CN103203354A - 一种用于有机污染场地原位环境修复的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于有机污染场地原位环境修复的装置，该装置由供水系统、热水加热系统、流量阀、过热蒸汽原位注入系统、监测井、土壤气提与地面废气废水处理系统等组成，来自于供水系统的水经由高频热水加热系统迅速加热后，通过流量阀控制进入高频过热蒸汽原位注入系统，实现了过热蒸汽原位注入，同时通过土壤气提与地面废气废水处理系统强化修复效果，通过监测井观测修复效果。其优点是克服了传统加热系统加热速度慢和蒸汽注入温度低等问题，实现了高沸点、难挥发有机污染物的高效去除，同时节能达50％。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于有机污染场地原位环境修复的装置，属于环境保护技术领域，主要应用于受挥发性和半挥发性有机物污染的土壤和地下水的修复，特别适用于污染场地中高沸点难挥发有机污染物的去除。
背景技术
有机污染场地是指因堆积、储存、处理、处置或其他方式（如迁移）承载了有害有机物质的，对人体健康或环境产生危害或具有潜在风险的空间区域，其中有机污染物包括挥发性和半挥发性的有机物质，如柴油、原油、农药、卤代烃、苯系物等。其治理修复按照方式的不同主要分为原位修复和异位修复，其中原位修复由于基本不需要进行开挖、转运等操作从而最大限度上减少了二次污染问题，而且其成本相对较低，目前已被人们广泛关注，并在一些实际修复工程中得以应用，是今后环境修复技术发展的主要趋势。
例如，专利CN202490819U公开了一种有机污染土壤的原位修复装置，该装置包括四个系统：①蒸汽注入系统、②土壤抽提系统、③监测系统、④地面废气废水处理系统，实现了土壤中低沸点、易挥发有机污染物的高效去除。但该装置具有如下缺点：其蒸汽注入系统采用蒸汽锅炉等常见的蒸汽发生器来生产饱和蒸汽，该蒸汽温度较低，但压力较高，在使用时蒸汽加热用时长，能源利用效率不高，同时对于高沸点、难挥发的有机污染物去除效果不理想。专利US5769569公开了一种对包气带中重污染有机烃原位热解析的装置及工艺，通过在污染区域底部（在地下水位以上）设置燃烧器通过燃料和空气的燃烧产生的热量实现污染区域挥发性和半挥发性有机烃的解析，并通过气提技术收集产生的污染物蒸气。该工艺需要开挖洞穴将燃烧器和燃料送入污染区域之下，其工程实施难度很大，同时燃烧器会排放二氧化碳等气体，存在碳排放和大气污染的问题。此外，加热所需达到的温度需要一定的时间，不会迅速实现。专利US5244310公开了一种采用微波/射频加热、闭环蒸汽冲洗和真空气提回收系统对污染场地进行原位修复的方法，通过微波/射频对表层污染土壤进行加热，同时通过气提回收系统将挥发出的污染物进行处理，并将所产生的水蒸气再次注入污染场地，从而强化污染场地中污染物的解析。该工艺采用微波/射频直接加热土壤，加热效率低，成本高昂，且有潜在电磁波辐射污染的问题。另外，考虑到热量损失，气提回收系统所产生的水蒸气温度低，再次回注所起到的污染物去除强化效果必然受到影响。
针对目前有机污染场地原位修复装置与工艺中存在的问题，诸如注入蒸汽温度低、能耗大、蒸汽加热用时长以及对于高沸点、难挥发有机污染物的原位修复效果不佳等，本发明提出了以高频热水加热系统和高频过热蒸汽原位注入系统为特征的有机污染场地原位修复装置，通过两段高频加热，不但可以实现过热蒸汽加热速度快、温度高，尤其对于高沸点、难挥发有机污染物能够高效去除，而且与传统蒸汽发生器系统相比，还可以大大节省能耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效、快捷、绿色、节能的有机污染场地原位修复装置，该装置采用高频加热生产的过热蒸汽作为有机污染物修复的媒介，通过物理方法在原位实现污染场地中挥发性和半挥发性有机物的去除，特别适用于高沸点、难挥发有机污染场地的原位环境修复。
