CN112058887B - 一种用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，包括压裂***单元和多相抽提***单元，压裂***单元包括空气压缩机、空气加热器、压裂井及注入管，空气压缩机的出口端与所述空气加热器进口端连接，压裂井延伸至液相污染源以下区域，其下端封闭，沿压裂井长度方向上设有多个呈间隔设置的出风缝隙，注入管的入口端与空气加热器出口端连接，注入管的出口端延伸至压裂井中，用于将加热后的空气注入至压裂井中，并由对应的出风缝隙渗透至污染土壤中。本发明利用气动压裂使地层产生裂缝，提高非饱和区透气率，改变含水层的渗透率，水力传导率等，热空气流过可提高该区域挥发性污染物的饱和蒸气压，促进其挥发，极大提高MPE的抽提效率。

Description

一种用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***

技术领域

本发明涉及污染场地修复技术领域，具体涉及一种用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***。

背景技术

多相抽提(MPE)是一种对环境友好的土壤和地下水修复技术，对地面环境的扰动较小，适用于加油站、石化企业和化工企业等多种类型的污染场地，尤其适用于存在非水相液态污染物(NAPL)情形的污染土壤与地下水的修复。它具有修复效率高、影响面积大，适用范围广等优点。

通常，MPE技术通过使用真空和/或水泵提取等手段，同时抽取地下污染区域的土壤气体、地下水和NAPL到地面进行多相分离、处理，达到污染土壤及地下水的治理。MPE技术兼有土壤气相抽提和地下水泵出处理的功能，但同时也存在相应的技术缺陷。例如，不适用渗透性较差地质条件 (适用范围渗透系数Kf：10^-3～10^-5cm/s)；当污染物质饱和蒸气压过低(饱和蒸气压＜0.5mm Hg)时会限制其抽提效果；单泵真空抽提时，因为需要同时进行抽气和抽液，则相对单独气或液抽提***的抽提效率较低。诸如这些问题，很大程度上限制了MPE技术在渗透性差、污染物情况复杂的场地修复。因此，有必要研发新的修复技术，来提高MPE原位场地修复效果。

申请公布号CN104624623A的专利文献公开了一种污染场地原位抽提修复方法，该方法包括调查、布井、压裂和抽提，在布井完成后，通过压裂的方式将砂浆混合液高压泵入土壤中形成土层裂隙，进而在井道不同高度形成砂层，增大黏性土壤的渗透能力，加快原位抽提速度，从而提高抽提修复效果。但是，上述方法需要向地层中泵入砂浆，对地层扰动较大，操作相对复杂增加了劳动量，且注浆压裂缝隙距离相对较短，不利于大面积场地修复成本控制。

因此，有必要开发一种针对渗透性差，且污染情况复杂的污染场地原位多相抽提修复***，从而改善上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种气动压裂强化多相抽提***，利用气动压裂，向地层中注入高压热空气，使地层产生裂缝增加气、液体流动通道，从而可加速污染气体、地下水和NAPL的抽提回收，且对地层扰动较小。

本发明采用如下技术方案：

一种用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，包括设置于所述污染场地的压裂***单元和多相抽提***单元，所述压裂***单元包括空气压缩机、空气加热器、压裂井及注入管，所述空气压缩机的出口端与所述空气加热器进口端连接，所述压裂井延伸至液相污染源以下区域，其下端封闭，沿所述压裂井长度方向上设有多个呈间隔设置的出风缝隙，所述注入管的入口端与所述空气加热器出口端连接，所述注入管的出口端延伸至所述压裂井中，用于将加热后的空气注入至所述压裂井中，并由对应的所述出风缝隙渗透至污染土壤中。

靠近所述注入管的出口端设有在长度方向上呈间隔设置的至少两个分隔气囊，相邻两所述分隔气囊之间的所述注入管上设有出风喷嘴，所述分隔气囊注气后与所述压裂井的内壁呈密封贴合，所述注入管上的出风喷嘴与分隔在两相邻分隔气囊之间的所述压裂井上的出风缝隙相连通。

