CN112570437A

CN112570437A - 一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统和方法

Info

Publication number: CN112570437A
Application number: CN202011343949.3A
Authority: CN
Inventors: 李书鹏; 籍龙杰; 孙静; 刘鹏; 张婧卓; 孙斌; 陈梦巧; 牟兵兵; 沈宗泽
Original assignee: BCEG Environmental Remediation Co Ltd
Current assignee: BCEG Environmental Remediation Co Ltd
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-03-30

Abstract

本发明公开了一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统和方法。本发明的系统中的多相抽提井管同时作为电渗井点降水单元的阴极，打入地面的钢钎作为电渗井点降水的阳极。本发明首先借助多相抽提单元将地下水水位线降低到修复区域污染深度以下，再通过电渗井点降水单元强化降水过程，进一步降低土壤含水率减少热传导过程中因加热地下水而增加的能耗，借助原位热传导加热修复区域使有机污染物挥发并通过多相抽提单元收集。本发明最大化地提高了低渗透性污染土壤的降水效率，增加了原位热传导技术的能源利用效率，扩大了原位热传导技术适用地质范围，缩短了修复周期。

Description

一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统和方法

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，适用于渗透性系数很小的饱和粘性土、淤泥和淤泥土质等地质条件下开展有机物污染场地原位修复，特别涉及到一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统和方法。

背景技术

随着我国工业化和城市化发展进程的加速，大量的化工和农药生产企业开始往工业园区搬迁。“退城进园”，“退二进三”等政策下，导致遗留下大量污染状况复杂的有机污染场地，对场地土壤和地下水造成严重的污染，对周边居民的健康构成潜在威胁，因此，亟待开展有机污染场地修复和治理工作。

在众多修复技术中，原位热脱附技术以其对土壤扰动小、操作简单、修复速度快、污染物去除彻底等优势引起广泛关注。原位热脱附是通过向地下输入热能，加热土壤及地下水，提高目标污染物的蒸气压及溶解度，促进污染物挥发或溶解，采用土壤气相抽提或多相抽提加速污染物向气相的转化挥发，从而降低土壤中有机污染物浓度，并通过地面的尾水尾气处理系统实现污染物最终清除的技术。基于加热方式的不同，原位热脱附技术又可细分为热传导技术、蒸汽加热技术和电阻加热技术。其中，蒸汽加热技术和电阻加热技术只能将土壤加热至100℃左右，而热传导技术可以将污染土壤加热至600～700℃以上，基本满足目前所有有机污染场地类型的治理，适用范围较其他两种技术更广。

现有技术中，多使用单一的原位热脱附技术处置有机物污染的土壤和地下水，其应用易受到土壤含水率、渗透性、系统温度等影响。通过调研分析我国33个有机污染场地土层岩性污染特征，发现我国有机污染场地中高达61％的场地具有很强的非均质性，以低渗透性介质为主(粉质粘土、粘土和淤泥质粘土等)的场地高达67％。在热传导技术实际应用中，如遇到土壤含水率较高或渗透性较差的情况，由于修复过程需要将水分加热挥发，该过程会导致能耗显著升高，不利于节能环保要求，甚至大幅增加修复成本，且可能影响修复效果。专利CN202010032051.8公开了一种可自动集水排水的原位热脱附加热管，该技术增强了原位热脱附系统的排水能力，能够减少能源损耗、降低成本，但是该技术在低渗透性地层的应用中仍具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统和方法，在待修复的污染土壤中按照一定的布点原则布设原位热脱附的加热井和多相抽提井，同时以多相抽提井作为阴极，布设钢钎作为阳极组成电渗井点降水系统，阴极和阳极之间需要施加高频直流电压，用于提供电渗井点降水的能量。即交流电先通过调节自耦变压器来改变两极间的电压大小，后利用桥式整流器将低频交流电压转换为高频直流电压，再通过稳压器将高频直流电稳定输出。

技术方案如下：

一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统，包括：供能单元、表面阻隔单元、垂直止水帷幕单元、加热单元、电渗井点降水单元、多相抽提单元、尾水尾气处理单元和自动监控单元，其中：多相抽提井管同时作为电渗井点降水单元的阴极，打入地面的钢钎作为电渗井点降水的阳极。

进一步地，所述供能单元包括直流电供能单元和交流电供能单元：

交流电供能单元中，电源直接与加热井相连，提供加热井升温的能量；

直流电供能单元包括电源、变压器、整流器和稳压器，变压器的输入端与电源相连，输出端与整流器的输入端相连，整流器的输出端与稳压器输入端相连，将交流电通过整流器输出40～60V高频直流电压，整流器输出的高频直流电压通过稳压器稳压后再次输出，用于提供电渗井点降水的能量。

