CN106734153A - 针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统及方法，包括位于地下的1个以上的加热井、1个以上的抽提井、1个以上的温度监测井和1个以上的压力监测井，所述抽提井连接位于地上的废气处理系统和污水处理系统，污染土壤区域的表面铺设有地面阻隔层，污染土壤区域的四周围设有止水帷幕，止水帷幕的深度为到达地下的不透水层。所述加热井、抽提井、温度监测井和压力监测井的个数满足9：3：1：0.5，且所述加热井、抽提井、温度监测井、压力监测井的布置方式均采用正六边形方式布置。本发明能够有效避免原位热脱附后的污染区域扩散，降低了系统运行时因气体换热系统堵塞而引起的停机检修几率。

Description

针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统及 方法

技术领域

本发明提供一种针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统及方法，属于土壤修复技术领域。

背景技术

原位热脱附技术是将污染土壤加热至目标污染物的沸点以上，通过控制系统温度和物料停留时间有选择地促使污染物气化挥发，使目标污染物与土壤颗粒分离、去除。热脱附过程可以使土壤中的有机化合物挥发和裂解等物理化学变化。当污染物转化为气态之后，其流动性将大大提高，挥发出来的气态产物通过收集和捕获后进行净化处理。

以热传导方式进行原位热脱附的系统和方法所处理的对象为受挥发性有机物、半挥发性有机物、农药类有机物、多环芳烃类有机物等污染的土壤和地下水。也就是说，以热传导方式进行原位热脱附的系统和方法适用于所有的有机类污染物污染土壤和地下水的修复。

2016年5月28日，国务院印发了《土壤污染防治行动计划》，简称“土十条”。“土十条”第二十三条明确规定：治理与修复工程原则上在原址进行，并采取必要措施防止污染土壤挖掘、堆存等造成二次污染。因此，针对受挥发性有机物、半挥发性有机物、农药类有机物、多环芳烃类有机物等污染的土壤和地下水的修复，所以原位热脱附技术应用前景是非常广泛的。

目前，国内已有一些以热传导方式进行原位热脱附的相关专利，但这些专利本身注重具体技术的热脱附过程，不太重视热脱附过程中产生的污染物外溢和防止交叉污染，在处理设备设置上也考虑不周全。

发明内容

本发明的目的是针对受有机类污染物污染的土壤和地下水进行以热传导方式加热污染土壤，把污染土壤加热到有机类污染物沸点以上的温度，使有机类污染物的相态转变为气态，从而达到修复土壤和地下水的目的。在地面阻隔层和引风机的共同作用下，使污染土壤区域形成微负压，在抽提井内汇集气态有机污染物，通过高温废气抽提管道进入地面处理系统进行处理，处理后废气达标排放，污水进入污水处理系统处理。为了保障原位热脱附过程中不对环境造成二次污染，在污染土壤区域的四周和底部形成热屏障即热阻隔；为了确保后续地面处理系统的顺利进行，本发明还在地面处理系统中设置了汽水分离设备。

本发明提供一种针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统，包括位于地下的1个以上的加热井、1个以上的抽提井、1个以上的温度监测井和1个以上的压力监测井，所述抽提井连接位于地上的废气处理系统和污水处理系统，污染土壤区域的表面铺设有地面阻隔层，污染土壤区域的四周围设有止水帷幕，止水帷幕的深度为到达地下的不透水层。

所述加热井、抽提井、温度监测井和压力监测井的个数满足9：3：1：0.5，且所述加热井、抽提井、温度监测井、压力监测井的布置方式均采用正六边形方式布置。

所述加热井分别位于正六边形的六个顶点和中心处，加热井所构成正六边形的边长为加热井影响半径的0.91倍，所述抽提井的顶点和中心点位于加热井所构成的正六边形相对应的两个边长的中点位置，温度监测井和压力监测井位于加热井所构成的正六边形一个边长的中点与该正六边形中心点连线的中点位置。

