CN107309257B - 热强化气相抽提污染土壤修复装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热强化气相抽提污染土壤修复装置及其方法，属于环保设备领域。该装置包括若干个独立运行的气相抽提装置，以及由阀门、管道、冷凝器、气液分离器、除尘装置、压力表、真空泵和活性炭吸附装置以及废液处理装置等装置组成的气提系统。气相抽提装置的箱体表面主要由发热电阻层、耐热层、保温层和防雨布层组成。本发明解决了传统修复方法中存在的不足，尤其可以高效应对突发性土壤污染事件，如油罐车的泄漏、输油管道的破裂，具有很好的机动性。

Description

热强化气相抽提污染土壤修复装置及其方法

技术领域

本发明涉及环保设备领域，特别是涉及污染土壤修复技术，尤其是一种热强化气相抽提污染土壤修复装置及其方法。

背景技术

土壤作为工农业生产的基础和环境要素的重要组成要素，是人类赖以生存的自然资源之一，吸纳了环境中约90％的污染物。随着全球工业化进程的发展，环境污染事故和人体健康损害事件也时有发生，而化工企业(尤其是石油工业)排放的挥发性(VOCs)和半挥发性(SVOCs)尤为严重。目前，挥发性有机污染物已经成为工业场地土壤中最普遍和最突出的污染物之一。特别是突发性环境污染事故的发生，如储油罐的泄漏、输油管线的破裂、挥发性有机物的溢洒事故，都会对土壤和地下水等造成不同程度的污染。如果污染物残留在土壤中，会进一步对水体、大气和食物及人体健康带来更大的危害。

目前，针对土壤中挥发性有机污染物的修复方法主要有化学修复、生物修复和物理修复等。化学修复主要包括氧化还原技术和化学淋洗技术，生物修复主要利用微生物和植物对污染物进行降解，而物理修复主要包括土壤气相抽提技术和热脱附技术。土壤气相抽提(Soil Vapor Extraction,SVE)是始于20世纪80年代中后期的一种土壤原位修复技术，其原理是利用物理方法去除不饱和土壤中挥发性有机物，通过真空设备产生负压驱使空气夹带污染物至处理装置集中处理。在实际运用中，气相抽提效果容易受到土壤特性、目标污染物特性、环境温度等因素的影响。因此，气相抽提技术也往往和热强化技术、生物技术等结合，以加强气相抽提的修复效果。其中，热强化技术主要通过向土壤输入热量来提高土壤温度，加强对重质非水相液体(DNPLs)组分的去除。根据加热方式的不同，该技术可分为电阻加热、蒸汽/热空气注射、热传导加热和电磁波加热等。

中国专利CN 105499263 A公开了一种热强化土壤气相抽提系统。该系统包括加热系统、抽提系统和待处理的土壤堆体，利用太阳能产生的热量给土壤加热，使有机污染物能更有效地从土壤污染介质中得以挥发和分离；但是该系统对外界环境的依赖性较大，如果遇上连续阴雨天气，加热效果会大打折扣，不利于污染土壤的修复。中国专利CN 103447291B公开了一种氯苯污染土壤强化气相抽提修复方法。该方法包括多个以正三角形或正方形排布的加热抽提器、冷凝单元、气液分离器和真空泵等，短时间内对氯苯污染的土壤修复效果明显，污染物去除率高，但是效果容易受到土壤特性等的影响(比如说土壤粘性高，传热效果差)。中国专利CN 102513347 A公开了一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的方法。该方法通过在污染区域形成一定形式的加热井，在加热井内部署加热器部件，并安装套管，在套管中填充催化剂以加速污染物高温分解成简单的小分子物质。该方法对污染物有较好的处理效果，但是抽提装置造价成本高，较难推广。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服常规气相抽提技术的不足，主要包括①气相抽提装置土地占用面积大，利用率不高。尤其在用地紧张的城市更为突出；②处理效果易受土壤特性的影响，由于土堆体积大，虽然经过破碎、筛分等预处理仍可能存在部分土壤修复效果不理想；③多数气相抽提设备难以循环使用，由于各修复项目具体情况的不同，抽提设备须重新设计使用；④大多数气相抽提系统难以及时高效处理相关的突发性土壤污染事件，在初期和运输过程中会造成二次污染。本发明旨在提供一种热强化气相抽提污染土壤修复装置，解决上述问题。

