CN108339842A - 一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土壤修复技术领域，公开了一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，包括：气体发生装置，产生水蒸汽与热空气的混合气体；抽注竖井装置，与所述气体发生装置相连，获取所述混合气体并注入到土壤竖井中，并自所述土壤竖井中汇集气相污染物的混合物；尾气处理装置，与所述抽注竖井装置相连，通过所述抽注竖井装置集中收集气相污染物的混合物。本发明提供一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，能够充分提升修复的效率。

Description

一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统及 方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，特别涉及一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统及方法。

背景技术

经过多年粗狂的经济发展，现阶段我国土壤污染问题极为严重，其中有机污染物主要来源于石油开发、运输及储存过程中的泄漏、化工产品加工与使用中的不合理排放、填埋场垃圾渗沥液渗漏等，包含烃、卤代烃、含氧燃料、农药与含复杂混合污染物的渗沥液等多种成分，进入土壤后不易清除，对土壤、地下水环境及人体健康产生极大的威胁；而其中加油站储油罐泄露已成为威胁土壤与地下水安全的最大污染源。

土壤气相抽提是修复挥发、半挥发性有机污染土应用最为广泛的土壤修复技术。土壤气相抽提技术具有现场操作容易、高效低廉、处理量大浓度高等优点；但不适用于透气性差的地层环境，且存在拖尾期，污染物开始去除比较快，一段时间后效率极低。

发明内容

本发明提供一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统及方法，解决现有技术中土壤气相抽提修复方法效率低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，包括：

气体发生装置，产生水蒸汽与热空气的混合气体；

抽注竖井装置，与所述气体发生装置相连，获取所述混合气体并注入到土壤竖井中，并自所述土壤竖井中汇集气相污染物的混合物；

尾气处理装置，与所述抽注竖井装置相连，通过所述抽注竖井装置集中收集气相污染物的混合物。

进一步地，所述气体发生装置包括：热风发生器以及水蒸汽发生器；

所述热风发生器以及所述水蒸汽发生器分别与所述抽注竖井装置的输入端相连。

进一步地，所述气体发生装置还包括：空气压缩机；

所述空气压缩机的输入端分别与所述热风发生器和所述水蒸汽发生器相连；

所述空气压缩机的输出端分别与所述抽注竖井装置的输入端相连。

进一步地，所述抽注竖井装置包括：注气井以及抽提井；

所述注气井与所述热风发生器以及所述水蒸汽发生器的输出端相连，用于向土壤中注入水蒸汽与热空气的混合气体；

所述抽提井与所述尾气处理装置的输入端相连，用于收集土壤中的气相污染物的混合物。

进一步地，所述抽提井对应匹配多个注气井；

所述多个注气井设置在所述抽提井四周。

进一步地，所述尾气处理装置包括：气液分离器、真空泵以及活性炭吸附箱；

所述气液分离器的输入端与所述抽提井相连；

所述真空泵的输入端与所述气液分离器的输出端相连；

所述活性炭吸附箱与所述真空泵的输出端相连。

进一步地，所述尾气处理装置还包括：污染物检测器；

所述污染物检测器与所述活性炭吸附箱的输出端相连。

进一步地，所述土壤气相抽提系统还包括：脱附风机、活性炭脱附箱以及催化燃烧器；

所述脱附风机与所述活性炭脱附箱相连，所述活性炭脱附箱与所述催化燃烧器相连；

所述催化燃烧器分别与所述热风发生器以及所述水蒸汽发生器相连。

进一步地，所述水蒸汽与热空气的混合气体的温度范围为60～70℃。

一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提的修复方法，基于所述的土壤气相抽提系统，并执行以下步骤：

基于土壤的水文地质条件以及污染物分布、微生物生长状况，将土壤气相抽提系统安装在待处理场地；

将水蒸汽与热空气联合注入注气井，同时通过抽提井向外抽提；

当系统运行达到拖尾阶段，向注气井中通入空气，并减小抽提井的抽提速率，利用土壤中土著微生物好氧降解作用去除剩余污染物；

其中，抽提过程中，在抽提井处定时进行气体取样分析，监测气相污染物浓度变化，以便调整土壤气相抽提系统的修复控制参数。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统及方法，针对挥发、半挥发性有机污染土，采用水蒸汽/热蒸汽联合注入与生物通风好氧降解方式进行分阶段原位修复，加快土壤修复进程，有效克服拖尾效应，符合绿色环保的时代需求，污染物去除率可提高到99％以上。进一步，通过活性炭脱附，减少废弃物的产生，同时利用催化燃烧再处理尾气的同时，还能产热给热空气发生器和水蒸汽发生器供能，实现能源的循环利用，避免不必要的原料浪费，大大降低后期废弃物处置成本；另一方面，充分运用有机污染物的燃烧特性，将从活性炭中脱附出来的有机物进行催化燃烧处理，并最大程度利用其燃烧热能分层次解吸活性炭吸附污染物、产生水蒸汽/热空气促进土壤污染物挥发，既对有机污染物进行了妥善的处置，又极大地减少修复过程中的能源供应，节能环保。