所述加热井和抽提井的深度满足穿透整个污染土壤区域，并到达污染土壤区域以下1-2m的深度，以实现对污染土壤区域的地下热阻隔；所述加热井还围绕所述污染土壤区域的外周设置一周，以实现对污染土壤区域的四周热阻隔；所述地面阻隔层为厚度为10-30cm的混凝土层。

所述废气处理系统包括顺次连接的一级汽水分离设备、气体换热系统、二级汽水分离设备、气体净化设备、引风机和烟囱；所述污水处理系统包括顺次连接的调节罐、污水换热系统和污水处理设备，一级汽水分离设备、气体换热系统、二级汽水分离设备以及气体净化设备均连接调节罐。

所述抽提井与所述一级汽水分离设备通过废气抽提管道连接，所述抽提井与所述调节罐之间通过污水抽水管道连接，所述废气抽提管道进行2%-5%左右的倾斜布置，由抽提井向一级汽水分离设备方向向下倾斜。

所述加热井的加热方式为电加热产生热量，再对周围的土壤进行热辐射和热传导，或者加热井的加热方式为直通热空气，再对周围的土壤进行热传导。

所述加热井的深度达到污染土壤区域以下的底部清洁区，所述加热井在底面阻隔层的下方采用水泥灌浆进行浇筑密封，加热井沿着纵向于中心处设置加热元件或热空气通道，该加热元件或热空气通道的外周为导热砂，导热砂的外部为井管。

所述抽提井包括气相抽提井和多相抽提井，抽提井的深度为到达污染土壤区域以下的底部清洁区，所述抽提井在地面阻隔层的下方采用水泥灌浆进行浇筑密封，抽提井沿着纵向于中心处设置抽提筛管，该抽提筛管的外部设置石英砂过滤层，抽提筛管露出于地面的顶部上方设置有负压表，抽提筛管的顶部还连接有废气抽提管道和污水抽水管道。

本发明还提供一种针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理方法，包括以下几个步骤：

1）运行地面的废气处理系统和污水处理系统；

2）在100℃以下每天升温速率为1~1.5℃，100℃以上根据温升情况增大温升速率，使用加热井继续加热，并使用温度监测井和压力监测井进行监测；

3）当废气处理系统的气体流量降低到最大处理量的20%时，并维持1~5天时间，对污染土壤进行取样检测，若达到修复目标值，则修复完成；若未达到，则需要另外的辅助措施以增强原位热脱附的效果或更改为其它的工艺进行后续处理。

所述步骤2）中，若污染土壤中污染物的沸点温度低于100℃，需要把污染土壤加热到污染物沸点以上的10℃左右，并保持加热、抽提、监测30~90天；若污染土壤中污染物的沸点温度高于100℃，需要把污染土壤加热到污染物沸点以上的10℃左右，并保持加热、抽提、监测3~20天。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1.在有机类污染物污染场地能够使得本发明所采用以热传导方式进行原位热脱附的工艺能顺利进行；

2.本发明能够有效避免原位热脱附处理后的污染区域扩散；

3.本发明降低了系统运行时因气体换热系统堵塞而引起的停机检修几率；

4.本发明对原位热脱附过程进行把控和监控，避免热脱附过程中的意外发生。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明中污染场地的平面布置示意图；

图3为本发明中加热井的剖面图；

图4为本发明中纵向抽提井的剖面图；

图5为本发明中水平抽提井的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供一种针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统及方法，通过以下技术方案实现：

如图1所示，本发明提供的针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统包括位于地下的加热井1、抽提井2、监测井3（包括温度监测井和压力监测井），以及位于地上的废气处理系统、污水处理系统、能源供应系统4（若是以电力为动力来源，则是电力供应系统及动力电缆；若是以热空气为动力来源，则是热空气产生系统及热空气供应管路；若是以热媒质传热为动力来源，则为媒质加热系统及热媒质循环系统，为整套处理系统提供动力，主要连接加热井）和监控系统5（监控整套处理系统的运行，主要连接温度监测井和压力监测井）。