本发明所采用的具体技术方案如下：

热强化气相抽提污染土壤修复装置，其包括若干个箱式的气相抽提装置，每个气相抽提装置的内腔中安装有用于促进空气对流的风扇以及若干层筛网，筛网上方用于放置待修复的土壤堆体；气相抽提装置的外壳由内到外依次为发热电阻层、耐热层、保温层和防水层；气相抽提装置的顶部设有可开合式的顶盖，其侧壁外壳上开设有一个出气口，出气口上覆盖有滤网；每个气相抽提装置的出气口均连接抽提支管，各抽提支管通过转换接头并联至抽提主管，抽提主管依次将气体送入冷凝器、气液分离器、除尘装置、活性炭吸附装置后，最终将尾气从气体排放口排出；转换接头和冷凝器之间的抽提主管上安有总阀门，抽提主管由真空泵提供负压抽吸动力，除尘装置和真空泵之间的抽提主管上连接压力表；气液分离器的底部液体通过管路连接至废液处理装置。

作为优选，所述的出气口由橡胶阀门可开闭式封堵。

作为优选，所述的除尘装置中设有多层滤尘网，用于过滤流经气体中的粉尘。

作为优选，所述的发热电阻层中按照U形盘有加热电阻，加热电阻连接至温控电路中，用于控制气相抽提装置内部的加热温度。

作为优选，所述的筛网由下部的筛网支架和上部的细格网复合组合，筛网支架用于支撑上部重量，而细格网用于防止土壤颗粒掉落同时为其上方的土壤提供通风环境。

作为优选，所述的气相抽提装置的底座上设有与叉车相配合的结构，以便于叉车搬运。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述土壤修复装置的强化气相抽提污染土壤修复方法，其步骤如下：

步骤1：将待修复的污染土壤进行预处理后备用；

步骤2：关闭气相抽提装置的出气口，打开顶盖，将最下层筛网安装于装置内腔中；将预处理后的污染土壤在筛网上打堆，然后逐级安装其他筛网并在每一层筛网上堆好土壤堆体，堆体高度为0.3-0.4m，然后关闭顶盖；针对其他气相抽提装置重复上述步骤，直至本处理批次所有的污染土壤悉数转移至气相抽提装置1中；

步骤3：使用叉车将气相抽提装置1转移至修复场地，并进行组织堆放；

步骤4：堆放完毕后，打开气相抽提装置的出气口，将出气口连接抽提支管，再通过转换接头将抽提支管并联至抽提主管，打开总阀门，启动风扇和发热电阻层中的加热电阻，对污染土壤进行加热；

步骤5：当污染土壤被加热至预定温度使，启动真空泵，将加热过程中产生的气体输送至冷凝器进行降温，然后再输送至气液分离器进行气液分离，液体从底部流出进入废液处理装置，而气体从顶部逸出进入除尘装置；气体经过除尘后，进入活性炭吸附装置使气体中含有的污染物被活性炭去除，最终通过气体排放口排出尾气。

作为优选，在污染土壤处理的运行周期内，定期对土壤堆体和尾气进行抽样检测。

进一步的，尾气通过采集出气口的气体进行检测，分析其VOCs含量，确定活性炭的吸附效果。

进一步的，土壤堆体的检测方法如下：随机抽取若干个气相抽提装置，移除其抽提支管，关闭橡胶阀门后，待其冷却，采集土壤样本并检测，分析其VOCs含量确定修复效果以及是否到达修复目标。

