CN102989759A - 一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污染土壤原位修复领域，特别涉及一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置及方法。本发明自动控制系统分别通过线路与充气泵、阳极缓冲液加药装置和阴极缓冲液加药装置相连，其中与阴极缓冲液加药装置相连的线路分别与高压水动压裂泵、抽吸泵废气处理装置和污染缓冲液处理装置相连；阳极缓冲液加药装置和抽吸泵废气处理装置分别通过线路与阳极井相连，充气泵通过线路与曝气管相连；高压水动压裂泵通过线路与水动震裂井相连；抽吸泵废气处理装置、污染缓冲液处理装置和阴极缓冲液加药装置分别通过线路与阴极井相连；本发明能提高电化学修复的修复效果和阳极污染气体的修复效率，能彻底的清楚污染物，相对成本较低，处理效率高。

Description

一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置及方法
技术领域
本发明属于污染土壤原位修复领域，特别涉及一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置及方法。
背景技术
土壤重金属污染主要来源为大气中重金属的沉降、农药及化肥和塑料薄膜的使用、污泥施肥、污水灌溉、含有重金属的废物的堆积和金属矿山的酸性废水污染。目前，修复土壤重金属污染的途径是通过改变重金属在土壤中的存在形态，使其由活化态转变为稳定态，以此减弱重金属对植物和生物的毒性，如固化法，稳定法；或者从土壤中去除重金属，使其存留浓度接近或达到背景值，如化学淋洗法，热解析法，电动力法。
在这些方法中土壤淋洗过程中所使用的大量化学试剂对环境的影响也非常严重。热解析法法主要是针对具有挥发性的有机污染物以及金属汞污染的土壤，土壤有机质和结构水在治理过程中遭到破坏，并难以恢复，且经济成本较高。固化法，稳定法是一种原位修复方法，对土壤扰动较大，易破坏土壤的结构和生产力，且一旦破坏，土壤不易恢复原状。并不能从根本上清除污染物，一旦环境条件发生较大改变，污染物就可能重新释放。
电化学技术在重金属土壤污染修复中的应用成为解决此问题的很有前景的一项污染治理技术，特别是土壤的渗透性比较低的情况下，优势更为明显。主要是通过在污染土壤两侧施加直流电压形成电场梯度，土壤中的污染物质在电场作用下被带到电极两端从而清洁污染土壤。
袁华山等以Pb(NO3)2为模拟污染物，研究了电动力技术对铅污染红壤修复的适应性{《南华大学学报(自然科学版)》，2007年，第01期，电动力土壤修复技术对铅污染红壤的适应性分析}。结果表明大部分铅能在阴极附近富集。土壤的pH值是影响电动力土壤修复的主要因素，pH值可以通过降低土壤的电导率而导致槽电压升高和土壤发热；还可以通过改变铅的存在形态而降低其修复效率。电动力技术需经过改进才能用于铅污染红壤的修复。他的研究也只是针对单一的金属的适用性研究。中国专利200920073584.X提出了一项电动力修复铬污染的土壤装置，它由阳极区、阴极区电源组成，在阳极区与阴极区的相对面上依次设置多孔介质砂石层和铁屑层。但这个装置只是针对一种重金属，而且在大面积推广方面还有其局限性。
总的来说，目前我国的土壤重金属污染修复技术和设备大多是异位修复技术和设备，且处在研发和实验样机阶段，修复设备的产业化应用很少。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置及方法。
一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置，其自动控制系统分别通过线路与充气泵、阳极缓冲液加药装置和阴极缓冲液加药装置相连，其中与阴极缓冲液加药装置相连的线路分别与高压水动压裂泵、抽吸泵废气处理装置和污染缓冲液处理装置相连；
阳极缓冲液加药装置和抽吸泵废气处理装置分别通过线路与阳极井相连，充气泵通过线路与曝气管相连，组成曝气系统，曝气管设置在阳极井中；
高压水动压裂泵通过线路与1口以上水动震裂井相连；抽吸泵废气处理装置、污染缓冲液处理装置和阴极缓冲液加药装置分别通过线路与阴极井相连；
2口以上阳极井和阴极井分别组成阳极井阵列和阴极井阵列，阳极井和阴极井的线路分别与电源相连，所述阳极井中设置阳极电极，阴极井中设置阴极电极。