本发明的原位热脱附系统还采用了污染土壤区域阻隔措施和地面阻隔措施，其中地面阻隔措施具体为在污染土壤区域的地面表面铺设地面阻隔层6，厚度没有限制，完整无破损的实现地面表面的阻隔即可，具体可以优选铺设具有10-30cm厚的耐热混凝土层或气泡轻型隔热混凝土层实现阻隔，以在污染土壤区域的地面表面形成热阻隔屏障，并防止热量损失和污染物的外溢。污染土壤区域阻隔措施具体为在污染土壤区域以下以及以外的四周进行热阻隔，具体可以为将加热井和抽提井的深度设置为达到污染土壤区域以下的洁净区域（具体可以为挖设深度达到污染土壤区域以下1-2m的深度），以在污染土壤区域以下形成底部热阻隔区7，并且在紧贴污染土壤区域的外周的干净土壤中间隔设置一圈加热井，该外周设置的一圈加热井与污染土壤区域之间需要间隔1-2个热传导半径的距离，该一圈加热井所加热的干净土壤区域形成四周热阻隔区8，通过以上手段实现对污染土壤区域的四周以及底部实现热阻隔，防止污染物外溢。

本发明还可以在污染土壤区域外周的加热井的外周间隔1.5-3m的间距设置一圈止水帷幕9，止水帷幕的深度可以达到地下不透水层10，使不透水层10与四周围设的止水帷幕9相接合，以阻隔地下水的流动。

所述位于地下的加热井、抽提井、温度监测井、压力监测井的布置方式均采用正六边形布置，如图2所示，其中加热井设置于正六边形的六个顶点和中心点，且加热井所构成的正六边形的边长为加热井影响半径的0.8-0.91倍。所述抽提井的顶点和中心点位于加热井所构成的正六边形相对应的两个边长的中点位置，进而使抽提井也所构成的正六边形的较加热井要大一些。温度监测井和压力监测井位于加热井所构成的正六边形一个边长的中点与该正六边形中心点连线的中点位置，温度监测井和压力监测井所构成的正六边形要较抽提井构成的正六边形更大一些，并且加热井、抽提井、温度监测井和压力监测井之间的数量比例满足加热井：抽提井：温度监测井：压力监测井=9：3：1：0.5，根据以上的个数和设置位置规律可以于具体的污染场地中设置各个井体。所述压力监测井在布置时大多设置于污染土壤区域的四周，少部分均匀设置在污染土壤区域内，在具体设置时，由于温度监测井和压力监测井的设置位置是相同的规律，因此，在满足二者个数比例关系的情况下可以灵活布置。以上加热井、抽提井、温度监测井、压力监测井的布置方式比较均匀，能够防止加热、抽提过程中产生死角的问题出现，使加热、抽提更为全面，且能够比较好的实现压力和温度的监控。

所述加热井的加热方式为电加热，即加热井内设置有电加热棒，再对周围的土壤进行热辐射和热传导。所述加热井的加热方式也可以为热空气，热空气的来源为燃料燃烧产生的热空气或其它方式经过换热产生的热空气。所述加热井的加热方式也可以为热媒质传热，即通过媒质加热系统和媒质在加热井内的管道将热量传递到污染土壤内。

所述加热井剖面结构如图3所示，其从待处理的污染土壤区域的地面24表面向下挖设，直至穿过污染土壤区域28到达底部清洁区27，具体深度为达到污染土壤区域28以下1-2m的深度，该1-2m的清洁土壤深度就构成了底部热阻隔区7。所述污染土壤区域28的上方的地面24表面均铺设有的厚度为10-30cm的耐高温混凝土层构成的地面阻隔层6，所述加热井在地面阻隔层6的下方采用水泥灌浆进行密封构成水泥灌浆部25。加热井1沿着纵向中心处设置加热元件、热空气通道或热媒质通道29，该加热元件、热空气通道或热媒质通道29的外周为导热砂26，导热砂的外部为金属材质的井管，用以支撑整个井体内部加热元件、热空气通道或热媒质通道29、导热砂26，以及向外传导热量。所述导热砂26的厚度（径向）为75~100mm，用来吸收加热元件或热空气交换后产生的热量及向周围土壤传导热量。

