CN101365550B - 用于修复污染土地的方法和装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于修复被可燃材料(12)污染的土地(10)，尤其是修复被非水相液体(NAPL)污染的土地的方法和装备。在本发明的实施方式中，公开了一种用于修复被可燃材料污染的土地的方法，其包括如下步骤：确定待修复的土地(10)中地下可燃材料如DNAPL(12)的体积的位置，并点燃可燃材料(12)，以燃烧所述材料，并由此修复土地(10)。通过监控材料的燃烧，可通过例如供给氧化剂或燃烧抑制剂而使燃烧最优化。

Description

用于修复污染土地的方法和装备

本发明涉及一种用于修复或净化被可燃材料污染的土地的方法和装备。特别地，但不排外地，本发明涉及一种用于修复被非水相液体(NAPL)污染的土地区域的改进方法和装备。 

历史上不健全的处理实践和危险的工业化学制品持续的意外泄露对地下水和地表水的污染正在影响世界上成千上万的地方。这些化学制品中最常见且最成问题的是不可混合的有机液体，尤其是非水相液体(NAPL)。比水轻的NAPL称为LNAPL；这些包括汽油(汽油)和柴油。比水稠的NAPL称为DNAPL；这些包括氯化溶剂，如三氯乙烯(TCE)和四氯乙烯(PCE)、多氯联苯(PCB)以及合成的烃混合物(例如煤焦油和杂酚油)。由于NAPL的普遍性、毒性、持久性和对标准修复工作(standard remediation effort)的抵抗性，NAPL造成了对水质量严重且长期的威胁。 

大不列颠联合王国环境署已经显示，在英格兰和威尔士有高达20,000个地方被NAPL污染物所影响，且其要求在大不列颠联合王国环境保护法下处理。的确，据估计，仅氯化溶剂就占英格兰和威尔士地下水污染实例的约30％。在美国，美国国防部估计，在略高于3,000个嵌入溶剂的地方中的约11％具有存在于在地下的DNAPL源区。源区是包括不可混合的液体(NAPL)的地下区域，其可持续数十年或者甚至数百年，且继续在地下水中以一定的浓度释放溶解相污染物，该污染物通常远超过那些被认为产生人类健康风险的污染物。此外，这些化合物通常是可挥发的，且因此部分也成为存在于高于水位的土壤中的气相，从此处，这些汽可迁移到地上，并进入建筑物中。因此，NAPL源区对土地、水和空气的持续污染是有责任的。 

在过去的一个多世纪，大范围的工业都产生了NAPL，包括得到的副产品和废弃物：源于(由煤)制造气体而产生的煤焦油、由木材防腐操作产生的杂酚油以及在电元件去油中使用并用于干清洁的溶剂。由这些不可混合的有机液体产生的地下污染物在制造、运输、存储、使用及处理场地产生。尤其是，在过去，通过在使用这些材料后将其灌注到土地中而处理这些材料是比较普遍且允许的实施。仅在过去的20年已经意识到NAPL带来的风险，已经规范它们的处理，并开始寻找NAPL污染地方的修复方法。但是，NAPL在地下是高度持久稳固的，且用目前的修复技术难以圆满地解决。当被回收到地面时，它们对于处理是危险的，且安全地处理或处置代价高。 

工业副产品/废弃物材料通常形成液体或液体/气体沉淀物，但在某些材料的情况下，也可能出现固体沉淀物。可能出现固体污染物的一种典型场所是在已经制造有机化学爆炸物的地方和生产过程和/或制造过程已经产生排放的地方。包括在有机爆炸物制造中的2，4，6-三硝基甲苯(TNT)、2，4-二硝基甲苯(DNT)、六氢-1，3，5-三硝基-1，3，5-三嗪(RDX)、以及八氢-1，3，5，7-四硝基-1，3，5，7-四嗪(tetrazocine)(HMX)的排放尤其成问题。这是因为，在环境温度显著低于排放水温度的环境下(并非不常见-地下水通常是10℃)，爆炸物可能从溶液沉淀出来，并在土壤中产生单独的固相材料。 

在地下发现为固相的另一种有机污染物是由刚从煤制造的气体的冷却和净化产生的净化废弃物(purifier waste)(在20世纪早期到中期普遍实施)。在此过程中，杂质通过使气体通过由掺杂有铁屑的石灰或木屑制成的“净化床(purifier bed)”而被去除。净化床最终装载有焦油和其它材料，且变得不可使用。如果这种净化废弃物(也称为“箱废弃物(boxwaste)”)没被覆盖，且被遣送到垃圾场或用于填充场地的低地区域，其具有自发点燃的趋势。净化废弃物通常被发现是混合了固体片(典型为焦油)与木屑的深色混合物。 

已经提出了用于处理NAPL的几种方法，且取得了不同程度的成功。例如，处理被NAPL污染的土地区域的标准方法是挖掘并处理，或者称为 “挖掘和倾倒(dig and dump)”。这种方法包括确认和挖掘污染土壤，并将其运送到垃圾场，在这里，其被堆积。但是，这种实施简单地将污染问题从一个区域移到另一个区域，而且通过将NAPL带到地面以上而经常增加暴露的风险。这种实施目前由于不能成立而不被支持，且最近在大不列颠英国由于新的立法和垃圾税而变得昂贵得多。 

已经用于努力处理NAPL的第一原位(即，在地面内)方法是“抽取和处理(pump and treat)”技术。这包括安装NAPL源区的顺梯度(downgradient)地下水回收井(recovery well)。回收井的连续抽取收集由源区排出的溶解相化合物。这种回收污染水必须在地面处理。但是，这种技术实质上是用于由NAPL产生的溶解相流的遏制策略，且已经显示对修复源区是无效的。因此，它们经常被不确定地简易操作，以限制污染地下水的蔓延。 

很多处理技术存在处理地下水中的溶解相化合物。但是，与“抽取和处理”一样，这些技术不处理将化合物连续地“供应”到这些地下水流的源区。仅有很少的技术用于处理源区的NAPL本身。 

各种原位化学处理已经用于尝试从污染的场地移除NAPL。例如，在一种技术中，将表面活性剂或醇通过注入井泵送到地下，并辅助NAPL溶解和运用，其可随后被泵送出第二顺梯度井。产生的NAPL和污染水的混合物然后可在地面分离成水相和非水相，以便处理和/或焚化。但是，这种技术遭受很多不利条件。尤其是，它包括昂贵的连续添加物和有时候危险的化学添加剂；在一些地下安装中可能不是特别有效；可能导致DNAPL向下再活化，这使形势变得更坏；包括难于从NAPL中分离或重复利用的流体；以及重新获得大量需要处理的流体。 

用于从污染场地原位移除NAPL的进一步化学处理包括它们的氧化。例如，可将高锰酸钾抽取至污染场地中，其随后借助氧化反应与NAPL反应，以将NAPL转变成没有危险的化合物。但是，由于同时反应形成的矿物固体阻塞了NAPL周围的孔隙，因此阻止了反应物之间的进一步接触，所以这种技术的成功受到限制。此外，在土壤中自然产生的有机材料通常具有大量的氧化剂需求，需要注入额外的氧化剂。大量氧化剂的使用通常是昂贵的。 

生物技术也已经用于努力修复被NAPL污染的场地。这种生物修复技术通常包括添加养分和有机食物源到污染土壤中，使得土壤中的细菌组繁殖并相互作用，以降解危险的化合物。异位生物修复(ex-situbioremediation)包括掘出污染土壤，并在地表的反应堆中或土墩中处理。原位生物修复已经被执行，用于处理源区的顺梯度溶解相化合物，起到流遏制策略，而不是减小NAPL体积的作用。最近，已经努力使源区本身中的生物修复成为可能；同时在一些试验室中也显示了一些成功，这在本领域中尚待论证。 

