CN108526208A - 一种原位修复污染土壤的系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原位修复污染土壤的系统及应用方法，原位修复污染土壤的系统包括冷冻机、注液泵、真空泵、汽水分离器、若干温度传感器和至少一个冻融淋洗单元，一个冻融淋洗单元的两个抽液排水板以冻结管为中心对称布设载冻结管外侧，两个注液排水板以冻结管为中心对称布设在抽液排水板外侧；本发明采用人工冻结和竖井淋洗相结合，原位修复粘质重金属污染土壤，无需挖掘污染土壤，原位修复，降低修复费用，解决了目前存在的原位竖井淋洗法，在低渗透性黏土中淋洗效率不高的问题，工艺简单，成本低，有利于推广应用。

Description

一种原位修复污染土壤的系统及应用方法

技术领域

本发明涉及污染土壤修复技术领域，具体涉及一种原位修复污染土壤的系统及应用方法。

背景技术

土壤淋洗技术可快速将重金属从土壤中去除，短时间内完成高浓度污染物土壤的治理，工艺简单、修复效率高，而且治理费用相对低廉，现已经成为污染土壤快速修复技术主要手段之一。

应用淋洗法进行污染土壤修复时，土壤质地对淋洗法使用有较大的限制，当质地粘重，渗透系数小，黏粒含量超过30%，就不适合淋洗技术的应用，主要原因是粘质土壤较大的颗粒比表面积对重金属的强烈吸附作用和土壤的低渗透性，影响淋洗剂与污染物充分接触反应，导致淋洗效果不佳。

为此Gaber等（1995）将软土地基处理中常用的塑料排水板引入到细粒土的修复系统中，提出改进型的井点泵吸技术，开发了竖井淋洗系统（参见说明书附图1）。通过有效缩短注液井和抽液井的间距，加速淋洗速率、提高修复效率，使得原只适砂土及粗颗粒土的淋洗技术扩展到渗透系数为10^-3～10^-8cm/s的粉土及几乎不渗透的粘性土。然而通过注液泵和真空泵的联合作用下，抽液过程中抽液井和注液井之间的土体容易形成渗流通道（短路现象），造成淋洗液不能够与吸附于土颗粒上的重金属充分接触，导致后期淋洗效率大大降低，影响了竖井淋洗技术的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种对低渗透性黏土淋洗效率高，工艺简单，成本低的原位修复污染土壤的系统及应用方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种原位修复污染土壤的系统，包括冷冻机、注液泵、真空泵、汽水分离器、若干个温度传感器和至少一个冻融淋洗单元，一个所述的冻融淋洗单元包括两个注液排水板、两个抽液排水板和一个冻结管，两个所述抽液排水板以冻结管为中心对称布设在冻结管外侧，两个所述的注液排水板以冻结管为中心对称布设在抽液排水板外侧，所述温度传感器等间距布设在冻结管和注液排水板之间；所述冷冻机通过管线连接至冻结管，所述注液泵通过管线连接至注液排水板的顶部，抽液排水板的顶部经过管线连接至汽水分离器，汽水分离器连接至真空泵。

进一步地，所述注液排水板的底端高于抽液排水板的底端0.2～0.5m，相邻的注液排水板和抽液排水板相距0.8～1.2m，两个温度传感器之间的距离为2～5cm。

进一步地，所述冻融淋洗单元为一个时，所述冷冻机通过管线连接至冻结管，所述冻结管包括内套管和外套管，内套管底部开口使内套管和外套管连通，内套管顶部和外套管的侧面上部分别连接至冷冻机，所述注液泵通过管线分流分别连接至两个注液排水板的顶部，两个抽液排水板的顶部经过管线汇流后连接至汽水分离器，汽水分离器连接至真空泵。

进一步地，所述冻融淋洗单元为两个或两个以上时，相邻两个冻融淋洗单元串联设置，相邻两个冻融淋洗单元串联处共用一个注液排水板，所述冷冻机通过管线分流连接至各冻结管的顶部，各冻结管的底部通过管线汇流后连接至冷冻机，所述注液泵通过管线分流分别连接至各注液排水板的顶部，各抽液排水板的顶部经过管线汇流后连接至汽水分离器，汽水分离器连接至真空泵。

进一步地，相邻的两个冻结管间距为2～3m。

基于上述所述的一种原位修复污染土壤的系统的应用方法，包括以下步骤：

（1）根据需要修复场地的土壤污染程度和土壤理化性质选择淋洗液种类及浓度配比，配制淋洗液备用，在修复场地按照上述所述的原位修复污染土壤的系统来布设管线和各部件；

（2）通过注液泵向注液排水板匀速注入淋洗液，同时打开冷冻机通过温度传感器观察土壤中0℃等温线的推移，确定冻结锋面的推进速率，然后通过冷冻机调节冻结管温度，使得冻结锋面的迁移速率为0.5～12cm/d；

