一种注入井原位修复系统及方法与流程

1.本发明涉及土壤及地下水污染修复技术领域，尤其是一种注入井原位修复系统及方法。


背景技术：

2.城市化的不断推进，总会伴随着农业用地、工业用地的动迁。这其中大量石油、化工、焦化等企业搬迁转移，形成了大量工业遗留遗弃污染场地，严重威胁着周围居民的身体健康、环境状况以及土地的再利用，土壤和地下水污染污染场地修复迫在眉睫。
3.治理场地污染通常有异位修复和原位修复两种方法。原位修复技术由于对不需要挖掘和输送土壤，施工措施简单，成本较低，对环境的扰动较小，可以同时修复深层污染的土壤和地下水等优势在污染场地修复领域崭露头角，得到了广泛应用。
4.土壤及地下水原位修复过程中需要将固体药剂配制成溶液后注射至修复区，目前常见的修复药剂配制及注射方式为人工加药、人工配制修复药剂溶液，使用水泵将药剂注射到指定修复区。这种传统的药剂配制及注射方式在土壤及地下水修复工程应用中存在着一些问题：(1)人工加药的方式导致药剂配制效率低下，且不容易计量；(2)药剂配制及药剂注射的参数需要人工调节，自动化程度低、灵活性差，操作复杂；(3)药剂配制及注射装置均为单一设备，系统性差，且移动不便。
5.(4)由于大部分土壤和地下水修复过程中使用的药剂需要连续供应，上述方式影响修复系统的稳定持续运行，而且需要配备更多的人力。
6.(5)应当因地制宜，根据不同的水文、地理以及气温调整修复策略，提高修复效率。
7.申请号为201711133828.4，名称为污染场地原位修复方法及系统的发明专利，该发明专利涉及一种污染场地原位修复方法以及实现该方法的系统，该方法包括：步骤一，向污染场地待修复介质中注入还原剂，使待修复介质中的三价铁至少部分地被还原为二价铁离子；步骤二，向待修复介质中注入氧化药剂，氧化药剂在二价铁离子的活化作用下对待修复介质进行修复。本发明提供的污染场地原位修复方法及系统，通过将还原剂注入到地下水中，利用还原作用，将地下水和土壤中富含的三价铁还原为二价铁离子，作为活化剂，随后将氧化药剂注入到地下水中，形成氧化体系，因而可以充分利用地下水和土壤环境富含的铁元素，不用额外添加二价铁离子或有效减少二价铁离子的加入量，避免地下水环境中铁离子浓度升高。
8.申请号为201911230494.1，名称为一种增溶强化热脱附原位修复有机污染场地的装置，提供了一种增溶强化热脱附原位修复有机污染场地的装置。该装置包括加药模块、热脱附模块、监测模块、抽提模块及智能控制模块。加药模块包括增溶剂存储罐、增溶剂注射泵、注射泵控制器、液体流量计、控制阀、液体流量控制仪及增溶剂注入井。热脱附模块包括电极和可编程的三相交流电源。监测模块包括监测井、温度传感器和压力传感器。抽提模块
包括抽提井、输送管道、真空泵及废水废气处理装备。智能控制模块的核心为计算机控制系统，计算机控制系统分别与液体流量控制仪、温度传感器、压力传感器及可编程的三相交流电源连接，获取相应数据并作出反馈。本发明装置，将电极加热脱附和增溶脱附耦合，可实现对有机污染场地的高效修复。
9.上述两个现有技术中，公开了一种可以实施的修复系统及方法，但就如何提高修复效率，如何因地制宜，根据环境因素制定修复措施没有给出建设性的启示。
10.除此以外，如何因地制宜选择最优的修复方法，是快速、高效的修复污染场地的关键。


技术实现要素：

11.本发明提供了一种注入井原位修复系统及方法，用于解决现有技术中修复效率低的问题。
12.本发明采用如下技术方案：一种注入井原位修复系统，包括：热水器、配料组、注入组以及控制系统；所述热水器出口与所述配料组入口连通，所述配料组出口与所述注入组入口连通，所述注入组出口用于将修复液注入污染场地的土壤中，所述注入组以及所述配料组分别与所述控制系统信号连接；所述配料组用于将来自所述热水器的热水与修复剂混合成所述修复液，所述注入组用于将所述修复液注入污染场地的土壤中，所述控制系统用于控制所述配料组根据第一预定条件进行配置所述修复液，所述控制系统还用于根据所述修复液的温度控制所述注入组注入剂量以及注入频次。
