CN1997601A - 净化地下水的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分别降低流过水槽(1)的原水中金属、非金属、硝酸盐和亚硝酸盐含量的方法，其中含有氧、释放氧的物质、天然微生物或脱氮生物和/或其基质的代谢反应的水因此通过设置在至少一个用于净化水的抽出井(3)周围的多个卫星井(2)间歇地引入水槽(1)中。因此含氧和/或释放氧的物质或天然微生物或脱氮生物和/或其基质的代谢反应的水在所述水槽(1)中均匀地垂直分配，从而待净化的水通过水平设置的进料管(5)进料至水槽中，并从所述至少一个抽出井(3)抽出净化水，使得在所述至少一个抽出井(3)周围产生明显负压。本发明还涉及用于实施所述方法的设备以及用于所述设备中的卫星井。

Description

净化地下水的方法和设备

技术领域

本发明涉及按权利要求1的前序部分所述的降低地下水、为渗透地表水的人工地下水或地表水中金属、非金属、硝酸盐或亚硝酸盐含量的方法。本发明还涉及权利要求8的实施所述方法的设备。

背景技术

过去，通过在水处理装置中向水中加入氧而对水进行处理和净化以脱除铁和锰。这将造成杂质沉积，过滤除去这些杂质以得到净化水。通常以纯氧形式向水中加入氧，或通过应用阶式曝气装置使水曝气而加入氧。由于从溶液中沉积金属所需要的氧浓度相对较低，金属铁和锰通过上述过滤过程沉积，其中所述过滤器包括一个或多个砂层，而水从这些砂层通过。由于用作过滤材料的砂层必须不断再生以强化沉积的锰和铁金属离子的脱除，因此这种净化装置的资本投资和操作成本都很高。

另外，在瑞典专利说明书No.6903544-2中描述了原位净化地下水。通过多个按预定距离且围绕供应井或供应管设置的卫星井或卫星管而向蓄水层间歇地引入含有氧或释放氧的物质的水。以这种方式向蓄水层中引入氧处理水为某些微生物的生长创造了合适的环境，增强了现存地层内化合物的化学和代谢吸收、氧化和沉积，从而应用地层作为反应和过滤介质。所应用的微生物通常为生物体，其在氧化和还原条件之间形成的区域内主要是活性的。在约二十四(24)小时的时间间隔内间歇地加入含有氧或释放氧的物质的水。在加入氧处理水或含有释放氧的物质的水的过程中，供应井不能用作净化水源，这是因为同时应用供应井和卫星井将会使过滤机构失效或干扰其操作，从而使水质变差。为连续供应水，需要两个或多个供应井或合适的贮存设施来克服上述缺点，使得在至少两个供应井之间或供应井与贮存设施之间交替抽出净化水。如果需要，在从替代供应源抽出净化水的过程中，对一个或多个待用供应井进行再生。

当从单一供应井中抽出水并输送到一个或多个卫星井以同时应用所述供应井时，重新加入的水的流动模式通常与待净化的水的流动模式平行。当该通常平行的流动模式形成时，不连续的径向净化模式在未被净化的卫星井和供应井之间发展。由于铁和锰的沉积供应井的操作性能将逐渐降低，这是因为所述铁和锰的沉积在很大程度上发生在供应井附近较小部分的蓄水层内。当如前所述应用两个或多个供应井并从供应井间交替抽出净化水从而在更大部分蓄水层内分配沉积时，这个问题不再发生。

为了克服水不连续供应的缺点，瑞典专利说明书No.8206393-4描述了另一种原位地下水交替净化。该发明的优点是不再需要两个或多个供应井，允许通过在卫星井间形成与待净化水的流动模式近似垂直的流动模式而从单个供应设施中连续泵送出净化水。以这种方式，在离供应井足够远的距离发展成周边净化模式，其在蓄水层的更大部分中分配沉积，从而可以保持供应井的操作性能。

正如这里所应用的，术语″卫星井″在这里用来指任何设施，通过该设施可以将处理水引入过滤器、水槽、蓄水层或类似净化或过滤系统，通过该系统使水净化。但应该理解″卫星井″也用来将水抽入其它卫星井。卫星井的代表性例子包括井、管道、软管、管子和类似设备。

