CN215391564U - 一种热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统，属于土壤修复技术领域。所述原位修复系统包括水平铺设的加热管和抽提管，抽提管布设在加热管上部，加热管和抽提管之间的距离为0.1‑1m；所述加热管为碳钢管，在碳钢管外壁设有换热翅片；所述抽提管为碳钢管，在碳钢管管壁上开有缝隙。本实用新型采用水平加热管的布置，能够有效节省常规建井式垂直加热井的系统数量，同时还简化了传统抽提系统的复杂程度，降低了在废气在提取和汇集过程中的泄露、管道阻力大、易凝结等弊端，提高了废气处理效率。

Description

一种热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统

技术领域

本实用新型属于土壤修复技术领域，具体涉及一种热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统。

背景技术

目前，土壤污染问题日渐严重，危及农产品、地下水和人居环境安全。有色金属冶炼、石油加工、化工、焦化、电镀、制革等工矿业和农药化肥过量施用等造成污染的主要因素。污染物在土壤中不易迁移、扩散、稀释，因此土壤污染具有隐蔽性、潜伏性、不可逆性、累积性和长期性的特点，并且可以通过食物链的层层传导进一步威胁动物和人类的健康，而土壤污染的修复成本高，见效过程慢。

在受污染土壤的治理和修复技术方面，按照是否开挖一般分为异位修复和原位修复两大类；按照技术性质则可分为物理、化学、生物技术等，如固化稳定化、淋洗、氧化还原、热脱附、水泥窑协同、生物修复、阻隔填埋等。从国内外技术发展历史和发展趋势来看，原位修复技术正在成为土壤修复未来技术发展的重点。

热修复技术是高温加热土壤后，使污染物通过挥发、氧化或脱附等物理化学方式与土壤分离，再将污染物抽提后进行处理的一项先进技术，具有去除效率高、修复周期短、能够修复大部分有机污染物等优点。

原位热脱附技术是通过间接加热的形式对污染土壤加热，并对挥发后的污染物进行收集和处理，具有对土壤扰动少、二次污染可控、处理范围广泛等优点，尤其是对土壤污染较深、低渗透低、粘性强土壤及、开挖难度大、不利于异位开挖修复的场地，原位热脱附技术优势更加明显。但现有的原位热脱附技术存在加热影响半径小、加热井、抽提井数量多等不足；而且在存在有建筑物或无法垂直钻孔的污染场地，也无法实施修复。

实用新型内容

针对目前原位热脱附技术存在的垂直加热井影响半径小、抽提系统物料消耗量多且施工复杂等技术问题，本实用新型提供了一种热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统，包括水平铺设的加热管和抽提管，抽提管布设在加热管上部，加热管和抽提管之间的距离为0.1-1m；

所述加热管为碳钢管，在碳钢管外壁设有换热翅片；

所述抽提管为碳钢管，在碳钢管管壁上开有缝隙。

进一步地，所述加热管外部连接有天然气燃烧器。

进一步地，所述抽提管外部连接有尾气处理系统。

进一步地，所述抽提管外部包裹有耐热丝网。

进一步地，所述原位修复系统还包括温度测定装置和压力测定装置。

有益效果：

1.水平加热管的合理布置，能够有效节省常规建井式垂直加热井的系统数量(包括燃烧器及控制系统，加热管等)，尤其是对于深度2米以内的污染地层，系统节省效果更明显。假设一块1000平米的污染地块，污染深度2.5-3m，按照常规原位热脱附系统，需要的加热管系统和燃烧器约160-200套，而采用水平加热管则仅需要22套。

2.由于采用了水平加热方式，只需要在加热管的周围配置1-2根抽提管即可满足脱附后废气的抽出和收集，可以由传统模式抽提管数量190-230套减少到10-11套，大大简化了传统抽提系统的复杂程度，降低了在废气在提取和汇集过程中的泄露、管道阻力大、易凝结等弊端，提高了废气处理效率。

3.该修复系统为难以进入场地，如建筑物下方或者进入风险巨大的有毒地块提供了可行性方案，可以在无法进入的地块外围利用水平钻机钻孔，以水平或近水平井方式将加热系统和抽提系统安装到待修复地块污染范围内，无需拆除建筑物或人员进入健康风险巨大的区域，避免了建筑物的拆除和工程实施的HSE风险，提高了原位修复技术的适用范围。

附图说明

图1为本实用新型原位修复系统的结构示意图。

图2为加热管的结构示意图。

图3为抽提管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明，但不应理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型提供了一种热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统，包括水平铺设的加热管1和抽提管2，抽提管2布设在加热管1上部。

