专利名称：石油污染修空气振裂与微生物联合修复方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油工业的油气田地面工程技术和环境保护技术，具体是一种对土壤 和地下水石油污染修空气振裂与微生物联合修复方法及其装置。
背景技术：
石油生产的同时，及其过程和产品对环境的污染越来越严重，已经危及到人类的 健康和生存。石油产品的生产、运输、储存等环节产生的土壤和地下水中的有机污染，作为 与石油工业相伴而生的典型负面产物，已经逐步引起业界乃至整个社会的高度重视，成为 世界性的环境问题。由于石油在泄漏到地下层时，往往会以游离相的形式存在于水的表面。非水相液 体可被孔隙介质长期束缚，其可溶性成份还会逐渐扩散至地下水中，从而成为一种持久性 的污染源。通常的处理方法是仅针对地下水或者土壤中的污染物进行清除。这样的后果是， 一旦修复系统停止运行的话，位于水面的游离相(被束缚的非水相液体)又会在地下层向 下游自由移动，并且通过溶解、挥发等过程不断地进入到土壤和地下水中，给地下水和土壤 造成极大的、持续的污染。因此，如何有效的对地下层游离相石油污染进行处理一直是土壤 和地下水修复研究的重点和难点。目前，对地下水石油污染的处理主要分为物理法、化学法和生物法。上世纪80年 代以前，治理石油烃污染土壤还仅限于物理和化学方法，即热处理和化学浸出法。热处理法 是通过焚烧或煅烧，可净化土壤中大部分有机污染物，但同时亦破坏土壤结构和组分，且价 格昂贵而很难实施。化学浸出和水洗也可以获得较好的除油效果，但所用的化学试剂的二 次污染问题限制了其应用。为了更好地解决土壤与地下水石油污染修复问题，生物修复技术应运而生。生物 修复是利用生物的生命代谢活动减少土壤环境中有毒有害物的浓度，使污染土壤恢复到健 康状态的过程。目前，生物修复法是广泛使用、经济有效的方法。早在70年代，为了解决输 油管线和储油罐发生故障漏油和溢油时土壤被石油污染的问题，已经开始寻找清洁的生物 解决方法，并且其实验室研究找到一种有效的“细菌播种法”，开了生物修复石油污染土壤 先河。80年代以来，污染土壤的生物修复技术越来越引起人们的关注，生物修复技术也取得 了很大进步，正在逐渐成熟。例如，Yateem(2002)和Batista(2006)公开了一种微生物修 复方法，通过采取人为措施，包括添加氧，营养物等，刺激原位微生物的生长，从而强化污染 物的自然，生物降解过程。该方法的具体操作步骤是每隔一周将矿物盐营养基注入土壤中， 以促进修复现场原位微生物的生长，从而达到修复效果。但有的时候，单纯利用原位微生物 进行修复，可能达不到预期的修复效果，或是修复时间会很长，这就需要在注入矿物盐营养 基的同时接种强化微生物(石油类降解菌)来提高修复效果。微生物往往是伴随着矿物盐 营养基同时注入的。微生物的接种浓度以106-108cell/L(矿物盐营养基)为宜。强化微 生物的注入量可参照矿物盐营养基的注入量。上述方法所使用的矿物盐培养基配方是(克，每升含)Na2HP04，0. 28 ；KH2P04,1. 14，ΝΗ4Ν03，3· 00 ；K2S04，0. 36 ；MgS04. 7Η20，0· 154 ；CaC12. 2Η20，0· 023 ；FeS04，7H20， 0.038 ；NaCl,0. 10 ；酵母浸出液，0.5，？!1调至6.8。按配方制备好培养基后，并调节到所需 PH。液体培养基需经高压灭菌后方可使用(灭菌条件，15pSi，20min)。降解菌是用少量现场的土样、矿物盐培养基中筛选得到，过程是以的原油为碳 源，在20°C，200rpm培养48小时，到培养基变混浊，有明显的微生物生长。反复采用次代 培养基再注入新鲜的的培养基中，获得强势的微生物菌种。经过三代次的富集，将菌悬液 涂于矿物盐琼脂平板培养，用划线平板技术纯化。纯化后的菌分别接种至胰胨大豆琼脂斜 面(TSA)，放到4°C的冰箱中保存。将所筛选的原油降解菌用接种环挑出几环加到前述配 好的矿物盐液体营养基中，在常温下振荡培养(150转/分)2天，使接种微生物浓度达到 106-108cell/L的悬浮液时，即可注入。上述方法对于土壤质地比较疏松的场地能有较好的处理效果，然而当现场土壤介 质渗透性低时，这种方法对地下介质中营养物和电子受体难以被微生物所利用，极大的影 响了对污染物的降解。2006年蒋小红等人公开(《环境污染与防治》第03期)了目前多种物理和化学修 复的方法，在分析污染土壤原位修复和异位修复方式和各种方法的基础上，针对几种常见 的土壤污染类型，提出了在空气振裂技术辅助之下可同时强化微生物修复。但没有可行的 组合修复工艺和具体的实施方案。但是在现场修复实际应用中还未见有可行的组合修复工艺和具体实施方案。并且 两项技术的叠加应用，在治理效果改善的同时，势必会增加占地和能耗，同时增加设备工艺 流程，难于进行操作、管理及维护，从而使得整体运行成本大幅升高。
