一种VOCs污染土体增强曝气修复装置

摘要

本发明专利涉及地下水土有机污染物修复领域，具体涉及一种可用于常规曝气、压力梯度增强曝气修复VOCs污染和表面活性剂增强曝气修复VOCs污染的曝气装置。包括内管、外管、球形曝气头、两个相同的气囊和电机，所述内管和外管同轴，外管套装在内管的外部。根据VOCs污染区域的位置可以任意调节外管在曝气井中的位置，从而实现表面活性剂注入污染土体的目的。球形曝气头均匀分布的曝气口可产生更多的渗流通道，并且通过背压阀控制反压，一方面使曝气过程中有较大的气体压力梯度形成，曝气气体土中产生渗流作用；另一方面土体力学作用增强，在曝气过程中产生更多的渗流通道，使污染物更多的挥发出来，进而促进污染物的去除。该曝气装置对于提高曝气效率以及强化曝气修复效果具有重要的实际工程意义。

权利要求

1.一种VOCs污染土体增强曝气修复装置，其特征在于，包括内管（4）、外管（7）、球形曝气头（1）、两个相同的气囊（9）和电机（5），所述内管（4）和外管（7）同轴，外管（7）套装在内管（4）的外部；

所述内管（4）为顶部封闭的空心圆管，在内管（4）顶部端面上开有注气口（3），在内管（4）底部的内壁上开有内螺纹；将内管（4）上自下端面垂直向上为LA1距离和自下端面垂直向上为LA2距离之间的部分记为区域A,一个气囊（9）镶套在区域A的顶部位置，另一个气囊（9）镶套在区域A的底部位置，且在镶套气囊（9）处的内管（4）的管壁上均匀分布多个气孔一；记内管（4）的外直径为D1、长度为L1；

所述球形曝气头（1）由形成一体的主体和顶部构成，所述顶部为空心圆柱体，所述主体为一端开放的空心球体，且在开放处与顶部相通；所述顶部的外直径与内管（4）的内直径相同，且在外壁上开有与内管（4）底部内螺纹相对应的外螺纹，即球形曝气头（1）通过该外螺纹与内管（4）连接在一起，在主体下半球的壁上开有均匀分布的曝气孔（2）；

所述外管（7）的顶部及底部均为封闭的，且在两个端面上分别留有直径为D2的通孔（15），D2=D1+2δ，其中δ为缝隙，缝隙δ＜5mm，所述内管（4）穿过通孔（15）套装在外管（7）中，并可进行轴向方向的位移；在外管（7）的整个管壁上均匀分布多个气孔（14）；在外管（7）的顶部端面上设有四个均匀分布的出气口（11）；在外管（7）的内壁上均匀焊接了四个沿轴向方向的U型管，所述U型管的长度与外管（7）内腔的高度相同，将该U型管的开口端沿轴向方向焊接在外管（7）的内壁上，即在外管（7）的内腔中形成了四个由外管(7)的内壁、外管（7）的上下端面和U型管的内壁组成的沿轴向方向的空腔，将该空腔记为表面活性剂注入腔（8）；在外管（7）的顶部端面上与四个表面活性剂注入腔（8）对应位置设有与四个表面活性剂注入腔（8）贯通的四个表面活性剂注入口（12）；记外管（7）的长度为L2，L2=0.4L1～

0.6L1；

在外管（7）的上端面上对称设置了两个挂钩（10），电机（5）通过钢丝绳（6）和挂钩（10）连接，控制内管（4）在外管（7）中的轴向位移；

工作时，通过吊装装置将该增强曝气修复装置安装在曝气井（18）中，其内管（4）的上端面与地表面平齐；

所述气囊（9）为环形高压封堵气囊，记气囊（9）鼓满气后的外直径为d1、外管（7）的内直径为D3,且满足d1≥D3所述LA1=L2，LA2=1/4L2。

2.根据权利要求1所述的一种VOCs污染土体增强曝气修复装置，其特征在于，记所述球形曝气头（1）主体部分的外直径为D4，外管（7）的内直径为D3，且满足D2≤D4＜D3。

3.根据权利要求1所述的一种VOCs污染土体增强曝气修复装置，其特征在于，记所述外管（7）的外直径与曝气井（18）内直径之差为间隙h，h＜1cm。

4.根据权利要求1所述的一种VOCs污染土体增强曝气修复装置，其特征在于，所述气孔一、气孔（14）的孔径均为1mm‑3mm，所述曝气孔（2）的孔径为6mm‑10mm。

