專利名稱：基于生物氧化和還原工藝的地下水凈化設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于原水凈化的人工建造的含水層，并且特別用于在人造含水層 中形成至少一個反應區，來循環和凈化地下原水，特別是用于飲用水用途，該人造含水層包 括數個衛星井和至少一個抽取井。
背景技術：
由于地下水庫——通常所說的天然含水層——被污染，水的凈化變得越來越重要。一般地，水凈化是首先使水和不同的氧化劑反應，然后使它滲透通過專門布置的 礫石層、沙層和其他材料層，接著通過可選地設置有增壓水泵站和/或水塔的管道系統將 經凈化的水輸送給消費者。用于飲用或自來水制造的地下水和原水通常含有高量的鐵、錳、砷、氟化物和其它 微量元素。由于健康和味道的原因，在水被用于自來水(飲用目的)之前必須降低上述微 量元素的高濃度水平。EP-A-0160774描述了利用一用于氧化和沉淀鐵和錳的區域，其中通 過布置在抽取井周圍的衛星井向該區域間歇地加入含有氧或產生氧的化合物的水。因此， 水僅僅供給到少數幾個衛星井，并且同時水從位置鄰近的衛星井抽取出來。富含氧和無氣 泡的水被迫使進入衛星井。溶解氧的添加為存在于地下的微生物創造合適的生長環境，所 述微生物以及化學和/或生化作用用于使在該區域/地下層中的鐵和錳沉淀，其將用作用 于去除砷、氟化物和其它微量元素的反應過濾器。鐵氧化細菌有助于未處理水的亞鐵的氧 化。該反應以一定的(時間)間隔重復以獲得純水。然而，不僅鐵和錳是問題，而且其它金 屬、類金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殺蟲劑和有機源微污染物也需要被除去以制造有益健康的 水，特別是在考慮自來水水質的時候。在較早的專利(US475304)中，使用另一種改進上述工藝的方法，其包括利用三個 所謂的主井來運行，每個主井之間以線性距離600米到1000米布置。地下水從一口井里泵 出，并且使部分水富集氧并補給到其它兩口井。補給井周圍的充氧水的圓形布置允許在補 給再次發生之前抽回有限量的凈化水。該系統具有在運行、能耗和去除鐵之外其它微量元 素的方面的幾個缺點。此外，該系統不是人造含水層而是建造在天然含水層中。EP-A-0154105描述了借助在同樣布置在一個或多個抽取井周圍的注入井/衛星 井之間形成的還原區域內的脫氮作用還原地下水中的硝酸鹽。依據EP-A-0154105公開的方法和系統，可以認識到并獲得形成氧化和還原區域 的不同方法。一氧富集系統設置在衛星井中地面之上以覆蓋井，因此給向上泵出的水在流 回衛星井之前充氧。在這些井中，每一個井中都存在有分離器/分隔器，該分離器把井劃分 為上部和下部。壓縮空氣流入的實現是通過第一管進入井的上半部分，并通過第二管進入 井的下半部分。水可以在一定的時間段內從井的上半部分泵出，之后可以在剩余時間段內 從井的下半部分泵出。在公開內容中，水的供給限于一些井，以形成脫氮區域。因此，所有 的含水層都不用于脫氮目的。
先前已知在含水層中形成反應區，以在這些反應區中在圍繞一個或多個抽取井布 置的許多注入井或衛星井之間獲得一氧化和沉淀區域或一還原區域，由此，在形成氧化和 沉淀區域時，通過在兩個注入井的水中引入氧、含氧氣體或釋氧化合物，在每一對相鄰布置 的注入井之間間斷地或者連續地形成所需要的區域；或者在注入井中引入耗氧化合物以獲 得一還原區域，并由此將一個衛星井的水泵送到相鄰衛星井中，從而在含水層中在兩個衛 星井之間形成一循環通路。然而，在地球的某些區域天然層已經被污染物破壞或缺少帶有合適材料成分的天 然均勻層。