发明内容
本发明目的是克服目前生物修复过程中遇到的难题，提供一种适用于低渗透性地 质条件的高效、经济的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法及其装置。石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法，具体的技术方案如下1)在石油污染土层钻孔井中插入管状探针，在探针距离地面约2-3米处连接高压 喷头，在管状探针中注入压缩空气，使土壤形成裂缝，重复进行直到整个污染区域都形成土 壤震裂层；步骤1)所述的压缩空气压力在100_150psi，每次持续时间为20_30秒，间歇时间 为10分钟。2)气动震裂后，将蒸汽相中的污染物通过真空泵去除；3)开启空气震裂系统的高压喷头，将矿物盐液体培养基在100_150psi压力下通 过探针喷头伴随着高压气流沿着空气震裂井状均勻分散注入土壤；步骤3)所述的营养物注入的最佳气液混合压力比是1 5。步骤3)所述的营养物质的注入周期是4-10天注入一次，每次按5_15L/m2 (修复 场地面积)的量注入现场。步骤3)所述的注入矿物盐营养基时，同时注入强化微生物菌悬液；步骤3)所述的微生物菌悬液的注入量按修复场地面积为5_10L/m2，菌悬液的细 菌浓度为106-108cell/L，微生物菌悬液注入速率为5mL/min。
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4)在污染区设一口以上的中央抽提井，在中央抽提井出口处连接真空泵，连续的 空气流通过该真空泵从抽提井抽出，剩余氧气通过周边的井补给，以形成空气的循环，保持 氧气在土壤孔隙的连续供应。步骤4)所述的真空泵的运行同时压缩空气开启，其运行周期为10分钟，间隔时间 为20分钟。真空泵极限压力为O.OlMPa。步骤4)所述的空气流通气流速度在注入强化微生物菌悬液时持续小于lL/min。一种石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复的装置，具体的技术方案如下石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复装置由空气压缩机5、真空泵6、井口阀 门1、阀门16、12、15，高压喷头11以及加药槽8和混合罐7组成，空气压缩机5的出气管13 通过阀门15与井口阀门1和阀门12连通，真空泵6通过阀门15与井口阀门1和阀门16 连通，阀门16的另一端与混合罐7联通，井口阀门1的另一端通过管道与气动振裂井10井 下铝塑管4连接，铝塑管4连接高压喷头11，所述的铝塑管4长度是地下水水位的一倍。所述的混合罐7连接有水泵9。所述的在空气压缩机5和真空泵6与阀门之间连接有流量计3。所述的出气管13为承受8个大气压以上的热镀锌管。所述的出气管13规格为Φ 25mmX壁厚2. 75mm。连通空气压缩机5、真空泵6、井口阀门1的其余管道均为PVC管。出气管13以及 通过阀门15与井口阀门1和阀门16连通的管线在同一水平面上。气动振裂井10的井头采用不锈钢管件，同时井头外侧安装有井盖14、井口阀门1 和压力计2。所述的喷头11在圆柱体的侧壁均勻的分布的小孔。所述的喷头11上部为Φ25πιπιΧ壁厚5mm空心圆柱体，下部为Φ35πιπιΧ壁厚5mm 空心圆柱体，在圆柱体的侧壁均勻的分布直径为2-3mm的小孔。本发明适合去除低渗透性地下层中以各种形式存在的(自由相、固相、吸附相等) 存在的石油污染物，将物理及生物技术有机结合，处理效率和适用性提高，石油类去除率在 90%以上，各主要污染指标均达到国家污水综合排放一级标准，对加油站，石油产品生产， 化工产品生产等造成的污染有较好的效果。本发明不产生二次污染，与同类处理技术相比，节省投资约40% 50%，维护和 管理成本仅为同类技术的40% 75%，节省运行费用达20% 35%。
图1为处理流程和装置示意图；图2为井头结构示意图。
