CN109290346A - 有机污染土壤净化方法及有机污染土壤净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了有机污染土壤净化方法及有机污染土壤净化装置。上述的有机污染土壤净化方法，包括如下步骤：将土壤置于红外辐射环境中，辐射红外线穿透到土壤中，加热土壤以吹脱土壤吸附的有机物，产生高温的VOC气体；将高温的VOC气体转入填充有颗粒状或蜂窝状的第一催化剂的反应器，VOC气体通过自带的热量，在第一催化剂的作用下发生氧化反应，除去部分VOC气体；反应器未反应的VOC气体进入催化吸收塔，催化吸收塔的底部装有吸收液，吸收液内混有第二催化剂，在第二催化剂的作用下，VOC气体生成水溶性较好的有机酸类物质并溶解于吸收液中。本发明所述有机污染土壤净化方法，修复效果好、修复效率高、投资和运行费用较低。

Description

有机污染土壤净化方法及有机污染土壤净化装置

技术领域

本发明涉及土壤污染处理技术领域，具体涉及有机污染土壤净化方法及有机污染土壤净化装置。

背景技术

受污染土壤在重新利用之前，需要先对受污染土壤进行预处理，其目的是去除受污染土壤包含的各种污染物，以免在日后造成污染，甚至损害人体健康。

目前对受有机污染土壤处理的方法一般包括表层开挖、化学品淋洗和投加稳定剂等环节，以清除受污染土壤表面的污染物，但这些方法均存在以下缺陷：1、对受污染土壤修复或开挖过程的挥发污染气体未进行收集处理，即使有收集处理但多用燃烧工艺以致投资、运行费用甚高。2、淋洗水大多没处理，或处理效率低，易造成二次污染。3、受污染土壤修复过程往往是间歇进行，极少连续处理，因此修复速度较慢。4、也有采用催化燃烧净化挥发气体，但须预热导致能耗过高。5、污染物分解速度较慢，修复效果不佳。6、投加的稳定剂并不能完全消除污染，日后污染物还会缓慢释放。

土壤气相抽提技术(SVE)以其高效性在生产实践中作为一项重要的土壤修复技术得到广泛运用，以其有效性和广泛性被美国环保局(EPA)列为“革命性技术”，又分原位SVE和异位SVE。原位SVE的优点是设备操作简单、不需开挖、不破坏土壤结构、兼顾了地下水处理、操作人员不接触污染物。但是气相抽提技术同时也存在以下缺点：随土壤中污染物的浓度不同，处理时间也不同，处理结果受土壤类型及土壤层影响较大，处理时间较长。

相比之下，异位SVE技术能最大限度克服原位SVE的缺点，其基本原理是先将污染土壤进行简单的筛分，去除卵石以及粗颗粒组分，然后将筛分后的土壤放置到带有防渗漏和简单滤液收集的地上密封系统内，并在土壤堆的内部建立通风系统，通过提供合适的密封负压真空环境和合适的温湿度环境，抽气装置将污染物从土壤中分离出来，并通过尾气处理系统进行尾气净化。最终实现去除土壤中大部分挥发性有机污染物的目的，将污染物浓度降低到土壤修复目标值以下，产生的尾气净化之后，实现达标排放，渗滤水经收集处理后，实现达标排放。异位SVE技术适用于含有机挥发物质的土壤的处理，土壤类型为砂质等通透性良好的条件下修复效果更好。异位SVE技术具有如下优点：能有效地去除土壤中的挥发性有机污染物，处理周期一般在1-3个月，周期较短，运行成本较同类技术低，后续的尾气处理简单，尾气处理系统可避免二次污染，对环境和人体健康的影响小。

但不管原位SVE还是异位SVE技术，当土壤细颗粒物质含量高，含水率高时，修复效果相当有限，并且修复时间会变长，修复费用随之增加。此外当土壤有机物质含量高，SVE技术的去除效率也会降低。并且SVE技术处理黏土类土壤时，黏土的强吸附会影响有机物的释放，因此对黏土类土壤的处理效果较差。此外，SVE处理产生的有机废气需要采用生物法等方法进行进一步处理，使得设备占地面积较大，处理效果也不稳定。

