理，而目前已知的处理介质如沸石、活性炭以及复合填料处理效果都不高，对有机污染物特别是难降解的有机污染物无法充分分解，去除效率较低；而且原位修复也面临修复效率低，周期长的缺点，同时还存在化学修复剂污染的风险。

土壤和地下水的异位修复则应用范围广，处理工艺灵活方便，处理效果好，处理周期短，可以针对特定的污染物采用特定的处理工艺，针对性较强；但长时间大流量的抽取地下水容易造成土地塌陷，而且异位修复成本高，难以大规模应用。

异位－原位修复技术则目前应用较少，现有技术中也较少研究上述联用方式，目前已知的联用修复方式也存在设计工艺未能体现两者配合，设计方案仅仅是两者简单叠加的问题，实际处理效果未能达到1+1>2的目的；

因此，本发明针对有机污染物的特点，提出一种去除效率高，处理效果好，经济可行的土壤和地下水修复技术。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足与缺陷，提供了一种有机物污染土壤和地下水的原位注射-抽提-补水循环处置系统及方法，实行污染场地的原位注射-抽提-补水联合修复，减少施工对现有场地使用的影响，降低修复过程对周边环境和居民造成的二次污染。本发明可以修复的有机物污染因子包括有机氯溶剂、苯系物、石油烃、苯胺类等大部分挥发性有机物和部分半挥发性有机物，以及部分多环芳烃和有机氯农药。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种有机物污染土壤和地下水的原位注射-抽提-补水循环处置系统，其包括补水井，注射井、配药设施和抽提处理系统，其中抽提处理系统包括地下抽提井和地上的污水处理系统，所述地上的污水处理系统包括抽提泵和水处理设施，水处理设施通过抽提泵和管道与抽提井连接，污染的地下水通过抽提泵从抽提井中输送到水处理设施中进行处理，地下水中有机污染物得到降解；所述补水井设置在污染范围内，补水井优选相邻两个补水井之间相隔10-30米，具体视场地水量丰富程度设置；注射井根据场地污染分布进行设置，污染浓度越高，井间距越小，每组注射井可以均匀设置多个不同深度的注射井（簇井），注射井深度可以根据地层情况及污染分布采用不同的深度，如可选择在粉土、粉砂层等处分别设置注射井；抽提井主要设置在污染源和重污染区或污染区域地下水水流方向的中下游，可设置多个，抽提井井间距在10~20m左右。

所述水处理设施包括两个出水口，其中一个出水口与补水井通过增压泵与补水井连接，另一个出水口与配药设施连通，配药设施出水口则与注射井连通，污染地下水经抽提处理系统处理合格后的达标水一部分注入到补水井中补充地下水，一部分进入配药设施中与修复剂混合得到修复水，修复水通过注射井注入土壤层和地下水层中对土壤和地下水中的有机污染物进行修复。

所述的水处理设施包括依次连接的预过滤池，氧化池，水解酸化池，曝气生物滤池，膜生物反应池，高级氧化池，吸附池和消毒池，其中所述预过滤池可以选择石英砂过滤池、纤维束过滤池、精密过滤器等常规的过滤器，优选过滤器过滤尺寸大于25微米；所述氧化池可以采用铁炭微电解池、芬顿氧化池或高锰酸钾氧化池；所述高级氧化池采用湿式催化氧化处理系统，氧化时的温度大于180℃，压力大于20MPa；所述吸附池优选活性炭吸附池或树脂吸附池；所述消毒池采用次氯酸、臭氧或紫外消毒；

上述系统采用的修复剂包括氧化剂、洗脱剂、表面活性剂、催化剂、缓释剂和酸，其中上述各组分的质量份数为：氧化剂50-80份、洗脱剂10-15份、表面活性剂1-5份、催化剂0.1-0.5份、缓释剂2-6份、酸0.5-1份；其中氧化剂选择双氧水、次氯酸盐、高锰酸盐、过硫酸盐中的任一种或其组合，其可以将土壤和地下水中的有机物进行氧化分解；洗脱剂选择低分子醇如乙醇或羧酸中任一种，利用洗脱剂对有机物的溶解性将土壤或地下粘土中黏附的有机污染物洗脱处来，改变有机污染物的存在状态可大大提高有机污染物处理效果；表面活性剂优选生物表面活性剂，如鼠李糖脂，皂素，烷基多苷等，其可以改善有机污染物的表面活性，降低有机污染物与土壤颗粒之间的黏附力，易于洗脱；催化剂选择溶于水的铁盐或锌盐，用于有机污染物的催化氧化；缓释剂选择硬脂酸或石蜡，其可以包覆于氧化剂表面，使氧化剂氧化性能缓慢释放，有利于氧化剂保持长效的氧化性能；酸选择盐酸或硫酸，用于调节地下水的pH，使之在弱酸性条件下，可以提高氧化剂的氧化性能。

