CN203140423U

CN203140423U - 一种用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置

Info

Publication number: CN203140423U
Application number: CN 201320183162
Authority: CN
Inventors: 陈云
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2023-04-12

Abstract

一种用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，该装置由过热蒸汽高频发生系统、空气预热系统、空气-过热蒸汽混合原位注入系统、土壤气提与地面废气废水处理系统、监测井等组成，来自于供水系统的水经由高频加热后迅速变为过热蒸汽，空气经预热系统进入空气-过热蒸汽混合原位注入系统，同时实现了过热蒸汽和高温空气原位注入，并通过土壤气提与地面废气废水处理系统强化修复效果，通过监测井观测修复效果。其优点在于空气与过热蒸汽混合后快速升温，换热效率高，在有机污染土壤和地下水中原位实现了空气-过热蒸汽高温混合气体注入修复，特别适用于地下水中高沸点、难挥发有机污染物的高效去除。

Description

一种用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，属于污染治理修复环保技术领域，主要应用于受挥发性和半挥发性有机物污染的工业类场地的原位修复，特别适用于污染地下水中高沸点、难挥发有机污染物的高效去除。

背景技术

随着我国经济的快速发展，资源和能源的大量消耗，环境问题日益突出，特别是近期有关土壤和地下水污染方面的大量报道引起了社会的极大关注，如何解决我国经济的可持续发展问题，如何防止环境污染危及民生，是摆在我们目前的首要问题。

有机污染土壤和地下水是指因堆积、储存、处理、处置或其他方式（如迁移）承载了对人体健康或环境产生危害或具有潜在风险的有机化合物，如柴油、原油、农药、卤代烃、苯系物等挥发性、半挥发性和难挥发的有机物质，造成了该类有机物的土壤和地下水污染。其治理修复按照处理技术方式的不同主要分为原位修复和异位修复，其中原位修复由于基本不需要进行开挖、转运等操作从而最大限度上减少了二次污染问题，而且其成本相对较低，是今后环境修复技术发展的主要趋势。

例如，专利CN202490819U公开了一种有机污染土壤的原位修复装置，该装置包括四个系统：①蒸汽注入系统、②土壤抽提系统、③监测系统、④地面废气废水处理系统，实现了土壤中低沸点、易挥发有机污染物的高效去除，但该装置存在如下问题：其蒸汽注入系统采用饱和蒸汽，其温度较低且压力较高，蒸汽加热用时长，能效低，同时对土壤中高沸点、难挥发的有机污染物去除效果不理想，且尚未开展针对地下水的污染修复工作。专利US4966654公开了一种土壤和地下水修复系统，属于地下水修复抽出-处理技术范畴，主要针对抽出的有机污染地下水采用蒸汽脱附、闪蒸塔分离以及活性炭吸附技术进行处理，处理达标后的水再注回地下或留作他用，该系统未将蒸汽注入地下，仅作为抽出地下水脱附的热源，由于该工艺所需处理的水体量大，使得能耗过大。专利CN102491603公开了原位修复地下水中挥发性污染物的空气注射系统与方法，该系统包括供气设备、空气注射井、地下水监测井和土壤气监测井，根据实际需要还可以结合气提系统；而专利CN102219293公开了原位修复受污染地下水的改进曝气井及修复方法，设计了曝气系统，增加地下水的垂直流动达到减少污染物的横向扩散。但上述2个专利技术并未对注入的空气进行加热强化，会导致传统的空气注入技术对地下水中高沸点、难挥发的有机污染物修复效果不佳，修复时间长等问题。

针对目前有机污染土壤和地下水原位修复装置与工艺中存在的问题，诸如注入蒸汽温度低、能耗大、加热用时长，未采用高温空气注入以及对于土壤和地下水中高沸点、难挥发有机污染物的原位修复效果不佳等，本实用新型提出了以高频加热的过热蒸汽和空气直接混合原位注入为特征的有机污染土壤和地下水修复装置，通过高频加热和过热蒸汽与空气直接换热，不但可以实现注入混合气体温度加热速度快、且温度高，尤其对于地下水中的高沸点、难挥发有机污染物能够实现高效去除。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高效、快捷、绿色、节能的有机污染土壤和地下水原位治理修复装置，该装置采用高频加热产生的过热蒸汽和空气混合后的高温气体作为有机污染物修复的媒介，通过物理方法在原位实现污染土壤和地下水中挥发性和半挥发性有机物的去除，特别适用于地下水中高沸点、难挥发有机污染物的原位修复。

