CN202591210U - 一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，在污染土壤区域中形成土层开口作为加热井，加热井中安放加热器部件，加热井中心至少形成一个土层开口作为抽提井，在抽提井中部署真空系统，抽提井连接有真空管；通过地表供电系统提供的电源加热加热器部件，再由加热器部件将其热量传递给邻近土壤，加热产生的尾气由真空系统提取至地面，经真空管收集，收集后的尾气传输到污染物地表收集及处理设施，经处理后达标排放。本实用新型能在对各类型土壤及各种地表条件下实现挥发性及半挥发性有机物污染土壤原位快速、低廉修复，又避免大规模地挖掘土壤带来的二次污染问题。

Description

一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置

技术领域

本实用新型属于环境保护技术领域，特别是涉及土壤修复技术，尤其是一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置。 

背景技术

我国改革开放以来，因化工企业搬迁遗留了大量受污染的工业场地，污染企业搬迁引发的环境污染事故和对人体健康伤害的事件也时有发生，已成为城市土地开发引发环境纠纷的主要因素之一。化工企业排放的污染物苯、甲苯等苯系物及农业上应用的有机氯类农药对土壤的污染也逐渐增多。而石油工业的发展则带来了汽油、由柴油等挥发性(VOCs)和半挥发性有机物(SVOCs)带来的溢油事故，如输油管线破裂，储油槽渗漏等引发的土壤环境污染问题。如果这些污染物质残留在土壤中，必将进一步进入水体、大气及食物链中，会对生态环境及人体健康带来极大的危害。 

目前，对土壤中污染物的去除有多种装置，如挖掘后焚烧、原位砖化、生物处理、化学添加剂或钝化等。尽管这些装置成功用于某些实例，但是由于其费用昂贵且存在一定不足，因此在大范围的土壤污染治理中不切实际。而土壤气相抽提技术是一种利用物理方法，利用物理方法去除不饱和土壤中挥发性有机物，用真空设备产生负压驱使空气流过土壤孔隙，从而夹带挥发性有机物流向抽取系统，并将这些挥发性的有机物抽提到地面后收集和处理的一种技术。原位土壤气提技术适用于处理亨利系数大于0.01或者蒸汽压大于66.66Pa的挥发性有机化合物，如挥发性有机卤代物或非卤代物，也可用于去除土壤中的油类、重金属、多环芳烃或二噁英等污染物土壤气相抽提技术可有效去除易挥发性有机污染物，但对于沸点较高的半挥发性有机污染效果较差。热处理强化技术，一般是指通过直接或间接热交换，将污染介质及其所含的有机污染物加热到足够的温度，使有机污染物从污染介质挥发或分离出来的过程。一般原位热处理技术都与土壤气提技术结合来实现对场地的修复。利用热强化技术对土壤加热，可改善土壤特性，提高土壤的渗透性及污染物的传质速度，热处理技术与SVE技术相结合，可增强SVE系统的处理能力，加快场地的治理速度。 

相关文献检索表明，中国专利(ZL200410056888.7)公开了一种挥发性和半挥发性有机物污染土壤场外治理工艺及装置。该专利由抽排气路装置的抽排井和控温传感器及加热装置埋入土筒中内组成。该专利主要使用真空抽提的装置进行挥发性/半挥发性的有机污染土壤的处理，处理量较小，不能满足较大范围污染土壤的工程应用需要。 

大多数已经存在去除污染物的装置及装置费用比较高，只作用于近地表土壤。对于更深的污染物，特别是小范围的区域，采用这些装置去除污染物都存在费用较高的问题。 

实用新型内容

针对上述问题中存在的不足之处，本实用新型提供了一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，能在对各类型土壤及各种地表条件下实现挥发性及半挥发性有机物污染土壤原位快速、低廉修复，又避免大规模地挖掘土壤带来的二次污染问题。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是： 

