用于从地下水中分离物质的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于从地下水中分离物质的设备以及一种使用该分离设备的方法。在一种形式中，该设备和方法可用于去除位于地体中的地下水中存在的污染物有机材料。然而，该设备和方法也可用于从地下水中去除非有机材料或污染物。

背景技术：

全氟烷基或多氟烷基物质(pfas)包含一系列聚氟化烷基物质(包括但不限于不同碳链长度的羧酸、烷基磺酸盐、烷基磺酰胺化合物和氟调聚化合物及其前体)。pfas已被广泛应用，包括作为专业消防产品，或者用于纺织品、皮革和地毯的浸渍或涂敷，或者用于地毯清洁化合物，以及用于航空液压油、金属电镀、农业(用于某些种类蚂蚁的昆虫诱捕器)、照片成像、电子产品制造和不粘锅应用。

高阶pfas降解为特定的终点pfas化学品(包括但不限于全氟辛烷磺酸(pfos)、全氟辛酸(pfoa)和全氟己烷磺酸(pfhxs))。这些相关优先化合物(prioritycompound)能防生物或非生物降解，因此在环境中是持久性的。它们有抗性，具有生物累积性，已知污染了土壤、地下水和饮用水源。

已知pfas污染了地下水，包括饮用水源。pfos、pfhxs和pfoa已经在大多数发达国家的管辖区公布了人类健康和环境监管标准。随着新的毒理学研究数据表明潜在的风险关联，预计更多的pfas化合物将被确定为应当关注的污染物。需要整改方法来处理优先的pfas化合物。

许多出版物中已知通过在地下水或地下水井中鼓泡空气来去除挥发性有机化合物(voc)的技术(也称为“吹脱”)。然而，众所周知，这种技术不能处理pfas污染的地下水。在最近的一项研究中，数据来自一个受到pfas污染的位于美国的地点，在那里，以前曾用吹脱法去除voc，但是在该工作25年多之后，受调查的地点仍然存在高持久性pfas污染，需要整改(environ.sci.pollut.res(2013)20:1977-1992pp)。虽然它们是可溶的，但大多数长链pfas(包括pfos和pfoa)具有低至非常低的蒸汽压，这意味着它们不容易挥发，因此吹脱不是无效的整改处理。

用于处理pfas污染地下水的已知技术基于两种方法：“泵送处理(pumpandtreat)”和“原位化学处理”。

“泵送处理”是一种常规方法，通过钻到地里的抽取井将地下水泵送到地表，然后处理收集到的水。处理过的水然后被引向合适的终点，例如用于灌溉或重新注回地里(这在许多地方是不允许的)，或者通过排入下水道或废物处理设施。由于从一个地方到另一个地方运输大量水的费用，这项技术的成本很高。

在这种方法中，废物处理设施使用多种技术来处理含pfas的水，包括以下任何一种技术或组合技术：(a)通过活性炭介质吸附，最常见的形式是颗粒活性炭(gac)；(b)通过粘土基介质吸附；(c)通过反渗透(ro)膜过滤，和(d)通过离子交换树脂吸附。一般来说，这些技术中使用的处理剂不容易再生，在达到最大处理能力后需要弃置(通常是填埋)。

泵送处理系统通常需要多年长时间运行，并且处理量非常大——因此，处理设备也很大。由于处理厂的规模和长的运行时间(几年，甚至几十年)，资金和运行成本通常很高。另一个困难是污染物可能被吸附到地里的非渗透性材料上(例如，淤泥或粘土上)，并且永远不会被正确释放。

“原位化学处理”通常包括在地表下施用使目标污染物(pfas)变性或中和的反应剂。该试剂的地表下施用可包括作为浓缩液体、泥浆或气体直接注入，或地表下屏障墙的挖掘/建造。反应剂可以是氧化剂(例如过氧化氢、过硫酸盐或高锰酸盐)、还原剂(例如零价铁)或吸附剂(例如超细gac浆料、粘土)。然而，pfas有抗性，实验室研究发现这些试剂的性能有限。实验室研究还发现，gac对pfas的吸附是可逆的(即不是永久性的)。

地下水井在本领域中是已知的，通过在井室内使用泵送方法移动地下水，允许在地表下循环。这种井可能涉及侧壁中复杂的多个筛网段，这些筛网段可能需要用封隔器或低渗透屏障隔开。传统上，这种井用于处理含有挥发性化合物的地下水，随后进行蒸汽提取，或者给井周围的土地充氧，例如用于原位有氧生物修复，或者将其它液体或胶体物质引入地下水。

显然，没有合适的技术可以克服泵送处理整改的成本和规模缺点。同样显而易见的是，用于中和pfas的原位化学处理尚未被成功证明，由于残留物质的存在及其对地表下介质的影响，这一处理方法带来了其它环境风险。

技术实现要素：

在第一方面，提供了一种从地体中存在的地下水中分离一定量的物质的方法，该方法包括以下步骤：将气流引入含有地下水的竖直井中，井至少部分位于地里，并且井中的地下水与位于井下部外部的地下水流体连通；其中，引入的气体引起地下水在井内的向上流动，并产生泡沫层，泡沫层上升到井上部与地下水的界面上方，泡沫层包括浓缩量的物质；以及控制在井上部产生的泡沫层的地下水含量，以影响其中物质的浓度。

在某些实施例中，气体的向上流动和泡沫层的产生是连续的。对于特定的处理情况，操作也可以按照分批模式进行。

在某些实施例中，位于井中的地下水的所引起的向上流动将更多的地下水吸入井的下部，然后对其进行物质分离方法。

在某些实施例中，位于泡沫层下方的井上部的地下水也与位于井外部的地下水流体连通。在一种形式中，位于井中的地下水的所引起的向上流动使得位于井上部、泡沫层下方的地下水回流到井上部周围的地里，然后地下水被向下抽吸以迁移到井下部的流体入口，并在地里产生循环模式以灌溉或淘析来自包含在地表下孔隙和裂缝的地下水的污染物分子，以及分子被吸附到颗粒表面上的位置中。