所述压裂井上的出风缝隙间隔0.2m～0.9m，所述压裂井中气体的注入压力为0.5～2Mpa，注入流量为20～50L/min。

进一步地，所述压裂***单元还包括气压/流量调节器，所述气压/流量调节器的两端分别连接所述的空气压缩机和空气加热器。

所述多相抽提***单元包括抽提井、抽提管和水处理单元，所述抽提井的下端伸入液相污染源以下区域，所述抽提井的下部区域为筛管结构，所述筛管结构设置于污染土壤的饱和区域和非饱和区域；所述抽提管置于所述抽提井中，所述抽提管上端与所述水处理单元连接，其下端的入口端设置于所述抽提井的筛管结构处，用于同时抽取非饱和区域的气相和饱和区域的液相污染物。

优选地，所述抽提管的入口端为锯齿V字形或斜切口结构，其入口端部分浸入饱和区域的液相污染物中。

再进一步地，所述抽提管的下端设有液面计探头，用于检测饱和区域的液相污染物的液面表层，使所述抽提管的下端与饱和区域的液相污染物的液面保持齐平。

所述水处理单元包括气液分离罐、真空泵、活性炭罐、油水分离器、储油箱、储水箱和水处理装置，所述抽提管的出口端和所述气液分离罐连通，所述气液分离罐的气相出口通过管道连通所述真空泵的吸口，所述真空泵的出口通过管道连通所述活性炭罐的入口，所述活性炭罐的出口连通外界大气；所述气液分离罐的液体通过第一污水泵泵入所述油水分离器，所述油水分离器的非水溶性污染物出口连通所述储油箱，所述油水分离器的水相出口通过管道连接到储水箱，当到达一定液位时通过第二污水泵泵入所述水处理装置进行处理与排放。

位于所述抽提井井头处的所述抽提管上还设有真空压力表和流量表，用于检测所述抽提井井头的负压和流量。

所述多相抽提***还包括控制装置，其分别与所述压裂***单元和多相抽提***单元中的执行端电性连接，所述控制装置通过PLC控制程序控制各执行端的运行。

本发明技术方案，具有如下优点：

A.本发明所提供的气动压裂强化多相抽提***，利用空气压缩机产生压缩空气，再通过空气加热器将空气加热后快速输送到指定地层中，通过气动压裂使地层产生裂缝，提高非饱和区透气率，改变含水层的渗透率，水力传导率等，从而提高MPE对污染气体的抽提，显著提高含水层中污染地下水和NAPL的抽提回收，有效地增强饱和区的修复；同时，采用对注入地层中的高压空气进行加热，热空气流过可提高该区域挥发性污染物的饱和蒸气压，促进其挥发；并且同时可降低NAPL的粘性，增加其流动性，从而可以极大提高MPE的抽提效率。

B.压裂井长度可根据需要压裂地层深度设计，并按照0.2m～0.9m间隔开缝，也可以根据地层结构设计开缝间隔。将注入管下入压裂井井管中，注射喷嘴位置设置在压裂井开缝处，并用分隔气囊进行分隔，设置完成后进行高压喷气，使该位置土层在高压气体作用下产生裂缝，单次注射时间持续15～20秒。对某个区域压裂完成后，对分隔气囊放气，即可将注射喷嘴下放至下一个压裂井开缝处，直至对所有压裂井开缝处地层进行气动压裂完成为止。本发明采用集中压裂井局部注气，气流压力大，压裂效果好，高压热气体注入可显著提高此区域中污染物挥发，使NAPL的粘性降低而发生流动，对土壤的修复更加彻底。

C.本发明所提供的气动压裂强化多相抽提***操作简便，处理效果好，对于低渗透污染场地的修复具有高效精准的特点，根据污染场地的复杂程度，可在此基础上增加其它装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的气动压裂强化多相抽提***修复***分布示意图；

