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【技术交流】循环井技术修复地下水氯苯污染的效果研究
时间:2020-07-13


作者及来源:屈智慧1,2 ,王洪涛 1 ,杨勇2 ,袁思莉 2 ,桑志伟 2 ,张玉虎 2
(1.清华大学 环境学院,北京 100084;2.中科鼎实环境工程有限公司,北京 100028)

化学工程师2016 年第 11 期



摘要

本次研究应用地下水循环井技术处理受氯苯污染的地下水场地,在污染场地内共建设 4 口循环井进行井内循环治理和 9 口监测井进行监测。研究结果表明:随着井内循环的持续运行,地下水中污染物氯苯的浓度快速降低;连续运行 28d 后,地下水中氯苯去除率达 95.6%~97.6%;氯苯浓度最高的点位从227.28mg·L -1 下降到 5.46mg·L -1 。井内循环修复工艺可快速去除地下水中氯苯污染,若要达到人体健康风险可接受的修复目标或稳定的修复效果,建议与其它地下水修复技术联合应用。


地下水是十分重要宝贵的资源,是我国重要的战略资源和饮用水源,在我国水资源总量中占三分之一左右,全国约 70%的人口在饮用地下水 [1] 。近几十年来,随着我国社会经济飞速发展,地下水资源开发利用加速,导致地下水污染状况也日益凸显加重。2009 年,对北京、辽宁、吉林等 8 个省份水质进行分析,结果是劣质的Ⅳ类和Ⅴ类水质占总数的73.8%[ 2 ] 。据 《全国城市饮用水安全保障规划(2006- 2020 年)》数据,全国近 20%的城市集中式地下水水源水质劣于Ⅲ类 [3] 。地下水污染修复日益受重视,但因地下水污染具有隐蔽性、复杂性、难以控制,以及治理费用巨大等特性,地下水修复在我国尚未大规模展开。目前,用于治理修复地下水的技术有抽出 - 处理等异位修复技术和地下水曝气等原位处理技术,各修复技术有其优缺点和适用范围 [ 4] 。其中地下水循环井修复技术是一种原位修复技术,该技术将曝气、气提、吹脱集成于一体,克服了地下水抽出处理周期长、水处理费昂贵、曝气处理影响半径有限、去除速率低的缺点,在国外被广泛使用,但在国内应用案例屈指可数。


地下水循环井工作原理是通过内井曝气,导致形成密度较小的气水混合物,该混合物上升至循环井内井顶端后从外井上部穿孔花管流出进入含水层,气体被气水分离器排出;循环井下部因曝气导致井内外流体密度差异,井周围的地下水不断流入循环井;通过持续曝气,最终在循环井周围形成地下水的三维循环流场 [5,6 ] ,在垂直水力冲刷作用下,介质空隙中吸附或残留的有机物逐渐解吸或溶解进入水相 [7 ] ;通过气、水两相间传质作用,地下水中挥发性和半挥发性有机污染物挥发进入气相,通过曝气吹脱作用从水体中去除;此外空气中的氧气溶入水相,在浓度梯度作用下扩散,会在循环井周围形成一个强化的原位好氧生物降解区域加速污染物的去除 [8,9] 。地下水循环井技术在国内目前主要处于实验研究阶段,如白静等 [10] 实验模拟了地下水循环井对含水层中非水相液体(NAPL)物质的修复,赵素丽等 [11,12] 利用地下水循环井进行生物修复研究。

本文以某有机污染地下水场地修复示范工程为主要研究内容,运用井内循环技术修复受氯苯污染的地下水。通过对循环井连续进行压力恒定的曝气,循环井周边形成了稳定的地下水循环,地下水中氯苯被快速吹脱而去除,曝气产生的含氯苯污染气体通过地上气体收集和处理装置治理后达到满足 北京市 《 大 气 污 染 物 综 合 排 放 标 准 》(DB11/501- 2007)后排放。经过28d 的持续运行,该场地地下水中氯苯含量明显降低,井内循环达到了快速去除目标污染物的修复效果,发挥了做为原位修复技术高效治理有机污染物的优势。



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 污染场地初始污染状况



      本研究的污染场地为长期受化工厂管道跑冒滴漏现象影响的含氯苯污染地下水区域。场地修复面积在 200m×160m 范围内,场地包气带厚度约为2m,潜水含水层深度约为 3m,含水层介质以中砂为主,地下水流向为从西北向东南方向。污染集中在潜水含水层,最高浓度为 227.28mg·L -1 ,场地西北区域污染浓度高,东南区域污染浓度较低,具体见图 1。

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场地修复条件



2.1 循环井和监测井的布设


根据污染场地氯苯初始浓度分布情况,共设置4 个循环井,井体的具体位置为其外井上部花孔的中部与地下水水位相平,外井底部与潜水含水层隔水底板相接,每个循环井配置一个活性炭箱做为尾气处理装置,循环井周边共设置 9 个监测井,井体为在整个含水层厚度上均匀布设花孔的完整井,具体见图 2。污染场地内循环井和监测井具体布置位置见图 3。

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2.2 修复方法



      循环井通过空气压缩机,连续 24h 曝气,曝气压力稳定控制在 200kPa,约两个大气压强。


2.3 监测频率和方法


      循环井和监测井的采样频次均为每周一次,地下水中氯苯分析方法采用《水和废水监测分析方法(第四版)》。分析条件为:气相色谱仪为 FID 检测
器,DB- 1 型毛细柱,柱长 30m,内径 0.32mm,膜厚0.32mm。色谱条件为:气化室温度 200℃,柱温初始温 40℃,程序升温至 60℃,升温速率为 2℃·min -1,检测器温度为 220℃,空气流量为 400mL·min -1 ,H2流量为 43mL·min -1 ,载气(N 2 )流量为 3mL·min -1,分流比为 2∶1。