13.进一步地，所述控制系统包括：控制模块、注入泵、第一流量计、压力表以及温度计；所述温度计、所述注入泵、所述压力表以及所述第一流量计分别与所述控制模块信号连接；所述注入泵用于将所述修复液注入至污染场地的土壤中，所述第一流量计用于采集所述注入泵的出口流量信号，所述压力表用于采集所述注入泵的出口压力信号，所述温度计用于采集所述注入泵的出口温度信号；所述控制模块用于根据所述温度信号控制所述注入泵的出口流量信号以及两次注入的时间间隔；所述控制模块还用于根据所述注入泵的出口压力信号以及第二预定条件控制所述注入泵的出口压力。
14.进一步地，所述配料组包括：第一箱体、送料器、第二箱体、搅拌器、第一阀以及第二阀，所述第一阀以及所述第二阀均为两位两通阀；所述第一箱体用于容纳液体修复剂，所述第一阀一端与所述第一箱体的出口连通，所述第一阀的另一端与所述第二箱体进口连通，所述送料器用于容纳固体修复剂以及将所述固体修复剂送入所述第二箱体，所述第二阀一端与所述热水器出口连通，所述第二阀另一端与所述第二箱体进口连通；所述搅拌器用于搅拌所述修复液。
15.进一步地，还包括：所述控制系统还包括：称重装置、第二流量计以第三流量计；所述第一阀、所述第二阀、所述送料器、所述称重装置、所述第二流量计以及所述
第三流量计分别与所述控制模块信号连接；所述称重装置用于采集所述送料器的重量信号，所述第二流量计用于采集所述热水器出口流量信号，所述第三流量计用于采集所述第一箱体出口流量信号；所述控制模块还用于根据所述第一预定条件、所述送料器的重量信号、所述热水器出口流量信号以及所述第一箱体出口流量信号通过所述第一阀、所述第二阀以及所述送料器将修复剂与热水混合成所述修复液。
16.进一步地，所述注入组包括：分配阀以及注入管，所述分配阀为两位两通阀；所述分配阀一端与所述注入泵出口连通，所述分配阀另一端与所述注入管连通。
17.进一步地，所述配料组为两个，所述注入组还包括：切换阀，所述切换阀为三位三通阀；所述切换阀设置在所述第二箱体出口与所述注入泵入口之间，所述切换阀第一口与所述注入泵入口连通，所述切换阀第二口与所述配料组之一的第二箱体出口连通，所述切换阀第三口与所述配料组之二的第二箱体出口连通。
18.一种注入井原位修复方法，应用于前述技术方案中所述的污染场地原位修复系统，包括：获取含水层渗透系数、水位降深、天然情况下潜水含水层厚度、含水层土壤干重密度、土壤湿重密度、渗流层顶部到注射点的距离、含水层顶部到注射点的距离以及污染场地平面图；根据所述含水层渗透系数、所述水位降深以及所述天然情况下潜水含水层厚度确定影响半径；根据所述影响半径以及污染场地平面图确定注入管设置位置以及注入管长度；根据所述含水层土壤干重密度、所述土壤湿重密度、所述渗流层顶部到注射点的距离、所述含水层顶部到注射点的距离确定注入泵的工作压力。
19.进一步地，所述根据所述含水层渗透系数、所述水位降深以及所述天然情况下潜水含水层厚度确定影响半径，包括：根据第一公式、所述含水层渗透系数、所述水位降深以及所述天然情况下潜水含水层厚度确定影响半径，所述第一公式：其中，r为影响半径，s为含水层渗透系数，h为天然情况下潜水含水层厚度，k为含水层渗透系数。
20.进一步地，所述根据所述含水层土壤干重密度、所述土壤湿重密度、所述渗流层顶部到注射点的距离、所述含水层顶部到注射点的距离确定注入泵的工作压力，包括：根据第二公式、所述含水层土壤干重密度、所述土壤湿重密度、所述渗流层顶部到注射点的距离、所述含水层顶部到注射点的距离确定注入泵的工作压力，所述第二公式：
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其中，pmax为最大垂直注入压力，
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为含水层土壤干重密度，