本发明涉及一种用于有机污染场地原位环境修复的装置，主要由供水系统（1）、高频热水加热系统（2）、流量阀（3）、高频过热蒸汽原位注入系统（4）、监测井（5）、土壤气提与地面废气废水处理系统（6）、加热自动控制系统（7）和连接管路构成，通过如下技术方案实现有机污染场地原位环境修复：将供水系统（1）与高频热水加热系统（2）通过管路连接，供水系统（1）中的水通过高频加热系统（2）实现快速加热，然后通过管道分流器分别进入各个蒸汽注入井的管路，每个管路中间并安装流量阀来调控热水流量，在进入蒸汽注入井之前连接高频过热蒸汽原位注入系统（4），热水经高频加热变为过热蒸汽，进而通过注入井注入场地中污染区域，并通过加热自动控制系统（7）控制和显示高频加热功率、热水流量以及热水和过热蒸汽温度。同时开启土壤气提与地面废气废水处理系统（6），通过设置的气提井利用真空泵对过热蒸汽修复区域进行气相提取，然后送入地面废气废水处理系统进行处理后达标排放。在修复过程中，通过设置的监测井（5）观测场地污染区域中所需修复的有机污染物去除效果和地下水位的变化。
所述的供水系统（1）可以是高位水槽或用水泵或两者结合供水，其所用水源可以是自来水或土壤气提与地面废气废水处理系统（6）处理达标后的再生水。
所述的高频热水加热系统（2）包括感应加热用线圈、高频加热电源以及包裹保温材料的换热体，其中换热体如选用铁素体不锈钢管或铸铁管或碳钢管或合金管，优选耐腐蚀耐压的铁素体不锈钢管；其中感应加热线圈缠绕在铁素体不锈钢管保温材料的外壁，线圈两端接头与高频加热电源相连，流入不锈钢管的水在30秒-60秒内被迅速加热到80℃-100℃。热水的温度取决于热水输送距离与管道保温情况，优选设定为85℃。该系统（2）工作原理是通过高频加热电源使得感应加热线圈产生交变磁场作用在铁素体不锈钢管（换热体）上，产生涡流电流，从而实现了电能转化为热能，同时通过铁素体不锈钢管与管道中水的换热作用实现水的迅速加热。
所述的高频过热蒸汽原位注入系统（4）包括感应加热用线圈、高频加热电源、包裹保温材料的换热体以及蒸汽注入井，其中换热体如选用铁素体不锈钢管或铸铁管或碳钢管或合金管，优选耐腐蚀耐压的铁素体不锈钢管；其中感应加热线圈缠绕在铁素体不锈钢管保温材料的外壁，线圈两端接头可以直接与高频加热电源相连或多组线圈并联/串联后再与高频加热电源相连，流入不锈钢管的热水能够在10秒-2分钟内被迅速加热为150℃-500℃的过热蒸汽，并直接进入设置在污染场地中的蒸汽注入井。过热蒸汽的温度取决于场地修复目标有机污染物的最高沸点和修复区域气提系统的真空度。该系统（4）工作原理同高频热水加热系统（2）。
所述的加热自动控制系统（7）设定高频热水加热系统（2）出水温度和高频过热蒸汽原位注入系统（4）出过热蒸汽的温度，并通过调控热水流量阀（3）和高频加热电源的输出功率来实现。
所述的供水系统（1）、高频热水加热系统（2）和流量阀（3）可以停用，直接通过蒸汽减压阀（8）通入工业用低压蒸汽，如由热电厂提供的1.5MPa压力等级220℃左右的蒸汽，送入高频过热蒸汽原位注入系统（4），变为过热蒸汽后注入井中对场地中有机污染物进行环境修复。
所述的用于有机污染场地原位环境修复的装置，采用了高频热水加热系统（2）和高频过热蒸汽原位注入系统（4）两段高频加热工艺，与采用高频直接加热自来水生产过热蒸汽单段工艺相比，最大限度地减少了蒸汽管道输送过程中的热量损失，同时大大提高了过热蒸汽的加热速度和利用效率。
所述的用于有机污染场地原位环境修复的装置，其蒸汽注入井、土壤气提井和监测井的设置以及地面废气废水系统设计可以参考CN202490819U，不同之处在于：①蒸汽注入井的位置位于场地污染区域的下方，甚至在地下水位以下，可以修复地下水中的有机污染物；②土壤气提工艺所需的真空泵由于过热蒸汽的使用负荷可以减小，使得气提工艺能耗降低，或真空泵选型时可以选用功率更低的真空泵；③地面废气废水系统由于过热蒸汽的使用减少了废水处理量，而且处理后的再生水可以进入供水系统（1）继续回用，减少水资源的浪费；④所注入的蒸汽物理特性不同，如温度、压力和流量等，过热蒸汽不需要耐高压的管材和管件，从而减少了装置投资。