在操作过程中，向至少一个但并非所有卫星井中加入调节水，并且在加入的同时，从至少一个卫星井中抽出水，其目的是形成一个用于污染物吸附、转化、氧化、沉积或挥发的净化区。具体地，应用用氧化剂或其它有益添加剂调节的水来降低未处理水中的杂质浓度，使水得到″净化″。以这种方式向卫星井中加入调节水在离供应设施足够远的距离处形成净化区或过滤区，从而避免堵塞供水设施，并保持足够的流量通过净化区进入供应设施。进料至卫星井的水可以包含从至少一个其它卫星井抽出的调节水，并且如果需要，也可包含部分从供应设施抽出的净化水。

通过改变向其中引入调节水的多个卫星井，以及通过交替从其中抽出水的卫星井，用户可以优化在其中沉积污染物的净化区。依据净化系统的尺寸、水文地质条件、生化条件、水中所含杂质的浓度等，在该系统中可以应用两个以上的任何数量的卫星井。可以按预先确定的时间间隔向卫星井中加入调节水，该时间间隔可以为几小时到几天或者更长。

瑞典专利说明书No.8206393-4中的方法也能应用水槽连续过滤和净化地下水和地表水，其中包含和应用包括天然形成或人工制造材料的过滤器。例如，可以将土挖走形成带有覆盖表面的水槽状空穴，以及可以将粘土、混凝土、塑料、防水布等密封层用于所述覆盖表面形成内壁。用于引入调节水的卫星井位于水槽内的覆盖层内部，并且用过滤材料如砂石填充所述水槽。供应设施可以位于水槽中心；用于引入处理水的卫星井位于覆盖层和水槽中心之间，围绕在水槽内壁周边的内部，从而能够通过多个卫星井向净化系统中引入调节水、通过至少一个卫星井抽出水并通过供应设施连续抽出净化水。在人造的蓄水层中，从至少一个卫星井中水间歇地抽出水、进行调节并进一步引入至少一个其它卫星井中。以这种方式交替用于重新注入的卫星井与用于抽出水的卫星井，以有效交替用于沉积污染物的净化区。

PCT WO 02/48469描述了净化水的设施和方法，其中这些设施和方法也可以用于人工蓄水层如填充有惰性材料的水槽中。在该说明书中，据说对抗环境土壤的密封布被设置在土壤表面下方，这意味着顶部是对着大气开放的。对于瑞典专利说明书No.8206393-4来说，也是相同的设置。这将引起水槽中的材料溢流和洗出，这是因为原水渗透和重新注入卫星井在水槽中积累了高的水压。

图3给出了高水压问题的计算机模拟，其表明为了产生充够的抵消压力抵消在已知设备中普遍存在的高水压，需要四米以上覆盖层的压力。正如图4中可以看出的，即使利用四米的覆盖层，仍存在约1.3米的过压。

发明内容

本发明的目的是克服上面提到的缺点，并可以以连续且成本有效的方式净化原水。

因此，本发明涉及一种分别降低流过含天然过滤材料的水槽的地下水、为渗透地表水的人工地下水或地表水中金属、非金属、硝酸盐和亚硝酸盐含量的方法，从而在降低金属或非金属含量的情况下将含有氧或释放氧的物质和/或天然微生物的代谢反应的水以及在降低硝酸盐和亚硝酸盐含量的情况下将含脱氮生物和/或其基质的水通过在至少一个用于净化水的抽出井周围设置的多个卫星井间歇地引入水槽中。该方法的特征在于所述含氧或释放氧的物质和/或天然微生物或脱氮生物和/或其基质的代谢反应的水在所述水槽中均匀地垂直分配，待净化的水通过水平设置的进料管进料至水槽中，并从所述至少一个抽出井抽出净化水，使得在所述至少一个抽出井周围产生明显负压。