加热管1外部连有独立的天然气燃烧器3，空气、天然气和烟气量可调可控，换热后的烟气可引到室外排放。在加热管1外壁布置一定数量的换热翅片，利于加热管与被加热对象换热。

抽提管2一端密封，另一端通过风机和管路连接尾气处理系统4。抽提管2为带有一定规格缝隙的碳钢管，实际应用时外面包裹耐热丝网，以防止土壤堵塞缝隙。经抽提管2抽出的废气进入尾气处理系统4处理达标后排放，尾气处理系统4包括换热单元、除雾单元及活性炭吸附单元，换热单元为管壳式换热器，用于处理抽提废气；除雾器为丝网捕雾器，用于去除抽提出的废气中的部分雾滴和粉尘颗粒；将废气温度降低至40℃以下后，进入活性炭过滤器进行吸附处理；处理过程中采样进行尾气检测，保证达标。

所述原位修复系统还包括温度测定装置和压力测定装置。温度测定装置用于测定土壤温度，记录处理过程温度变化及目标温度；压力测定装置用于保持土体内部的压力-50pa，防止挥发后污染物泄露，并及时通过引风机将废气抽出土体。

为了验证上述原位修复系统对土壤进行修复的效果，本实用新型在室内利用体积5m³的模拟箱体进行修复实验。具体步骤如下：

(1)分别取适量含VOCs(苯系物)、SVOCs(石油烃类(C≥16)，多环芳烃类的苯并[a]芘)的污染土壤，分别测定污染物浓度，并同步获取土壤及地质参数等。

(2)在室内利用体积5m³的模拟箱体(长宽高5m×1m×1m)，按照真实场地的土壤、地质参数将土壤放置在箱体内，箱体四周和顶部用石棉绝热层和水泥层密封。根据传热传质热工模拟计算，在距离箱底0.5m处设置一根长5m的水平加热管，带独立天然气燃烧器，空气、天然气和烟气量可调可控，加热管外壁布置一定数量的换热翅片，利于加热管与被加热对象换热。换热后的烟气引到室外排放。在距离土壤顶部0.3m处设置一根5m的抽提管，通过风机和管路连接尾气处理系统。按照一定的升温梯度和目标温度，对污染土壤进行加热处理。

(3)在适当位置分别设置热电偶和压力测定装置，分别测定土壤温度，记录处理过程温度变化及目标温度。保持土体内部的压力-50pa，防止挥发后污染物泄露，并及时通过引风机将废气抽出土体。

(4)抽出后的废气接入独立处理系统处理达标后排放。该处理系统包括换热单元、除雾单元、及活性炭吸附单元。过程中采样进行尾气检测，保证达标。

(5)在所有测温点位加热达到目标温度后，停止加热，尾气抽提和处理系统持续运行，并从土壤取样点取样进行目标污染物监测；同时对处理后尾气进行取样检测，用于判断修复效果是否达到修复目标值。

(6)按照，《土壤和沉积物挥发性有机物的测定吹扫捕集/气相色谱-质谱法》(HJ605-2006)、《土壤和沉积物挥发性有机物的测定顶空/气相色谱-质谱法》(HJ642-2006)、《土壤和沉积物挥发性卤代烃的测定顶空/气相色谱-质谱法》(HJ735-2006)、《土壤和沉积物挥发性有机物的测定顶空/气相色谱-质谱法》(HJ736-2006)、《土壤和沉积物挥发性芳香烃的测定顶空/气相色谱-质谱法》(HJ742-2006)要求，《土壤和沉积物多环芳烃的测定高效液相色谱法》(HJ642-2006)分别测试尾气组成以及修复后土壤中相应污染物的浓度值，过程中记录升温速率、土壤内部温度、压力等参数。

(7)在开启燃烧器之前，启动抽提污染物废气处理系统，待系统平稳运行后，再启动加热系统，以保障土壤中污染物不发生泄露。在试验装置运行过程中，记录主要处理单元如换热器、活性炭的进出口气体温度、压力等，按照国家标准取样测定主要装置进出口废气中污染物浓度，以及最终废气排放口的污染物含量；冷凝液进行妥善处理，避免二次污染的发生。