附图说明

图1为本发明提供的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统及方法，解决现有技术中土壤气相抽提修复方法效率低的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1，一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，包括：

气体发生装置，产生水蒸汽与热空气的混合气体；

抽注竖井装置，与所述气体发生装置相连，获取所述混合气体并注入到土壤竖井中，并自所述土壤竖井中汇集气相污染物的混合物；

尾气处理装置，与所述抽注竖井装置相连，通过所述抽注竖井装置集中收集气相污染物的混合物。

通过抽注竖井装置设置在待修复土壤中，作为土壤气相抽提的媒介；通过气体发生装置生成水蒸汽以及热空气的混合气体，并通过抽注竖井装置注入到土壤中；尾气处理装置将通过抽注竖井装置将土壤中的气相污染物的混合物收集处理。

具体来说，所述气体发生装置包括：热风发生器9以及水蒸汽发生器10。

所述热风发生器9以及所述水蒸汽发生器10分别与所述抽注竖井装置的输入端相连；分别生成水蒸汽和热空气并混合输出给所述抽注竖井装置。

值得说明的是，水蒸汽的携热能力远大于热空气，但在前缘低温处易遇冷凝结，并在重力作用下向下迁移，不利于污染物的去除；而热空气与水蒸汽的联合注入能够使混合气体与周围环境的温度梯度减小，提升流动性，便于裹挟着气相污染物的混合气体在土壤层中的流动，降低水蒸汽的凝结量与向下迁移量，从而避免包裹着污染物的水滴二次进入土壤，提升剥离难度。

一般而言，热空气和水蒸汽按照一定比例形成混合气体注入到土壤中其混合比受热空气及水蒸汽温度、土壤比热、污染物挥发性、土壤中污染物初始浓度及分布等多种因素影响，当传热锋面速率大于污染物挥发锋面速率时，将大为改善气相污染物的冷凝聚集现象。因此，根据具体的场地条件与加热需求，选择适当的水蒸汽和热空气的比例。

所述气体发生装置还包括：空气压缩机12；所述空气压缩机12的输入端分别与所述热风发生器9和所述水蒸汽发生器10相连；所述空气压缩机12的输出端分别与所述抽注竖井装置的输入端相连。

一般而言，通过多通道气阀11分别连接所述热风发生器9、所述水蒸汽发生器10以及空气压缩机12相连。

将热空气和水蒸汽进行压缩处理而后注入到所述抽注竖井装置，提升流转效率。

进一步地，所述抽注竖井装置包括：注气井1以及抽提井2；所述注气井1与所述热风发生器9以及所述水蒸汽发生器10的输出端相连，用于向土壤中注入水蒸汽与热空气的混合气体。

所述抽提井2与所述尾气处理装置的输入端相连，用于收集土壤中的气相污染物的混合物；收集处理混合物。

一般来说，所述注气井1输入端设置第一控制阀13，所述抽提井2的输出端设置第二控制阀14，用于气体流转的过程控制。

所述抽提井2对应匹配多个注气井1；所述多个注气井1设置在所述抽提井2四周。根据实际的土壤污染情况，调控设置密度。

进一步地，所述尾气处理装置包括：气液分离器3、真空泵4以及活性炭吸附箱5；所述气液分离器3的输入端与所述抽提井2相连；所述真空泵4的输入端与所述气液分离器3的输出端相连；所述活性炭吸附箱5与所述真空泵3的输出端相连。

依次将气相污染物的混合物进行气液分离，少量液相污染物随冷凝水进入液体收集器17存储，统一分离；气相污染物通过真空泵抽吸到活性炭吸附箱5进行吸附处理，剩余无害气体排放到大气中。

进一步地，为了安全排放以及尾气处理控制，所述尾气处理装置还包括：污染物检测器6；所述污染物检测器6与所述活性炭吸附箱5的输出端相连。通过实时监测污染物的排放浓度，从而保证污染物处理的可靠性。

