CN107952789A - 原位热脱附系统、原位热脱附-氧化修复系统及修复方法 - Google Patents

Abstract

一种原位热脱附系统、原位热脱附‑氧化修复系统及修复方法，该原位热脱附系统包括加热装置和抽提装置，所述加热装置将受热的空气输送至污染土壤使有机污染物脱附，所述抽提装置对脱附的有机污染物进行抽吸，该原位热脱附‑氧化修复系统在原位热脱附系统的基础上增加热催化氧化装置，所述抽提装置抽提的有机污染物在所述热催化氧化装置中被催化降解，更进一步增加了尾气资源化再处理装置。本发明还提供了原位热脱附‑氧化修复方法。本发明的加热方式新颖，降低了热脱附的成本；强化了场地受热面积，提高了加热效率，进而强化了热催化氧化效率；并进一步利用尾气资源化再处理装置，实现尾气能量资源化再利用，无二次废气产生。

Description

原位热脱附系统、原位热脱附-氧化修复系统及修复方法

技术领域

本发明属于有机物污染土壤和地下水修复技术领域，具体涉及一种原位热脱附系统、原位热脱附-氧化修复系统及修复方法。

背景技术

近年来，随着我国城市化和产业转移的加快，经济发达地区的企业不断向外迁移或倒闭，其中有许多化工厂、制药厂、造纸厂以及电镀厂等高排污型企业，遗留了大量复杂的有机污染场地，这些场地基本用作居住用地、公共设施建设用地和绿化用地等，这对于人类健康、环境安全和社会稳定都存在很大的危害。

目前，污染场地土壤中的有机污染物主要是石油烃、农药、多环芳烃等，主要的修复技术有物理修复法、化学修复法、生物修复法以及联合修复法，其中物理修复法中，热脱附技术是处理工业企业场地有机污染的常用修复方法。热脱附技术是直接对污染土壤进行加热，将土壤中的挥发和半挥发性污染物加热至沸点以上，提高污染物的饱和蒸汽压，使其从土壤表面或者土壤空隙中挥发出来，再对进入气相后的气态污染物进行处理的技术。该技术对挥发性有机污染物处理效果较好，且对土壤破坏小，操作设备简单且易操作，但是由于处理时需将土壤整体加热至污染物沸点以上，能耗较高，而且需要对挥发出来的有机物进行进一步处理。而在化学修复法中，化学氧化修复技术凭借其修复周期短、使用范围广等优点，也受到研究者的关注，化学氧化修复技术主要是通过添加氧化能力较强的氧化剂，使土壤或地下水中的污染物转化为无毒或相对毒性较小的物质。常见的氧化剂包括高锰酸盐、过氧化氢、芬顿试剂、过硫酸盐和臭氧。

由于污染场地地质条件的复杂性、挥发性有机污染物的特殊性和土壤中污染物分布不均性等问题，单一的修复技术往往不能达到预期的修复目标，联合修复技术的需求显得尤为迫切。原位热脱附技术和化学氧化技术的结合，可以使地下水中吸附性强、水溶性差的有机污染物加速挥发或分离出来，而且可改善土壤特性，提高土壤的渗透性以及污染物的传质速度。但是，原位热脱附技术能耗较高且热利用率较低，而且化学氧化技术会有其他副产物的产生，如含氯有机物的处理过程中会产生二噁英。因此，如何降低热脱附能耗、实现节能减排、减少氧化副产物的产生是当前热脱附-氧化修复技术亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种原位热脱附系统、原位热脱附-氧化修复系统及修复方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一方面，提供一种原位热脱附系统，包括加热装置和抽提装置，其中：

所述加热装置包括布置于污染区域的若干加热斜井和依次连接的空气供气件、空气加热器和若干加热管道，所述空气供气件提供的空气经所述空气加热器加热后进入所述加热管道，所述加热管道设置于所述加热斜井内，用于输送受热空气并使受热空气通过所述加热斜井进入污染土壤，进而使污染土壤内的有机污染物热脱附；