相邻阳极井和阴极井的间距为4米~6.5米，相邻阳极井或相邻阴极井的间距为2米~3.2米，阳极井或阴极井的井深为1米~5米，所述相邻水动震裂井的间距为5米~20米。
所述阳极井内设置一层直径为1米~1.5米的开有槽沟的PVC井套，井套外包裹一层亚麻织物，亚麻织物外设置1层外环封隔层，所述外环封隔层由质量分数分别为20%的高岭土和80%的沙混合物组成；所述阴极井内设置一层直径为0.6米~1米的多孔陶瓷管井套，井套外包裹一层亚麻织物，亚麻织物外设置1层外环封隔层，所述外环封隔层由质量分数分别为20%的高岭土和80%的沙混合物组成。
所述每个阳极井、阴极井和水动震裂井中都设置有溶液温度传感器、溶液水平传感器、电压传感器、pH值传感器和电流传感器，各传感器分别与电脑相连，由电脑控制系统直接控制所有设备的运转和反应状态。
所述阳极电极为镀氧化铱的钛合金管，阴极电极为不锈钢栅管。
一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复方法，其具体步骤如下：
a. 在污染土壤区域分别打阳极井阵列和阴极井阵列，在污染土层区域打一口以上检测井，了解土层结构和地下水污染情况；打一口以上水动震裂井，井深到达渗透系数小于0.5 m/d的低渗透性的土层；
b. 对水动震裂井进行水动压裂，使土层产生裂缝，使电流密度增大，减少能耗；
c. 向阳极井和阴极井中分别灌入缓冲液，开启电源，对污染土层进行电动力修复；污染金属离子将在电动力驱动下向阴极富集；
d. 开启曝气系统，进行曝气处理，促进电机极产生的污染气体的释放，通过抽吸泵废气处理装置将污染气体收集并进行处理。
所述步骤b中水动震裂的压强为1200 psi~2000 psi，裂隙产生后，将压力颗粒支撑剂以70 psi~100 psi的压强注入到空隙中以支撑裂隙。
所述步骤c中电动力修复过程中所使用的电极由若干个10 kw~20 kw的电源供电，所提供电压为30 V~220 V，所提供电量为 90 amps~330 amps；阴极井内所使用的缓冲液为12 wt%~15 wt%的柠檬酸，阳极井内所使用的缓冲液为5mol/L的NaOH溶液。
所述步骤d中进行曝气处理时的曝气量为20 ml/min ~300 ml/min。
修复过程中土壤或电极温度不高于45度时，土壤pH值不低于2.3。
所述曝气系统和抽吸泵废气处理装置联动控制，通过连续曝气提高污染气体的收集效率，抽吸泵废气处理装置将电机极产生的污染气体，抽出集中处理。
当阳极井或阴极井中重金属污染物的浓度达到50 mg/L时，自动控制系统将控制抽水泵间歇性的将缓冲液抽出到废水罐里，重金属污染物被提取出来后，缓冲液将被重新注入阳极井或阴极井中。
本发明的有益效果为：
本发明的水动震裂能连通裂缝，提高电化学修复的修复效果，曝气装置能提高阳极污染气体的修复效率。电化学阵列井的间隔设计，能保证相对稳定的电场梯度，使污染物能均匀的向阴极聚集。相较化学固定方法，本发明方法能彻底的清楚污染物，不会有其污染物重新释放的方法，而且相对成本较低，处理效率高。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明电源与阳极井阵列和阴极井阵列连接示意图；
图中标号：1-阳极井；2-阴极井；3-水动震裂井；4-充气泵；5-抽吸泵废气处理装置；6-高压水动压裂泵；7-电源；8-自动控制系统；9-阳极缓冲液加药装置；10-阴极缓冲液加药装置；11-污染缓冲液处理装置；12-曝气管。
具体实施方式
本发明提供了一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置，其自动控制系统8分别通过线路与充气泵4、阳极缓冲液加药装置9和阴极缓冲液加药装置10相连，其中与阴极缓冲液加药装置10相连的线路分别与高压水动压裂泵6、抽吸泵废气处理装置5和污染缓冲液处理装置11相连；
阳极缓冲液加药装置9和抽吸泵废气处理装置5分别通过线路与阳极井1相连，充气泵4通过线路与曝气管12相连，组成曝气系统，曝气管12设置在阳极井1中；
高压水动压裂泵6通过线路与1口以上水动震裂井3相连；抽吸泵废气处理装置5、污染缓冲液处理装置11和阴极缓冲液加药装置10分别通过线路与阴极井2相连；
2口以上阳极井1和阴极井2分别组成阳极井阵列和阴极井阵列，阳极井1和阴极井2的线路分别与电源7相连，所述阳极井1中设置阳极电极，阴极井2中设置阴极电极。