发明内容

基于此，本发明有必要提供一种修复效果好、修复效率高、无需进一步处理、投资和运行费用较低的有机污染土壤净化方法。

本发明还有必要提供一种有机污染土壤净化装置。

为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

一种有机污染土壤净化方法，其包括如下步骤：

将土壤置于红外辐射环境中，辐射红外线穿透到土壤中，加热土壤以吹脱土壤吸附的有机物，产生高温的VOC气体；

将高温的所述VOC气体转入填充有颗粒状或蜂窝状的第一催化剂的反应器，所述VOC气体通过自带的热量，在所述第一催化剂的作用下发生氧化反应，除去部分VOC气体；

所述反应器未反应的所述VOC气体进入催化吸收塔，所述催化吸收塔的底部装有吸收液，所述吸收液内混有第二催化剂，在所述第二催化剂的作用下，所述VOC气体生成水溶性较好的有机酸类物质并溶解于所述催化吸收塔的吸收液中。

上述的有机污染土壤净化方法，采用红外辐射、低温催化燃烧以及催化吸收技术结合在一起，能够快速地修复各种有机污染土壤，且不受土壤含水率的影响，无论是黏土还是普通的土壤，都可以采用上述方法快速地进行修复，使用范围较广，组合修复能够有效避免污染反弹，不用进一步地进行处理，大幅降低投资、运行费用和后期维护费用；充分利用燃气预热，无需辅助加热和预热，吹脱气体和催化燃烧释放的热量可提高后续吸收液温度，加快催化分解有机物速度，也不会产生二噁英等二次污染物。

其中一些实施例中，所述土壤开挖后送入所述红外辐射环境中，开挖时挥发的VOC气体送入所述红外辐射环境的加热源。

其中一些实施例中，所述反应器内的所述VOC气体的温度为150℃-250℃。

其中一些实施例中，所述土壤在所述红外辐射环境中的吹脱时间为1min-60min；所述VOC气体在所述反应器内的停留时间为0.5s-3s。

其中一些实施例中，在所述反应器内加入氧化剂或还原剂；和/或，在所述催化吸收塔内加入氧化剂、还原剂或高效吸收剂。

其中一些实施例中，所述催化吸收塔内安装有吸附填料，所述吸附填料为陶瓷填料、石墨烯海绵、金属有机骨架或吸附树脂中的一种或几种。

其中一些实施例中，所述土壤置于红外辐射环境中之前，还具有如下步骤：将土壤破碎成1mm-10mm的颗粒。

其中一些实施例中，所述第一催化剂为负载金属或金属氧化物的活性炭、沸石、陶瓷或碳化硅，所述第二催化剂为Mn、Co、Fe、Zn、Cu、Mo、Mg或Al中的一种或多种金属的氧化物。

本发明还提供一种有机污染土壤净化装置，其包括：

燃气红外加热器，所述燃气红外加热器包括加热腔体、穿设所述加热腔体的运输带及为所述运输带上的土壤提供红外辐射的红外加热炉；

气体抽吸部件，所述气体抽吸部件的入口连通所述加热腔体的顶部；

反应器，所述反应器内填充有颗粒状或蜂窝状的第一催化剂，所述反应器具有气体入口与气体出口，所述反应器的气体入口连通所述气体抽吸部件的出口；

催化吸收塔，所述催化吸收塔由下至上依次包括进气段、填料段及喷淋段，所述反应器的气体出口连通所述催化吸收塔的进气段，所述催化吸收塔的进气段用于盛装吸收液，所述吸收液混有第二催化剂，所述催化吸收塔的填料段安装有吸附填料，所述催化吸收塔的喷淋段设有喷淋管。

其中一些实施例中，所述有机污染土壤净化装置还包括一土壤开挖部件，所述土壤开挖部件的上方设置一集气罩，所述集气罩连通一鼓风部件，所述鼓风部件连通所述红外加热炉，用于将土壤开挖点挥发的VOC气体吹入所述红外加热炉。

其中一些实施例中，所述反应器连通氧化剂容器或还原剂容器；和/或，所述催化吸收塔连通氧化剂容器或还原剂容器或高效吸收剂容器。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例所述的有机污染土壤净化装置的结构示意图；

图2是本发明另一较佳实施例所述的有机污染土壤净化装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合附图对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例一

本发明实施例提供一种有机污染土壤净化方法，包括如下步骤：

将土壤置于红外辐射环境中，辐射红外线穿透到土壤中，加热土壤以吹脱土壤吸附的有机物，产生高温的VOC气体；

将高温的VOC气体转入安装有颗粒状或蜂窝状的第一催化剂的反应器，所述VOC气体通过自带的热量，在第一催化剂的表面发生氧化反应，除去部分VOC气体；

反应器未反应的VOC气体进入催化吸收塔，催化吸收塔内安装有吸附填料，催化吸收塔的底部装有吸收液，吸收液内混有第二催化剂，在第二催化剂的作用下，VOC气体生成水溶性较好的有机酸类物质并溶解于催化吸收塔的吸收液中。