在可选形式中，离开井上部的地下水不直接进入该位置的地里，而是可以通过导管或其它流体连通装置或导管被引导到另一个位置，在那里它可以重新进入地里。这在地下水井延伸穿过一层未受污染的土壤以到达半承压含水层的情况下很有用，该含水层下方受到pfas污染。在这种情况下，不希望将处理过的地下水返回到最初完全未受污染的最上地层，该地下水当离开井的长形腔室时，可能仍含有一定含量的残余污染物。在其它情况下，从半封闭含水层中抽取地下水进行处理，然后试图通过弱透水层或不透水层释放地下水进行循环，这在物理上或许是不可能的。出于这些原因，考虑了将处理过的地下水与初始污染区流体连通并返回到初始污染区的多种不同路线。

在某些实施例中，向上流动的气体被引入到井的下部，不过当然也可以在沿井深的几个位置引入气体。

在某些实施例中，控制井上部泡沫层的地下水含量的步骤是通过包括以下方式的组中的至少一种方式进行的：控制引入气体流的物理参数；以及控制泡沫层的物理参数。

在一种形式中，控制引入气体流的物理参数的步骤包括使用流量控制器和入口阀来控制所述引入气体流入井中。如果太多的气体被引入到井中，地下水的流动可能会脱离静流的理想处理条件，反而会变成紊流。在紊流情况下，泡沫层可能会被破坏，也可能变得非常潮湿，从而导致从地下水中去除的物质浓度稀释。

在某些实施例中，控制引入气体流的物理参数的步骤包括使用位于所述引入气体进入位于井中的地下水之前或该点处的气泡生成装置。气泡生成装置可以包括位于井内并与地下水接触的气泡器(或等同术语，如发泡器、烧料、起泡器、起泡散布器、多孔石等)。另一种类型的气泡生成装置可以包括将空气引入通过文丘里膨胀器的地下水流中，例如，在原位产生细小的气泡，然后将该起泡流送入井中。

在某些实施例中，控制泡沫层的物理参数的步骤包括使用泡沫深度调节装置来保持井内所述泡沫的深度。在一种形式中，泡沫深度调节装置选自包括以下装置的组：可响应界面位置的移动而在井中移动的装置；和布置在井内固定位置的装置，并且界面的位置响应于引入气体的流动。

可以响应于界面位置的移动在井中移动的那些泡沫深度调节装置具有以恒定深度的泡沫层操作的优点，已知该泡沫层深度具有足够的泡沫层排水特性。这种装置被布置成浮态，并且在地下水/泡沫层界面处自定位，而与井内地下水的总液位无关。

布置在井内固定位置的泡沫深度调节装置需要不断调节界面的位置，例如通过改变引入气体的流量，界面的位置很容易改变。液位传感器可以发信号通知井内地下水的高度是否太高或太低，并且控制引入的气体的流量，进而引起更多的地下水被吸入井中，而且移位一定量的地下水，以将井内水位的静态高度提高到期望的动态(操作)高度和已知能提供足够的泡沫层排水特性的泡沫层深度。

在某些实施例中，控制泡沫层的物理参数的步骤还包括使用用于限制井内泡沫的横截面流动路径的装置，从而使得所述泡沫层的排水。被成形为限制或挤压上升的泡沫层的设备可以使得泡沫层的额外排水，并且可以包括改变泡沫流的横截面开口面积，例如通过使用泡沫聚集器、窄颈通路或通道或毛细管、锥形漏斗、堰式撇渣器。

在某些实施例中，该方法还包括从井的上部去除至少一些泡沫层的步骤。该步骤可以间歇地进行，而不是连续地进行，例如在分批式操作中进行。

在某些实施例中，在从井上部去除的步骤期间并且在二次处理步骤之前使泡沫层塌陷。在一种形式中，通过使用包括以下各项的组中的机械设备去除泡沫层：泡沫破碎器、真空提取装置和泡沫提取头。

在某些实施例中，用于处理包括浓缩物质的塌陷泡沫层的二次处理步骤使用包括以下处理方法的组中的至少一种处理方法：吸附(使用活性炭、粘土或离子交换树脂)、过滤(使用反渗透膜)；以及将额外量的气体引入单独的容纳设备中，以产生另一个包含额外浓缩量的物质的泡沫层，后一步骤基本上是在地下水井中进行的浓缩步骤的重复，以便进一步减小需要从处理地点运输或以其它方式处理的浓缩物的体积。

可选地，在另一个实施例中，该方法包括以下步骤：使至少一些泡沫层塌陷；然后对塌陷的泡沫层进行二次处理步骤，其中所有这些步骤都在井的上部进行。在一些地方，环境限制规定，从地下抽取的水不能在地上处理然后返回土地附近区域，这意味着任何污染物集中的地下水部分，即使成功净化，也不能在现场重复使用，而是必须被运走。因此，在地下水井的物理范围内执行尽可能多的处理步骤是可行的。

在该方法的某些实施例中，至少一些泡沫层塌陷的步骤是通过使用包括以下各项的组中的机械设备：泡沫破碎器、真空提取装置和泡沫提取头。在该方法的某些实施例中，用于处理包括浓缩物质的塌陷泡沫层的二次处理步骤使用前面定义的吸附、过滤或泡沫浓缩方法中的至少一种处理方法。在该方法的某些实施例中，在二次处理之后，从井的上部去除处理过的泡沫层的剩余部分。

在该方法的某些实施例中，该物质是有机的。在一种形式中，有机物质是全氟烷基或多氟烷基物质(pfas)中的至少一种。在这种物质的其它特定形式中，全氟烷基或多氟烷基物质包含包括以下物质的组中的一种或多种物质：全氟辛烷磺酸(pfos)；全氟辛酸(pfoa)；全氟己烷磺酸盐(pfhxs)；聚氟代羧酸、烷基磺酸盐和烷基磺酰胺化合物；和氟调聚化合物，每种物质具有不同的碳链长度；并且包括这些的前体。

在第二方面，提供了一种用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质的设备，该设备包括：长形腔室，该腔室具有入口，入口被布置成在使用中在位于腔室的第一端附近的区域将地下水从土地引入腔室中；以及气体引入装置，位于腔室的靠近第一端的区域中，该气体引入装置在使用中允许气体进入腔室，引入的气体用于引导地下水从腔室的靠近第一端的区域流向腔室的第二端，并且用于产生泡沫层，该泡沫层上升到与地下水的界面上方，包括浓缩量的物质；其中在使用中，该设备被布置成在腔室的第二端附近包含泡沫层，并控制泡沫层的地下水含量，以影响其中物质的浓度。