所述抽提井包括气相抽提井和多相抽提井，当待修复的污染土壤区域的地下水水位低于修复区域时，抽提井采用气相抽提井；当待修复的污染土壤区域的地下水水位位于修复区域内时，抽提井采用降水井与气相抽提合为一起所形成的多相抽提井。

所述抽提井的剖面结构如图4和图5所示，当污染土壤区域28深度不过厚，如10m以内，一般均采用纵向抽提井，如图4所示，其从待处理的污染土壤区域28的地面24表面向下挖设，直至到达底部清洁区27，具体深度为达到污染土壤区域28以下1-2m的深度，该1-2m的清洁土壤深度构成了底部热阻隔区7。所述污染土壤区域28的地面24表面均铺设有的厚度为10-30cm的耐高温混凝土层构成的地面阻隔层6，所述抽提井在地面阻隔层6的下方采用水泥灌浆进行密封构成水泥灌浆部25。内部纵向的中心处设置抽提筛管30，该抽提筛管30的外部设置石英砂过滤层31，在抽提的过程中以确保泥沙不进入抽提筛管30，防止后续地面处理系统（废气处理系统和污水处理系统）堵塞。抽提筛管30露出于地面的顶部上方设置有负压表32，以便随时显示抽提井内的负压值。抽提筛管30的顶部还连接外部设置的废气抽提管道18和污水抽水管道19，该废气抽提管道18、污水抽水管道19分别与抽提井2内抽提筛管30中设置的抽气管道、抽水管道相连接。

在多相抽提井的底部设置有能自动探测地下水水位并根据地下水水位自动启停的以压缩空气为动力的水泵，并通过抽提抽提筛管中的抽水管道连接污水抽水管道，进而与地上的污水处理系统相连接。

若是待修复的污染土壤区域较深如10m以上，则需要零散设置1个以上的水平抽提井，抽提管道采用碳钢管，结构如图5所示，水平抽提井的深度即水平抽提管道32的深度为处于地面阻隔层6以下1米-3米左右的位置（处于污染土壤区域28中），且水平抽提井的井口部分需要在底面阻隔层的底部采用水泥灌浆密封。采用水平抽提井的原因在于水蒸气在加热后向上升腾，汇集到地面阻隔层的下方，以防止在地面阻隔层以下形成高压区。水平抽提井的设置其不计算到上文记载中的9：3：1：0.5的个数设计中，其属于附加的技术部分，在污染土壤区域较深的情况下设置水平抽提井能够更好的实现抽提。

所述的温度监测井内设有多个热电偶，一般每隔1.5米设置1个热电偶；温度监测井的深度需要到达污染土壤区域的底部，即到达并接触到底部热阻隔区以上即可，温度监测井中于地面以下的纵向井管上开有筛孔，其从待处理的污染土壤区域表面向下挖设，并在井的顶部、污染土壤区域的表面均铺设有的厚度为10-30cm的耐高温混凝土层构成的地面阻隔层，并在地面阻隔层之下采用水泥密封，处于地面以上的部分的侧面通过金属软管与地面的废气抽提管道相连以连接废气处理系统，并防止高温废气在温度监测井井壁的四周形成高压区和温度短路通道，确保系统操作安全。

所述的压力监测井大多位于污染土壤区域外周边，少量在污染土壤区域内均匀分布。所述的温压力监测井内设有1个压力探头，设置位置为处于地面阻隔层以下0-3m的深度，通过压力监测井内压显示来判定修复区域是否处于负压下运行，是否会对环境造成二次污染；通过场地四周的压力显示判定污染区域是否扩散，而通过污染场地内的压力监测井压力显示判定地面阻隔层是否有损害。压力监测井在其顶部的地面阻隔层之下采用水泥浇筑密封。