说明书

一种VOCs污染土体增强曝气修复装置

技术领域

[0001] 本发明专利涉及地下水土有机污染物修复领域，具体涉及一种压力梯度增强曝气修复VOCs污染和表面活性剂增强曝气修复VOCs污染的曝气装置。

背景技术

[0002] 在科技高速发展的时代背景下，我国的农业和工业的发展实现了质的飞越。与此同时，土体污染问题也逐渐成为困扰我们多年的时代难题。其中，相比较其重金属污染物和放射性污染物，有机污染物对土壤和地下水的污染更严重，是目前土壤和地下水污染的主要来源。

[0003] 而曝气法技术由于具有操作简单、效率高、环境友好等优点，是修复挥发性有机物污染地下水的最有效方法之一，已成为处理高渗土体中VOCs污染最有效的方法之一。曝气过程中，通过曝气井向污染区域注入空气，使之产生渗流通道，水土中的VOCs污染物通过溶解、扩散作用运移至通道，然后挥发至非饱和区，然后在土体气相抽提技术作用下，污染气体被抽出地下，并于地面处理，从而达到修复目的。但是因为现场地层的复杂性和非均匀性，经常会导致曝气法修复效果不佳，低渗土体VOCs污染问题日益严重。因此，为了提高高低渗污染土体的曝气修复效果，探究新型的强化曝气修复装置具有极其重要的工程和科学意义。

[0004] 例如中国发明专利申请公开说明书(CN112875881A)公开了《一种修复VOCs污染的曝气装置》，该装置包括顶管、转接管、内管、空心套管、底管、气囊A、气囊B和气囊C。根据VOCs污染区的位置可以任意调节曝气装置在曝气井中的安置位置，实现曝气点位的改变。但是上述曝气装置只能在一定程度上提高高渗污染土体曝气修复效果，并不能解决低渗污染土体曝气修复效果差的问题。

[0005] 因此，为解决以上问题，发明了一种VOCs污染土体增强曝气修复装置。

发明内容

[0006] 本发明的目的是为了解决上述问题而发明了一种VOCs污染土体增强曝气修复装置及其操作方法。

[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。本发明提供了一种VOCs污染土体增强曝气修复装置，包括内管、外管、球形曝气头、两个相同的气囊和电机，所述内管和外管同轴，外管套装在内管的外部；

[0008] 所述内管为顶部封闭的空心圆管，在内管顶部端面上开有注气口，在内管底部的内壁上开有内螺纹；将内管上自下端面垂直向上为LA1距离和自下端面垂直向上为LA2距离之间的部分记为区域A，一个气囊镶套在区域A的顶部位置，另一个气囊镶套在区域A的底部位置，且在镶套气囊处的内管的管壁上均匀分布多个气孔；记内管的外直径为D1、长度为L1；

[0009] 所述球形曝气头由形成一体的主体和顶部构成，所述顶部为空心圆柱体，所述主体为一端开放的空心球体，且在开放处与顶部相通；所述顶部的外直径与内管的内直径相同，且在外壁上开有与内管底部内螺纹相对应的外螺纹，即球形曝气头通过该外螺纹与内管连接在一起，在主体下半球的壁上开有均匀分布的曝气孔；

[0010] 所述外管顶部及底部均为封闭的，且在两个端面上分别留有直径为D2的通孔，D2＝D1+2δ，其中δ为缝隙，所述内管穿过该二个通孔套装在外管中，并可进行轴向方向的位移；在外管的整个管壁上均匀分布多个气孔；在外管的顶部端面上设有N个均匀分布的出气口；在外管的内壁上均匀焊接了M个沿轴向方向的U型管，所述U型卡管的长度与外管内腔的高度相同，将该U型管的开口端沿轴向方向焊接在外管的内壁上，即在外管的内腔中形成了M个由外管的内壁、外管的上下端面和U型管的内壁组成的沿轴向方向的空腔，将该空腔记为表面活性剂注入腔；在外管的顶部端面上与M个表面活性剂注入腔对应位置设有与M个表面活性剂注入腔贯通的M个表面活性剂注入口；记外管的长度为L2，L2＝0.4L1‑0.6L1；