本实用新型涉及一种用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，主要由过热蒸汽高频发生系统（2）、空气预热系统（4）、空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）、土壤气提与地面废气废水处理系统（6）、监测井（8）和连接管路构成，并通过如下技术方案实现有机污染土壤和地下水原位治理修复：将供水系统（1）与过热蒸汽高频发生系统（2）通过水阀连接，供水系统（1）中的水进入过热蒸汽高频发生系统（2）实现快速加热，并变为过热蒸汽输出，然后送入空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）；同时空气通过空气压缩机打入空气缓冲储罐（3），然后通过空气流量阀进入空气预热系统（4），经预热后的空气通过单向阀（7）进入空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）；同时开启土壤气提与地面废气废水处理系统（6），通过设置的气提井利用真空泵对过热蒸汽和空气注入的修复区域进行气相提取，然后送入地面废气废水处理系统进行处理后达标排放。在修复过程中，通过设置的监测井（8）观测土壤和地下水污染区域中所需修复的有机污染物去除效果和地下水位的变化。

所述的供水系统（1）所用的水源可以是自来水或土壤气提与地面废气废水处理系统（6）达标排放的再生水。

所述的过热蒸汽高频发生系统（2）可以是由一个或一个以上高频电源加热系统构成，优选由2个高频电源加热系统构成，并且其中一个高频电源加热系统（12）用作水的预热，另一个（13）用作产生过热蒸汽。所述的高频电源加热系统（12、13）包括感应加热用线圈、高频加热电源和包裹保温材料的换热体，其中换热体如选用铁素体不锈钢管或铸铁管或碳钢管或合金管，优选耐腐蚀耐压的铁素体不锈钢管；其中感应加热线圈缠绕在铁素体不锈钢管保温材料的外壁，线圈两端接头可以直接与高频加热电源相连或多组线圈并联/串联后再与高频加热电源相连，对于水预热用高频电源加热系统（12）流入不锈钢管的水能够在数分钟内被迅速加热到80℃-100℃，再进入过热蒸汽生产用高频电源加热系统（13），流入不锈钢管的热水能够在数分钟内被迅速加热为110℃-600℃的过热蒸汽，并直接进入空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）。所述的高频电源加热系统（12、13）工作原理是通过高频加热电源使得感应加热线圈产生交变磁场作用在铁素体不锈钢管（换热体）上，产生涡流电流，从而实现了电能转化为热能，同时通过铁素体不锈钢管与管道中水的换热作用实现水的迅速加热。

所述的空气预热系统（4）是通过与土壤气提与地面废气废水处理系统（6）中的汽相进行间接换热的换热器（9）来实现的，所输出的预热后空气温度为45℃-110℃。

所述的空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）是将过热蒸汽与空气混合直接换热后，同时通过注入井（10）注入有机污染的土壤和地下水中。所述的过热蒸汽与空气混合直接换热后进入注入井，高温混合气体注入温度可达500℃。所述的过热蒸汽与空气混合注入温度是根据土壤和地下水中有机污染物类型、含量、物理化学性质及污染区域的岩土力学性质在温度自动控制系统（11）中进行设定，并通过该自控系统（11）自动调节过热蒸汽高频发生系统（2）中的高频电源功率和蒸汽流量以及空气预热系统（4）输出的空气流量来实现该设定温度。

所述的供水系统（1）、水预热用高频电源加热系统（12）可以停用，直接通过蒸汽减压阀（8）通入工业用低压蒸汽，送入过热蒸汽生产用高频电源加热系统（13），变为过热蒸汽后进入空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）。

所述的用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，可以采用水预热用高频电源加热系统（12）和过热蒸汽生产用高频电源加热系统（13）等一个以上高频加热系统，与采用单个高频加热系统相比，最大限度地减少了蒸汽管道输送过程中的热量损失，同时大大提高了过热蒸汽的加热速度和利用效率。

