CN112588809A - 一种电渗强化降水与原位热脱附的土壤修复系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种电渗强化降水与原位热脱附的土壤修复系统，包括待修复土壤(1)、阻隔层(2)、加热井(3)、加热供能器(4)、阳极供电线、阴极供电线、潜水泵供能线(7)、真空抽气口、外表面导电的集水‑抽提井；真空抽气口(9)设置在外表面导电的集水‑抽提井(10)的上部位置；加热井(3)埋入地下部分的外表面需导电；在外表面导电的加热井与外表面导电的集水‑抽提井的上分别连接阳极供电线(5)与阴极供电线(6)；在待修复土壤(1)中分别设置外表面导电的加热井与外表面导电的集水‑抽提井；两个井的距离一般不超过10米；待修复土壤表面覆盖阻气、阻水隔热的阻隔层。

Description

一种电渗强化降水与原位热脱附的土壤修复系统与方法

技术领域

本发明公开了一种电渗强化降水与原位热脱附的土壤修复系统与方法，属于土壤修复领域。

背景技术

持久性有机污染物Persistent Organic Pollutants,POPs因为具有长期残留、生物蓄积、半挥发和高毒等特性，并能够在大气、水和土壤等环境中长距离迁移，最终通过食物链进入人体,引起了国际社会的广泛关注。研究发现长期慢性暴露POPs可能会导致癌症,损害中枢和外周神经系统,破坏免疫系统,破坏生殖力及影响婴幼儿正常发育；某些持久性有机污染物对人类的影响会持续几代,对人类生存繁衍和可持续发展构成重大威胁。

随着工业化和城镇化快速推进，一些涉及POPs的生产企业关闭或转产。由于生产设备陈旧、工艺落后、厂房简陋以及生产过程中的跑冒滴漏、“三废”排放等不可避免的会导致这些POPs化学品的生产厂址、有毒有害POPs废弃物的堆放地点及周边场地成为POPs污染场地。POPs污染场地的土壤失去了原有的理化及生物特性，对周围环境和人体造成明显的不利影响，必须加以治理才可重新利用。

热脱附技术是一种针对POPs场地污染修复技术已被验证、广泛采用的修复手段。热脱附技术是通过加热污染土壤，以去除挥发或半挥发的有机污染物。POPs场地污染修复技术根据修复工程的位置可分为原位修复技术和异位修复技术。原位修复是指对污染场地中的污染物就地处置；异位修复是指将土壤挖出后再处理。原位热脱附技术主要有燃气热脱附、电加热热脱附、蒸汽加热热脱附等。例如本申请人和发明人的CN2018111835760，一种用于原位或异位热脱附土壤修复的传热装置，这已经是本领域技术的改进。

为了去某些半挥发有机污染物，原位热脱附技术需要将全部土壤温度高于水的沸点。在这种情况下，地下水的沸腾将消耗大量的热能。同时，原位热脱附技术为了提高温升速度，需要将液相的土壤水抽出，而土壤中的部分液相污染物也可以随着抽出的土壤水一同抽出。因此，原位热脱附一般需要尽可能的将地下水抽出，以提高修复效率。

传统原位热脱附技术中，待修复场地内的土壤水一般只能通过采用集水井收集抽出和抽提蒸发后水蒸气去除。对待修复土壤以黏土为主要对象的场地降水效果差，只能依靠消耗大量热能蒸发后去除。

电渗井点降水也有应用，所谓电渗井点，一般与轻型井点或喷射井点结合使用，是利用轻型井点或者喷射井点管本身作为阴极，以金属棒钢筋、钢管、铝棒等作为阳极，通直流电采用直流发电机或直流电焊机后，带有负电荷的土粒即向阳极移动即电泳作用，而带有正电荷的水则向阴极方向移动集中，产生电渗现象。在电渗与井点管内的真空双重作用下，强制粘土中的水由井点管快速排出，井点管连续抽水，从而地下水位逐渐降低。

电渗降水一般只适用于含水层渗透系数较小0.1m/d的饱和黏土，特别是在淤泥和淤泥质黏土之中的降水。由于黏性上的颗粒较小，地下水流动十分困难，其中仅自由水在孔隙中流动，其它部分地下水则处于被毛细管吸附的约束状态，不能在压力水头作用下参与流动，当向土中通以直流电流后，不仅自由水，而且被毛细管约束的枯滞水也能参与流动，增加孔隙水流动的有效断面，其渗透性提高数十倍，从而缩短降水时间，提高降水效果，但现有技术并无考虑治理污染土壤的解决。电渗降水是应用电压比降使带负电的土粒向阳极移动即电泳作用，带正电荷的孔隙水则向阴极方向集中产生电渗现象。电渗降水可以减少土壤中的空隙水，是一种广泛用于低渗透系数土壤的降水方法。