（3）冻结锋面缓慢移动至超过抽液排水板5～10cm时，停止冷冻机，向冻结管内循环热水融解冻土；

（4）冻土完全融化后，打开真空泵调整真空负压，使得注液速率与抽液速率相同，通过抽液排水板将土壤中的淋出液抽取到地表收集于汽水分离器中，对汽水分离器的淋出液进行回收利用；

（5）对土壤进行重金属残余量分析，如果符合土壤环境质量标准，则停止抽吸，污染土壤处理结束；如果不符合土壤环境质量标准，则重复步骤（2）至步骤（4）直至所检测土壤符合土壤环境质量标准。

进一步地，所述的冻结锋面的迁移速率为1～5cm/d。

进一步地，步骤（2）所述注液泵向单个注液排水板匀速注入淋洗液的速度为0.1～1L/h。

本发明的有益效果为：

1. 本发明提供的一种原位修复污染土壤的系统及应用方法，采用人工冻结和竖井淋洗相结合，原位修复粘质重金属污染土壤，无需挖掘污染土壤，原位修复，降低修复费用，解决了目前存在的原位竖井淋洗法，在低渗透性黏土中淋洗效率不高的问题，工艺简单，成本低，有利于推广应用；

2. 本发明在竖井淋洗法中加入冻结管，利用人工冻结时未冻土侧水分向冻结锋面迁移和冻融导致土壤渗透性增大的特性，控制土体的温度梯度驱使水分迁移，使淋洗液能够与吸附在土壤颗粒的污染物充分接触，提高淋洗效果；冻融作用破坏土壤颗粒原有结构，使土壤颗粒重新排列，有助于淋洗液与土壤中重金属污染物充分接触，提高淋洗效率；反复冻融能够加大土壤渗透系数，有助于提高淋洗液在粘性土壤中抽吸效率，使得淋洗液更充分接触重金属离子，降低液土比，有利于大面积实施淋洗。

附图说明

图1是本发明背景技术中所述的竖井淋洗系统的结构示意图；

图2是本发明一种原位修复污染土壤的系统的结构示意图；

图3是本发明一种原位修复污染土壤的系统的实施例2的结构示意图；

图4是本发明一种原位修复污染土壤的系统的冻融淋洗单元的俯视结构示意图；

图5是本发明一种原位修复污染土壤的系统的实施例1的冻结管的结构示意图；

附图中标号为：2为注液排水板、3为抽液排水板、4为冻结管、5为真空泵、6为汽水分离器、7为冷冻机、8为注液泵、9为冻结锋面A、10为冻结锋面B、11为真空膜、12为注液井、13为抽液井。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

有充分水源补给的细粒土在冻结过程中，未冻土中的水分在“冻吸力”的作用下向冻结锋面迁移并冻结成冰，并形成冰层，导致冻土体积发生膨胀，即冻胀。而季节冻土地区，地基土冻胀引起的各种冻害是最突出的工程问题。

本发明在原位竖井淋洗的基础上结合人工冻结，在温度梯度作用下使淋洗液向冻结锋面迁移，并且能够与土中污染物充分接触，在无需挖掘土壤条件下，完成污染土壤的修复；本发明将注液排水板2、抽液排水板3和冻结管4插入污染土壤内，并形成抽液、注液、冻结管网，利用在一定的温度梯度和水分补给条件下，未冻土侧水分向冻结锋面集聚的现象，使淋洗液与吸附于黏土颗粒的污染物充分接触并与之相互作用，使吸附于土颗粒上的重金属形成溶解性的金属离子或络合物；然后利用冻融加大土体渗透性的现象，结合抽液排水板3，将抽取得到的淋出液经过地面净化处理回收重金属。

实施例1

如图2、图4、图5所示：一种原位修复污染土壤的系统，包括冷冻机7、注液泵8、真空泵5、汽水分离器6、若干个温度传感器和一个冻融淋洗单元，一个所述的冻融淋洗单元包括两个注液排水板2、两个抽液排水板3和一个冻结管4，两个所述抽液排水板3以冻结管4为中心对称布设在冻结管4外侧，两个所述的注液排水板2以冻结管4为中心对称布设在抽液排水板3外侧，所述温度传感器等间距布设在冻结管4和注液排水板2之间；所述冷冻机7通过管线连接至冻结管4，所述冻结管4包括内套管和外套管，内套管底部开口使内套管和外套管连通，内套管顶部和外套管的侧面上部分别连接至冷冻机7，所述注液泵8通过管线分流分别连接至两个注液排水板2的顶部，两个抽液排水板3的顶部经过管线汇流后连接至汽水分离器6，汽水分离器6连接至真空泵5；注液排水板2、抽液排水板3和冻结管4的中轴线垂直于水平面。