所述的用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，其空气-过热蒸汽高温混合气体注入井、土壤气提井和监测井的设置以及地面废气废水系统设计可以参考CN202490819U，不同之处在于：①空气-过热蒸汽高温混合气体注入井的位置可以位于土壤和地下水污染区域的下方，可以修复地下水中的有机污染物；②土壤气提工艺所需的真空泵由于过热蒸汽和空气的使用负荷可以减小，使得气提工艺能耗降低，或真空泵选型时可以选用功率更低的真空泵；③地面废气废水系统由于过热蒸汽的使用减少了废水处理量，而且处理后的再生水可以进入供水系统（1）继续回用，减少水资源的浪费；④所注入的空气-过热蒸汽高温混合气体更加强化了地下水中高沸点、难挥发有机物的修复效果，大大缩短了修复时间。

该实用新型所涉及一种有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，采用了高频加热生产的过热蒸汽和空气混合后的高温气体作为土壤和地下水中有机污染物修复的媒介，与传统原位修复技术相比，大大提高了土壤和地下水中高沸点、难挥发有机污染物的修复效率。

附图说明

图 1是一种用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置示意图。

附图标注说明：

1-供水系统；2-过热蒸汽高频发生系统；3-空气缓冲储罐；4-空气预热系统；5-空气-过热蒸汽混合原位注入系统；6-土壤气提与地面废气废水处理系统；7-单向阀；8-监测井；9-空气预热换热器；10-空气-过热蒸汽混合原位注入井；11-温度自动控制系统；12-水预热用高频电源加热系统；13-过热蒸汽生产用高频电源加热系统；14-玻璃纤维保温层；15-铁素体不锈钢管；16-感应加热用线圈；17-高频加热电源；18-气提井；19-水冷换热器；20-气液分离器；21-真空泵；22-废气处理系统；23-废水处理系统；24-气体达标排放；25-水达标排放；26-自来水供水；27-工业低压蒸汽供给；28-地面；29-地下水位；30-空气压缩机；31-高位槽；32-管道分流器；33-水泵。

具体实施方式

该装置高频加热生产的过热蒸汽和空气混合后的高温气体作为土壤和地下水中有机污染物修复的媒介，适用于污染场地中挥发性和半挥发性有机物的原位修复，特别适用于高沸点、难挥发有机污染土壤和地下水原位治理修复。

结合附图1，本实用新型所涉及的装置，由过热蒸汽高频发生系统（2）、空气预热系统（4）、空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）、土壤气提与地面废气废水处理系统（6）、监测井（8）和连接管路构成。

所述的供水系统（1）采用高位水槽与水泵结合的方式供水，其中水源有2个，其一是来自于自来水系统（26）；其二是来自于废水处理系统（23）去除污染物后回用的再生水（25）。

所述的过热蒸汽高频发生系统（2）是由水预热用高频电源加热系统（12）和过热蒸汽生产用高频电源加热系统（13）构成，其中每个高频电源加热系统均包括感应加热用线圈（16）、高频加热电源（17）以及包裹保温材料（14）的耐腐蚀耐压铁素体不锈钢管（15），其中感应加热线圈（16）缠绕在铁素体不锈钢管保温材料（14）的外壁，线圈两端接头对于水预热用高频电源加热系统（12）采用直接与高频加热电源（17）相连方式；而对于过热蒸汽生产用高频电源加热系统（13）则采用多组线圈并联/串联后再与高频加热电源（17）相连的方式。对于水预热用高频电源加热系统（12）流入不锈钢管（15）的水能够在50秒内被迅速加热到85℃，再进入过热蒸汽生产用高频电源加热系统（13），流入不锈钢管（15）的热水能够在2.5分钟内被迅速加热到温度达580℃的过热蒸汽，并直接进入空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）。

所述的空气预热系统（4）是通过与土壤气提与地面废气废水处理系统（6）中的汽相进行间接换热的换热器（9）来实现的，在稳定状态情况下所输出的预热后空气温度达到105℃。

所述的空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）是将过热蒸汽与空气混合直接换热后，同时通过注入井（10）注入有机污染的土壤和地下水中。其中所述的过热蒸汽与空气混合直接换热后进入注入井，高温混合气体注入温度可达500℃。其中所述的过热蒸汽与空气混合注入温度可以根据土壤和地下水中有机污染物类型、含量、物理化学性质及污染区域的岩土力学性质在温度自动控制系统（11）中进行设定。其中所述的温度自动控制系统（11）包括温度传感器、流量传感器、高频加热电源功率调控器以及PLC控制面板等，通过该自控系统（11）能够自动调节过热蒸汽高频发生系统（2）中的高频电源功率和蒸汽流量以及空气预热系统（4）输出的空气流量来实现该设定温度。