该发明所涉及一种用于有机污染场地原位环境修复的装置，采用了高频加热生产的过热蒸汽作为有机污染物修复的媒介，与传统采用饱和蒸汽作为媒介的原位修复系统相比，该装置节能达50%。
附图说明
图 1 是一种用于有机污染场地原位环境修复的装置示意图。
附图标注说明如下：
1-供水系统；2-高频热水加热系统；3-流量阀；4-高频过热蒸汽原位注入系统；5-监测井；6-土壤气提与地面废气废水处理系统；7-加热自动控制系统；8-蒸汽减压阀；9-高位槽；10-水泵；11-自来水阀；12-高频加热电源；13-感应加热用线圈；14-玻璃纤维保温层；15-铁素体不锈钢管；16-管道分流器；17-气提井；18-蒸汽注入井；19-水冷换热器；20-气液分离器；21-真空泵；22-废气处理系统；23-废水处理系统；24-气体达标排放；25-水达标排放；26-自来水供水；27-工业低压蒸汽供给；28-地面；29-地下水位。
具体实施方式
该装置采用高频加热生产的过热蒸汽作为有机污染物修复的媒介，适用于污染场地中挥发性和半挥发性有机物的原位修复，特别适用于高沸点、难挥发有机污染场地的原位环境修复。
结合附图1，本发明所涉及的装置，主要由供水系统（1）、高频热水加热系统（2）、流量阀（3）、高频过热蒸汽原位注入系统（4）、监测井（5）、土壤气提与地面废气废水处理系统（6）、加热自动控制系统（7）和连接管路等构成。
所述的供水系统（1）采用高位水槽与水泵结合的方式供水，其中水源有2个，其一是来自于自来水系统（26）；其二是来自于废水处理系统（23）去除污染物后回用的再生水（25）。
所述的高频热水加热系统（2）包括感应加热用线圈（13）、高频加热电源（12）以及包裹保温材料（14）的耐腐蚀耐压铁素体不锈钢管（15），其中感应加热线圈（13）缠绕在铁素体不锈钢管保温材料（14）的外壁，线圈两端接头与高频加热电源（12）相连，流入铁素体不锈钢管（15）的水在50秒钟内被迅速加热到85℃，即可瞬间变为热水输出。
所述的流量阀（3）连接管道分流器（16）与高频过热蒸汽原位注入系统（4），通过加热自动控制系统（7）来自动调控进入高频过热蒸汽原位注入系统（4）的热水流量。
所述的高频过热蒸汽原位注入系统（4）包括感应加热用线圈（13）、高频加热电源（12）、包裹保温材料的耐腐蚀耐压的铁素体不锈钢管（15）以及蒸汽注入井（18），其中感应加热线圈（13）缠绕在铁素体不锈钢管保温材料（14）的外壁，线圈两端接头可以直接与高频加热电源（12）相连或多组线圈并联/串联后再与高频加热电源（12）相连，流入不锈钢管（15）的热水或者工业用低压蒸汽（如1.5MPa压力等级220℃左右的蒸汽）（27）能够在2分钟内被迅速加热到500℃的过热蒸汽，并直接进入设置在污染场地中的蒸汽注入井。而过热蒸汽的温度取决于场地所需修复的具体目标有机污染物的最高沸点和修复区域气提系统的真空度。
所述的监测井（5）观测场地污染区域中所需修复的有机污染物去除效果和地下水位的变化。
所述的土壤气提与地面废气废水处理系统（6）包括气提井（17）、水冷换热器（19）、气液分离器（20）、真空泵（21）、废气处理系统（22）和废水处理系统（23）、连接管路和温度、压力等显示仪表，其中废气处理系统（22）和废水处理系统（23）均采用活性炭吸附去除有机污染物的工艺，定期清除吸附饱和的活性炭运送至具有资质的危废处理单位焚烧处理。
所述的加热自动控制系统（7）包括温度传感器、流量传感器、高频加热电源控制器以及PLC控制面板等，可以通过控制面板设定高频热水加热系统（2）出水温度和高频过热蒸汽原位注入系统（4）出过热蒸汽的温度，通过自动调控热水流量阀（3）和高频加热电源的输出功率来实现所设定的加热温度。