由于這個原因，提出人造含水層，其中，所述人造含水層由一盆地(basin，凹地， 水坑)構成，所述盆地通常覆蓋有不可滲透的織物或薄片來提供一限定的體積。然后該盆 地填充有礫石和沙，并設置有管道系統和井，以a)將地下水或任何其它原水加入到盆地， b)形成所需的用于沉淀的反應區域和c)將已在盆地中處理過的水排出。本發明基于已知的名為Vyredox或Nitredox的原位工藝。人工建造的設備將在 與天然的原位設備中形成的條件相同的條件下運行。本設備的底部利用不可滲透膜密封， 以使該設備與天然地下含水層隔離開，并且使得可以利用特殊的來自自然界的清洗后的或 未清洗的填充材料來盡可能快地形成用于擴展活性反應區域的理想條件，并且維持合適的 流動條件和水文條件。EP1436469涉及衛星井管道的特定構造，還公開了人造含水層的用途，其中供應管 布置在由礫石和沙制成的反應區域中向下一半的位置。為了克服由于較早的實施方式的堵塞引起的問題，提出如專利EP1436469論述的 系統和方法。壓力進水管引入到井的上半部分，同樣也引入到井的下半部分。上半部分和 下半部分通過引進一氣囊體來限定，該氣囊體用作分離器/分隔器。在每個半部分內，導管 支承壓力進水管。在地面上，在每個井上方，設置一循環容器。最初，空氣/水供給到井的 上半部分，并且水被向上泵送到循環導管中以被除去空氣。然后水由于重力流到氣囊體下 方、井的下半部分中。該工序可以在一個或多個衛星井中實施一特定的時間段。在另一個 衛星井中，或者在剩余的時間段內，空氣被壓到氣囊體下方、井的下半部分中。向上流的水 直接進入曝氣和去泡容器。該已去泡的水流回到井的上半部分中、接著通過井篩網、進入地 下。W02006/014126公開了另一種在負壓下工作并因此利用完全氣密和水密外殼的人 造含水層。此外，在該情況下，供應管布置在含水層中向下一半的位置，并且衛星井特殊設 計。在W02006/014126專利申請中的進一步改進包括以圓形或矩形的方式布置多個 衛星井以及在其中心的一個抽取井。在靠近衛星井處布置有滲透系統。氧富集系統設置在 地面上。這些井和滲透系統布置在人造含水層中，該人造含水層是通過在地下布置過濾材 料來限定含水層的人造盆地而產生。需要密封所有的這些井和所有覆蓋物。由于這一具體 的組裝，在人造含水層側面處形成死區。死區的形成是由于在這些區域水不循環。在其典 型的運行中，水在排至氧富集系統之前，通過可滲透篩網進入衛星井。充氧水再次進入衛星 井并因此進入整個含水層。因此形成水的主流，即凈化水進入位于中心的抽取井，并能夠被 泵出以加以利用。對于所提出的在負壓下的運行，需要對含水層進行密封。活性區域與死 區之間的不均一性造成了嚴重問題。在負壓下運行是非常耗能的并且需要獲得很高的技術性密封。因此，它的能量和成本要求高。因此，在這些已知的結構中，尤其在供應管上方將會形成死區，該死區將會擾亂反 應區域的活性，這是因為死區和反應區域之間的環境差異太大。
發明內容
本發明涉及一種已經消除死區的人造含水層。因此，本發明涉及一種根據所附權 利要求所述的用于降低天然地下水、來自地表水的經人工滲透后的地下水中金屬、類金屬 (metalloids)、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殺蟲劑和有機微污染物的含量的方法。在另一方面，本發 明涉及一種實施該方法的裝置。根據本發明，提供一種用于降低天然地下水、來自地表水的經人工滲透后的地下 水中金屬、類金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殺蟲劑和有機微污染物的含量的人造含水層，包括由 形成反應區域的填充材料填充的盆地、供給管線、一個或多個衛星井、至少一個主井和一泵 抽井，其特征在于，所述供給管線應用于所述盆地的上部外邊緣，并且其中所述主井經設置 有調節閥的底部流出口與泵抽井連接，以維持含水層中的給定水位。