Способ удаления загрязнений из подземных участков

 

Использование: удаление загрязнений из подпочвенных участков, имеющих подземные воды, подпочвенную насыщенную зону ниже подземных вод и подпочвенную вадозную зону выше подземных вод. Сущность изобретения: удаление обеспечивается с помощью множества труб, каждая из которых имеет перфорированные участки, позволяющие подавать или принимать поток материала и расположенные в насыщенной зоне или вблизи нее. По крайне мере одна труба предназначена для подачи пара, и по крайней мере одна - для подачи питательной жидкости. Питательные жидкости, подаваемые в нагнетательные трубы, представляют собой минеральные вещества и первичные субстраты. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу удаления нефтесодержащих загрязнений и других углеводородов из подпочвенных участков, имеющих грунтовые воды, и участков, расположенных поблизости от них.

Известен способ удаления загрязнений из подземных участков, по которому перфорированные трубки углубляются в загрязненную землю, причем в некоторых трубках создается избыточное давление, а в других разряжение, что дает возможность прокачивать промывочную жидкость для ускорения вымывания загрязняющих элементов и предотвращения их распространения на незаряженные участки. Это замкнутая система с избыточным давлением в одной части и разряжением в другой, создаваемым, например, трубопроводами, соединенными с центральным коллектором. Промывочная жидкость, следовательно, подается под давлением в загрязненные участки и вымывает из них загрязняющие элементы. Промывочная жидкость может быть в жидком или газообразном виде (например инертные газы, такие, как азот, или химически активные газы, которые вступают в соединение с загрязняющими элементами и образуют инертные или безвредные химические соединения (1).

Этот метод, однако, имеет определенные недостатки: необходимость применения дорогостоящей промывочной жидкости и/или газа, опасность дальнейшего загрязнения почвы нейтральными промывочными растворителями.

Следовательно, необходим способ, позволяющий быстро и эффективно удалять углеводородные загрязняющие элементы из участков, расположенных в насыщенных зонах как над, так и под уровнем грунтовых вод.

На рис. 1 схематично показано поперечное сечение устройства для удаления загрязняющих элементов, используемого в способе.

На рис. 2 поперечное сечение скважины подачи пара и/или жидкости, применяемой в данном изобретении.

На рис. 3 поперечное сечение выводной скважины, используемой в настоящем изобретении.

На рис. 4 расположение нагнетательных и выводных скважин, предлагаемых в настоящем изобретении.

Настоящим изобретением предусматривается способ удаления загрязнений из подпочвенных участков, имеющих подпочвенные воды, подпочвенные насыщенные зоны ниже уровня подземных вод и подпочвенные вадозные зоны выше уровня подземных вод. При этом загрязнения присутствуют в одной или обеих насыщенной и вадозной зонах.

Заявленный способ включает: а) размещение, по крайней мере, двух нагнетательных труб, имеющих перфорированную нижнюю часть для выхода потока материала в подпочвенной насыщенной зоне или рядом с ней; b) размещение, по крайней мере, одной выводной трубы с перфорированной нижней частью для приема потока материала, расположенной в подпочвенной насыщенной зоне или рядом с ней; с) подачу пара, по крайней мере, в одну из нагнетательных труб; d) одновременную подачу питательной жидкости, усиливающей рост естественных и/или искусственных углеводородов, разрушающих флору и фауну в загрязненной подпочвенной зоне в, по крайней мере, одну нагнетательную трубу, при этом эта питательная жидкость вытекает из нижней перфорированной части упомянутой нагнетательной трубы в насыщенную зону и увеличивает биодеградацию и/или биотрансформацию, по крайней мере, части загрязненного участка; е) приложение отводящей силы к выводной трубе и вывод загрязнений в жидком или газообразном состоянии через ее перфорированный участок.

Более подробно настоящее изобретение рассматривается в последующем описании со ссылками на примеры предпочтительного осуществления изобретения.

Настоящее изобретение используется при удалении загрязнений из загрязненных подпочвенных участков и, особенно, при удалении искусственных углеводородов.

Под термином "искусственные углеводородные загрязнения" понимаются такие углеводороды, обычно встречающиеся в нефти, как ароматические соединения, парафины, олеиновые кислоты и гетероциклические соединения, различные комбинации таких соединений, как спирты, сложные эфиры, кетоны, карбонаты, кислоты и другие галогенные соединения. Особое внимание уделяется удалению таких галогенных алифатических соединений, как трихлорэтилен и 1,1,1-трихлорэфир, используемые в химчистках и при промышленном обезжиривании поверхностей.