按照本方法的一个优选实施方案，在所述至少一个抽出井周围的所述负压的数量级为约一米水头。

按照本方法的另一个优选实施方案，从抽出井抽出净化水使进料管和注入管的水压都降低至否则进料管和注入管中将存在的压力的一半以上。

本发明还涉及一种分别降低流过含天然过滤材料的水槽的地下水、为渗透地表水的人工地下水或地表水中金属、非金属、硝酸盐和亚硝酸盐含量的设备，从而在降低金属或非金属含量的情况下将含有氧或释放氧的物质和/或天然微生物的代谢反应的水以及在降低硝酸盐和亚硝酸盐含量的情况下将含脱氮生物和/或其基质的水通过在至少一个用于净化水的抽出井周围设置的多个卫星井间歇地引入水槽中。该设备的特征在于利用对空气和水不可渗透的材料对水槽进行密封，并且通过所述材料的所有入口和出口均对空气和水不可渗透。

按照所述设备的一个优选实施方案，所述卫星井包含至少一个注入管和至少一个抽出管，并且所述注入管和所述抽出管均配有缝或孔，其方式使这些缝或孔的面积补偿了垂直方向上增加的水压。

附图说明

下面参考附图，通过非限定性的实施例描述本发明，其中：

图1是本发明用于净化原水的设备的示意性侧视图；

图2是本发明上述设备的示意图，其配有中心抽出井和设置在所述抽出井周围的几个卫星井，并且其中进料管与原水渗透管用点划线表示，并且除去了覆盖的覆盖层；

图3是按照已知技术用于净化原水的设备中压头分布的计算机模拟；

图4是在未密封的原水净化设备中压头分布的计算机模拟；

图5是本发明的密封的原水净化设备中压头分布的计算机模拟；

图6是在本发明设备中应用的卫星井的端视图；和

图7是图6中的卫星井的局剖侧视图。

具体实施方式

图1给出了本发明一个优选实施方案的设备，所述设备用来降低原水中金属、非金属、硝酸盐和亚硝酸盐的含量，所述设备包含一个设置在地下空穴中且含有天然过滤材料如砂或其它合适材料(未示出)的水槽或人工蓄水层1、多个注入/卫星井2、抽出井3、用于从例如地下水井(未示出)供应水的原水供应管道4、用于进料的水平设置的供应设施或进料管5以及可用来清洗所述原水供应管道4的井6。水槽1完全被对空气和水不可渗透的材料11如橡胶和/或塑料材料包围，即密封水槽1。对于水槽1的顶部来说也是如此。另外，通过材料11的管道、缆线等的所有入口和出口均由对空气和水不可渗透的材料制成。在所述图1中，水平视图用12表示。

在所示实施方案中，水槽被厚度约为1米的覆盖层所覆盖。

正如图2中可以看出的，在具体实施方案中，所述设备具有方形水槽1，但很明显所述水槽可以为任何其它形状如圆形或长方形。

在所示实施方案中，在水槽1中设置了八个卫星井2和一个抽出井3。用点划线表示的原水供应管4与至少一个进料管5相连，其中所述进料管5与水槽1的每一侧平行设置。另外，每个卫星井2与用于氧处理从所述井2抽出的水的设施相连，并且当水被氧处理后，其优选返回井2并注入水槽1中。

在本发明的设备中，卫星井2和抽出井3特别设置，从而当注入和/或从水槽1中泵出水时，使水沿水槽的垂直方向均匀分配。更准确地说，在所述设备的优选实施方案中，如图6和7所示，以一定方式设计卫星井2，从而使其包含被分离设施9隔开的至少一个抽出管7和至少一个注入管8(在所示实施方案中有两个注入管和两个抽出管)。以一定的方式设计抽出管7和注入管8，从而使在管子7、8的管壁中对着周围材料以任何其它方式形成的为孔或缝10或孔形式的开孔面积补偿垂直方向上增加的水压。因此抽出管7配有开孔面积，其在任意水平部分与垂直方向上增加的水压头成反比，从而抽出水的流量沿整个管子的外表面均匀分布。否则大部分水将来自井中水压最高的较深部分。注入管8也以相同方式具有开孔面积，其在任意水平部分与垂直方向上增加的水压头成反比，从而注入的水沿整个管子的外表面均匀分布，否则大部分水将在管子外表面的上部离开注入管8。抽出管和注入管7、8可以制成单独的管子，也可以如图7所示被分离设施9隔开。