所述土壤气相抽提系统还包括：脱附风机7、活性炭脱附箱16以及催化燃烧器8；所述脱附风机7与所述活性炭脱附箱16相连，所述活性炭脱附箱16与所述催化燃烧器8相连；所述催化燃烧器8分别与所述热风发生器9以及所述水蒸汽发生器10相连。

即通过所述脱附风机7与所述活性炭脱附箱16，对吸附饱和的活性炭吸附箱5进行解吸附处理。具体来说，将吸附饱和的活性炭吸附箱5置于活性炭脱附箱16中，而后通过脱附风机7进行脱附操作。

同时，所述催化燃烧器8还设置输出管路将热空气输出给脱附风机7辅助活性炭吸附箱的脱附操作。

一般来说，所述水蒸汽与热空气的混合气体的温度范围为60～70℃。

为了实时了解土体的状态，设置有监测井18，并设置在其内土壤温度检测仪器、压强检测仪表以及氧浓度检测仪表，用于实时监测土体温度、压强与生物降解阶段氧气浓度，为土壤气象抽提系统的工作提供参考，提升修复的效率。

通常，监测井的数量根据污染状况确定，污染程度深、重点修复的区域布设密度相对较高。

一般来说，为了实现整个土壤气相抽提系统的工作效率，可设置检测系统，主要包括：设置在热风发生器9上的第一温度监测装置和第一流量检测装置，用于实时监测水蒸汽的温度和注入量；设置在所述水蒸汽发生器10上的第二温度监测装置和第二流量检测装置，用于实时监测热空气的温度和注入量；设置在注气井1上的第三温度监测装置和第一气压监测装置，用于实时监测混合气体的注入温度和进气压；设置在抽提井2上的第二流量检测装置和污染物浓度监测装置，用于实时监测抽出流量和定期取样检测抽出气体中污染物浓度；设置在监测井的土壤温度检测仪器、压强检测仪表以及氧浓度检测仪表，用于实时监测土体温度、压强与生物降解阶段氧气浓度，用于实时监测监测土体温度、压强与生物降解阶段氧气浓度。

并设置监控服务器分别与上述装置仪表相连，实时获取相应的监测数据，为调整修复过程中的操作参数提供及时准确的依据。

本实施例还基于上述系统提供一种土壤修复方法。

一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提的修复方法，基于所述的土壤气相抽提系统，并执行以下步骤：

基于土壤的水文地质条件以及污染物分布、微生物生长状况，将土壤气相抽提系统安装在待处理场地；

将水蒸汽与热空气联合注入注气井，同时通过抽提井向外抽提；

当系统运行达到拖尾阶段，向注气井中通入空气，并减小抽提井的抽提速率，利用土壤中土著微生物好氧降解作用去除剩余污染物；

其中，抽提过程中，在抽提井处定时进行气体取样分析，监测气相污染物浓度变化，以便调整土壤气相抽提系统的修复控制参数。

下面将通过具体的实施方案说明。

第一步，查明场地15的水文地质条件以及污染物分布、微生物生长状况，准备土壤修复施工器械与材料，设计抽注竖井布置及注气参量、抽提速率等操作参数；

第二步，根据设计安装抽注竖井组合系统，并连接地面污染物抽提系统、气体注入系统与尾气回收利用系统；

第三步，按照设计参量运行系统，控制水蒸汽方生气10和热空气发生器9的输出，将水蒸汽与热空气以一定比例联合注入注气井1，加快土壤中污染物挥发去除；

第四步，待运行一段时间后，污染物去除效率明显下降，达到拖尾阶段，此时注入新鲜空气，同时减小抽提速率，利用土壤中土著微生物好氧降解作用去除剩余污染物。

其中，水蒸汽和热空气注入比由场地土壤与污染物性质确定，且混合气体温度不宜过高，以60～70℃为宜，在加热的同时尽量维持微生物活性。

为达到微生物活性最佳状态，可根据微生物生长状况，在进行生物降解阶段之前设置注液管道通入适量水蒸汽和营养盐溶液，促进微生物的生长繁殖。

活性炭吸附箱5吸附饱和后转移到活性炭脱附箱16进行活性炭的再生处理，当催化燃烧器8产热不足以使污染物脱附时，可从外部引入高热气体；各阀门处定时进行气体取样分析，监测气相污染物浓度变化，以便跟进调整修复参量与进度。