本发明提供了一种对挥发性有机污染土壤的修复效果良好，空间利用率高，操作简易上手，且可循环使用的热强化气相抽提装置和方法，解决了传统修复方法中存在的不足，尤其可以高效应对突发性土壤污染事件，如油罐车的泄漏、输油管道的破裂，具有很好的机动性。

附图说明

下面结合参考附图对本发明进一步说明。

图1为本发明中气相抽提装置的示意图；

图2为本发明中气相抽提装置的左视剖面结构示意图；

图3为本发明中热强化气相抽提修复污染土壤的方法示意图；

图4为本发明中加热电阻排列的示意图；

图5为本发明中气相抽提装置筛网的示意图；

图中：气相抽提装置1、出气口2、总阀门3、冷凝器4、气液分离器5、除尘装置6、压力表7、真空泵8、活性炭吸附装置9、气体排放口10、抽提主管11、废液处理装置12、加热电阻13、插销14、搭扣15、底座16、发热电阻层17、耐热层18、保温层19、防水层20、风机21、土壤堆体22、支架23、筛网24、筛网支架25、细格网26、滤网27、橡胶阀门28、抽提支管29、转换接头30。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

在本发明中，待处理的污染土壤堆体特指主要含挥发性和半挥发性有机污染物的污染土壤，污染物包括烷类、芳烃类、酯类、醛类等，常见的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷等。

根据污染土壤的具体情况，需要对其进行预处理，但具体预处理工序可按照实际需要进行设定。由突发性事件(如油罐车的泄漏、输油管道的破裂等)引起的土壤污染，则直接使用气相抽提装置进行处理，避免污染物进入大气和水体；其余污染土壤可以预先对土壤堆体进行破碎和干化后再行处理。

在本实施例中，对气相抽提装置的箱体方位表述为“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”。具体地，可以参照图1的图面方向。其中，风扇位于左面(未示出)，出气口、橡胶阀门28和温控电路位于右面，加热电阻位于上面、下面、前面和后面(位于壳体内部)。

下面详细介绍本实施例中热强化气相抽提污染土壤修复装置的实现方式。

热强化气相抽提污染土壤修复装置包括若干个如图1所示的气相抽提装置1。气相抽提装置1设成箱式结构，其底部的底座16上设有与叉车相配合的条状结构，以便于叉车搬运。气相抽提装置1的具体内部结构如图2所示，气相抽提装置1的外壳由内到外依次为发热电阻层17、耐热层18、保温层19和防水层20。如图4所示，发热电阻层17中按照U形盘有加热电阻13，加热电阻13均匀地铺设在上、下、前、后四个面的发热电阻层17中，对土壤进行全方位的加热。耐热层18和保温层19的设置能够防止热量散失到外部环境，有利于节约成本。加热电阻13连接至温控电路中，用于控制气相抽提装置1内部的加热温度，使整个气相抽提装置1维持一定的温度，如温度过高，加热电阻13不工作；如温度过低，加热电阻13恢复工作。防水层20对气相抽提装置1起到防雨的作用。

每个气相抽提装置1的内腔中安装有用于促进空气对流的风扇21，风扇21持续鼓风，使整个气相抽提装置1能够均匀受热。内腔中还安装有3层筛网24，筛网24底部通过条状的滑槽型支架23进行支撑，筛网24可取下进行清洗。筛网24由下部的筛网支架25和上部的细格网26复合组合，筛网支架25如图5的左图所示，具有较粗的骨架，用于支撑上部土壤的重量，而细格网26如图5的右图所示，密布有较细的网格，用于防止土壤颗粒掉落同时为其上方的土壤提供良好的通风环境。待修复的土壤堆体22堆放于筛网24上。气相抽提装置1的顶盖是可开启的，顶盖一端通过插销14与本体进行固定，而另一端则通过搭扣15进行活动式开闭。气相抽提装置1的外壳侧壁上开设有一个出气口2，出气口2上覆盖有滤网27，内部的气体排出出气口2之前均需要经过滤网27过滤，防止带出大块土壤颗粒。出气口2在需要时可以由橡胶阀门28进行封堵，橡胶阀门28通过挂索吊在出气口2附近。