[0011] 在外管的上端面上对称设置了两个挂钩，电机通过钢丝绳和挂钩连接，控制内管在外管中的轴向位移；

[0012] 工作时，通过吊装装置将该增强曝气修复装置安装在曝气井中，其内管的上端面与地表面平齐。

[0013] 优选地，所述气囊为环形高压封堵气囊，记气囊鼓满气后的外直径为d1、外管的内直径为D3，且满足d1≥D3；所述LA1＝L2，LA2＝1/4L2。

[0014] 优选地，记所述球形曝气头主体部分的外直径为D4，外管的内直径为D3，且满足D2≤D4＜D3。

[0015] 优选地，记所述外管的外直径与曝气井内直径之差为间隙h，h＜1cm。

[0016] 优选地，所述气孔的孔径为1mm‑3mm，所述曝气孔的孔径为6mm‑10mm。

[0017] 优选地，所述缝隙δ＜5mm。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0019] 1、本发明中的外管中有表面活性剂注入腔，可以在传统曝气技术的基础上，增加表面活性剂增强曝气修复技术。

[0020] 2、本发明的内外管结构可以根据VOCs污染区的位置随意调节外管在曝气井中的位置，从而实现表面活性剂注入范围的改变。

[0021] 3、本发明外管的顶部设有出气口，并通过该出气口连接背压阀，可以调节曝气过程中的反压，一方面使曝气过程中产生较大气体压力梯度，另一方面增强土体力学作用，从而达到增强曝气修复的目的。

附图说明

[0022] 图1是本发明实施例中增强曝气修复装置的总体结构示意图；

[0023] 图2是本发明实施例中增强曝气修复装置气孔及曝气孔分布示意图；

[0024] 图3是本发明实施例中内管结构示意图；

[0025] 图4是本发明实施例中外管结构示意图；

[0026] 图5是本发明实施例中外管顶部俯视图；

[0027] 图6是本发明在实际场地的曝气工作示意图。

[0028] 图中：1、球形曝气头；2、曝气孔；3、注气口；4、内管；5、电机；6、钢丝绳；7、外管；8、表面活性剂注入腔；9、气囊；10、挂钩；11、出气口；12、表面活性剂注入口；13、背压阀；14、气孔；15、通孔；16、VOCs污染区；17、表面活性剂注入管；18、曝气井；19、表面活性剂注入箱；20、气泵；21、气体流量计；22、调压阀；23、开关；24、注气管；25、抽提泵；26、抽提井。

具体实施方式

[0029] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。

[0030] 图1是本发明实施例中增强曝气修复装置的总体结构示意图，图2是本发明实施例中增强曝气修复装置气孔及曝气孔分布示意图，图3是本发明实施例中内管结构示意图，图4是本发明实施例中外管结构示意图，图5是本发明实施例中外管顶部俯视图。由图1‑图5所见，本发明增强曝气修复装置包括内管4、外管7、球形曝气头1、两个相同的气囊9和电机5，所述内管4和外管7同轴，外管7套装在内管4的外部。

[0031] 所述内管4为顶部封闭的空心圆管，在内管4顶部端面上开有注气口3，在内管4底部的内壁上开有内螺纹。将内管4上自下端面垂直向上为LA1距离和自下端面垂直向上为LA2距离之间的部分记为区域A，一个气囊9镶套在区域A的顶部位置，另一个气囊9镶套在区域A的底部位置，且在镶套气囊9处的内管4的管壁上均匀分布多个气孔14。记内管4的外直径为D1、长度为L1。

[0032] 所述球形曝气头1由形成一体的主体和顶部构成，所述顶部为空心圆柱体，所述主体为一端开放的空心球体，且在开放处与顶部相通。所述顶部的外直径与内管4的内直径相同，且在外壁上开有与内管4底部内螺纹相对应的外螺纹，即球形曝气头1通过该外螺纹与内管4连接在一起，在主体下半球的壁上开有均匀分布的曝气孔2。

[0033] 所述外管7的顶部及底部均为封闭的，且在两个端面上分别留有直径为D2的通孔15，D2＝D1+2δ，其中δ为缝隙，所述内管4穿过该二个通孔15套装在外管7中，并可进行轴向方向的位移。在外管7的整个管壁上均匀分布多个气孔14，在外管7的顶部端面上设有N个均匀分布的出气口11。在外管7的内壁上均匀焊接了M个沿轴向方向的U型管，所述U型卡管的长度与外管7内腔的高度相同，将该U型管的开口端沿轴向方向焊接在外管7的内壁上，即在外管7的内腔中形成了M个由外管7的内壁、外管7的上下端面和U型管的内壁组成的沿轴向方向的空腔，将该空腔记为表面活性剂注入腔8。在外管7的顶部端面上与M个表面活性剂注入腔8对应位置设有与M个表面活性剂注入腔8贯通的M个表面活性剂注入口12。记外管7的长度为L2，L2＝0.4L1‑0.6L1。