原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，包括：在污染土壤区域中形成土层开口作为加热井，加热井中安放加热器部件，加热井中心至少形成一个土层开口作为抽提井，在抽提井中部署真空系统，抽提井连接有真空管；通过地表供电系统提供的电源加热加热器部件，再由加热器部件将其热量传递给邻近土壤，加热产生的尾气由真空系统提取至地面，经真空管收集，收集后的尾气传输到污染物地表收集及处理设施，经处理后达标排放。 

在污染区域形成一定形式的土层开口作为加热井，在加热井内部署加热器部件，在一定形式的加热井中心至少形成一个土层开口作为抽提井，在其中部署真空系统来实现本装置。加热井中安装套管使加热器部件位于套管中央，并在其中填充催化剂或沙石砾石等导热材料。加热井通过安装在其中的加热器部件的热导作用向加热井及邻近区域的污染土壤提供热量在加热作用下，土壤污染物经蒸发、热解、氧化、燃烧及蒸馏等而形成简单小分子气体、水和污染物蒸汽等尾气。这些尾气由抽提井中的真空系统提取至地面，经与抽提井相连的真空管收集，转送到安装在地表的污染物处理设施进行处理与处置。在地表安装非渗透的密封板，以减少加热井、抽提井与大气的气体交换，防止污染物进入大气，形成二次污染。在非渗透密封板之上或之下安装热绝缘层以免热量散失。 

详细描述装置细节： 

通过在指定的污染区域钻得至少两口井眼分别作为加热井和抽提井，并使井眼至少穿透污染土层深度，直至达到非污染土层。在加热井和抽提井中分别安装加热器部件和真空系统，通过加热井中的加热器部件对土壤进行加热，将土壤中的污染物经热解、挥发、蒸发、及蒸馏成简单小分子气体及蒸汽等尾气。这些尾气通过抽提井中的真空系统收集，再经连接真空管道抽离到地表并转运到地表的污染物处理处置设施原位处理或异位处置。在污染区域布置的加热井及抽提井地表上可选择安装非渗透密封板，密封地表与加热井、抽提井，以减少修复区域大气与土壤的气体交换，导致污染物进入大气环境。如有需要还可在该非渗透密封板上覆盖热绝缘层，以免热量散失。如果加热器在地下较深部分，地表温度不高情况下，可不安装非渗透密封板及热绝缘层。同时，由地表供电系统为加热器部件、真空泵及地表污染物处理与处置设施提供电源，且加热井装配供电用的电路连接管，为加热器及真空泵输送电源。 

污染区域的加热井及抽提井布局及建造方式可依据待修复污染区域的几何特征及土壤污 染情况来确定。加热井按一定形式布局，布局的形式有利于加热器在较长的时间段内以均匀的方式将热量传递给邻近污染土壤，以便减少去除污染物所需的修复时间。加热井的间隔约0.9-6米，可根据具体污染区域面积来确定。在一定形式布局的加热井的中心点通过钻井建造抽提井，使加热井内及邻近污染土壤产生的尾气通过真空系统向抽提井内移动。 

在采用加热井对污染土壤进行加热前，可先对抽提井实施抽真空，以将污染土壤中挥发性的气态污染物直接抽离出污染土壤。而对于半挥发性及其它污染物，则先通过加热井对污染土壤进行加热，促进挥发性弱的污染物提高其挥发性，在加热状态下热解、挥发及其它作用来实现对污染物的去除。 

将加热器部件直接安装套管内，使加热器部件位于套管中央，再将套管布置于污染土壤中，或者直接将加热器部件布置于污染土壤中。加热井套管为不带打孔的套管，只是传导热量到污染土壤，减少气体进入加热井，以防加热井中积累过多的尾气，便于从抽提井及其邻近污染土壤中将尾气抽提出来。通过加热器部件向对污染土层进行加热，使得土层的温度达到污染物热解起始温度，随着温度的升高，土层中的污染物被进行热解，土层中的孔隙水被汽化，污染物随着汽化水由真空系统作用析出土层到达抽提井内。加热井套管安装于开口的土壤内，直至污染区域以下。套管与土层开口底部有一定剩余空间间隙，以便加热器部件底部的热量延伸。使用套管可以使加热器部件及催化剂或导热材料实现重复利用，降低修复成本。加热器部件也可直接安装于无套管的土壤中，并填充高渗透性砂粒以提高土壤热传导能力，节约加热井的安装时间及费用。 