NAPL源区的生物修复存在一些问题。添加剂(有机基质和养分)的连续输入可能使得处理代价高。此外，对于每个污染场地，有必要获得场地的细菌、食物和养分的特定平衡。因此，生物修复技术是具有特定的场地特性的。与生物修复技术有关的另一个问题是“生物淤积”问题，其中在NAPL和抽取井(pumping well)附近的孔隙被过度的微生物生长堵塞。而且，并不是所有污染场地具有自然存在于场地的必不可少的细菌。在这些情况下，也需要注入已知的生物降解器(biological degrader)，此过程称为“生物强化(bio-augmentation)”。但是，在某些权限中，不主动阻碍该实施，且在很多情形下，由于培植非本土(non-native)有机体的限制，该实施是不被允许的。 

所有以上描述的原位(即，在地下)化学和生物处理技术都包括将流体注入到源区上流(upgradient)的地下，且依靠化学物质和NAPL之间的随后接触。然而，所有这种流体注入技术的重大问题是实现源头的期望的冲洗可能是成问题的。流体分流(fluid bypassing)经常发生，其中注入的流体趋向于在NAPL周围流动，从而限制它暴露到注入的化学物质部分，并因此限制与注入的化学物质部分的接触。这主要由两种原因引起：NAPL趋向于停在地下材料较低渗透性的透镜状矿体(lens)(例如，淤泥或粘土)上，这自然地使流动转移离开它们；且NAPL自身阻挡使水或注入的流体更容易且快速在源区周围流动的孔隙。此外，注入的流体的稀释可能使它们的浓度降低，使得它们的有效性降低。 

已经用于努力从污染场地去除NAPL的另一种方法包括热修复技术， 其包括蒸汽清洗、电阻加热(ERH)和电导加热(electrical conductiveheating)(ECH)。热修复技术的益处在于，它们可在数月到数年左右减少NAPL物质(对比上面描述的用于更被动技术(passive technology)的数年到数十年)，且它们在低渗透性介质中是有效的，因为与流体流动相比，热传导通常受水力特性的影响较小。 

蒸汽清洗包括将蒸汽注入到地下，以挥发和减小NAPL的粘性，因此有助于它们朝产出井(withdrawal well)流动。ERH和ECH包括将大的电极植入到地下(在源区)，并持续加热水和/或土壤本身。热方法通常将地下加热到约100℃的温度。这样做，它们并不是要原位破坏污染物，而是要改变它们的相和/或性质，使得它们能被移动和回收。主要的修复机制是使NAPL化合物挥发，使得它们可以在地下或在地表面被从气相收集。也常见的液体回收是由于它们减小的粘性而被移动。在一些情形中，一些NAPL化合物可被热降解，因为吸收的热量促使吸热降解(高温分解)或与水反应(水解)。然而，这些技术展示了各式各样的成功，且都具有显著的缺点。尤其是，这些技术需要大量并连续的能量输入，以便获得并维持给定的温度。因此，这些技术通常证实是过于昂贵的。 

因此，概要地说，修复(或净化)被NAPL污染的场地的已有技术方法在其被操作的时间量程、使用技术的有效性及产生的花费方面通常具有显著的局限性。 

消除或缓解与已有技术有关的缺点中的至少一个是本发明实施方式的目的之一。 

从阅读下述描述，本发明进一步的目标和目的将变得明显。 

根据本发明的第一方面，提供了一种修复被可燃材料污染的土地的方法，该方法包括以下步骤： 

在待修复的土地中确定地下可燃材料体积(a subterranean volume ofcombustible material)的位置；以及 

点燃可燃材料，以燃烧所述材料，并由此修复土地。 

本发明由此提供了一种方法，通过该方法，被可燃材料污染的土地可通过原位燃烧该材料而被净化或被修复。这克服了与已有清除技术如“挖掘和倾倒”有关的问题。材料的燃烧可以自维持(self-sustaining)，因为其仅需要供给足够的能量来点燃该材料；一旦被点燃，只要有足够的燃料(可燃材料)和用于进行燃烧的氧，该材料的燃烧就可继续。例如，这与已知的需要连续的能量输入的热修复过程形成对比。 

包括很多常见NAPL和一些固体有机污染物的材料是可燃的，并包括丰富的能量。当燃烧时，它们释放大量的热。例如，TCE和氯丹的燃烧热(HOC)分别相当于木材燃烧热的90％和300％；切碎的轮胎，其HOC仅为木材的5％，已经在废弃物回收计划中被成功地燃烧。燃烧包括在有氧化剂的情况下可燃材料的自维持放热反应，在此过程中氧化(并因此破坏)可燃材料。当可燃材料被埋入多孔介质中时，多孔介质对于燃烧具有非常有益的影响：固体起到能量储存的作用，且然后将能量供给到反应中。这种能量反馈机制意味着，有效的自蔓延燃烧(self-propagating combustion)过程对于其他导致熄灭的条件是有可能的。在异位焚化的应用中，多孔燃烧器和提高的油回收预示着重大的潜在性，但是用于地下修复的原位燃烧的概念是新颖的。 

可以理解，可燃材料是地下的，因为它处于地平面以下或在地下，且可包括流体和/或固体，或其的任意组合物。然而，预期大部分材料主要是流体相。也可以理解，地下通常是多孔的，且可包括具有可燃液体的土壤或相似物，可燃液体通常存在于界定在土壤的固体颗粒之间的孔中(或者在断裂岩石环境(fractured rock environment)的情况中，存在于在岩石/粘土块之间和/或在岩石/粘土基质自身的孔隙中的破裂网中)。 

在点燃可燃材料之后，可产生燃烧前沿(combustion front)，并且该燃烧前沿可向外行进，离开点燃点(point ofignition)，并通过可燃材料的体积。燃烧前沿可跟随由包括流体体积形状和沿土壤中相互连接的孔界定的路径的因素界定的路径。燃烧前沿应在没有提前已知具体分布(路径)的(地面上)操作者的情况下跟随可燃材料的分布(即，路径)离开点燃点。因此，该过程也将是自引导的。 

优选地，该方法包括监控材料的燃烧。监控材料的燃烧可包括监控一个或多个参数的步骤，上述参数包括在多个位置被可燃材料污染的土地的温度。监控燃烧还可包括监控燃烧过程的副产品，如由材料燃烧引起的气体副产品的组成和/或体积。该方法可包括实时并因此在燃烧过程期间监控材料的燃烧。在很多情况下，仅仅通过绘制NAPL和在处理前及然后在处理后的顺梯度气体/水浓度的分布，并着眼于不同点以确定该技术的“有效性”来在本领域中评价现有的NAPL修复技术。实时监控提供超过已有方法的显著优点。可选择地，或额外地，这种方法可包括在燃烧之后，也就是，在燃烧停止之后监控材料燃烧的程度。 

通过实时监控或者通过在燃烧停止后监控燃烧的程度来监控材料的燃烧，可有利于确定材料已经燃烧的程度以及包括材料正经历或已经经历的燃烧的类型以及燃烧前沿通过材料行进的速度这些因素。例如，如果燃烧前沿比预期行进得慢，那么可能是相对缺乏氧。可选择地，如果燃烧前沿比预期行进得快，可能是相对于材料的体积具有过多的氧。 

