CN113333450B - 一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，包括搅拌桶、搅拌机、加热系统和废气处理装置；搅拌桶是由三段管道依次连接组成的两端封闭的筒体，三段管道依次分别为第一管道、第二管道和第三管道；第二管道是由外管和内管组成的同轴双层套管结构；搅拌机位于搅拌桶轴向中心；加热系统包括若干真空太阳能集热管、电辅热装置、温度探测器和控制器；真空太阳能集热管由玻璃外管和金属内管组成；金属内管与第二管道的外管连通，形成循环加热通道，内有传热介质流动；电辅热装置和温度探测器均设于搅拌桶第二管道外管内的下部；电辅热装置和温度探测器均与控制器连接。本发明具有节约能耗、工艺灵活等优点。

Description

一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置
技术领域
本发明属于环保领域，涉及一种土壤修复装置，尤其涉及一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置。
背景技术
重金属和有机物复合污染土壤在修复场地中占比越来越大，可采用的修复方法也较多，随着修复技术的不断发展，一体化的修复装置也在不断地革新。对于重金属和有机复合污染土壤而言，目前市场上相对成熟且应用较多的工艺为固化稳定化和热脱附/高级氧化的组合工艺。对于挥发性有机物，较低的加热温度(30℃～100℃左右)即可实现热脱附效果；对于半挥发性有机物，活化过硫酸盐产生的强氧化性硫酸根自由基可有效分解多种有机物，而其中的热活化作为一种清洁的活化技术，热活化温度低(45～70℃左右)，不引入新的污染物，实际应用性更强。无论是热脱附还是热活化过硫酸盐的高级氧化技术，都需要有热源，目前大部分装置的热源来源于电能，能耗较高，造成修复成本较高。太阳能作为一种绿色能源已涉及到生产生活的方方面面，最常见的是将太阳能转化成电能的再利用。但是对于大部分修复场地，通常处于野外阳光充足的地方，却较少将太阳能直接应用在修复场地上，极大地浪费了天然的能源利用条件。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种修复装置，可将太阳能直接应用在有机污染土壤修复，节约土壤修复过程中的加热能耗，降低修复费用，同时实现重金属和有机物复合污染土壤的修复。
为实现上述目的，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，具有这样的特征：包括搅拌桶、搅拌机、加热系统和废气处理装置；
所述搅拌桶是由三段管道依次连接组成的两端封闭的筒体，三段管道依次分别为第一管道、第二管道和第三管道；第一管道和第三管道均为单层管结构，第一管道和第三管道的管体前端上部分别具有第一进料口和第二进料口，第三管道的管体末端下部具有第一出料口；第二管道是由外管和内管组成的同轴双层套管结构，外管和内管之间形成环形密闭空腔，外管上部具有排气阀和进水口，下部具有排水口，表面包裹保温材料；第一管道、第二管道内管和第三管道依次密闭连接；搅拌桶下部具有支撑结构；
所述搅拌机为螺旋式搅拌机，位于搅拌桶轴向中心，在搅拌桶内进行搅拌；
所述加热系统包括若干真空太阳能集热管、电辅热装置、温度探测器和控制器；真空太阳能集热管由玻璃外管和金属内管组成，玻璃外管在金属内管外与金属内管之间形成密闭真空空腔；金属内管为中空无缝管，金属内管外表面涂有太阳能选择性吸收涂层；若干真空太阳能集热管位于搅拌桶第二管道的侧下方，通过支架固定支撑；金属内管与第二管道的外管连通，若干金属内管的管腔与第二管道的密闭空腔形成循环加热通道，循环加热通道内有传热介质，传热介质在循环加热通道中流动；电辅热装置和温度探测器均设于搅拌桶第二管道外管内的下部，电辅热装置可加热循环加热通道中流动的传热介质，温度探测器检测传热介质的温度；电辅热装置和温度探测器均与控制器连接，温度探测器将检测的温度数据传输给控制器，当传热介质温度低于设定温度时，控制器启动电辅热装置进行加热；
废气处理装置与搅拌桶连接，搅拌桶内反应产生的气体进入废气处理装置处置后排入大气。
