专利名称：土壤气相抽提监测系统装置及监测方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤现场试验及原位修复装置及其系统，特别采用一种由土壤气相抽提(SVE)装置及其抽提、监测井、测压点组成的系统进行土壤修复的监测方法。
背景技术：
土壤和地下水环境是人类赖以生存的基础，随着全球工业化进程，目前有机物污染已超过重金属污染和放射性污染而跃居首位。特别是地下储油罐的泄漏，挥发性有机烃的溢洒事故等对不饱和区土壤造成了不同程度的污染，如果不对该区域土壤及时进行治理，则严重会导致地下水的污染，其治理难度和费用将会成倍增加。因而应运而生了异位、原位的土壤修复技术，其中原位修复技术由于自身的众多优点得到了广泛的发展。
土壤气相抽提(Soil Vapor Extraction，SVE)，也称“土壤通风”或“真空抽提”，是始于20世纪80年代中后期的一种土壤原位修复技术，其原理是主要利用物理方法去除地下不饱和区域(vadose)的多孔介质土壤中的挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)。SVE修复技术的现场应用受污染物特性、土壤特性以及地下微生物状况等条件的制约。而生物通风(Bioventing，BV)实际上是土壤气相抽提的衍生技术，BV结合了SVE的物理过程和增强的生物降解过程，成为最流行最有效的土壤修复技术之一。
SVE工程技术最早由美国Terra Vac公司于1984年开发成功并获得专利权，逐渐发展成为80年代最常用的土壤及地下水有机物污染的修复技术。SVE系统通常包含抽气井、真空泵、地面管路、尾气处理装置等基本结构。
我们来看有关SVE装置一个例子，美国专利No.5,360,067中SVE装置包含至少一个抽气井和注入井，它通过注入井注入燃烧气体至污染土壤，实际上是一种热强化SVE系统，其应用具有一定的局限性，仅适合于高泡点的烃类污染物的治理。
土壤气相抽提技术的应用有其前提条件和适用范围即首先对污染场址进行必要的调查和评估，掌握其土壤条件、污染状况、微生物状况等条件；SVE技术适宜于土壤不饱和区域或包气带中挥发性有机污染物的去除修复，土壤的渗透性质对修复效果有重要影响。土壤气相抽提技术在发达国家已经广泛应用于实际修复，其修复理论还需进一步完善，SVE体系的设计仍依赖于现场和实验室分析数据。因而土壤修复中在大尺度工程应用之前进行现场试验研究是十分必要的，现场尺度的试验及修复需要一种简易、灵活、有效的监测系统。竖井系统由于其具有影响半径大、处理深度较大等优点，比传统的水平井或沟槽更具有应用前景。
本发明中针对以上技术和发明的其不足之处，设计了土壤气相抽提竖井监测系统，其监测方法可用于挥发性有机污染土壤的现场试验，为大尺度工程修复提供渗透性、压力影响半径、微生物修复本底值、污染物去除率等基础数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简易、快速、可行的挥发性有机污染土壤现场试验监测系统装置以及监测方法，即采用土壤气相抽提(SVE)装置及其抽提、监测井系统进行土壤原位修复监测的方法。
本发明是通过下述技术方案加以实现的一种土壤气相抽提监测系统装置，包括土壤气相抽提(SVE)监测系统装置和抽提井、监测井、测压点组成，其特征是土壤气相抽提装置与现场抽提井、监测井系统通过地面管路连接。
所述的土壤气相抽提装置中气泵吸入口设置有临时阀门；气泵吸入口前端连接了压力测量系统；SVE装置中气液分离器设置有弯管并填充散堆填料。