发明内容

本发明的目的在于，结合电渗降水和原位热脱附的两种技术的优势，对污染的土壤及地下水能同时进行处理。为此，本发明提出了一种使用电渗强化降水的原位热脱附技术。

本发明的技术方案是，一种电渗强化降水与原位热脱附的土壤修复系统与方法，使用电渗强化降水的原位热脱附技术，基于如下系统，系统包括：包括待修复土壤1、阻隔层2、加热井3、加热供能器4、阳极供电线5、阴极供电线6、潜水泵供能线7、真空抽气口9、外表面导电的集水-抽提井10；真空抽气口9设置在外表面导电的集水-抽提井10的上部位置；

加热井3埋入地下部分的外表面需导电如设有导电层；

在外表面导电的加热井3与外表面导电的集水-抽提井10的上分别连接阳极供电线5与阴极供电线6；阳极供电线5与阴极供电线6之间分别接直流电源的正极与负极；

在待修复土壤1中分别设置外表面导电的加热井3与外表面导电的集水-抽提井10；两个井的距离一般不超过10米；

待修复土壤1表面覆盖阻气、阻水隔热的阻隔层2；

加热供能器4与加热井3连接或在加热井3内；

集水-抽提井10顶端留有真空抽气口9；

集水-抽提井10的所有出地结构均为全封闭结构；

集水-抽提井10井内设置排液管8，集水-抽提井10地下部分为透水结构。

对于较深的集水-抽提井10井内设置潜水泵11与潜水泵供能线7和排液管8；潜水泵11通过排液管8上方出口排出井口。

所述的加热井3的加热供能器4为燃气热脱附、电加热热脱附、蒸汽加热热脱附。

本发明的使用上述装置进行电渗强化降水的原位热脱附技术方法步骤为：本发明的工艺条件：即使用电渗强化降水的的工艺条件：加热深度，集水-抽提井深度，土壤最低目标温度，电渗电压。电渗强化降水依靠阳极供电线5与阴极供电线6之间施加直流电压，电压的范围为10v至10000v，一般视二井的距离施加50-100V的直流电压。电渗强化降水与加热脱附可以同时进行或先后进行，也可以交替进行，加热脱附的温度控制在80-600℃；加热供能器4为燃气燃烧控制器，加热井3为高温烟气管的温度在高限；对于电加热热脱附，加热供能器4为供电控制器，加热井3为电热管；对于蒸汽加热热脱附，加热供能器4为蒸汽注入井头，加热井3为蒸汽注入管，热脱附温度为低限。

加热井3是在外表面导电(如设有导电层、金属、石墨、导电溶液等导电层)的加热井3，与外表面导电的集水-抽提井10的上分别连接阳极供电线5与阴极供电线6；阳极供电线5与阴极供电线6之间施加直流电压。其中，根据选用的原位热脱附技术分别采用不同的加热井3和加热供能器4。

具体的，针对燃气热脱附、电加热热脱附、蒸汽加热热脱附分别采用不同的加热井3和加热供能器4。对于燃气热脱附，加热供能器4为燃气燃烧控制器，加热井3为包括高温烟气管的双管式加热土壤的装置；对于电加热热脱附，加热供能器4为供电控制器，加热井3为电热管加热土壤的装置；对于蒸汽加热热脱附，加热供能器4为蒸汽注入井头，加热井3为包括蒸汽注入管的换热器装置。

阻隔层2具有阻水隔热的功能，自下而上依次为：水平阻隔层和混凝土封面层；水平阻隔层为且不限为泡沫混凝土、加气混凝土砖、岩棉、保温珍珠岩等。水平阻隔层的厚度为3厘米以上；混凝土封面层厚度为3厘米以上。

其中，根据不同形式的潜水泵11，选用相匹配的潜水泵供能线7。具体的，对于电动潜水泵，潜水泵供能线7为供电电缆；对于气动潜水泵，潜水泵供能线7为供气管线。

有益效果：对含水土壤的治理时，在燃气热脱附、电加热热脱附的前、中期，土壤中含有较高土壤水时，采用电渗降水强化降水效果，加速热脱附的温升速度，减少总能耗。在燃气热脱附、电加热热脱附的后期，由于没有土壤水的存在，不需要进行电渗降水，则关闭电渗系统，以减少能耗。如对于蒸汽加热热脱附，电渗作用会增加土壤中蒸汽凝结水的定向流速，在全修复周期内增强修复效果。本发明结合电渗降水和原位热脱附的两种技术的优势，对污染的土壤及地下水能同时进行处理。大大提高污染治理的效率并能低成本的同时治理土壤与水体。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

