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【三棱环境·技术探索】地下水修复之水力截获技术概述

发布日期:2020-04-23 18:09:06 浏览次数:257

【三棱环境·技术探索】地下水修复之水力截获技术概述(图1)

地下水修复之水力

截获技术概述


【三棱环境·技术探索】地下水修复之水力截获技术概述(图2)




地下水污染修复技术,按修复机理可以分为物理修复法、化学修复法、生物修复法和复合修复法;按污染物修复位置可以分为原位修复和异位处理。目前,在实际工程中应用较广的主要有水力截获法、原位生物处理法和渗透性反应墙。其中,水力截获技术在国外已被广泛应用于抽出-处理系统的设计中,它是通过设置一系列合理的抽(注)水井,人工改变地下水天然流动方式,制造人工流场,最大限度地汇集和抽取受污染地下水,以达到修复受污染的含水层并抑制污染羽扩散的一种水动力学技术。相对于其他地下水污染修复技术,该技术的优点是实施过程简单,适用于常规修复和应急修复。该技术的关键是设计一种有效的水力截获系统截取污染的地下水,而不允许污染物运移到下游,特别是针对受无机盐类污染的地下水污染修复,其难点是控制水力截获带的规模和几何形态。为此,本文以河北某化工厂受无机盐及有机物污染地块的地下水污染修复为例,通过现场实际运行情况,解决水力截获技术受无机盐和有机物污染的地下水污染修复中的井群布设等难点问题。



一、水力截获技术简介



1. 技术概述                  

早在20世纪60年代,J.Bear等利用注水井人工补给地下水含水层,并对其运动规律进行了定量研究,该成果为后来水力截获技术的发展打下了基础。水力截获技术是修复受污染含水层并抑制污染羽扩散的一种水动力学技术。单个抽水井形成的截获带平面图(忽略垂向流速分量)如图1所示,在抽水井下游截获表面上,存在一个所有流线收敛的特定位置,在该点处流速矢量的全部分量都为零,称为驻点,而截获表面上的所有分水线都必然通过驻点。多井截获带是多个单井截获带几何形状的叠加,在二维流的状态下,未被井群系统截获继续向下游流动的水和流向井群系统水的分水岭就是水力截获带的边界曲线;三维流情况下为截获体,是抽水井截获表面边界迹线组所限定的空间结构体。

       


2. 技术核心

水力截获技术的核心,是根据治理场地区域的地质及水文地质条件,以及污染物的性质、分布及迁移特征,应用渗流理论以及最优化理论等学科的知识,在污染羽下游设置治理井(群),形成水力截获带抽出受污染地下水。水力截获带的形态与规模受很多因素的影响,含水层结构参数、天然流场水力梯度,截获井的数量、间距、抽水量及完整性等诸多因素都可以成为控制变量。


3. 技术原理

抽出-处理技术是根据地下水污染范围,在污染场地布设一定数量的抽水井,通过水泵和水井将污染地下水抽取至地表,然后对抽出污水进行处理的地下水修复方法。通过不断地抽取污染地下水,使污染羽的范围和污染程度逐渐减小,并使含水层介质中的污染物通过向水中转移而得到清除。处理后的地下水,排入地表径流回灌到地下或用于当地供水。流程简图如图2所示。

图2  抽水-处理技术流程简图


4. 技术特点

抽出-处理技术是一种常用且应用较早的地下水异位修复技术,随着其他更先进技术的逐渐成熟,该技术的应用数量呈现减少的趋势。抽出-处理技术在应用时需要构筑一定数量的抽水井(必要时还需构筑注水井)和相应的地表污水处理系统,抽水井一般位于地下水污染羽状体中部(水力坡度小时)或下游(水力坡度大时)。抽出后污水处理技术的选择则受到污染物特征、修复目标、资金投入等多方面的制约。该技术可使地下水的污染水平迅速降低,且水位的下降在一定程度上可加强包气带中所吸附有机污染物的好氧生物降解。但由于水文地质条件的复杂性以及有机污染物与含水层物质的吸附/解吸的可逆性,抽出-处理技术在短时间内很难使地下水中污染物含量达到环境风险可接受水平。此外,该技术由于地下水的抽提或回灌,可能扰动修复区域及周边地区的地下水。抽出-处理工程运行后期会出现拖尾现象,地下水中污染物浓度可能会反弹,需要对系统进行定期的维护与监测,以确保修复效果。该技术在处理高浓度污染地下水时初期效果较好,工程费用较低,但长期维护费用较高,运行时间可达数年。