在某些实施例中，该设备还具有出口，该出口被布置成在使用中在更靠近腔室的与第一端相反的第二端的区域处将地下水从腔室排出到地里。

在某些替代实施例中，该设备还具有出口，该出口被布置成在使用中用于排出地下水，该出口位于腔室中相比第一端更靠近腔室的第二相反端的区域，但是其中，所述出口不与在所述区域处的腔室外部的土地流体连通。

在一种形式中，所述出口在更靠近腔室第一端的区域与腔室周围的土地流体连通。在一种形式中，腔室的所述出口包括从其延伸的流体导管，该流体导管被布置成在使用中携带地下水流以排放到地里。在一种特定的布置中，流体导管包括围绕长形腔室的外壁布置的同心环形圆筒。

在某些实施例中，泡沫层位于出口上方。

在某些实施例中，气体引入装置在使用中位于腔室中在入口高度处或入口高度上方。

在某些实施例中，入口和出口被布置成在地下水移动过程中阻止固体土地物质进入腔室。例如，腔室壁中可以具有相对较大的开槽开口，以允许地下水进出，但是这些开口通常被具有更细小的进入孔的材料覆盖，诸如筛网屏障、格栅、过滤袋和网，以防止固体土地材料进入井套的长形腔室。

在某些实施例中，响应于对包括以下各项的组中的一项的测量，由气体输送管线上的流量控制器和入口阀控制引入到腔室中的气体流量：泡沫层的地下水含量；和界面的位置。

在某些实施例中，气泡生成装置位于引入的气体流进入位于腔室内的地下水之前或该点处。

在某些实施例中，泡沫深度调节装置布置在腔室中，在使用中用于保持界面上方的泡沫深度。在某些实施例中，泡沫深度调节装置选自包括以下各项的组：可响应界面位置的移动而在腔室内移动的装置；和布置在腔室内固定位置的装置，并且界面的位置响应于引入气体的流量。

在某些实施例中，泡沫深度调节装置被布置成用于限制腔室中泡沫的横截面流动路径，从而实现泡沫限制和所述泡沫层的排水。被成形为限制或挤压上升的泡沫层的设备可以使得泡沫层的额外排水，并且可以包括改变泡沫流的横截面开口面积，例如通过使用泡沫聚集器、窄颈通路或通道或毛细管、锥形漏斗、堰式撇渣器。

在某些实施例中，该设备还包括泡沫层去除装置，其中在从腔室的第二端去除至少一些泡沫层的过程中，并且在二次处理步骤之前，使至少一些泡沫层塌陷。在一种形式中，泡沫层去除装置包含包括以下各项的组中的机械设备：泡沫破碎器、真空提取装置和泡沫提取头。

在某些实施例中，该设备包括在使用中用于处理塌陷泡沫层以去除浓缩物质的二次处理装置，其中该处理装置包含包括以下方式的组中的至少一种方式：吸附(使用活性炭、粘土或离子交换树脂)、过滤(使用反渗透膜)；以及将额外量的气体引入单独的容纳设备中，以产生另一个包含额外浓缩量的物质的泡沫层，后一步骤基本上是在地下水井中进行的浓缩步骤的重复，以便进一步减小需要从处理地点运输或以其它方式处理的浓缩物的体积。

可选地，在另一个实施例中，该设备包括泡沫层处理装置，其中在使用中，使用机械设备使至少一些泡沫层塌陷，然后使塌陷的泡沫层接受用于去除浓缩物质的二次处理装置的处理，所有所述设备容纳在腔室的上部，以便实现前面已经描述的与该设备的使用方法相关的优点。

在某些实施例中，使用包括以下各项的组中的机械设备使泡沫层塌陷：泡沫破碎器、真空提取装置和泡沫提取头。在某些实施例中，用于处理包括浓缩物质的塌陷泡沫层的二次处理装置使用先前定义的吸附、过滤或泡沫浓缩方法中的至少一种。在该方法的某些实施例中，在二次处理之后，从井的上部去除处理过的泡沫层的剩余部分。

在某些实施例中，泡沫层处理装置还包括去除装置，通过该去除装置，在二次处理之后，从腔室的上部去除处理过的泡沫层的剩余部分。该去除装置可以间歇地操作，而不是连续地操作，例如在分批式操作中操作(例如，间歇地启动抽吸泵以从贮存器中去除一定量的塌陷泡沫层液体)。

在第三方面，提供了一种适用于第二方面的地下水物质分离设备的泡沫深度调节装置，该装置包括：主体，其在使用中被定位在所述设备的长形腔室中，该主体包括具有开口嘴的空腔，该开口嘴被布置成在使用中面向下进入长形腔室，使得开口嘴接收在长形腔室中上升到与地下水的界面上方的泡沫层；开口嘴或主体的外表面的外周的尺寸被设计成与长形腔室的内周壁具有紧密面对的关系，使得泡沫层基本上被引导到开口嘴中；并且主体腔具有在使用中在最上面的出口开口，该出口开口的宽度比泡沫层在行进或者从泡沫深度调节装置中去除以用于进一步处理时所穿过的开口嘴窄。

在这个方面，并且在本说明书通篇中，术语“紧密面对”是指两个紧密合作的表面的表面形状相似，但功能性间隔开以允许长形腔室的内壁和泡沫调节装置主体的外周之间有小间隙。该间隙对于让真空从长形腔室的上部区域吸入环境空气并将泡沫向上吸向泡沫深度调节装置是必要的。

在某些实施例中，主体在使用中响应界面位置的移动而可移动地定位在长形腔室内，从而保持界面上方的泡沫层深度。在一种形式中，主体装配有一个或多个浮力元件，该浮力元件使装置浮动在界面处，以提供开口嘴和界面之间的最佳距离。

在某些实施例中，空腔具有这样的内部形状，当从开口的区域向出口开口移动时，该内部形状向内渐缩，以便于泡沫层聚集和排水或塌陷。在其它形式中，取决于应用，装置主体内的空腔长度可以是各种尺寸，从而改变界面和出口开口之间的距离。出口开口离泡沫层的距离更大，是通过排出和排除可能稀释泡沫中的pfas浓度的地下水来调节泡沫干燥程度的另一种方式。在另外的实施例中，在考虑较大直径的地下水井的情况下，可以有许多泡沫深度调节装置，其具有各种形状的开口嘴和/或各种不同的内部腔室形状，这多个装置在长形腔室的宽度上间隔开。