下面结合实际的应用详细说明该装置的运行情况。
在南方某一农药厂搬迁遗留的有机污染场地中选择50米×50米的热点区域安装运行该装置，该区域土壤水平和垂直渗透系数均处于10-3米/秒-10-5米/秒数量级，土壤构成自上而下分别为素土、粉土和粉质粘土，土壤平均含水率为33%，枯水期地下水位平均为2.2米，土壤中主要的有机污染物及其平均含量如下表所示：
表 1 有机污染场地污染物含量表
根据地下水流向，在该区域下游布设监测井1口。另外，在污染最严重热点区域核心位置布设监测井1口。
结合自身的经验，在该污染场地现场开展过热蒸汽注入井和土壤气提井布点设计实验，即确定注入井和气提井的辐射半径，依据现场的岩土特性和污染物分布情况，设计确定本区域过热蒸汽注入井设置8口和土壤气提井设置12口，并在具体地理位置布设安装该原位环境修复装置。同时通过现场设计实验还确定：过热蒸汽注入温度约为400℃（每个井过热蒸汽注入流量为85kg/h），气提系统维持真空度约为28KPa。
其中，监测井、蒸汽注入井和气提井的具体设置和地面废气废水系统设计可以参考CN202490819U，但存在不同之处：①蒸汽注入井的位置位于场地污染区域的下方，甚至在地下水位以下，可以修复地下水中的有机污染物；②土壤气提工艺所需的真空泵由于过热蒸汽的使用负荷可以减小，使得气提工艺能耗降低，或真空泵选型时可以选用功率更低的真空泵；③地面废气废水系统由于过热蒸汽的使用减少了废水处理量，而且处理后的再生水可以进入供水系统（1）继续回用，减少水资源的浪费；④所注入的蒸汽物理特性不同，如温度、压力和流量等，过热蒸汽不需要耐高压的管材和管件，从而减少了装置投资。
该装置按照如下实施方式运行：
首先启动土壤气提与地面废气废水处理系统（6），将污染区域土壤变为负压状态，最大限度防止原位修复过程中的二次污染问题。设定气提系统维持真空度为28KPa，通过真空泵（21）将污染物和蒸汽从气提井（17）抽出，经冷却换热器（19）换热后进入气液分离器（20），其中气体送入废气处理系统处理达标后排放；液体送入废水处理系统处理达标后部分排放，部分水送入高位水槽（9）再生回用。此外，还利用冷却换热器（19）对进入高位水槽（9）的水进行预热。
然后通过自来水系统（26）向高位水槽（9）补水，通过水泵（10）打入高频热水加热系统（2），开启（2）中的高频加热电源（12），为（2）中的感应加热用线圈（13）供电，同时通过涡流效应在（2）中的铁素体不锈钢管（15）产生热量，进而加热其中流过的水，通过设定加热自动控制系统（7）热水温度为85℃，实现高频热水加热系统（2）自动调控高频电源（12）加热功率在50秒内达到所要求的温度。产生的热水通过管道分流器（16）分别进入8个分支管路，通过流量阀（3）进入到高频过热蒸汽原位注入系统（4）中，即进入8个（4）中铁素体不锈钢管，通过分别配套的8个感应加热用线圈串联后接在高频加热电源上，通过设定加热自动控制系统（7）热水温度为85℃，实现高频过热蒸汽原位注入系统（4）自动调控高频电源（12）加热功率将85℃的热水在1.5分钟之内加热变为400℃过热蒸汽，进而进入蒸汽注入井（18）。所有蒸汽注入井的注入位置均应设置在污染区域之下。而由于在个别位置地下水位以下苯和乙苯仍超标，该超标区域附近的蒸汽注入井注入位置深度设置在地下水位以下，这样同时对地下水也进行了环境修复。
在修复过程中，每天通过设置的2口监测井（5）观测场地污染区域中所需修复的有机污染物去除效果。经过58天的连续工作，经该装置修复的污染区域均达到目标修复值的要求，特别是高沸点的污染物邻甲苯胺含量达到了修复要求。通过与蒸汽锅炉为蒸汽源的原位修复装置进行比较核算，该装置节能达50%，主要体现在如下方面：①采用两端式高频加热系统生成过热蒸汽，能源转化效率高，过程中热损失小，而且生产速度快，工期缩短；②过热蒸汽注入温度高，产生的废水量小，减小了气提系统运行负荷，降低了气提系统的能耗；③利用气提系统中换热器对高位水槽进水进行预热，最大限度利用了热量；④加热自控系统的应用使得能源转化与利用更趋合理高效。