因此，通过监控材料的燃烧，可采取措施，以便实现最优的或期望的燃烧形式及燃烧率。例如，该方法可包括监控材料的燃烧，并在一个或多个位置中供给(或改变供给量或供给率)空气/氧。可供选择地，该方法可包括供给额外的燃料，如其他可燃材料，例如，以辅助点燃材料体积。可供选择地，该方法可包括供给燃烧抑制剂(combustion suppressant)，如氮或水，以便抑制并由此控制燃烧。在进一步的可选方案中，该方法可包括使点燃装置(ignition device)(用于点燃材料)不起作用和/或减少或终止氧化剂的添加，以控制(或抑制)燃烧。可根据燃烧发生的类型控制燃烧，这将在下面描述。 

有焰燃烧指在气相中进行的燃烧。例如，当NAPL聚积物(例如，煤油)位于开口容器中并被点燃时，热将持续地使该燃料挥发，且气体燃料燃烧产生火焰。有焰燃烧也被称为均匀燃烧，因为在燃烧发生的位置，氧化剂(空气中的氧)和燃料两者都处于相同的(气体)相，此处它们容易混合。有焰燃烧相对快地消耗燃料，并产生相对高的温度(例如，通常大于900℃)。 

无焰燃烧(smouldering combustion)指材料在固体/液体材料本身表面上的燃烧。例如，当可燃材料(例如，烟草)被压紧，以形成多孔固体(例如，香烟)，并被点燃时，氧化剂(氧)扩散至材料表面，且燃烧在烟草表面继续。无焰燃烧被称为非均匀燃烧(heterogeneous combustion)，因为氧化剂(气体)和燃料(液体或固体)不处于相同的相。无焰燃烧相对有焰燃烧通常进行得较慢，且产生较低的温度(例如，通常在400℃和600℃之间)，但是在特定的条件下，可获得超过1000℃的温度。通过监控和控制燃烧，可以促进无焰燃烧。 

在特定的实施方式中，该方法可包括监控燃烧，以便促进和维持材料的无焰燃烧。可供选择地，该方法可包括监控燃烧，以便促进有焰燃烧。可通过监控/控制氧化剂(空气/氧/臭氧)的供给/比率来实现这些不同的燃烧机制。例如，无焰燃烧，是氧不够的，使得其可通过管理氧供给来控制；可在较低温度传播；且需要较少的氧化剂。因此，通过监控燃烧和控制氧化剂的供给，可促进无焰燃烧。如果需要的话，可供给燃烧抑制剂，如氮，以维持燃烧处于无焰燃烧状态。该方法可包括超绝热地(super-adiabatically)燃烧材料，使得材料经历超绝热燃烧。在超绝热燃烧中，燃烧前沿与燃料和氧化剂的迁移一起经历朝向支配燃烧过程的反应区的最小移动。 

该方法可包括控制材料燃烧的范围(extent of combustion)，并可包括在期望或确定的时间段后熄灭燃烧；和/或跟随燃烧前沿行进期望或确定的距离通过材料，并因此到达期望位置。 

在期望的时间熄灭燃烧可按下述内容实现。如果燃烧还不够热充分以达到热自维持，且因此用于点燃材料的点燃元件(ignition element)仍然被激活时，则点燃装置可被停掉，以由此熄灭燃烧。如果燃烧以热充分、热自维持模式发展，且因此点燃元件被关闭，但是燃烧缺少/缺乏氧，使得继续燃烧要依靠继续添加氧化剂(例如，空气/氧/臭氧)，于是可减小或停止氧化剂流，以由此熄灭燃烧。实现这点的可选方法是通过用诸如氮或水的抑制剂稀释氧化剂流。如果燃烧在没有氧化剂供给和不需要维持激活的点燃装置的情况下继续进行，那么可注入诸如氮或水的燃烧抑制剂；这对于通常具有埋入的氧化剂的化学爆炸物污染的土地的修复可能是有特殊功效的。 

通过创建一个或多个燃烧屏障(combustion barrier)可实现在期望的位置熄灭燃烧。在本发明的实施方式中，场地边界或周界可通过设置一个或多个燃烧屏障而形成。形成一个或多个燃烧屏障的步骤可包括构造物理屏障。例如，刚性的板桩墙(例如，由钢制成)可被打入地下，以形成截断墙(cut-off wall)。或者，例如，时间设定材料(time-setting material)，如包括膨润土的水泥材料，可被注入地下，通常注入到挖掘的沟渠或钻孔中，以形成截断墙。可选择地，或此外，形成屏障的步骤可包括通过将流体注入地下多个位置中形成流体抑制墙(fluid suppression wall)，例如气体墙。例如，可钻取多个钻孔/井孔，和/或可形成沟渠(填充有砂砾或相似物)，且流体抑制剂通过钻孔注入，和/或注入到沟渠中。这些技术可提供在由此界定的边界中熄灭燃烧过程的屏障。 

材料优选地是非水流体，并因此在水中是不可混合的，但是也可以是或者可供选择地是固体。可燃材料可以是NAPL，且更特别地可以是DNAPL或LNAPL。 

该方法可包括从地表进入可燃材料体积。进入材料体积可包括钻取从地表到与材料体积交汇的位置或到与材料体积相邻的位置的入口钻孔(access borehole)、通道或相似物。这可方便可燃材料随后的点燃。钻孔或相似物可以是实质上垂直的，或可以是水平钻孔。可以理解，水平钻孔是包括从垂直钻孔偏离的至少一部分的钻孔；这种钻孔在油气体勘探和生产工业是已知的，且方便从横向间隔的位置进入到材料体积。钻取水平钻孔也可方便随后的材料点燃及燃烧前沿通过材料的传播。这是因为钻孔可被引导到在该体积的下界或周界的位置或相邻的位置处与该体积交汇。因此，燃烧前沿可在污染区域的底部开始，并向上传播。这样，可产生飘浮的或强迫的空气流，从而辅助燃烧过程。这可促进能量(热)保存，从而提高该方法的有效性，因为在燃烧期间产生的热上升，或被强迫的空气流向上推动通过土地，有助于燃烧过程的自维持。这可使得在存在冷源(heatsink)(例如包括较大量水的区域)中燃烧非常低浓度的燃料是可能的。此外，从下面点燃可允许因其减小的粘性(由于增加的温度)而引起流动的材料(NAPL)向下慢慢流动，并保留在燃烧区，由此在点燃钻孔或用于 此目的的其它钻孔中仍然被燃烧，或可选择地被复原。 

在备选方案中，钻孔可被引导成在上界或邻近上界处与材料体积交汇，且燃烧前沿向下传播通过材料体积。可供选择地，钻孔可被引导成在横向边界与材料体积交汇，且燃烧前沿水平传播穿过材料体积，或者定位在中心，且燃烧从材料体积的中心朝向它的极端向外传播。 

点燃可燃材料的步骤可包括将点燃装置定位在材料体积内或邻近材料体积，且可尤其包括将点燃装置定位成沿钻孔延伸或相似地从表面到与材料体积交汇或相邻的位置。在其中将要把调节燃烧的流体(combustionregulating fluid)(例如，氧化剂或抑制剂)注入到地下的地方，注入装置可配备有点燃装置，且因此共同定位在钻孔中。 

优选地，包括气体和类似物的燃烧副产品被收集，用于分析和/或处理。燃烧副产品可在地表收集，且被装在合适的存储室中。额外地或可供选择地，当通过钻孔或相似物实现进入材料体积时，副产品可沿相同的钻孔或被特别地设置用于此目的的其它钻孔返回到地表。因此，通过钻孔或相似物进入可燃流体体积可额外地有利于从燃烧过程收集气态副产品。在地下存在大量水时，气体产品的部分(例如，二氧化碳，它是高度可溶解的)可溶解到水中，且因此不能被收集。 