在该装置的某些实施例中，在开口嘴区域，设有圆周裙部，该裙部从主体悬垂下来，并且在使用中向下延伸到泡沫层界面下方的长形腔室中的地下水中，并且该裙部被布置成具有足够的长度，以便在界面与所述出口竖直对齐的操作情况中，与长形腔室的壁中的出口对齐，并阻塞该出口，该出口用于地下水从该腔室流出到地里。在一种形式中，裙部具有这样的横截面轮廓，当从其最外缘向裙部从主体上悬垂的开口区域移动时，该横截面轮廓向内渐缩，以便于泡沫层聚集和排水或塌陷。

在某些实施例中，在使用中空腔在最上面的出口开口延伸到位于主体上方的区域，该区域被布置成接收和保持一定量的塌陷泡沫，该塌陷泡沫在通过空腔的过程中被限制和排水。在一种形式中，该区域包括封闭的贮存器，该贮存器具有部分延伸到其中的出口导管，以在塌陷的泡沫和可致动的去除装置或二次处理装置之间提供流体连通。

在第四方面，提供了一种从位于地体中的地下水中分离一定量的物质的方法，该方法包括将第二方面中定义的多个设备至少部分地布置到地体中的步骤，随后是第一方面中定义的从地下水中分离物质的步骤。

在某些实施例中，将多个设备布置到地体中的步骤包括在具有受到该物质污染的地下水的土地区域上以阵列形式将各个设备彼此间隔开。

在第五方面，提供了一种用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质的系统，该系统包括：至少部分位于地里的长形腔室，腔室的内部与地里的地下水流体连通，其中在使用中，地下水进入腔室；布置在腔室内的气体引入装置，其中在使用中，引入的气体流与位于腔室内的地下水流体连通，由此在腔室内引起所述地下水的大致向上的流动，并产生上升到与地下水的界面上方的泡沫层，泡沫层包括浓缩量的物质；和位于界面上方的设备，该设备被布置成在使用中控制泡沫层的地下水含量，以影响其中物质的浓度。

在某些实施例中，用于控制泡沫层的地下水含量的设备可响应于界面位置的移动而在长形腔室内移动。

在一种形式中，用于控制泡沫层的地下水含量的设备是浮力设备，并且被布置成浮动在界面上方的固定距离处，使得界面和设备之间的泡沫深度是恒定的。在另一种形式中，设备的位置是可移动的，这是通过响应来自传感器的信号在长形腔室内升高和降低该设备，该传感器指示地下水的深度从而指示界面的位置。

在可选形式中，用于控制泡沫层的地下水含量的设备布置在长形腔室内的固定位置，并且界面的位置可响应于引入的气体的流量而调节，使得泡沫深度可相对于设备稳定地定位。在一个特定实施例中，用于控制泡沫层的地下水含量的设备包括气体输送管线上的流量控制器和入口阀，用于控制引入气体的流量。在另一特定实施例中，用于控制泡沫层的地下水含量的设备还包括气泡生成装置，该气泡生成装置位于气体输送管线中引入的气体流进入位于腔室中的地下水之前或该点。

在某些实施例中，用于控制泡沫层的地下水含量的设备还包括用于控制泡沫层的物理参数的装置。在一种形式中，所述装置控制腔室中泡沫的横截面流动路径，从而实现泡沫限制和排出。被成形为限制或挤压上升的泡沫层的设备可以引起泡沫层的额外排水，并且可以包括改变泡沫流的横截面开口面积，例如通过使用泡沫排挤器、窄颈通路或通道或毛细管、锥形漏斗、堰式撇渣器。

当结合附图阅读下面的详细描述时，其它方面、特征和优点将变得更加明显，附图形成了本发明的一部分，并且通过示例示出了所公开的本发明的原理。

附图说明

附图有助于理解本发明的设备、系统和方法的实施例。

图1示出了根据本发明的一个实施例的位于地体中的竖直井的示意性侧截面图，其中位于井中的设备用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质，该设备包括可在井中移动的泡沫深度调节装置；

图1a示出了根据本发明的另一个实施例的位于地体中的竖直井的示意性侧截面图，其中位于井中的设备用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质，该设备包括可在井中移动的泡沫深度调节装置；

图1b示出了根据本发明的另一个实施例的位于地体中的竖直井的示意性侧截面图，其中位于井中的设备用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质，该设备包括布置在井内固定位置的泡沫深度调节装置；

图2示出了根据本发明的另一个实施例的用于从位于地体中的井中存在的地下水中分离一定量的物质的方法的各种方法步骤或阶段的示意性侧截面图；

图3示出了根据本发明的另一个实施例的位于地体中的竖直井的示意性侧截面图，其中位于井中的设备用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质，该设备包括可在井中移动的泡沫深度调节装置；

图3a示出了根据本发明的另一个实施例的竖直井套、进气管和可移动泡沫深度调节装置的示意性分解透视图，所有这些都是用于定位在地下井中的组件部分，用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质；

图3b示出了图3a的组件部分的组件的示意性侧截面图；

图3c示出了图3b的组件部分的组件的示意性透视图；

图4a示出了根据本发明的另一实施例的可移动泡沫深度调节装置的示意性侧视图，该可移动泡沫深度调节装置是用于定位在地下井中的组件部分，用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质；

图4b示出了当沿着截面线a-a观察时，图4a的组件部分的示意性侧截面图；

图4c示出了图4a的组件部分的示意性透视图；

图5a示出了根据本发明的另一实施例的可移动泡沫深度调节装置的示意性侧视图，该可移动泡沫深度调节装置是用于定位在地下井中的组件部分，用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质；

图5b示出了当沿着截面线a-a观察时，图5a的组件部分的示意性侧截面图；

图5c示出了图5a的组件部分的示意性透视图；

图6示出了根据本发明的另一实施例的位于地体中的竖直井的示意性侧截面图，该竖直井具有位于井中用于从地体中存在的地下水中分离一定量的物质的设备，包括可在井中移动的泡沫深度调节装置，以及井套，该井套具有围绕其中心长形腔室的至少一部分布置的同心环形流体导管。