在土壤置于红外辐射环境之前，还包括将土壤破碎成1mm-10mm的颗粒的步骤，这样红外辐射能够更加透彻地穿入土壤中。通过挖掘机对土壤进行开挖，再通过输送设备将开挖的土壤输送至破碎机内进行破碎。如不经破碎工序，直接通过输送设备将开挖的土壤输送至红外辐射环境中。

红外辐射环境采用多孔陶瓷板作为燃烧炉头，喷入燃气(如LNG等)燃烧产生红外辐射对土壤进行加热、烘干、保温，燃烧器燃烧时发出的辐射红外线具有较强的穿透力，并能激发水分子发生共振，可将热量均匀的渗透到土壤的核心深处，保证加热效果均匀，提高加热质量和烘干效率。由于红外线燃烧器在燃烧时与空气完全预混，确保燃烧完全，从而降低污染物的排放。

在土壤开挖点可以设置鼓风部件，收集开挖点挥发的VOC气体，使之喷入红外辐射环境的燃烧器和燃气一起燃烧，既减少挥发分污染空气，又可提供部分碳源从而减少燃气用量。具体是在开挖点的上方设置一集气罩，集气罩连通鼓风部件。设置集气罩可以防止开挖时部分VOC气体挥发到空气中。

土壤在红外辐射环境中的吹脱时间为1min-60min，即土壤经过红外辐射环境的时间为1min-60min，根据受污染的土壤的种类进行选择，或者根据土壤受污染物的程度进行选择。

VOC气体在含有第一催化剂的反应器内发生低温催化燃烧，生成振动激发态产物。催化燃烧是燃料在催化剂表面进行的完全氧化反应，在催化燃烧反应过程中，反应物在催化剂表面形成低能量的表面自由基，生成振动激发态产物，并以红外辐射方式释放出能量。在反应完全进行的同时，通过催化剂的选择性来有效地抑制生成有毒有害物质的副反应发生，基本上不产生或很少产生NOx、CO和HC等污染物。传统催化燃烧需外加热源和预热到300℃左右、本方案充分利用前端红外辐射环境产生的高温，在150℃-250℃相对低温使挥发出来的有机物在第一催化剂表面迅速分解，过程无需外加热源也无需预热。对于卤代烃和多环芳烃等复杂有机物，控制温度少于200℃防止二噁英等有害物质生成。反应器内的VOC气体的温度为150℃-250℃。在红外辐射环境中的VOC气体的温度在200℃-300℃，进入反应器后温度为150℃-250℃。

VOC气体在反应器内的停留时间为0.5s-3s。第一催化剂为负载金属或金属氧化物的活性炭、沸石、陶瓷或碳化硅。

在反应器内还可以加入氧化剂或还原剂，加快VOC气体在反应器内的催化氧化或催化还原速度。氧化剂例如为臭氧气体、双氧水等强氧化剂，还原剂为亚硫酸钠、硫代硫酸钠、硫酸亚铁等。还原剂可以预先根据污染物种类加入反应器内，臭氧气体可以与VOC气体同时加入反应器内。

催化吸收塔是利用液体吸收液与VOC废气的相似相溶性原理而达到处理VOC废气的目的，通过设置吸附材料、催化剂，还可以配以氧化剂(或还原剂)，使得疏水性VOC被催化氧化(或催化还原)为水溶性较好的有机酸类物质，利用吸收避免废气污染环境。吸收液温度升高时，将加快催化速率。催化吸收塔配有循环泵、水管和喷头等喷淋设施。还充分利用了吹脱的VOC气体和催化燃烧释放的热量提高催化吸收塔的吸收液温度，加快了催化分解有机物速度。

吸附填料优选为陶瓷填料、石墨烯海绵、金属有机骨架或吸附树脂中的一种或几种。第二催化剂为Mn、Co、Fe、Zn、Cu、Mo、Mg或Al中的一种或多种金属的氧化物，上述的催化剂参与反应，可提高反应速度和效率。加入催化吸收塔内的第二催化剂还可以促进加入的氧化剂臭氧的分解，避免二次污染。

在催化吸收塔的喷淋管内可以加入氧化剂、还原剂或高效吸收剂，氧化剂、还原剂或高效吸收剂与水一并喷入催化吸收塔内，起到加快氧化或还原的效果。氧化剂例如为臭氧气体、双氧水等强氧化剂，还原剂为亚硫酸钠、硫代硫酸钠、硫酸亚铁等。