相邻阳极井1和阴极井2的间距为4米~6.5米，相邻阳极井1或相邻阴极井2的间距为2米~3.2米，阳极井1或阴极井2的井深为1米~5米，所述相邻水动震裂井3的间距为5米~20米。
所述阳极井1内设置一层直径为1米~1.5米的开有槽沟的PVC井套，井套外包裹一层亚麻织物，亚麻织物外设置1层外环封隔层，所述外环封隔层由质量分数分别为20%的高岭土和80%的沙混合物组成；所述阴极井2内设置一层直径为0.6米~1米的多孔陶瓷管井套，井套外包裹一层亚麻织物，亚麻织物外设置1层外环封隔层，所述外环封隔层由质量分数分别为20%的高岭土和80%的沙混合物组成。
所述每个阳极井1、阴极井2和水动震裂井3中都设置有溶液温度传感器、溶液水平传感器、电压传感器、pH值传感器和电流传感器，各传感器分别与电脑相连，由电脑控制系统直接控制所有设备的运转和反应状态。
所述阳极电极为镀氧化铱的钛合金管，阴极电极为不锈钢栅管。
一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复方法，其具体步骤如下：
a. 在污染土壤区域分别打阳极井阵列和阴极井阵列，在污染土层区域打一口以上检测井，了解土层结构和地下水污染情况；打一口以上水动震裂井3，井深到达渗透系数小于0.5 m/d的低渗透性的土层；
b. 对水动震裂井3进行水动压裂，使土层产生裂缝，使电流密度增大，减少能耗；
c. 向阳极井1和阴极井2中分别灌入缓冲液，开启电源7，对污染土层进行电动力修复；污染金属离子将在电动力驱动下向阴极富集；
d. 开启曝气系统，进行曝气处理，促进电极产生的污染气体的释放，通过抽吸泵废气处理装置5将污染气体收集并进行处理。
所述步骤b中水动震裂的压强为1200 psi~2000 psi，裂隙产生后，将压力颗粒支撑剂以70 psi~100 psi的压强注入到空隙中以支撑裂隙。
所述步骤c中电动力修复过程中所使用的电极由若干个10 kw~20 kw的电源供电，所提供电压为30 V~220 V，所提供电量为 90 amps~330 amps；阴极井2内所使用的缓冲液为12 wt%~15 wt%的柠檬酸，阳极井内所使用的缓冲液为5mol/L的NaOH溶液。
无水柠檬酸粉和水混合成浓度为12 wt%~15 wt%的溶液，储存在溶液管内。 自动控制系统8通过控制电磁阀门，可对每一口阴极井2添加柠檬酸溶液，添加的量由流量计控制。
所述步骤d中进行曝气处理时的曝气量为20 ml/min ~300 ml/min。
修复过程中土壤或电极温度不高于45度时，土壤pH值不低于2.3。
当土壤或电极温度高于45度时，自动控制系统8将自动调节电压和电流。过高的温度将会要求更大的电流消耗来维持重金属离子的聚集速度。当土壤中的pH值低于2.3时，将向阳极井1添加NaOH溶液并控制电流流量。
所述曝气系统和抽吸泵废气处理装置5联动控制，通过连续曝气提高污染气体的收集效率，抽吸泵废气处理装置5将电极产生的污染气体，抽出集中处理。
当阳极井1或阴极井2中重金属污染物的浓度达到50 mg/L时，智能控制系统8将控制抽水泵阶段性的将缓冲液抽出到废液罐里，重金属污染物将被逆渗析出来，处理过的缓冲液将被重新注入阳极井1或阴极井2中。加入缓冲液和抽取污染的缓冲液的频率和流量取决于负电极金属离子的浓度和金属离子的去除效率。

Claims (12)

1.一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置，其特征在于：其自动控制系统（8）分别通过线路与充气泵（4）、阳极缓冲液加药装置（9）和阴极缓冲液加药装置（10）相连，其中与阴极缓冲液加药装置（10）相连的线路分别与高压水动压裂泵（6）、抽吸泵废气处理装置（5）和污染缓冲液处理装置（11）相连；
阳极缓冲液加药装置（9）和抽吸泵废气处理装置（5）分别通过线路与阳极井（1）相连，充气泵（4）通过线路与曝气管（12）相连，组成曝气系统，曝气管（12）设置在阳极井（1）中；
高压水动压裂泵（6）通过线路与1口以上水动震裂井（3）相连；抽吸泵废气处理装置（5）、污染缓冲液处理装置（11）和阴极缓冲液加药装置（10）分别通过线路与阴极井（2）相连；
2口以上阳极井（1）和阴极井（2）分别组成阳极井阵列和阴极井阵列，阳极井（1）和阴极井（2）的线路分别与电源（7）相连，所述阳极井（1）中设置阳极电极，阴极井（2）中设置阴极电极。