具体实施方式

本发明涉及地下水井10的特征及其用于从周围土地12(例如在无限制或半限制含水层中)中去除有机污染物的用途。参照图1中公开的实施例，井体14为具有内部腔室18的长形圆柱形柱16的形式。井体14的横截面是圆形的，并且位于地12内，低于地表水平面20。井体14可以是由硬塑料或金属制成的管或柱套16，该管或柱套16足以承受地下深处的液压，并且在结构上足够完好，从而不会塌陷或腐蚀。在一个示例中，柱16具有150毫米的内孔，并且达到地表水平面20以下5米的总深度，尽管这些尺寸仅仅是示例性的，并且取决于接受处理的特定位置。

腔室18具有筛网入口，该筛网入口被布置成当它位于土地12中时，允许地下水从土地12进入靠近井体14的使用中的最下端24的腔室18。在所示的实施例中，入口呈一系列狭槽或狭缝22的形式，这些狭槽或狭缝在井体最下端24处布置在井体14的外套壁中，并且每个狭槽平行于井体14的长轴线x-x定向。这些狭槽22被构造成在使用中允许液体流过，并且安装有筛网或某种其它类型的多孔盖，该筛网或某种其它类型的多孔盖被布置成一旦井体14被插入土地12中，在地下水流入井中的流动过程中，就阻止沉积物和固体土地物质进入腔室18。虽然在一种形式中，狭槽22的宽度可以做得非常细，以排除较大的颗粒，但是在其它形式中，狭槽22也可以装配有位于其内表面或外表面上并邻近狭槽22且面向狭槽22的筛网、过滤套、网、细格栅或其它屏障，以防止细颗粒进入腔室18。

被选择安装在每个腔室开口处的筛网、过滤套等取决于各种因素，包括周围地下沉积物的粒度分布和进出腔室的所需地下水流速。每口井的入口和出口筛网的长度和位置由地下水文地质特征决定。通常，预计入口筛网将位于或靠近井体14的最下端24，而出口筛网可以布置在各种竖直高度位置，如将描述的。

腔室18还具有发泡器(sparger)26或起泡器(通常由烧结金属或陶瓷材料制成)形式的气体引入装置，该气体引入装置位于腔室18中靠近使用中的最下端24。发泡器26围绕井体14的中心线轴线x-x悬置，并且连接到气体供应管线28，该气体供应管线28可以是管道，管道安装成从地表水平面20上方沿着腔室18的内壁延伸。在其它实施例中，例如如图3、图3a、图3b和图3c所示，气体供应管线可以是管道28a，其被定位成从地表水平面20上方沿着井体14的外部长度延伸，并被布置成在井体14的最下端24处或附近进入腔室18。在该示例中，管道28a通过支架(bracket)58连接到井体14的套管(casing)。

气体供应管线28用于通过发泡器26将气体充入腔室18，气体通常通过位于地表水平面20上方的泵或某种其它压缩或加压气体源(诸如图3中的压缩机56，但图1中未示出)流动。发泡器26位于腔室18内地下水入口槽22处或上方的高度。在使用过程中，气体以引起气泡在发泡器26处形成的压力和流速被充入腔室18，然后通过浮力作用，气体沿着腔室18的长度向上上升。通常，使用的气体是压缩空气，但根据现场要求，也可以使用其它气体。例如，为了给地下水充氧，引入的气体可以是氧气和/或臭氧，可能与空气混合。在引入气体的另一种方式中，气泡生成装置可以装配在管道上，腔室18中的一部分地下水通过泵送而再循环。气泡生成装置可以是某种内嵌气体引入装置，诸如文丘里限流器，气体通过引入被吸入移动液体流中，然后流动通路立即膨胀，从而引起气泡形成。

无论以哪种方式实现，一旦气泡形成，它们将在腔室18中上升，并与已经通过狭槽22流入腔室18并填充腔室18的地下水混合。气泡将朝向井体14内的腔室18的上端30上升，并且在此停留时间内，有足够的机会与地下水相互作用，并且气泡与存在的有机污染物接触。正在移动通过腔室18的上升气体的流速也引起地下水经由使用中的最下端24处的筛网入口槽22流入腔室18，并向上流向上端30。

在腔室18的上端30处，气泡和地下水中的有机污染物的相互作用使得泡沫层32形成，该泡沫层32处在位于腔室18内的地下水的上升动态水位37(dwl)处的界面的正上方。一旦在处理过程中加入空气流，静态地下水位34就会上升到动态水位37。动态水位37可以通过各种方式控制，包括通过腔室和出口的设计，然而主要控制是通过输入气体输送速率的变化来进行的。在一个示例中，可以使用来自位于腔室18内的水位界面传感器的信息来调节输入气体输送速率，其中来自这种水位传感器的信号可以被发送到连接到气体输送管线上的可调阀的控制系统。

在图1中，腔室出口设置成当它位于土地12中时，允许地下水从腔室18流出到靠近腔室18和井体14的最上端30的土地12中。在所示的实施例中，腔室出口呈一系列狭槽或狭缝36的形式，布置在井体14的外壁和腔室18的最上端30处，并且每个狭槽平行于井体14和腔室18的长轴线x-x定向。这些狭槽36布置成在使用中允许液体流过其中，并且装配有筛网或某种其它类型的多孔盖，该筛网或某种其它类型的多孔盖布置成一旦井体14已经插入土地12中，就以与前面针对地下水入口槽22所描述的相同的方式防止沉积物和固体土地物质进入到腔室18中。一旦腔室18中的地下水位34到达最上面的狭槽36，它将在重力作用下从腔室18溢出，并返回到周围的土地12中(流动箭头f)。

在与腔室18中的动态水位37的界面上方形成的泡沫层32将在井体14内上升，并进一步进入其上端30，经过出口槽36。泡沫层32的最湿润部分最靠近在腔室18中地下水的动态水位37的上表面处形成的界面，并且随着泡沫层32进一步上升到井体14内的界面上方，泡沫层32逐渐排水并变干。被带入泡沫层32的表面活性材料包括有机污染物。这样，与周围土地12中的地下水的初始浓度相比，污染物在泡沫层32中浓度变得高很多。与地下水相比，二次处理要处理的泡沫相体积也要小得多。