所述抽提装置包括布置于污染区域的若干抽提井、若干抽提管道和第一抽吸件，通过所述第一抽吸件提供的动力将污染土壤内热脱附后的有机污染物经所述抽提井抽吸入所述抽提管道内。

优选地，所述原位热脱附系统中，加热斜井多于2口，且每2口所述加热斜井与1口所述抽提井形成“个”字型的分布；

优选地，以2口所述加热斜井和2口所述抽提井间隔设置构成一个基本修复单元、或者以2口所述加热斜井和3口所述抽提井间隔设置构成一个基本修复单元。

优选地，所述加热斜井的长度L1为其中，h为抽提井深度，θ为加热斜井的水平倾斜角，优选为30°～60°，L2为污染深度；所述抽提井的深度h小于或等于污染深度L2，抽提井间距为 其中K为加热斜井井口之间的距离，优选为0～3m，所述修复单元之间的距离为2m～6m。

优选地，所述加热装置还包括与空气加热器连接的太阳能光伏组件，用于向空气加热器供电。

优选地，所述加热斜井外部装填导热性较好的填料，所述导热性较好的填料选自α-氧化铝、沸石和砂砾中的一种或多种；

所述加热管道为盘管，管道上布设若干开孔，优选选自以下开孔规律的一种进行布设：(1)管道上部开孔布设稀疏，下部布设密集；(2)加热管道均匀布设开孔；(3)仅仅在管道下部开孔；

所述抽提井为耐热材质，且井壁布设若干开孔；

所述抽提管道上布设若干开孔。

优选地，所述加热斜井和抽提井布设处的地表设置有保温材料。

作为本发明的再一方面，提供一种原位热脱附-氧化修复系统，包括如上所述的原位热脱附系统和热催化氧化装置，所述热催化氧化装置包括氧气供气件、第一温度控制器和热催化氧化反应室，所述氧气供气件提供的氧气经所述第一温度控制器加热、控温后进入所述热催化氧化反应室；

所述原位热脱附系统的抽提管道连接到所述热催化氧化反应室，以使抽吸的有机污染物进入所述热催化氧化反应室被催化降解。

优选地，所述热催化氧化反应室布设于抽提井上部，距地表-1.5m～-0.5m，长为1m～3m；宽为1m～2m；高为0.5m～2m，所述热催化氧化反应室外部设置保温结构。

优选地，所述热催化氧化反应室位于所述第一抽吸件出口处，并设置有带气液分离剂的布气板。

优选地，所述热催化氧化反应室内填装有催化剂，所述催化剂选自负载或未负载的贵金属催化剂，其中负载贵金属催化剂的载体选自陶瓷蜂窝煤或γ-Al₂O₃；

优选地，所述催化剂为可拆卸地模块化催化剂。

优选地，所述原位热脱附-氧化修复系统还包括尾气资源化再处理装置，所述尾气资源化再处理装置包括尾气在线监测设备、第二温度控制器、控制阀和第二抽吸件，所述尾气在线监测设备连接到所述热催化氧化反应室的出口；

通过所述第二抽吸件自所述热催化氧化反应室抽吸的尾气经尾气实时在线监测设备监测有机污染物的浓度，根据有机污染物的浓度达标与否，由所述控制阀控制尾气排空或进入所述加热管道内，所述第二温度控制器用于在尾气进入加热管道前对尾气进行加热以及温度控制。