所述的实施详例仅为了说明而不是限制本发明，在本发明启示下且不脱离本发明权利要求所保护的范围内的情况所做出去其他形式的变通，均在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于有机污染场地原位环境修复的装置，其特征在于主要由供水系统（1）、高频热水加热系统（2）、流量阀（3）、高频过热蒸汽原位注入系统（4）、监测井（5）、土壤气提与地面废气废水处理系统（6）、加热自动控制系统（7）和连接管路构成，通过如下方式实现有机污染场地原位环境修复：将供水系统（1）与高频热水加热系统（2）通过管路连接，供水系统（1）中的水通过高频加热系统（2）实现快速加热，然后通过管道分流器分别进入各个蒸汽注入井的管路，每个管路中间并安装流量阀来调控热水流量，在进入蒸汽注入井之前连接高频过热蒸汽原位注入系统（4），热水经高频加热变为过热蒸汽，进而通过注入井注入场地中污染区域，并通过加热自动控制系统（7）控制和显示高频加热功率、热水流量以及热水和过热蒸汽温度。
2.同时开启土壤气提与地面废气废水处理系统（6），通过设置的气提井利用真空泵对过热蒸汽修复区域进行气相提取，然后送入地面废气废水处理系统进行处理后达标排放。
3.在修复过程中，通过设置的监测井（5）观测场地污染区域中所需修复的有机污染物去除效果和地下水位的变化。
4.如权利要求1所述的用于有机污染场地原位环境修复的装置，其特征在于，所述的供水系统（1）可以是高位水槽或用水泵或两者结合供水，其所用水源可以是自来水或土壤气提与地面废气废水处理系统（6）处理达标后的再生水。
5.如权利要求1所述的用于有机污染场地原位环境修复的装置，其特征在于，所述的高频热水加热系统（2）包括感应加热用线圈、高频加热电源以及包裹保温材料的换热体，其中换热体如选用铁素体不锈钢管或铸铁管或碳钢管或合金管，优选耐腐蚀耐压的铁素体不锈钢管；其中感应加热线圈缠绕在铁素体不锈钢管保温材料的外壁，线圈两端接头与高频加热电源相连，流入不锈钢管的水在30秒-60秒钟内被迅速加热到80℃-100℃。
6.热水的温度取决于热水输送距离与管道保温情况，优选设定为85℃。
7.如权利要求1所述的用于有机污染场地原位环境修复的装置，其特征在于，所述的高频过热蒸汽原位注入系统（4）包括感应加热用线圈、高频加热电源、包裹保温材料的换热体以及蒸汽注入井，其中换热体如选用铁素体不锈钢管或铸铁管或碳钢管或合金管，优选耐腐蚀耐压的铁素体不锈钢管；其中感应加热线圈缠绕在铁素体不锈钢管保温材料的外壁，线圈两端接头可以直接与高频加热电源相连或多组线圈并联/串联后再与高频加热电源相连，流入不锈钢管的热水能够在10秒-2分钟内被迅速加热为150℃-500℃的过热蒸汽，并直接进入设置在污染场地中的蒸汽注入井。
8.过热蒸汽的温度取决于场地修复目标有机污染物的最高沸点和修复区域气提系统的真空度。
9.如权利要求1所述的用于有机污染场地原位环境修复的装置，其特征在于，所述的加热自动控制系统（7）设定高频热水加热系统（2）出水温度和高频过热蒸汽原位注入系统（4）出过热蒸汽的温度，并通过调控热水流量阀（3）和高频加热电源的输出功率来实现。
10.如权利要求1所述的用于有机污染场地原位环境修复的装置，其特征在于，所述的供水系统（1）、高频热水加热系统（2）和流量阀（3）可以停用，直接通过蒸汽流量阀（8）通入工业用低压蒸汽，送入高频过热蒸汽原位注入系统（4），变为过热蒸汽后注入井中对场地中有机污染物进行环境修复。
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