该方法可包括在燃烧后和/或在燃烧期间在土地中监控燃烧副产品。这可以通过取土壤/地下水的样品并分析来实现。 

根据本发明的第二方面，提供了用于修复被可燃材料污染的土地的装备，该装备包括点燃装置，该点燃装置适合于被定位在地平面以下，用于在待修复的土地中点燃地下可燃材料体积，以燃烧材料，并由此修复土地。 

为了点燃该材料，点燃装置可适合于加热可燃材料，且可包括电阻加热器。电阻加热器可包括电元件或线，当电流通过该元件时，该元件发热，且该元件可具有适合于保护该元件避免腐蚀性材料的抗腐蚀涂层或覆盖层。 

可供选择地，点燃装置可适合于产生放电或火花或其它热源，以由此点燃该材料。如果需要的话，点燃装置可包括耦合到燃料供给的燃烧器或 类似物，用于产生火焰或其它的热源，以点燃材料。可以理解的是，对一些材料，火焰或其它热源可仅需要被维持到其将可燃材料点燃时止。 

该装备可包括至少一个流体注入装置，用于注射适合于促进燃烧进入材料体积中的流体(特别是气体)，例如包括或包含空气/氧/臭氧的氧化剂。这可通过能够注入氧化剂而方便控制材料的燃烧。流体注入装置可包括从表面延伸到体积中的至少一个流线。可选择地，流体注入装置可包括具有多个出口的集流管，该集流管连接到主流体供给线，用于通过单独的供给线将流体供给到该体积内的多个位置。该供给线可被包含在点燃钻孔内，或者在点燃装置旁边，或者可适合于在移去点燃装置后被插入。 

流体注入装置也可用于将燃烧抑制剂，如水或氮，供给到材料体积中，以选择性地熄灭燃烧，或限制未燃烧材料的燃烧。该流体注入装置可包括用于氧化剂/燃烧抑制剂流的单独的流线，或者可适合于选择性地供给两者之一。 

该装备可包括至少一个传感器，用于监控材料的燃烧。优选地，该装备包括贯穿整个体积间隔的多个传感器。该装备可包括温度传感器和/或气体传感器，用于确定由流体燃烧引起的气体副产品的体积和/或组成。 

现将通过举例，参考附图，描述本发明的实施方式，其中： 

图1是被可燃材料污染的土地区域的示意性截面图； 

图2是图1所示土地区域在使用根据本发明实施方式的方法进行修复期间的视图； 

图3是显示了燃烧前沿通过图1中所示可燃材料体积行进的示意图； 

图4是图1所示污染土地中的土壤的放大示意图； 

图5是与图2类似的被可燃材料污染的土地区域的视图，显示为使用根据本发明可选实施方案的方法修复期间； 

图6是图5显示的被可燃流体污染的土地区域的视图，显示为图5方法的变化形式； 

图7是图5显示的被可燃流体污染的土地区域的视图，显示为图5方法的进一步变化形式； 

图8是图5显示的被可燃流体污染的土地区域的视图，显示为图5方法的又一变化形式； 

图9给出了在为证实本发明方法和装备的耐久性而进行的试验中使用的装备的示意性图示； 

图10是详细描述了为证实本发明方法和装备的耐久性而进行的进一步试验的结果的表； 

图11是显示了测量温度对时间、以及在燃烧产物中CO和CO₂的百分比(体积)的曲线图，在使用图9装备进行的煤焦油/砂试验期间测量； 

首先转到图1，显示了土地区域10，其已经被可燃材料，尤其是被可燃流体12污染。可燃流体通常包括NAPL，且尤其可包括DNAPL，其可以是氯化溶剂，如三氯乙烯、四氯乙烯、或复杂的烃混合物，如煤焦油或杂酚油。DNAPL 12可通过倾倒至土地10的地表14上而被先处置，或者可能是意外泄出的结果。如图所示，DNAPL已经向下渗透通过区域10中的土壤11，且已经形成非均匀的污染物体积或源区16。可以理解，体积16的形状取决于大量因素，包括被释放的NAPL体积、NAPL的物理流体性质以及土壤或岩石渗透性在土地区域10中的空间分布。DNAPL 12已经形成很多NAPL“池(pool)”(即，通过土壤/岩石中大量的孔连接的稳定的NAPL区域)，包括下部池18，其积聚在不可渗透的岩层20上。DNAPL12也可包括“残余”NAPL区域，其中，分离的NAPL滴(单个孔)和中枢(横跨数个孔)被限制在孔隙中，通常在NAPL所通过的路径中，但是不积聚成池。 

图1所示的DNAPL 12已经向下渗透通过土地区域10中的土壤11，到达低于目前水位22的平面。因此，经过一段时间，在DNAPL 12中的化合物从体积16中溶解出来，与地下水混合，并流入水道，如溪、河等，从而形成污染问题。本发明涉及一种修复或清除土地10污染区域(即， 源区)的方法，如也将参照图2描述的。值得注意的是，该方法也应用到LNAPL的情况，只是LNAPL基本上不渗透水位；而是它在水位顶部形成透镜状(且经常压低使其局部围绕LNAPL池)，其将在下面更详细地描述。 

也可以理解，存在于体积16中的材料的类似相或多相(液体、气体/蒸汽和固体)取决于污染物材料和环境条件，例如周围温度和压力、以及地下水的存在。因此，在这些环境下，气体/蒸汽和/或固体也可以或可选择地存在于体积16中。 

概括地，该方法包括通过首先确定地下DNAPL 12体积的位置来修复污染的土地区域10。这可通过使用一种或多种技术的组合来实现；例如，使用远程探测地球物理装置(remote detection geophysical equipment)(未显示)，或通过在土地的疑似污染区域的地表14周围隔开的多个位置和深度处钻孔和取样(对土壤、气体或水)多个测试井或钻孔(未显示)。这便于确定土地区域10的被DNAPL 12污染的一般形状和体积16。在显示的示例中，且如上面描述的，体积12包括下部池18，下部池18位于不可渗透的岩层20上；但是，这样的下界池(lower bounding pool)不是该方法的必要条件。 

一旦已经采用这些技术确定了体积16的位置，就通过点燃DNAPL 12以由此燃烧DNAPL来修复污染的土地区域10。这通过从地表14钻取钻孔26实现，钻孔26延伸通过土壤11到邻近流体体积16的下界24的位置28。这种钻孔技术，例如在油气勘探和生产工业中是已知的。虽然可钻取通过体积16到达位置28的垂直钻孔，但是钻孔26是偏斜的，以方便进入下界24。 

在钻取钻孔26，且如果需要的话，衬以适当的管道(例如多段相互连接的套或衬套)之后，将气体注入集流管和材料点燃装置30从地表14插入钻孔26，并向下到达位置28。装置30连接到控制装置，并经由临时管道及电缆32连接到在地表14上的压缩空气/氧/臭氧(未显示)源。装置30也包括具有多个气体出口33的集流管31。 

点燃装置30包括铠装电缆加热器或线(未显示)，当被激活时，铠装电缆加热器或线快速发热，以依次加热已经进入钻孔26屏蔽内和在装置 30周围区域内的DNAPL 12。虽然可使用其它材料，但是用于电缆加热器护套的适当材料是INCONEL 

。这促使DNAPL 12点燃，由此开始DNAPL的燃烧。护套保护加热器避免暴露到存在地下的腐蚀性化合物，尤其是DNAPL 12本身。在可供选择的配置中，当希望在体积16中燃烧DNAPL 12时，通过从地表提供适当的控制信号，装置30产生放电或电火花(或其它任何真正产生热的方式)，由此点燃DNAPL 12。一旦DNAPL 12已经被点燃，产生燃烧前沿34，如在图3的示意性视图中所示，其从位置28行进通过体积16，燃烧前沿从装置30向外蔓延。 