5. 技术适用性

抽出-处理技术主要用于去除地下水中溶解的有机污染物和浮于潜水面上的油类污染物以及无机盐污染物。


6. 局限性

抽出-处理技术对于低渗透性的黏性土层和低溶解度、高吸附性的污染物效果不理想,通常需借助表面活性剂增强污染物的溶解性,强化抽出处理的速度。当地下水中存在NAPL类污染物时,由于毛细作用会使其滞留在含水介质中,将明显降低抽出-处理技术的修复效率。抽出井群影响半径有限;治理时间长,长期成本较高,难以将污染物彻底去除,处理后期会出现拖尾现象;残留在土壤孔隙中的污染物难以去除;地质的不均一性对处理效果影响很大,水力传导系数小于10-5cm/s的场地,处理效果不明显;抽出水处理过程中产生的残留物和促使污染物被抽出注入地下的药剂(如表面活性剂等)可能会产生二次污染。

二、水力截获系统详细介绍



1. 系统构成及主要设备

系统构成包括地下水控制系统、污染物处理系统和地下水监测系统。

主要设备包括钻井设备、建井材料、抽水泵、压力表、流量计、地下水水位仪、地下水水质在线监测设备、污水处理设施等。


2. 关键技术参数或指标

关键技术参数包括:渗透系数、含水层厚度、抽水井间距、抽水井数量、井群布局和抽提速率。

(1)渗透系数:渗透系数对污染物运移影响较大,随着渗透系数加大,污染羽扩散速度加大,污染羽范围扩大,从而增加抽水时间和抽水量。

(2)含水层厚度:在承压含水层水头固定的情况下,抽水时间和总抽水量都是随着承压含水层厚度增加呈线性递增的趋势;当含水层厚度呈等幅增加时,抽水时间和总抽水量都是呈等幅增加趋势。

在承压含水层厚度固定的情况下,抽水时间和总抽水量都不随承压含水层水头的增加而变化(除了水头值为15m时)。其主要原因是,测压水位下降时,承压含水层所释放出的水来自含水层体积的膨胀及含水介质的压密,只与含水层厚度有关。对于潜水含水层,地面与底板之间厚度固定的情况下,抽水时间和总抽水量都是随着潜水含水层水位的增加呈线性递减的趋势。

(3)抽水井位置:抽水井在污染羽上的布设有两种方式,每种方式中,抽水井的位置也不同。

①水力坡度小时,抽水井可位于地下水污染羽状体中部;

②水力坡度大时,抽水井可位于地下水污染羽状体下游。

(4)抽水井间距:在多井抽水中,应重叠每个井的截获区,以防止污染地下水从井间逃逸。

(5)井群布局:天然地下水使得污染羽的分布出现明显偏移,地下水水流方向被拉长,垂直地下水水流方向变扁。抽水井的最佳位置在污染源与污染羽中心之间(靠近污染源,约位于整个污染羽的三分之一处),并以该井为圆心,以不同抽水量下的影响半径为半径布设其余的抽水井。


3. 技术应用基础和前期准备

在利用抽提出理技术进行修复前,应进行相应的可行性测试,目的在于评估抽提出理技术是否适合于特定场地的修复并为修复工程设计提供基础参数,测试参数包括:

(1)污染源情况:污染源的位置、污染物性质及其持续释放特性;土壤中污染物类型、浓度及分布特征。

(2)水文地质条件:含水层地层情况、地下水深度、水力坡度、渗透系数、储水系数、水位变化、地下水的补给与径流;地下水和地表水相互作用。

(3)自净潜力:污染物总量、污染物浓度变化趋势、土壤吸附能力、污染物转化过程和速率、污染物迁移速率、非水相液体成分、影响污染物迁移的其他参数。


4. 主要实施过程

(1)捕获区分析和优化系统设计:通过数学模型来计算捕获区、分析地下水流场、计算地下水抽出时间。对于相对复杂的污染地下水含水层,通过数学模型可以模拟抽出处理方法、设计地下水监测系统和监测频率。

(2)建立地下水控制系统:①把污染源和地下水污染羽去除相结合,分阶段建立抽出井群系统,通过前期井群建立获取监测数据分析含水层抽出效果,指导后续井群选址;②安装抽水泵;③脉冲式抽取地下水,通过抽取最少量地下水达到最优的污染物去除效率。

(3)处理抽出污染地下水:选择适当的处理设备和处理方法处理受污染地下水。具体处理方法包括生物法、物理/化学法等。

(4)监测效果评估:建立地下水抽出处理监测系统,评价地下水抽出处理效果。

(5)修复成功后关闭抽出处理系统。


5. 运行维护和监测

总体来说,该技术运行维护相对简单,运行过程中仅需对水泵、抽提井、管道阀门及相应电气设备、仪表及控制系统进行相应维护。污水处理系统的运行维护需根据不同污染物进行相应调整。

