CN109917082A - 一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测系统，所述在线监测系统包括连续采集监测系统和自动数据采集系统。该系统可以对抽提出的气相部分(非甲烷总烃、苯及苯系物)进行自动监控、测量和统计，能够保证各项数据得到及时、有效、连续的监控和记录，可以为项目监理提供详实可靠数据，也为以后验收提供详实数据，还可以对下一步修复制定最优的方案。本发明实施例还提供了一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测方法。

Description

一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测系统及方法。

背景技术

污染土壤修复方法很多，其中原位修复方法是一种重要的土壤修复方法。相比于其他修复方法，原位修复更加方便快捷，节约修复成本。首先，不用开挖土壤，通过设井的方式，辅以化学、生物等手段，直接把污染物分解或者回收，可以实现污染场地的边运营边修复，对炼油厂及加油站等污染场地非常适用。第二，原位修复不需要污染土壤的转移，减少二次污染。

污染土壤原位修复技术日趋成熟，根据不同场地的污染现状可以针对性选择相应抽提技术，例如，针对石油轻烃、苯系物污染土壤可以采用气相抽提技术和多相抽提技术。

原位气相抽提是一种原位非饱和区土壤修复技术，通过在地表打井，在地下污染区范围用井套过滤，地表密封，在井口安装管线与抽提设备相连，通过抽提风机形成真空，以产生真空压力及污染物浓度梯度，使土壤中易挥发性有机物被抽提出地表，再通过污染气体处理系统进行环保处理。

原位多相抽提也是通过打井，井下布置过滤网做隔离，井口用管道与抽提设备连接，将污染区域的气体和液体，包括土壤中易挥发性有机物(石油轻烃、苯、苯系物)、石油和非水相液体，同时从地下抽出至地上做环保处理。

在气相抽提和多相抽提过程中，需要对产生的污染气体量进行统计，以掌握修复场地环境状况和修复处理效果，并对于修复效果进行评价，因此是关系到整个修复工程进度的重要步骤和手段。

现有技术中采用的相应方案包括：

1、使用便携式VOC检测仪、便携式气质联用仪等手持仪器进行监测；

2、实验室检测。使用气体采样袋取样，样品再送实验室化验，得到各项监测数据。

使用便携式仪器监测，可以快速得到监测数据。工作人员手持便携式仪器到各个取样地点进行监测，可以快速得到各项数据。但是，便携式仪器不能实现连续监测，而且人为误差比较大。

实验室检测，使用气体采样袋取样，送实验室化验，可以得到准确结果。但是每次化验周期长，费用高，而且不能连续监测，在采样过程中样品可能暴露在空气中，而且人的影响比较大。

因此，需要对现有的检测手段和系统做出改进，以克服现有技术中的上述问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测系统，该系统可以对抽提出的气相部分(非甲烷总烃、苯及苯系物)进行自动监控、测量和统计，能够保证各项数据得到及时、有效、连续的监控和记录，可以为项目监理提供详实可靠数据，也为以后验收提供详实数据，还可以对下一步修复制定最优的方案。因而能够实时监测修复进度，提高修复效率，节省修复成本。本发明实施例的另一个方面还提供了一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测方法。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测系统，所述在线监测系统包括连续采集监测系统和自动数据采集系统。

进一步的，所述连续采集监测系统包括在线气相色谱分析仪、零级空气发生器、氢气发生器、污染气体分析仪、污染气体参数测量仪、污染气体采样箱和污染气体加热采样管。

进一步的，所述在线气相色谱分析仪包括气相色谱柱箱、氢火焰离子化检测器、气路控制系统和计算机控制系统。在线气相色谱分析仪采用精致的结构设计，标准机柜的尺寸，完全可以适应在线使用要求。

氢火焰离子化检测器(FID)是典型的破坏型、质量型检测器。样品气体从燃烧室的底部进入，并和氢气混合，混合气体与进入的氧气(助燃空气)燃烧，温度在2100℃左右，进火焰的有机物发生高温裂解和氧化反应生成自由基，自由基又与氧作用产生离子，所产生的离子数与单位时间内进入火焰的碳原子质量有关。在外加电场作用下，这些离子形成离子电流，离子电流与挥发性有机物浓度成正比。