Загрязненные подпочвенные зоны, предназначенные для очистки в соответствии с настоящим изобретением, представляют, собой участки, имеющие подпочвенные грунтовые воды, подпочвенную насыщенную зону, расположенную ниже уровня подземных вод, и подпочвенную вадозную зону, расположенную выше уровня подземных вод и простирающуюся до поверхности земли. Как хорошо известно, капилляры или капиллярная окаймляющая зона, в которой загрязнения присутствуют как в жидком, так и в парообразном состоянии, обычно находятся прямо над уровнем подземных вод. Капиллярная зона может квалифицироваться как переходный участок от уровня подземных вод до вадозной зоны. Для целей настоящего изобретения, однако, эта зона рассматривается как продолжение или часть грунтовых вод.

Для удаления углеводородных загрязнений система скважин пробуривается в подозреваемом участке или непосредственно около него. В данном изобретении используются обычные конструкции, которые могут подавать пар и другие вещества, например, питатели и/или углеводороды, разрушающие флору и фауну данного участка, в загрязненный участок под поверхностью земли, включающий как насыщенную, так и ненасыщенную (вадозную) зоны. Рекомендуются, по крайней мере, две нагнетательные трубы, из которых одна подает пар, а другая - питательные вещества, влияющие на рост естественных углеводородов, ухудшающих флору и фауну в загрязненной зоне, и/или для подачи искусственных углеводородов, ухудшающих флору и фауну, и, следовательно, питательных веществ, если это необходимо. Трубопроводы изготавливаются из водонепроницаемых материалов, вставляются в буровые скважины и имеют перфорированные участки, расположенные, предпочтительно, в подпочвенной насыщенной зоне, т.е. ниже уровня подземных вод. Эти трубы обеспечивают подачу пара и питательных веществ (или искусственных углеводородов и, если необходимо, питательных веществ) ниже уровня земли в насыщенную зону.

В настоящем и изобретении имеется также в виду, что в дополнение или вместо нагнетательных труб насыщенной зоны одна или более указанных нагнетательных труб с перфорированной нижней частью расположены в вадозной зоне для подачи пара и других веществ (т.е. питательных жидкостей для естественных и искусственных углеводородов, разрушающих окружающую среду) в эту зону.

Предпочтительно имеется множество таких нагнетательных труб для пара и питающей жидкости, число которых зависит от таких факторов, как размер и геологические особенности очищаемой загрязненной зоны и специфической природы загрязнений.

Среди нагнетательных труб имеется, по крайней мере, одна выводная труба также обычной конструкции из водонепроницаемого материала, расположенная в буровой скважине и имеющая пеpфорированную нижнюю часть в подпочвенной насыщенной зоне и позволяющая загрязненные подземные воды и пар вводить из насыщенной зоны на поверхность земли для обработки и удаления. Предпочтительно, чтобы такие отводные трубы располагались отдельно от нагнетательных труб и образовывали с ними законченную схему.

В предпочтительном примере осуществления изобретения одна или несколько дополнительных относительно мелко сидящих выводных труб расположены среди выводных труб или вместо них, причем их перфорированные нижние части находятся в вадозной зоне для отвода парообразных или жидких загрязняющих элементов.

Приложение отводящей силы, т.е. механическое действие насоса или вакуумных насосов, создающих разряжение, к выводным трубам осуществляется одновременно с подачей пара и питательных веществ. Газы и жидкости, содержащие загрязнения в различных формах, перемещаются из насыщенной и/или вадозной зон в одну из нижних секций выводных труб. Эти газы и жидкости через перфорированные нижние участки по выводным трубам подаются на поверхность земли для обработки и/или уничтожения с целью очищения почвы.

В соответствии с настоящим изобретением подача пара через одну или несколько нагнетательных труб способствует испарению нелетучих загрязняющих элементов и облегчает их удаление через выводные трубы, расположенные вблизи или смежно с нагнетательными трубами. Особенно эффективен процесс для удаления скоплений нерастворимых жидких загрязнений. В зависимости от конкретного геологического строения подпочвенного участка, минерального состава и пористости подаваемый пар, летучие соединения и жидкости (т.е. нелетучие загрязняющие элементы) перемещаются в различных направлениях к нижним перфорированным частям выводных труб, находящихся в насыщенной или в вадозной зонах или в обеих, а затем выводятся на поверхность земли. Жидкие и другие нелетучие материалы направляются подаваемым паром по направлению к перфорированной части выводных труб.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением одновременно с подачей пара в подпочвенные насыщенную и/или вадозную зоны в них же подается питательная жидкость, усиливающая развитие естественных углеводородов, разрушающих флору и фауну в загрязненном районе.