具体实施方式

本发明技术工艺：基于如下系统结构：为在待修复土壤1中设置外表面导电的加热井3与外表面导电的集水-抽提井10；

待修复土壤1表面覆盖阻气、阻水隔热的阻隔层2；

加热供能器4与加热井3连接；

集水-抽提井10顶端留有真空抽气口9；

集水-抽提井10的所有出地结构均为全封闭结构；

集水-抽提井10井内设置排液管8；

对于较深的集水-抽提井10井内可设置潜水泵11与潜水泵供能线7；

在外表面导电的加热井3与外表面导电的集水-抽提井10的上分别连接阳极供电线5与阴极供电线6；

阳极供电线5与阴极供电线6之间施加直流电压。在待修复土壤1中分别设外表面导电的可用若干加热井3与外表面导电的集水-抽提井10；加热井3与外表面导电的集水-抽提井的距离一般不超过3米；

对于燃气热脱附，加热供能器4为燃气燃烧控制器，加热井3为高温烟气管；对于电加热热脱附，加热供能器4为供电控制器，加热井3为电热管；对于蒸汽加热热脱附，加热供能器4为蒸汽注入井头，加热井3为蒸汽注入管。

所述的加热井3埋入地下部分的外表面需导电。

系统特征是，对于燃气热脱附，加热井3为高温烟气管，其材质可采用金属管，如不锈钢钢管等；对于电加热热脱附，加热井3外部可采用金属管；对于蒸汽加热热脱附，加热井3为蒸汽注入管，其材质可采用金属管，如不锈钢花管、不锈钢割缝管等。

增加加热井3的导电性能，在加热井3的外表面可以镀、包覆、堆叠导电材料，比如镀上耐腐蚀的过渡金属、包覆不锈钢丝网、堆叠导电炭粒等。

所述的集水-抽提井10埋入地下部分的需耐腐蚀、具有透水的空隙、可以阻止泥沙进入过滤结构和导电的外表面。具体的，集水-抽提井10地下部分的材质可选用不锈钢管或混凝土管等。进一步的，集水-抽提井10地下部分需要可以采用花管、割缝管、开孔管等制作以满足透水性要求；

进一步的，集水-抽提井10地下部分外表面可包覆丝网、外部填砂粒或导电炭粒等作为阻止泥沙进入过滤结构。

进一步的，为了保证集水-抽提井10的导电性能，上述所有结构必须至少有一种采用导电材料，如不锈钢管、金属丝网、导电炭粒等。

所述的较深的集水-抽提井10，其深度要求为大于0.5m。

所要求的集水-抽提井10中，可设置潜水泵11与潜水泵供能线7。根据不同形式的潜水泵11，选用相匹配的潜水泵供能线7。

具体的，潜水泵11对于电动潜水泵，潜水泵供能线7为供电电缆；对于气动潜水泵，潜水泵供能线7为供气管线。

阳极供电线5与阴极供电线6之间施加直流电压，其范围为10v至10000v。

本发明的工艺条件：即使用电渗强化降水的原位热脱附技术的工艺条件：加热深度，集水-抽提井深度，土壤最低目标温度，电渗电压。

加热井3的加热深度与污染土壤的厚度有关，可以达到20米或更多，集水-抽提井深度亦与污染土壤含水层的深度有关，可以达到20米或更多。

在待修复土壤1中分别设外表面导电的加热井3与外表面导电的集水-抽提井10；若干加热井在集水-抽提井的周围分布，两个井的距离不超过10米；

对于燃气热脱附，加热供能器4为燃气燃烧控制器，加热井3为高温烟气管；对于电加热热脱附，加热供能器4为供电控制器，加热井3为电热管；对于蒸汽加热热脱附，加热供能器4为蒸汽注入井头，加热井3为蒸汽注入管。

在待修复土壤1中设置加热井3与外表面导电的集水-抽提井10外表面导电电渗降水且加热脱附加热的或其它方式加热污染土壤；较深的集水-抽提井10，其深度要求为大于0.5m。所要求的集水-抽提井10中，可设置潜水泵11与潜水泵供能线7。根据不同形式的潜水泵11，选用相匹配的潜水泵供能线7。具体的，潜水泵11对于电动潜水泵，潜水泵供能线7为供电电缆；对于气动潜水泵，潜水泵供能线7为供气管线。

Claims (10)

1.一种电渗强化降水与原位热脱附的土壤修复系统，其特征是，包括待修复土壤(1)、阻隔层(2)、加热井(3)、加热供能器(4)、阳极供电线(5)、阴极供电线(6)、潜水泵供能线(7)、真空抽气口(9)、外表面导电的集水-抽提井(10)；真空抽气口(9)设置在外表面导电的集水-抽提井(10)的上部位置；

