CN111659723A - 一种有机污染土壤原位热脱附修复系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机污染土壤原位热脱附修复系统与方法，包括供配电系统、加热系统、抽提系统、尾气尾水处理系统、监控系统以及地面阻隔系统；所述加热系统由竖直加热井、置于加热井内部的高频电磁场发生器和发生器控制装置组成，所述电磁场发生器通过控制箱连接至地面供配电系统，输出端电源经控制板将工频交流电整流、滤波、逆变成高频交流电，通过连接线接到电磁加热圈上，产生交变磁场，导体受到电磁感应产生电涡流而引起导体发热，进而在土壤中传递温度，使土壤迅速升温，有机污染物得以蒸发。本发明采用的技术方案对目标修复深度的加热具有针对性，加热速度快，热量利用效率高并且能够显著提高修复效率。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，具体是一种采用高频强磁场发生器产生的电涡流效应加热原位修复污染土壤的系统与方法。
背景技术
近年来，寻求一种效果好、成本低、对环境影响小的污染场地修复技术迫在眉睫。目前一些传统的原位修复技术，如原位注入化学药剂、多相抽提等已在多个污染场地的修复中得到应用。但这些技术面临着在土壤渗透系数小而导致影响半径小，以及修复药剂难以充分接触到污染物而影响修复效果等问题。
原位热脱附技术在污染场地的修复中越来越受到重视，其基本原理是通过加热升高污染区域的温度促使污染物挥发并对其进行集中处理的修复方法。按照不同的加热方式，原位热脱附技术主要分为电阻加热(ERH)、热传导加热(TCH)和蒸汽加热(SEE)三种类型。根据能源供给形式不同，热传导加热技术又分为燃气加热和电加热两种。相比异位热脱附，原位热脱附技术具备无须挖掘污染土壤，二次污染相对可控，对低渗透污染区、非均质污染区域具有较强的适用性和较好的修复效果等优点。
ERH产生的热量能使土壤相对均匀升温，但ERH升温最高只能达到水的沸点(100℃，1atm)，一般不适用于沸点较高的污染物。TCH技术能够对土壤升温至500～800℃，对加热井附近的区域加热效果较好，但对距离较远的土壤升温速度较慢。SEE技术一般适用于渗透系数K＞10-4m/s的土壤，其最大的优势在于能够治理处于存在地下水且渗流速度较快的土壤环境，但最大加热温度只能达到100℃。目前原位热脱附工程案例大多对整个加热井周围进行通体加热，加热深度区间针对性不强，造成加热时间较长，效率低下，能量浪费等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种加热区段针对性强、加热时间短、能量利用率高、修复效率好的污染土壤原位热脱附修复技术。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下，一种有机污染土壤原位热脱附修复系统，包括供配电系统、加热系统、抽提系统、尾气尾水处理系统、监控系统以及地面阻隔系统。在修复区域钻探加热井然后将导电颗粒压入污染土层中；然后在压裂范围内再钻与加热井同样深度的抽气井；根据污染土壤深度，将高频强磁场发生器下入加热井内固定位置，产生高频强磁场，此时污染土壤中的导电颗粒由于电涡流效应而被加热，进而直接加热被污染的土壤；抽提井抽出的蒸汽经热交换器冷却，进入气液分离器，废气采用催化燃烧+活性炭吸附工艺，废水采用油水分离+芬顿氧化+混凝+活性炭吸附工艺做进一步处理后达标排放。
本发明的原理在于，当地层中金属或矿物盐导体物质处在交变磁场中，由于电磁感应作用而在导体内会产生感应电动势，由于导体自身存在电阻，在导体内部便会产生感应电流，这种电流在导体中的分布随着导体的表面形状和磁通的分布而不同，其路径有如水中的漩涡，故称为涡流，由于导体本身存在电阻，涡流在导体中将产生热量。