作为本发明的又一方面，提供一种使用如上所述的原位热脱附-氧化修复系统的修复方法，包括以下步骤：

第一步：根据污染场地污染物特性和场地水文地质具体情况，建设和连接所述加热装置、抽提装置和热催化氧化装置；

第二步：开启空气加热器，将已经受热的空气注入建设于污染场地的斜井中，对有机污染物进行加热脱附；

第三步：开启所述抽提装置和所述热催化氧化装置，将经加热脱附的有机污染物抽吸进入所述热催化氧化装置进行催化降解。

优选地，在第三步后还包括尾气资源化再处理的以下步骤：

第四步：使用尾气在线监测设备对经催化降解后的尾气中有机污染物的浓度进行检测；

第五步：若是检测不达标，将经加热后的尾气重新注入加热斜井，再利用尾气热量热脱附和催化氧化处理污染物；若是检测达标，则直接排放；

第六步：根据尾气实时在线监测数据的变化，判断污染场地有机污染物的修复完成与否。

优选地，所述空气加热器的加热温度为100℃～300℃；通过所述第一温度控制器控制氧气温度为100℃～300℃；所述热催化氧化反应室内的温度为100℃～300℃；通过所述第二温度控制器控制尾气温度为100℃～300℃。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)本发明加热方式具有新颖性，以太阳能光热转化理念，设计加热空气，不仅有效地以热对流的热传递方式对污染的土壤和地下水进行加热，而且大大降低了热脱附的成本；

(2)本发明加热斜井和抽提井修复单元的设计具有新颖性，加热斜井具有受热面积大，加热效率高，大大加速污染土壤和地下水中有机污染物的热脱附，强化了抽提井的抽提效率，进而强化了热催化氧化效率；

(3)本发明采用了尾气热量再利用的理念，利用尾气资源化再处理装置，减少了热量的浪费，实现了能量资源化再利用，无二次废气产生，显著降低了热脱附成本；同时设计的热催化氧化技术具有操作温度低、催化氧化效率高、无二次污染物、设备体积小和可操作性强等优点。

附图说明

图1为本发明一实施例的有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统构造示意图；

图2为本发明一实施例的有机污染场地的原位热脱附-氧化系统布井图和外部管线连接示意图。

其中：1-保温材料，2-土壤，3-地下水，4-氧气罐，5-第三抽吸件，6-第一温度控制器，7-三通阀，8-加热斜井，9-加热管道，10-空气供气件，11-太阳能光伏组件，12-空气加热器，13-催化氧化反应室，14-尾气在线监测设备，15-催化剂，16-布气板，17-抽提井，18-抽提管道，19-第一抽吸件，20-第二抽吸件，91-外部加热管线；181-外部抽提管线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明针对有机污染场地污染物的特殊性质、场地内污染物分布不均、修复能耗高等问题，提出了一种有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统及修复方法，借助太阳能光伏组件和空气加热器对鼓入的空气进行加热，注入污染场地建设的加热斜井，经抽提系统的抽提管道收集后进入热催化氧化装置，经热催化氧化降解后，受热尾气再次注入加热斜井，实现受热尾气资源化再用于加热有机污染场地，周而复始，可实现有机污染场地的修复目标。

请参阅图1、2，图1为本发明一实施例的有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统构造示意图；图2为本发明一实施例的有机污染场地的原位热脱附-氧化系统布井图和外部管线连接示意图。

如图所示，本发明的有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统，包括：加热装置、抽提装置、热催化氧化装置和尾气资源化再处理装置。

加热装置由空气供气件10、太阳能光伏组件11和空气加热器12、保温材料1、加热斜井8和加热管道9等构成。所述太阳能光伏组件为空气加热器提供电能，可将自空气供气件10鼓入的空气进行加热，受热的空气经外部加热管线91、加热管道9进入污染场地的加热斜井8，通过热对流的热传递方式实现有机污染物的热脱附，所述加热温度可以达到100℃～300℃，所述污染场地布置的加热斜井8及抽提井17地表上可选择安装保温材料1，减少修复区域大气与场地土壤和地下水的气体交换，降低能量散失。其中，空气供气件10可为鼓风机、空压机等常用空气供气件。