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结果与讨论


3.1 氯苯浓度变化分析


      在井内循环运行之前和第 7、14、21 和 28d,分别从编号为 MW1 至 MW9 共 9 个监测井中取样分析地下水污染物氯苯的浓度变化情况,各监测井中
氯苯浓度随时间的变化情况见图 4。

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      由图 4 可知,在循环井未运行之前,靠近场地西北部严重污染区域的监测井 MW1 中地下水污染物氯苯的浓度最高值达 153.14mg·L -1 ,场地东南部远离严重污染区域的监测井 MW7 中地下水污染物氯苯的浓度最低值也高达 38.78mg·L -1 。随着井内循环的运行,9 个监测井监测到的地下水污染物氯苯的浓度均逐渐降低,说明随着循环井的运行,污染物氯苯不断从地下水体中去除,在井内循环运行了28d 后,监测井中监测到的氯苯浓度最大值为3.94mg·L -1 ,该监测井为靠近污染中心的 MW1;最小值为 1.51mg·L -1 ,该监测井为远离污染中心的 MW9。

3.2 氯苯去除效率分析



       循环井连续运行过程中,各监测井中氯苯浓度逐去除率随时间的变化情况见图5。从图 5 可知,随着循环井的持续运行,9 个监测井中地下水中氯苯的去除率均逐渐上升。在井内循环运行第 7d 时,监测井中氯苯的最高去处理率为55.4%,监测井中最低去除率为 26.8%。在井内循环运行 14d 时,地下水氯苯的去除率为 56.4%~80.1%,井内循环运行 28d 时,地下水氯苯的去除率为83.7%~92.6%,在井内循环运行 28d 时,地下水氯苯的去除率为 95.9%~97.5%。

3.3 氯苯污染修复效果分析

      利用地下水井内循环技术处理 28d 后,地下水污染物氯苯的修复效果见表 2。


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污染场地地下水环境经过 4 口循环井连续运行 28d 后 , 循 环 井 内 氯 苯 最 高 的 浓 度 值 从227.28mg·L -1 下降到 5.46mg·L -1 ,去除率为 97.6%,循 环 井 内 最 低 浓 度 值 从 105.31mg·L -1 下 降 到2.54mg·L -1 ,去除率为 97.6%;监测井内氯苯最高的浓度值从 153.14mg·L -1 下降到 3.94mg·L -1 ,去除率为 97.4%,监测井中氯苯最低的浓度值从 38.78mg·L -1 下降到 1.51mg·L -1 ,去除率为 95.8%。循环井技术处理 28d 天后,4 口循环井和 9 口监测井共 13 口井中 地 下 水 污 染 物 氯 苯 的 浓 度 值 范 围 为5.46~1.51mg·L -1 ,氯苯的去除率为 95.6%~97.6%。

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结论与建议



(1)受有机污染物氯苯污染的地下水,应用地下水循环井技术处理后,地下水中氯苯的浓度随处理时间延长而逐渐下降,监测到的最高浓度值从227.28mg·L -1 下降到 5.46mg·L -1 。


(2)应用地下水循环井技术处理后,地下水中氯苯的去除率随处理时间延长而逐渐上升,地下水循环井技术处理 28d 后,4 口循环井和 9 口监测井监测到的氯苯去除率达 95.6%~97.6%。

从表 3 中数据可以看出,低浓度羟丙基胍胶压裂液体系初滤失量与常规压裂液体系相当,滤失系数比常规压裂液体系低,能有效地控制液体滤失,有利于携沙及降低对储层的伤害,并且满足了标准“SY/T 6376- 2008 压裂液通用技术条件”对滤失系数及初滤失量的要求。

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结论


(1)确定的压裂体系为:耐温 80、90℃的压裂液体系羟丙基胍胶用量为 0.30%,交联剂用量为0.35%,耐温 100、110℃的压裂液体系羟丙基胍胶用量为 0.325%,交联剂用量为 0.35%,耐温 120℃的压裂液体系羟丙基胍胶用量为 0.325%,交联剂用量为0.40%,耐温 130℃的压裂液体系羟丙基胍胶用量为0.35%,交联剂用量为 0.40%,其他助剂加量分别为:起泡剂 0.50%,助排剂 0.50%,粘土稳定剂 0.50%,温度稳定剂 0.08%,杀菌剂 0.10%,Na 2 CO 3 0.12%。

(2)压裂液体系破胶后残渣、体系流变性能、破胶时间及破胶粘度、岩心伤害率、静态滤失均满足SY/T5107- 2005《水基压裂液性能评价方法》的要求,与常规羟丙基胍胶体系(0.45%)相比,破胶后羟丙基胍胶残渣下降率大于 50%,岩心伤害率下降率大于 45%,静态滤失系数相较于常规羟丙基胍胶压裂液体系也呈现下降趋势,因此低度羟丙基胍胶体系具有较好应用价值。

(3)本次研究应用地下水循环井技术处理 28d后,地下水污染物氯苯浓度仍高于《中华人民共和国污水综合排放标准》(GB 8978- 1996)氯苯的三级标准限值 1.0mg·L -1 ,说明循环井技术能快速将高浓度污染物氯苯降低到较低的浓度水平,但若计划将地下水污染治理到人体健康风险可接受的水平仍需要进一步后续处理或应用其它修复技术联合修复。



来源:土行者

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