进一步的，所述的导电颗粒是以水力压裂的方式进入污染土层中，压入土层中的导电颗粒粒径为0.5～3mm，可以选择零价铁、赤铁矿、磁铁矿、矿物盐中的一种或几种混合物。
进一步的，所述加热装置采用高频强磁场发生器加热，所述的磁场发生器外套非金属隔热材料，防止外界高温环境对线圈组的热损伤，采用耐高温电缆与地面供配电系统连接放入加热井预定位置，可根据污染深度在垂直方向上布置多组，所述磁场发生器的启动、关停以及参数监测等数据的显示和传输主要通过控制箱来实现。
进一步的，所述尾水尾气处理系统是将抽提井抽出的蒸汽经热交换器冷却，进入气液分离器，废气采用催化燃烧+活性炭吸附工艺，废水采用油水分离+芬顿氧化+混凝+活性炭吸附工艺做进一步处理后达标排放。
进一步的，所述表面阻隔系统由整平层、保温层和混凝土层构成；其中最下层为整平层，上面铺设保温砖，厚度150mm，保温砖空隙处填充珍珠岩、陶粒颗粒、硅酸盐颗粒中的一种或几种混合物，上层为混凝土浇筑防护层，厚度150mm。
与现有原位热脱附技术相比，本发明的有益效果为：
压入土层中的导电颗粒处于变化磁场中，因电涡流效应产生焦耳热而被加热，进而直接加热污染土壤，加热深度具有针对性，加热速度快，能量利用率高；与此同时，通过压裂的方式将导电颗粒高压泵入土壤中形成土层裂隙，增大土壤渗透能力，增加抽提气体流通，能有效加速污染物的解吸，进而提高土壤修复效果。
附图说明
下面结合附图对本发明一种有机污染土壤的原位热脱附修复系统与方法作进一步说明：
图1是本有机污染土壤原位热脱附修复系统示意图；
图2是本有机污染土壤原位热脱附修复系统布井平面示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1、高频强电磁场发生器，2、高温电缆，3、抽提井，4、加热井，5、导电颗粒，6、压裂缝，7、整平层，8、保温砖，9、混凝土，10、发生器控制器，11、真空表，12、阀门，13、真空泵，14、气体流量计，15、热交换器，16、引风机，17、气液分离器，18、输送泵，19、尾水处理装置，20、尾气处理装置，21、供配电系统。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明原位热脱附修复系统与方法作进一步详细的说明。
图1为本发明有机污染土壤原位热脱附修复系统示意图。图2为本发明有机污染土壤原位热脱附修复系统布井平面示意图。
参考图1所示，原位热脱附系统主要包括：供配电系统、加热系统、抽提系统、尾气尾水处理系统、监控系统以及表面阻隔系统。
原位热脱附加热井采用正三角形或者正六边形方式排布，布设间距为2～4m，在项目实施中根据土质、压裂半径、污染物特性、加热速率等因素调整决定，本实施例中，布设间距为4m，采用正三角形方式排布，加热井的布置延伸到处理目标外围0.5～1m，如参考图2所示，以确保整个待修复区域能够均匀达到所需温度。
加热管管径为Φ＝150mm，钻井深度按照污染深度设计，比污染深度深0.5m，以确保整个污染深度治理合格。钻孔设备为Geoprobe钻机或同类型钻机，钻孔前先用水准仪确定桩顶标高，按取出的岩芯确定孔底标高，以重锤、尺确定孔深，偏差控制在50mm以内。为有效控制桩孔垂直度，钻机就位应平整，钻杆轴线与钻孔中心线应对准，钻杆应垂直。
钻探至设计深度后，在污染深度段进行水力压裂产生裂缝，压裂半径0.5～2m，压裂时采用直径0.5～3mm的球形铁颗粒作为支撑剂。
