CN114453404A - 一种污染场地的热耦合修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污染场地的热耦合修复方法。所述热耦合修复方法包括下列步骤：(1)建立止水帷幕和建井；(2)抽水降水；(3)精准加热；(4)注水降温；(5)技术耦合；(6)修复达标。本发明污染场地的热耦合修复方法可大幅节约加热能耗，降低修复成本，符合绿色可持续修复理念。

Description

一种污染场地的热耦合修复方法

技术领域

本发明涉及一种污染场地的热耦合修复方法，属于污染土壤修复领域。

背景技术

近年来，原位热脱附技术因其受土壤渗透性和异质性影响小、二次污染风险低、去除率高、修复工期短等优势而受到广泛关注。但能耗高成为该技术进一步广泛应用的瓶颈因素。水的比热容是4.2×10³J/(kg·℃)，干泥土的比热容是0.84×10³J/(kg·℃)，水的比热是土壤的四倍多；并且，水的蒸发焓约为2250×10³J/kg，而1kg水由自然条件下(约10℃)加热至100℃，升温90℃，需要的热量为378×10³J/kg，1kg水由液态变为汽态需要的热量是其加热至100℃的六倍左右。由此可见，造成原位热脱附能耗过高的主要因素是水含量过高，或是加热目标温度高于100℃，需要将土壤水分蒸干造成的。

另外，采用原位热脱附修复的污染场地，通常再开发利用迫切，对工期时间敏感，然而，尽管原位热脱附技术修复工期短，但在修复达标后，降温阶段却十分缓慢，某些原位热脱附修复场地，在停止加热一年半多以后，地下水温度仍在60-70℃以上。如何快速降温，缩短修复后至再开发利用前的等待时间，同样是原位热脱附技术实际应用中需要解决的问题。

原位热脱附过程中，抽提尾气中污染物的浓度是呈“抛物线”形式，即随着加热温度和加热时间的增加，污染物浓度先增高后降低，最后归于稳定，即单位能耗的净效益是逐渐减低的。尽管原位热脱附技术的去除率高，对大部分污染物可达90％以上，部分甚至可达99.9％以上，然而根据工程经验，对于大多数挥发性有机化合物而言，在目标污染物去除率的基础上“加9”(例如，从90％变为99％或从99％变为99.9％)，将使整个项目成本增加10％至20％。因此，对于修复目标值严格、修复目标值低的污染场地，采用单一的原位热脱附技术，尽管可以达到修复目标，但随着土壤中污染物含量的降低，其“投入/产出比”是逐渐降低的，特别是修复过程的后期，问题尤为突出。因此，迫切需求解决热修复阶段后期投入产出比低的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提出了一套综合性的解决方案，并具体提出了一种污染场地的热耦合修复方法，包括下列步骤：

(1)建立止水帷幕和建井：根据场地调查所确定的污染物范围，并结合场地布局和修复批次顺序，分区建立止水帷幕，为后续步骤的实施提供保障条件，在此基础上，按照三角形布局，建立加热井和抽提井，使其分别位于三角形的顶点和中心点；围绕加热井和抽提井，沿不同方向和距离，建立土壤温度监测井、土壤压力监测井和地下水监测井；通过建立止水帷幕，既可防止外界地下水流入，保证抽提降水效果，又可降低加热过程中因地下水流动造成的热损失，并防止造成污染物扩散；后续经抽水降水后，可使原来位于地下水位以下的非连续污染物地层由饱和带变成包气带，便于对特定污染物地层进行定深加热和抽提，防止挥发污染物对非污染地层造成二次污染；

(2)抽水降水：根据场地具体情况，对于目标加热温度较高的饱和带地层进行抽水降水操作，以减少后续步骤的加热成本，抽提出的地下水经过处理，修复达标后排出或是回收利用，对于目标加热温度较低的饱和带地层则不做处理；

(3)精准加热：根据污染物的沸点和地层分布情况，进行多地层多温度梯度定深精准加热；一方面，通过精准加热深度范围，减少非必要加热的土方量，可降低加热能耗，另一方面，通过根据不同沸点污染物的地层分布情况，优化各地层的目标加热温度，可进一步降低加热能耗，如多环芳烃等SVOCs迁移性差，易在浅层包气带富集，目标加热温度可高于100℃，而卤代烃和苯系物等VOCs迁移性强，易在深层富集，目标加热温度可控制在100℃以内；

(4)注水降温：当达到修复中期目标，开始注水降温，控制注入水量和次数，使热脱附的土壤快速降温至目标温度；本步骤可大幅缩短降温时间；

(5)技术耦合：当土壤降温至40-50℃时，在注水过程中添加修复药剂，并在注药的同时配合抽提，以优化药剂迁移扩散效果；在本步骤，修复阶段转入以热耦合技术为主的清洁“抛光”阶段，可降低整体修复能耗；其技术耦合机制为：①热脱附后的土壤，由于毛细管孔隙水挥发，水变汽体积增大1600倍，大孔隙比例增加，渗透性增强，有利于药剂的注入和扩散，使药剂与污染土壤接触更充分；②热脱附后污染物含量更低，药剂需求量更低，微生物更容易存活；③部分原本难氧化、难被微生物降解的污染物，经过加热发生一系列化学反应，可生成易被氧化和生物利用的产物；