另外，对技术人员来说很明显的是，卫星井即图7中所示的抽出管7和注入管8的设计可以与用于净化地下水、为渗透地表水的人工地下水或原位地表水的设备一起应用。

当本发明的方法开车时，填充有过滤材料的水槽1完全注满水。然后开始从抽出井3泵送水，并持续至所述井3的水位从比初始水位降低约一米。然后通过原水供应管4向水平设置的进料管5中进料水，其总体积对应于通过抽出井3抽出的体积，从而得到如图5所示的水槽1中的水压分布。如果不采取其它措施，则随时间进行的天然过程将会超出抽出井3周围水位的下限，从而在水槽1的外围部分将会产生大的水压，这将造成过滤材料的溢流和洗出，如上所述。为避免此种情况，必须自动控制水的流入和流出，从而保持抽出井3周围的水位下限。

按照本发明，通过以一定的方式从抽出井3泵出水使压力降低至否则所述管道中将存在的压力约一半的压力，从而控制水平进料管5和注入管8中增加的高压。以一定的方式设计这种泵送的特殊方法、所需控制和调节设备(未示出)，从而在中心抽出井3周围总存在高的负压，其在优选实施方案中对应在水槽1的水平面处在不可渗透材料下方约一米的水压头，参见图5。

因此，按照本发明，通过在水槽1上方相对适中厚度的覆盖层来补偿不可渗透材料下方的过压，因为水不能上升至超过不可渗透材料。所产生的压力如图5所示，并且可以看出其至多为约0.5米的水头。通过为水槽1提供围绕整个水槽延伸的不可渗透材料11，还可能从净化水中滤出周围土壤和空气中可能的杂质。

在通过曝气加入氧的情况下，所术曝气以一定的方式进行，从而允许水通过封闭水槽1外部的曝气系统(未示出)循环。该曝气系统对于设置在抽出井3周围的注入管和抽出管8、7可以是共用的。抽出管7的水在共用设备(未示出)中曝气，而在小水槽(未示出)中进行一定的脱气，从而游离的空气气泡可以逃离至环境空气中。来自所述小水槽的水通过泵送通过阀门而均匀分布进入注入管8中。

另外，氧化剂不仅包括水溶性化学物质和气体，也包括微生物和所有其它可以使杂质或污染物氧化的组合物。当本发明用于净化地下水或应用这里所描述的技术净化原水时，也可以应用天然微生物的代谢反应作为污染物沉积或降解的机理。例如，已经应用微生物Crenothrix、Leptothrix和Gallionella在氧存在下使污染物铁和锰氧化和/或沉积。类似地，通过用不同的试剂如甲烷或营养物调节用于重新加入的水，可以诱导非自养微生物氧化或代谢降解各种污染水的有机化合物。因此，天然微生物部分用作一种可以应用本发明净化污染水的设施。

水槽1中的过滤材料不需要更换或再生以脱除沉积的铁和锰或其它金属或非金属，这是因为优选确定过滤材料的孔的尺寸，从而在由于过滤材料堵塞而造成抽出井3的泵送能力降低之前，其寿命超过100年。

图1所示的水槽1可以与一个或多个类似的水槽组合，从而使彼此相邻的注入和抽出管相互组合，以形成共用的注入管和抽出管。

上面已经针对脱除铁和锰描述了本发明，但对技术人员来说很明显的是，本发明也可以用于脱除其它金属或非金属如铅和砷。

由于本发明的水槽/人工蓄水层1形成一个密闭系统，也可以应用不需要氧的方法。代替注入氧处理水，注入管8可以用来注入在缺氧条件下生存的微生物所必需的营养物质。这些营养物质可以包含磷酸盐和低分子量物质如醇。在所述方法中，通过应用脱氮生物而使硝酸盐和亚硝酸盐转化成氮，而氮会与水一起从抽出井3中抽出。必须对该水曝气，以使氮和氧之间的平衡恢复到大气中的含量。