其中，所述注液排水板2的底端高于抽液排水板3的底端0.2～0.5m，相邻的注液排水板2和抽液排水板3相距0.8～1.2m，两个温度传感器之间的距离为2～5cm；注液排水板2和抽液排水板3为市面常见的宽100mm、厚4mm的分离式十字形塑料排水板，冻结管4为直径10～50cm的金属圆管，塑料排水板布置施工速度快，提高修复污染土壤的进程；图4中所示箭头方向表示水分迁移方向。

基于上述所述的一种原位修复污染土壤的系统的应用方法，包括以下步骤：

（1）根据需要修复场地的土壤污染程度和土壤理化性质选择淋洗液的种类及浓度配比，配置淋洗液备用，在修复场地按照上述所述的原位修复污染土壤的系统来布设管线和各部件；

（2）通过注液泵8向单个注液排水板2匀速注入淋洗液，单个注液排水管的注液速度为0.1～1L/h，同时打开冷冻机7通过温度传感器观察土壤中0℃等温线的推移，确定冻结锋面的推进速率，通过冻结锋面推移速率的控制，使得更多的淋洗液向以冻结管4为中心的冻土中迁移，使得冻结锋面A 9缓慢移动到冻结锋面B 10的位置，然后通过冷冻机7调节冻结管4温度，使得冻结锋面的迁移速率为1～5cm/d，如果冻结锋面推移速度过快，孔隙水发生原位冻结，周围水分来不及迁移，无法形成大量的冰晶体，造成淋洗效果低下；

（3）冻结锋面缓慢移动至超过抽液排水板3外5～10cm时，停止冷冻机7，向冻结管4内循环热水融解冻土，土体内形成双向融化锋面，融化锋面上的吸附力使得淋洗液聚集于抽液排水板3附近；

（4）冻土完全融化后，打开真空泵5调整真空负压，使得注液速率与抽液速率相同，通过抽液排水板3将土壤中的淋出液抽取到地表收集于汽水分离器6中，对汽水分离器6的淋出液进行回收利用；

（5）对土壤进行重金属残余量分析，如果符合土壤环境质量标准，则停止抽吸，污染土壤处理结束；如果不符合土壤环境质量标准，则重复步骤（2）至步骤（4）直至所检测土壤符合土壤环境质量标准。

实施例2

如图2至图4所示，一种原位修复污染土壤的系统，包括冷冻机7、注液泵8、真空泵5、汽水分离器6、若干个温度传感器和两个冻融淋洗单元，一个所述的冻融淋洗单元包括两个注液排水板2、两个抽液排水板3和一个冻结管4，两个所述抽液排水板3以冻结管4为中心对称布设在冻结管4外侧，两个所述的注液排水板2以冻结管4为中心对称布设在抽液排水板3外侧，所述温度传感器等间距布设在冻结管4和注液排水板2之间；两个冻融淋洗单元串联设置，两个冻融淋洗单元串联处共用一个注液排水板2，所述冷冻机7通过管线分流连接至两个冻结管4的顶部，两个冻结管4的底部通过管线汇流后连接至冷冻机7，所述注液泵8通过管线分流分别连接至三个注液排水板2的顶部，四个抽液排水板3的顶部经过管线汇流后连接至汽水分离器6，汽水分离器6连接至真空泵5；注液排水板2、抽液排水板3和冻结管4的中轴线垂直于水平面。

其中，两个冻结管4间距为2～3m；所述注液排水板2的底端高于抽液排水板3的底端0.2～0.5m，相邻的注液排水板2和抽液排水板3相距0.8～1.2m；温度传感器以每2～5cm的间距布置在两个冻结管4的径向方向；注液排水板2和抽液排水板3为市面常见的宽100mm、厚4mm的分离式十字形塑料排水板，冻结管4为直径10～50cm的金属圆管，塑料排水板布置施工速度快，提高修复污染土壤的进程；图4中所示箭头方向表示水分迁移方向。

基于上述所述的一种原位修复污染土壤的系统的应用方法，包括以下步骤：

（1）根据需要修复场地的土壤污染程度和土壤理化性质选择淋洗液的种类及浓度配比，配置淋洗液备用，在修复场地上述所述的原位修复污染土壤的系统来布设管线和各部件；

（2）通过注液泵8向单个注液排水板2匀速注入淋洗液，向单个注液排水板2的注液速度为0.1～1L/h，同时打开冷冻机7通过温度传感器观察土壤中0℃等温线的推移，确定冻结锋面的推进速率，通过冻结锋面推移速率的控制，使得更多的淋洗液向以冻结管4为中心的冻土中迁移，使得冻结锋面A 9缓慢移动到冻结锋面B 10的位置，然后通过冷冻机7调节冻结管4温度，使得冻结锋面的迁移速率为1～5cm/d，如果冻结锋面推移速度过快，孔隙水发生原位冻结，周围水分来不及迁移，无法形成大量的冰晶体，造成淋洗效果低下；