2.根据权利要求1所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置，其特征在于：相邻阳极井（1）和阴极井（2）的间距为4米~6.5米，相邻阳极井（1）或相邻阴极井（2）的间距为2米~3.2米，阳极井（1）或阴极井（2）的井深为1米~5米，所述相邻水动震裂井（3）的间距为5米~20米。
3.根据权利要求1所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置，其特征在于：所述阳极井（1）内设置一层直径为1米~1.5米的开有槽沟的PVC井套，井套外包裹一层亚麻织物，亚麻织物外设置1层外环封隔层，所述外环封隔层由质量分数分别为20%的高岭土和80%的沙混合物组成；所述阴极井（2）内设置一层直径为0.6米~1米的多孔陶瓷管井套，井套外包裹一层亚麻织物，亚麻织物外设置1层外环封隔层，所述外环封隔层由质量分数分别为20%的高岭土和80%的沙混合物组成。
4.根据权利要求1所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置，其特征在于：所述每个阳极井（1）、阴极井（2）和水动震裂井（3）中都设置有溶液温度传感器、溶液水平传感器、电压传感器、pH值传感器和电流传感器，各传感器分别与电脑相连，由电脑控制系统直接控制所有设备的运转和反应状态。
5.根据权利要求1所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复装置，其特征在于：所述阳极电极为镀氧化铱的钛合金管，阴极电极为不锈钢栅管。
6.一种基于权利要求1~5任一所述修复装置的原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复方法，其特征在于，具体步骤如下：
a. 在污染土壤区域分别打阳极井阵列和阴极井阵列，在污染土层区域打一口以上检测井，了解土层结构和地下水污染情况；打一口以上水动震裂井，井深到达渗透系数小于0.5 m/d的低渗透性的土层；
b. 对水动震裂井进行水动压裂，使土层产生裂缝，使电流密度增大，减少能耗；
c. 向阳极井和阴极井中分别灌入缓冲液，开启电源，对污染土层进行电动力修复；污染金属离子将在电动力驱动下向阴极富集；
d. 开启曝气系统，进行曝气处理，促进电极产生的污染气体的释放，通过抽吸泵废气处理装置将污染气体收集并进行处理。
7.根据权利要求6所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复方法，其特征在于：所述步骤b中水动震裂的压强为1200 psi~2000 psi，裂隙产生后，将压力颗粒支撑剂以70 psi~100 psi的压强注入到空隙中以支撑裂隙。
8.根据权利要求6所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复方法，其特征在于：所述步骤c中电动力修复过程中所使用的电极由若干个10 kw~20 kw的电源供电，所提供电压为30 V~220 V，所提供电量为 90 amps~330 amps；阴极井内所使用的缓冲液为12 wt%~15wt%的柠檬酸，阳极井内所使用的缓冲液为5 mol/L的NaOH溶液。
9.根据权利要求6所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复方法，其特征在于：所述步骤d中进行曝气处理时的曝气量为20 ml/min ~300 ml/min。
10.根据权利要求6所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复方法，其特征在于：修复过程中土壤或电极温度不高于45度时，土壤pH值不低于2.3。
11.根据权利要求6所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复方法，其特征在于：所述曝气系统和抽吸泵废气处理装置联动控制，通过连续曝气提高污染气体的收集效率，抽吸泵废气处理装置将电极产生的污染气体，抽出集中处理。
12.根据权利要求6所述的一种原位压裂曝气辅助电化学阵列井修复方法，其特征在于：当阳极井或阴极井中重金属污染物的浓度达到50 mg/L时，自动控制系统将控制抽水泵间歇性的将缓冲液抽出到废水罐里，重金属污染物被提取出来后，缓冲液将被重新注入阳极井或阴极井中。
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