(6)修复达标：待污染物修复至最终目标值，验收合格。

优选的，步骤(1)中所述止水帷幕是采用拉森钢板桩、水泥搅拌桩或高压旋喷桩的方式建立。

优选的，步骤(1)中所述止水帷幕是采用拉森钢板桩的方式建立；该方式安装快速、扰动小、可回收。

优选的，步骤(2)中所述的目标加热温度较高是指目标加热温度＞100℃，所述的目标加热温度较低是指目标加热温度不超过100℃。

优选的，步骤(2)中所述抽提出的地下水是经过吹脱、化学氧化等方式进行地上处理。

优选的，步骤(4)中所述注水操作是利用原有的抽提井作为注水井。

优选的，步骤(4)中所述注水操作的水源为步骤(2)中经处理后的地下水。

优选的，步骤(5)中所述修复药剂包括氧化剂、还原剂、营养液、菌剂和pH调节剂的其中之一或其组合。

请参阅图1与图2所示，其为本发明污染场地的热耦合修复策略图及方法流程图。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明可大幅节约加热能耗，降低修复成本，符合绿色可持续修复理念。通过建立止水帷幕，抽提降水，可减少场地内的地下水量，大幅降低后续加热能耗。对于饱和带区域，假设土壤孔隙度为40％，地下水饱和度为1.0，给水度为0.20，初始温度为10℃，对于VOCs和SVOCs的加热目标温度分别设为100℃和300℃，通过止水帷幕和抽提降水，减少处理区地下水量，单此措施就可使单位体积土壤的加热能耗分别降低38％和36％；并且，地下水量的减少，同时意味着后续蒸汽产量的降低，同样可降低抽提和尾气处理的能耗，该部分对应的能耗可降低约50％左右。通过多地层多目标温度梯度定深精准加热，优化加热区域和目标温度，可减少非必要加热土方量和防止非必要过高加热温度，进一步降低加热能耗。

2、本发明大幅缩短了修复工期：通过抽提降水，由于整体所需能耗的降低，在同样加热方式的条件下，升温期可缩短加热时间约1/3，原位热脱附的升温期通常约3-5个月，可缩短加热1-2月；相比于其他降温措施(如注气/抽气)，通过注水降温，可实现快速降温，使降温期由通常的7-8个月以上缩短至1-2月。

3、本发明实现了余热利用，高效修复：通过注水降温与其他技术耦合，注入功能药剂，既使实现了余热利用，又在热强化的条件下提高了耦合技术的修复效率和速率，实现了对污染物的整体高效修复。

附图说明

图1为本发明污染场地的热耦合修复策略图；

图2为本发明污染场地的热耦合修复方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例

选取某有机污染地块进行修复，该地块内包含A、B两个不同污染程度的区域，具体污染情况如表1所示。

表1土壤污染情况

该地块地下水埋深3m，水位浅，地下水丰富；两个区域污染深度差异大，并且主要污染物氯苯和三氯乙烯的沸点差异也大，分别为132℃和87℃，苯的沸点为80℃。

原修复方案采用热脱附技术，加热深度范围为从上至下通体加热，目标温度分别135℃和90℃。

采用本发明的具体修复步骤如下：

(1)建立止水帷幕和建井：根据污染深度的不同，将A、B两个区域分别建立止水帷幕，止水帷幕深度深入污染区域下方的隔水底板(-20m)；并建设加热井(深度比污染深度低0.5m，井间距3～5m)和抽提井(深度与污染深度齐平，井间距为6-10m)，使其分别位于三角形的顶点和中心点；围绕加热井和抽提井，沿不同方向和距离，建立土壤温度/压力监测井(距离加热井1m、2m和2.3m，分别对应加热区域的热点、冷点和几何中心)、地下水监测井(以抽提井位中心，沿东西南北四个方向，分别距离抽提井约1m、2m、3m和4m)；

(2)抽水降水：采用地面离心泵，通过抽提井抽提地下水，根据地下水回水情况，采用连续或间歇式抽提，单口抽提井抽提速率为1～3m³/h，以减少土壤中地下水含量，使A区、B区地下水位分别降低至-15m和-18m；