加热井(3)埋入地下部分的外表面需导电；

在外表面导电的加热井(3)与外表面导电的集水-抽提井(10)的上分别连接阳极供电线(5)与阴极供电线(6)；阳极供电线(5)与阴极供电线(6)之间分别接直流电源的正极与负极；

在待修复土壤(1)中分别设置外表面导电的加热井(3)与外表面导电的集水-抽提井(10)；两个井的距离一般不超过10米；

待修复土壤(1)表面覆盖阻气、阻水隔热的阻隔层(2)；

加热供能器(4)与加热井(3)连接或在加热井(3)内；

集水-抽提井(10)顶端留有真空抽气口(9)；

集水-抽提井(10)的所有出地结构均为全封闭结构；

集水-抽提井(10)井内设置排液管(8)，集水-抽提井(10)地下部分为透水结构。

2.根据权利要求1所述的使用电渗强化降水的原位热脱附系统，其特征是，7)对于较深的集水-抽提井(10)井内设置潜水泵(11)与潜水泵供能线(7)和排液管(8)；潜水泵(11)通过排液管(8)上方出口排出井口。

3.根据权利要求1所述的使用电渗强化降水的原位热脱附系统，其特征是，所述的加热井(3)的加热供能器(4)为燃气热脱附、电加热热脱附、蒸汽加热热脱附。

4.根据权利要求1、2所述的使用电渗强化降水的原位热脱附系统，其特征是，在待修复土壤1中分别设外表面导电的加热井3与外表面导电的集水-抽提井10；若干加热井在集水-抽提井的周围分布，两个井的距离不超过10米。

5.根据权利要求4所述的使用电渗强化降水的原位热脱附系统，其特征是，对于燃气热脱附，加热供能器(4)为燃气燃烧控制器，加热井(3)为高温烟气管；对于电加热热脱附，加热供能器(4)为供电控制器，加热井(3)为电热管；对于蒸汽加热热脱附，加热供能器(4)为蒸汽注入井头，加热井(3)为蒸汽注入管。

6.根据权利要求1或2所述的使用电渗强化降水的原位热脱附系统，其特征是，所述的加热井(3)，其特征是加热井(3)埋入地下部分的外表面需导电。

7.根据权利要求1或2所述的使用电渗强化降水的原位热脱附系统，其特征是，对于燃气热脱附，加热井(3)为高温烟气管，其材质可采用金属管，如不锈钢钢管等；对于电加热热脱附，加热井(3)外部可采用金属管；对于蒸汽加热热脱附，加热井(3)为蒸汽注入管，其材质可采用金属管，如不锈钢花管、不锈钢割缝管；集水-抽提井(10)地下部分外表面可包覆丝网、外部填砂粒或导电炭粒等作为阻止泥沙进入过滤结构；

集水-抽提井(10)须包覆丝网至少有一种采用导电材料，包括不锈钢管、金属丝网、导电炭粒等；能保证集水-抽提井(10)的导电性能。

8.根据权利要求1或2所述的使用电渗强化降水的原位热脱附系统，其特征是，增加加热井(3)的导电性能，在加热井(3)的外表面可以镀、包覆、堆叠导电材料，比如镀上耐腐蚀的过渡金属、包覆不锈钢丝网、堆叠导电炭粒等。

9.根据权利要求1或2所述的使用电渗强化降水的原位热脱附系统，其特征是，所述的集水-抽提井(10)埋入地下部分的需耐腐蚀、具有透水的空隙、可以阻止泥沙进入过滤结构和导电的外表面。具体的，集水-抽提井(10)地下部分的材质可选用不锈钢管或混凝土管等。进一步的，集水-抽提井(10)地下部分需要可以采用花管、割缝管、开孔管等制作以满足透水性要求。

10.根据权利要求1-9之一所述的使用电渗强化降水的原位热脱附系统使用电渗强化降水的原位热脱附方法，其特征是，用电渗强化降水的原位热脱附技术的土壤；控制加热深度，集水-抽提井深度，土壤最低目标温度，电渗电压的范围处理污染土壤和地下水；加热井的加热深度与污染土壤的厚度有关，能达到20米或更多，集水-抽提井深度亦与污染土壤含水层的深度有关，能达到20米或更多；阳极供电线(5)与阴极供电线(6)之间施加直流电压，由于加热阶段土壤的电阻率会逐渐增大，因此施加的电压跨度较大，其范围为5v至10000v；在待修复土壤中分别设外表面导电的加热井与外表面导电的集水-抽提井；若干加热井在集水-抽提井的周围分布，两个井的距离不超过10米；对于燃气热脱附，加热供能器(4)为燃气燃烧控制器，加热井为高温烟气管；对于电加热热脱附，加热供能器为供电控制器，加热井为电热管；对于蒸汽加热热脱附，加热供能器为蒸汽注入井头，加热井为蒸汽注入管。

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