进一步地，所述多相抽提单元包括多相抽提井、抽提动力设备和地上抽提管道，其中：多相抽提井由抽提动力设备连接至地上抽气管道，多相抽提井的布设方式为正三角形或正六边形，井间距为3～6m；抽提动力设备包括水泵和真空泵；多相抽提井管底部装有用于监测地下水水位的感应器，通过监测信号变化控制水泵工作。

进一步地，所述加热单元由底部密封的金属套管和电加热元件组成，加热井的加热范围根据污染上下各延伸0.5～1m，加热井的布设方式为正三角形或正六边形，加热井之间的安装间距为2～4m，加热井和多相抽提井的布设比例为3:1～6:1。

进一步地，所述电渗井点降水单元包括多相抽提井和钢钎，多相抽提井井管采用管径60～100mm的碳钢钢管或约翰逊管，抽提管的外包网采用不锈钢丝网；钢钎直径为20～50mm，埋设在距离多相抽提井1～3m的位置。

进一步地，所述自动监控单元包括温度监测井、压力监测井和抽提气体流量监测装置，温度监测井分别布设在加热井构成的正三角形或正六边形的中心冷点处，在垂直方向上温度监测井的温度探头布设间隔为3m；压力监测井分别布设在抽提井构成的正三角形或正六边形的中心，每一处压力监测井均设有压力探头，压力监测井的布设深度为地下2～3m；抽提气体流量计设置在地面抽提管道上。

一种使用上述原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统的方法：

通过多相抽提井对修复区域进行降水，当地下水位降低到修复区域污染深度以下时，开启电渗井点降水，再次借助多相抽提井，最大化程度上实现污染范围内含水率的降低；

待污染范围内无法再抽提出地下水时，关闭电渗井点降水系统，开始原位热传导加热过程；通过加热井对原位传导加热区的土壤进行加热升温，促使挥发和半挥发性污染物从土壤中脱附出来，并通过多相抽提井收集，流经尾水尾气处理系统对污染物进行处理。

进一步的，修复过程中多相抽提井底部水位感应器采集到水位上升信号时立即开启降水操作，当水位降低到热脱附修复区域以下时立即停止降水操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种针对低渗透性有机污染场地原位修复的系统和方法，可应用于渗透性系数很小的饱和粘性土、淤泥和淤泥土质等地质条件下的有机污染土壤修复过程，解决了现有原位热传导技术在含水率高、渗透性低的污染土壤修复过程中存在能耗居高不下的应用难题，降低了能耗，扩大了原位热脱附技术在不同地层的适用范围，提高了原位热传导的修复效率，缩短了修复周期。

附图说明

图1为本发明实施例的原位剖视图；

图2为本发明一个实施例示意图，其中，加热井的布设方式为正三角形，抽提井布设在正三角形的中心，钢钎设置在抽提井组成的正三角形的中心。温度监测井设置在加热井布设的正三角形中心，压力监测井设置在抽提井布设的正三角形的中心。

图3为本发明另一个实施例示意图，其中，加热井的布设方式为正六边形，抽提井布设在正六边形的中心，钢钎设置在其中两个抽提井中心。温度监测井设置在加热井布设的正六边形中心，压力监测井设置在抽提井布设的正六边形的中心。

附图标记说明：

①→表面阻隔系统；②→加热井；③→抽提井；④→钢钎；⑤→垂直止水帷幕。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明提供的一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统和方法进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

本发明首先借助多相抽提单元将地下水水位线降低到修复区域污染深度以下，再通过电渗井点降水单元，强化降水过程，进一步降低土壤含水率，减少热传导过程中因加热地下水而增加的能耗。借助原位热传导加热修复区域，使有机污染物挥发并通过多相抽提单元收集，进入尾水尾气处理单元对污染物进行集中处置，确保达标排放。本发明最大化地提高了低渗透性土壤的降水效率，增加了原位热传导技术的能源利用效率，扩大了原位热传导技术适用地质范围，缩短了修复周期。

如附图1、2、3所示，一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统和方法，包括供能单元、表面阻隔单元、垂直止水帷幕单元、加热单元、电渗井点降水单元、多相抽提单元、尾水尾气处理单元和自动监控单元，本系统中多相抽提井管同时作为电渗井点降水单元的阴极，打入的钢钎作为电渗井点降水的阳极。