在抽提井中部署多条长短不一的导管，将其固定在金属管道上并与之连通，金属管道与地表真空管道相连到真空泵上，在抽提井内保持负压，抽提井及邻近土壤中的尾气经抽提井内布置于不同位置的导管统一抽提到金属管道中，并与在安装在地表污染物处理处置设施相连接，以实现对尾气中污染物的去除。污染物处理与处置设施包括冷凝器、气液分离器、真空泵、污水储存箱、碱液洗涤塔、活性炭床及监测端口，通过该设施对尾气进行处理与处置，使尾气达标排放。真空泵及污染物处理设施由电缆与供电电源相连接实现对其供电。 

如果在近地表层也存在污染物，那么加热器部件应安装在近地表层位置。当去除地表层的污染物时，需在地表层安装非渗透软密封板密封土壤表层，以免污染土壤与大气之间产生气体交换。可在非渗透密封板上面或下面覆盖热绝缘层，如热毯。热绝缘层可减少通过地表造成的热损失，产生更多的有效能量。非渗透软密封板与地表层的密封可通过在地表层构筑水泥层，将密封板与水泥层通过焊接法兰等来实现。根据本装置将真空管道与非渗透密封板下地表层连接，以便在密封板下产生真空使密封板紧紧抽吸在贴近地表层以减少大气进入土壤，并减低污染物向地表扩散的风险。 

一种实现本发明的其它装置，在污染物处理处置设施中包含循环泵，以便将各种气体及液体泵入加热井或其它注射井重新注射进入土壤。例如，污染物热解产生的氧气，过氧化氢或其它反应物，这些气体及液体在较高的温度下与污染物重新发生化学反应而使污染物去除或分解。或通过重新注入的气体及液体调节土壤pH值以提高反应速度，或与加热共同作用使污染物加速分解。 

附图说明

下面结合参考附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

图1是表示加热井及抽提井布局及外部连接实施例的视图； 

图2是表示加热井及抽提井的纵剖面构造实施例的视图； 

图3是表示污染物处理处置设施实施例的视图。 

具体实施方式

图1表示了加热井及抽提井布局及外部连接实施例的视图，在本实施例中采用四边形布局形式。加热井相互之间用导电电缆59连接，可以为串联、并联或两者组合。地表抽提井之间采用真空收集管道65’相连。该管道可以为金属、氯化聚乙烯(CPVC)及塑料(PVC)材质，具体根据待修复污染区域的污染物种类及污染土壤的加热温度来确定管道材质。在一个具体实施例中，该管道为金属材质管道。在布置加热井和抽提井的污染土壤区域地表上安装非渗透密封板42，以减少空气与土壤的气体交换，防止过多的空气进入土壤，亦避免土壤中污染物进入大气。加热井及抽提井真空系统所需电源由供电系统62提供。尾气系统由管道收集系统65’传送到污染物处理处置设施61。 