可通过点燃钻孔集流管31将氧化剂注入至地下。土地区域10中土壤11的多孔特性及在与点燃相同的位置的氧化剂的注入确保燃烧前沿向前(沿流动方向)传播，借此，从DNAPL体积的热的燃烧区域16a重新获得能量，且被传递到未燃烧区域16b。很可能，燃烧将继续处于无焰燃烧模式，其中燃烧发生在材料表面，且氧化剂扩散到此表面。在点燃后，燃烧前沿34行进通过体积16，以燃烧与池18流体相通的DNAPL 12的剩余池，如图2箭头所示。由于多孔介质保持并传递支持燃烧的温度的能力，甚至当NAPL贯穿整个孔隙不是连续的流体连接时，剩余DNAPL区域也被燃烧。燃烧过程的气态副产品向上通过土壤到达地表14，且可被允许进入大气，或可被收集，用于使用合适的收集和存储装置(未显示)进一步处理和/或存储。气态副产品也可通过钻孔26(或用于该目的的其它安装钻孔)引出，并以相似的方式收集。当与燃烧前沿以上的冷土壤或水接触时，燃烧产物的一小部分有可能被冷凝回到液相。通常，预期燃烧产物大部分是水、CO和CO₂。 

因此，该方法通过燃烧体积16中的DNAPL而有利于修复污染的土地区域10。 

现也参照图4更详细地描述本发明的方法和装备，图4是污染体积16中土壤11的放大的示意性图示。 

DNAPL 12从地表14渗入土地10中的土壤11，并存在于土壤颗粒38之间相互连接的孔隙36内，如图4所示。然而，可以理解，NAPL也可以包括在断裂岩石/粘土环境和/或在破裂所嵌入的总多孔基质(porous matrix) 中的敞开式断裂或裂缝内。烃燃料的燃烧，例如像土壤11的多孔基质内的DNAPL 12的燃烧产生在孔隙36内的自维持放热反应，在此期间，热从燃烧的DNAPL 12a(图3)传递到孔隙36和固体基质(土壤颗粒38)。多孔介质的存在对燃烧过程具有显著有益的影响，因为固体颗粒38具有高的热惯性，从而发热，并存储来自燃烧反应中能量。该热通过多孔介质并经由以与燃烧前沿相同的方向行进的加热的氧化剂(气体)的传递可在前沿前面产生预热区域。这样，当大部分释出能量到达预热位置时，其可被传递回到反应处。因此，热损失小，从而允许甚至非常低浓度的燃料和/或氧化剂的燃烧前沿的传播。 

因此，该能量反馈机制可导致在反应区34的温度显著超过给定的DNAPL 12通常可能的温度。燃烧产物将它们大部分的能量释放到燃烧(即，反应)前沿34附近未燃烧的DNAPL 12b，从而使得燃烧前沿区域立刻冷却。这样，在以其他方式导致燃烧过程熄灭的条件中，有效的自蔓延燃烧过程是可能的。 

放热反应通过土壤的传播率也可受到氧化剂流方向的显著影响，氧化剂流方向即携氧的空气流的方向。因此，该方法可包括在燃烧过程期间将空气(或可选择的氧、氮和其它气体，例如臭氧的混合物)供给到区域10中的土壤。的确，放热反应通过土壤11的多孔基质的传播率受到空气(氧化剂)流方向的显著影响。图3显示了向前传播如何使用注入的氧化剂(空气/氧)来重新获得能量，且由此辅助反应的传播。当处理低热输出、非常低的燃料浓度或存在诸如水的冷源的燃料(NAPL)时，有必要确保由放热反应产生的大部分能量由未燃烧的燃料和氧化剂重新获得。因此，传播通常是前进模式，如图3所示。在前进模式内，基于氧化剂的流率可确认三种机制：促使反应前沿加速的过量热；导致减速的缺乏热；以及确切地在反应前沿34处的热积累。这种理想的第三种情况被称为超绝热燃烧。因此，可根据期望的结果，通过控制通过注入装置30的空气/氧的注入，和/或控制诸如氮或水的抑制剂的供给，来掌控在任何应用中实现的具体机制，如将在下面描述的。传播率也受到土壤11的孔36的直径和被燃料、空气及其它未反应材料占据的孔隙率分数的影响。 

在多孔基质，如土壤11内的向前反应前沿的传播可在宽范围的条件下存在。最重要的变量是多孔介质的性质、可燃材料的热性质以及氧的供给。对于大的空气流率(大量氧供给)，有大量的能量释放，且反应前沿的传播将加速。如果氧供给减少，产生的能量减少，且反应前沿将减速，进一步减少氧供给将导致熄灭。在这些条件下，放热反应主要由液体燃料表面的氧化引起；这种燃烧模式称为无焰燃烧(例如，香烟)。无焰燃烧通常比有焰燃烧进行得慢，且产生较低的温度(例如，通常在400℃到600℃之间)，但是在特定的条件下，可实现超过1000℃的温度。此外，无焰燃烧在极低的空气-燃料比下是可能的，且甚至在没有任何外部氧供给的情况下也是可能的。因此，一定范围的操作机制是可能的：缓慢的NAPL无焰燃烧在没有充气的多孔结构中是可能的，而定期的或连续的空气(氧)注入(通过装置30)将增加温度，并加速燃烧前沿通过源区的传播(即，修复)。 

因此，为了实现最佳燃烧，并由此实现燃烧前沿34通过DNAPL 12的体积16的继续，可监控DNAPL的燃烧。这可通过使用适合的温度传感器(例如，热电偶；在图2中显示并给定参考数字40、42和44的三个热电偶)在整个体积和周围土壤隔开的多个位置处监控体积16中及其周围的土壤的温度来实现。这些传感器40、42和44设置在从地表14钻取至体积16和周围区域的土壤中的小的钻孔或通道46、48和50中。同样地，由燃烧过程引起的气态副产品的组成和/或体积可按与获得温度数据相同的方式在地表14或者通过在贯穿体积16的不同位置处取样进行监控。这些气态副产品也可以或可供选择地通过钻孔26提取。通过监控气态副产品的温度和组成/体积，可实时确定燃烧发生的性质，从而如果需要的话，改变所采取的措施。例如，通过改变氧供给，对燃烧前沿34的传播因而产生的效果。在燃烧过程期间供给空气或氧的情况下，根据需要，这可以是在连续基础上或者是在周期间隔中。同样，可在单个位置或多个位置供给氧化剂，以方便燃烧前沿贯穿源区继续，如将在下面描述的。 

现转到图5，显示了与图2类似的被LNAPL，如油(汽油)、喷气燃料、加热用油或柴油污染的土地区域。在该图中，土地区域被指定为100， 且LNAPL被给定为参考数字112。LNAPL与图1所示的DNAPL不同，因为它比水轻，且因此趋向于集中在现有地下水水位上或上方(地下水水位实质上是水饱和区的上表面，在该区上方，空气部分地填充孔隙)的岩石/粘土层的孔隙或缝隙中。 

用于修复土地区域100以去除LNAPL 112的方法实质上与上面关于图1至图4描述的方法相似，且在这里仅描述实质上的不同。与图1至图4所示用于清除土地10的装备类似的用于清除土地100的装备的部件被给定相同的参考数字加上100。 

在显示的实施方式中，已经从地表114到邻近LNAPL 112的流体体积116的下界或周界的位置128钻取了垂直钻孔126。点燃装置130被插入，且然后被激活，以燃烧流体体积116中的LNAPL 112。监控LNAPL 112的燃烧，且以与上面描述相同的方式选择性的收集副产品。 