进一步，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，还可以具有这样的特征：其中，所述第二管道的内管末端下部具有第二出料口。
进一步，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，还可以具有这样的特征：其中，所述搅拌桶为碳钢或不锈钢材质，内表面具有防腐涂层。
进一步，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，还可以具有这样的特征：其中，所述第一进料口、第二进料口、第一出料口和第二出料口均为碳钢或不锈钢结构，内表面具有防腐涂层，通过焊接或法兰与搅拌桶连接。
进一步，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，还可以具有这样的特征：其中，所述第一进料口、第二进料口、第一出料口和第二出料口均具有阀门，通过阀门控制进出料和搅拌桶的气密性。
进一步，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，还可以具有这样的特征：其中，所述传热介质为水。
进一步，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，还可以具有这样的特征：其中，所述搅拌机为单轴、多轴或者无轴搅拌机。
进一步，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，还可以具有这样的特征：其中，所述搅拌机为不锈钢材质。
进一步，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，还可以具有这样的特征：其中，所述真空太阳能集热管的玻璃外管为高硼硅玻璃，金属内管为不锈钢。
进一步，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，还可以具有这样的特征：其中，所述第二管道的内管长度大于外管。
本发明的有益效果在于：
一、本装置通过真空太阳能集热管将太阳能直接转化成热能，大大节约土壤修复过程中的加热能耗，降低修复费用。
二、本装置内的真空太阳能集热管采用金属内管，相比于传统的全玻璃真空集热管，安全性更高，更适合于野外修复场地使用。
三、通过将热脱附、热活化氧化与固化稳定化相结合，实现了一个装置内不仅能单独进行挥发性有机污染土壤的热脱附及半挥发性有机污染土壤的热活化化学氧化修复，也能同时处理重金属、挥发性、半挥发性有机复合污染土壤的修复，工艺灵活。
四、本装置整体为密闭结构，通过设置废气处理装置，可实现修复过程零二次污染。
附图说明
图1是重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置的主视结构示意图；
图2是第二管道的侧视结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，包括搅拌桶1、搅拌机2、加热系统3和废气处理装置4。
搅拌桶1是由三段管道依次连接组成的两端封闭的圆柱形筒体，三段管道依次分别为第一管道11、第二管道12和第三管道13。
第一管道11和第三管道13均为单层管结构。第一管道11和第三管道13的管体前端上部分别具有第一进料口14和第二进料口15，第三管道13的管体末端下部具有第一出料口16。
如图1和2所示，第二管道12是由外管121和内管122组成的同轴双层套管结构，外管121和内管122之间形成环形密闭空腔。外管121上部具有排气阀123和进水口124，下部具有排水口125，表面包裹保温材料。
第一管道11、第二管道12的内管122和第三管道13依次通过焊接或者法兰等方式密闭连接。具体的，第二管道12的内管122长度大于外管121，使得内管122的两端方便通过焊接或者法兰等方式与第一管道11和第三管道13固定连接。
其中，第二管道12的内管122末端下部具有第二出料口17，可用于采集部分土壤样品，以分析检测土壤的处理效果。
第一进料口14、第二进料口15、第一出料口16和第二出料口17均具有阀门，通过阀门控制进出料和筒体的气密性，阀门可选插板阀和星型阀等阀门。