钢钎直径为20～50mm，埋设在距离多相抽提井1～3m的位置，其埋设长度根据场地污染深度确定，外露在地面上约20～40cm，其入土深度比井点管深50cm。

阻隔系统包括表面阻隔系统和垂直止水帷幕。加热区的上层铺设表面阻隔层，同时沿修复区域的边界建设三轴搅拌桩垂直止水帷幕，止水帷幕阻隔深度一般大于土壤实际污染深度1～2m。阻隔系统可有效防止上层雨水和外围地下水的汇入，还可以防止热量的逸散，确保修复效果。同时，还可以防止加热过程中污染物的逸散，避免造成二次污染。

供能单元可分为直流电供能系统和交流电供能系统。交流电供能系统电源直接与加热井相连，对加热井进行供能。直流电供能系统包括电源、变压器、整流器和稳压器。变压器的输入端与电源相连，输出端与整流器的输入端相连，整流器的输出端与稳压器输入端相连，通过该系统将交流电通过整流器输出为40～60V的高频直流电压，整流器输出的40～60V的高频直流电压通过稳压器稳压后输出。土壤中通电的电流密度宜为0.1-1.0A/m²。

加热单元由底部密封的金属套管和电加热元件共同组成。加热井的深度以污染最深的介质深度为准，加热范围根据污染范围上下各延伸0.5～1m。加热井之间的安装间距为2～4m，具体安装间距根据修复周期和设计的目标温度等因素来确定。比如，要求的修复周期较短时，可适当减小加热井之间的间距。设计的目标温度较高，相邻两个加热井之间的安装间距也相对较小；反之，安装间距可适当放大。

多相抽提单元主要由多相抽提井、抽提动力设备和地上抽提管道组成。其中，抽提动力设备采用双泵系统，同时配备了水泵和真空泵。多相抽提井由抽提动力设备连接至地上抽气管道。多相抽提井的布设方式一般为正三角形或正六边形，其井间距一般为3～6m。多相抽提井管底部装有水位感应器，用于监测多相抽提井中的水位，当遇到连续降雨天气，污染区域地下水增多，当水位感应器的监测值超过热脱附区域控制的水位线，监测信号变化用于控制水泵启动抽水，当水位感应器监测值低于热脱附区域控制的水位线，则停止水泵抽水。

抽提动力设备抽提压力可达到20-60kPa以上，抽提风量一般为500～3000m³/h。多相抽提井由井口保护装置、井管、滤网构成，多相抽提井和加热井的比例一般为1:3～1:6，多相抽提井的深度需比加热井深0.5m。

自动监控单元包括温度监测井、压力监测井和抽提气体流量监测装置。温度监测井分别布设在加热井构成的正三角形或正六边形的中心冷点处，在垂直方向上，温度监测井的温度探头布设间隔为3m。压力监测井分别布设在抽提井构成的正三角形或正六边形的中心，每一处压力监测井均设有压力探头，压力监测井的布设深度为地下2～3m。抽提气体流量计设置在地面抽提干、支管道上。

一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的方法，包括以下步骤：

待系统安装调试运行稳定后，首先通过多相抽提井对修复区域进行降水，当地下水位降低到修复区域以下时，开启电渗井点降水，再次借助多相抽提井，最大化程度上实现修复区域含水率地降低。待修复区域无法再进一步抽提出地下水时，关闭电渗井点降水系统，开始原位热传导加热过程。

通过加热井对原位传导加热区的土壤进行加热升温，促使挥发/半挥发性污染物从土壤中脱附出来，并通过多相抽提井收集，流经尾水尾气处理系统对污染物进行处理，确保污染物达标排放，不产生二次污染。

修复过程中，如遇到突发降雨等情况造成地下水水位上升时，多相抽提井底部水位感应器采集到水位上升信号，立即开启电渗降水系统继续进行降水。

实施例1正三角形布点

在华北区域某化工厂项目选取一块200m²的场地，平均分成A、B两个区域，进行原位热传导是否耦合电渗井点降水修复有机污染场地的对比实验。该区域的污染物主要是多环芳烃、氯代烃、石油烃等有机物，污染深度为0-10m，该区域0-10m污染层位为第①层人工填土层、②层中粗砂、③层粉土层、④层粉质黏土层。A区域采用电渗井点降水进一步降低热脱附加热区土壤含水率，输出直流电压为60V，B区域不再进行电渗井点降水。A、B两个区域加热井布设方式均为正三角形，加热井管深度为10.5m，加热井间距为3m，多相抽提井采用管径为80mm的约翰逊管，井管深度为11m，多相抽提井布设在加热井中心，加热井与多相抽提井的布设比例为4:1。钢钎管径为50mm，地下埋深为11.5m，设置在抽提井组成的正三角形的中心。温度监测井设置在加热井布设的正三角形中心，压力监测井设置在抽提井布设的正三角形的中心。