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sat为土壤湿重密度，g为重力加速度，hdry为渗流层顶部到注射点的距离，hsat为含水层顶部到注射点的距离，
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water为水的密度。
21.本发明的积极效果如下：
一种注入井原位修复系统及方法，其包括：热水器、配料组、注入组以及控制系统；本发明污染场地原位修复系统实施方式，其设有热水器以及控制系统，控制系统控制配料组对修复剂以及热水器的出水形成修复液，因修复液温度较高，因此修复液活性高，与土壤中的污染物反应速度大大加快，故而可以增加修复液的注入计量和/或注入频次，从而提高土壤的修复效率。配料组在控制系统的控制下实现自动化配料，无需人员干预，工作效率高，配料数据准确。
22.本发明实施方式中的配料组结合控制系统的计量装置，可以实现对修复液的科学、严谨的配比，保证了修复液的有效性。
23.本发明污染场地原位修复方法实施方式中，其根据水土条件确定注入管的位置，使得尽可能少布置注入管的条件下，覆盖最大的注入面积，充分利用注入管的同时，降低材料和建设成本。在结合修复液温度的情况下，可以实现节水、节材（修复剂）且高效的修复。
附图说明
24.图1为本发明实施方式污染场地原位修复系统功能框图；图2为本发明实施方式控制系统功能框图；图3为本发明实施方式注入井布设方式示意图。
25.图中：1 热水器；2 注入泵；3 第一流量计；4 压力表；5 温度计；6 第一箱体；7 送料器；8 第二箱体；9 搅拌器；10 第一阀；11 第二阀；12 称重装置；13 第二流量计；14 第三流量计；15 分配阀；16 注入管；ss17 切换阀。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.如图1
‑
3所示，一种注入井原位修复系统，包括：热水器1、配料组、注入组以及控制系统；所述热水器1出口与所述配料组入口连通，所述配料组出口与所述注入组入口连通，所述注入组出口用于将修复液注入污染场地的土壤中，所述注入组以及所述配料组分别与所述控制系统信号连接；所述配料组用于将来自所述热水器1的热水与修复剂混合成所述修复液，所述注入组用于将所述修复液注入污染场地的土壤中，所述控制系统用于控制所述配料组根据第一预定条件进行配置所述修复液，所述控制系统还用于根据所述修复液的温度控制所述注入组注入剂量以及注入频次。
28.示例性地，热水器1的实施方式有多种，如采用太阳能热水器1、电热水器1、燃气热水器1，一种优选的方式为太阳能热水器1。如我们所知，修复液的主要成分为修复剂的水溶液，当水温升高时，修复液除加快配制过程外，还加快了修复液与污染场地土壤中的污染成分的反应速度。
29.也正因为反应速度加快，故而可以在将修复液注入土壤中时，增大每次注入的计
量和/或增大注入频次。
30.如一种实施方式中，修复液的温度处于较高的水平t2，t2温度高于标准温度t1，此时可以缩短注入时间的间隔，对应t1温度时，注入频次为h1小时，则t2温度时，注入频次为h2小时，h2小于h1。
31.本发明注入井原位修复系统实施方式，其设有热水器1以及控制系统，控制系统控制配料组对修复剂以及热水器1的出水形成修复液，因修复液温度较高，因此修复液活性高，与土壤中的污染物反应速度大大加快，故而可以增加修复液的注入计量和/或注入频次，从而提高土壤的修复效率。配料组在控制系统的控制下实现自动化配料，无需人员干预，工作效率高，配料数据准确。
32.进一步地，所述控制系统包括：控制模块、注入泵2、第一流量计3、压力表4以及温度计5；所述温度计5、所述注入泵2、所述压力表4以及所述第一流量计3分别与所述控制模块信号连接；所述注入泵2用于将所述修复液注入至污染场地的土壤中，所述第一流量计3用于采集所述注入泵2的出口流量信号，所述压力表4用于采集所述注入泵2的出口压力信号，所述温度计5用于采集所述注入泵2的出口温度信号；所述控制模块用于根据所述温度信号控制所述注入泵2的出口流量信号以及两次注入的时间间隔；所述控制模块还用于根据所述注入泵2的出口压力信号以及第二预定条件控制所述注入泵2的出口压力。