现转到图6，显示了被图5所示LNAPL 112污染的土地区域100的视图。然而，在图6中，希望限制燃烧前沿从点燃点通过LNAPL的体积116的前进，使得燃烧前沿不进入存在于区域52的土壤中。这通过从地表钻取钻孔54、插入燃烧抑制装置56、且注入燃烧抑制流体58(如水或氮)至污染土壤中来实现，如图中箭头所示。注入的流体形成屏障60，其限制燃烧前沿进入区域52中的未燃烧LNAPL 112的通道。 

现转到图7，再次显示了被图5所示LNAPL 112污染的土地区域100的视图。再次，希望限制燃烧前沿从点燃点通过LNAPL的体积116的前进，使得燃烧前沿不进入区域52中存在的土壤中。在显示的实施方式中，这通过构造物理燃烧抑制屏障62来实现。通常通过挖掘沟渠63，并将时间设定的基于膨润土的水泥材料64倾注至沟渠中来形成屏障62。一旦材料64凝固，便产生固体屏障62，从而防止燃烧前沿行进至区域52中。可采用可选择的方法形成屏障62。例如，金属板(未显示)可被打桩至地下。 

图8显示了图5所示土地区域100的示意性平面图。在这种情况下，需要限制燃烧前沿进入区域52的通道，且也限制燃烧前沿进入地面区域66的通道。采用关于图6和图7显示和描述的方法与图8方法相结合，且基于包括污染区域100中土壤的特定性质的因素选择最合适的技术。 

例如，在区域52中的土地可主要包括不适于关于图7中描述的挖掘/打桩方法的岩层。因此，可采用图6的方法，并使用钻头钻取大量钻孔54a、54b和54c。气体供给线56a、56b和56c(相应地)形式的燃烧抑制装置安装在每个钻孔54中，且通过每个钻孔54注入抑制流体，以形成屏障60。相反地，区域66中的土地可主要包括软土或基于粘土的层，于是可采用图7的挖掘/打桩方法形成屏障62。 

可以理解，如果需要的话，可钻取在体积116周围间隔开的大量钻孔54，以允许在燃烧过程期间注入燃烧抑制流体。例如，为了维持无焰燃烧，或者在发现燃烧速度超过期望的传播率时抑制反应，可在燃烧过程期间注入水或者氮。这可在反应前沿接近地表时进行。以这种方式注入燃烧抑制剂的需求可通过如上所述监控燃烧温度和燃烧副产品的温度、压力和/或含量来确定。 

在图8中还显示了多个点燃装置30a、30b，其横贯体积116的宽度间隔开。装置30a、30b通常被同时激活，以在体积116中开始LNAPL 112的燃烧。而且，显示了多个氧化剂供给钻孔68a至68d，可通过这些钻孔注入氧化剂，例如空气或氧(由箭头70a至70d所示)。可以理解，为了促进、维持和/或加速燃烧，在燃烧过程期间可注入氧化剂。例如，万一存在的氧甚至不足以发生无焰燃烧，且燃烧处于熄灭的危险中，可能就需要注入氧化剂。以这种方式注入氧化剂的需求又可通过如上所述监控燃烧温度和燃烧副产品的温度、压力和/或含量来确定。 

可以理解，使用装置30a、30b之中的一个，LNAPL 112的燃烧可从体积116内的单个点燃点继续下去。但是，如果在燃烧前沿通过体积116的前进过程中，燃烧过程的监控显示需要在其它位置点燃LNAPL 112，可激活装置30a、30b之中的另一个或甚至其它装置(未显示)。 

可以理解，LNAPL 112的燃烧可以是热自给自足的(thermallyself-sufficient)，这样，可关闭点燃装置30a、30b或每一个点燃装置30a、30b；且可以是氧充足(oxygen sufficient)的，使得不需要通过抑制装置56供给氧化剂。因此，燃烧可以是自维持的，在于其可以是热自给自足的、和/或自维持的，因为，其可具有充足的氧，且因此不缺乏氧。一旦燃烧是 自给自足的，如上面描述的监控燃烧允许采取适当的措施(如关掉点燃装置或氧化剂流)。如果确定燃烧不是热充足的，点燃装置30a、30b之中的一个或多个可维持在激活状态。 

概况地，在上述的每种实施方式中，期望促进/维持无焰燃烧，且可采取适当的补救措施促进或维持这样的燃烧。 

下面描述了所进行的初步试验，以验证上面描述的本发明的方法和装备的有效性。 

用于初步试验的装备和方法： 

装备： 

试验元件：石英玻璃烧杯(2种尺寸，H.Baumbach & Co.，Ltd.，Ipswich，UK) 

1)OD＝103mm，H＝175mm(不透明) 

2)OD＝106mm，H＝195mm(透明) 

空气扩散器：打有2mm孔的8mm盘铜管(coiled copper tube) 

点燃器：240V，450W Inconel 

涂层的电缆加热器，3.25mm方形截面×762mm长度(0.128”方形截面×30”长)(Watlow Ltd，Linby，UK，part#125PS30A48A) 

气体分析：CO和CO₂分析仪部件(ADC Gas Analysis Ltd，Hoddesdon，UK) 

热电偶：1.5mm和3mm×0.5m Inconel 

K型护套热电偶(RSComponents Ltd.，.Corby，UK，#219-4488(3mm)and#159-095(1.5mm)) 

数据采集和记录：多功能转换/测量部件(Agilent Technologies，SantaClara，CA，USA，#34980A) 

隔热衬垫：240V，1045W加热带2.54cm×254cm，1.33W/cm²(OmegaEngineering Ltd.，Manchester，UK) 

多孔介质(土壤)类型： 

a)粗石英砂(Leighton Buzzard 8/16砂，WBB-.Minerals，Sandbach，UK) 

b)细石英砂(Lochaline L60A硅砂，Tarmac Central Ltd.，Buxton，UK) 

c)泥炭(场地样品) 

d)油砂(场地样品；天然地涂有固体汽油的细砂) 

注入的氧化剂： 

周围空气，流率从零L/min到约20L/min 

污染物： 

a)新近制造的煤焦油(Alfa Aesar，Heysham，UK，item#42488；粘性多组分的DNAPL) 

b)植物油(Sainsbury′s Supermarkets Ltd，London，UK；代表物，无毒的代表性的粘性LNAPL) 

c)十二烷(Fisher Scientific UK Ltd，Loughborough，UK，item#36577-0010；低粘性LNAPL) 

d)三氯乙烯(TCE)(Fisher Scientific UK Ltd，Loughborough，UK，item#15831-0010；氯化溶剂DNAPL) 

e)1，2-二氯乙烷(DCA)(Fisher Scientific UK Ltd，.Loughborough，UK，item#D/1756/15；氯化乙烷(chlorinated ethane)DNAPL) 

f)油脂(Electrolube多用途MPG50T油脂；粘性的多组分LNAPL) 

g)煤焦油场地样品(最近从大不列颠英国场地重新获得，20世纪早期制造气体工厂在该场地上操作；DNAPL) 

h)固体爆炸性化合物(粒状硝酸铵-TNT或DNT的主要组分-与惰性组分混合；加入氧化剂的固体化合物) 

i)汽油(在油砂上自然产生的固化涂层，作为场地样品心部部分获得)。 

注意：在本领域中，氯化溶剂通常不被形成为纯(即，试验室级别) 化学物，而是与多达30％的油和油脂混合(Dwarakanath，V.，R.E.Jackson，and G.A.Pope，2002.Influence of Wettability on the Recovery of NAPLs fromAlluvium.Environmental Science and Technology，36(2)，227-231)。因此，带溶剂的试验使用多组分混合物(见结果)：75％TCE+25％油(按重量)，75％十二烷+25％油(按重量)，75％DCA+25％油脂(按重量)。 