Известно, что часто загрязняющие растворители присутствуют в загрязненных участках в нерастворенном виде, что делает их удаление из загрязненных участков, особенно из насыщенной зоны, достаточно трудным. Усиление развития естественных углеводородов, разрушающих флору и фауну, с помощью таких питательных веществ усиливает биодеградацию и/или биотрансформацию некоторых загрязняющих элементов или растворителей к большей растворимости в воде и/или летучести, что значительно облегчает их удаление через грунтовые воды и/или выводные трубы. Например, биотрансформация трихлоринатных растворителей приводит к их превращению в дихлорэтиловые эфиры и этаны, легче растворимые в воде, что облегчает их удаление из подпочвенных насыщенных зон.

Аборигенные бактерии, обеспечивающие биодеградацию и/или биотрансформацию органических (и неорганических) соединений, хорошо известны и описаны подробно, например, в патенте США N 4765902. Питательные вещества, добавляемые в загрязненные зоны в соответствии с настоящим изобретением, которые имеют большое значение для роста таких микробов, также хорошо известны и включают, например, фосфаты металлов такие, как гексаметафосфаты магния, и источника азота такие, как соединения аммиака. В предпочтительном варианте питательные вещества содержат, по крайней мере, минеральные элементы и первичные субстратные элементы, причем минеральные элементы включают фосфор в виде гексаметафосфата магния и азот в виде хлористого аммония и небольшие количества солей никеля и кобальта. В качестве первичного субстрата предпочтительно использовать уксуснокислый калий и/или муравьинокислый калий.

Одновременная подача пара, приводящая к испарению органических соединений и их последующему удалению из загрязненной зоны, также снижет концентрацию таких органических соединений до менее токсичного уровня или, по крайней мере, удаляет некоторые специфические соединения, вредные для бактерий, и способствует улучшению флоры и фауны. Это, в свою очередь, увеличивает растворимость в воде и/или испаряемость органических загрязняющих элементов и значительно облегчает их удаление.

Предпочтительный вариант применения настоящего изобретения лучше всего видно при рассмотрении рис. 1 4 и пояснений к ним. Однако следует отметить, что изобретение не ограничивается этими рамками и может применяться гораздо более широко.

На рис. 1 представлен процесс очистки, обозначенный цифрой 1. Цифрами 2 и 4 обозначены нагнетательные трубы, подающие пар и питательную жидкость соответственно. Цифрами 6 и 8 обозначены выводные трубы для удаления газов и жидкости. Как показано на рисунке, питающие трубы расположены горизонтально на поверхности земли над загрязненным участком, подлежащим очистке. Поверхность земли обозначена буквой "S", вадозная зона (от поверхности земли до подземных вод "WT" буквой "V"). Ниже подземных вод находится насыщенная зона. Как показано на рис. 1, жидкая фаза, включающая жидкие загрязняющие элементы в нерастворенном состоянии, находится в насыщенной зоне ниже подземных вод.

Под номерами 10 и 12 показаны вертикальные стояки в буровых скважинах, проходящие до насыщенной зоны ниже подземных вод и предназначенные для подачи пара и питательных веществ в подозреваемые участки насыщенной зоны. Нижние части стояков имеют сверления или соединены с экранами для подачи пара в питательных веществ в подпочвенные воды, подлежащие очищению. Верхние части стояков 10 и 12 соединены с питателями 2 и 4. В этом предпочтительном варианте нагнетающие трубы пара и питательной жидкости 2 и 4 подсоединены к стоякам 10 и 12 над землей, хотя такая конструкция не является единственной, так как вся установка может быть собрана под поверхностью земли. Кроме того, в других вариантах стоянки могут располагаться горизонтально или под углом к поверхности земли. Как уже указывалось, перфорированные участки стояков 10 должны находиться в зоне нерастворенных жидких загрязнений (безводных жидких фаз), находящихся в слое подземных вод, подлежащем очистке. Такие безводные жидкие фазы часто встречаются в легко определяемых участках, например, когда подпочвенная насыщенная зона граничит со слоем плотно слежавшегося гравия или другого, по существу, водонепроницаемого материала.