如图1所示，所述的废气处理系统包括顺次连接的一级汽水分离设备11、气体换热系统12、二级汽水分离设备13、气体净化设备14、引风机15和烟囱16，经烟囱16向达标排放17，所述抽提井2与所述一级汽水分离设备11通过废气抽提管道18连接。若要考虑到余热利用，废气抽提管道18和一级汽水分离设备11需要进行保温处理，若不考虑余热利用，废气抽提管道18和一级汽水分离设备11不需要进行保温处理，且在设置上废气抽提管道18需要进行2%-5%左右的倾斜布置，由抽提井向一级汽水分离设备11方向向下倾斜，以利于废气抽提管道18内的冷凝液向一级汽水分离设备11导流。一级汽水分离设备11的下部开设有管道，与污水处理系统的调节罐20相连，以便于冷凝液随时从一级汽水分离设备11排出。经过一级汽水分离设备11的高温废气经过气体换热系统换热后温度接近常温，之后再经过二级汽水分离设备13，经过气体净化设备净化后并在引风机15（罗茨风机）的抽风作用下，经烟囱16达标排放。气体换热系统12的冷凝水出口、二级汽水分离设备13的下部污水出口以及气体净化设备14的污水出口均与污水处理系统的调节罐20连接。

在对污染土壤加热过程中，土著微生物在10~45℃范围内会随着温度的升高活性增强，种族数量增加。这些土著微生物在罗茨风机抽气作用下累积到气体换热系统内堵塞气体换热系统，当堵塞现象严重时必须停机清堵后气体换热系统才能继续运行。在气体换热系统前面设置汽水分离设备，使大部分的土著微生物随冷凝水进入到污水处理系统，减小气体换热系统堵塞事故的几率。

如图1所示，所述污水处理系统包括顺次连接调节罐20、液体换热系统21和污水处理设备22。所述污水处理系统与抽提井2之间通过污水抽水管道19连接（对应进行多相抽提或者地下水抽提时均需要配备此设备）。经污水处理设备22处理后的流入污水纳管或达标排放23。

所述以热传导方式加热的原位热脱附系统的脱附处理方法具体包括以下几个步骤：

1）首先运行地面的废气处理系统和污水处理系统；

2）在100℃以下每天升温速率为1~1.5℃，100℃以上根据温升情况可适当增大温升速率，如升温速率为2-3℃，在一开始利用加热井开始加热的同时，抽提井即开始进行抽提，并使用温度监测井和压力监测井进行监测；

若污染土壤中污染物的沸点温度低于100℃，需要把污染土壤加热到污染物沸点以上的10℃左右，并保持加热、抽提、监测30~90天（天数根据污染物浓度及修复目标值而定）；若污染土壤中污染物的沸点温度高于100℃，需要把污染土壤加热到污染物沸点以上的10℃左右，并保持加热、抽提、监测3~20天（天数根据污染物浓度及修复目标值而定）；

3）当废气处理系统的气体流量降低到最大处理量的20%时并维持1~5天时间，以确保污染物被彻底取出。对污染土壤进行取样检测，若达到修复目标值，即视为修复完成；若未达到，则需要另外的辅助措施以增强原位热脱附的效果或更改为其它的工艺进行后续处理，例如可以返回步骤2）的过程继续进行加热抽提或者可以采用原位注入的方式进行修复。污水处理系统的达标判断直接由抽提泵自动控制，并随着升温，污水抽提量会自然逐渐降低，最后降为零。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统，其特征在于，包括位于地下的1个以上的加热井、1个以上的抽提井、1个以上的温度监测井和1个以上的压力监测井，所述抽提井连接位于地上的废气处理系统和污水处理系统，污染土壤区域的表面铺设有地面阻隔层，污染土壤区域的四周围设有止水帷幕，止水帷幕的深度为到达地下的不透水层。