在希望从原水中同时分别脱除金属、非金属及硝酸盐和亚硝酸盐的情况下，可以在至少两个步骤中进行，从而在包含一个或多个单独设置的组件中通过向至少第一组件中进料营养物质而非氧，然后向至少第二组件中进料氧或释放氧的物质，首先脱除亚硝酸盐和硝酸盐。从第一组件流出的水可以不经任何中间处理进料至第二组件。当然，原水的两步净化也可以在单独设置的多个水槽1中进行。

Claims (12)

1.一种分别降低流过含天然过滤材料的水槽(1)的地下水、为渗透地表水的人工地下水或地表水中金属、非金属、硝酸盐和亚硝酸盐含量的方法，从而在降低金属或非金属含量的情况下将含有氧或释放氧的物质和/或天然微生物的代谢反应的水以及在降低硝酸盐和亚硝酸盐含量的情况下将含脱氮生物和/或其基质的水通过在至少一个用于净化水的抽出井(3)周围设置的多个卫星井(2)间歇地引入水槽(1)中，特征在于所述含氧和/或释放氧的物质和/或天然微生物或脱氮生物和/或其基质的代谢反应的水在所述水槽(1)中均匀地垂直分配，待净化的水通过水平设置的进料管(5)进料至水槽中，并从所述至少一个抽出井(3)抽出净化水，使得在所述至少一个抽出井(3)周围产生恒定负压。

2.权利要求1的方法，特征在于在所述至少一个抽出井(3)周围的所述负压的数量级为约一米水头。

3.权利要求1的方法，特征在于从抽出井(3)中抽出净化水使得进料管(5)和卫星井(2)的水压都降低至当不进行这种泵送操作时在所述进料管(5)和卫星井(2)中存在的压力的一半以上。

4.权利要求1的方法，特征在于所述方法在至少两个步骤中并在被分为至少两个单独设置的组件的水槽中进行，从而在第一步中第一组件降低硝酸盐和亚硝酸盐的含量，而在第二步中第二组件降低金属和非金属的含量，并且水在至少两个组件之间不经任何中间处理而进料。

5.权利要求1-4任意一项的方法，特征在于从原水中脱除的金属和非金属选自铁、锰、铅和砷。

6.权利要求1的方法，特征在于所述方法只用于降低硝酸盐和亚硝酸盐的含量。

7.权利要求1的方法，特征在于所述方法只用于降低金属和非金属的含量。

8.一种用于分别降低流过含天然过滤材料的水槽(1)的地下水、为渗透地表水的人工地下水或地表水中金属、非金属、硝酸盐和亚硝酸盐含量的设备，从而在降低金属或非金属含量的情况下将含有氧或释放氧的物质或天然微生物的代谢反应的水以及在降低硝酸盐和亚硝酸盐含量的情况下将含脱氮生物和/或其基质的水通过在至少一个用于净化水的抽出井(3)周围设置的多个卫星井(2)间歇地引入水槽(1)中，特征在于水槽(1)利用对空气和水不可渗透的材料(11)密封，并且通过材料(11)的所有入口和出口均对空气和水不可渗透。

9.权利要求8的设备，特征在于所述卫星井(2)包括至少一个注入管(8)和至少一个抽出管(7)，并且所述注入管(8)和所述抽出管(7)配有缝或孔(10)，其方式使这些缝或孔(10)的面积补偿垂直方向上增加的水压。

10.权利要求8的设备，特征在于当在至少两个步骤中降低金属、非金属、硝酸盐和亚硝酸盐含量时，水槽(1)包含至少两个单独设置的组件，并且水在所述组件之间不经任何中间处理而进料。

11.权利要求8的设备，特征在于从原水中脱除的金属和非金属选自铁、锰、铅和砷。

12.在权利要求8-11任一项的设备中或在用于净化地下水、为渗透地表水的人工地下水或原位地表水的已知设备中所应用的卫星井，特征在于所述卫星井(2)包含至少一个注入管(8)和至少一个抽出管(7)，并且所述注入管(8)和所述抽出管(7)配有缝或孔(10)，其方式使这些缝或孔(10)的面积补偿垂直方向上增加的水压。

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