(3)精准加热：降水后，通过加热井，根据土壤污染深度进行定深精准加热，A、B两个区域的加热深度分别为3～15.5m、12～18.5m(对于B区域，可减少非必要加热土方量约2/3，对应的处理能耗相应减少2/3)；根据污染物的沸点，确定加热目标温度分别为80℃和90℃。对于A区域，主要污染物为苯系物和氯苯，加热温度为80℃，可去除几乎全部的苯和部分氯苯；对于B区域，主要污染物为苯系物和氯苯，加热温度为90℃，可去除几乎全部的苯和三氯乙烯。达到目标温度后，保温15-30天。结合抽提气体中污染物浓度变化的监测结果(降至最低并保持平稳)和土壤采样检测结果(污染物去除率已达90％或99％以上，或修复达标)，停止加热(如继续采用热脱附，投入产出低)；加热过程中，为防止污染物扩散，气体抽提需一直开启，通过观测土壤压力表，使土壤压力一直保持在负压状态；

(4)注水降温：如上一步未修复达标，可利于余热，与微生物或化学修复技术耦合，以更经济的方式修复达标，技术耦合适宜的温度范围为30℃～50℃。对于A区土壤温度为80℃，通过注气抽气降温，降温速率约为5～7天降温1℃；由80℃降温至50℃，至少需要约150天；通过注水抽水，可在短期内实现土壤迅速降温，单口井注水速率约为1～2m³/h，通常约7～10天，大幅缩短等待时间；注水过程中，为便于水的扩散，交流换热，可同时进行抽水，抽出的水经过处理后(净化和散热)，可回注地下；通过监测土壤温度，当温度接近目标温度40～50℃时，停止注水。如通过上一步精准加热，土壤已经修复达标，注水降温，可快速满足场地移交的土壤温度要求，缩短再开发利用等待时间。

(5)技术耦合：对于A区域，存在较高沸点(>100℃)污染物，采用单一低温(<100℃)热脱附，不容易修复达标的污染区域，结合污染物(氯苯)比较容易被氧化的特点，注入浓度为10～50mg/L的过硫酸钠溶液，利用余热活化过硫酸钠(活化温度40～50℃)，可提高化学氧化的氧化能力和反应速率，提高污染物的去除率和缩短反应时间；经过1～2次注入，反应约30～60天，可修复达标；为促进药剂的扩散，注药过程中同样可以配合抽提，通过调整抽提/注入井的空间布局优化药剂的流向。

(6)修复达标。经过检测，土壤修复达标；经过成本核算，采用本方法兼顾了成本与工期，大幅降低了处理能耗，如表2和表3所示。

表2修复结果

表3修复工期和处理能耗

	修复工期(天)	处理能耗(kWh/m<sup>3</sup>)
			本实施例	约150	约180
经验值	约380	约340
			降低比例	60％	47％

Claims (8)

1.一种污染场地的热耦合修复方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)建立止水帷幕和建井：根据场地调查所确定的污染物范围，并结合场地布局和修复批次顺序，分区建立止水帷幕，为后续步骤的实施提供保障条件，在此基础上，按照三角形布局，建立加热井和抽提井，使其分别位于三角形的顶点和中心点；围绕加热井和抽提井，沿不同方向和距离，建立土壤温度监测井、土壤压力监测井和地下水监测井；

(2)抽水降水：根据场地具体情况，对于目标加热温度较高的饱和带地层进行抽水降水操作，以减少后续步骤的加热成本，抽提出的地下水经过处理，修复达标后排出或是回收利用，对于目标加热温度较低的饱和带地层则不做处理；

(3)精准加热：根据污染物的沸点和地层分布情况，进行多地层多温度梯度定深精准加热；

(4)注水降温：当达到修复中期目标，开始注水降温，控制注入水量和次数，使热脱附的土壤快速降温至目标温度；

(5)技术耦合：当土壤降温至40-50℃时，在注水过程中添加修复药剂，并在注药的同时配合抽提，以优化药剂迁移扩散效果；

(6)修复达标：待污染物修复至最终目标值，验收合格。

2.根据权利要求1所述的热耦合修复方法，其特征在于，步骤(1)中所述止水帷幕是采用拉森钢板桩、水泥搅拌桩或高压旋喷桩的方式建立。

3.根据权利要求2所述的热耦合修复方法，其特征在于，步骤(1)中所述止水帷幕是采用拉森钢板桩的方式建立。

4.根据权利要求1所述的热耦合修复方法，其特征在于，步骤(2)中所述的目标加热温度较高是指目标加热温度＞100℃，所述的目标加热温度较低是指目标加热温度不超过100℃。

5.根据权利要求1所述的热耦合修复方法，其特征在于，步骤(2)中所述抽提出的地下水是经过吹脱、化学氧化等方式进行地上处理。

6.根据权利要求1所述的热耦合修复方法，其特征在于，步骤(4)中所述注水操作是利用原有的抽提井作为注水井。

7.根据权利要求1所述的热耦合修复方法，其特征在于，步骤(4)中所述注水操作的水源为步骤(2)中经处理后的地下水。

8.根据权利要求1所述的热耦合修复方法，其特征在于，步骤(5)中所述修复药剂包括氧化剂、还原剂、营养液、菌剂和pH调节剂的其中之一或其组合。

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