所述修复水中修复剂的浓度为5-10g/L，优选6g/L。

一种有机物污染土壤和地下水的原位注射-抽提-补水循环联合修复方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）将污染源或重污染区的地下水利用抽提泵从抽提井中抽提到地面；

（2）将地下水输送到水处理设施中，依次经过预过滤、氧化、厌氧水解、好氧处理和膜生物处理后，再进行深度处理，其中深度处理包括高级氧化处理，深度吸附处理和消毒处理；

（3）将步骤（2）处理达标的地下水部分输送到配药设施中与修复剂混合，获得混合均匀的修复水，多余的达标地下水通过补水井注入地下；

（4）将含有一定浓度修复剂的修复水通过注射井注入地下。

上述方法采用的修复剂包括氧化剂、洗脱剂、表面活性剂、催化剂、缓释剂和酸，其中上述各组分的质量份数为：氧化剂50-80份、洗脱剂10-15份、表面活性剂1-5份、催化剂0.1-0.5份、缓释剂2-6份、酸0.5-1份；其中氧化剂选择双氧水、次氯酸盐、高锰酸盐、过硫酸盐中的任一种或其组合，其可以将土壤和地下水中的有机物进行氧化分解；洗脱剂选择低分子醇如乙醇或羧酸中任一种，利用洗脱剂对有机物的溶解性将土壤或地下粘土中黏附的有机污染物洗脱处来，改变有机污染物的存在状态可大大提高有机污染物处理效果；表面活性剂优选生物表面活性剂，如鼠李糖脂，皂素，烷基多苷等，其可以改善有机污染物的表面活性，降低有机污染物与土壤颗粒之间的黏附力，易于洗脱；催化剂选择溶于水的铁盐或锌盐，用于有机污染物的催化氧化；缓释剂选择硬脂酸或石蜡，其可以包覆于氧化剂表面，使氧化剂氧化性能缓慢释放，有利于氧化剂保持长效的氧化性能；酸选择盐酸或硫酸，用于调节地下水的pH，使之在弱酸性条件下，可以提高氧化剂的氧化性能。

修复水中所述修复剂的浓度为5-10g/L，优选6g/L。

本发明的有机物污染土壤和地下水的原位注射-抽提-补水循环处置系统及方法适用于各种被有机污染物污染的土壤和地下水的修复，特别是有机农药、石油冶炼和煤化工、制药等行业产生的泄漏或事故造成的土壤和地下水的污染；

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明的注射-抽提-补水循环处置系统，能加速地下水流动速度及修复剂扩散速度，提高处置效果，补水有利于保持地下水位平衡，防止地下水位波动以及抽取地下水造成的地面塌陷，补水的另一个重要作用是维持地下水流动的速度对于渗透系数较小的土层，适度补水可以保证水流速度，保证修复剂的流动性和扩散性；抽提地下水则可以提高地下水的流动性，也有利于修复剂的流动和扩散；注射修复剂注入到地下则可以显著提高土壤中有机污染物的脱除和降解，也大大减少了地下水的抽提量，与仅采用抽提方式处理相比，本发明的处理系统和方法可降低50%-90%的抽提量，与单纯注射修复剂修复相比，本发明则可以减少50-60%的修复剂使用量；本发明的处置系统和方法不仅明显增强污染物的处置量和处置能力，同时可以减少净抽提量或注射量，缩短处置周期。

（2）本发明通过建设不同深度的注射井，实现污染土层的定向修复，使修复更具针对性，减少修复剂损失，缩短处置周期。

（3）干扰小。本发明通过原位处理的方式，可以基本不影响场地的使用，从而可以随时开展修复工作，对修复周期的要求也不会很严格。

（4）适用范围广：本发明的注射-抽提-补水循环处置系统适用于各类有机污染场地处置要求。

（5）无二次污染。本发明通过原位处理的方式，可以避免因开挖有机物污染土壤而造成有机毒气或恶臭的散发对周边群众的影响。

（6）使用广泛。本发明使用的修复剂具有很强的氧化性，而且对环境污染小，可广泛用于各种有机物污染土壤和地下水的原位修复。

（7）废水回用。本装置包括一套水处理设施，在对抽取的污染地下水进行处理后，可进行再利用，非常适合没有污水管网污染场地的修复。

（8）本发明采用的水处理设施针对有机污染物的特性，采用新颖的强化有机物处理工艺，能极大的降低水体中有机物的浓度，使有机污染物得到彻底降解，其具有高效、快速的处理效果。