（3）冻结锋面缓慢移动至超过抽液排水板3外5～10cm时，停止冷冻机7，向冻结管4内循环热水融解冻土，土体内形成双向融化锋面，融化锋面上的吸附力使得淋洗液聚集于抽液排水板3附近；

（4）冻土完全融化后，打开真空泵5调整真空负压，使得注液速率与抽液速率相同，通过抽液排水板3将土壤中的淋出液抽取到地表收集于汽水分离器6中，对汽水分离器6的淋出液进行回收利用；

（5）对土壤进行重金属残余量分析，如果符合土壤环境质量标准，则停止抽吸，污染土壤处理结束；如果不符合土壤环境质量标准，则重复步骤（2）至步骤（4）直至所检测土壤符合土壤环境质量标准。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明实施范围，故凡依本发明专利范围所述技术方案所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (8)

1.一种原位修复污染土壤的系统，其特征在于，包括冷冻机、注液泵、真空泵、汽水分离器、若干个温度传感器和至少一个冻融淋洗单元，一个所述的冻融淋洗单元包括两个注液排水板、两个抽液排水板和一个冻结管，两个所述的抽液排水板以冻结管为中心对称布设在冻结管外侧，两个所述的注液排水板以冻结管为中心对称布设在抽液排水板外侧，所述温度传感器等间距布设在冻结管和注液排水板之间；所述冷冻机通过管线连接至冻结管，所述注液泵通过管线连接至注液排水板的顶部，抽液排水板的顶部经过管线连接至汽水分离器，汽水分离器连接至真空泵。

2.根据权利要求1所述的一种原位修复污染土壤的系统，其特征在于，所述注液排水板的底端高于抽液排水板的底端0.2～0.5m，相邻的注液排水板和抽液排水板相距0.8～1.2m，两个温度传感器之间的距离为2～5cm。

3.根据权利要求1所述的一种原位修复污染土壤的系统，其特征在于，所述冻融淋洗单元为一个时，所述冷冻机通过管线连接至冻结管，所述冻结管包括内套管和外套管，内套管底部开口使内套管和外套管连通，内套管顶部和外套管的侧面上部分别连接至冷冻机，所述注液泵通过管线分流分别连接至两个注液排水板的顶部，两个抽液排水板的顶部经过管线汇流后连接至汽水分离器，汽水分离器连接至真空泵。

4.根据权利要求1所述的一种原位修复污染土壤的系统，其特征在于，所述冻融淋洗单元为两个或两个以上时，相邻两个冻融淋洗单元串联设置，相邻两个冻融淋洗单元串联处共用一个注液排水板，所述冷冻机通过管线分流连接至各冻结管的顶部，各冻结管的底部通过管线汇流后连接至冷冻机，所述注液泵通过管线分流分别连接至各注液排水板的顶部，各抽液排水板的顶部经过管线汇流后连接至汽水分离器，汽水分离器连接至真空泵。

5.根据权利要求4所述的一种原位修复污染土壤的系统，其特征在于，相邻的两个冻结管间距为2～3m。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种原位修复污染土壤的系统的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据需要修复场地的土壤污染程度和土壤理化性质选择淋洗液种类及浓度配比，配置淋洗液备用，在修复场地按照权利要求1～5任一项所述的原位修复污染土壤的系统来布设管线和各部件；

（2）通过注液泵向注液排水板匀速注入淋洗液，同时打开冷冻机通过温度传感器观察土壤中0℃等温线的推移，确定冻结锋面的推进速率，然后通过冷冻机调节冻结管温度，使得冻结锋面的迁移速率为0.5～12cm/d；

（3）冻结锋面缓慢移动至超过抽液排水板5～10cm时，停止冷冻机，向冻结管内循环热水融解冻土；

（4）冻土完全融化后，打开真空泵调整真空负压，使得注液速率与抽液速率相同，通过抽液排水板将土壤中的淋出液抽取到地表收集于汽水分离器中，对汽水分离器的淋出液进行回收利用；

（5）对土壤进行重金属残余量分析，如果符合土壤环境质量标准，则停止抽吸，污染土壤处理结束；如果不符合土壤环境质量标准，则重复步骤（2）至步骤（4）直至所检测土壤符合土壤环境质量标准。

7.根据权利要求6所述的一种原位修复污染土壤的系统的应用方法，其特征在于，所述的冻结锋面的迁移速率为1～5cm/d。

8.根据权利要求6所述的一种原位修复污染土壤的系统的应用方法，其特征在于，步骤（2）所述注液泵向单个注液排水板匀速注入淋洗液的速度为0.1～1L/h。