特有地，所述衛星井可在所述供給管線內側以圓形圖案布置。特有地，所述供給管線可放置在離盆地外邊緣有一距離的位置，該距離少于所述 含水層直徑的1/4，優選少于所述直徑的1/50，優選少于所述直徑的1/60，更優選少于所述 直徑的1/100。特有地，所述盆地底部可以用一不可滲透的薄片來覆蓋以減少來自盆地的水的流失。特有地，所述盆地填充有天然的清洗后的或未清洗的材料，該材料通常用于凈化 地下水。特有地，所述衛星井被設置成豎直進入所述用于填充所述盆地的材料。特有地，所述供給管線可由穿孔管構成，要被處理的水通過穿孔管供給并被壓出 進入所述反應區域。特有地，所述主井是豎直主井，該豎直主井基本位于所述含水層的中部。特有地，所述主井是豎直主井，該豎直主井由穿孔管構成，該穿孔管將含水層的填 充材料阻隔在外，但是允許水滲透進入該井。特有地，設置流出管以用于在所述主井和所述泵抽井之間形成連通，以將水從所 述主井抽出。特有地，一非封閉蓋子覆蓋在所述主井的頂部。特有地，一不可滲透的土工膜可用作所述含水層上方的覆蓋物。特有地，連接有一處理控制單元以用于控制所述含水層中水的進給。特有地，連接有一處理控制單元以用于控制來自所述主井的水的送出。 根據本發明，提供一種利用人造含水層降低天然地下水或來自地表水的經人工滲 透后的地下水中金屬、類金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殺蟲劑和有機微污染物的含量的方法，其 中待處理水通過供給管線滲透進入由形成反應區域的填充材料填充的盆地，在一個或多個 衛星井中被處理，并輸送到至少一個主井和一泵抽井，其中供給管線應用于盆地的上部外 邊緣，由此避免含水層中所謂的死區并提供更高度的凈化，其中已凈化的水從含水層經主
5井抽出，該主井經設置有調節閥的底部流出口與泵抽井相連接，以維持含水層中給定水位。特有地，所述主井與周圍大氣接觸，由此避免含水層中的任何負壓。特有地，水以圓形圖案從所述衛星井流出進入到所述反應區域中，以允許反應區 域間歇地恢復并對在所述區域中作用的微生物形成一平衡工作壓力。根照本發明，所解決的另一問題是維持實施含水層中水的凈化的微生物的生長環 境。因此，含水層不可干透，也就是完全排空(因此改變微生物周圍的水文條件)。發明詳述特別地，本發明涉及一種用于降低天然地下水、來自地表水的經人工滲透后的地 下水中金屬、類金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殺蟲劑和有機微污染物的含量的人造含水層，包括 一由形成反應區域的填充材料填充的盆地，一供給管線，一個或多個衛星井，至少一個主井 和一泵抽井，其特征在于供給管線應用于所述盆地的上部外邊緣，并且其中所述主井經設 置有調節閥的底部流出口與一泵抽井相連接，以維持含水層中的給定水位。所述衛星井可優選以圓形圖案布置在供給管線內側。特有地，未處理的原水或未處理的天然地下水現在注入該設備，通過其外邊緣，由 此在含水層中與該設備的衛星井的圓形布置相一致地形成一圓形水池。此外，使用若干個 衛星井以將反應區域保持在對于相關微生物而言為最佳生長環境條件的可居住形式。本發明的另一方面涉及一種利用人造含水層降低天然地下水或來自地表水的經 人工滲透后的地下水中金屬、類金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殺蟲劑和有機微污染物的含量的 方法，其中待處理水通過供給管線滲透進入由形成反應區域的填充材料填充的盆地，在一 個或多個衛星井中被處理，并傳輸至少一個主井和一泵抽井，其中供給管線應用于盆地的 上部外邊緣，由此避免含水層中所謂的死區并提供更高度的凈化，其中已凈化的水從含水 層經主井抽出，該主井經設置有調節閥的底部流出口與泵抽井相連接，以維持含水層中的 給定水位。所述主井可與周圍大氣接觸，由此避免含水層中的任何負壓。