每个气相抽提装置1都是一个单独的处理单元，可以根据待处理的土壤量选择气相抽提装置1的数量，然后进行有组织的堆放，同时进行处理。每个气相抽提装置1的出气口均密闭连接一条抽提支管29，各抽提支管29通过转换接头30并联至抽提主管11，抽提主管11依次将气体送入冷凝器4、气液分离器5、除尘装置6、活性炭吸附装置9后，最终将尾气从气体排放口10排出。转换接头30和冷凝器4之间的抽提主管11上安有总阀门3，抽提主管11由真空泵8提供负压抽吸动力，除尘装置6和真空泵8之间的抽提主管11上连接压力表7。气液分离器5的底部液体通过管路连接至废液处理装置12。

本实施例的上述装置中，各单元的材质和选型如下：

气相抽提装置1主体结构为不锈钢材质，规格为1.5m×1.5m×1.5m。筛网支架25为不锈钢材质。细格网26为机械性能好、耐高温、尺寸稳定性较好的工程塑料，如聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯等。滤网27为不锈钢材质，孔径100目，可防止小土块进入管道。筛网支架25为不锈钢材质。插销14、搭扣15均可以采用铁镀镍、201钢、304钢材质。耐热层18为稀有金属的氮化物和碳化物，如氮化硼、氮化硅、碳化硼和碳化硅等。保温层19为低导热系数材料，如玻璃棉、岩棉保温毡等。防水层20为足够厚度、高强度的PVC油布。总阀门3为PPR材质、双头活接铜球热熔管阀门。冷凝器4为传热系数高、占地面积小的立式壳管式冷凝器。气液分离器5为吸附式气液分离器。除尘装置6为多层滤尘网联用，滤尘网材质为机械加工玻璃钢、高分子复合材料等。压力表7为真空压力表。真空泵8为稳定性高、占地面积小的水环式真空泵。活性炭吸附装置9为碳钢材质，形式为两层抽屉式方便更换，且有一层除雾，内部有加强的优质活性炭颗粒的卧式活性炭吸附箱。

上述装置的使用方法如下：

如图1所示，闭合橡胶阀门28，打开搭扣15，将细格网26和筛网支架25组合好的筛网24放置在支架23上，人工将预处理后的土壤在筛网上打堆，堆体高度为0.3-0.4m。从下而上依次安装筛网24，并堆好土壤堆体22，共三层。将顶盖闭合，并锁上搭扣。重复上述步骤，直至所有的污染土壤悉数转移至不同的气相抽提装置1中。使用叉车将气相抽提装置1转移至修复场地，并根据实际需要进行有组织的堆放，本实施例中呈如图3的“3×4”组合堆放。

堆放完毕后，打开气相抽提装置1的橡胶阀门28，出气口2连接抽提支管29，通过转换接头30，将抽提支管并联至抽提主管11，转换接头30和冷凝器4之间的抽提主管11上安有总阀门3，暂时关闭总阀门3。抽提主管11连接冷凝器4，冷凝器4出气口的一端连接除尘装置6，冷凝器4出水口的一端连接废液处理装置12，除尘装置6连接真空泵8，除尘装置6和真空泵8之间的抽提主管11上连接压力表7，真空泵8连接活性炭吸附装置9，活性炭吸附装置9连接气体排放口10。

打开总阀门3，启动电源，冷凝器4、气液分离器5除尘装置6、真空泵8、活性炭吸附装置9、废液处理装置12顺序启动。同时，气相抽提装置1的风扇21、温控电路(包含加热电阻13开始工作。