33.进一步地，所述配料组包括：第一箱体6、送料器7、第二箱体8、搅拌器9、第一阀10以及第二阀11，所述第一阀10以及所述第二阀11均为两位两通阀；所述第一箱体6用于容纳液体修复剂，所述第一阀10一端与所述第一箱体6的出口连通，所述第一阀10的另一端与所述第二箱体8进口连通，所述送料器7用于容纳固体修复剂以及将所述固体修复剂送入所述第二箱体8，所述第二阀11一端与所述热水器1出口连通，所述第二阀11另一端与所述第二箱体8进口连通；所述搅拌器9用于搅拌所述修复液。
34.进一步地，还包括：所述控制系统还包括：称重装置12、第二流量计13以第三流量计14；所述第一阀10、所述第二阀11、所述送料器7、所述称重装置12、所述第二流量计13以及所述第三流量计14分别与所述控制模块信号连接；所述称重装置12用于采集所述送料器7的重量信号，所述第二流量计13用于采集所述热水器1出口流量信号，所述第三流量计14用于采集所述第一箱体6出口流量信号；所述控制模块还用于根据所述第一预定条件、所述送料器7的重量信号、所述热水器1出口流量信号以及所述第一箱体6出口流量信号通过所述第一阀10、所述第二阀11以及所述送料器7将修复剂与热水混合成所述修复液。
35.示例性地，配料组分为固体送料模块、液体送料模块以及热水送料模块，液体送料模块，通过第一阀10将第一箱体6的液体修复剂送入第二箱体8中，固体送料模块通过送料器7送入第二箱体8中，热水送料模块为将热水器1的热水通过第二阀11将热水送入第二箱体8中，第二箱体8为混料箱，其设有的搅拌器9，通过搅拌作用，将液体修复剂、固体修复剂溶解到热水中。
36.控制系统设有计量装置，称重装置12用于计量送入固体修复剂的重量，第二流量计13以及第三流量计14分别用于计量送入的液体修复剂以及热水的剂量。通过控制模块的作用，使得三者之间始终处于一个预定的比例。
37.称重装置12的选用上，可以采用皮带输送机或者振动盘传送固体物料。控制模块实施方式有多种，如采用plc或以单片机为核心的控制板均可。
38.本发明实施方式中的配料组结合控制系统的计量装置，可以实现对修复液的科学、严谨的配比。保证了修复液的有效性。
39.进一步地，所述注入组包括：分配阀15以及注入管16，所述分配阀15为两位两通阀；所述分配阀15一端与所述注入泵2出口连通，所述分配阀15另一端与所述注入管16连通。
40.进一步地，所述配料组为两个，所述注入组还包括：切换阀17，所述切换阀17为三位三通阀；所述切换阀17设置在所述第二箱体8出口与所述注入泵2入口之间，所述切换阀17第一口与所述注入泵2入口连通，所述切换阀17第二口与所述配料组之一的第二箱体8出口连通，所述切换阀17第三口与所述配料组之二的第二箱体8出口连通。
41.示例性地，注入组设有分配阀15以及注入管16，由分配阀15控制注入剂量。配料组设有两个，通过切换阀17的切换，实现注入不同种类的修复液。
42.一种注入井原位修复方法，应用于前述技术方案中所述的污染场地原位修复系统，包括：获取含水层渗透系数、水位降深、天然情况下潜水含水层厚度、含水层土壤干重密度、土壤湿重密度、渗流层顶部到注射点的距离、含水层顶部到注射点的距离以及污染场地平面图；根据所述含水层渗透系数、所述水位降深以及所述天然情况下潜水含水层厚度确定影响半径；根据所述影响半径以及污染场地平面图确定注入管16设置位置以及注入管16长度；根据所述含水层土壤干重密度、所述土壤湿重密度、所述渗流层顶部到注射点的距离、所述含水层顶部到注射点的距离确定注入泵2的工作压力。
43.进一步地，所述根据所述含水层渗透系数、所述水位降深以及所述天然情况下潜水含水层厚度确定影响半径，包括：根据第一公式、所述含水层渗透系数、所述水位降深以及所述天然情况下潜水含水层厚度确定影响半径，所述第一公式：其中，r为影响半径，s为含水层渗透系数，h为天然情况下潜水含水层厚度，k为含水层渗透系数。