下面結合示出本發明的優選實施例的附圖更為詳細描述本發明，其中圖1示出本發明的含水層的剖面圖；圖2示出從根據圖1的含水層上方得到的視圖；以及圖3示出主井和泵抽井的細部。
具體實施例方式因而，本發明涉及一人工形成的盆地/凹地，其中完全用天然的清洗后的或未清 洗的用于地下水凈化的材料填充。該凈化使得金屬、類金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殺蟲劑和有 機源微污染物的含量降低。為了凈化處理，地下原水通過一外圍滲透管被供給到盆地中。地 下原水通過這一方式進入主井，所謂的反應區域——其中存在有氧、釋氧物質或天然有機 物。這一反應區域提供了自然存在的微生物進行化學和代謝反應的最佳環境。衛星井的運 行維持反應區域內的最佳環境。凈化水從主井底部流出進入泵抽井，允許含水層保持一直 充滿有水；稱為“人造承壓含水層”，并且在主井周圍不存在有負壓。本發明涉及一種在承壓含水層條件下使用數個衛星井以及至少一個主井和至少一個泵抽井的組合實施該方法的
直ο本發明含水層由盆地1構成，該盆地通常深挖進地下，并在此具有從上方看為圓 形的圖案，且從其橫截面看形成一截錐體。盆地的底部用不可滲透薄片2覆蓋，以減少來自 盆地的水的流失。用作供給管線的圓形滲透管線3布置在靠近盆地1的外部上部邊緣。盆 地1填充有天然的清洗后的或未清洗的通常用于凈化地下水的材料。這樣的材料通常是沙 和礫石，并形成含水層的反應區域5。在供給管線3的內側，衛星井4形成圓形圖案，以彼此 之間基本相等的距離來布置。衛星井4布置成豎直進入所述材料中。供給管線3由一穿孔 管構成，要處理的水通過該穿孔管被供給并被壓出進入反應區域。在含水層的中部布置有一豎直主井6，該井6由一穿孔管構成，該穿孔管將含水層 的填充材料阻隔在外，但允許水滲透進入該井。主井經一泵抽井7排空，該泵抽井經一出水 管8與主井6連通(見圖3)。主井6的底部出口到泵抽井7的開放由一調節閥13相應地 控制，以維持含水層中總是高水位，從而使微生物生長條件最優化。主井6的頂部覆蓋有 一非封閉蓋子9，其允許周圍的大氣壓力作用于主井6的水平面，因此避免系統內的任何負 壓。在泵抽井7中，布置有一個或多個泵(未示出)以用來供給與消費者、住宅、工業 設施等連接的輸送管線(未示出)。在含水層的頂部應用有不可滲透的土工膜10或其它覆蓋物，以避免污染物從上 方進入由填充材料構成的反應區域。任何這樣的污染物——如果它們含有致使用于還原或 氧化待去除產物的微生物群的生長受到傷害的化合物——都可能嚴重干擾反應區域的活 性。接著，土壤層、礫石層或沙層11應用于土工膜10的頂部以將其保持在適當的位置。過程控制單元(PCU) 12與該系統相連接，以控制水的進給和送出，借助一個或多 個鄰近的衛星井以受控的方式將水從衛星井4引入到反應區域中。通常地，該引入以圓形 圖案模式實施，以允許反應區域間歇地恢復并對在所述區域中作用的微生物形成一平衡工 作壓力。P⑶12還控制水從主井6流出經泵抽井7進入分配管線。可以理解，P⑶12布置成 在與地下水或地下原水供給裝置相聯系。在圖中示出的人造含水層可包含超過5000立方米的體積，具有超過30米的半徑 和8米或8米以上的深度。這樣的含水層可以持續很多年并服務于周圍的人口和工業。