氢火焰离子化检测器的主要特点是对几乎所有挥发性有机化合物均有响应，对所有烃类化合物(碳数≥3)的响应几乎相等，对含杂原子的烃类有机物中的同系物(碳数≥3)的相对响应值也几乎相等。这为化合物的定量带来很大方便，而且具有灵敏度高、基流小、线性范围宽、死体积小、响应快的特点。

气相色谱(GC)主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。样气被载气(高纯氮气)带入色谱柱，柱内含有固体固定相，由于样气中各个组分的沸点、极性或吸附性能不同，由于载气的流动，样气组分在运动中进行反复多次的分配或吸附/解吸附，结果在载气中浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出，从而实现样气的组分分离，分离的组分分别进入FID测量。

所述零级空气发生器是净化空气源的装置，其通过对压缩空气中的总碳氢化合物进行催化裂解产生低于0.1ppm碳氢化合物(以甲烷计)的零级空气。在含有铂钯载体的加热催化器中，碳氢化合物被转化成二氧化碳和水，为FID检测器提供洁净干燥、无烃的助燃空气和十通阀切换的空气动力。

进一步的，所述氢气发生器的压力稳定精度优于0.001MPa，例如为0.0002-0.0008MPa。

所述氢气发生器采用了高灵敏度模糊控制系统及自动流量跟踪系统，使压力稳定精度范围优于0.001Mpa，以此获得较佳的性能。电解池采用过渡金属元素催化技术，经过多级净化，免维护，自动补水，为在线气相色谱分析仪提供高纯度氢气。

进一步的，所述污染气体分析仪通过采用激光信号源照射污染气体粒子来获得污染气体的浓度。

所述污染气体分析仪采用激光后向散射测试原理完成对被测气体管道的污染气体(粉尘)浓度的测定。污染气体分析仪内嵌高稳定激光信号源穿越管道，照射污染气体(粉尘)粒子，被照射的污染气体(粉尘)粒子将反射激光信号，反射的信号强度与污染气体(粉尘)浓度成正变化，通过计算可获得管道内污染气体(粉尘)的浓度。

进一步的，所述污染气体参数测量仪对污染气体管道内的温度、压力以及污染气体的流速和湿度进行测定。

污染气体参数测量仪为四合一型多参数测量仪，可以对污染气体管道内的上述参数同时进行测定，获得持续记录的数据。

进一步的，所述污染气体采样箱包括不锈钢采样探头、钛合金过滤器、自恒温加热器、反吹气罐以及反吹控制电磁阀。

污染气体通过不锈钢采样探头和钛合金过滤器进入采样箱后端的采样加热管，污染气体被过滤和加热至120℃以上。采用反吹气罐以及反吹控制电磁阀定期自动反吹采样探头和钛合金过滤器，定期反吹伴热管线，以保证整个采样路径的通畅和清洁。

进一步的，所述污染气体加热采样管包括2根聚四氟乙烯气管、温度传感器、加热器和保温层。

污染气体加热采样管采用PID加热控制，最高加热温度180℃，表面温度小于55℃。内部包括2根聚四氟乙烯气管，用于采样和全系统校准。采用例如Pt100温度传感器、加热器和保温层，可以保证各测试点温度与设定温度差值小于设定值的10％。冷状态下加热管线气路耐压可达0.6MPa以上。

所述自动数据采集系统是对温度、压力、流量、VOC及其他参数的监控和测量系统。通过数据库软件和组态软件，对数据进行分析并具有友好的人机界面。

对于本发明实施例的在线监测系统的具体系统结构，例如还可以分为现场设备、测量机柜组件、数据采集及控制系统以及气体处理系统。所述现场设备可以包括污染气体采样探头、污染气体分析仪、污染气体反吹风机箱、温压流三合一测量仪、湿度测量仪、氧气采样探头等；所述测量机柜组件可以包括在线气相色谱分析仪、零级空气发生器、氢气发生器、气体控制分配单元、电气控制单元等，负责测量和控制功能；所述数据采集及控制系统为数据采集和控制单元，负责系统采样、反吹、报警的等系统流程的控制；所述气体处理系统包括冷冻式空气干燥机、空气压缩机、自动排水箱等，为系统提供仪表级压缩空气和标准气体。