抽出处理系统投入运行后,就应开展实时监测,以判断系统运转是否满足既定治理目标,确保系统运行长期有效。借助于水位监测和水质检测,对系统运行做出相应调整。


6. 修复周期

该技术的处理周期与场地的水文地质条件、井群分布和井群数量密切相关。受水文地质条件限制,含水层介质与污染物之间相互作用,随着抽水工程的进行,抽出污染物浓度变低,出现拖尾现象;系统暂停后地下水中污染物浓度升高,存在回弹现象。因此,该技术可以用于短时期的应急控制,不宜作为场地地下水污染治理的长期手段。

三、某化工厂修复案例



1. 工程背景

某化工企业在场地环境调查期间,发现场地地下水污染为无机盐及有机物污染的复合型污染。其中无机盐污染主要表现为TDS、氯化物、硫酸盐、Fe等指标严重超过区域地下水背景值;地下水中有机物污染主要表现为色度、COD等指标严重超过区域地下水背景值。其中,潜水含水层污染最为严重,色度、COD、TDS等指标严重超标,污染范围基本分布在厂区周边250m范围内,其中厂区以东及以南污染扩散范围较小,基本分布在距离厂区200m范围内,厂区以西污染扩散较远,最远可达275m左右。根据地下水污染分布现状,调查范围内地下水污染基本以厂区内原污水大坑为污染中心,向四周扩散,呈羽状分布,并受厂区周边地形及地下水开采影响。 

经可行性分析,因盐的结晶性,先行挖除污染土壤后再对污染地下水采用水利截获技术进行管控,防止污染的地下水扩散。


2. 工程规模

地下水:超标方量约200万m3


3. 主要污染物及污染程度 

地下水中的污染物为无机盐及有机物污染,无机盐污染主要表现为TDS、氯化物、硫酸盐、Fe等指标。有机物污染主要表现为COD等。

经评估后以COD作为地下水修复的主要控制指标。治理阶段COD目标建议为200mg/L。


4. 水文地质特征

根据前期地下水环境调查及风险评估报告,场地地下15米范围内的地层有4层,自上而下分别为人工填土,粉质粘土、粉土及粉质粘土,除了底部粉质粘土为微透水层外,其余以上地层均为弱透水层。稳定水位在地下4-6m,流向为东北向西南,水力梯度约为0.02,地下水流速为0.08~0.18 m/a。地下水pH 为6.44~7.12,盐比重在1.006~1.12,COD在4500~10000mg/L。考虑到风险管控、经济投入、现场抽水试验的效果以及客户的实际需求,水力截获系统还是相当有优势的。


5. 工艺流程

抽出处理系统由抽水井、集水池、潜水泵等组成的抽出装置,地下水暂存池及厂区污水处理厂组成的处理装置及相应的管路和仪表、电气系统共同构成。

具体工艺流程见图4。图为电脑画面显示整体系统运行状况。

【三棱环境·技术探索】地下水修复之水力截获技术概述(图3)

图3 工艺流程简图

单口集水池配套抽水井详图见图5。图中显示,多口抽水井的地下水经泵和管道输送至就近集水池内,由该集水池泵送至下一个集水池。

图4 单口集水池配套抽水井详图


具体的流程为:沿厂区周边布置抽水井,抽水井内的含盐含COD等污染地下水首先通过潜水泵抽出地面,抽出后的地下水在集水池内汇聚,集水池内的地下水泵至下一个集水池,最终至暂存池,经暂存池泵至厂区污水处理厂处理。


6. 关键设备及工艺参数

抽提井采用UPVC材质,井径268mm,井深10.0m,其中筛管位于地下3m至地下8m的位置。共设置58口抽提井,7口集水池,总共运行180天。单个抽提井根据液位控制抽提时间,每天每口井的抽提时间不等,约1h~4h。


7. 成本分析

整体项目一次投资约为700万元,运行成本:去除1m3含COD含盐的污染地下水的费用约为120~150元(含污水处理成本)。


8. 修复效果

在180d的运行时间内,抽出-处理系统从60口井中总共抽出约10000m3流体(受污染的地下水),监测井中地下水的COD及盐含量明显下降,该项目仍在持续稳定运行中。由结果可知,抽出-处理技术对场地高含盐高含COD的污染物的去除有较好的效果,后续原位化学氧化处理实施后,地下水最终达到修复目标。

四、水利截获技术要点总结



1.如何根据污染场地的水文地质条件、污染物性质及其分布特征,利用置于污染羽状体下游的抽水井抽出污染的地下水并形成有效的水力截获带?


2.水力截获技术是否成功的关键在于抽水井的数量、位置、间距、井位、井深、抽水量以及降深。

【三棱环境·技术探索】地下水修复之水力截获技术概述(图4)

【三棱环境·技术探索】地下水修复之水力截获技术概述(图5)


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