44.进一步地，所述根据所述含水层土壤干重密度、所述土壤湿重密度、所述渗流层顶部到注射点的距离、所述含水层顶部到注射点的距离确定注入泵2的工作压力，包括：根据第二公式、所述含水层土壤干重密度、所述土壤湿重密度、所述渗流层顶部到
注射点的距离、所述含水层顶部到注射点的距离确定注入泵2的工作压力，所述第二公式：
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其中，pmax为最大垂直注入压力，
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为含水层土壤干重密度，
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sat为土壤湿重密度，g为重力加速度，hdry为渗流层顶部到注射点的距离，hsat为含水层顶部到注射点的距离，
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water为水的密度。
45.示例性地，以下无特殊说明之处，井指注入管16设置位置。
46.在一种应用场景中，依现场模场试验结果决定井距及井数，根据场地地质情况及周边场地地层信息，如一种应用中，确定场地内地层渗透系数为2.59e
‑
06～5.12e
‑
04cm/s，场地地下水稳定水位埋深一般为自然地面下1.50m，地下水污染深度为7m。建井过程，贯穿潜水含水层0
‑
7m，且在全部含水层厚度上都安装有过滤器，并能全面进水，为完整井建设。
47.根据裘布依求参公式：潜水完整孔 式中：r——影响半径，即监测井/抽水井距边界的距离；k——含水层渗透系数m/d；s——水位降深m；h——天然情况下潜水含水层厚度m。
48.在进行抽水试验过程中，形成稳定流情况下，利用裘布依公式进行计算，最终确定影响半径r。利用现场监测井进行抽水试验，最终确定稳定水位降深为4.5m。k取中值0.05m/d，计算值r=4.7m，最终确定r取4m。
49.确定影响半径r后，一种应用场景中污染地下水和土壤面积为3387m2，由于地下水污染范围为不规则形状，布井过程中考虑边界处注入过程影响半径涉及不到区域进行建井，初步设计注入井数量为91个。注入井间距计算参数见下表1。
50.表1 注入井布设参数表布井过程以三角形布点增加重叠面积，注入井平面布置图见图3，图中需要说明的是，注入管16位置即为注入井位置。
51.对于注入压力而言，其应当结合土层的实际情况确定。含水层对溶液的接受力以及溶液的水平迁移显著受到垂直注入压力的影响。最大垂直注入压力可以通过土壤干重密度、湿重密度、渗流层顶板以及含水层顶板距注射点的距离等估算而得：
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×
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푟푦
—含水层土壤干重密度，g/cm3；
휌
sat—为土壤湿重密度，g/cm3；g—重力加速度，m/s2；hdry—渗流层顶部到注射点的距离，m；hsat—含水层顶部到注射点的距离，m；
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water—水的密度，g/cm3。
[0052]
本发明污染场地原位修复方法实施方式中，其根据水土条件确定注入管16的位置，使得尽可能少布置注入管16的条件下，覆盖最大的注入面积，充分利用注入管16的同时，降低材料和建设成本。在结合修复液温度的情况下，可以实现节水、节材（修复剂）且高效的修复。
[0053]
以上实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所做出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。