上述的有机污染土壤净化方法，采用红外辐射、低温催化燃烧以及催化吸收技术结合在一起，能够快速地修复各种有机污染土壤，且不受土壤含水率的影响，无论是黏土还是普通的土壤，都可以采用上述方法快速地进行修复，使用范围较广，全程不加或少加吸收剂，不用调pH值，不会导致修复的土壤盐分增加或带进新物质，这样的组合修复能够有效避免污染反弹，不用进一步地进行处理，大幅降低投资、运行费用和后期维护费用；充分利用燃气预热，无需辅助加热和预热，吹脱气体和催化燃烧释放的热量可提高后续吸收液温度，加快催化分解有机物速度，也不会产生二噁英等二次污染物；上述设备可连续作业，生产效率高，操作简便。

请参照图1，本发明实施例还保护一种有机污染土壤净化装置100，其包括破碎机10、燃气红外加热器20、气体抽吸部件30、反应器40及催化吸收塔50，破碎机10靠近于燃气红外加热器20的入口端设置；燃气红外加热器20包括加热腔体22、穿设加热腔体22的用于运送土壤的运输带21及为运输带21上的土壤提供红外辐射的红外加热炉23；气体抽吸部件30的入口连通加热腔体22的顶部，反应器40内填充有颗粒状或蜂窝状的第一催化剂41，反应器40具有气体入口42与气体出口43，反应器40的气体入口42连通气体抽吸部件30的出口，这样气体抽吸部件30抽出的VOC气体进入反应器40内进行反应；催化吸收塔50由下至上依次分为进气段51、填料段52及喷淋段53，反应器40的气体出口43连通催化吸收塔50的进气段51，催化吸收塔50的进气段51用于盛装吸收液，吸收液混有第二催化剂，催化吸收塔50的填料段52安装有吸附填料，催化吸收塔50的喷淋段53设有喷淋管，用于喷淋水或其他液体。开挖的土壤经破碎机10破碎后再进入燃气红外加热器20，燃气红外加热器20发出的辐射红外线穿透到土壤中，加热土壤以吹脱土壤吸附的有机物，产生200℃-300℃高温的VOC气体，得到的土壤降温后可以直接填埋，或者也可以进行进一步处理；高温的VOC气体进入反应器内，温度降为150℃-250℃，VOC气体通过自带的热量，在第一催化剂41的表面形成低能量的表面自由基，生成振动激发态产物，即VOC气体在第一催化剂41的作用下被氧化，除去部分VOC气体；反应器40未反应的余量的VOC气体由催化吸收塔50的进气段51进入催化吸收塔，第二催化剂，在第二催化剂的作用下，VOC气体生成水溶性较好的有机酸类物质，然后被吸收液吸收，避免废气污染环境。

其中的破碎机10破碎后的土壤的颗粒为1mm-10mm。

燃气红外加热器20采用多孔陶瓷板作为燃烧炉头，喷入燃气(如LNG等)燃烧产生红外辐射对土壤进行加热、烘干、保温。本实施例中，红外加热炉23安装于运输带21的下方，透过运输带21加热运输带21上的土壤。其他的实施例中，红外加热炉23可以安装于加热腔体22的内侧壁上。加热腔体22为半封闭式，运输带21可以从加热腔体22的底部进出加热腔体22。加热腔体22将土壤包覆起来，可以防止热量流失，减少燃料损耗。

加热腔体22的顶部开设有气体出口24，用于抽出VOC气体。

气体抽吸部件30包括一气管31及连通气管31的风机32，气管31连通加热腔体22的气体出口24，风机32的出口连通反应器40的气体入口42。

反应器40还可以连通氧化剂容器60或还原剂容器70，以此将氧化剂或者还原剂加入反应器40内，以加快催化氧化或催化还原的速率。

催化吸收塔50配有喷淋部件，该喷淋部件包括水管54、喷头55及循环泵56，水管54的一端伸入催化吸收塔50的喷淋段53，另一端伸入催化吸收塔50的的循环泵56安装于水管54靠近底部位置，喷头55安装于水管54伸入催化吸收塔50的进气段51，循环泵56可以将吸收液抽至从喷头55喷出，加速气体的溶解。

催化吸收塔50可以连通氧化剂容器60或还原剂容器70或高效吸收剂容器80，以此将氧化剂或者还原剂或者高效吸收剂加入催化吸收塔50内，以加快催化氧化或催化还原或吸收的速率。具体地，当氧化剂容器60、还原剂容器70或高效吸收剂容器80为气体容器时，连通至水管54，直接将气体通入水管54内，随着喷头55喷出至催化吸收塔50内；例如氧化剂容器60为臭氧发生器时，氧化剂容器60直接连通水管54。当氧化剂容器60、还原剂容器70或高效吸收剂容器80为液体容器时，氧化剂容器60、还原剂容器70或高效吸收剂容器80连通至催化吸收塔50的进气段51。例如氧化剂容器60为双氧水容器时，双氧水容器连通至催化吸收塔50的进气段51，直接将双氧水加入催化吸收塔50的吸收剂内。