图2表示了布置于待修复污染区域的加热井及抽提井剖面图的一典型实施例。加热井31安置在土层开口30中，加热井中安装加热器部件53、套管51、加热器部件53上不同位置安装扶正器54，套管与加热器部件之间为填充床52，填充床可以为催化剂或导热材料，在加热井31顶部由导电连接21和电缆59穿过井口固定装置56。井口固定装置用焊接法兰64实现与地表的固定。加热器部件53可以为电热器、燃烧炉、与地层中物质或生成物发生反应的燃烧器、和/或这些加热器的组合形式，但不仅限于这些。利用井口固定装置56固定在套管内悬挂加热器部件，在加热部件1/2或1/3处安装扶正器，以固定加热器，以防加热部件倾斜或与套管接触，产生受热不均或造成套管高温腐蚀。扶正器可为滚轮式、滑块式、自动换向式。加热器部件53由顶端的引入电缆59连接到地表电路中，再与地面供电系统62相连，为加热器输送电源。布置在真空井中的柔性导管58连接固定在井底收集管道65的不同位置，由真空泵60来实现对尾气的抽提。该多个软性导管长短不一，有足够的长度保证其延伸至井底及井口，以便将整个抽提井的气体抽离。该柔性导管可以由耐高温橡胶形成，其优势在于安装 简单，可以方便截断成任意长度，并大大减少购买及运输成本。由抽提井内尾气收集管道65将尾气从抽提井中传送到地面的尾气收集管道65’，尾气收集管道可以为金属管制成。非渗透密封层42及热绝缘层55可以布置成覆盖整个污染修复区域。加热器部件53为传导加热方式，可以为商品化加热器由合金电阻构成，如镍合金，可以耐受非常高的温度(1250℃)，可以为电加热器发热棒，如碳化硅管，能升温到1500℃，或其它半导体材料如铬酸镧，其温度可达1500℃以上，也可为其它电加热器如填充卤素气体的卤素石英管。该加热器部件与套管之间可以填充填料床52，填料床填料可以为砂、沙砾等填料热导材料，亦可为高温催化粉末，如矾土，硅土、铁或锌氧化剂、非晶体铝硅酸盐，或特定的氧化还原催化剂等，能催化污染物分解成简单小分子物质。矾土和铁氧化剂有性能较好的热导能力，能够将加热器部件53散发的热量以最小热损失传导污染土层24中。根据污染物种类也可采用其他催化剂，或组合使用矾土、硅土或铁氧化剂。加热器部件在加热时可以通过填料将热量传导到临近土壤，防止加热元件与套管直接接触，加热器也可以在加热时向外膨胀。套管51为耐高温腐蚀材料，可以由不锈钢管构成，如不锈钢310、304、合金35-19、80-20CB、Inconel 601、Incoloy 800HT等，套管51也可以采用水泥如碳化硅、氮化硅或矾土等。加热井的另一实施例是不使用套管51。钻井得到土层开口30，将加热器部件直接垂直悬挂于开口中心，并在地表固定，在加热器部件与土层开口管壁之间直接填充填料52。这样可避免使用套管，减少安装时间及费用。但其缺陷为加热器元件53及填料52直接与污染土壤接触，使两者的回收及再生变的比较困难。地层开口31应从污染土壤延伸到非污染土壤，加热井则扩张到整个或部分污染土壤。通过导电电缆59连接加热器部件53及供电系统62。导电电缆59应该是绝缘及由高温导体如镍或铜构成，如矿物绝缘电缆较为合适。导电电缆59及真空管道65可以穿过焊接法兰64。 

在安装进入土层开口30前可以将加热井建好，以减少加热器的安装时间。对于需垂直安装加热井的土层开口，根据待修复土壤区域的地质条件及深度，可采用螺旋钻或泥钻来完成，加热井31也可选择地简单插入地下而不采用提前钻井。 

非渗透性的密封板42可用于密封污染区域地表，以减少空气与土壤的气体交换，防止过多的空气进入土壤，亦避免土壤中污染物进入大气。非渗透密封板可以由金属、树脂橡胶、玻璃纤维强化树脂橡胶、浸渍玻璃纤维的碳氟化合物、氟橡胶及强化玻璃纤维氟橡胶等其它耐高温材料制成，既有可塑性又不渗透气体。非渗透性密封板在一个典型的实施例中为金属板。非渗透性密封板可以通过焊接或其它方式与加热井及抽提井进行密封。在非渗透性的密封板上或下面可以布置热绝缘层55，以减少待修复区域土壤与大气的热量交换，防止从土壤中的热损失，并保证污染蒸汽不会在密封板下冷凝又回到土壤中。热绝缘层可以是矿物材料，脱脂棉，玻璃棉或玻璃纤维，聚苯乙烯泡沫及镀铝聚酯薄膜等或其它绝缘材料。在一个典型 的实施例中该热绝缘层为热毯，且布置在非渗透性的密封板以下。 