所述的监测井（8）观测土壤和地下水污染区域中所需修复的有机污染物去除效果和地下水位的变化。

所述的土壤气提与地面废气废水处理系统（6）包括气提井（18）、水冷换热器（19）、气液分离器（20）、真空泵（21）、废气处理系统（22）和废水处理系统（23）、连接管路和温度、压力等显示仪表，其中废气处理系统（22）和废水处理系统（23）均采用活性炭吸附去除有机污染物的工艺，定期清除吸附饱和的活性炭运送至具有资质的危废处理单位焚烧处理。

下面结合实际的应用详细说明该装置的运行情况。

在某一农药化工厂搬迁遗留的污染场地中选择50米×50米的热点区域安装运行该装置，该区域土壤水平和垂直渗透系数平均值分别为1.3×10^-4m/s、4.2×10^-4m/s，土壤构成自上而下分别为建筑垃圾、素土、粉土和粉质粘土，土壤平均含水率为34.8%，枯水期浅层地下水位平均为1.9米，土壤中主要的有机污染物及其平均含量如下表1所示，地下水（深度处于2米-3米）中有机污染物及其平均含量如下表2所示。

[0028] 表 1 土壤中有机污染物含量表。

表 2 地下水中有机污染物含量表。

有机污染物名称	含量(μg/l)	目标修复值(μg/l)
			苯	2650	2000
邻甲苯胺	108	0.2
			乙苯	32490	20000

根据地下水流向，在该区域下游布设监测井1口。另外，在污染最严重热点区域核心位置布设监测井2口，分别用于监控污染土壤和污染地下水。

结合自身的经验，在该污染场地现场开展空气-过热蒸汽注入井和土壤气提井布点设计实验，即确定注入井和气提井的辐射半径，依据现场的岩土特性和污染物分布情况，设计确定本区域空气-过热蒸汽注入井设置6口和土壤气提井设置12口，并在具体地理位置布设安装该原位环境修复装置。同时通过现场设计实验还确定：空气-过热蒸汽混合气体注入温度约为400℃，气提系统维持真空度约为23KPa。

其中，监测井、空气-过热蒸汽注入井和气提井的具体设置和地面废气废水系统设计可以参考CN202490819U，但存在不同之处：①空气-过热蒸汽注入井的位置位于场地污染区域的下方，布置在地下水位以下（位于2米-3米深度范围内），可以同时修复土壤和地下水中的有机污染物；②土壤气提工艺所需的真空泵由于过热蒸汽的使用负荷可以减小，使得气提工艺能耗降低，或真空泵选型时可以选用功率更低的真空泵；③地面废气废水系统由于过热蒸汽的使用减少了废水处理量，而且处理后的再生水可以进入供水系统（1）继续回用，减少水资源的浪费；④所注入的空气-过热蒸汽高温混合气体更加强化了地下水中高沸点、难挥发有机物的修复效果，大大缩短了修复时间。

该装置安装调试完毕后，按照如下实施方式运行：

首先启动土壤气提与地面废气废水处理系统（6），将污染区域土壤变为负压状态，最大限度防止原位修复过程中的二次污染问题。设定气提系统维持真空度为23KPa，通过真空泵（21）将污染物和蒸汽从气提井（18）抽出，分别经空气预热换热器（9）和水冷换热器（19）换热后进入气液分离器（20），其中气体送入废气处理系统处理达标后排放；液体送入废水处理系统处理达标后部分排放，部分水送入高位水槽（31）再生回用。此外，还利用冷却换热器（19）对进入高位水槽（31）的水进行预热。