所述的抽提主井、监测副井的结构相同，差别在于抽提主井口径略大于监测副井；井屏设置在不饱和区土壤；所述的散堆填料为自上而下依次充填水泥膨润土浆、膨润土和砾石。
所述的监测系统的抽提主井、监测副井井口设置有温度测量口、气相取样口和压力测量口，另井头设置有井头保护装置。
所述的测压点为外径12-20mm小口径的钢性探针以及套管组成。
本发明的土壤气相抽提监测系统装置的监测方法，采用间歇或连续操作。
在土壤气相抽提装置1与井系统2连接试验前，首先采用空测法测定确定土壤气相抽提试验装置的抽提能力，其间歇操作方法为与竖井系统相接的软管15与大气相通，泵吸入口4处的真空度采用U形压力计测量，测得泵吸入口真空度与空气相抽吸流量的关系即SVE装置中气泵的特性曲线，进而确定土壤气相抽提装置的气泵类型及压力、流量范围，气体流量及压力表计量程范围和气液分离器；土壤气相抽提装置1与井系统2连接后，改变临时阀门5的开度，测量井头真空度与气相的抽提流量的关系得到SVE系统曲线；撤掉临时阀门5，安装微压差计6于副井井头或测压计上端，在以抽提井21为主井抽气条件下，测量各测压点的井头真空度，从而可以确定单井抽提的影响半径。
通过连接SVE抽提装置1与抽提主井21，关闭其井口阀16，井内气体处于密封状态，24小时后测二氧化碳初始值；现场SVE通风连续操作在抽提流量保持不变条件下，在主井21的地面取样口29取样，用气相色谱法测定CO2的呼吸量的变化趋势，本连续操作方法获得的的土壤中CO2的浓度值为该修复场地的CO2本底值。
根据现场土壤分层及污染物分布状况，建立土壤气相抽提及监测井系统，确定测压点的设置以及设计抽提主井21及监测副井32的深度及井结构。
该发明的独特之处如下几点1.土壤气相抽提装置及抽提、监测井系统设计相对简单，此外，其体系装置包含了由诸如PVC管、阀、泵等常见易得的设施。这些因素使得SVE优越于其它如生物处理或土壤冲洗等技术需要复杂的设计或特殊的设备。最佳地达到体系的效率及污染物的去除效果唯有全面了解场址及SVE的过程。
2.对于土壤现场流体力学试验及挥发性有机物去除试验具有可行性，其竖井系统适应于不同地质条件的现场，常见如砂土、粉土、粉质粘土、粘土层等土壤条件。
本发明的一种土壤气相抽提装置及抽提、监测井系统及监测方法，包括土壤气相抽提装置、抽提主井、监测副井、测压点或注入点等。
其中主要设备及系统的设计及安装有其独到之处1.土壤气相抽提(SVE)装置中气泵吸入口设置有临时阀门5便于现场实测SVE系统曲线；气泵吸入口前端连接了压力测量系统，测量方便快捷；SVE装置中气液分离器设置有弯管并填充散堆填料有助于土壤中气相与液相的分离；现有方法中为确定SVE工作曲线通常用不同功率的气泵测定，既不经济又费时。
2.抽提主井、监测副井的结构基本相同，差别在于抽提主井口径略大于监测副井，本发明中抽提主井口径为2英寸，自上而下填料设置31依次充填水泥膨润土浆、膨润土、砾石，该设置目的是引导土壤中的气相通过井内部通道流向SVE装置；井屏即气体吸入口设置在不饱和区土壤；井套管采用了ABS材质；目前工程上井结构中多采用PVC管材，实践证明其抗腐蚀及韧性次于ABS材质，本发明通过现场实验做了尝试；井套管底端加有堵头34，以防止填料或土壤充塞井内通道。
3.抽提主井、监测副井井口设置有温度测量口、气相取样口、压力测量口，另井头设置有井头保护装置；4.测压点或注入点为现场简易装置，拆卸方便，安装迅速，本发明中它们由外径为12-20mm的小口径钢性探针以及套管组成，是现场试验中污染物的加入通道以及压力流动测量点。现有方法中测压点多采用小井固定结构，其灵活度受到了限制。