具体实施例方式本发明结合附图详细说明本发明。石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法，具体的技术方案如下1)采用气动破裂方法震裂石油污染土层，在石油污染土层钻孔井中插入管状探 针，在探针距离地面约2-3米处连接高压喷头，在管状探针中注入压缩空气，使土壤形成裂缝，重复进行直到整个污染区域都形成土壤震裂层；步骤1)所述的压缩空气压力在100_150psi，每次持续时间为20_30秒，间歇时间 为10分钟。加压空气流包含有充足的氧气，这些会促进本土耗氧微生物的生长。如果需要， 重复上述步骤数次以达到满意的震裂效果。2)气动震裂后，将蒸汽相中的污染物通过真空泵去除，抽出的废气可通过活性炭 吸附处理。3)开启空气震裂系统的高压喷头，将矿物盐液体培养基在100_150psi压力下通 过探针喷头伴随着高压气流沿着空气震裂井状均勻分散注入土壤；注入营养物质到形成裂缝的土壤层中，以增加原位微生物的活性。液体营养物从 加药罐中通过气动破裂装置的探针喷头注入到土层中，液体营养物可选择矿物盐液体营养 基，营养物注入的汽液比是相当高的，这样液体营养物实际上是呈喷雾状注射的，能够增加 其在土层中的渗透性。步骤3)所述的营养物注入的最佳气液混合压力比是1 5。步骤3)所述的营养物质的注入周期是4-10天注入一次，每次按5_15L/m2 (修复 场地面积)的量注入现场。以使生物药液有足够长的停留时间，这些营养物会顺着土壤裂 缝均勻分散。步骤3)所述的注入矿物盐营养基时，同时注入强化微生物菌悬液强化生物修复 效率，是否注入强化微生物视对现场修复要求而定。为了使微生物有更高的适应性，强化微 生物为从现场土样或水样中筛选所得。步骤3)所述的微生物菌悬液的注入量按修复场地面积为5_10L/m2，菌悬液的细 菌浓度为106-108cell/L，微生物菌悬液注入速率为5mL/min。含微生物的营养液注入要求
和单独营养液注入一致。4)微生物降解污染物的过程相对漫长，在污染区设一 口以上的中央抽提井，在中 央抽提井出口处连接真空泵，连续的空气流通过该真空泵从抽提井抽出，剩余氧气通过周 边的井补给，以形成空气的循环，保持氧气在土壤孔隙的连续供应。步骤4)所述的真空泵的运行同时压缩空气开启，其运行周期为10分钟，间隔时间 为20分钟。真空泵极限压力为O.OlMPa。步骤4)所述的空气流通气流速度在注入强化微生物菌悬液时持续小于lL/min。 从而尽可能减少尾气的处理而保证微生物的处理效率。一种石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复的装置，具体的技术方案如下石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复装置由空气压缩机5、真空泵6、井口阀 门1、阀门16、12、15，高压喷头11以及加药槽8和混合罐7组成，空气压缩机5的出气管13 通过阀门15与井口阀门1和阀门12连通，真空泵6通过阀门15与井口阀门1和阀门16 连通，阀门16的另一端与混合罐7联通，井口阀门1的另一端通过管道与气动振裂井10井 下铝塑管4连接，铝塑管4连接高压喷头11，所述的铝塑管4长度是地下水水位的一倍。所述的混合罐7连接有水泵9。所述的在空气压缩机5和真空泵6与阀门之间连接有流量计3。所述的出气管13为承受8个大气压以上的热镀锌管。所述的出气管13规格为Φ 25mmX壁厚2. 75mm。
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连通空气压缩机5、真空泵6、井口阀门1的其余管道均为PVC管。出气管13以及通过阀门15与井口阀门1和阀门16连通的管线在同一水平面上。气动振裂井10的井头采用不锈钢管件，同时井头外侧安装有井盖14、井口阀门1 和压力计2。所述的喷头11在圆柱体的侧壁均勻的分布的小孔。所述的喷头11上部为Φ25πιπιΧ壁厚5mm空心圆柱体，下部为Φ35πιπιΧ壁厚5mm 空心圆柱体，在圆柱体的侧壁均勻的分布直径为2-3mm的小孔。石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复的装置在工作时按照本发明石油污染 修空气振裂辅助微生物联合修复方法，根据流量计、压力计的反馈信息依次手动或自动开 启和关闭空气压缩机、真空泵、各阀门达到空气振裂和微生物加药的过程。
权利要求
石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法，其特征在于具体技术步骤如下1)在石油污染土层钻孔井中插入管状探针，在探针距离地面约2 3米处连接高压喷头，在管状探针中注入压缩空气，使土壤形成裂缝，重复进行直到整个污染区域都形成土壤震裂层；2)气动震裂后，将蒸汽相中的污染物通过真空泵去除；3)开启空气震裂系统的高压喷头，将矿物盐液体培养基在100 150psi压力下通过探针喷头伴随着高压气流沿着空气震裂井状均匀分散注入土壤；4)在污染区设一口以上的中央抽提井，在中央抽提井出口处连接真空泵，连续的空气流通过该真空泵从抽提井抽出，剩余氧气通过周边的井补给，以形成空气的循环，保持氧气在土壤孔隙的连续供应。
2.根据权利要求1的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法，特征是步骤1)所 述的压缩空气压力在100-150psi，每次持续时间为20-30秒，间歇时间为10分钟。