压裂完成后缓慢拔出钻杆，为防止塌孔，尽快将加热管安装至指定深度，井管漏出土壤表面约50cm，以便整平层、保温砖和混凝土层浇筑。井管吊装结束后，井口用厚塑料纸覆盖，防止杂物掉入。
在加热井中心冷点位置钻探抽提井，抽提井长度与加热井管长相同，采用具缝碳钢管，管径40mm，开筛部位与污染深度段一致，抽提管具缝处包裹100目不锈钢筛网，每隔2m用不锈钢管箍扎牢。钻井设备为Geoprobe钻机或其它同类型钻机，通过施加动力钻进到达设计深度，钻孔完成后埋管至指定深度。
将电磁场发生器置于加热井目标深度处，接通电源，供配电系统将交流电经变压、变频到额定的电压和频率，启动发生器，对土壤进行加热升温，抽提系统抽取随温度提升蒸发脱离载体而进入气相的水分和有机污染物，蒸汽经热交换器冷却，进入气液分离器，废气采用催化燃烧+活性炭吸附工艺，废水采用油水分离+芬顿氧化+混凝+活性炭吸附工艺做进一步处理后达标排放。
表面阻隔系统由整平层、保温砖和混凝土组成，其作用是一方面是加热时的挥发性气体及热量不会扩散到表面，另一方面是系统运行升温后，运行人员仍可以在场地内巡检，保证安全；表面阻隔系统最下层为整平层，其上铺设保温砖，厚度为150mm，保温砖的空隙处填充珍珠岩、陶粒颗粒、硅酸盐颗粒中的一种或几种混合物。保温砖铺设完毕后，浇筑150mm厚的混凝土地面用来密封治理区域，浇筑前，将井头和出风口用袋子罩住，防止混凝土进入加热井内。
原位热脱附系统还包括在线温度与压力监控系统，K型热电偶线和压力传感器分布在污染土壤不同深度及加热管、抽提管不同深度处。
上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种有机污染土壤原位热脱附修复系统，其特征在于，包括供配电系统、加热系统、抽提系统、尾气尾水处理系统、监控系统以及地面阻隔系统；所述加热系统由竖直加热井(4)、置于加热井内部的高频电磁场发生器(1)和发生器控制装置(10)组成，所述电磁场发生器(1)通过控制箱(10)连接至地面供配电系统，输出端电源经控制板将工频交流电整流、滤波、逆变成高频交流电，通过连接线接到电磁加热圈上，产生交变磁场，导体受到电磁感应产生电涡流而引起导体发热，进而在土壤中传递温度，使土壤迅速升温，有机污染物得以蒸发。
2.根据权利要求1所述的一种有机污染土壤原位热脱附修复系统，其特征在于，所述地面阻隔系统由保温砖(8)和混凝土(9)构成，其中下层为保温砖(8)，保温砖空隙处填充珍珠岩、陶粒颗粒、硅酸盐颗粒中的一种或几种混合物，上层为混凝土浇筑防护层(9)。
3.一种有机污染土壤原位热脱附修复方法，其特征在于，通过启动磁场发生器(10)产生高频磁场产生电涡流效应，此时预先压入污染土壤缝隙中的导电颗粒(5)被加热，进而加热受污染的土壤；从抽提井(3)抽出的蒸汽经热交换器(15)冷却，进入气液分离器(17)，废气采用催化燃烧+活性炭吸附方法，废水采用油水分离+芬顿氧化+混凝+活性炭吸附方法做进一步处理后达标排放。
4.根据权利要求3所述的一种有机污染土壤原位热脱附修复方法，其特征在于，所述的导电颗粒(5)是以水力压裂的方式进入污染土层中，压入土层中的导电颗粒(5)选择零价铁、赤铁矿、磁铁矿或矿物盐，颗粒呈球形，直径范围为0.5～3.0mm。
5.根据权利要求3所述的一种有机污染土壤原位热脱附修复方法，其特征在于，所述的高频电磁场发生器(1)外套非金属隔热材料，采用耐高温电缆(2)与地面供电系统连接放置于加热井固定位置中。
6.根据权利要求5所述的一种有机污染土壤原位热脱附修复方法，其特征在于，在污染深度在垂直方向上布置多组高频电磁场发生器(1)。
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