Настоящее изобретение предусматривает, однако, подачу пара через перфорированные нижние участки стояков в подпочвенные зоны, в которых мало безводных жидких фракций или в которых, из-за особенностей геологического строения, мало легко определяемых зон с безводными жидкими фракциями, в которых нерастворимые загрязняющие жидкие углеводороды рассеяны на большом пространстве, в пустотах или между пластами пород.

Вертикальные выводные трубы, расположенные в буровых скважинах и проходящие до насыщенных зон ниже подземных вод для удаления загрязненной воды и пара, обозначены цифрой 14. Нижняя часть стояков 14, проходящая до насыщенной зоны, имеет перфорацию или соединена с экранами для пропуска загрязненных вод и паров и подачи их в трубопровод 6 для дальнейшей обработки, например пример, десорбции, дистилляции и/или других методов отделения загрязняющих элементов, подробно рассматривающих ниже. И в этом предпочтительном воплощении соединение стояка 14 и трубопровода 6 выполнено на землей, хотя установка может быть собрана и под землей. Кроме того, выводные стояки могут быть расположены горизонтально или под углом к поверхности земли, или могут простираться в земле в горизонтальном направлении, по желанию.

В предпочтительном примере осуществления изобретения дополнительные выводные стояки, расположенные в буровых скважинах и проходящие до вадозных зон над подземными водами и до капиллярных зон для отвода паров и жидкостей, обозначены числом 16. Нижние части выводных стояков 16 имеют перфорации, соединены с экранами или каким-либо другим путем приспособлены для приема пара или жидкости и передачи их в трубопровод 8 для последующей обработки.

Выводные трубопроводы 6 и 8, удаляющие загрязнения из насыщенной и вадозной зон, имеют соответствующие приспособления (ни рисунке не показаны), обеспечивающие поступление загрязняющих элементов в трубопроводы 6 и 8, и стояки 14 и 16 (помпы или вакуумные насосы, создают разряжение для подачи загрязненных вод и паров в вводные стояки 14 и 16 и последующего вывода на поверхность земли для обработки или удаления).

В зависимости от глубины погружения выводных стояков дополнительная отводящая сила, т. е. разряжение может создаваться одним или несколькими насосами, установленными в подпочвенной части насыщенной или вадозной зоны, например,внизу соответствующих стояков 14 и 16.

На рис. 2 и 3 представлены поперечные сечения труб подачи пара и/или питательных веществ и вывода загрязнений. На рис. 2 и 3 показаны буровые скважины 10,0, и 102 и стояки 104 и 106, имеющие коаксиально расположенные в каждой. Эти стояки могут быть изготовлены из любого водонепроницаемого материала, например, из оцинкованной стали. На рис. 2 питающая нитка 108 подает в стояк 104 пар и/или питательное вещество от трубопровода 110 (4 и 2 на рис. 1). На рис. 3 отсасывающий шланг 112 соединен с выводным трубопроводом 114 через стояк 6 (6 и 7 на рис.1). В данном примере, кольцевые промежутки 116 и 118 между стенками буровых скважин 10 и 102 и стояками 104 и 106 (см. рис. 2 и 3) для поддержки этих стояков предпочтительно заполнены пропускающим жидкость материалом, например, гравием, песком или обломками пород.

У верхних краев буровых скважин 100 и 102 на поверхности земли S кольцевые промежутки 116 и 118 заполнены плохо пропускающим воду материалом 120 и 122 (см. рис. 2 и 3), например, цементом, глиной или уплотненной землей для предотвращения доступа воздуха с поверхности земли в стояки 104 и 106.

В нижних частях стояков 104 и 106, опущенных в буровые скважины 10 и 102 в подземные насыщенные зоны, подлежащие очистке в соответствии с настоящим изобретением, имеются перфорации или экраны 124 и 132. На рис. 2 пар и/или питательное вещество, подаваемые через стояк 104, вытекают через экран 124 в кольцевой промежуток 116 и затем в участок, подлежащий очистке. В этом предпочтительном варианте воплощения размер перфорированной или экранированной части нагнетательного стояка 104 должен выбираться таким образом, чтобы исключить утечки пара и/или питательной жидкости через вадозную зону и обеспечить нахождение существенной части поданного материала в насыщенной зоне в течение времени, достаточного для испарения загрязнений и/или ускорения биодеградации и биотрансформации загрязняющих элементов. Для лучшей локализации подаваемого материала в заданном участке предпочтительно использовать стояки с короткими экранами, например, длиной около одного фута в зависимости от геологического строения почвы. В этом предпочтительном воплощении кольцевой промежуток 116, окружающий экранированную часть 124 стояка 104 предпочтительно засыпают фильтрующим материалом 126, например, песком, для предотвращения засорения экранированной части стояка. Как показано на рис. 3, кольцевой участок 116 непосредственно над фильтрующим материалом 126 также заполнен материалом, плохо пропускающим воду, например, длиной, а именно, бентонитом, что обеспечивает понижение давления между поверхностью земли S и экранированной частью 124 стояка 104.