搅拌桶1下部具有支撑结构18。
其中，搅拌桶1为碳钢或者不锈钢材质，内表面具有防腐涂层。第一进料口14、第二进料口15、第一出料口16和第二出料口17均为碳钢或者不锈钢结构，内表面具有防腐涂层，通过焊接或法兰与搅拌桶1连接。
搅拌机2为螺旋式搅拌机，位于搅拌桶1轴向中心，在搅拌桶1内进行搅拌。搅拌机2为单轴、多轴或者无轴搅拌机，不锈钢材质。
加热系统3包括若干真空太阳能集热管31、电辅热装置32、温度探测器33和控制器34。
真空太阳能集热管31由玻璃外管和金属内管组成，玻璃外管在金属内管外、与金属内管之间形成密闭真空空腔。玻璃外管为高硼硅玻璃。金属内管为中空不锈钢无缝管，金属内管外表面涂有太阳能选择性吸收涂层。
若干真空太阳能集热管31位于搅拌桶1第二管道12的侧下方，通过支架311固定支撑。金属内管与第二管道12的外管121连通，若干金属内管的管腔与第二管道12的密闭空腔形成循环加热通道，循环加热通道内有传热介质，传热介质在循环加热通道中流动。传热介质为水。具体的，金属内管顶部开口，并插入第二管道12的外管121内，且与第二管道12外管121密闭连接，即玻璃外管未完全套在整个金属内管外，是与除顶端外的剩余金属内管管壁形成真空空腔。
如图1和2所示，电辅热装置32和温度探测器33均设于搅拌桶1第二管道12外管121内的下部，具体的，是电辅热装置32的加热器件和温度探测器33的探测头设于外管121内。电辅热装置32可加热循环加热通道中流动的传热介质，温度探测器33检测传热介质的温度。
控制器34设于搅拌桶1的支撑结构18上。电辅热装置32和温度探测器33均通过线路与控制器34连接，温度探测器33将检测的温度数据传输给控制器34，当传热介质温度低于设定温度时，控制器34启动电辅热装置32进行加热。
废气处理装置4通过管道和阀门与搅拌桶1连接，搅拌桶1内反应产生的气体通过引风机进入废气处理装置4处置后排入大气。
本装置处理污染土壤的过程包括三个阶段，第一阶段为土壤破碎、土壤和药剂的混合阶段，此阶段主要在第一管道11区域内发生。第二阶段为挥发性有机物的热脱附及半挥发性有机物的热活化化学氧化过程，此阶段在第二管道12区域内发生。第三阶段为重金属污染物的固化稳定化过程，此阶段第三管道13区域内发生。
本装置内的加热系统3的基本原理为：真空太阳能集热管31内的传热介质水在太阳光的照射下吸收太阳能后逐渐升温，根据热水上浮冷水下沉的原理，真空太阳能集热管31金属内管内的水与第二管道12环形密闭空腔内的水将形成微循环，随着水体的流动，热量源源不断地传递给搅拌桶1内的土壤。土壤温度的升高，一方面可以加快挥发性有机物的挥发过程，另一方面可以作为过硫酸盐的激活热源，促进过硫酸盐热活化释放硫酸根强氧化自由基，强化有机物的氧化作用。
本装置处理含重金属和挥发性有机复合污染土壤的过程为：将粒径小于3cm的含重金属和挥发性有机物的污染土壤通过第一进料口14投加入搅拌桶1内，首先在搅拌机2的搅拌作用下充分破碎混合预处理，随后在加热系统3的加热作用下，土壤中的挥发性有机物不断地向外挥发，并被废气处理装置4收集处理后排入大气。经热脱附后的土壤在搅拌机2的作用下继续向前移动，此时，可根据土壤中所含重金属的种类通过第二进料口15向搅拌桶1内投加相应的固化剂/稳定剂，土壤在搅拌机2的作用下与药剂充分混合后，通过第一出料口16排出，最终运至养护区养护。当太阳能源不足，温度探测器33感应到加热温度不足时，控制器34将启动电辅热装置32补充系统热能。此外，通过第二出料口17可采集部分土壤样品检测挥发性有机物是否处理合格。
本装置处理含重金属和半挥发性有机复合污染土壤的过程为：粒径小于3cm的含重金属和半挥发性有机物的污染土壤、过硫酸盐(也可同步加入适量石灰)通过第一进料口14投加入搅拌桶1内，土壤和药剂在搅拌机2的搅拌作用下充分破碎混合预处理，随后在加热系统3的加热作用下，过硫酸盐释放强氧化性的硫酸根自由基，将土壤中的半挥发性有机物氧化去除。氧化过程中可能产生的次生污染物被废气处理装置4收集处理后排入大气。经热活化氧化后的土壤在搅拌机2的作用下继续向前移动，此时，可根据土壤中所含重金属的种类通过第二进料口15向搅拌桶1内投加相应的固化剂/稳定剂，土壤在搅拌机2的作用下与药剂充分混合后，通过第一出料口16排出，最终运至养护区养护。当太阳能源不足，温度探测器33感应到加热温度不足时，控制器34将启动电辅热装置32补充系统热能。