一旦排水的泡沫层32上升到井体14的上端30中，就用泡沫去除装置从腔室18中去除泡沫层32。在图1所示的实施例中，悬置锥形真空抽吸罩38形式的泡沫去除装置被降低到与井14中的泡沫层32界面的动态水位37之上的最佳距离，并被定位在该最佳距离处。现在还应该参考图3所示的井构造的实施例(以及图3a、图3b和图3c所示的此井构造的详细图)，该井构造也使用了带有悬置锥形真空抽吸罩的系统。(在图3中，与图1所示的功能部件相同的功能部件用相同的元件符号表示)。

在图1和图3中，泡沫通过锥形浓缩罩38上升，并通过罩38顶部(或顶点)的开口出口排出。现在由于被罩38向内渐缩的流动通路限制而排水从而变得更干的泡沫然后继续进一步处理。

在图3所示的示例中，抽吸罩38用于使起泡的泡沫浓缩物塌陷，并使其经由螺旋盘绕的柔性软管真空管线50向上流动，柔性软管真空管线50是连接到由泵52操作的真空系统的管路组件40的一部分。该系统允许塌陷的泡沫随后经由出口54排放到单独的液体浓缩物接收容器或分离器皿(knock-outvessel，未示出)中，并从井体14上去除。罩38中的真空吸力被设定为足以使排出的泡沫层32塌陷成液体形式的最低水平。实验表明，真空抽吸罩38(用作泡沫深度调节装置)的位置控制泡沫层32中的地下水量，这因此影响泡沫层32中实现的污染物质的浓度。

图1b示出了另一个示例，除了真空抽吸罩38b之外，该示例在所有方面都类似于图1所示的实施例(并且相同的功能部件用相同的元件符号表示)。在该示例中，可以使用来自电导率仪或水位传感器41的信息来调节进入腔室18的输入气体输送速率，所述电导率仪或水位传感器41位于真空抽吸罩38b处或下方(或者在其它形式中，可以位于柔性软管和管路组件40中)。来自水位传感器41的信号提供关于泡沫层32的地下水含量的信息，并且可以被发送到连接到气体输送管线上的调节阀的控制系统。在这样的示例中，如果泡沫层32不够干燥，则可能需要减少引入腔室的气体流量，因为在泡沫层32中移动的地下水太多，并且该处理方法没有让污染物充分浓缩。相反，如果很少或没有泡沫产生，则可能需要增加引入腔室18的气体流量。在这种情况下，真空抽吸罩38b被布置在腔室18内的固定位置，并且动态水位37处的界面位置响应于引入气体的流量的变化。控制装置本身可以布置在地表水平面20上方，或者也可以位于邻近井体14和腔室18的上端30的周围土地12中。

然后使含有有机污染物的塌陷泡沫浓缩物通过以进一步处理去除污染物。通常，将有机材料吸附到基质上(即，使用活性炭、粘土或离子交换树脂捕获)是优选的，然后基质可以再生或被安全地破坏。其它形式的二次处理，如过滤(使用反渗透膜)和生物过滤器，有可能产生更浓缩的物质，以进行随后的销毁。

参照图2，该处理方法被示意性地示出，其中a是地下水井腔室和空气发泡区；b是泡沫回收区；c是控制系统(用于监控空气入口发泡、泡沫层形成以及泡沫捕获和塌陷设备)；d是泡沫捕获和塌陷级；e是另一个泡沫浓缩级；f是塌陷的泡沫/泡沫物销毁系统(实际上它可能位于异地的其它地方)。现在将更详细地描述处理方法操作。

在操作中，地下水井10可用于从井10外部的周围土地12中去除物质，其中该物质可以是有机污染物。本发明主要涉及去除通常称为全氟烷基物质或多氟烷基物质(pfas)的有机物质。这可以包含包括以下物质的组中的一种或多种物质：全氟辛烷磺酸(pfos)；全氟辛酸(pfoa)；全氟己烷磺酸盐(pfhxs)；聚氟代羧酸、烷基磺酸盐和烷基磺酰胺化合物；和氟调聚化合物，每种物质具有不同的碳链长度；并且包括这些的前体。这一组中主要关注的物质是全氟辛烷磺酸(pfos)和全氟辛酸(pfoa)，它们可以在地下水中长期存在。这些物质具有一定的表面活性，这意味着当在液体中曝气时，它们能够形成稳定的泡沫。

实践中，钻孔形成地下水井10，然后将地下水井柱16插入地下水井10中并填充到周围土地12中(例如，使用砾石填充，图3中的物品62)，使得周围土地12与井体14的外部紧密接触，并且使得井体14及其内部腔室18的上端30可从地表水平面20上方进入。井体14可以由多个端对端相连的单独的长形部分形成，并定位到周围土地12中的任何所需深度，以便能够接近地下水位并低于受污染的地下水位34。当处于该位置时，地下水可以通过最下面的腔室入口槽22进入井体14的内部腔室18，如前所述，内部腔室18将充满地下水(而不是固体)。

发泡器或起泡器26形式的气体引入装置然后被定位于腔室18中，其中发泡器26位于使用中的最下端24附近，但是处于腔室18的入口槽22处或上方的高度。然后，空气通过气体供应管线28被充入腔室18。当气体被充入腔室18并且气泡在发泡器26处形成时，气泡在腔室18的长度上向上上升，并且积聚在位于界面上方的泡沫层32中，该界面形成在动态水位37的上表面处。

当含有一种或多种有机污染物的塌陷泡沫浓缩物已经被排放到单独的液体浓缩物接收容器或分离器皿中时，然后使其通过二次处理，包括污染物的进一步浓缩、销毁或去除。塌陷泡沫的进一步浓缩可以使用与初始分离步骤类似的方法进行，并且可以在土地上方的处理设备中进行，在该设备中塌陷泡沫经受进一步的气体发泡和泡沫浓缩。使用这种方法可以进行多个浓缩步骤，以最小化需要处理的流体体积。浓缩步骤中产生的残余流体可以被重新引入到处理方法的开始，或者在适当的情况下，释放回地下水系统。

在二次处理期间，处理最终浓缩液以去除浓缩的有机污染物，例如通过吸附到固体或半固体基质(使用活性炭、粘土、离子交换树脂或其它有机材料)上，或通过过滤(使用反渗透膜过滤和增加污染物浓度并减小处理体积)。一旦超过基质的吸附能力，就可以将它再生或销毁。