如果污染物不是邻近地表，且加热器安装在距地表有一定距离，则可不用防止地表的高温散失。在这种情况下，可采用低温密封材料如PVC，聚乙烯等，或直接不密封土层，以节约修复费用。 

图3表示的是污染物地表处理处置设施的一个实施例示意图，该设施可以包括泵611、冷凝器612、气液分离器613、污水储存箱614、碱液洗涤塔615、活性炭床616等。该处理处置设施可实现对抽提出的尾气(包括气体及污染物蒸汽)进行处理与处置，使之达标排放。尾气由真空收集管道传输到污染物处理处置设施，经泵611抽提后进入冷凝器612，温度为90-120℃的高温尾气经过冷凝器冷凝后，降低到25-40℃。冷凝后的尾气连接到气液分离器613，将尾气分离成液体相和气体相，通过气液分离器将水蒸气、液态污染物与气体分离开。水和液态污染物又可以根据其密度特性来分离，而气体进一步进行原地处理。分离出的液体可以由地表污水存储箱614收集并转运到污水处理厂来处理。分离出的气相部分通入碱液洗涤塔615，利用洗涤塔中NaOH溶液对尾气中的SO₂、HCl、氮氧化合物等有害废气进行洗涤，洗涤溶液循环利用，通过监控洗涤后溶液的pH值自动控制NaOH溶液浓度，保证有效洗涤和清洁废气排放。剩余部分尾气与活性炭床616相连接，以便尾气中的污染物被活性炭吸收，使污染物减少到可接受水平，实现尾气达标排放。一个典型的尾气活性炭吸附床616实施例可以为填装有颗粒活性炭的有机玻璃柱制成。可选择性设置循环泵，以便各种商品化的气体和液体及污染物热解生成的小分子氧化剂，如水、氧气、过氧化氢、酸碱液等能够重新注射到加热井中，以去除更多污染物。 

Claims (9)

1.一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，该装置包括：

在污染土壤区域中形成土层开口作为加热井，加热井中安放加热器部件，加热井中心至少形成一个土层开口作为抽提井，在抽提井中部署真空系统，抽提井连接有真空管；通过地表供电系统提供的电源加热加热器部件，再由加热器部件将其热量传递给邻近土壤，加热产生的尾气由真空系统提取至地面，经真空管收集，收集后的尾气传输到污染物地表收集及处理设施，经处理后达标排放。

2.根据权利要求1中所述的一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，其特征在于，可以将加热器部件直接安装在套管内，再将套管布置于污染土壤中，或者直接将加热器部件布置于污染土壤中。

3.根据权利要求1中所述的一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，其特征在于，加热井中的套管与加热器部件之间填充填料床，该填料床填料可以为砂、沙砾，亦可为高温催化粉末。

4.根据权利要求3所述的原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，其特征在于，高温催化粉末是矾土、硅土、铁或锌氧化剂、非晶体铝硅酸盐。

5.根据权利要求1所述的一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，其特征在于，在抽提井中安装多个软性导管，该软性导管长短不一，有足够的长度保证其延伸至井底及井口，该软性导管可以由耐高温橡胶形成。

6.根据权利要求1所述的一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，其特征在于，在布置加热井和抽提井的污染土壤区域地表上安装非渗透密封板，在非渗透密封板上面或下面覆盖热绝缘层。

7.根据权利要求1所述的一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，其特征在于，地表供电系统采用电缆与加热器部件、真空泵相连，构成一个电路。

8.根据权利要求1所述的一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，其特征在于，污染物地表收集及处理设施包括泵、冷凝器、气液分离器、污水储存箱、碱液洗涤塔、活性炭床。

9.权利要求1所述的一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理污染土壤的装置，其特征在于，在污染物地表收集及处理设施中设置循环泵，以便热解过程中产生的水、氧气、过氧化氢、酸碱液能够重新注射到加热井中。 

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