加热斜井8可直接建设于污染场地，具有一定的倾斜角度，可增大周边土壤2和地下水3的受热面积，提高加热效率。所述斜井其外部装填导热性较好的填料，以便于受热的空气进入受污染的土壤和地下水，水平倾斜角度θ可根据污染场地污染物的性质及其分布程度，选择为30°～60°，所述导热性较好的材料可选择α-氧化铝、沸石、砂砾等。

加热管道9位于加热斜井8内，可选择不锈钢材质，管道布设一定密度的开孔，开孔的排布规律可根据具体的场地特点，可优先选择(1)管道上部开孔布设稀疏，下部布设密集；(2)加热管道均匀布设开孔；(3)仅仅在管道下部开孔。

抽提装置主要包含抽提井17、抽提管道18和第一抽吸件19，所述的抽提井选择耐热材质，井壁布有一定密度的开孔，根据污染物的分布特点，可灵活设计开孔规律，第一抽吸件19可为如真空泵、抽风机等。

抽提管道18设置于抽提井17内部，管道布设一定密度的开孔，根据污染物的分布特点，可灵活设计开孔规律，以便于热脱附的有机气体进入所述抽提装置；第一抽吸件19，可设置于抽提井内或抽提井外部。

加热斜井8和抽提井17，按照“个”字型形状布设，构成一个基本的修复单元，如图1中所示，可选择一个修复单元由2口加热斜井8和2口抽提井17构成，若设置加热斜井的水平倾斜角为θ，污染场地污染深度为L2，抽提井深度为h(h≤L2)，那么加热斜井L1长度为抽提井之间的间距为其中K为加热斜井井口之间距离，优选为0～3m；所述修复单元之间的距离为2m～6m。

热催化氧化装置包括氧气供气件、第一温度控制器6和热催化氧化反应室13，气相有机污染物经抽提装置抽吸进入外部抽提管线181、经抽提装置的装有气液分离剂(例如干燥剂)的布气板16后，实现了气相有机污染物气液分离，进入热催化氧化反应室，布气板16设置于热催化氧化装置的气相有机污染物入口处，在一定温度下，气相有机污染物与受热氧气在催化剂的作用下催化氧化。所述受热氧气是指氧气经过第一温度控制器6加热到设定的温度，选择设定的温度为100℃～300℃，所述氧气供气件在本实施例中包括氧气罐4和第三抽吸件5以提供氧气。

热催化氧化反应室13建设于抽提井17的上部，位于第一抽吸件19出口处，优选建设于形成“个”字形的抽提井的上部，可节省外部加热管线的长度，进而减少热量的浪费，距离地表-1.5m～-0.5m，反应室可选择长×宽×高＝(1m～3m)×(1m～2m)×(0.5m～2m)的立方体，反应室外部具有独特的保温结构，内部设置了温度传感器，随时监测反应室的温度变化，反应室的温度设置为100℃～300℃，保证气相有机污染物与受热氧气发生催化氧化反应，实现催化降解有机气体的目的。

催化剂15填装于热催化氧化反应室13内部，可选择含贵金属催化剂，主要包括Pt、Pd等，同时催化剂以细颗粒形式负载于载体上，常见载体如陶瓷蜂窝煤和γ-Al₂O₃等，所述催化剂可选择模块化设计，拆卸简单，方便更换。

尾气资源化再利用装置由尾气在线监测设备14、第二温度控制器、三通阀7和第二抽吸件20构成。气相有机污染物经热催化氧化之后，经第二抽吸件20抽吸，使尾气通过反应室上面出口进入实时在线监测装置；若是检测不达标，控制三通阀使尾气通过第二温度控制器再加热到一定的温度后，重新注入加热斜井，周而复始，直至场地有机污染物处理达标；所述第二温度控制器可将尾气加热到一定温度，可设计为100℃～300℃；若是检测达标，控制三通阀使尾气直接排放。