在一些示例中，二次处理设备可以容纳在腔室18的上部，使得地下水可以在去污染过程中保持在地下，并且能够在去污染之后返回到相同的地体。

现在参照图1a，图中示出了锥形真空抽吸罩38a形式的泡沫去除装置的另一个实施例，其位于与井14中的泡沫层32的界面的动态水位37之上。现在还应该参照如图4a、图4b和图4c所示的该抽吸罩38a的详细图。在图1a中，与图1所示的功能部件相同的功能部件用相同的元件符号表示。

除了真空抽吸罩38a之外，图1a所示的设备在所有方面都类似于图1所示的实施例。在该示例中，罩38a用作泡沫深度调节装置，因为它可以响应于动态水界面37的位置的移动而在腔室18内上下移动，因为罩38a有浮力，并且位于该水界面处。不管腔室中的动态水位37在哪里，抽吸罩38a都可以保持其相对于泡沫层界面的竖直位置。不需要在腔室18内升高或降低罩的单独步骤来移动罩相对于泡沫界面的竖直位置(如图1和图3的实施例38的情况)，并且不需要改变气体流速来移动泡沫界面相对于在腔室18内具有固定竖直位置的罩的竖直位置(如图1b的实施例38b的情况)。

现在参照图4a、图4b和图4c，浮力罩38a具有大致圆锥形的中空主体70。其中的锥形空腔72具有圆形的末端敞开的口74，该口74在使用中向下定向以面对上升到井室18中的动态水位界面37上方的泡沫层32。口74接收泡沫层32，然后，由于锥形空腔72的横截面宽度变窄，上升的泡沫变得受限，一些残留的地下水被重力排挤、排出和排除，从而回落到腔室18中。剩余的泡沫然后通过顶点孔76被去除用于进一步处理，例如通过抽吸抽取。中空锥形空腔内的其它内部肋和突出形状78也可以有助于泡沫排挤和排出。

锥形主体70具有围绕其布置的环形圆周浮力环80，该环形圆周浮力环80允许罩38a在使用中可移动地竖直定位在长形腔室18内，并在界面处浮动，其结构布置成在口74和该界面之间提供最佳距离。还设有圆周裙部82，该裙部从主体70悬垂下来，并且在使用中向下延伸到位于泡沫层界面下方的长形腔室18中的地下水中。参照图1a，如果腔室18中的动态水位37落入靠近位于腔室18的壁中的地下水流出槽36的区域中，则圆周裙部82将与这些狭槽36对齐并阻塞这些狭槽36，使得泡沫层32本身不会因其它地下水从腔室18中流出而无意中被抽出到周围土地12中。

现在参照图5a、图5b和图5c，示出了浮力罩38c的相关实施例，该实施例在所有方面都与图4a、图4b和图4c所示的实施例相同，最上面的顶点孔76延伸到位于锥形体70的使用中的上表面84上的区域，该区域被布置为环形贮存器86，用于保持一定量的塌陷泡沫。贮存器86也由顶盖88封闭，以防止从井14上方的地平面20进入。管道出口90位于被覆盖的贮存器86中，以允许根据需要间歇泵送去除收集的泡沫浓缩物。

现在参照图6中公开的实施例，有呈长形圆柱形形式的井体14a，该圆柱形具有内部腔室18a。井体14a的横截面是圆形的，位于土地12内，低于地表水平面20。内部腔室18a在所有方面的功能与本文中例如图1的任何前述实施例中的腔室18相同。然而，布置成用于从内部腔室18a中高于第一端24a的位置排出地下水的出口36a不与所述区域处的井体14a外部的土地12流体连通，而是在使用中，流出内部腔室18a的地下水经由围绕内部腔室18a外部同心布置的环形圆周流体腔室94，使得地下水在该圆周腔室94中向下流动，并通过槽出口36a回到与位于井体14a外部的土地12流体连通的状态，其所在的深度现在更接近第一端24a，但仍然竖直地位于流体入口槽22上方。

在一些进一步的实施例中，内部腔室18a可以包含一个或多个额外的腔室，这些腔室通过环形间隔彼此分开，环形间隔可以通过在腔室壁内使用液压封隔器和筛网间隔物进一步分开和互连。使用多腔室井可以集中处理地下水柱内可能交叉的特定区域，也可以处理半封闭含水层。这些含水层具有不透水或半透水层43，其限制或阻止图1所示的更扩散的流动路径f的发展。

实验结果

发明人使用本文公开的新设备和方法的实验室(分批)和实验性规模(连续)配置得出了实验结果，以在从地下水样品中浓缩pfas的处理方法的操作期间观察任何有益的结果。

组装了一个实验室泡沫浓缩系统来演示泡沫分离方法，其中污染地下水的现场样品被添加到处理筒(1l容量聚丙烯量筒)中。空气散布器放置在处理筒的底部。柔性管(5mm外径聚乙烯管)从空气源通过旋转流量计(流量计5l/min容量)延伸到空气散布器。毛细管(3mm外径聚乙烯管)延伸到处理器皿中，并连接到刻度注射器(10ml容量聚乙烯)上，用于在处理期间对水进行渐进取样。

在实验过程中，使用气泵(4.5l/min容量)、空气压缩机(60l/min容量)或经过调节的压缩气缸来供应空气。基于不同空气流速下的气泡尺寸和泡沫生成，评估了一系列市场上可购买到的空气散布器的性能。

空气散布器的启动释放出气泡，气泡通过水柱上升，在水柱顶部形成泡沫。泡沫收集系统，由柔性管(12mm外径聚乙烯)连接到倒锥形漏斗上组成，漏斗置于真空中。当施加真空时，在地下水界面上方，泡沫从处理筒的顶部被抽出(收集)，泡沫浓缩物在泡沫塌陷后作为液体被收集在单独的烧瓶中。在实验中，倒置漏斗逐渐下降到起泡头层中，起泡头层在真空下被抽入接收烧瓶中。

还在实验室中的按比例放大柱(透明pvc，直径50mm，高度2.5m)中进行了实验。所有测试都在室温下执行(大约21℃)。研究的主要物理参数是空气流速、气压、气泡尺寸、水高度(柱内)和泡沫高度(柱内)。研究的分析参数是处理过的水中的优先pfas浓度和收集到的泡沫浓缩物中的优先pfas浓度。优先pfas化合物是pfos和pfoa。用于进行实验的水是从机场附近的污染场地获得的。