(8)分别将最终处理后的土壤污染物指标及处理后废气污染物指标与国家相关标准规范进行对标比较，判断该修复方法的处理性能。

(9)利用主要技术参数与现有常规原位热修复技术进行对比。

上述方案中：

模拟箱体为10mm厚的碳钢，外层配隔热防护层，厚度15cm；

加热管为碳钢材质，外壁带有换热翅片；

抽提管为带有一定规格缝隙的碳钢管，实际应用时外面包裹耐热丝网；

用于处理抽提废气的换热器为管壳式换热器；

除雾器为丝网捕雾器，用于去除抽提出的废气中的部分雾滴和粉尘颗粒；

将废气温度降低至40℃以下后，进入活性炭过滤器进行吸附处理；

所用的土壤全部为目前国内主要典型有机污染场地的土壤和污染物，土壤类型包括粉质沙土、粘土、粉质粘土等；污染物包括苯系物(BTEX)、三氯乙烯(TCE)、二氯甲烷(DCA)、C6-C40石油烃、六氯苯和荧蒽、苯并[a]芘等多环芳烃等。

先通过预处理将所取的土壤样品处理至粒径小于0.5cm，含水率在25-30％之间，按照一定的密度和填充率装入5m³的试验装置内，然后埋入水平加热管、抽提管、温度测定、压力测定设备等，外部接好烟气排放设备，以及抽提废气的处理系统，测定试验前后土壤中的污染物含量，以及排放废气中主要污染物的浓度。

实施例1

典型挥发性有机物VOCs——苯系物(BTEX)和C₁₀以下石油烃

(1)取足够数量的有机污染地块的土壤，通过调查资料和实验室检测分析，明确该土壤的物化性质，包括土壤类型、含水率、粒径组成、目标污染物成分和浓度等影响因子和参数；

(2)在正常环境条件下，按照现场土壤性质实际情况，将土壤分层填入试验装置内，在此过程中，将加热管、抽提管及温度和压力监测装置分别安装在事先设计好的位置；

(3)加热管置于模拟箱外的一端安装燃气燃烧器，燃烧后的热烟气与土壤换热后进入烟气外排管道排入外界环境；

(4)抽提管为均匀分布有一定宽度缝隙的铁管，外部包有防护网，防治土壤堵塞缝隙。抽屉管一端密封，另一端接到独立安装好的尾气处理系统入口；

(5)装置全部安装到位调试完成后，首先启动抽提单元和尾气处理装置，然后启动加热系统，根据挥发性有机物的沸点和饱和蒸汽压等，设置目标处理温度120，总共试验周期为43天；

(6)试验过程中，按照计划纪录温度、压力等参数，并在不同阶段在取样口取样分析目标污染物的浓度，抽提出来的废气成分、处理后废气组成和含水率等参数；

(7)将上述土壤样品、废气样品按照《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB36600-2018及《建设用地土壤污染状况调查技术导则》(HJ 25.4-2019)、《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》(HJ 25.2-2019)、《建设用地土壤修复技术导则》(HJ 25.4-2019)等标准规范的相关指标检测要求进行检测分析。

(8)将检测结果与该地块根据污染调查报告和风险评估报告确定的污染物的修复目标值进行对比，结果显示试验处理后的污染物浓度均小于修复目标值，实现修复目标。

实施例2

典型半挥发性有机物——六氯苯及C₂₂以下石油烃类

(1)取足够数量的有机污染地块的土壤，通过调查资料和实验室检测分析，明确该土壤的物化性质，包括土壤类型、含水率、粒径组成、目标污染物成分和浓度等影响因子和参数；

(2)在正常环境条件下，按照现场土壤性质实现情况，将土壤分层填入试验装置内，在此过程中，将加热管、抽提管及温度和压力监测装置分别安装在事先设计好的位置；

(3)加热管置于模拟箱外的一端安装燃气燃烧器，燃烧后的热烟气与土壤换热后进入烟气外排管道排入外界环境；

(4)抽提管为均匀分布有一定宽度缝隙的铁管，外部包有防护网，防治土壤堵塞缝隙。抽屉管一端密封，另一端接到独立安装好的尾气处理系统入口；

(5)装置全部安装到位调试完成后，首先启动抽提单元和尾气处理装置，然后启动加热系统，根据挥发性有机物的沸点和饱和蒸汽压等，设置目标处理温度小于350，总共试验周期为65天；

(6)试验过程中，按照计划纪录温度、压力等参数，并在不同阶段在取样口取样分析目标污染物的浓度，抽提出来的废气成分、处理后废气组成和含水率等参数；

(7)将上述土壤样品、废气样品按照《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB36600-2018及《建设用地土壤污染状况调查技术导则》(HJ 25.4-2019)、《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》(HJ 25.2-2019)、《建设用地土壤修复技术导则》(HJ 25.4-2019)等标准规范的相关指标检测要求进行检测分析。