本发明还提供了一种有机污染场地原位热脱附-氧化修复方法，其具体步骤如下：

第一步：根据污染场地污染物特性和场地水文地质具体情况，选择将加热斜井和抽提井建设于污染场地，加热斜井布设的倾斜角度为30°～60°，热催化氧化反应室填装模块化的贵金属催化剂，将系统内各装置按照顺序相连接。

第二步：开启太阳能光伏组件、空气供气件和空气加热器，将已经受热的空气注入建设于污染场地的斜井中，对有机污染物进行加热脱附；之后开启抽提装置和热催化氧化装置，实时查看尾气在线监测设备，根据检测标准灵活选择运行条件。

第三步：若是检测不达标，尾气经第二温度控制器后，达到设定温度，再重新注入加热斜井，再一次经过抽提装置和热催化氧化装置，实时查看尾气在线监测设备；若是检测达标，则直接排放。

第四步：实时根据各部分温度的变化，灵活调整温度控制器，以稳定系统的运行效率。

第五步：根据尾气实时在线监测数据的变化，判断污染场地有机污染物的修复完成与否。

以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

某VOC污染场地，污染物主要是石油烃和多环芳烃。通过前期场地调查，明确污染土壤范围，污染场地的面积为1500m2，污染深度为10.5m，其中土壤污染深度为8.0m，污染地下水深度为2.5m，根据污染场地污染物的浓度分布，选择建设与垂直方向为60°的加热斜井，加热斜井的外部填料选择导热性较好的沸石和砂砾，加热斜井建设的长度为21.0m，内部设置的加热管道设置为60.0m弹簧形状的不锈钢开孔材料，开孔密度设置为下部为上部的5倍，抽提井的建设为6.2m，热催化氧化反应室选择的催化剂为负载于陶瓷蜂窝煤含0.5％Pd的贵金属催化剂，太阳能光伏组件通过空气加热器将空气加热至200℃，按照本发明提供的装置和方法，完成其设计建造。根据污染场地的特点，共建设30口抽提井，20口加热斜井，设置3口抽提井和2口加热斜井构成一个基本修复单元，抽提井之间的间距为18m，每个修复单元之间的距离5.0m。连接本发明装置各部分，启动修复装置。经5d反应后，监测发现，地下水中污染物石油烃和多环芳烃的去除效率为99.5％和92.3％，土壤中污染物石油烃和多环芳烃的去除效率为95.2％和91.5％。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位热脱附系统，包括加热装置和抽提装置，其特征在于，

所述加热装置包括布置于污染区域的若干加热斜井、空气供气件、空气加热器和若干加热管道，其中，所述空气供气件提供的空气经所述空气加热器加热后进入所述加热管道，所述加热管道设置于所述加热斜井内，用于输送受热空气并使受热空气通过所述加热斜井进入污染土壤，进而使污染土壤内的有机污染物热脱附；

所述抽提装置包括布置于污染区域的若干抽提井、若干抽提管道和第一抽吸件，通过所述第一抽吸件提供的动力将污染土壤内热脱附后的有机污染物经所述抽提井抽吸入所述抽提管道内。

2.根据权利要求1所述的原位热脱附系统，其特征在于，所述原位热脱附系统中，加热斜井多于2口，且每2口所述加热斜井与1口所述抽提井形成“个”字型的分布；

优选地，以2口所述加热斜井和2口所述抽提井间隔设置构成一个基本修复单元、或者以2口所述加热斜井和3口所述抽提井间隔设置构成一个基本修复单元。

3.根据权利要求2所述的原位热脱附系统，其特征在于，所述加热斜井的长度L1为其中，h为抽提井深度，θ为加热斜井的水平倾斜角，优选为30°～60°，L2为污染深度；所述抽提井的深度h小于或等于污染深度L2，抽提井间距为其中K为加热斜井井口之间的距离，优选为0～3m，所述修复单元之间的距离为2m～6m。