图2为图1中的注入管与压裂井结构示意图；

图3为图1中的抽提管结构示意图。

图中标识如下：

1-压裂***单元；

11-空气压缩机，12-空气加热器，13-压裂井，131-出风缝隙，

14-注入管，141-出风喷嘴，15-分隔气囊；16-气压/流量调节器

2-多相抽提***单元

21-抽提井，211-筛管结构，22-抽提管

23-水处理单元

231-气液分离罐，232-真空泵，233-活性炭罐，234-油水分离器

235-储水箱，236-储油箱，237-水处理装置，238-第一污水泵

239-第二污水泵；

3-真空压力表；4-流量表；5-控制装置；6-充气泵；7-充气管。

A-饱和区域；B-非饱和区域。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供的一种用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，包括设置于污染场地的压裂***单元1和多相抽提***单元2，压裂***单元1包括空气压缩机11、空气加热器12、压裂井13及注入管 14，空气压缩机11的出口端与空气加热器12进口端连接，压裂井13延伸至液相污染源以下区域，压裂井13的下端封闭，沿压裂井13长度方向上设有多个呈间隔设置的出风缝隙131，如图2所示；注入管14的入口端与空气加热器12出口端连接，注入管14的出口端延伸至压裂井13中，用于将加热后的空气注入至压裂井13中。加热后的压力气流从压裂井13的出风缝隙131中渗透到污染土壤中，通过气流压裂提高低渗透土壤的渗透能力，有利于提高抽提效率。

本发明利用气动压裂向地层中注入高压热空气，使地层产生裂缝，增加气、液体流动通道，从而可加速污染气体、地下水和NAPL的抽提回收。同时，本***对注入地层中的高压空气进行加热，当热空气进入污染地层中，可提高该区域挥发性污染物的饱和蒸气压，促进其挥发，同时可降低 NAPL的粘性，增加其流动性，从而可以极大提高MPE的抽提效率。

为了更有效的对污染区域进行修复处理，如图2所示，本发明还在靠近注入管14的出口端设有在长度方向上呈间隔设置的至少两个分隔气囊 15，相邻两分隔气囊15之间的注入管14上设有出风喷嘴141，本发明优选通过充气泵6经充气管7对各个分隔气囊15进行注气，分隔气囊注气后与压裂井13的内壁呈密封贴合，注入管14上的出风喷嘴141与分隔在两相邻分隔气囊15之间的压裂井13上的出风缝隙131相连通，即对某一深度的污染土层进行高压集中注气，促进此区域的污染物得到快速挥发及液相污染物流动，通过沿着压裂井深度方向逐步移动分隔气囊15，直至对所有压裂井开缝处地层进行气动压裂完成为止。

在气动压裂***单元1中，空气压缩机11给***提供压缩空气，通过气压/流量调节器16对注入污染地层的空气进行压力和流量调节，注入压力通常设置为0.5～2Mpa，注入流量通常设置为20～50L/min，实际工程中可根据地层地质特性和注入深度进行调节。空气加热器12和气压/流量调节器 16连接，将注入地层中的空气进行加热，加热温度通常根据场地污染物性质和设备性能要求设定，通常设定温度50-300度，针对挥发性有机污染物，例如：苯系物、卤代烃，或半挥发性有机物：多环芳烃等，但需要根据实际场地情况并结合经济因素综合考虑，来设定具体目标温度，具体不详细赘述。

当注入管14下方的出风喷嘴141一端伸入压裂井13中，注入管14在井头处和压裂井13密封连接，注入管14的另一端连接到空气加热器12的管道连接口，管道上设有压力表3和流量表4，用于检测注入管14内的气体压力和流量。如图2所示，本发明所采用的压裂井13为开缝管，出风缝隙131间隔一般为0.2m～0.9m，也可以根据地层结构设计。管道开缝的出风缝隙131必须保证相应管道材质的物理强度，防止因为管道开缝过密或注入空气压力过大而导致管道断裂。注入管14的出风喷嘴141上下两端带有分隔气囊15，当出风喷嘴141沿管道伸入压裂井13的出风缝隙131时，利用充气泵6对两分隔气囊15充气直至气囊膨胀将压裂井管道进行上下分隔。设置完成后进行高压喷气，使相应土层在高压热气体作用下产生裂缝，单次注射时间通常持续15～20秒。

其中的多相抽提***单元2包括抽提井21、抽提管22和水处理单元 23，抽提井21的下端伸入液相污染源以下区域，抽提井21的下部区域为筛管结构211，筛管结构211设置于污染土壤的饱和区域A和非饱和区域B；抽提管22置于抽提井21中，抽提管22上端与水处理单元23连接，其下端的入口端设置于抽提井21的筛管结构211处，用于同时抽取气相和液相污染物。