然后通过自来水系统（26）向高位水槽（9）补水，通过水泵打入过热蒸汽高频发生系统（2），开启水预热用高频电源加热系统（12）中的高频加热电源（17），为（12）中的感应加热用线圈（16）供电，同时通过涡流效应在（12）中的铁素体不锈钢管（15）产生热量，进而加热其中流过的水，通过设定温度自动控制系统（11）热水温度为85℃，实现水预热用高频电源加热系统（12）自动调控高频电源（17）加热功率在50秒内达到所要求的温度。产生的热水通过管道分流器（32）分别进入6个分支管路，通过流量阀进入到过热蒸汽生产用高频电源加热系统（13）中，即进入6个（13）中铁素体不锈钢管，通过分别配套的6个感应加热用线圈串联后两端接在高频加热电源上，通过设定温度自动控制系统（11）过热蒸汽温度为480℃，实现过热蒸汽生产用高频电源加热系统（13）自动调控高频电源（17）加热功率将85℃的热水在2分钟之内加热变为480℃过热蒸汽，并直接进入空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）。

空气经过空气压缩机（30）（出口压力为0.75MPa）打入空气缓冲储罐（3），然后进入空气预热系统（4），即通过土壤气提与地面废气废水处理系统（6）中空气预热换热器（9）进行预热，温度达到105℃，再由单向阀（7）送入空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）进行直接混合换热，混合后气体温度为400±10℃，并通过注入井（10）直接注入土壤和地下水中。通过设定温度自动控制系统（11）空气-过热蒸汽混合气体温度为400℃，可以通过自动调节过热蒸汽高频发生系统（2）中的高频电源功率和蒸汽流量以及空气预热系统（4）输出的空气流量来准确实现该设定温度。

在修复过程中，每天通过设置的3口监测井（5）观测土壤和地下水污染区域中所需修复的有机污染物去除效果和地下水水位。经过35天的连续修复，经该装置修复的污染区域均达到土壤和地下水目标修复值（参见表1和表2）的要求，特别是去除了地下水中高沸点的污染物邻甲苯胺（地下水中未检出该污染物）。

所述的实施详例仅为了说明而不是限制本实用新型，在本实用新型启示下且不脱离本实用新型权利要求所保护的范围内的情况所做出去其他形式的变通，均在本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，其特征在于主要由过热蒸汽高频发生系统、空气预热系统、空气-过热蒸汽混合原位注入系统、土壤气提与地面废气废水处理系统、监测井和连接管路构成，通过如下方式实现有机污染土壤和地下水原位环境修复：将供水系统（1）与过热蒸汽高频发生系统（2）通过水阀连接，供水系统（1）中的水进入过热蒸汽高频发生系统（2）实现快速加热，并变为过热蒸汽输出，然后送入空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）；同时空气通过空气压缩机打入空气缓冲储罐（3），然后通过空气流量阀进入空气预热系统（4），经预热后的空气通过单向阀（7）进入空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）；同时开启土壤气提与地面废气废水处理系统（6），通过设置的气提井利用真空泵对过热蒸汽和空气注入的修复区域进行气相提取，然后送入地面废气废水处理系统进行处理后达标排放；在修复过程中，通过设置的监测井（8）观测土壤和地下水污染区域中所需修复的有机污染物去除效果和地下水位的变化。

2.如权利要求1所述的用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，其特征在于，所述的过热蒸汽高频发生系统（2）是由一个或一个以上高频电源加热系统构成。

3.如权利要求1所述的用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，其特征在于，所述的过热蒸汽高频发生系统（2）所输出的过热蒸汽温度为110℃-600℃。

4.如权利要求1所述的用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，其特征在于，所述的空气预热系统（4）是通过与土壤气提与地面废气废水处理系统（6）中的汽相进行间接换热的换热器（9）来实现的，所输出的预热后空气温度为45℃-110℃。

5.如权利要求1所述的用于有机污染土壤和地下水原位治理修复的装置，其特征在于，所述的空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5）是将过热蒸汽与空气混合直接换热后，同时通过注入井（10）注入有机污染的土壤和地下水中。

6.如权利要求5所述的空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5），其特征在于，所述的过热蒸汽与空气混合直接换热后进入注入井，高温混合气体注入温度可达500℃。

7.如权利要求6所述的空气-过热蒸汽混合原位注入系统（5），其特征在于，所述的过热蒸汽与空气混合注入温度是根据土壤和地下水中有机污染物类型、含量、物理化学性质及污染区域的岩土力学性质在温度自动控制系统（11）中进行设定，并通过该自控系统（11）自动调节过热蒸汽高频发生系统（2）中的高频电源功率和蒸汽流量以及空气预热系统（4）输出的空气流量来实现该设定温度。