(8)将检测结果与该地块根据污染调查报告和风险评估报告确定的污染物的修复目标值进行对比，结果显示试验处理后的污染物浓度均小于修复目标值，实现修复目标。

实施例3

典型难挥发性有机物——苯并[a]芘及C₂₃以上石油烃类

(1)取足够数量的有机污染地块的土壤，通过调查资料和实验室检测分析，明确该土壤的物化性质，包括土壤类型、含水率、粒径组成、目标污染物成分和浓度等影响因子和参数；

(2)在正常环境条件下，按照现场土壤性质实现情况，将土壤分层填入试验装置内，在此过程中，将加热管、抽提管及温度和压力监测装置分别安装在事先设计好的位置；

(3)加热管置于模拟箱外的一端安装燃气燃烧器，燃烧后的热烟气与土壤换热后进入烟气外排管道排入外界环境；

(4)抽提管为均匀分布有一定宽度缝隙的铁管，外部包有防护网，防治土壤堵塞缝隙。抽屉管一端密封，另一端接到独立安装好的尾气处理系统入口；

(5)装置全部安装到位调试完成后，首先启动抽提单元和尾气处理装置，然后启动加热系统，根据挥发性有机物的沸点和饱和蒸汽压等，设置目标处理温度430，总共试验周期为86天；

(6)试验过程中，按照计划纪录温度、压力等参数，并在不同阶段在取样口取样分析目标污染物的浓度，抽提出来的废气成分、处理后废气组成和含水率等参数；

(7)将上述土壤样品、废气样品按照《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB36600-2018及《建设用地土壤污染状况调查技术导则》(HJ 25.4-2019)、《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》(HJ 25.2-2019)、《建设用地土壤修复技术导则》(HJ 25.4-2019)等标准规范的相关指标检测要求进行检测分析。

(8)将检测结果与该地块根据污染调查报告和风险评估报告确定的污染物的修复目标值进行对比，结果显示试验处理后的污染物浓度均小于修复目标值，实现修复目标。

实施例性能评价方法

1、土壤基本理化性质检测分析

依据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T166-2004)、《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB36600-2018及《建设用地土壤污染状况调查技术导则》(HJ25.4-2019)、《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》(HJ 25.2-2019)、《建设用地土壤修复技术导则》(HJ 25.4-2019)等标准规范中的方法分别对土壤含水率、粒径组成等理化性质进行检测分析，得到所需的参数数据。

表1实施例所使用土壤参数

序号	密度(kg/m<sup>3</sup>)	含水率(％)	渗透系数(cm/s)	土壤类型
					实施例1	1.64	23.7	1.74×10<sup>-6</sup>	粘土
实施例2	1.53	25	1.53×10<sup>-4</sup>	粉土
					实施例3	1.71	27	1.1×10<sup>-6</sup>	粉质粘土

2、实施例1土壤的挥发性有机物修复效果评价

表2实施例1修复前后主要污染指标检测结果

序号	检测指标	实际检测值(mg/kg)	修复目标值(mg/kg)
				1	苯	ND	1
2	甲苯	102	1200
				3	乙苯	5.4	7.2
4	间二甲苯+对二甲苯	88	163
				5	C<sub>10</sub>以下石油烃	500	826

3、实施例2土壤的半挥发性有机物修复效果评价

表3实施例2修复前后主要污染指标检测结果

序号	检测指标	实际检测值(mg/kg)	修复目标值(mg/kg)
				1	六氯苯	0.12	0.33
2	五氯酚	0.61	1.1
				3	C<sub>22</sub>以下石油烃类	433	826

4、实施例3土壤的难挥发性有机物修复效果评价

表4实施例3修复前后主要污染指标检测结果

序号	检测指标	实际检测值(mg/kg)	修复目标值(mg/kg)
				1	苯并[a]芘	0.32	0.55
2	苯并[b]荧蒽	1.9	5.5
				3	C<sub>23</sub>上石油烃类	352	826

根据以上结果可知，试验处理后的污染物浓度均小于修复目标值，实现修复目标。

Claims (5)

1.一种热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统，其特征在于：包括水平铺设的加热管（1）和抽提管（2），抽提管（2）布设在加热管（1）上部，加热管（1）和抽提管（2）之间的距离为0.1-1m；

所述加热管（1）为碳钢管，在碳钢管外壁设有换热翅片；

所述抽提管（2）为碳钢管，在碳钢管管壁上开有缝隙。

2.根据权利要求1所述的热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统，其特征在于：所述加热管（1）外部连接有天然气燃烧器（3）。

3.根据权利要求1所述的热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统，其特征在于：所述抽提管（2）外部连接有尾气处理系统（4）。

4.根据权利要求1所述的热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统，其特征在于：所述抽提管（2）外部包裹有耐热丝网。

5.根据权利要求1所述的热辅助有机污染物挥发抽提的原位修复系统，其特征在于：所述原位修复系统还包括温度测定装置和压力测定装置。

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