水处理单元23包括气液分离罐231、真空泵232、活性炭罐233、油水分离器234、储水箱235、储油箱236、和水处理装置237，抽提管22的出口端和气液分离罐231连通，气液分离罐231的气相出口通过管道连通真空泵232的吸口，真空泵232的出口通过管道连通活性炭罐233的入口，活性炭罐233的出口连通外界大气；气液分离罐231的液体通过第一污水泵238泵入油水分离器234，油水分离器234的非水溶性污染物出口连通储油箱236，油水分离器234的水相出口通过管道连接到储水箱235，当到达一定液位时通过第二污水泵239泵入水处理装置237进行处理与排放。优选地，位于抽提井21井头处的抽提管22上还设有压力表3和流量表4，用于检测抽提井21井头的负压和流量。

多相抽提***单元2是利用真空泵产生负压，同时对污染土壤进行抽提气体、地下水和NAPL。抽提管22一端连接到污染土壤的抽提井21中，另一端连接气液分离罐231的管道连接口。伸入抽提井21中的抽提管22 下端优选设为锯齿V字形或斜切口结构，V字形或斜切口结构的部分浸入液面以下，部分留在液面上，便于同时抽提液体与气体至地面进行处理。为了实时能对地下液位作出准确判断，如图3所示，本发明还可以在抽提管22最底部平行位置设置了液面计探头(图中未示出)，当液面下降时，可以根据液面计探针监测数据调整抽提管至液面表层，保证整个抽提过程中可以同时抽提非饱和区域B中的气相和饱和区域A中的液相污染物。

当然，本发明还在多相抽提***中设置了控制装置5，其分别与压裂***单元1和多相抽提***单元2中的执行端电性连接，控制装置5通过PLC 控制程序控制各执行端的运行。

通过真空泵232负压抽提的多相污染物先进入气液分离罐231，用于分离抽提出的气体和液体，气体和液体经过油水分离器234分离后，气体进入活性炭罐233处理达标后排放，液体进入油水分离器234进行处理。根据设置在气液分离罐231中的液位控制器，气液分离罐231中的液位达到控制高度时，通过自动控制装置5控制第一污水泵238排放液体。

油水分离器234用于分离抽提出的油和水，经过分离后油相进入储油箱236中用于后续利用或处理，水先进入储水箱235，内设液位控制器在储水箱235中，当液位达到控制高度时，通过控制装置5自动控制第二污水泵239启动将水泵入到水处理装置237进行处理。水处理装置237可根据污染性质和抽提浓度设计，可选择活性炭吸附、吹脱处理、生物处理中的一种或多种组合，经过处理后的水达标排放或回用。

本发明中的多相抽提***单元2利用自动控制装置(比如PLC控制装置)设置控制程序，自动控制各设备运行，包括定时开关抽提***、流量调节、压力调节、真空泵的启闭等。在管道和抽提井21内还设置有用于监测真空度、地下水降深、抽提流量、流体温度等参数的监测设备，比如在抽提井的井头位置设置了用来测量抽提管内流量和压力的流量表4和真空压力表3，可以将监测到的数据传输到PLC控制装置的控制面板上，便于查看各参数变化，从而进行***调节。

本发明中的气动压裂作业可根据场地现场条件与多相抽提作业间歇或同时进行。多相抽提***通过真空泵产生的负压将污染土壤中的挥发性有机物和半挥发性有机物、NAPL和地下水通过与抽提井连接的抽提管抽入到各个设备中，经气液分离罐以及油水分离器后，分别进入相应净化处理。抽提管下端的V形或斜开口部分浸入污染液面以下时，当液位计探头监测到的NAPL相厚度超过设定的最高限值时，打开抽提***开始抽提NAPL 以及污染土壤中的气相，当油相厚度低于设定的最低限值时，则关闭抽提***，***停止抽提工作。当周边的NAPL通过水力梯度或压力梯度回流至抽提井中，油相厚度恢复到***设定的最高限值时，再次开启抽提***进行抽提处理，往复循环，直至NAPL相污染物抽提完为止。