针对污染场地进行分阶段修复：前期充分利用抽提污染物的燃烧热量加热产生水蒸汽与热空气，联合注入土壤以提高温度加快污染物去除，活性炭再生利用，节能省材；后期注入携氧空气，借助土著微生物降解作用除去残余污染物，绿色环保。本发明将水蒸汽/热空气与生物通风强化修复技术结合，利用污染物的燃烧热能，降低能耗，循环利用活性炭，提高修复效率，减少修复成本。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统及方法，针对挥发、半挥发性有机污染土，采用水蒸汽/热蒸汽联合注入与生物通风好氧降解方式进行分阶段原位修复，加快土壤修复进程，有效克服拖尾效应，符合绿色环保的时代需求，污染物去除率可提高到99％以上。进一步，通过活性炭脱附，减少废弃物的产生，同时利用催化燃烧在处理尾气的同时，还能产热给热空气发生器和水蒸汽发生器供能，实现能源的循环利用，避免不必要的原料浪费，大大降低后期废弃物处置成本；另一方面，充分运用有机污染物的燃烧特性，将从活性炭中脱附出来的有机物进行催化燃烧处理，并最大程度利用其燃烧热能分层次解吸活性炭吸附污染物、产生水蒸汽/热空气促进土壤污染物挥发，既对有机污染物进行了妥善的处置，又极大地减少修复过程中的能源供应，节能环保。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，其特征在于，包括：

气体发生装置，产生水蒸汽与热空气的混合气体；

抽注竖井装置，与所述气体发生装置相连，获取所述混合气体并注入到土壤竖井中，并自所述土壤竖井中汇集气相污染物的混合物；

尾气处理装置，与所述抽注竖井装置相连，通过所述抽注竖井装置集中收集气相污染物的混合物。

2.如权利要求1所述的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，其特征在于，所述气体发生装置包括：热风发生器以及水蒸汽发生器；

所述热风发生器以及所述水蒸汽发生器分别与所述抽注竖井装置的输入端相连。

3.如权利要求2所述的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，其特征在于，所述气体发生装置还包括：空气压缩机；

所述空气压缩机的输入端分别与所述热风发生器和所述水蒸汽发生器相连；

所述空气压缩机的输出端分别与所述抽注竖井装置的输入端相连。

4.如权利要求2所述的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，其特征在于，所述抽注竖井装置包括：注气井以及抽提井；

所述注气井与所述热风发生器以及所述水蒸汽发生器的输出端相连，用于向土壤中注入水蒸汽与热空气的混合气体；

所述抽提井与所述尾气处理装置的输入端相连，用于收集土壤中的气相污染物的混合物。

5.如权利要求4所述的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，其特征在于：所述抽提井对应匹配多个注气井；

所述多个注气井设置在所述抽提井四周。

6.如权利要求4所述的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，其特征在于，所述尾气处理装置包括：气液分离器、真空泵以及活性炭吸附箱；

所述气液分离器的输入端与所述抽提井相连；

所述真空泵的输入端与所述气液分离器的输出端相连；

所述活性炭吸附箱与所述真空泵的输出端相连。

7.如权利要求6所述的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，其特征在于，所述尾气处理装置还包括：污染物检测器；

所述污染物检测器与所述活性炭吸附箱的输出端相连。

8.如权利要求6所述的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，其特征在于，所述土壤气相抽提系统还包括：脱附风机、活性炭脱附箱以及催化燃烧器；

所述脱附风机与所述活性炭脱附箱相连，所述活性炭脱附箱与所述催化燃烧器相连；

所述催化燃烧器分别与所述热风发生器以及所述水蒸汽发生器相连。

9.如权利要求8所述的基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提系统，其特征在于，所述水蒸汽与热空气的混合气体的温度范围为60～70℃。

10.一种基于水蒸汽与热空气联合注入的土壤气相抽提的修复方法，其特征在于，基于如权利要求1～9任一项所述的土壤气相抽提系统，并执行以下步骤：

基于场地水文地质条件以及污染物分布、微生物生长状况，将土壤气相抽提系统安装在待处理场地；

将水蒸汽与热空气联合注入注气井，同时通过抽提井向外抽提；

当系统运行达到拖尾阶段，向注气井中通入空气，并减小抽提井的抽提速率，利用土壤中土著微生物好氧降解作用去除剩余污染物；

其中，抽提过程中，在抽提井处定时进行气体取样分析，监测气相污染物浓度变化，以便调整土壤气相抽提系统的修复控制参数。