附图说明

图1表示本发明注射-抽提-补水循环处置系统的示意图；

图2表示本发明水处理设施的工艺流程图；

图3表示本发明的注射井的平面布置图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的有机物污染土壤和地下水的原位注射-抽提-补水循环处置系统包括补水井1，注射井2、配药设施3和抽提处理系统，其中抽提处理系统包括地下抽提井4和地上的污水处理系统，所述地上的污水处理系统包括抽提泵5和水处理设施6，水处理设施6通过抽提泵5和管道与抽提井4连接，污染的地下水通过抽提泵5从抽提井4中输送到水处理设施6中进行处理，地下水中有机污染物得到降解；所述补水井1设置在污染范围内，优选污染范围内地下水的中上游，补水井1可以沿地下水的水流方向设置2个或2个以上，相邻两个补水井之间的距离可根据视场地下水量丰富程度设置，优选相邻两个补水井之间相隔10-30米；注射井2沿地下水的水流方向设置多组，相邻两组之间的间隔沿水流方向逐渐增大（如图3所示），每组注射井垂直于水流方向的横截面上均匀设置多个注射井，井间距根据场地污染分布进行设置，污染浓度越高，井间距越小，每组注射井可以均匀设置多个不同深度的注射井（簇井），注射井深度可以根据地层情况及污染分布采用不同的深度，如可选择在粉土、粉砂层等处分别设置注射井；抽提井主要设置在污染源和重污染区或污染区域地下水水流方向的中下游，井间距在10~20m左右。

所述水处理设施6包括两个出水口，其中一个出水口与补水井1通过增压泵7与补水井1连接，另一个出水口与配药设施3连通，配药设施3出水口则与注射井2连通，污染地下水经抽提处理系统处理合格后的达标水一部分注入到补水井1中补充地下水，一部分进入配药设施3中与修复剂混合得到修复水，修复水通过注射井2注入土壤层和地下水层中对土壤和地下水中的有机污染物进行修复。

如图2所示，所述的水处理设施6包括依次连接的预过滤池，氧化池，水解酸化池，曝气生物滤池，膜生物反应池，高级氧化池，吸附池和消毒池，其中所述预过滤池可以选择石英砂过滤池、纤维束过滤池、精密过滤器等常规的过滤器，优选过滤器过滤尺寸大于25微米；所述氧化池可以采用铁炭微电解池、芬顿氧化池或高锰酸钾氧化池；所述高级氧化池采用湿式催化氧化处理系统，氧化时的温度大于180℃，压力大于20MPa；所述吸附池优选活性炭吸附池或树脂吸附池；所述消毒池采用次氯酸、臭氧或紫外消毒。

上述系统采用的修复剂包含以下组分：氧化剂、洗脱剂、表面活性剂、催化剂、缓释剂和酸，其中上述各组分的质量份数为：氧化剂50-80份、洗脱剂10-15份、表面活性剂1-5份、催化剂0.1-0.5份、缓释剂2-6份、酸0.5-1份；其中氧化剂选择双氧水、次氯酸盐、高锰酸盐、过硫酸盐中的任一种或其组合，其可以将土壤和地下水中的有机物进行氧化分解；洗脱剂选择低分子醇如乙醇或羧酸中任一种，利用洗脱剂对有机物的溶解性将土壤或地下粘土中黏附的有机污染物洗脱处来，改变有机污染物的存在状态可大大提高有机污染物处理效果；表面活性剂优选生物表面活性剂，如鼠李糖脂，皂素，烷基多苷等，其可以改善有机污染物的电荷大小，降低有机污染物与土壤颗粒之间的黏附力，易于洗脱；催化剂选择溶于水的铁盐或锌盐，用于有机污染物的催化氧化；缓释剂选择硬脂酸或石蜡，其可以包覆于氧化剂表面，使氧化剂氧化性能缓慢释放，有利于氧化剂保持长效的氧化性能；酸选择盐酸或硫酸，用于调节地下水的pH，使之在弱酸性条件下，可以提高氧化剂的氧化性能。