上述的水处理单元23中的各个设备及充气泵、压力表和流量表等都为市售产品，这里不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，包括设置于所述污染场地的压裂***单元(1)和多相抽提***单元(2)，其特征在于，所述压裂***单元(1)包括空气压缩机(11)、空气加热器(12)、压裂井(13)及注入管(14)，所述空气压缩机(11)的出口端与所述空气加热器(12)进口端连接，所述压裂井(13)延伸至液相污染源以下区域，其下端封闭，沿所述压裂井(13)长度方向上设有多组呈间隔设置的出风缝隙(131)，靠近所述注入管(14)的出口端设有在长度方向上呈间隔设置的至少两个分隔气囊(15)，相邻两组所述出风缝隙(131)所形成的间距大于两分隔气囊(15)所形成的间距，相邻两所述分隔气囊(15)之间的所述注入管(14)上设有出风喷嘴(141)，所述分隔气囊(15)注气后与所述压裂井(13)的内壁呈密封贴合，所述注入管(14)上的出风喷嘴(141)与分隔在两相邻分隔气囊(15)之间的所述压裂井(13)上的出风缝隙(131)相连通；所述注入管(14)的入口端与所述空气加热器(12)出口端连接，所述注入管(14)的出口端延伸至所述压裂井(13)中，用于将加热后的空气注入至所述压裂井(13)中，并由对应的所述出风缝隙(131)渗透至污染土壤中。

2.根据权利要求1所述的用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，其特征在于，所述压裂井(13)上的出风缝隙(131)间隔0.2m～0.9m，所述压裂井中气体的注入压力为0.5～2Mpa，注入流量为20～50L/min。

3.根据权利要求2所述的用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，其特征在于，所述压裂***单元(1)还包括气压/流量调节器(16)，所述气压/流量调节器(16)的两端分别连接所述的空气压缩机(11)和空气加热器(12)。

4.根据权利要求1-3任一所述的用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，其特征在于，所述多相抽提***单元(2)包括抽提井(21)、抽提管(22)和水处理单元(23)，所述抽提井(21)的下端伸入液相污染源以下区域，所述抽提井(21)的下部区域为筛管结构(211)，所述筛管结构(211)设置于污染土壤的饱和区域(A)和非饱和区域(B)；所述抽提管(22)置于所述抽提井(21)中，所述抽提管(22)上端与所述水处理单元(23)连接，其下端的入口端设置于所述抽提井(21)的筛管结构(211)处，用于同时抽取非饱和区域(B)的气相和饱和区域(A)的液相污染物。

5.根据权利要求4所述的用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，其特征在于，所述抽提管(22)的入口端为锯齿V字形或斜切口结构，其入口端部分浸入饱和区域(A)的液相污染物中。

6.根据权利要求5所述的用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，其特征在于，所述抽提管(22)的下端设有液面计探头，用于检测饱和区域(A)的液相污染物的液面表层，使所述抽提管(22)的下端与饱和区域(A)的液相污染物的液面保持齐平。

7.根据权利要求6所述的用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，其特征在于，所述水处理单元(23)包括气液分离罐(231)、真空泵(232)、活性炭罐(233)、油水分离器(234)、储油箱(236)、储水箱(235)和水处理装置(237)，所述抽提管(22)的出口端和所述气液分离罐(231)连通，所述气液分离罐(231)的气相出口通过管道连通所述真空泵(232)的吸口，所述真空泵(232)的出口通过管道连通所述活性炭罐(233)的入口，所述活性炭罐(233)的出口连通外界大气；所述气液分离罐(231)的液体通过第一污水泵(238)泵入所述油水分离器(234)，所述油水分离器(234)的非水溶性污染物出口连通所述储油箱(236)，所述油水分离器(234)的水相出口通过管道连接到储水箱(235)，当到达一定液位时通过第二污水泵(239)泵入所述水处理装置(237)进行处理与排放。

8.根据权利要求7所述的用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，其特征在于，位于所述抽提井(21)井头处的所述抽提管(22)上还设有真空压力表(3)和流量表(4)，用于检测所述抽提井(21)井头的负压和流量。

9.根据权利要求1所述的用于污染场地治理的气动压裂强化多相抽提***，其特征在于，所述多相抽提***还包括控制装置(5)，其分别与所述压裂***单元(1)和多相抽提***单元(2)中的执行端电性连接，所述控制装置(5)通过PLC控制程序控制各执行端的运行。

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