本发明的土壤气相抽提(SVE)装置及其抽提、监测井系统，其地面抽提装置及测量等管路部分与地下竖井部分有机结合构成了现场土壤测试及地下有机污染物去除的理想、高效的体系，相比较需要复杂设备的其它修复如生物修复而言，以相对较小的设备投资能够达到预期测试或污染治理目标。现场试验证明，本发明是具有设计合理、设备简单、操作方便可行、易于维护、现场试验及中试过程容易控制的土壤及地下水原位修复体系，具有广阔的应用前景。
图1土壤气相抽提装置及抽提、监测井系统示意图；图2现场实测正己烷去除曲线。
其中1-土壤气相抽提装置，2-抽提及监测井系统，3-气泵尾气排放口，4-气泵吸入口，5-临时阀门，6-压力测量系统接口，7-土样采样位置，8-气体流量计，9-流量计上游阀门，10-SVE装置柜，11-气液分离器，12-散堆填料，13-气液分离弯管，14-废液排出口，15-软管连接至抽提井，16-抽提主井井口阀门，17-压力测量口，18-地表，19-测压点或注入点，20-污染物注入位置，21-抽提主井，22-土壤中气相井屏入口，23-井通道中气相，24-井头保护装置，25-不饱和区土壤类型1，26-不饱和区土壤类型2，27-饱和区土壤，28-地下水水位及深度，29-气相取样口，30-温度测量口，31-抽提、监测井填料设置，32-监测副井，33-井套管，34-堵头，35-井口球阀。
本附图中所示的结构是说明性的，如监测井、测压点个数以及井间距的确定，应以现场土壤及地下水条件以及污染状况等因素为依据而设计。本发明中SVE抽提装置、一个抽提主井和两个监测井是必要的结构和最基本部件，测压点可以根据现场情况灵活设置。
具体实施例方式
本发明的一种土壤气相抽提装置及其抽提、监测井系统，具体包括将现场土壤中的气相和液相为主的污染物，通过土壤气相抽提装置后经抽提主井、监测副井、测压点或注入点，最终抽提至地表18以上从而完成土壤现场试验或治理目标，其系统的设计、安装以及监测方法有其独到之处1)土壤气相抽提装置中气泵吸入口设置有临时阀门便于现场实测SVE系统曲线；气泵吸入口前端连接了压力测量系统，测量方便快捷；SVE装置中气液分离器设置有弯管13并填充散堆填料12有助于土壤中气相与液相的分离，气泵、气液分离器以及临时阀门安装于SVE装置柜10内。
2)抽提主井、监测副井的结构基本相同，差别在于抽提主井口径略大于监测副井，本发明中抽提主井口径为2英寸，自上而下填料设置31依次充填水泥膨润土浆、膨润土、砾石，该设置目的是引导土壤中的气相通过井内部通道流向SVE装置；井屏即气体吸入口设置在不饱和区土壤层26中；井套管33采用了ABS材质，其下端安装有堵头34，防止地下水以及杂物进入套管内；3)抽提主井、监测副井井口设置有温度测量口、气相取样口、压力测量口，另井头设置有井头保护装置24；4)测压点或污染物注入点为现场简易装置，拆卸方便，安装迅速，本发明采用外径12-20mm的钢性探针以及套管组成，是现场试验中污染物的加入、固体样品采取的通道以及压力流动测量点。
其余地面管路及测量仪器连接方式采用常规操作。