4.根据权利要求1所述的原位热脱附系统，其特征在于，所述加热装置还包括与空气加热器连接的太阳能光伏组件，用于向空气加热器供电；

所述加热斜井外部装填导热填料，所述导热填料选自α-氧化铝、沸石和砂砾中的一种或多种；

所述加热管道为盘管，管道上布设若干开孔，优选选自以下开孔规律的一种进行布设：(1)管道上部开孔布设稀疏，下部布设密集；(2)加热管道均匀布设开孔；(3)仅仅在管道下部开孔；

所述抽提井为耐热材质，且井壁布设若干开孔；

所述抽提管道上布设若干开孔；

优选地，所述加热斜井和抽提井布设处的地表设置有保温材料。

5.一种原位热脱附-氧化修复系统，包括如权利要求1至4任意一项所述的原位热脱附系统和热催化氧化装置，其特征在于，

所述热催化氧化装置包括氧气供气件、第一温度控制器和热催化氧化反应室，所述氧气供气件提供的氧气经所述第一温度控制器加热、控温后进入所述热催化氧化反应室；

所述原位热脱附系统的抽提管道连接到所述热催化氧化反应室，以使抽吸的有机污染物进入所述热催化氧化反应室被催化降解。

6.根据权利要求5所述的原位热脱附-氧化修复系统，其特征在于，所述热催化氧化反应室布设于抽提井上部，距地表-1.5m～-0.5m，长为1m～3m；宽为1m～2m；高为0.5m～2m，所述热催化氧化反应室外部设置保温结构；

优选地，所述热催化氧化反应室位于所述第一抽吸件出口处，并设置有带气液分离剂的布气板；

优选地，所述热催化氧化反应室内填装有催化剂，所述催化剂选自负载或未负载的贵金属催化剂，其中负载贵金属催化剂的载体选自陶瓷蜂窝煤或尤其优选地，所述催化剂为可拆卸地模块化催化剂。

7.根据权利要求5所述的原位热脱附-氧化修复系统，其特征在于，

所述原位热脱附-氧化修复系统还包括尾气资源化再处理装置，所述尾气资源化再处理装置包括尾气在线监测设备、第二温度控制器、控制阀和第二抽吸件，所述尾气在线监测设备连接到所述热催化氧化反应室的出口；

通过所述第二抽吸件自所述热催化氧化反应室抽吸的尾气经尾气在线监测设备检测有机污染物的浓度，根据有机污染物的浓度达标与否，由所述控制阀控制尾气排空或进入所述加热管道内，所述第二温度控制器用于在尾气进入加热管道前对尾气进行加热以及温度控制。

8.一种使用如权利要求5至7任意一项所述的原位热脱附-氧化修复系统的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据污染场地污染物特性和场地水文地质具体情况，建设和连接所述加热装置、抽提装置和热催化氧化装置；

第二步：开启空气加热器，将已经受热的空气注入建设于污染场地的斜井中，对有机污染物进行加热脱附；

第三步：开启所述抽提装置和所述热催化氧化装置，将经加热脱附的有机污染物抽吸进入所述热催化氧化装置进行催化降解。

9.根据权利要求8所述的原位热脱附-氧化修复系统的修复方法，其特征在于，在第三步后还包括尾气资源化再处理的以下步骤：

第四步：使用尾气在线监测设备对经催化降解后的尾气中有机污染物的浓度进行检测；

第五步：若是检测不达标，将经加热后的尾气重新注入加热斜井，再利用尾气热量热脱附和催化氧化处理污染物；若是检测达标，则直接排放；

第六步：根据尾气实时在线监测数据的变化，判断污染场地有机污染物的修复完成与否。

10.根据权利要求8所述的修复方法，其特征在于，所述空气加热器的加热温度为100℃～300℃；通过所述第一温度控制器控制氧气温度为100℃～300℃；所述热催化氧化反应室内的温度为100℃～300℃；通过所述第二温度控制器控制进入所述加热管道前的尾气温度为100℃～300℃。