[0034] 在本实施例中，L2＝0.5L1。缝隙δ＜5mm，该缝隙δ保证了内管4可以在外管7中实现轴向位移。所述N＝4，M＝4，即在外管7的上端面设有4个均匀分布的出气口11，在外管7的内腔中有4个表面活性剂注入腔8，在外管7的上端面设有4个与表面活性剂注入腔8贯通的表面活性剂注入口12。

[0035] 在外管7的上端面上对称设置了两个挂钩10，电机5通过钢丝绳6和挂钩10连接，控制内管4在外管7中的轴向位移。

[0036] 工作时，通过吊装装置将该增强曝气修复装置安装在曝气井18中，其内管4的上端面与地表面平齐。

[0037] 在本实施例中，所述气囊9为环形高压封堵气囊，记气囊9鼓满气后的外直径为d1、外管7的内直径为D3，且满足d1≥D3。所述LA1＝L2，LA2＝1/4L2。

[0038] 在本实施例中，，记所述球形曝气头1主体部分的外直径为D4，外管7的内直径为D3，且满足D2≤D4＜D3。

[0039] 在本实施例中，，记所述外管7的外直径与曝气井18内直径之差为间隙h，h＜1cm。

[0040] 在本实施例中，，所述气孔14的孔径为1mm‑3mm，所述曝气孔2的孔径为6mm‑10mm。

[0041] 图6是本发明增强曝气修复装置在实际场地的曝气工作示意图。由图6可见，本发明增强曝气修复装置在工作过程中，还需要配套辅助装置。具体的，包括以下三组辅助装置：

[0042] 第一组包括气泵20、气体流量计21、调节阀22、开关23和注气管24。工作时，注气管24的一端与注气口3相通，另一端依次经开关23、调压阀22、气体流量计21与气泵20相连。

[0043] 第二组包括表面活性剂注入管17和表面活性剂注入罐19。工作时，表面活性剂注入罐19通过表面活性剂注入管17与表面活性剂注入口12相通。

[0044] 第三组为背压阀13，背压阀通过一段管道与外管7上的出气口相通，用于调节曝气过程中的反压。

[0045] 另外，从图6可见，本增强曝气修复装置在工作时还与数个抽提井26配套使用，抽提井26位于非饱和区，深2m，抽提井26通过管道与抽提泵25相通。

[0046] 本发明增强曝气修复装置的操作如下：

[0047] 步骤一，查明VOCs污染区16的位置和分布范围

[0048] 具体的，在本实施案例中，VOCs污染区16分布在地下深3.5～4米的饱和土体中，厚约0.5m。

[0049] 步骤二，曝气井18和抽提井26的建立

[0050] 具体的，在本实施案例中，曝气井18深4m，半径为25cm，抽提井26位于非饱和区，深2m。

[0051] 步骤三，增强曝气修复装置的安装

[0052] 使用吊装装置将增强曝气修复装置安装在曝气井18中，并根据VOCs污染区16的深度，使用电机5上下调节外管7的位置，使外管7至于VOCs污染区16内。

[0053] 步骤四，辅助装置的连接

[0054] 将辅助装置与本发明增强曝气修复装置连接在一起。

[0055] 在本实施例中，注气管24和注气口3为螺接、表面活性剂注入管17和表面活性剂注入口12为螺接、出气口11和其相连的管道也为螺接，且均在连接处装有密封圈。

[0056] 步骤五，注入表面活性剂

[0057] 通过表面活性剂注入管8向四周污染土体中注入表面活性剂，使表面活性剂与污染土体充分接触。

[0058] 步骤六，开始曝气

[0059] 打开气泵20的开关，调节调压阀22至预定曝气压力P1；调节背压阀13到预定的压力值P2；

[0060] 打开开关23和抽提泵25的电源，气泵20泵出的气体经过内管4进入球形曝气头1，气囊9渐鼓起，鼓起的两个气囊9与外管7内壁紧密贴合，使外管7更好的固定在VOCs污染区16内。气体从球形曝气头1下半部分通过均匀分布的曝气孔2释放，在VOCs污染区16内形成渗流通道。VOCs通过扩散进入渗流通道，一部分通过外管7的壁上均匀分布的气孔14挥发至地表进行处理，一部分挥发至非饱和区，最后被抽提井26抽出地表进行处理，从而达到土体VOCs的去除。

[0061] 通过本发明的曝气装置和曝气方法，可以在传统曝气工作的基础上极大提高曝气工作效率和VOCs的去除率。