试验程序： 

图9给出了试验的示意性显示。研究用于修复污染的多孔介质的原位燃烧的基本概念的初步试验在约1L的石英玻璃烧杯72(103mm OD×175mm H或106mm OD×195mm H，H.Baumbach & Co.，Ltd.)中进行。烧杯被填充少量粗砂(Leighton Buzzard 8/16sand，WBB Minerals)，足以在烧杯底部上方数毫米放置空气扩散器74。空气扩散器74由8mm长的铜管组成，弯进线圈，并沿管的底部部分打1.5-2mm的孔，使得空气流被向上引导。选择的多孔介质用于将空气扩散器掩埋数毫米。点燃元件76，盘形3.25mm方形截面×762mm长Inconel 

涂层的电缆加热器(240V，450W，part#125PS30A48A，Watlow Ltd)被放置在空气扩散器74之上。然后，将选择的多孔介质75添加到烧杯，以掩埋点燃元件5厘米。如果污染物是固体，它在此步骤中与被放置的砂混合。如果污染物是液体，它被随后添加，并被允许向下过滤通过介质，通常浸没电缆加热器76。因此，被放置的污染物区通常在点燃元件76上5cm高。选择的多孔介质然后被填充到装备顶部的5cm内。在放置的多孔介质顶部搁放三厘米细砂(LochalineL60A silica sand，Tarmac Central Ltd.)，以当作顶盖。多达五个1.5mm或3mm×0.5m Inconel 

K型护套热电偶78a到78e(parts#219-4488(3mm)和#159-095(1.5mm)，RS Components Ltd.)被插入到多孔介质中，其中它们的测量顶端以1cm间隔的位置暴露在电缆加热器76上，且最后一个热电偶78e通常被放置在污染物区的外面。热电偶78a至78e被连接到多功能转换/测量部件(34980A，Agilent Technologies)，其记录数据，将电压输出转换成温度，并将结果传送到电脑上。 

在这些初步试验中使用的较小直径的装备意味着系统倾向于过多的热损耗(这在较大的试验或原位应用中是不被期望的)。为了减少热损耗， 玻璃烧杯72被包裹进加热带(240V，1045W，1.33W/cm²，Omega Engineering，Ltd.)。加热带首先被打开使用，将系统带到升高的(但是不足以燃烧，即，大约200℃)起始温度，以便不使热损失到周围空气中。一旦达到那个温度，电缆加热器点燃元件76用1.7安培的电流转向激活。不久后，以20L/min的流动率供给引进空气流。一旦空气流开始，点燃器76被允许保持打开，直到在从热电偶78a读取的温度最接近点燃器76的峰值并开始下降后。CO和CO₂气体测量(ADC Gas Analysis Ltd.)由存在于多孔介质75顶部的气流构成，这些是燃烧的副产品。在点燃元件被关闭后，继续注入空气，温度也一样，CO和CO₂继续记录，直到在气态废物中出现很少量的CO或CO₂且反应温度下降到不可能支持燃烧反应的水平。在系统已经冷却后，小心地挖出多孔介质。拍照片，以区分修复的范围，并视觉上评估剩余污染的程度。在一些情况中，采用气相色谱法对剩余的污染物样品进行分析，下面描述该方法。 

气相色谱-质谱仪(GC/MS)用于三氯乙烯(TCE)和1，2-二氯乙烷(DCA)试验。每种土壤的约10克被放置在20mL的顶部空间小瓶中，并用PTFE/硅隔膜(silicon septum)卷边密封。使GC/MS方法最优化，以确认低水平的DCA和三氯乙烯TCE。TCE和DCA的探测极限大约是0.5ppm。 

气相色谱-火焰离子化检测器(GC/FID)用于包括十二烷、植物油和煤焦油的试验。每种砂的约10克放置在20mL的玻璃小瓶中。二氯甲烷被添加到砂上大约1cm的水平。小瓶用PTFE/硅隔膜卷边密封，摇动并放置在50℃的恒温箱中12小时。然后摇动小瓶，允许砂沉淀，并将提取物移除，且转移到2mL的自动取样瓶，以分析。在保温前和保温后记录质量，以确保在加热期间损失量是有限的。采用这种方法，化合物的探测极限大约是0.5ppm。 

结果： 

已经进行了超过30次试验，检测不同的点燃源、试验设置、装备装置、燃料类型、砂类型等。这些中的很多都没有给出，尽管它们有助于改进最终的点燃和试验程序(在上述的试验程序中概述的)。这部分详细地 描述了一个试验，即在粗石英砂中煤焦油的燃烧，作为在描述的试验程序后的一组代表性的试验结果。使用上述程序的其它试验的结果总结在图10中的表格中。 

粗砂内煤焦油的试验： 

图11给出了粗石英砂内液体污染物煤焦油的结果，其中图表曲线80a到80e代表了在相应的热电偶78a到78e的测量温度对时间的关系。图11也显示了燃烧产物中CO和CO₂的百分比(体积)。 

初始温度的升高与加热带相关。在没有带的情况下进行的试验中，观察到的相似的温度升高是点燃元件的结果，但是热不平等地分配，而是在点燃器旁边的最低的热电偶78a处最高。测试装备的比例导致增加的热损失，这需要采用低温加热带(即，大约200℃)来补偿。需要注意的是，仅由于该“概念验证”试验装备的小尺寸而需要加热带；在全比例(fullscale)试验装备中，与在该领域中一样，多孔介质体积大到足以起到绝缘体的作用，且因此这种类型的热损失不会发生，且不需要这种额外的热应用。这与按比例确定的较大系统的结果的理论分析是一致的，并与在各种比例下固体多孔泡沫(例如，垫子)的无焰燃烧中的大量试验经验一致。 

图11显示了当点燃元件76打开时，在其附近的温度快速增加。当开始空气(氧化剂)流时，温度增加再一次加速。图11显示了原位燃烧在这段时间后开始相对较快，这由是气态燃烧产物的CO和CO₂的出现所证实。它们的出现呈现出与点燃温度和点燃时间一致，在此试验中观察到的分别是400℃和57分钟。在燃烧开始后，原位温度通常快速上升，其中最大温度被作为在任意热电偶78中达到的最大峰值(在这种情况下，点燃元件76的第二热电偶78b)。 

在此试验中，点燃元件在燃烧开始后10分钟被关闭，但维持氧化剂的输送。在此时间后，图11显示在此试验中观察到了自维持燃烧，意味着燃烧前沿在没有额外的外部能量的情况下传播通过污染区。对于此的证据包括在远离点燃点的连续位置处的连续的温度峰值(例如，在热电偶78a和78b(TC1和TC2)之间的持续的最大温度以及在热电偶78c和78d(TC3和TC4)之间的持续的最大温度，如图表曲线80a到80d显示的)。进一步 的证据是温度测线图的连续横跨(例如，在TC4温度仍然增加，而在TC3温度减少；注意TC5没有在污染区内)。热从高温向低温传递，因此横跨显示，热从热电偶78d(TC4)向热电偶78c(TC3)传递，证明显著的热产生在热电偶78d(TC4)的位置处发生。燃烧气体(CO和CO₂)的连续生产为点燃元件76关闭后燃烧的继续提供进一步的证据。通过用热电偶78之间的空间距离除以最大温度峰值之间的时间，测量了传播的燃烧前沿的速度；在这种情况下，速度估计为4.1×10^-5m/s。不同燃料的文献价值显示，这些是典型的无焰燃烧传播速度。在相似分布后每个位置的温度最终下降，代表在所有的污染物被破坏且反应已经局部自熄灭后能量的消散。 