如图3所示，随着加热电阻13的工作，气相抽提装置1逐渐升温至所需温度，风扇21的启动使整个装置的受热更加均匀。土壤堆体22中所含的污染物开始挥发，以气体的形态经过滤网27，大部分土块被拦截。各个气相抽提装置1的气体通过各自的抽提支管29，到达转换接头30，经过总阀门3汇至抽提总管11，到达冷凝器4。冷凝器4的主要作用为降低气体温度，有利于下一步的气液分离。经过冷凝器4的冷却，气体到达气液分离器5，气液分流。液体从底部流出，到达废液处理装置12；气体从顶部逸出，到达除尘装置6。除尘装置5由多层滤尘网组成，可有效阻滞细小尘埃，有效保护真空泵8和管道。经过除尘装置5，气体到达真空泵8，真空泵8的运行为整个系统提供气相抽提所需的负压环境，而压力表7的示数可反映实时状态。气相抽提装置1运行后，检查压力表7的工作状态，通过示数确定整个系统的负压状态，保证抽提效果。经过真空泵7后，气体到达活性炭吸附装置9，气体中含有的污染物被活性炭高效去除，最终通过气体排放口10排出。

运行周期结束后，经过简单的清洗和处理，气相抽提装置1可循环使用，有利于修复成本的节约。气相抽提装置1的整体设计有利于叉车的使用，方便装卸，符合长距离运输的需要。除尘装置6的滤尘网也需要定期清理，保证除尘效果。活性炭吸附装置9中，活性炭颗粒能够高效吸附污染物，根据其饱和吸附量，定期更换活性炭颗粒。使用完毕的活性炭颗粒作为危废处置。

气相抽提装置1上的出气口2可通过橡胶阀门28是否堵上控制开关，可对气相抽提装置1进行实时操作，尤其是以下2种情况：①某个气相抽提装置1发生突发情况，可移开抽提支管29，关闭橡胶阀门28，对气相抽提装置1进行及时高效的处理。②处理后期，需要对土壤堆体22的处理效果进行检测，可直接对气相抽提装置1抽样检查，方便快捷。

基于上述装置，本发明提供了一种强化气相抽提污染土壤修复方法，其步骤如下：

步骤1：将待修复的污染土壤进行预处理后备用；

步骤2：关闭气相抽提装置1的出气口，打开顶盖，将最下层筛网24安装于装置内腔中；将预处理后的污染土壤在筛网24上打堆，然后逐级安装其他筛网24并在每一层筛网24上堆好土壤堆体22，堆体高度为0.3-0.4m，然后关闭顶盖；针对其他气相抽提装置1重复上述步骤，直至本处理批次所有的污染土壤悉数转移至气相抽提装置1中；

步骤3：使用叉车将气相抽提装置1转移至修复场地，并进行组织堆放；

步骤4：堆放完毕后，打开气相抽提装置1的出气口2，将出气口2连接抽提支管29，再通过转换接头30将抽提支管并联至抽提主管11，打开总阀门3，启动风扇21和发热电阻层17中的加热电阻13，对污染土壤进行加热；

步骤5：当污染土壤被加热至预定温度时，启动真空泵8，将加热过程中产生的气体输送至冷凝器4进行降温，然后再输送至气液分离器5进行气液分离，液体从底部流出进入废液处理装置12，而气体从顶部逸出进入除尘装置6；气体经过除尘后，进入活性炭吸附装置9使气体中含有的污染物被活性炭去除，最终通过气体排放口10排出尾气。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种利用热强化气相抽提污染土壤修复装置的强化气相抽提污染土壤修复方法，其特征在于，所述热强化气相抽提污染土壤修复装置包括若干个箱式的气相抽提装置（1），每个气相抽提装置（1）的内腔中安装有用于促进空气对流的风扇（21）以及若干层筛网（24），筛网（24）上方用于放置待修复的土壤堆体（22）；气相抽提装置（1）的外壳由内到外依次为发热电阻层（17）、耐热层（18）、保温层（19）和防水层（20）；气相抽提装置（1）的顶部设有可开合式的顶盖，其侧壁外壳上开设有一个出气口，出气口上覆盖有滤网（27）；每个气相抽提装置（1）的出气口均连接抽提支管（29），各抽提支管（29）通过转换接头（30）并联至抽提主管（11），抽提主管（11）依次将气体送入冷凝器（4）、气液分离器（5）、除尘装置（6）、活性炭吸附装置（9）后，最终将尾气从气体排放口（10）排出；转换接头（30）和冷凝器（4）之间的抽提主管（11）上安有总阀门（3），抽提主管（11）由真空泵（8）提供负压抽吸动力，除尘装置（6）和真空泵（8）之间的抽提主管（11）上连接压力表（7）；气液分离器（5）的底部液体通过管路连接至废液处理装置（12）；