该中试实验修复目标是污染物的脱除率达到修复前浓度的99％以上。当达到该修复目标时，A区域工期较B区域可缩短25.4％，能耗降低17.7％。

实施例2正六边形布点

在华北区域某化工厂项目选取一块200m²的场地，平均分成C、D两个区域，进行原位热传导是否耦合电渗井点降水修复有机污染场地的对比实验。该区域的污染物主要是多环芳烃、氯代烃、石油烃等有机物，污染深度为0-10m，该区域0-10m污染层位为第①层人工填土层、②层中粗砂、③层粉土层、④层粉质黏土层。C区域采用电渗井点降水进一步降低热脱附加热区土壤含水率，输出直流电压为60V，D区域不再进行电渗井点降水。C、D两个区域加热井布设方式均为正六边形，加热井管深度为10.5m，加热井间距为3m，多相抽提井采用管径为80mm的约翰逊管，井管深度为11m，多相抽提井布设在加热井中心，加热井与多相抽提井的布设比例为4:1。钢钎管径为50mm，地下埋深为11.5m，设置在抽提井组成的正六边形的中心。温度监测井设置在加热井布设的正六边形中心，压力监测井设置在抽提井布设的正六边形的中心。

该中试实验修复目标是污染物的脱除率达到修复前浓度的99％以上。当达到该修复目标时，C区域工期较D区域可缩短17.3％，能耗降低14.5％。

上面结合实施例对本发明的实例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统，其特征在于，包括：供能单元、表面阻隔单元、垂直止水帷幕单元、加热单元、电渗井点降水单元、多相抽提单元、尾水尾气处理单元和自动监控单元，其中：多相抽提井管同时作为电渗井点降水单元的阴极，打入地面的钢钎作为电渗井点降水的阳极。

2.根据权利要求1所述的原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统，其特征在于，所述供能单元包括直流电供能单元和交流电供能单元：

3.根据权利要求2所述的原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统，其特征在于，所述多相抽提单元包括多相抽提井、抽提动力设备和地上抽提管道，其中：多相抽提井由抽提动力设备连接至地上抽提管道，多相抽提井的布设方式为正三角形或正六边形，井间距为3～6m；抽提动力设备包括水泵和真空泵；多相抽提井管底部装有用于监测地下水水位的感应器，通过监测信号变化控制水泵工作。

4.根据权利要求3所述的原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统，其特征在于，所述加热单元由底部密封的金属套管和电加热元件组成，加热井的加热范围根据污染上下各延伸0.5～1m，加热井的布设方式为正三角形或正六边形，加热井之间的安装间距为2～4m，加热井和多相抽提井的布设比例为3:1～6:1。

5.根据权利要求4所述的原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统，其特征在于，所述电渗井点降水单元包括多相抽提井和钢钎，多相抽提井井管采用管径60～100mm的碳钢钢管或约翰逊管，抽提管的外包网采用不锈钢丝网；钢钎直径为20～50mm，埋设在距离多相抽提井1～3m的位置。

6.根据权利要求5所述的原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的系统，其特征在于，所述自动监控单元包括温度监测井、压力监测井和抽提气体流量监测装置，温度监测井分别布设在加热井构成的正三角形或正六边形的中心冷点处，在垂直方向上温度监测井的温度探头布设间隔为3m；压力监测井分别布设在抽提井构成的正三角形或正六边形的中心，每一处压力监测井均设有压力探头，压力监测井的布设深度为地下2～3m；抽提气体流量计设置在地面抽提管道上。

7.一种原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的方法，其特征在于，应用权利要求1至6中任意一条所述系统，通过多相抽提井对修复区域进行降水，当地下水位降低到修复区域污染深度以下时，开启电渗井点降水，再次借助多相抽提井，最大化程度上实现污染范围内含水率的降低；待污染范围内无法再抽提出地下水时，关闭电渗井点降水系统，开始原位热传导加热过程；通过加热井对原位传导加热区的土壤进行加热升温，促使挥发和半挥发性污染物从土壤中脱附出来，并通过多相抽提井收集，流经尾水尾气处理系统对污染物进行处理。

8.根据权利要求7所述的原位热传导耦合电渗井点降水修复有机污染场地的方法，其特征在于，修复过程中多相抽提井底部水位感应器采集到水位上升信号时立即开启降水操作，当水位降低到热脱附修复区域以下时立即停止降水操作。