反应器40和催化吸收塔50可同时连通连通氧化剂容器60或还原剂容器70，也可以择一连通氧化剂容器60或还原剂容器70。

进一步地，上述的有机污染土壤净化装置100还包括一土壤开挖部件90，用于开挖土壤。土壤开挖部件90通过输送设备102连接破碎机10，直接将开挖的土壤通过输送设备102输送至破碎机10进行破碎。

上述的有机污染土壤净化装置100，用以实现前述的有机污染土壤净化方法。

实施例二

请参照图2，本实施例与实施例一不同的是，土壤开挖部件90的上方设置一集气罩101，集气罩101连通一鼓风部件103，该鼓风部件103连通燃气红外加热器20的红外加热炉23，用于将土壤开挖点挥发出的VOC气体吹入红外加热炉23进一步燃烧，一方面可以节省燃料，另一方面还可以防止开挖点的VOC气体挥发到空气中污染环境。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种有机污染土壤净化方法，其特征在于，包括如下步骤：

将土壤置于红外辐射环境中，辐射红外线穿透到土壤中，加热土壤以吹脱土壤吸附的有机物，产生高温的VOC气体；

将高温的所述VOC气体转入填充有颗粒状或蜂窝状的第一催化剂的反应器，所述VOC气体通过自带的热量，在所述第一催化剂的作用下发生氧化反应，除去部分VOC气体；

所述反应器未反应的所述VOC气体进入催化吸收塔，所述催化吸收塔的底部装有吸收液，所述吸收液内混有第二催化剂，在所述第二催化剂的作用下，所述VOC气体生成水溶性较好的有机酸类物质并溶解于所述催化吸收塔的吸收液中。

2.根据权利要求1所述的有机污染土壤净化方法，其特征在于：所述土壤开挖后送入所述红外辐射环境中，开挖时挥发的VOC气体送入所述红外辐射环境的加热源。

3.根据权利要求1所述的有机污染土壤净化方法，其特征在于：所述反应器内的所述VOC气体的温度为150℃-250℃。

4.根据权利要求1所述的有机污染土壤净化方法，其特征在于：所述土壤在所述红外辐射环境中的吹脱时间为1min-60min；所述VOC气体在所述反应器内的停留时间为0.5s-3s。

5.根据权利要求1-4任一项所述的有机污染土壤净化方法，其特征在于：在所述反应器内加入氧化剂或还原剂；和/或，在所述催化吸收塔内加入氧化剂、还原剂或高效吸收剂。

6.根据权利要求1-4任一项所述的有机污染土壤净化方法，其特征在于：所述催化吸收塔内安装有吸附填料，所述吸附填料为陶瓷填料、石墨烯海绵、金属有机骨架或吸附树脂中的一种或几种。

7.根据权利要求1-4任一项所述的有机污染土壤净化方法，其特征在于，所述土壤置于红外辐射环境中之前，还具有如下步骤：将土壤破碎成1mm-10mm的颗粒。

8.一种有机污染土壤净化装置，其特征在于，包括：

燃气红外加热器，所述燃气红外加热器包括加热腔体、穿设所述加热腔体的运输带及为所述运输带上的土壤提供红外辐射的红外加热炉；

气体抽吸部件，所述气体抽吸部件的入口连通所述加热腔体的顶部；

反应器，所述反应器内填充有颗粒状或蜂窝状的第一催化剂，所述反应器具有气体入口与气体出口，所述反应器的气体入口连通所述气体抽吸部件的出口；

催化吸收塔，所述催化吸收塔由下至上依次包括进气段、填料段及喷淋段，所述反应器的气体出口连通所述催化吸收塔的进气段，所述催化吸收塔的进气段用于盛装吸收液，所述吸收液混有第二催化剂，所述催化吸收塔的填料段安装有吸附填料，所述催化吸收塔的喷淋段设有喷淋管。

9.根据权利要求8所述的有机污染土壤净化装置，其特征在于，所述有机污染土壤净化装置还包括一土壤开挖部件，所述土壤开挖部件的上方设置一集气罩，所述集气罩连通一鼓风部件，所述鼓风部件连通所述红外加热炉，用于将土壤开挖点挥发的VOC气体吹入所述红外加热炉。

10.根据权利要求8所述的有机污染土壤净化装置，其特征在于，所述反应器连通氧化剂容器或还原剂容器；和/或，所述催化吸收塔连通氧化剂容器或还原剂容器或高效吸收剂容器。