下面结合附图1对本发明的土壤气相抽提装置及其抽提、监测井系统作进一步说明1)实施实例一为了考察设计土壤气相抽提试验装置的抽提能力，有必要在土壤气相抽提装置1与井系统2连接试验前首先确定其抽提能力数据。气泵的特性曲线采用空测法进行测定，采用间歇操作方法，与竖井系统相接的软管15与大气相通，泵吸入口4真空度测量采用U形压力计，测得泵吸入口真空度与气相抽吸流量的关系即SVE装置中气泵的特性曲线。通过地面管路以及压力、温度、测量仪器将SVE抽提装置1与地下抽气主井21相连接，检查管路的气密性。SVE系统曲线用以评估应用不同真空度条件下气相的回收速率，是抽提装置1和井设施以及管路组成的系统运行时的流体曲线，与抽提装置的特性曲线的交点为工作点。以抽提井21为主井做抽气测试，在气泵吸入口处加上临时阀门5，气体流量计8的上游阀门9改变开度大小，井口阀门35为全开状态。测得阀门9不同开度条件下井头真空度与气相的抽提流量的关系组成SVE系统曲线。然后撤掉临时阀门5，安装以煤油及水做双指示剂的微压差计6于副井井头或测压计上端，测量各测压点的井头真空度，从而初步确定单井抽提的压力影响半径。系统装置连接如前述，仍以竖井21为主井抽气，监测副井32或测压点19井头真空度随时间的变化，从而进一步确定SVE抽提压力影响半径，压力影响半径是SVE工程设计最重要的参数之一。测定气相抽提流量一定下不同径向距离井头瞬时真空度的变化，来考察修复场地土壤的各向异性的影响以及非稳态下瞬时真空度的变化与径向距离的关系。测定气相抽提流量一定下不同深度井头瞬时真空度的变化，监测测压点19不同深度真空度的瞬时变化，以考察修复土壤垂直深度内土壤通透性的变化情况。以空气为流动介质条件下，以抽提井21为主井抽气，监测两个副井32井头真空度的变化，根据所测流体力学数据以及现场土壤条件可以确定试验场地土壤空气渗透性参数。
2)实施实例二连接SVE抽提装置1与抽提主井21，关闭其井口阀16，井内气体处于密封状态，24小时后测二氧化碳初始值。试验过程中需要测定抽提主井21的井头压力17、气泵吸入口4的压力，抽提流量保持不变。现场SVE通风采用连续操作在抽提流量保持不变条件， SVE通风试验中CO2呼吸连续进行需24小时以上，在主井21的地面取样口29取样，同时测量井头温度测量口30气体的温度变化，用气相色谱法测定CO2的呼吸量的变化趋势，这与场地的本地生物菌种的活动有关。生物降解率基于氧气的利用率和烃类与氧气反应生成CO2的浓度关系。本操作目的在于确定修复场地的土壤中CO2的本底值，为进一步采用SVE与生物通风的复合修复方法提供依据。
3)实施实例三土壤气相抽提装置与抽提及监测井系统连接如实施实例二，打开抽提主井21井口阀16。现场试验中污染物以点源方式加入，本例中从测压点20加入正己烷，注入深度为不饱和土壤层25与26的界面，从固体样品采取位置7采取土样分析其污染物含量，实际工程修复中污染物存在于土壤不同层位中。竖井的吸入口或井屏的设置因污染物的分布状况及土壤的通透性情况而异，本例中井屏位置位于饱和区土壤27之上的土壤26中。以抽提主井21进行SVE现场连续抽提操作89小时，不饱和区土壤层26中挥发性有机污染物经井屏22、抽提井套管内通道23进气液分离器11，液相在废液排出口14排出，气相最后经气泵尾气排放口3进入后续装置如活性炭处理装置等。经尾气中正己烷的初始浓度为452.04mg/m3，试验终了浓度为6.28mg/m3，大部分污染物在SVE操作中明显去除。现场实测见图2，试验终了地下水水位28其高度提升了0.5米。
上述三项是单独测量的，第一项主要确定抽提压力影响半径，后两项分别研究了土壤的呼吸性质和SVE修复中有机污染物的去除效果。
本发明提出的土壤气相抽提监测系统装置及监测方法，已通过现场较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的结构和制备方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
权利要求
1.一种土壤气相抽提监测系统装置，包括土壤气相抽提(SVE)监测系统装置和抽提井、监测井、测压点组成，其特征是土壤气相抽提装置与现场抽提井、监测井系统通过地面管路连接。