3.根据权利要求1的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法，特征是步骤3)所 述的营养物注入的最佳气液混合压力比是1 5，所述的营养物质的注入周期是4-10天注 入一次，每次按5-15L/m2 (修复场地面积)的量注入现场。
4.根据权利要求1的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法，特征是步骤3)所 述的注入矿物盐营养基时，同时注入强化微生物菌悬液；
5.根据权利要求1的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法，特征是步 骤3)所述的微生物菌悬液的注入量按修复场地面积为5-10L/m2，菌悬液的细菌浓度为 106-108cell/L，微生物菌悬液注入速率为5mL/min。
6.根据权利要求1的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法，特征是步骤4)所 述的真空泵的运行同时压缩空气开启，其运行周期为10分钟，间隔时间为20分钟。真空泵 极限压力为0.0 IMPa。
7.根据权利要求1的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复方法，特征是步骤4)所 述的空气流通气流速度在注入强化微生物菌悬液时持续小于lL/min。
8.根据权利要求1石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复的方法的装置，特征是由 空气压缩机5、真空泵6、井口阀门1、阀门16、12、15，高压喷头11以及加药槽8和混合罐7 组成，空气压缩机5的出气管13通过阀门15与井口阀门1和阀门12连通，真空泵6通过 阀门15与井口阀门1和阀门16连通，阀门16的另一端与混合罐7联通，井口阀门1的另 一端通过管道与气动振裂井10井下铝塑管4连接，铝塑管4连接高压喷头11，所述的铝塑 管4长度是地下水水位的一倍，出气管13以及通过阀门15与井口阀门1和阀门16连通的 管线在同一水平面上。
9.根据权利要求8的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复装置，特征是气动振裂 井10的井头采用不锈钢管件，同时井头外侧安装有井盖14、井口阀门1和压力计2。
10.根据权利要求8的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复装置，特征是所述的 喷头11在圆柱体的侧壁均勻的分布的小孔。
11.根据权利要求8的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复装置，特征是所述的 混合罐7连接有水泵9，所述的在空气压缩机5和真空泵6与阀门之间连接有流量计3。
12.根据权利要求8的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复装置，特征是所述的出气管13为承受8个大气压以上的热镀锌管，所述的出气管13规格为Φ25πιπιΧ壁厚 2. 75mm，连通空气压缩机5、真空泵6、井口阀门1的其余管道均为PVC管。
13.根据权利要求8的石油污染修空气振裂辅助微生物联合修复装置，特征是所述的 喷头11上部为Φ 25mmX壁厚5mm空心圆柱体，下部为Φ 35mmX壁厚5mm空心圆柱体，在 圆柱体的侧壁均勻的分布直径为2-3mm的小孔。
全文摘要
本发明涉及油气田环境保护，是土壤和地下水污染修空气振裂与微生物联合修复方法及装置，先将石油污染土层空气震裂，将蒸汽相中的污染物用真空泵去除，再开启高压喷头将培养基或微生物均匀分散注入土壤。在中央抽提井出口处连接真空泵，连续的空气流通过该真空泵从抽提井抽出，剩余氧气通过周边的井补给，保持氧气在土壤孔隙的连续供应，将汽相中的污染物去除。本发明还提供由空气压缩机、真空泵、阀门、高压喷头以及加药槽、混合罐组成的装置。本发明与同类处理技术相比，节省投资约40％～50％，维护和管理成本仅为同类技术的40％～75％，节省运行费用达20％～35％。
文档编号B09C1/10GK101898198SQ200910085759
公开日2010年12月1日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者余晖, 王占生, 秦肖生, 邹运, 郭绍辉, 黄国和 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油集团安全环保技术研究院;中国石油大学(北京)