Claims (10)

1.一种重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
包括搅拌桶、搅拌机、加热系统和废气处理装置；
所述搅拌桶是由三段管道依次连接组成的两端封闭的筒体，三段管道依次分别为第一管道、第二管道和第三管道；
第一管道和第三管道均为单层管结构，第一管道和第三管道的管体前端上部分别具有第一进料口和第二进料口，第三管道的管体末端下部具有第一出料口；
第二管道是由外管和内管组成的同轴双层套管结构，外管和内管之间形成环形密闭空腔，外管上部具有排气阀和进水口，下部具有排水口，表面包裹保温材料；
第一管道、第二管道内管和第三管道依次密闭连接；
搅拌桶下部具有支撑结构；
所述搅拌机为螺旋式搅拌机，位于搅拌桶轴向中心，在搅拌桶内进行搅拌；
所述加热系统包括若干真空太阳能集热管、电辅热装置、温度探测器和控制器；
真空太阳能集热管由玻璃外管和金属内管组成，玻璃外管在金属内管外与金属内管之间形成密闭真空空腔；金属内管为中空无缝管，金属内管外表面涂有太阳能选择性吸收涂层；
若干真空太阳能集热管位于搅拌桶第二管道的侧下方，通过支架固定支撑；金属内管与第二管道的外管连通，若干金属内管的管腔与第二管道的密闭空腔形成循环加热通道，循环加热通道内有传热介质，传热介质在循环加热通道中流动；
电辅热装置和温度探测器均设于搅拌桶第二管道外管内的下部，电辅热装置可加热循环加热通道中流动的传热介质，温度探测器检测传热介质的温度；
电辅热装置和温度探测器均与控制器连接，温度探测器将检测的温度数据传输给控制器，当传热介质温度低于设定温度时，控制器启动电辅热装置进行加热；
废气处理装置与搅拌桶连接，搅拌桶内反应产生的气体进入废气处理装置处置后排入大气。
2.根据权利要求1所述的重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
其中，所述第二管道的内管末端下部具有第二出料口。
3.根据权利要求1所述的重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
其中，所述搅拌桶为碳钢或不锈钢材质，内表面具有防腐涂层。
4.根据权利要求2所述的重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
其中，所述第一进料口、第二进料口、第一出料口和第二出料口均为碳钢或不锈钢结构，内表面具有防腐涂层，通过焊接或法兰与搅拌桶连接。
5.根据权利要求2所述的重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
其中，所述第一进料口、第二进料口、第一出料口和第二出料口均具有阀门，通过阀门控制进出料和搅拌桶的气密性。
6.根据权利要求1所述的重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
其中，所述传热介质为水。
7.根据权利要求1所述的重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
其中，所述搅拌机为单轴、多轴或者无轴搅拌机。
8.根据权利要求1所述的重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
其中，所述搅拌机为不锈钢材质。
9.根据权利要求1所述的重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
其中，所述真空太阳能集热管的玻璃外管为高硼硅玻璃，金属内管为不锈钢。
10.根据权利要求1所述的重金属和有机物复合污染土壤的太阳能集热修复装置，其特征在于：
其中，所述第二管道的内管长度大于外管。
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