2.根据权利要求1所述的针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统，其特征在于，所述加热井、抽提井、温度监测井和压力监测井的个数满足9：3：1：0.5，且所述加热井、抽提井、温度监测井、压力监测井的布置方式均采用正六边形方式布置。

3.根据权利要求2所述的针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统，其特征在于，所述加热井分别位于正六边形的六个顶点和中心处，加热井所构成正六边形的边长为加热井影响半径的0.91倍，所述抽提井的顶点和中心点位于加热井所构成的正六边形相对应的两个边长的中点位置，温度监测井和压力监测井位于加热井所构成的正六边形一个边长的中点与该正六边形中心点连线的中点位置。

4.根据权利要求1所述的针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统，其特征在于，所述加热井和抽提井的深度满足穿透整个污染土壤区域，并到达污染土壤区域以下1-2m的深度，以实现对污染土壤区域的地下热阻隔；所述加热井还围绕所述污染土壤区域的外周设置一周，以实现对污染土壤区域的四周热阻隔；所述地面阻隔层为厚度为10-30cm的混凝土层。

5.根据权利要求1所述的针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统，其特征在于，所述废气处理系统包括顺次连接的一级汽水分离设备、气体换热系统、二级汽水分离设备、气体净化设备、引风机和烟囱；所述污水处理系统包括顺次连接的调节罐、污水换热系统和污水处理设备，一级汽水分离设备、气体换热系统、二级汽水分离设备以及气体净化设备均连接调节罐。

6.根据权利要求5所述的针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统，其特征在于，所述抽提井与所述一级汽水分离设备通过废气抽提管道连接，所述抽提井与所述调节罐之间通过污水抽水管道连接，所述废气抽提管道进行2%-5%左右的倾斜布置，由抽提井向一级汽水分离设备方向向下倾斜。

7.根据权利要求1所述的针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统，其特征在于，所述加热井的加热方式为电加热产生热量，再对周围的土壤进行热辐射和热传导，或者加热井的加热方式为直通热空气，再对周围的土壤进行热传导。

8.根据权利要求1所述的针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理系统，其特征在于，所述加热井的深度达到污染土壤区域以下的底部清洁区，所述加热井在底面阻隔层的下方采用水泥灌浆进行浇筑密封，加热井沿着纵向于中心处设置加热元件或热空气通道，该加热元件或热空气通道的外周为导热砂，导热砂的外部为井管；所述抽提井包括气相抽提井和多相抽提井，抽提井的深度为到达污染土壤区域以下的底部清洁区，所述抽提井在地面阻隔层的下方采用水泥灌浆进行浇筑密封，抽提井沿着纵向于中心处设置抽提筛管，该抽提筛管的外部设置石英砂过滤层，抽提筛管露出于地面的顶部上方设置有负压表，抽提筛管的顶部还连接有废气抽提管道和污水抽水管道。

9.一种针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

1）运行地面的废气处理系统和污水处理系统；

2）在100℃以下每天升温速率为1~1.5℃，100℃以上根据温升情况增大温升速率，使用加热井继续加热，并使用温度监测井和压力监测井进行监测；

3）当废气处理系统的气体流量降低到最大处理量的20%时，并维持1~5天时间，对污染土壤进行取样检测，若达到修复目标值，则修复完成；若未达到，则需要另外的辅助措施以增强原位热脱附的效果或更改为其它的工艺进行后续处理。

10.根据权利要求9所述的针对污染土壤以热传导方式进行的原位热脱附处理方法，其特征在于，所述步骤2）中，若污染土壤中污染物的沸点温度低于100℃，需要把污染土壤加热到污染物沸点以上的10℃左右，并保持加热、抽提、监测30~90天；若污染土壤中污染物的沸点温度高于100℃，需要把污染土壤加热到污染物沸点以上的10℃左右，并保持加热、抽提、监测3~20天。