所述修复水中修复剂的浓度为5-10g/L，优选6g/L。

采用上述修复系统进行土壤和地下水修复，主要采用以下步骤：

（1）将污染源或重污染区的地下水利用抽提泵从抽提井4中抽提到地面；

（2）将抽提上来的地下水输送到水处理设施6中，依次经过预过滤、氧化、厌氧水解、好氧处理和膜生物处理后，再进行深度处理，其中深度处理包括高级氧化处理，深度吸附处理和消毒处理；

（3）将步骤（2）处理达标的地下水部分输送到配药设施4中与修复剂混合，获得混合均匀的修复水，多余的达标地下水通过补水井1注入地下；

（4）将含有一定浓度修复剂的修复水通过注射井2注入地下，对地下水进行修复，直至土壤和地下水中的有机污染物被完全去除。

上述方法采用的修复剂包括氧化剂、洗脱剂、表面活性剂、催化剂、缓释剂和酸等组分，其具体组成和功能如上所述；

本发明的有机物污染土壤和地下水的原位注射-抽提联合修复系统及方法适用于各种被有机污染物污染的土壤和地下水的修复，特别是有机农药、石油冶炼和煤化工、制药等行业产生的泄漏或事故造成的土壤和地下水的污染，下面为采用本发明的处置系统和方法处理各种土壤和地下水污染的具体实施例：

实施例1

某农药厂土壤污染物为邻甲苯胺、对氯甲苯、1,2-二氯乙烷，污染浓度为1357mg/kg、864mg/kg、389mg/kg。地下水中邻甲苯胺、对氯甲苯、1,2-二氯乙烷，污染浓度分别为15mg/L、11mg/L、2mg/L。每天注射一次修复剂浓度为5g/L的修复水。累计注射80天后，土壤中邻甲苯胺、对氯甲苯、1,2-二氯乙烷的浓度分别下降到2.3mg/kg、1.5mg/kg、0.6mg/kg，地下水中邻甲苯胺、对氯甲苯、1,2-二氯乙烷的浓度分别下降到0.009mg/L、0.007mg/L、0.005mg/L。所有指标达到场地修复目标值。

实施例2

某化工厂地下土壤被三氯乙烯污染，土壤中的浓度为1327mg/kg，地下水中的浓度为25mg/L。每天注射一次修复剂浓度为10g/L的修复水。累计注射120天后，土壤中的浓度下降到3.5mg/kg，地下水中的浓度下降到0.011mg/L，达到了预期的修复目标。

实施例3

某化工厂地下土壤被苯系物污染，土壤中的浓度为2560mg/kg，地下水中的浓度为76mg/L。每天先注射2次修复剂浓度为6g/L的修复水。累计注射95天后，土壤中的浓度下降到5.2mg/kg，地下水中的浓度下降到0.008mg/L，达到了预期的修复目标。

实施例4

某农药厂地下土壤被TPH污染，土壤中的浓度为1340mg/kg，地下水中的浓度为39mg/L。每天2次修复剂浓度为7g/L的修复水。累计注射75天后，土壤中的浓度下降到12mg/kg，地下水中的浓度下降到0.4mg/L，达到了预期的修复目标。

实施例5

某化工厂地下土壤被邻二甲苯污染，土壤中的浓度为570mg/kg，地下水中的浓度为16mg/L。每天注射一次修复剂浓度为9g/L的修复水。累计注射55天后，土壤中的浓度下降到4mg/kg，地下水中的浓度下降到0.003mg/L，达到了预期的修复目标。

实施例6

某化工厂地下土壤被间二甲苯污染，土壤中的浓度为2142mg/kg，地下水中的浓度为53mg/L。每天注射1次修复剂浓度为5.5g/L的修复水。累计注射110天后，土壤中的浓度下降到0.6mg/kg，地下水中的浓度下降到0.012mg/L，达到了预期的修复目标。

其中实施1-3采用的修复剂的组成为浓度为27.5%的双氧水80份（重量，下同）、乙醇10份、鼠李糖脂1份、氯化锌0.1份、硬脂酸2份、硫酸0.5份；实施例4-6采用的修复剂的组成为粉末次氯酸钠50份（重量，下同）、乙酸10份、皂素3份、硫酸亚铁0.2份、石蜡2份、盐酸0.5份；将上述修复剂加入到修复水中通过注射井注入到地下进行地下水和土壤的修复。

需要注意的是，虽然本发明已公开较佳实施例，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉该技术的人员，在不脱离本发明的范围内，可以作各种变化和调整，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。