2.如权利要求1所述的土壤气相抽提监测系统装置，其特征是所述的土壤气相抽提装置中气泵吸入口设置有临时阀门；气泵吸入口前端连接了压力测量系统；SVE装置中气液分离器设置有弯管并填充散堆填料。
3.如权利要求1所述的土壤气相抽提监测系统装置，其特征是根据现场土壤分层及污染物分布状况，建立土壤气相抽提及监测井系统，确定测压点的设置以及设计抽提主井(21)及监测副井(32)的深度及井结构。
4.如权利要求1所述的土壤气相抽提监测系统装置，其特征是所述的抽提主井、监测副井的结构相同，差别在于抽提主井口径略大于监测副井；井屏设置在不饱和区土壤。
5.如权利要求4所述的土壤气相抽提监测系统装置，其特征是所述的抽提主井、监测副井填料为自上而下依次充填水泥膨润土浆、膨润土和砾石。
6.如权利要求1所述的土壤气相抽提监测系统装置，其特征是所述的监测系统的抽提主井、监测副井井口设置有温度测量口、气相取样口和压力测量口，另井头设置有井头保护装置。
7.如权利要求1所述的土壤气相抽提监测系统装置，其特征是所述的测压点为外径12-20mm小口径的钢性探针以及套管组成。
8.如权利要求1所述的土壤气相抽提监测系统装置的监测方法，其特征是采用间歇或连续操作。
9.如权利要求8所述的土壤气相抽提监测系统装置的监测方法，其特征是在土壤气相抽提装置(1)与井系统(2)连接试验前，首先采用空测法测定确定土壤气相抽提试验装置的抽提能力，其间歇操作方法为与竖井系统相接的软管(15)与大气相通，泵吸入口(4)处的真空度采用U形压力计测量，测得泵吸入口真空度与空气相抽吸流量的关系即SVE装置中气泵的特性曲线，进而确定土壤气相抽提装置的气泵类型及压力、流量范围，气体流量及压力表计量程范围和气液分离器；土壤气相抽提装置(1)与井系统(2)连接后，改变临时阀门(5)的开度，测量井头真空度与气相的抽提流量的关系得到SVE系统曲线；撤掉临时阀门(5)，安装微压差计(6)于副井井头或测压计上端，在以抽提井(21)为主井抽气条件下，测量各测压点的井头真空度，从而可以确定单井抽提的影响半径。
10.如权利要求8所述的土壤气相抽提监测系统装置的监测方法，其特征是通过连接SVE抽提装置(1)与抽提主井(21)，关闭其井口阀(16)，井内气体处于密封状态，24小时后测二氧化碳初始值；现场SVE通风连续操作在抽提流量保持不变条件下，在主井(21)的地面取样口(29)取样，用气相色谱法测定CO2的呼吸量的变化趋势，本连续操作方法获得的的土壤中CO2的浓度值为该修复场地的CO2本底值。
全文摘要
本发明涉及一种土壤现场试验及原位修复装置及其系统，本发明是包括土壤气相抽提监测系统装置和抽提井、监测井、测压点组成，由土壤气相抽提装置与现场抽提井、监测井系统通过地面管路连接。本发明的土壤气相抽提装置及其抽提、监测井系统，其地面抽提装置及测量等管路部分与地下竖井部分有机结合构成了现场土壤测试及地下有机污染物去除的理想、高效的体系，本发明以相对较小的设备投资能够达到预期测试或污染治理目标。现场试验证明，本发明是具有设计合理、设备简单、操作方便可行、易于维护、现场试验及中试过程容易控制的土壤及地下水原位修复体系，具有广阔的应用前景。
文档编号B09C1/00GK101021520SQ20071005699
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月23日 优先权日2007年3月23日
发明者杨乐巍, 黄国强, 姜斌, 李鑫钢 申请人:天津大学