其中，数据采集及控制系统可以采用PLC+上位机的组合，PLC同时和上位机和在线气相色谱分析仪通讯，完成污染物浓度数据的采集和上报，是数据采集的核心部分；上位机搭载在线监测系统软件，实现数据的采集、显示、存贮、处理、传输、生成报表、打印等功能；并且，其例如可支持HJ/T212协议，实现环保局联网。

本发明实施例还提供了一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测方法，所述方法包括应用以上任一种所述在线监测系统对污染气体进行监测的步骤。

具体来说，所述方法包括下列步骤：

(1)管道中的污染气体在抽吸泵的作用下进入污染气体采样箱，污染气体采样箱将污染气体过滤并加热至120℃；

(2)通过污染气体加热采样管对整个采样管路加热；污染气体分析仪直接分析污染气体浓度，并通过污染气体参数测量仪测量包括污染气体管道内的温度、压力以及污染气体的流速和湿度的参数；

(3)经过滤、加热的污染气体进入在线气相色谱分析仪中，气相色谱将污染气体组分分离，氢火焰离子化检测器(FID)将分离的污染气体燃烧，得到各组分浓度。

其中，零级空气发生器为FID检测器提供洁净干燥、无烃的助燃空气和十通阀切换的空气动力；氢气发生器为在线气相色谱分析仪提供高纯度氢气。

进一步的，所述方法还包括，通过自动数据采集系统将各部分数据统一整理。

本发明实施例的在线监测系统和方法具有如下优点：

1、本发明实施例的在线监测系统使用氢火焰离子检测器，主要特点是对几乎所有挥发性有机化合物均有响应，对所有烃类化合物(碳数≥3)的响应几乎相等，对含杂原子的烃类有机物中的同系物(碳数≥3)的相对响应值也几乎相等。这为化合物的定量带来很大方便，而且具有灵敏度高、基流小、线性范围宽、死体积小、响应快的特点。

2、本发明实施例的监测系统为计算机控制，保证了仪器的可靠性和重复性；能够保证各项数据得到及时有效地监控和记录，为各产品后续数据分析和方案制定提供全面的保障。

3、本发明实施例的监测系统实现了设备的增减、报警阈值的设置；可全天实时监控，也可定点监控；并提供了两种不同的监控模式：自动监控和手动监控。

4、本发明实施例的监测系统提供断电重启功能：当仪器恢复供电后，即可自动进入测量状态；断电保护功能：仪器在长期断电情况下所设置参数和测量结果不丢失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的土壤修复过程中抽提污染气体在线监测系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的土壤修复过程中抽提污染气体在线监测方法的流程示意图。

其中附图标记为：

101、污染气体采样探头；102、污染气体分析仪；103、污染气体反吹风机箱；104、温压流三合一测量仪；105、湿度测量仪；106、氧气采样探头；107、氧气分析仪；201、在线气相色谱分析仪；202、零级空气发生器；203、氢气发生器；204、气体控制分配单元；205、电气控制单元；206、冷凝器；207、控制面板；208、空气断路器面板；209、第一蠕动泵；210、第二蠕动泵；211、储水罐；212、排液罐；213、UPS电池组；301、数据采集和控制单元；401、冷冻式空气干燥机；402、空气压缩机；403、自动排水箱；501、设备间配电箱；601、抽吸管道；602、污染气体采样箱；603、污染气体加热采样管。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，显示了本发明一个实施例提供的土壤修复过程中抽提污染气体在线监测系统的结构示意图。该在线监测系统包括现场设备、测量机柜组件、数据采集及控制系统以及气体处理系统。所述现场设备包括污染气体采样探头101、污染气体分析仪102、污染气体反吹风机箱103、温压流三合一测量仪104、湿度测量仪105、氧气采样探头106、氧气分析仪107等；通过各探头和测量仪、分析仪将采集到的数据汇集到污染气体分析仪102。