通过泡沫生成和分离来处理污染地下水的实验显现出相当大的前景。pfos和pfoa都是通过曝气和泡沫生成从水中分离出来的。回收的泡沫浓缩物中pfas化合物的浓度也有了重大的提高，在一些实验中提高到原来浓度的100到200倍。现在下面的图表1和图表2给出了一些结果。

污染物浓度与dwl上方高度的关系

结果-图表1

测量泡沫层中pfas污染物的浓度，以及收集的泡沫层的体积，这些数值作为泡沫深度调节装置(倒置漏斗)的入口高度的函数。实验目标是定义界面(动态水位“dwl”)上方的最佳泡沫层深度及其对泡沫层中地下水含量的影响，这决定了其中物质的浓度。

发现倒置漏斗位于泡沫层中的程度决定了泡沫浓缩物中pfas的浓度。当泡沫深度调节装置过于接近dwl时，收集了更大量的地下水，污染物浓度较低。随着泡沫深度调节装置进一步远离dwl，污染物浓度增加，直到达到某个位置(>dwl上方40mm)，此后泡沫层中的污染物浓度不再增加，即使泡沫深度调节装置进一步远离dwl，即使提取的泡沫量逐渐减少也是如此。这些结果表明，对于这组条件，泡沫深度调节装置应该超过一个远离dwl的最佳位置，以使该方法的浓缩效果最大化。

结果-图表2

测量了泡沫层中pfas污染物的回收率，这项数值作为通过受污染地下水的空气流速的函数。这些实验的目标是定义气流对泡沫层中地下水含量的影响，以及它如何决定其中的物质的浓度。

发现气流决定了泡沫浓缩物中pfas的回收率。然而，当气流速度超过某一水平时，腔室中的状况变成紊流，泡沫层结构越来越被破坏(>5l/min的空气)，因而更大量的地下水被收集在泡沫层中，pfas回收到泡沫层中的速度开始下降。这些结果表明，对于这组条件，为了使该方法的浓缩效果最大化，不应当超过最佳空气流速操作范围。

虽然该系统可以分批模式操作，但是在地下水处理方法的连续模式中，例如图1所示，地下水通过设置在井体14上端30处的外壁中的狭槽36流出腔室18，气泡气体的向上流动在腔室18内引起地下水流动的向上流动，然后地下水流动通过周围的土地12循环回来。随着浓缩的有机污染物通过上升泡沫形成方法从腔室18中去除，然后泡沫层32通过进一步的处理方法从腔室18的上端30中去除，因此在其上端30离开井体14的腔室18的地下水流已经耗掉了大部分有机污染物。当水在重力作用下在井体14外部的区域中向下流动时(流动箭头f)，这种相对较干净的地下水随后用于用较干净的水冲洗井体14外部的周围土地12的主体，淘洗更多的污染物。如图1所示，携带更多淘析污染物的返回地下水随后被引向位于井体14最下端24附近的腔室入口槽22，因此该处理方法重复进行，井体14被污染地下水补充。

多个这种持续操作的地下水井体14，当在污染土地12上彼此隔开并排列成阵列时，可以同时操作，以在每个腔室18内引起向上流动的地下水流，然后在泡沫耗掉了地下水中的有机污染物后，将该地下水流循环回位于每个井体14外部的周围土地12。多个井体14的使用可用于冲洗土地12并在较长时间内淘析污染物。井体14只需在地表水平面20处彼此径向间隔开，并达到足够的深度，使得每个井体14外部地下水循环的影响区域重叠。

如果自动化，这些井体14可以长时间持续操作。可以实施控制系统(图2中的物项c)，以平衡进气口和井的性能，从而优化pfas浓度尽可能高的干泡沫的产生。使用这种井体14从地下水中泡沫分离pfas污染羽流可用于清洁土壤及其下面的地下水污染层。

从上面可以理解，与常规处理方法相比，根据本发明的设备和方法的至少一些实施例提供了一个或多个以下优点：

·产生更少量的pfas浓缩液用于二次处理步骤；

·需要的二次处理设备更小；

·与标准泵送处理系统相比，能实现更短的总处理时间；

·在大的污染区域同时进行处理是可行的，可以达到穿透污染的土地层所需的任何深度；

·少量浓缩液意味着使用完全销毁方法(而不是填埋处理)是可行的；和

·能够提取污染物，而不是进行现场化学处理，现场化学处理可能不起作用(或者是可逆的)，也可能达不到地下水污染的所有水位。

·该设备可以被配置用于许多不同类型的整改情况，包括源区、热点、迁移路径，并作为在环境敏感受体周围提供保护屏障的一种方式。

·物理分离方法能避免使用潜在危险的化学品作为现场化学处理方法的一部分，并且不产生副产品或废物。

贯穿本说明书，词语“泡沫”和“泡沫物”可以互换使用，但被认为是指相同的东西，主要包括具有少量颗粒材料或浓缩有机污染物的湿液体浓缩物，并通过各种装置设计提取，这些装置旨在尽可能多地控制和减少泡沫层中的地下水含量。

在某些实施例的前述描述中，为了清楚起见，采用了特定术语。然而，本发明并不旨在限于如此选择的特定术语，应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似技术目的的其它技术等同物。诸如“上”和“下”、“上方”和“下方”等术语被用作方便的词语以提供参考点，而不应被解释为限制性术语。

本说明书中对任何先前出版物或信息的引用不是，也不应被视为，承认或认可先前出版物或信息构成本说明书所涉及的领域的普通常识的一部分。

在本说明书中，“包括”一词应理解为其“开放”的含义，即“包含”的含义，因此不限于其“封闭”的含义，即“仅由……组成”的含义。相应的含义是指相应的词语“包括”、“包括了”和“包括着”出现的地方。

此外，上文仅描述了本发明的一些实施例，并且在不脱离所公开的实施例的范围和精神的情况下，可以对其进行更改、修改、添加和/或改变，这些实施例是说明性的而非限制性的。

此外，本发明已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例进行了描述，应当理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括在本发明的精神和范围内的各种修改和等效布置。此外，上述各种实施例可以结合其它实施例来实现，例如，一个实施例的方面可以与另一个实施例的方面组合以实现另外其它实施例。此外，任何给定组件的每个独立特征或部件可构成附加实施例。