В этом предпочтительном воплощении конструкция скважины подачи пара и/или питательных веществ включает трубку подачи горячего воздуха 130 с перфорированным или экранированным нижним краем, проходящую от поверхности земли через слабо проницаемый слой 120 в кольцевой промежуток 116 (см. рис. 2). Эта трубка подачи горячего воздуха 130 предпочтительно проходит только в вадозную зону с тем, чтобы горячий воздух, например, выходящий как отходящее тепло через кольцевой участок 116, выходил в вадозную зону для поддержания под землей температуры, достаточной для предотвращения конденсации загрязнений, испарившихся ниже, т. е. ниже грунтовой воды в насыщенной зоне путем нагнетания пара и для ускорения их удаления через выводные трубы в вадозную зону.

Предпочтительная конструкция выводной скважины (см. рис. 3) предназначена для удаления парообразных элементов из насыщенной зоны ниже подземных вод и парообразных/жидких элементов из вадозной зоны. Отводимый материал поступает в кольцевой промежуток 118 из окружающей почвы и затем в выводную трубу 106 через перфорированный участок 132, находящийся в нижней части стояка 106, под действием отводящей силы, такой как разрежение, создаваемое вакуумным насосом, и в трубопровод 114, как описано выше. Как и в нагнетательной скважине кольцевой промежуток 118 внизу экранированной части 132 стояка 106 заполнен фильтрующим материалом 134, например, песком, для предотвращения засорения или порчи перфорированной нижней части стояка 1,06. Как и в нагнетательной скважине (см. рис. 3) кольцевой промежуток 118 непосредственно над фильтрующим материалом 134 заполнен плохо пропускающим воду материалом 136, например, бентонитом, для поддержания необходимой разности давлений между поверхностью земли и подпочвенным обрабатываемым участком.

Кроме того, выводная скважина показанная на рис. 3, имеет вторую выводную трубку для пара 140, проходящую в вадозную зону для того, чтобы парообразный материал под действием разрежения поступал в кольцевой промежуток 118 и затем выводился из него.

На рис. 4 показано типичное расположение нагнетательных скважин подачи пара и питательной жидкости в выводных скважин. хотя на рисунке не указано, выводные стояки находятся как в насыщенной, так и в вадозной зонах. Расположение скважин определяется такими факторами, как природа загрязнения, степень загрязнения и геологические особенности обрабатываемого участка.

Формула изобретения

1. Способ удаления загрязнений из подземных участков, состоящих из грунтовых вод, насыщенной зоны ниже уровня грунтовых вод и задозной зоны выше уровня грунтовых вод, причем загрязнения присутствуют либо в одной, либо в обеих зонах, с использованием разрушающего загрязнения материала в виде пара и питательной жидкости, включающий размещение по крайней мере двух нагнетательных труб, имеющих перфорированные участки для выхода потока материала в подпочвенной насыщенной зоне или рядом с ней, размещение по крайней мере одной выводной трубы с перфорированным участком для приема потока материала, расположенным внутри или рядом с подпочвенной насыщенной зоной, подачу пара по крайней мере в одну из нагнетательных труб и питательной жидкости в другую нагнетательную трубу, приложение отводящей силы к выводной трубе и вывод загрязнений в жидком или газообразном состоянии через ее перфорированный участок, отличающийся тем, что пар и питательную жидкость подают одновременно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что загрязнения представляют собой искусственные углеводороды.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что искусственные углеводороды выбирают из группы, состоящей из алканов, олефинов, ароматических соединений и их галогенированных производных.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что углеводородные загрязнения представляют собой галогенированные алифатические и ароматические соединения.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что по крайней мере часть загрязнений присутствует в форме нерастворимых жидкостей.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагнетаемые питательные вещества представляют собой минеральные вещества и первичные субстраты.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что нагнетаемые минеральные питательные вещества включают в себя гексаметафосфат натрия и/или хлорид аммония и по выбору могут содержать следовые количества солей никеля и/или кобальта, а первичный субстрат представляет собой ацетат калия и/или формиат калия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4