所述测量机柜组件包括在线气相色谱分析仪201、零级空气发生器202、氢气发生器203、气体控制分配单元204、电气控制单元205、冷凝器206、控制面板207等，负责测量和控制功能；通过空气断路器面板208控制电气控制单元205；冷凝器206接受来自污染气体采样探头101的样气，并通过两个蠕动泵209、210将液体排出至排液罐212；氢气发生器203和在线气相色谱分析仪201产生的废液废气也排出至排液罐212中。还通过储水罐211为氢气发生器提供原料水。此外，气体控制分配单元204接收外部供给的零点校准气和量程校准气，并将校准气提供给污染气体采样探头101。上述样气和校准气的管路均通过伴热管加热，并通过控制面板207进行控制，该控制控制面板207还通过探头温控来连接污染气体分析仪102。电气控制单元205通过伴热管加热、反吹控制、探头加热控制污染气体分析仪102，后者将分析获得的温、压、流、湿、氧、尘信号同电气控制单元205交换。电气控制单元205还通过UPS电池组213进行备用供电。

所述数据采集及控制系统为数据采集和控制单元301，负责系统采样、反吹、报警的等系统流程的控制；其可将信号传至远程通讯通讯和设备以及其它外部设备例如打印机等。

所述气体处理系统包括冷冻式空气干燥机401、空气压缩机402、自动排水箱403等，为系统提供仪表级压缩空气和标准气体，并通过设备间配电箱501供电。

其中，数据采集和控制单元301可以采用PLC+上位机的组合，PLC同时和上位机和在线气相色谱分析仪201通讯，完成污染物浓度数据的采集和上报，是数据采集的核心部分；上位机搭载在线监测系统软件，实现数据的采集、显示、存贮、处理、传输、生成报表、打印等功能；并且，其例如可支持HJ/T212协议，实现环保局联网。

本发明实施例的在线监测系统用于挥发性有机物(包括非甲烷总烃、苯和苯系物)等的自动监测，同时测量气体流速、温度等参数。其采用十通阀双管定量+色谱分离+氢火焰离子化检测器(FID)技术完成总烃、甲烷和苯系物的监控和测量。

采样泵将被测样品采集到定量管中，在载气的推动下，样品进入色谱柱分离，然后分别进入FID检测器，和氢气气体混合，混合气与进入的氧气(空气)燃烧，有机物在氢火焰中离子化，形成离子电流。离子电流的大小与有机物浓度成正比。可以分别得出挥发性有机物(包括非甲烷总烃、苯和苯系物)各个组分的浓度。