根 據通常使用的填充材料的顆粒尺寸，含水層每24小時的生產量估計為大約2500立方米的 純水。該生產量估計持續100年。取決于人造含水層的直徑(其可以從5到7米直到50米或50米以上)生產量在 100m3-5000m3/天的范圍變化。多于一個原水井(從含水層/含水層群抽出原水)可以用于從天然含水層/含水 層群抽水，并將水供給到通入人造含水層的供給管線中。多于一個主井和泵抽井(生產井)可被用于從人造含水層泵抽經凈化的水。地下原水通過這一方式進入主井6，所謂的反應區域5——其中存在有氧、釋氧物 質或天然有機物。這一反應區域提供自然存在的微生物用于化學和代謝反應的最佳環境。 衛星井4的運行維持該反應區域內的最佳環境。凈化水從主井底部的流出進入泵抽井，允 許含水層保持一直充滿有水；稱為“人造承壓含水層”，并且在主井周圍不存在負壓。
該設備的運行是這樣的未處理的天然地下原水或來自地表水的經人工滲透后的 地下水滲透通過正好位于該設備邊緣的水平布置的管路進入該設備，以避免死水區域(所 謂的死區)。這里，管路布置成離直徑35到40米的含水層的最外邊緣有少于1米的距離。 在人造含水層具有更小直徑的情況下，所述管路距離所述邊緣將比1米更近，例如0. 5米或 更小，以避免在含水層內形成任何死體積。在第二內部平行布置中，放置若干個衛星井，用 來形成相關微生物最理想的生活環境條件。在該設備的中心是主井，其用作集水井，在不用 任何泵的情況下，水通過主井底部的開口流到鄰近的泵抽井7。這使操作者能夠維持含水層 在承壓的狀態并且沒有負壓出現，并且由于這個原因，在含水層內所有材料完全浸濕在水 中。底部出口至泵抽井7的開放由調節閥相應地控制，以維持含水層一直在高位。主井被 不可滲透的土工膜或其它材料覆蓋，并且該井的頂部是對大氣變化開放的，因此含水層不 是完全不透氣的。為了去除顆粒，例如在滿是灰塵的區域，可以在主井的頂部結構中放置一 空氣過濾器。該泵抽井裝備有一泵和一水位控制裝置。因而，供給管線3放置在離外邊緣有一距離的位置處，該距離少于含水層直徑的 1/40，優選少于直徑的1/50，優選少于直徑的1/60，更優選少于直徑的1/100。本發明的主要主張是該設備運行，避免任何所謂的死區，由于受控的流出量使含 水層一直作為承壓含水層運行，所以不需要在頂部密封，并且我們將不用在主井周圍實施 任何負壓。含水層的布置可以是任何形式。上述人造含水層的設計已經示出為一圓形盆地，但顯然可以應用任意形式，有時 形式是可以借助自然環境和其所允許的條件而預知的。因此，該人造含水層可以是圓形、橢 圓形、六邊形、八邊形或采取任何由周圍地形決定的形式。優點1.沒有負壓措施根據本發明公開的該系統沒有任何水位降低，更好地利用填充 材料，并且使水以較低且更恒定的速度進入主井，這大大降低了主井被小顆粒堵塞的風險。2.沒有死區措施根據本發明公開的該系統沒有其中水一直靜止且可能發生無 法控制的細菌生長(這可能破壞水質)的區域。3.不需要密封以避免主井周圍的負壓。4.根據本發明公開的系統，主井連同所謂的泵抽井的使用，確保在人造含水層運 行時間內一直是同樣的水速，并因此在過濾和總體凈化效果方面獲得更好的性能。
權利要求
一種人造含水層，該人造含水層用于降低天然地下水、來自地表水的經人工滲透后的地下水中金屬、類金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殺蟲劑和有機微污染物的含量，包括由形成反應區域(5)的填充材料填充的盆地(1)、供給管線(3)、一個或多個衛星井(4)、至少一個主井(6)和至少一個泵抽井(7)，其特征在于，所述供給管線(3)應用于所述盆地(1)的上部外邊緣，其中所述主井(6)經設置有調節閥(13)的底部流出口與泵抽井(7)相連接，以維持所述人造含水層中的給定水位。