所述强化气相抽提污染土壤修复方法的步骤如下：

步骤1：将待修复的污染土壤进行预处理后备用；

步骤2：关闭气相抽提装置（1）的出气口，打开顶盖，将最下层筛网（24）安装于装置内腔中；将预处理后的污染土壤在筛网（24）上打堆，然后逐级安装其他筛网（24）并在每一层筛网（24）上堆好土壤堆体（22），堆体高度为0.3-0.4m，然后关闭顶盖；针对其他气相抽提装置（1）重复上述步骤，直至本处理批次所有的污染土壤悉数转移至气相抽提装置（1）中；

步骤3：使用叉车将气相抽提装置（1）转移至修复场地，并进行组织堆放；

步骤4：堆放完毕后，打开气相抽提装置（1）的出气口（2），将出气口（2）连接抽提支管（29），再通过转换接头（30）将抽提支管并联至抽提主管（11），打开总阀门（3），启动风扇（21）和发热电阻层（17）中的加热电阻（13），对污染土壤进行加热；

步骤5：当污染土壤被加热至预定温度时，启动真空泵（8），将加热过程中产生的气体输送至冷凝器（4）进行降温，然后再输送至气液分离器（5）进行气液分离，液体从底部流出进入废液处理装置（12），而气体从顶部逸出进入除尘装置（6）；气体经过除尘后，进入活性炭吸附装置（9）使气体中含有的污染物被活性炭去除，最终通过气体排放口（10）排出尾气。

2.如权利要求1所述的强化气相抽提污染土壤修复方法，其特征在于，所述的出气口由橡胶阀门（28）可开闭式封堵。

3.如权利要求1所述的强化气相抽提污染土壤修复方法，其特征在于，所述的除尘装置（6）中设有多层滤尘网，用于过滤流经气体中的粉尘。

4.如权利要求1所述的强化气相抽提污染土壤修复方法，其特征在于，所述的发热电阻层（17）中按照U形盘有加热电阻（13），加热电阻（13）连接至温控电路中，用于控制气相抽提装置（1）内部的加热温度。

5.如权利要求1所述的强化气相抽提污染土壤修复方法，其特征在于，所述的筛网（24）由下部的筛网支架（25）和上部的细格网（26）复合组合，筛网支架（25）用于支撑上部重量，而细格网（26）用于防止土壤颗粒掉落同时为其上方的土壤提供通风环境。

6.如权利要求1所述的强化气相抽提污染土壤修复方法，其特征在于，所述的气相抽提装置（1）的底座上设有与叉车相配合的结构，以便于叉车搬运。

7.如权利要求1所述的强化气相抽提污染土壤修复方法，其特征在于，在污染土壤处理的运行周期内，定期对土壤堆体（22）和尾气进行抽样检测。

8.如权利要求7所述的强化气相抽提污染土壤修复方法，其特征在于，尾气通过采集出气口的气体进行检测，分析其VOCs含量，确定活性炭的吸附效果。

9.如权利要求7所述的强化气相抽提污染土壤修复方法，其特征在于，土壤堆体的检测方法如下：随机抽取若干个气相抽提装置（1），移除其抽提支管（29），关闭橡胶阀门（28）后，待其冷却，采集土壤样本并检测，分析其VOCs含量确定修复效果以及是否到达修复目标。

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