通过比较，基础情况试验被精确地重复，但是在多孔介质中没有燃料/污染物。热电偶78d(TC4-只有砂)温度分布80f与煤焦油试验的TC4是直接相似的。在温度随时间的变化下的面积与该过程期间释放的能量成正比，因此两者之间的差别代表了由污染物燃烧所产生的能量。对每条曲线下的面积的估计显示，由在4个热电偶附近的燃烧过程产生的能量比在此位置由点燃系统传递的能量的四倍还多。这提供了明显的证据，一旦点燃被实现，自维持传播所需要的能量可通过污染物的燃烧传递，而没有进一步需要后续的点燃装置。所有多余的能量将向前传递，并因此用来加速反应前沿。 

在试验前和试验后均拍摄污染物和多孔材料的照片，其显示在燃烧区的完全修复：没有可观察到的污染物剩余。在前和在后的修复土壤的物理处理及比较体积密度的测量结果也确认没有污染物剩余。该照片也显示位于点燃器76下(并因此不在燃烧区)的煤焦油没有得到修复，虽然其实质上被加热；代替，煤焦油和砂在冷却时变成部分地被固化。也可以观察到，原位燃烧的修复将土壤颜色改变成红色，这是高温铁氧化的结果，且通常在温度超过600℃的森林火所影响的土壤中被观察到。 

气相色谱法(GC)分析用于评定化合物在从燃烧区提取的土壤中剩余的程度。如在图10的最后一列中所指示的，只有剩余化合物的微量水平被探测，其中信号接近该方法的探测极限，且量不充足。 

图10给出了用与给出的用于煤焦油/粗砂试验所描述的方法相同的方 法进行的13个其它试验的总结结果。图10显示了在所有试验中成功地实现了原位燃烧。这包括3种额外普通的NAPL和两种固体材料。该图也显示了用于各种多孔介质类型、用于各种流体饱和度(水和NAPL两者)、用于源自场地的样品以及试验室样品、和在源区(即，燃烧区)的不同条件成功的原位无焰燃烧。仅在两个试验中观察到在燃烧区有任意污染物剩余；在这些情况中，氧化剂的引导明显地促使氧化剂绕开一个位置，而没有实现燃烧。GC分析确认，在进行该分析的8个试验中，燃烧区的所有有机化合物实质上消失。图10中的燃烧传播速度是典型的无焰燃烧，其是这些试验中最主要的燃烧形式。 

进行两种重复基本情况的(即，粗砂中的煤焦油)试验，且获得与图10描述非常类似的结果，显示该方法的再现性。进行第三种重复，但是在这种情况中，空气流在点燃元件关闭后大约5分钟被终止；换句话说，在自维持燃烧已经建立，但所有污染物被燃烧之前。该试验显示，在氧化剂输入被终止后不久，在这种情况下燃烧停止。这显示通过移去氧化剂注入流可熄灭该反应。而且，在冷却时，发现因而形成的砂堆没有被完全修复，而取代的是，包括实质上大量固化的加热的煤焦油和砂。这些物质不能被从试验装备中移除；因此，此时，点燃过程被应用到冷却的物质，且成功地重新开始原位燃烧。在该试验的第二燃烧阶段的最后，轻易地提取出砂，且在燃烧区没有可观察的煤焦油剩余。这表明，该过程可被停止且成功地重新开始，并强调，至少对于测试的情况中，在没有燃烧情况下的加热不能实现修复。 

上述的试验数据清楚地显示，本发明的方法和装备对于原位修复被诸如DNAPL和LNAPL的可燃材料污染的土地是可行的。 

现有的热方法承诺可用于原位NAPL修复，但是价格高得惊人。在本发明中，如果反应以前进模式传播(图3)，则对于非常低的燃料含量就可实现燃烧前沿通过多孔介质的传播。研究表明，这可应用于埋在地下的烃液体，且可调整该工艺，以便以最佳的方式传播。能量输入可限于在源区16的底部附近NAPL 12的初始点燃，这之后，可进行自维持反应。这种技术展示了现有热技术的优点(包括有效的量减少和无差别的渗透性对 照)，且因为通常不需要连续的能量输入(即，自维持)而将是更加成本有效的。而且，燃烧前沿将自然地跟随连接状态的NAPL 12(即，燃料)的路径通过孔隙36，即使这些不能预先已知/确定。该方法以及由此的燃烧过程可因此被有效地自引导。因此，提供了超过现有的化学、物理以及生物技术的显著优点，现有技术经常：无效率地瞄准比NAPL 12本身大得多的地下体积；依靠昂贵的化学添加物，其往往绕过污染区，并被稀释低于有效水平；以及在NAPL 12趋向于聚积的低渗透性区域附近是效率低下的。 

可对前述内容做出各种修改，而不偏离本发明的主旨和范围。 

Claims (19)

1.一种修复被可燃材料污染的土地的方法，所述方法包括如下步骤：

在待修复的土地中确定地下可燃材料体积的位置；以及

使用点燃装置点燃所述可燃材料，以在自维持的无焰燃烧过程中燃烧所述可燃材料；

使用至少一个流体注入装置将氧化剂注入到所述可燃材料体积中，以促进和/或改变所述无焰燃烧过程的燃烧率、燃烧程度或燃烧范围；

一旦所述无焰燃烧过程是热自给自足的，就使所述点燃装置无效；

并由此修复土地。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括控制所述可燃材料的燃烧范围。

3.如权利要求1所述的方法，包括控制氧化剂向所述可燃材料的供给。

4.如权利要求1所述的方法，包括供给燃烧抑制剂以便抑制并由此控制燃烧。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述方法进一步包括监控所述可燃材料的燃烧，并在监控燃烧后，改变所供给的氧化剂的流动率。

6.如权利要求2所述的方法，进一步包括供给燃烧抑制剂以便维持燃烧处于无焰燃烧状态。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述可燃材料的无焰燃烧是氧充足的，从而不需要供给氧化剂。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述土地是多孔的并包括土壤，且所述可燃材料包括存在于界定在所述土壤的固体颗粒之间的孔中的可燃液体。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述多孔的土地由土壤颗粒组成。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述可燃材料包括在断裂岩石/粘土环境中的敞开式断裂或裂缝内。

11.如权利要求1所述的方法，包括使用点燃装置点燃所述材料；监控燃烧，并在燃烧缺氧处，供给氧化剂，以维持燃烧；以及选择性地改变氧化剂的供给，以控制燃烧的传播率。

12.如权利要求1所述的方法，其包括原位燃烧所述材料。

13.如权利要求1所述的方法，其中点燃所述可燃材料，以产生向外行进、离开点燃点、并通过所述可燃材料体积的燃烧前沿。

14.如权利要求1所述的方法，其包括在所述材料体积内的多个位置处点燃所述可燃材料。

15.如权利要求1所述的方法，其包括在期望时间期间后熄灭燃烧。

16.如权利要求13所述的方法，其包括通过产生一个或多个燃烧屏障来在期望的位置熄灭燃烧。

17.如权利要求1所述的方法，其包括使用点燃装置点燃所述材料；监控燃烧，并在燃烧缺氧处，供给氧化剂，以维持燃烧；以及选择性地改变氧化剂的供给，以熄灭燃烧。

18.如权利要求1所述的方法，其包括使用点燃装置点燃所述材料；监控燃烧，并在燃烧不缺氧处，选择性地注入燃烧抑制剂，以控制燃烧的传播率。

19.如权利要求1所述的方法，其包括使用点燃装置点燃所述材料；监控燃烧，并在燃烧不缺氧处，选择性地注入燃烧抑制剂，以熄灭燃烧。

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