2.根據權利要求1所述的人造含水層，其特征在于，所述人造含水層的形狀選自包括 圓形、橢圓形、六邊形、八邊形和由周圍地形決定的形狀的一組形狀。
3.根據權利要求1所述的人造含水層，其特征在于，所述衛星井(4)以圓形圖案布置在 所述供給管線(3)的內側。
4.根據權利要求1所述的人造含水層，其特征在于，所述供給管線(3)被放置在離所述 盆地的外邊緣有一距離的位置，該距離小于所述人造含水層的直徑的1/40，優選小于所述 直徑的1/50，特別地小于所述直徑的1/60，更優選地小于所述直徑的1/100。
5.根據權利要求1所述的人造含水層，其特征在于，所述盆地的底部由不可滲透的薄 片來覆蓋以減少來自所述盆地的水的流失。
6.根據權利要求1所述的人造含水層，其特征在于，所述盆地填充有天然的清洗后的 或未清洗的材料，該材料通常用于地下水的凈化。
7.根據權利要求1所述的人造含水層，其特征在于，所述供給管線(3)由一穿孔管構 成，待處理的水通過該穿孔管被供給并滲透進入所述反應區域。
8.根據權利要求1所述的人造含水層，其特征在于，所述主井是豎直主井，該豎直主井 包括一穿孔管，該穿孔管將所述人造含水層的填充材料阻隔在外，但是允許水滲透進入所 述主井。
9.根據權利要求1所述的人造含水層，其特征在于，在所述主井的頂部設置有一氣密
10.根據權利要求1所述的人造含水層，其特征在于，不可滲透的土工膜用作所述人造 含水層上方的覆蓋物。
11.一種利用人造含水層降低天然地下水或來自地表水的經人工滲透后的地下水中金 屬、類金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟化物、殺蟲劑和有機微污染物的含量的方法，其中待處理 的水通過供給管線(3)滲透進入由形成反應區域(5)的填充材料填充的盆地(1)，在一個 或多個衛星井(4)中被處理，并被輸送至至少一個主井(6)和一泵抽井(7)，其中供給管線 (3)應用于所述盆地(1)的上部外邊緣，由此避免該人造含水層中所謂的死區并提供更高 度的凈化，其中已凈化的水經所述主井(6)從所述人造含水層抽出，該主井經設置有調節 閥的底部流出口與泵抽井(7)相連接，以維持所述人造含水層中給定的水位。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述主井(6)與周圍大氣接觸，由此避 免所述人造含水層中的任何負壓。
13.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，水以圓形圖案從所述衛星井流出進入 所述反應區域，以允許所述反應區域間歇地恢復并對在所述區域中作用的微生物形成一平 衡工作壓力。
全文摘要
本發明涉及一種用于降低天然地下水或來自地表水的經人工滲透后的地下水中金屬、類金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、殺蟲劑和有機微污染物的含量的人造含水層。該系統包括一由形成反應區域(5)的填充材料填充的盆地(1)、一供給管線(3)、一個或多個衛星井(4)、至少一個主井(6)和一泵抽井(7)，其中供給管線(3)應用于盆地(1)的上部外邊緣，并且其中主井(6)經設置有調節閥的底部流出口與泵抽井(7)相連接，以維持含水層中給定的水位。本發明還涉及一種用于凈化水的方法。
文檔編號C02F3/34GK101967023SQ20101027014
公開日2011年2月9日 申請日期2010年6月2日 優先權日2009年6月2日
發明者B·維利 申請人:聯合水業國際股份公司