系统的技术指标和性能如下：

1、污染气体条件

温度：≤300℃；

压力：-6kPa～1kPa；

流速：≤40m/s；

湿度：≤40％。

2、环境条件

室内环境温度：15℃～35℃；室外环境温度：-20℃～50℃；

大气压：86kPa～106kPa；

相对湿度：≤85％；

3、系统要求

电源电压：AC220V±22V(较大功耗时使用AC 380V)；

电源频率：50Hz±1Hz；

额定消耗功率：10000VA(根据加热管线长度和空压机配置而变化)；

仪表气露点≤4℃，压力≥0.6MPa，流量2Nm3/h。

4、技术指标

4.1、非甲烷总烃NMHC

测量范围：0-300×10-6(可定制)；

分析周期：≤2min；

检出限：≤0.5×10-6(以碳计)；

定性重复性：≤2％(以碳计)；

定量重复性：≤2％(以碳计)；

示值误差：≤±10％；

零点漂移：≤±5％；

量程漂移：≤±5％；

4.2、组分分析

测量组分：苯、甲苯、间-二甲苯、对-二甲苯、邻-二甲苯、1,2,3-三甲苯、1,2,4-三甲苯、1,3,5-三甲苯、乙苯和苯乙烯等，可定制；

测量范围：0-300×10-6(可定制)；

分析周期：≤40min(根据定制组分不同，分析周期不同)；

检出限：≤0.5×10-6(以苯计)；

定性重复性：≤3％(以苯计)；

定量重复性：≤3％(以苯计)；

示值误差：≤±10％；

零点漂移：≤±5％；

量程漂移：≤±5％；

4.3、温度

测量范围：0～250/500℃；

基本误差：≤±0.5％；

4.4、压力

测量范围：-6～+1KPa；

基本误差：≤±0.5％；

4.5、流速

测量范围：0～30/40m/s；

精密度：≤±5％；

4.6、湿度

测量范围：0～40％V/V；

精密度：≤±2％。

该在线监测系统连接污染气体管道实时监测，能够保证各项数据(非甲烷总烃、苯及苯系物)得到及时、有效、连续的监控和记录，为后续数据分析和方案制定提供全面的保障。

实施例2

如图2所示，显示了本发明一个实施例提供的土壤修复过程中抽提污染气体在线监测方法的流程示意图。

所述方法包括下列步骤：

(1)抽吸管道601中的污染气体在抽吸泵的作用下进入污染气体采样箱602，污染气体采样箱602将污染气体过滤并加热至120℃；

(2)通过污染气体加热采样管603对整个采样管路加热；污染气体分析仪102直接分析污染气体浓度，并通过污染气体参数测量仪104、105测量包括污染气体管道内的温度、压力以及污染气体的流速和湿度的参数；

(3)经过滤、加热的污染气体进入在线气相色谱分析仪201中，气相色谱将污染气体组分分离，氢火焰离子化检测器(FID)将分离的污染气体燃烧，得到各组分浓度。

(4)通过数据采集和控制单元301将各部分数据统一整理。

其中，零级空气发生器202为FID检测器提供洁净干燥、无烃的助燃空气和十通阀切换的空气动力；氢气发生器203为在线气相色谱分析仪提供高纯度氢气。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测系统，其特征在于，所述在线监测系统包括连续采集监测系统和自动数据采集系统。

2.根据权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于，所述连续采集监测系统包括在线气相色谱分析仪、零级空气发生器、氢气发生器、污染气体分析仪、污染气体参数测量仪、污染气体采样箱和污染气体加热采样管。

3.根据权利要求2所述的在线监测系统，其特征在于，所述在线气相色谱分析仪包括气相色谱柱箱、氢火焰离子化检测器、气路控制系统和计算机控制系统。

4.根据权利要求3所述的在线监测系统，其特征在于，所述氢气发生器的压力稳定精度优于0.001Mpa。

5.根据权利要求4所述的在线监测系统，其特征在于，所述污染气体分析仪通过采用激光信号源照射污染气体粒子来获得污染气体的浓度。

6.根据权利要求5所述的在线监测系统，其特征在于，所述污染气体参数测量仪对污染气体管道内的温度、压力以及污染气体的流速和湿度进行测定。

7.根据权利要求6所述的在线监测系统，其特征在于，所述污染气体采样箱包括不锈钢采样探头、钛合金过滤器、自恒温加热器、反吹气罐以及反吹控制电磁阀。

8.根据权利要求7所述的在线监测系统，其特征在于，所述污染气体加热采样管包括2根聚四氟乙烯气管、温度传感器、加热器和保温层。

9.一种土壤修复过程中抽提污染气体在线监测方法，其特征在于，所述方法包括应用权利要求1-8中任一项所述在线监测系统对污染气体进行监测的步骤。

10.根据权利要求9所述的在线监测方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

(1)管道中的污染气体在抽吸泵的作用下进入污染气体采样箱，污染气体采样箱将污染气体过滤并加热至120℃；

(2)通过污染气体加热采样管对整个采样管路加热；污染气体分析仪直接分析污染气体浓度，并通过污染气体参数测量仪测量包括污染气体管道内的温度、压力以及污染气体的流速和湿度的参数；

(3)经过滤、加热的污染气体进入在线气相色谱分析仪中，气相色谱将污染气体组分分离，氢火焰离子化检测器将分离的污染气体燃烧，得到各组分浓度。